建筑物内的火场温度

建筑物内的火场温度，是建筑物内火场条件的重要体现。一、室内火灾温度的计算室内火灾温度取决于室内可燃物的燃烧速度和热损失情况，因此必须从分析着火房间内的热平衡入手，通过建立房间内的热平衡方程计算确定。图6-1所示为充分发展室内火灾。图6-1充分发展室内火灾的热平衡由于在轰燃前火灾阶段室内的平均温度较低，故这里的讨论将该阶段忽略，以t=0表示。火灾充分发展阶段的开始。对图6-1所示的室内火灾，可按下式进行热平衡计算：一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度qCqWqWqWqRqL(6-1)式中，qC为室内的释热速率；qL为冷空气取代热烟气所造成的热损失速率；qW为通过壁面（包括墙壁、顶篷和地板）的热损失速率；qR为通过敞开通风口的辐射热损失速率；qB为热量存贮在气相空间的速率(一般可以忽略)。以上各q的单位为kW。为了简化模型还要使用以下假设：(1)燃烧是完全的，且全部在室内进行；(2)室内的温度始终是均匀的；(3)室内所有内表面的传热系数都相同；(4)流向及穿过房间边界流出的热流按一维传热处理，就是说忽略墙角、墙边等具体形状而将边界假设为具有一定厚度的板。(一)释热速率（qC）假设充分发展火灾处于通风控制状态，即释热速率可写为：(6-2)式中，HC是可燃物的燃烧热，此处取为木材的燃烧热（18.8MJ/kg）。并假设从t＝0时开始，qC将保持不变，直到可燃物全部消耗为止。这样便忽略了木炭的燃烧阶段，因为木炭燃烧与气相燃烧相比要缓慢得多。实际上充分发展火灾阶段有时也存在燃料控制状态，因此使用上式估计释热速率有可能偏高。一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度BRWLCqqqqqCWCHHA.q21090(二)辐射热损失（qR）根据斯蒂芬－波尔茨曼定律，qR可由下式确定：(6-3)式中，AW是通风口面积(m2)；Tg和To分别是室内的气相和环境温度(K)；F是室内气体的有效辐射率，它可由下式计算：(6-4)式中，XF是火焰厚度（m）；K是辐射系数(m-1)。彼得森取值为K＝1.1（m-1），它是由木垛火的试验数据得出的。当Tg》T0时，式（6-3）可简化为：(6-5)(三)对流热损失（qL）这种热损失按下式计算：(6-6)式中，mF是烟气的流出速率。假设mF＝mair（即忽略燃料挥发分的质量），则由川越邦雄的公式可知mF/AWH1/2近似为常数。若用表示之，上式可改为：(6-7)一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度44ogFWRTTAqFFKXexp14gFWRTAqogPFLTTCmq21HATTCqWogPL(四)壁面热损失（qW）以导热形式经壁面传出的热通量应当用数值解法求出。就是说把壁面分成若干薄层，对每一薄层可列出其瞬态导热方程，然后求解它们组成的方程组以得出导热损失速率，见图6-2。图6-2通过房间壁面的瞬态导热过程设划分的总层数为n，每层的,厚度为X，则对于壁面最里层可写出：(6-8)一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度12jn-1nT1T2TjTn-1TnT0212111112/2/2//1kXkXTTkXTTtTXCig设划分的总层数为n，每层的,厚度为X，则对于壁面最里层可写出：对于壁面内部的第j层有：(6-9)对于壁面最外层有：(6-10)式中，C和k都是温度的函数，由温度场确定；Ti和Tu分别为壁面内表面和外表面的温度，它们分别用T1和Tn代替。ri和ru分别为壁面内表面附近的换热系数，彼得森按下式确定其值：(kW/m2K)(6-11)一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度212111112/2/2//1kXkXTTkXTTtTXCig11112222jjjjjjjjjjk/Xk/XTTk/Xk/XTTtTXCunounnnnnnkXTTkXkXTTtTXC/12/2/2/11023.044igigTTTTTT式中，T为集总辐射率，即：(6-12)(6-13)通过联立求解方程（6-12）至（6-13），可得到各层的温度，最后按下式计算qW。(6-14)这样热平衡方程（6-14）中的各项便都确定了，将它们全部代入该方程并重新整理可得：(6-15)一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度1111iFT451009.3103.3uuT121kXTTAAqiigWTW1211212152.02152.0kXAAHACqTkXAATHACqTiWTWPRiiWToWPCgTg应当用数值积分方法计算(例如龙格－库塔法)，T1的值仍需由Tg决定，通过在每一时间步上进行几次迭代计算就可得到它们的合适值。计算中把燃烧持续时间定为mf/m，式中mf为火灾载荷，用千克当量木材表示；m为质量燃烧速率。当超过这段时间后便认为qc等于零。一、室内火灾温度的计算*二、火场温度的判断依据三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度二、火场温度的判断依据火场的温度可根据混凝土外观和强度变化、化学成分的变化及火焰的颜色等条件来判断。(一)根据混凝土外观和强度变化判定火场温度用普通水泥(P)、矿渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成标准混凝土试块，模拟实际火灾升温曲线对试块进行灼烧试验，试验结果见表6-1。试验表明：三种水泥制成的混凝土试块受热后颜色都会发生改变，颜色变化规律与加热时间的关系大体是相同的，都是随着加热时间的增长、温度的升高，颜色由红→粉红→灰→浅黄这条规律变化。试验还表明：混凝土在不受外力作用下，当加热时间不足50min(温度低于898℃)，试块外形基本完好，只有四角稍有脱落；当加热时间持续到60min(温度925℃)，边角开始粉化脱落；70min(温度948℃)，混凝土各面开始粉化；80min(温度968℃)，表面的粉化深度5～8mm；90min(温度986℃)，表面粉化深度8～10mm；100min(温度1002℃)，表面粉化深度10～12mm；120min(温度1029℃)，表面粉化深度12—15mm。从混凝土表面裂纹大小也可以看到被烧温度的变化。一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度表6-1混凝土外观变化与温度的关系用矿渣水泥的混凝土试块进行恒温灼烧试验，试验结果见表6-2。一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度普通水泥矿渣水泥（K）火山灰水泥（H）加热时间（min）最高温度（℃）颜色外形变化颜色外形变化颜色外形变化不加热15浅灰无深灰无浅粉红无10658微红无红无红无20761粉红无粉无粉红无30822灰红无深灰白无橙无40-60925灰白黄表面有裂纹，放置不粉化，角有脱落灰白与普通水泥相同灰红白与普通水泥相同70-80698浅黄白裂纹加大，时角脱落浅黄与普通泥相同浅黄与普通水泥相同90以上1000以上浅黄粉化，各面脱落浅黄与普通水泥相同浅黄与普通水泥相同表6-2矿渣水泥混凝土颜色、外形变化与加热温度、时间的关系一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度温度（℃）时间（min）颜色外形变化情况30红无变化60红无变化50090红无变化30粉红无变化60粉红无变化60090粉红无变化30粉红偏灰无变化60粉红偏灰无变化70090粉红偏灰角有少量脱落30灰里稍带粉红边开始有少量脱落60灰里稍带粉红边脱落80090灰里稍带粉红面局部有少量脱落30灰白全部裂开并有部分脱落60灰白面大部分脱落90090灰白面全部脱落30浅黄面全部脱落60浅黄面全部脱落并部分粉化100090浅黄面全部脱落并粉化由表6-2可以看出：在恒温加热条件下混凝土表面颜色的变化规律与升温条件下基本相同，随着温度升高而由红→粉红→灰→浅黄变化；混凝土颜色的变化只与加热温度有关，而与加热时间关系不大；混凝土外形变化从700℃开始现象明显，随着温度升高变化越来越大。当在900～1000℃下加热，由于温度达到800℃以上时，骨料开始分解，混凝土外形基本破坏而粉化。混凝土加热到破坏温度后，恒温加热时间越长，破坏越大。如果达不到破坏温度，尽管恒温加热时间很长，也不能使混凝土破坏(二)根据混凝土表面强度变化判定火场温度混凝土随着受热温度的升高，其强度将不断降低。如果受热时间比较短，温度比较低时，外形还未发生变化，眼睛无法看出各部位受热温度的差别及强度的变化。但当混凝土受热温度不同时，其表面硬度会发生变化，这种变化可以借助仪器测量出来。1、测定回弹值回弹仪检测作为一种非破损检测技术，在常温下可以用来评定混凝土的质量。火灾中混凝土受高温作用后，其微观结构受到了损害，表面硬度发生了变化。由于各部位在实际火场中受热温度不同，各部位也相应地表现出不同程度的损伤，因而各部位的回弹值也相应地发生变化。用回弹仪检测混凝土构件表面硬度，可以定性地判断烧损程度，判定其受热温度和受热时间。混凝土表面回弹值与受热温度、时间的关系见表6-3。一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度表6-3混凝土表面回弹值与受热温度和时间的关系从表6-3可以看出，随着加热持续时间的增长、温度的升高，回弹值越来越小，回弹值降低率越来越大。在加热5～10min（556～658℃）时混凝土表面硬度变化不大；加热50min（898℃）以上时，混凝土表面已严重粉化，回弹值为零。火场勘查人员可以根据混凝土回弹仪测定被烧混凝土表面的回弹值，判断混凝土被烧温度的高低。一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场条件的重要因子第二节建筑物内的火场温度加热时间（min）最高温度（℃）回弹值回弹值降低率（%）加热时间（min）最高温度（℃）回弹值回弹值降低率（%）05155562221.5202515794218.360.501015658252360301584529.39.368.10151571921.517.5180351584522.36.071.30201576124.414.3420401586524.52.091.82、用超声波检测判别遭受火灾作用的混凝土建筑构件，由于火灾所产生的短时高温，使混凝土内部出现许多细微裂缝，对超声波在其内部的传播速度影响很大。根据实验证明，超声波脉冲的传播速度随混凝土被烧温度的升高而降低。因此可以根据超声波在混凝土内部传播速度的改变定性地说明混凝土结构某部位的烧损程度，进而说明该部位的受热温度的高低，以此判断火势蔓延方向和起火部位。(三)根据混凝土化学成分的变化判定火场温度当混凝土被加热时，会发生如下变化：Ca(OH)2→CaO+H2OCaCO3→CaO+CO2反应生成物数量随受热温度升高和时间增长而增加，因此，可通过测量其质量变化值判断混凝土火烧部位温度的高低。1、测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碱性，pH为12～13。混凝土经火灾作用后，碱性的Ca(OH)2发生分解，放出水蒸气，留下中性的CaO。CaO遇无水乙醇的酚酞溶液不显色，而Ca(OH)2则显红色。一、室内火灾温度的计算二、火场温度的判断依据*三、影响建筑物内火场