火災(zāi)在諸多災(zāi)害中發(fā)生頻率最高，給社會(huì)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(guó)已對(duì)火災(zāi)的探測(cè)、逃生、撲救、材料阻燃等研究給予了極大的關(guān)注，取得了許多重要的成果，并已形成了相對(duì)較完整的理論體系。但由于火災(zāi)的隨機(jī)性以及各種人為因素使得火災(zāi)仍將長(zhǎng)期存在于人類社會(huì)的發(fā)展中，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，火災(zāi)將呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)?；馂?zāi)后的情景再現(xiàn)、事故原因的確定對(duì)于國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定、相關(guān)政策的制定、同類災(zāi)害的防治以及事故責(zé)任者的認(rèn)定等具有十分重要的意義，也是火災(zāi)科學(xué)研究者們目前必須面臨的重要課題之一。但由于火災(zāi)燃燒過(guò)程的極度復(fù)雜性（涉及高分子燃料、燃燒空間大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜）以及不同燃燒行為會(huì)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(guó)內(nèi)外對(duì)火災(zāi)事故類型的分析仍大量借助于專業(yè)人員長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)或采用半經(jīng)驗(yàn)的方式。

????1 火災(zāi)調(diào)查研究的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

????美國(guó)檢驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)ASTM自1990年以來(lái)，制定了火災(zāi)痕跡物質(zhì)分析的系列指導(dǎo)性技術(shù)文件ASTM E，對(duì)需要采樣的物質(zhì)、采樣方法、采樣儀器進(jìn)行了規(guī)定，最近ASTM又制定了兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)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(duì)可燃液體殘余物進(jìn)行分析，ASTM E系列標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)含碳Ci物質(zhì)的測(cè)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(guó)Touron等學(xué)者使用毛細(xì)氣相色譜CGP、GC-MS和HNU光化學(xué)電離分析儀，探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可能存在的C1-C40碳?xì)浣M分，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)分析策略，使得對(duì)火災(zāi)痕跡物質(zhì)的分析實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，主要判斷火災(zāi)是否為人為事故。臺(tái)灣Chen等人通過(guò)研究金屬熔化部位的離子質(zhì)譜儀SIMS測(cè)定曲線，分析電氣短路火災(zāi)行為。美國(guó)和英國(guó)學(xué)者M(jìn)cCurdy等人采用相紫外線光譜，測(cè)量事故現(xiàn)場(chǎng)是否有速燃助燃物質(zhì)成分－石油產(chǎn)品中的芳香類碳?xì)湮镔|(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(xué)者Eui-Pyeong Lee等人采用X－射線色散分析和電子掃描顯微鏡，對(duì)火災(zāi)發(fā)生后電氣線路上的碳化殘余物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究證明了短路引起的火災(zāi)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(guó)國(guó)家火災(zāi)調(diào)查協(xié)會(huì)的NAFI曾制定和進(jìn)行了一個(gè)火災(zāi)調(diào)查研究計(jì)劃，采用錄像的方法，對(duì)十種典型室內(nèi)火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行了全尺度實(shí)驗(yàn)，研究分析天花板、墻壁以及地板上火災(zāi)發(fā)生后的痕跡，以確定火源位置和火災(zāi)類型。他們的實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)生轟燃會(huì)使壁面有不同的痕跡，并特別指出，當(dāng)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(shí)，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(shí)，情況有較大不同。美國(guó)NIST曾使用他們開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)演化程序FDS，對(duì)1999年12月22日發(fā)生在Iowa州一所雙層公寓大火進(jìn)行了事后計(jì)算，模擬獲得了火源位置、轟燃時(shí)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(biāo)擊所述情況和災(zāi)后的一些調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)對(duì)比。美國(guó)煙酒和火器局BATF、火災(zāi)行政管理局FA、NIST、以及一些私營(yíng)企業(yè)曾共同發(fā)起過(guò)一個(gè)火災(zāi)調(diào)查者培訓(xùn)計(jì)劃，通過(guò)大量火災(zāi)過(guò)程和災(zāi)后情景的錄像以及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，對(duì)從事火災(zāi)調(diào)查者進(jìn)行培訓(xùn)。美國(guó)NIST建筑火災(zāi)研究室通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和目擊者訪問(wèn)，使用火災(zāi)模型技術(shù)，對(duì)1990年3月23日發(fā)生在Washington一座辦公建筑的大火進(jìn)行計(jì)算分析，他們使用的模型為較為簡(jiǎn)單的區(qū)域模型。分析結(jié)果表明，火源為一個(gè)易著火的箱體材料，著火后6分鐘發(fā)生轟燃，導(dǎo)致天花板上的電路等系統(tǒng)失靈。美國(guó)NIST建筑火災(zāi)研究室對(duì)泄漏在乙烯樹(shù)脂、木地板和地毯上的汽油、煤油燃燒行為進(jìn)行過(guò)全尺度試驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)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(jià)于相同的油池火峰值釋熱率，他們建議熱釋率可作為火災(zāi)情景估計(jì)的輸入數(shù)據(jù)。美國(guó)Akron大學(xué)Tan等學(xué)者應(yīng)用氣相色譜GC、氣相色譜－質(zhì)譜儀GC-MS探測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中基于石油產(chǎn)品中的速燃助燃物質(zhì)，同時(shí)利用從變量識(shí)別技術(shù)判斷是否為人為縱火。

????由以上國(guó)外研究狀況可以看出，各國(guó)已對(duì)火災(zāi)調(diào)查研究給予了充分的重視，但火災(zāi)調(diào)查和重構(gòu)還遠(yuǎn)沒(méi)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(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)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(zāi)的整個(gè)過(guò)程。

????2 火災(zāi)調(diào)查理論框架建立的可能性分析

????火災(zāi)調(diào)查研究的關(guān)鍵是火災(zāi)后可能留下的過(guò)程信息以及對(duì)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(shí)，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(guān)?；趯?duì)燃燒碳化物質(zhì)化學(xué)組成測(cè)量以及對(duì)其分形結(jié)構(gòu)測(cè)定基礎(chǔ)上的火災(zāi)過(guò)程重構(gòu)是可能的，具有可靠的科學(xué)依據(jù)。Sahouli等學(xué)者使用化學(xué)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(duì)采用CBP熱解的碳黑，進(jìn)行過(guò)表面化學(xué)和形態(tài)分析。對(duì)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(dāng)降低熱解壓力并增加熱解溫度時(shí)，沉積濃度降低，同時(shí)在不變溫度下，其分形維和碳質(zhì)沉積量有的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)其焦化碳形態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)表明：含K纖維素?zé)峤鈺r(shí)，其焦化碳在間隙孔區(qū)域具有分形特征；含Ca纖維素?zé)峤鈺r(shí)，其焦化碳有更多微孔結(jié)構(gòu)；而含F(xiàn)e纖維素?zé)峤鈺r(shí)，其焦化碳的SAXS實(shí)驗(yàn)圖象中，明顯具有二個(gè)線狀結(jié)構(gòu)。Mikhailov等研究了毫微米尺度碳黑聚結(jié)成長(zhǎng)為樹(shù)枝狀分形結(jié)構(gòu)的過(guò)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(gè)因素，使得周圍條件的變化會(huì)引起碳黑結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。針對(duì)水蒸汽對(duì)碳黑分形結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的影響，他們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算。Jayashi等學(xué)者對(duì)苯熱解中碳黑聚結(jié)機(jī)理，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)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(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)有較好的一致性。Mikhailov等人還研究了碳黑的加熱重構(gòu)問(wèn)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(huì)發(fā)生不同的變化。Pratsinis等學(xué)者研究了合成材料燃燒時(shí)，其燃燒顆粒的形成過(guò)程。Seledets等學(xué)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(guān)，吸附載體對(duì)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(wèn)題，提出了Walavalkar計(jì)算模型，該模型可以計(jì)算釋熱率，但不涉及熱解燃燒詳細(xì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。Yan針對(duì)墻角火涉及的熱解燃燒問(wèn)題，提出了相應(yīng)的計(jì)算方法，但同樣不涉及燃料熱解燃燒的詳細(xì)地動(dòng)力學(xué)過(guò)程。Lyon研究提出了碳化形成聚合物的熱解動(dòng)力學(xué)機(jī)理，他指出：由熱重?cái)?shù)據(jù)和合適的碳化動(dòng)力學(xué)模型，可以確定氣相生成物以及碳化過(guò)程，但應(yīng)注意到，該機(jī)理不涉及碳化物理過(guò)程，同時(shí)該機(jī)理為多步動(dòng)力學(xué)機(jī)理，沒(méi)有考慮詳細(xì)的化學(xué)過(guò)程，若干模型常數(shù)需實(shí)驗(yàn)確定。Hobbs等學(xué)者對(duì)聚氨脂材料分解進(jìn)行了敏感性分析，他們的研究表明輸入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、聚合物結(jié)構(gòu)、熱物性參數(shù)，可以用數(shù)值計(jì)算其分解過(guò)程。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，熱解過(guò)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(shí)間、氣流、環(huán)境狀況等密切相關(guān)，火災(zāi)中典型的高分子材料的熱解和碳化過(guò)程有其內(nèi)在規(guī)律性。

????3 火災(zāi)調(diào)查研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

????目前國(guó)際上對(duì)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(zhǎng)的研究較多。但碳黑生成機(jī)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(duì)簡(jiǎn)單氣相燃料的預(yù)混和擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)研究；碳黑生成詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的制定針對(duì)簡(jiǎn)單氣相燃料。如文獻(xiàn)〔33－50〕為分別采用激光診斷（激光誘導(dǎo)熒光LIF、激光誘導(dǎo)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(duì)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(xiàn)〔45〕探討了激光加熱對(duì)碳黑形態(tài)的改變；文獻(xiàn)〔49〕說(shuō)明碳黑氧化過(guò)程依賴其初始毫微尺度結(jié)構(gòu)。由于火災(zāi)中涉及高分子材料，碳黑化學(xué)組成較上述復(fù)雜，同時(shí)火災(zāi)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(duì)火災(zāi)調(diào)查理論體系的建立是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

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