建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度

建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第1頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(6-1)式中，qC為室內(nèi)的釋熱速率；qL為冷空氣取代熱煙氣所造成的熱損失速率；qW為通過(guò)壁面（包括墻壁、頂篷和地板）的熱損失速率；qR為通過(guò)敞開(kāi)通風(fēng)口的輻射熱損失速率；qB為熱量存貯在氣相空間的速率(一般可以忽略)。以上各q的單位為kW。為了簡(jiǎn)化模型還要使用以下假設(shè)：(1)燃燒是完全的，且全部在室內(nèi)進(jìn)行；(2)室內(nèi)的溫度始終是均勻的；(3)室內(nèi)所有內(nèi)表面的傳熱系數(shù)都相同；(4)流向及穿過(guò)房間邊界流出的熱流按一維傳熱處理，就是說(shuō)忽略墻角、墻邊等具體形狀而將邊界假設(shè)為具有一定厚度的板。(一)釋熱速率（qC）假設(shè)充分發(fā)展火災(zāi)處于通風(fēng)控制狀態(tài)，即釋熱速率可寫為：(6-2)式中，HC是可燃物的燃燒熱，此處取為木材的燃燒熱（18.8MJ/kg）。并假設(shè)從t＝0時(shí)開(kāi)始，qC將保持不變，直到可燃物全部消耗為止。這樣便忽略了木炭的燃燒階段，因?yàn)槟咎咳紵c氣相燃燒相比要緩慢得多。實(shí)際上充分發(fā)展火災(zāi)階段有時(shí)也存在燃料控制狀態(tài)，因此使用上式估計(jì)釋熱速率有可能偏高。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第2頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(二)輻射熱損失（qR）根據(jù)斯蒂芬－波爾茨曼定律，qR可由下式確定：

(6-3)式中，AW是通風(fēng)口面積(m2)；Tg

和To分別是室內(nèi)的氣相和環(huán)境溫度(K)；F是室內(nèi)氣體的有效輻射率，它可由下式計(jì)算：

(6-4)式中，XF是火焰厚度（m）；K是輻射系數(shù)(m-1)。彼得森取值為K

＝1.1（m-1），它是由木垛火的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的。當(dāng)Tg》T0時(shí)，式（6-3）可簡(jiǎn)化為：

(6-5)(三)對(duì)流熱損失（qL）這種熱損失按下式計(jì)算：

(6-6)式中，mF是煙氣的流出速率。假設(shè)mF

＝mair（即忽略燃料揮發(fā)分的質(zhì)量），則由川越邦雄的公式可知mF/AWH1/2近似為常數(shù)。若用表示之，上式可改為：

(6-7)一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第3頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(四)壁面熱損失（qW）以導(dǎo)熱形式經(jīng)壁面?zhèn)鞒龅臒嵬繎?yīng)當(dāng)用數(shù)值解法求出。就是說(shuō)把壁面分成若干薄層，對(duì)每一薄層可列出其瞬態(tài)導(dǎo)熱方程，然后求解它們組成的方程組以得出導(dǎo)熱損失速率，見(jiàn)圖6-2。圖6-2通過(guò)房間壁面的瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程設(shè)劃分的總層數(shù)為n，每層的,厚度為X，則對(duì)于壁面最里層可寫出：

(6-8)一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度12jn-1nT1T2TjTn-1TnT0第4頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一設(shè)劃分的總層數(shù)為n，每層的,厚度為X，則對(duì)于壁面最里層可寫出：

對(duì)于壁面內(nèi)部的第j層有：(6-9)

對(duì)于壁面最外層有：

(6-10)式中，C和k都是溫度的函數(shù)，由溫度場(chǎng)確定；Ti和Tu分別為壁面內(nèi)表面和外表面的溫度，它們分別用T1和Tn代替。ri和ru分別為壁面內(nèi)表面附近的換熱系數(shù)，彼得森按下式確定其值：

(kW/m2K)(6-11)

一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第5頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一式中，T為集總輻射率，即：

(6-12)

(6-13)通過(guò)聯(lián)立求解方程（6-12）至（6-13），可得到各層的溫度，最后按下式計(jì)算qW。

(6-14)這樣熱平衡方程（6-14）中的各項(xiàng)便都確定了，將它們?nèi)看朐摲匠滩⒅匦抡砜傻茫?6-15)

一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第6頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Tg應(yīng)當(dāng)用數(shù)值積分方法計(jì)算(例如龍格－庫(kù)塔法)，T1的值仍需由Tg決定，通過(guò)在每一時(shí)間步上進(jìn)行幾次迭代計(jì)算就可得到它們的合適值。計(jì)算中把燃燒持續(xù)時(shí)間定為mf

/m，式中mf為火災(zāi)載荷，用千克當(dāng)量木材表示；m為質(zhì)量燃燒速率。當(dāng)超過(guò)這段時(shí)間后便認(rèn)為qc等于零。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算*二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第7頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)火場(chǎng)的溫度可根據(jù)混凝土外觀和強(qiáng)度變化、化學(xué)成分的變化及火焰的顏色等條件來(lái)判斷。(一)根據(jù)混凝土外觀和強(qiáng)度變化判定火場(chǎng)溫度用普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊，模擬實(shí)際火災(zāi)升溫曲線對(duì)試塊進(jìn)行灼燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6-1。試驗(yàn)表明：三種水泥制成的混凝土試塊受熱后顏色都會(huì)發(fā)生改變，顏色變化規(guī)律與加熱時(shí)間的關(guān)系大體是相同的，都是隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)、溫度的升高，顏色由紅→粉紅→灰→淺黃這條規(guī)律變化。試驗(yàn)還表明：混凝土在不受外力作用下，當(dāng)加熱時(shí)間不足50min(溫度低于898℃)，試塊外形基本完好，只有四角稍有脫落；當(dāng)加熱時(shí)間持續(xù)到60min(溫度925℃)，邊角開(kāi)始粉化脫落；70min(溫度948℃)，混凝土各面開(kāi)始粉化；80min(溫度968℃)，表面的粉化深度5～8mm；90min(溫度986℃)，表面粉化深度8～10mm；100min(溫度1002℃)，表面粉化深度10～12mm；120min(溫度1029℃)，表面粉化深度12—15mm。從混凝土表面裂紋大小也可以看到被燒溫度的變化。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第8頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-1混凝土外觀變化與溫度的關(guān)系

用礦渣水泥的混凝土試塊進(jìn)行恒溫灼燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6-2。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第9頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-2礦渣水泥混凝土顏色、外形變化與加熱溫度、時(shí)間的關(guān)系一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第10頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由表6-2可以看出：在恒溫加熱條件下混凝土表面顏色的變化規(guī)律與升溫條件下基本相同，隨著溫度升高而由紅→粉紅→灰→淺黃變化；混凝土顏色的變化只與加熱溫度有關(guān)，而與加熱時(shí)間關(guān)系不大；混凝土外形變化從700℃開(kāi)始現(xiàn)象明顯，隨著溫度升高變化越來(lái)越大。當(dāng)在900～1000℃下加熱，由于溫度達(dá)到800℃以上時(shí)，骨料開(kāi)始分解，混凝土外形基本破壞而粉化?；炷良訜岬狡茐臏囟群?，恒溫加熱時(shí)間越長(zhǎng)，破壞越大。如果達(dá)不到破壞溫度，盡管恒溫加熱時(shí)間很長(zhǎng)，也不能使混凝土破壞(二)根據(jù)混凝土表面強(qiáng)度變化判定火場(chǎng)溫度混凝土隨著受熱溫度的升高，其強(qiáng)度將不斷降低。如果受熱時(shí)間比較短，溫度比較低時(shí)，外形還未發(fā)生變化，眼睛無(wú)法看出各部位受熱溫度的差別及強(qiáng)度的變化。但當(dāng)混凝土受熱溫度不同時(shí)，其表面硬度會(huì)發(fā)生變化，這種變化可以借助儀器測(cè)量出來(lái)。1、測(cè)定回彈值回彈儀檢測(cè)作為一種非破損檢測(cè)技術(shù)，在常溫下可以用來(lái)評(píng)定混凝土的質(zhì)量?；馂?zāi)中混凝土受高溫作用后，其微觀結(jié)構(gòu)受到了損害，表面硬度發(fā)生了變化。由于各部位在實(shí)際火場(chǎng)中受熱溫度不同，各部位也相應(yīng)地表現(xiàn)出不同程度的損傷，因而各部位的回彈值也相應(yīng)地發(fā)生變化。用回彈儀檢測(cè)混凝土構(gòu)件表面硬度，可以定性地判斷燒損程度，判定其受熱溫度和受熱時(shí)間。混凝土表面回彈值與受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表6-3。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第11頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-3混凝土表面回彈值與受熱溫度和時(shí)間的關(guān)系

從表6-3可以看出，隨著加熱持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)、溫度的升高，回彈值越來(lái)越小，回彈值降低率越來(lái)越大。在加熱5～10min（556～658℃）時(shí)混凝土表面硬度變化不大；加熱50min（898℃）以上時(shí)，混凝土表面已嚴(yán)重粉化，回彈值為零?；饒?chǎng)勘查人員可以根據(jù)混凝土回彈儀測(cè)定被燒混凝土表面的回彈值，判斷混凝土被燒溫度的高低。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第12頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、用超聲波檢測(cè)判別遭受火災(zāi)作用的混凝土建筑構(gòu)件，由于火災(zāi)所產(chǎn)生的短時(shí)高溫，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多細(xì)微裂縫，對(duì)超聲波在其內(nèi)部的傳播速度影響很大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，超聲波脈沖的傳播速度隨混凝土被燒溫度的升高而降低。因此可以根據(jù)超聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度的改變定性地說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)某部位的燒損程度，進(jìn)而說(shuō)明該部位的受熱溫度的高低，以此判斷火勢(shì)蔓延方向和起火部位。(三)根據(jù)混凝土化學(xué)成分的變化判定火場(chǎng)溫度當(dāng)混凝土被加熱時(shí)，會(huì)發(fā)生如下變化：Ca(OH)2→CaO+H2O

CaCO3→CaO+CO2反應(yīng)生成物數(shù)量隨受熱溫度升高和時(shí)間增長(zhǎng)而增加，因此，可通過(guò)測(cè)量其質(zhì)量變化值判斷混凝土火燒部位溫度的高低。1、測(cè)定中性化深度混凝土中由于存在Ca(OH)2和少量NaOH、KOH，因而硬化后的混凝土呈堿性，pH為12～13?；炷两?jīng)火災(zāi)作用后，堿性的Ca(OH)2發(fā)生分解，放出水蒸氣，留下中性的CaO。CaO遇無(wú)水乙醇的酚酞溶液不顯色，而Ca(OH)2則顯紅色。

一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第13頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-4礦渣水泥混凝土中性化深度與受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系因此，可以用l％酚酞的無(wú)水乙醇溶液噴于破損的混凝土表面，測(cè)定不顯紅色部分的深度，即中性化深度。實(shí)驗(yàn)研究表明，混凝土中性化深度隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而加深(見(jiàn)表6-4)?，F(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)可直接在混凝土構(gòu)件表面鑿取小塊，將小塊放人1％酚酞的無(wú)水乙醇溶液中，測(cè)定混凝土中性化深度。通過(guò)測(cè)定不同部位混凝土構(gòu)件的中性化深度，查表得出受熱溫度和持續(xù)時(shí)間。根據(jù)溫度分布分析火勢(shì)蔓延方向，進(jìn)而分析判定起火部位。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第14頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、測(cè)定炭化層中CO2含量混凝土在水化凝結(jié)過(guò)程中會(huì)生成大量Ca(OH)2，當(dāng)混凝土長(zhǎng)期在空氣中自然放置時(shí)，表面層中的Ca(OH)2就會(huì)吸收空氣中的CO2形成CaCO3，通常把這種過(guò)程叫做混凝土的炭化作用，所形成的CaCO3層叫b炭化層(一般厚度為2～3mm左右)。炭化作用的速度隨空氣中CO2濃度的增大而加快。一般炭化層中CO2含量在20％左右。試驗(yàn)表明，當(dāng)混凝土受熱溫度達(dá)550℃時(shí)，CaCO3開(kāi)始分解，但分解速度很緩慢，隨著混凝土受熱溫度的升高，其分解速度迅速增加。當(dāng)達(dá)到898℃時(shí)，分解出的CO2分壓可達(dá)到1atm。因此，898℃稱為CaCO3的分解溫度。如果加熱溫度繼續(xù)提高，仍會(huì)加劇CaCO3分解速度，混凝土炭化層中CO2含量將隨加熱溫度的升高而降低。所以可在現(xiàn)場(chǎng)勘查中鑿取混凝土炭化層試樣，采用國(guó)標(biāo)GB218—83碳酸鹽中二氧化碳測(cè)定方法測(cè)定二氧化碳的含量，通過(guò)查表推算出燃燒時(shí)間和火燒溫度(見(jiàn)表6-5)。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第15頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-5普通水泥混凝土炭化層中CO2含量與受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系3、測(cè)定混凝土炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)含量游離氧化鈣(f-CaO)是指水泥熟料鍛燒過(guò)程中未被硅酸二鈣完全吸收的CaO，該項(xiàng)指標(biāo)一般作為水泥廠的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，含量在1％以下，如果過(guò)高則影響水泥質(zhì)量?；馂?zāi)中混凝土炭化層中的游離氧化鈣(f-CaO)會(huì)隨被燒溫度發(fā)生變化(見(jiàn)表6-6)。由表6-6可知：火場(chǎng)溫度在761～925℃(時(shí)間20～60min)范圍內(nèi)，由于正好在CaCO3分解溫度范圍內(nèi)，溫度升高，游離氧化鈣(f-CaO)含量升高；當(dāng)溫度升至900～1000℃時(shí)，硅酸二鈣吸收氧化鈣變成硅酸三鈣，此時(shí)游離氧化鈣含量隨溫度升高而降低。因此，在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)鑿取混凝土炭化層試樣，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl78—86水泥化學(xué)分析方法中氧化鈣測(cè)定方法測(cè)定氧化鈣的含量，查表推算出燃燒時(shí)間和火燒溫度(見(jiàn)表6-6)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度分布，分析判斷火勢(shì)蔓延方向和起火部位。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第16頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-6火災(zāi)中混凝士炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)的含量隨溫度的變化此外，還可以采用熱分析技術(shù)測(cè)定混凝土炭化層中水泥的失重以及用電子顯微鏡測(cè)定混凝土中Ca(OH)2晶體改變等方法來(lái)判斷混凝土化學(xué)成分的變化，為分析判定火勢(shì)蔓延路線和起火部位提供依據(jù)。(四)根據(jù)火焰來(lái)判定火場(chǎng)溫度1、根據(jù)火焰的顏色來(lái)判定火場(chǎng)溫度火焰的顏色與溫度和輻射熱之間的關(guān)系見(jiàn)下表。一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度第17頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6-7火焰溫度、色澤與輻射熱的關(guān)系（完全黑體的情況）2、根據(jù)已知火焰的溫度來(lái)判定火場(chǎng)溫度各種火焰的溫度見(jiàn)下圖：圖6-3各種火焰的溫度（℃）a.火柴b.酒精c.城市煤氣d.蠟燭一、室內(nèi)火災(zāi)溫度的計(jì)算二、火場(chǎng)溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場(chǎng)條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場(chǎng)溫度800900a850980b157016401650c600800100012001400d第18頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(五)根據(jù)窗玻璃破碎的情況來(lái)判定火場(chǎng)溫度窗玻璃破碎的情況與溫度變化之間的關(guān)系見(jiàn)下表：表6-8窗玻璃破碎的情況與溫度變化火調(diào)人員可以根據(jù)這些規(guī)律，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中的混凝土依據(jù)各部位的不同特征，“反推”出該部位火災(zāi)時(shí)曾受過(guò)的溫度、持續(xù)時(shí)