木材燃烧痕迹特征的实验研究

赵春青

（河北省唐山消防支队，河北　唐山）

摘要：本文是在模拟火灾实验条件下，对一定尺寸四类木材分别在明火燃烧、赤热体灼烧、电弧灼烧、热辐射着火等条件下制备了燃烧的样品。对样品进行宏观形貌特征观察，并对样品的炭化裂纹数目进行测量。不同类木材在不同燃烧方式下的燃烧表面特征和炭化裂纹数目、裂沟大小都有规律性变化，实验结果可为火灾调查人员判定火灾的起火方式提供一定的参考。

关键词：木材；燃烧痕迹；点燃方式；形貌特征

1　引言

火场中木材的形状和形态受到火灾温度作用所形成的痕迹就称为木材燃烧痕迹。其主要特征是指其表面形态、形状的变化。火灾后现场中会留下大量木材燃烧痕迹，火调人员可以通过对这些痕迹分析研究，根据其形状、形态变化程度和特征，确定燃烧轻重程度和受热面，以此为依据，判定火灾起火方式和蔓延方向，进而确定起火部位和起火点。

国内外对木材的热解、炭化、着火过程及燃烧痕迹等方面都进行了大量的研究，并取得了一定的成果。如：Spearpoint等在锥形量热计中，对多种工况下木材的炭化过程进行了实验研究，并在一维模型中将时间段划分为着火后短期（t<25min）和着火后长期（25min<t<75min），将实验数据进行对比，得到了炭化层厚度随辐射时间的分布在短期内呈线性，而长期趋于平缓的变化规律[1]；任松发等通过试验的方法探讨了喷水灭火残留木炭的导电性能，揭示了其随着温度的升高和受热时间的增长而增强的规律[2]；郭再富等人通过对无焰燃烧情况下木材的炭化过程进行初步的研究，得出了炭化层厚度L及炭化速率Vc与辐射源功率P、样品距辐射源的距离D及辐射时间t之间的经验关系[3]；金河龙在《火灾痕迹物证与原因认定》一书中对木材燃烧痕迹确定起火部位、起火点也做出了相应的研究。

由此可见，目前国内外一方面对木材收缩率、炭化速率与火灾辐射之间的关系进行了研究，其目的是研究火灾的发展规律。另一方面从木材导电性出发，来判定火灾的温度；第三是对火场木材燃烧痕迹类型及特点进行了较为粗浅的说明。到目前为止，而未见有针对火灾现场中木材燃烧痕迹宏观和放大一定倍率的形貌变化特征与点燃方式之间关系的系统研究。

本文对不同点燃方式条件下形成的木材燃烧痕迹特征在体式显微镜下进行观察，总结木材形成的裂纹数目、大小、深度及裂块形貌等的变化规律，建立不同木材在火场中的燃烧痕迹特征与火灾发生时起火方式的相互关系。

2　实验样品的制备

为了便于对不同燃烧方式下的不同木材痕迹特征的观察和比对，以及实验的顺利进行，选取不开裂、纹理顺、含水率在12%之内的优质木材。将实验木材全部切割成大小一致的、木质面光滑、无裂纹、无坑洞的长方体木块。

选择了松木、杨木、桦木，三种木材作为实验样品。平行制备了同样尺寸（3cm×3cm×6cm）的试块。然后对试块进行不同方式的灼烧，同类试块在同一灼烧方式条件下平行制备了三组。

明火燃烧样品的制备：将四种木材样品以相同顺序排列，置于火灾痕迹物证综合实验台的液化石油气灶上，采用可燃物（液化石油气）对其引燃。

热辐射灼烧样品的制备：将四种木材试样以相同顺序排列置于马弗炉内，使用马弗炉对试样进行加热，模拟火灾中的高温受热，温度设定分别为500℃，加热时间为10min。

赤热体灼烧样品的制备：将四种木材样品以相同顺序排列，置于火灾痕迹物证综合实验台上，采用通电电熨斗对试样进行灼烧，直至出现明火。温度设定为600℃，加热时间为30min。

电弧灼烧样品的制备：将四种木材试样以相同顺序排列，置于火灾痕迹物证综合实验台上，采用短路电弧对试样进行灼烧，直至出现明火。

因为本文是主要以观察不同种类的木材在不同燃烧方式下所形成痕迹的形貌特征为主题的研究，所以按照此主题的要求，做了多次的平行实验，并对实验所得试样进行观察、分析、测量、拍照，以获取实验数据。

3　实验结果

通过本次实验获取了大量的实验照片，因为条件限制，本文只选取了部分特征性较强的照片作为数据。

首先对实验所得样品的形貌特征进行宏观观察、分析、比较，并用数码照相机拍照记录。最后用体视显微镜对实验所得样品进行放大一定倍率的形貌特征观察、分析并拍照记录。

3.1　明火燃烧方式下木材燃烧痕迹的形貌特征

在明火燃烧方式下，松木炭化严重，存在裂沟，无规则形状，边缘处烧损严重，且有明显的灰化痕迹；在体视显微镜下放大一定倍率的形貌特征观察可发现有粗大、较长的裂纹平行于木材纹理方向，数目少；且有多数细小的裂纹垂直与木材纹理，两种裂纹横竖交错。如图1所示。

桦木边缘烧损严重，有明显灰化痕迹，裂纹数目不多，但存在较深、较宽的裂沟。如图2所示。

杨木边缘有个别部位烧损严重，未烧损部位炭化裂纹细碎，观察会发现中间部位裂纹数目多，垂直于木材纹理方向的裂纹比平行于木材纹理方向的裂纹更宽，形成近似方形裂块。如图3所示。

3.2　赤热体灼烧方式下不同木材的形貌特征

赤热体灼烧时，松木表面炭化均匀，有平整均匀的细小裂纹，在体视显微镜下放大一定倍率的形貌特征观察可发现炭化表面粗糙，呈皴状。如图4所示。

桦木表面局部炭化严重，有数目较多的细碎裂纹，并伴有较深、较宽的纵向裂沟。在体视显微镜下放大一定倍率的形貌特征观察可发现横纵两者都有细小裂纹，形成均匀的鳞状细小裂块。如图5所示。

杨木炭化均匀，表面个别部位出现灰化痕迹，有少数裂纹，边缘有裂沟。在体视显微镜放大一定倍率的形貌特征观察下可发现平行于木材纹理的裂纹即纵向裂纹多，且裂纹有一定深度。如图6所示。

3.3　电弧灼烧方式下不同木材的形貌特征

木材在电弧灼烧时，松木炭化不均匀且有许多斑点，局部有少数裂纹。炭化部位形成明显的木材纹理。炭化表面暗淡且有颗粒状残留物。

桦木局部边缘烧损严重，较大面积的灰化痕迹。炭化表面暗淡且有颗粒状残留物。炭化与非炭化界线明显，有纵横方向有明显裂沟。如图7所示。

杨木边缘有较大面积的灰化痕迹，未炭化部位木材纹理明显。表面有斑点。在体视显微镜下放大一定倍率的形貌特征观察可发现炭化部位有明显裂沟，形成大小不等的裂块。炭化表面暗淡且有颗粒状残留物。如图8所示。

桐木边缘烧损严重，在灰化部位裂沟较深。炭化部位裂纹数目多形成细小的裂块。炭化表面暗淡且有颗粒状残留物。如图9所示。

3.4　热辐射着火方式下不同木材的形貌特征

木材在热辐射灼烧时，松木炭化严重，边缘部位有一定的烧损，局部炭化层呈崩裂状。裂纹数目多，且平行于木材纹理方向的裂纹粗大、较深。在体视显微镜放大一定倍率的形貌特征观察下可发现炭化表面形成整齐的长方形裂块。如图10所示。

桦木炭化均匀，中间部位发生突起，有大量整齐的细小裂纹，形成较大的裂块。如图11所示。

杨木边缘部位有轻微烧损，表面炭化均匀，存在少数细小裂纹，呈现出明显的木材纹理，在平行于木材纹理的方向上有个别粗大、较深的裂沟。如图12所示。

3.5　不同燃烧方式下木材炭化裂纹数目的测量

在实验获取样品表面选取面积大小相等的部位，测量各个样品的炭化裂纹数目，为了使结果更精确，采取多部位、多次测量取平均值的方法，并记录结果。

由表1可知，不同种类木材在不同燃烧方式下的炭化裂纹数目是不同的。

首先，从燃烧方式角度分析可以看出，木材在明火燃烧方式下与在热辐射着火方式下形成的炭化裂纹的数目较多，但前者多于后者；木材在赤热体灼烧方式下与电弧灼烧方式下形成的炭化裂纹的数目较少，前者多于后者。四种燃烧方式综合相比，前两种的炭化裂纹的数目多于后两种的炭化裂纹的数目。

其次，从木材种类角度分析可以看出，松木在不同燃烧方式下形成的炭化裂纹数目较多；桦木与杨木在不同燃烧方式下形成的炭化裂纹数目较少，前者多于后者；三种木材综合相比，松木的炭化裂纹数目多于后两种的炭化裂纹数目。

4　分析与讨论

木材从引燃到稳定燃烧，要受到几个方面的影响，第一，外界火源或外加热源的影响。引火源必须处于可燃挥发份的气流之内才能使木材引燃，且木材单位表面面积上的加热速率越大，木材越容易被点燃。当木材处于外加热源条件下，外加热源将使木材稳定燃烧速度和其表面火焰传播速度加快，因此同类木材的燃烧痕迹特征主要受木材燃烧速度的影响。第二，木材性质的影响。燃点、热分解温度、气化热越低，燃烧热超高的可燃固体越容易被点燃，且引燃后稳定燃烧速度越快。不同组分的木材中含有的水分和其他可燃性成分不同，其燃烧速度不同。第三，木材的形状尺寸及表面位置不同，其被引燃的难易程度不一样，同样的木材试样，边角的部位最易被引燃。第四，外界的温度、湿度及氧浓度不同，其被引燃的时间和燃烧速度不一样。

4.1　明火燃烧对木材外观形貌的影响及原因

木材在高温条件下[4]，发生热分解，产生大量可燃性气体，遇到明火或温度达到自燃点时，木材表面的可燃气体先发生燃烧。首先，明火燃烧的热源是明火源，热能主要以热辐射和热对流的形式传播，所以燃烧过程比较稳定、全面。其次，随着燃烧时间和燃烧温度的变化，表面特征也发生不同变化。燃烧时间短，燃烧温度低，燃烧速度快形成的炭化层比较薄，裂纹少，裂沟浅。燃烧时间长，燃烧温度高，炭化层增厚裂纹变密、裂沟加深加宽、裂块数增多。第三，木材一旦被明火点燃，会形成明显的受热面。

因此会形成受热与非受热明显不同的形貌特征，受热面材料分解严重，烧损面积大，且有明显的灰化痕迹；未烧损部位裂纹数目多，明显木材纹理，裂纹相互垂直。炭化面有光泽，具有较深、较宽的裂沟。

4.2　热辐射着火对木材外观形貌的影响及原因

热辐射是因为热的原因而发出辐射能的现象。热辐射着火是热源以辐射的方式向物体进行传递热量，使物体发生燃烧。本实验中，采用高温电阻炉对木材以辐射的方式传递热量，引燃时间相对明火源点燃的时间长，导致炭化裂纹变长，即随着温度的升高，裂纹也随之变短。

因此，形成了明显的炭化层，炭化层厚度比明火燃烧痕迹的厚度要大，裂纹相对明火源点燃时形成的裂纹长，裂沟窄。但是一旦木材被点燃，其形成的形貌特征将与明火引燃的痕迹特征类似，炭化裂纹相互垂直，炭化面有光泽，具有较深、较宽的裂沟。

4.3　电弧灼烧对木材外观形貌的影响及原因

电弧从技术上给出的定义是在绝缘介质上一个连续明亮的放电过程，通常情况下伴有电极的部分游离，从而使电弧持续存在，电弧热源体积小，单位表面面积上的加热速率小，木材在一定条件下才能被点燃。因此电弧类火源将会使木材形成较小区域的燃烧痕迹，木材炭化不均匀，灼烧面积小，炭化层浅，局部有少数裂纹，出现的裂纹短，裂沟窄，呈现出明显的木材纹理，炭化部位与非炭化部位界线明显，只会形成明显的炭化区。

4.4　赤热体灼烧对木材外观形貌的影响及原因

木材在受到赤热体灼烧时，形成不同深度的炭化层，作用时间长、温度高的部位炭化程度重，表面会发生严重的炭化现象，有光泽，边缘部位出现了灰化痕迹。由于赤热体灼烧是靠高温物体直接接触木材，热量以传导的方式直接传导给木材，会出现瞬间的明火现象，随着温度的升高，热分解、炭化的继续进行，随着作用时间的延长，形成不同炭化深度的炭化层；另外，木材边缘部位与空气接触比较充分，加快炭化速率，形成边缘处的燃烧，所以出现烧损灰化痕迹。

4.5　木材种类对木材燃烧痕迹外观形貌的影响及原因

在实验过程中，对选取的桦木、松木、杨木样品的容重进行了测定，经过测定得出，桦木的容重为660kg/m3，燃烧后存在灰化痕迹，裂纹数目少，排列紧密。松木的容重为380kg/m3，燃烧后炭化严重，边缘处烧损严重，裂纹数目多。杨木的容重为460kg/m3，燃烧后有个别部位烧损严重，未烧损部位炭化裂纹细碎，所以，木材容重越小，燃点越低，炭化速率越大，裂纹越密、数目越少。

在不同燃烧方式下，四种木材的结构都有了一定程度的变化。由于它们的容重和化学组分不同，导致在受热过程中炭化速率不同。桦木和杨木因为组织结构复杂、容重偏大，炭化速率较小，所以，受热之后的松木燃烧痕迹结构仍然比桦木和杨木明显[5]。

5　结论

模拟实际火场中木材存在的痕迹特征，从宏观的角度分析，并利用体视显微镜进行放大一定倍率的形貌特征观察，可以得出以下结论：

（1）在明火燃烧方式下，木材烧损严重，且有明显的灰化痕迹；未烧损部位裂纹数目多，形成明显的木材纹理，裂纹相互垂直。炭化面有光泽，具有较深、较宽的裂沟。

（2）热辐射灼烧时，木材炭化严重表面光滑，形成明显的炭化纹理。边缘部位有一定的烧损痕迹，局部炭化层呈崩裂状。裂纹数目多，平行于木材纹理方向的裂纹粗大、较深，纵横裂纹交错形成大小不等的裂块。

（3）电弧灼烧时，木材炭化不均匀且有许多斑点，局部有少数裂纹。炭化部位具有明显的木材纹理。炭化表面暗淡且有颗粒状残留物。炭化部位与非炭化部位界线明显，纵横方向有明显裂沟。

（4）赤热体灼烧时，木材表面炭化均匀，有平整均匀的细小裂纹，炭化表面粗糙，呈皴状。横纵两个方向上都有细小裂纹，形成均匀的鱼鳞状细小裂块，平行于木材纹理的裂纹比垂直于木材纹理的裂纹粗大。

（5）不同木材在同种燃烧方式下所形成的痕迹是不同的，针叶树材的燃烧痕迹比阔叶树材明显，木材容重越小，炭化深度和裂纹数目也越深越多。

本论文是在木材燃烧痕迹研究的基础上，通过模拟实际火场条件进一步探索了木材燃烧痕迹的形成与起火方式之间的关系。利用所得结论可以为火灾调查专业人员在火灾调查工作中判定起火方式提供参考。

参考文献

[1] Spearpoint N J G. Predicting the burning of wood using an integral model[J]. Combustion and flame，2000，123（3）：308-325.

[2] 任松发，等. 喷水灭火残留木炭导电性能的研究[J]. 火灾科学，2002（4）：119-124.

[3] 郭再富，等. 模拟火灾环境下木材炭化速率的实验研究[J]. 燃烧科学与技术，2003，2.

[4] 杜文峰. 消防燃烧学[M]. 北京：中国人民公安大学出版社，1997.

[5] 金河龙. 火灾痕迹物证与原因认定[M]. 长春：吉林科学技术出版社，2005：172.