火災在諸多災害中發(fā)生頻率最高，給社會造成了巨大損失，特別是造了人員的重大傷亡。目前世界各國已對火災的探測、逃生、撲救、材料阻燃等研究給予了極大的關注，取得了許多重要的成果，并已形成了相對較完整的理論體系。但由于火災的隨機性以及各種人為因素使得火災仍將長期存在于人類社會的發(fā)展中，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，火災將呈現(xiàn)多元化趨勢。火災后的情景再現(xiàn)、事故原因的確定對于國家安全、社會穩(wěn)定、相關政策的制定、同類災害的防治以及事故責任者的認定等具有十分重要的意義，也是火災科學研究者們目前必須面臨的重要課題之一。但由于火災燃燒過程的極度復雜性（涉及高分子燃料、燃燒空間大、空間結(jié)構(gòu)復雜）以及不同燃燒行為會產(chǎn)生表面上相似的后果等原因，使得這類研究變得極為困難。目前國內(nèi)外對火災事故類型的分析仍大量借助于專業(yè)人員長期工作積累的經(jīng)驗或采用半經(jīng)驗的方式。

????1 火災調(diào)查研究的國外發(fā)展狀況

????美國檢驗與材料協(xié)會ASTM自1990年以來，制定了火災痕跡物質(zhì)分析的系列指導性技術(shù)文件ASTM E，對需要采樣的物質(zhì)、采樣方法、采樣儀器進行了規(guī)定，最近ASTM又制定了兩個新標準E1387和E1618，分別規(guī)定采用氣相色譜GC和氣相色譜質(zhì)譜儀GC-MS對可燃液體殘余物進行分析，ASTM E系列標準通過對含碳Ci物質(zhì)的測定，分析是否有汽油、煤油、芳香類溶劑等速燃物質(zhì)，從而判斷是否為人為縱火。法國Touron等學者使用毛細氣相色譜CGP、GC-MS和HNU光化學電離分析儀，探測現(xiàn)場可能存在的C1-C40碳氫組分，通過設計一個分析策略，使得對火災痕跡物質(zhì)的分析實現(xiàn)了半自動化，主要判斷火災是否為人為事故。臺灣Chen等人通過研究金屬熔化部位的離子質(zhì)譜儀SIMS測定曲線，分析電氣短路火災行為。美國和英國學者McCurdy等人采用相紫外線光譜，測量事故現(xiàn)場是否有速燃助燃物質(zhì)成分－石油產(chǎn)品中的芳香類碳氫物質(zhì)或二甲苯同分異構(gòu)體組分，從而分析判斷是否為人為縱火。日本學者Eui-Pyeong Lee等人采用X－射線色散分析和電子掃描顯微鏡，對火災發(fā)生后電氣線路上的碳化殘余物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分析，研究證明了短路引起的火災其碳化物結(jié)構(gòu)為石墨化碳和非晶碳，而非火源電線上的碳化物僅包含非晶碳。美國國家火災調(diào)查協(xié)會的NAFI曾制定和進行了一個火災調(diào)查研究計劃，采用錄像的方法，對十種典型室內(nèi)火災過程進行了全尺度實驗，研究分析天花板、墻壁以及地板上火災發(fā)生后的痕跡，以確定火源位置和火災類型。他們的實驗表明，發(fā)生轟燃會使壁面有不同的痕跡，并特別指出，當火源為家具類物質(zhì)、家具類材料中的可燃液相組分燃燒時，地板上將包含聚氨脂類泡沫物質(zhì)，而僅使用可燃液體作為助燃速燃劑時，情況有較大不同。美國NIST曾使用他們開發(fā)的火災動力學演化程序FDS，對1999年12月22日發(fā)生在Iowa州一所雙層公寓大火進行了事后計算，模擬獲得了火源位置、轟燃時刻、煙氣蔓延歷程等一些重要信息，但正如他們所指出的，由于采用所謂“正向”的模擬方法，使得許多輸入?yún)?shù)不確定，從而不得不采用大量模擬的方法，并與目標擊所述情況和災后的一些調(diào)查數(shù)據(jù)進行反復對比。美國煙酒和火器局BATF、火災行政管理局FA、NIST、以及一些私營企業(yè)曾共同發(fā)起過一個火災調(diào)查者培訓計劃，通過大量火災過程和災后情景的錄像以及計算機模擬結(jié)果顯示，對從事火災調(diào)查者進行培訓。美國NIST建筑火災研究室通過現(xiàn)場勘察和目擊者訪問，使用火災模型技術(shù)，對1990年3月23日發(fā)生在Washington一座辦公建筑的大火進行計算分析，他們使用的模型為較為簡單的區(qū)域模型。分析結(jié)果表明，火源為一個易著火的箱體材料，著火后6分鐘發(fā)生轟燃，導致天花板上的電路等系統(tǒng)失靈。美國NIST建筑火災研究室對泄漏在乙烯樹脂、木地板和地毯上的汽油、煤油燃燒行為進行過全尺度試驗，結(jié)果表明，無孔表面上可燃液體的峰值釋熱率約為相同面積油池火峰值釋熱率的1/4到1/8；而地毯上可燃液體的峰值釋熱率等價于相同的油池火峰值釋熱率，他們建議熱釋率可作為火災情景估計的輸入數(shù)據(jù)。美國Akron大學Tan等學者應用氣相色譜GC、氣相色譜－質(zhì)譜儀GC-MS探測火災現(xiàn)場中基于石油產(chǎn)品中的速燃助燃物質(zhì)，同時利用從變量識別技術(shù)判斷是否為人為縱火。

????由以上國外研究狀況可以看出，各國已對火災調(diào)查研究給予了充分的重視，但火災調(diào)查和重構(gòu)還遠沒有形成較為完整的理論體系，有限的研究仍是分散的、側(cè)重于某一方面，如探測事故現(xiàn)場中是否含有石油產(chǎn)品類物質(zhì)，從而判斷是否為人為縱火。但正如McCurdy所指出的，精心策劃的縱火不總是以上方式，我們需要分析火災的整個過程。

????2 火災調(diào)查理論框架建立的可能性分析

????火災調(diào)查研究的關鍵是火災后可能留下的過程信息以及對這些信息的把握。不同燃料在不同的燃燒條件下，有其不同的燃燒行為和后果。如木材燃燒時，其釋放的懸浮微粒中含數(shù)十種可溶離子成分，其中代表性的碳黑、K+、Cl－、SO<2－4等，成分的組成、含量、微粒大小與木材產(chǎn)地、燃燒條件密切相關?；趯θ紵蓟镔|(zhì)化學組成測量以及對其分形結(jié)構(gòu)測定基礎上的火災過程重構(gòu)是可能的，具有可靠的科學依據(jù)。Sahouli等學者使用化學分析電子分光鏡ESCA、離子質(zhì)譜儀SIMS、小角度X-射線散射儀SAXS以及氮吸收數(shù)據(jù)，對采用CBP熱解的碳黑，進行過表面化學和形態(tài)分析。對比一般商用碳黑，在CBP表面上的碳質(zhì)沉積濃度依賴熱解條件，當降低熱解壓力并增加熱解溫度時，沉積濃度降低，同時在不變溫度下，其分形維和碳質(zhì)沉積量有的對應關系。Ruiz等人使用SAXS儀，研究含不同數(shù)量Ca、K、Fe的纖維素在熱解時其焦化碳形態(tài)變化。實驗表明：含K纖維素熱解時，其焦化碳在間隙孔區(qū)域具有分形特征；含Ca纖維素熱解時，其焦化碳有更多微孔結(jié)構(gòu)；而含F(xiàn)e纖維素熱解時，其焦化碳的SAXS實驗圖象中，明顯具有二個線狀結(jié)構(gòu)。Mikhailov等研究了毫微米尺度碳黑聚結(jié)成長為樹枝狀分形結(jié)構(gòu)的過程。他們指出：由于顆粒之間的接觸能量較低，多孔和稀疏結(jié)是碳黑重要性質(zhì)。稀疏以及不穩(wěn)定性二個因素，使得周圍條件的變化會引起碳黑結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。針對水蒸汽對碳黑分形結(jié)構(gòu)形成過程的影響，他們進行了實驗和理論計算。Jayashi等學者對苯熱解中碳黑聚結(jié)機理，進行了實驗和數(shù)值計算研究，發(fā)展了枝狀間聚集模型AMP，模型涉及燃料熱物性參數(shù)、受熱溫度和氣流速度。他們將模型計算的分形結(jié)構(gòu)投影圖像，與使用電子顯微鏡獲得的圖像相對比，發(fā)現(xiàn)模擬的形態(tài)、分形維以及碳化聚集尺度分布與實驗有較好的一致性。Mikhailov等人還研究了碳黑的加熱重構(gòu)問題，表明液相油燃燒生成的碳黑、天然氣燃燒碳黑、木材燃燒碳黑、含高分子化合物碳黑在重新加熱后，它們的結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同的變化。Pratsinis等學者研究了合成材料燃燒時，其燃燒顆粒的形成過程。Seledets等學者采用氮吸收－解吸方法，研究具有不同碳濃度的合成材料的熱解行為，發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)吸附與分形聚合作用空間有關，吸附載體對碳質(zhì)吸附形態(tài)有很大影響。Walavalkar研究了乳膠在水面上的熱解燃燒問題，提出了Walavalkar計算模型，該模型可以計算釋熱率，但不涉及熱解燃燒詳細的反應動力學過程。Yan針對墻角火涉及的熱解燃燒問題，提出了相應的計算方法，但同樣不涉及燃料熱解燃燒的詳細地動力學過程。Lyon研究提出了碳化形成聚合物的熱解動力學機理，他指出：由熱重數(shù)據(jù)和合適的碳化動力學模型，可以確定氣相生成物以及碳化過程，但應注意到，該機理不涉及碳化物理過程，同時該機理為多步動力學機理，沒有考慮詳細的化學過程，若干模型常數(shù)需實驗確定。Hobbs等學者對聚氨脂材料分解進行了敏感性分析，他們的研究表明輸入適當?shù)幕瘜W動力學機理、聚合物結(jié)構(gòu)、熱物性參數(shù)，可以用數(shù)值計算其分解過程。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，熱解過程、碳黑生成、碳黑分形聚合、碳黑結(jié)構(gòu)形態(tài)與燃料熱物性、溫度、受熱時間、氣流、環(huán)境狀況等密切相關，火災中典型的高分子材料的熱解和碳化過程有其內(nèi)在規(guī)律性。

????3 火災調(diào)查研究中的關鍵科學問題

????目前國際上對于材料熱解行為和碳黑形成、顆粒凝結(jié)、大尺度顆粒分形聚合、形成和生長的研究較多。但碳黑生成機理研究大多集中于以下三方面：不涉及壁面的空間燃燒行為研究；針對簡單氣相燃料的預混和擴散火焰結(jié)構(gòu)研究；碳黑生成詳細反應動力學機理的制定針對簡單氣相燃料。如文獻〔33－50〕為分別采用激光診斷（激光誘導熒光LIF、激光誘導熱成像LII、激光消光LE等）、透射電子顯微鏡TEM、多線輻射ME以及模型技術(shù)等、研究溫度、溫度梯度、浮力、壓力、湍流混合、輻射、氣流速度、燃料熱物性、分子結(jié)構(gòu)等對碳黑形成、表面氧化、成核臨界溫度、顆粒碳化速率等的作用和影響；文獻〔45〕探討了激光加熱對碳黑形態(tài)的改變；文獻〔49〕說明碳黑氧化過程依賴其初始毫微尺度結(jié)構(gòu)。由于火災中涉及高分子材料，碳黑化學組成較上述復雜，同時火災后的碳化痕跡物質(zhì)大量存在于墻壁和家具表面上，這些痕跡物質(zhì)是熱解、氧化、碳化、分形聚合、燃燒顆粒物與壁面碰撞聚合的結(jié)果，因此目前已有的上述研究成果對火災調(diào)查理論體系的建立是遠遠不夠的。

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