鄂大志，張 明，邸 曼，夏大維

(應急管理部沈陽消防研究所，沈陽，110034)

0 引言

火災調查是《中華人民共和國消防法》賦予消防機構的職責，是一項系統(tǒng)、嚴謹、科學的工作，一個科學、準確的起火原因認定結論需要很多證據的支持和維系，相對獨立的證據只有相互關聯(lián)、相互印證才能成為一個完整的“證據鏈”?；馂默F場燃燒物沉積物的識別、提取與檢測是國內外火災調查領域研究的重要方向，也是“證據鏈”中的關鍵一環(huán)?；馂默F場容易遭受外來因素的影響或破壞，如縱火嫌疑人的惡意毀壞，消防救援人員滅火過程中形成的二次人為干擾，亦或是火災現場保護不力造成的其他不利影響，這些情況都可能導致火災現場的燃燒殘渣、殘留物以及現場痕跡等相關要素難以保持原貌，無法起到準確判定起火部位或起火原因的作用。盡管如此，火災現場中附著在玻璃、金屬或其他固態(tài)附屬物表面的燃燒物沉積物的存在卻依然能夠很好地保存火場中的初始信息。通過對這些沉積物的形貌特性和物理特性進行定量研究，分析燃燒物的燃燒時序，可以保證“證據鏈”的科學性和準確性，從而為準確認定起火原因，分清事故責任提供有效的技術手段。

國內外對燃料燃燒沉積物的燃燒機理進行了廣泛的研究，Vander等[1]利用HRTEM獲得了煙塵的納米結構圖像，并利用X射線能譜儀分析了煙塵表面的化學元素組成；Jones等[2]利用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS)對不同氧濃度條件下得到的正己烷、JP-8和柴油燃燒煙塵進行了化學分析；Ballice和Reimert[3]使用GC-MS辨識了不同形式的聚丙稀裂解產物；Fernandes等[4]對紙質產品、地毯、地板、膠合板、鞋等日常物品的燃燒產物進行了分析描述；Biedermann等[5,6]使用貝葉斯網絡對火災現場燃燒殘留物進行了研究，并通過兩個實際案例，探討了火災的不確定因素；Santamaria等[7]對乙烯和苯兩種多環(huán)燃料的燃燒煙塵物化信息進行了比較分析；Song和Peng[8]使用裂解氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(PyGC-MS)對正己烷、汽油、柴油等燃燒煙塵進行了化學組分分析；馬綏華[9]利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS)研究了典型火所產生的煙顆粒粒徑分布情況。然而，從火災調查角度對典型可燃物燃燒沉積物的研究并不多見，尤其是涉及典型可燃物燃燒沉積物的物化結構特性分析以及與燃燒顆粒物的形貌學測量和組成成分測定相結合的研究。在國內火災原因調查的分析和研究中，往往傾向使用經驗判斷，缺乏科學性和準確性，如何結合其他的技術方法對火災原因進行精準判斷，推動火災調查向科學化、精細化和高效化方向發(fā)展，是當前亟待解決的現實問題。因此，本文將以火災調查視角，使用模擬試驗與量化分析的方法對火災現場典型固體可燃物燃燒沉積物所攜帶的特征信息進行深入分析和研究。

1 試驗樣品制備

1.1 燃燒試驗條件

為了使燃燒試驗具有可重復性和環(huán)境條件的一致性，便于沉積物的采集，設計了如圖1所示的燃燒沉積物采集試驗箱。該試驗箱全部采用透明亞克力板，可隨時觀察燃燒過程，并記錄試驗現象，尺寸為30 cm×30 cm×60 cm，上下開放，單側開門，上蓋同樣采用25 cm×40 cm的透明亞克力板。

圖1 燃燒沉積物采集試驗箱結構圖Fig. 1 Structure of combustion sediment collection chamber

火災現場中典型固體可燃物有木材、化纖織物、棉織物、PVC制品、聚氨酯泡沫等。本文針對上述5種典型固體可燃物，選取表1所示的常見材料作為標示物，開展了燃燒模擬試驗。

表1 5種典型固體可燃物與試驗用標示物對照表

1.2 試驗樣品采集

實驗時，將試驗樣品分別置于直徑為15 cm的不銹鋼容器中，使用點火器引燃試驗樣品，并利用攝像機和照相機記錄試驗現象和采集狀態(tài)，同時在上蓋板上貼敷200目的碳支持膜作為電鏡載網來采集煙霧顆粒。碳支持膜是一種常見并被廣泛使用的支持膜，為兩層支持膜結構，直徑約3 mm，厚度約0.02 mm。從空間結構來講，從下到上依次為載網，方華膜和碳膜，它是在一層有機方華膜上再覆蓋一層碳膜。由于碳層具有較強的導電以及導熱性，彌補了無碳方華膜的荷電效應以及熱效應，增強了膜整體的穩(wěn)定性，可滿足大多數材料(尤其是可分散的粉體材料)的一般形貌測試需要。

對載有沉積物顆粒的碳支持膜進行噴金處理后，利用掃描電鏡進行觀測時，首先在較低放大倍數下找到顆粒群，然后再放大選擇單個顆粒進行拍攝，得到的圖像保存在計算機里，以備后續(xù)的圖像分析與處理。

2 典型固體可燃物燃燒沉積物的微觀形貌特性研究

2.1 圖像獲取

利用掃描電子顯微鏡(SEM)分別選取60×、200×、500×、1000×、2000×、5000×和10000×的放大倍數，拍攝獲取5種典型固體可燃物燃燒沉積物在不同放大倍數下的微觀形貌圖像。這里我們以拍攝得到的2000×微觀圖像為例，如圖2所示，說明其各自沉積物的形貌特點。

圖2 (a)～(e)分別為木材、化纖織物、棉織物、PVC制品、聚氨酯泡沫燃燒沉積物的微觀形貌(2000X)Fig. 2 (a) ～ (e) Microscopic morphology of combustion sediments of woods, chemical fiber fabrics, cotton fabrics, PVC products, and polyurethane foams, respectively (2000X)

2.2 燃燒沉積物的微觀形貌特性分析

(1)木材燃燒沉積物的微觀形貌特征

木質類材料燃燒沉積物很少，呈分散分布，主要形貌為碎片狀，層疊結構，棱角分明。這主要是因為木質類材料完整的燃燒過程通常會經歷干燥、熱解、炭化、燃燒、灰化等階段，其中既有固相燃燒也有氣相燃燒。固相燃燒是指木質材料在熱源的作用下，發(fā)生熱解反應，析出包含可燃成分和非可燃成分的揮發(fā)性產物，以及生成可燃但非揮發(fā)性的碳，而氣相燃燒是指木材表面附近析出的揮發(fā)性產物所發(fā)生的氧化反應。在固相燃燒階段，部分燃盡的灰分和未燃盡的碳顆粒會在熱浮力的作用下隨煙氣流動。因此，木質類材料燃燒后，沉積物的微觀形貌主要呈碎片狀，且部分碎片尺寸較大。

(2)聚合物材料燃燒沉積物的微觀形貌特征

聚合物材料燃燒沉積物的微觀形貌主要呈分散的鏈狀、簇狀、絮狀和樹枝狀凝團，且大小不均，由或多或少的準球形顆粒相互鏈接所形成。雖然在棉布沉積物中也發(fā)現了半透明碎片狀結構，但數量較少，這也是棉布與其他聚合物材料的差異。聚合物材料受熱后，通常會發(fā)生熱解、氣化反應，釋放可燃性氣體，所以燃燒過程發(fā)生在氣相狀態(tài)下。聚合物在燃燒過程中，表面發(fā)生分解，長鏈分子被打斷，釋放出小分子揮發(fā)物懸浮于煙氣中，不斷運動，并隨時參與燃燒。當兩個小分子顆粒運動到足夠近時，由于范德華力的作用，熔合在一起形成一個雙粒子結構。這個雙粒子結構繼續(xù)運動，與其它粒子或多粒子相熔合，如此過程不斷反復，就形成了凝團結構。沉積物凝團形成過程可用燃燒學中碳黑生成理論加以解釋，即：核形成-核長大-互相鏈接形成凝團。在煙氣流動過程中，隨著溫度的降低，大凝團會逐漸沉降[10]。有些聚合物在這個過程中同時會發(fā)生炭化，形成炭層或碳質殘渣，如棉布，因此可在其燃燒沉積物中發(fā)現半透明碎片結構。

(3)微觀形貌特征對于可燃物材料屬性的區(qū)分

通過對木材、化纖織物、棉織物、PVC制品、聚氨酯泡沫等5種常見固體可燃物燃燒沉積物微觀形貌特征的總結，不難發(fā)現：木材燃燒沉積物與聚合材料燃燒沉積物存在明顯差異，可利用該方法準確加以區(qū)分；而對于4種聚合物材料，除棉織物燃燒沉積物略有不同外，剩余3種材料燃燒沉積物的微觀形貌并無明顯差異，無法進一步加以區(qū)分。

3 沉積物中顆粒的形貌學特性研究

3.1 數據獲取

本文通過EDS提供的ESPRIT Feature 特征物分析軟件對提取的燃燒沉積物顆粒進行物理學測量分析，得出5種典型固體可燃物燃燒沉積物顆粒的分形特征。

首先，將掃描電鏡圖像放大至10000×，并使用ESPRIT Feature 特征物分析軟件導入圖像，選擇Light Gray Phase Particles 方法，軟件自動篩選獲取圖像中表層亮度灰度較高的特征顆粒，進行物理學形貌測量。

隨后，選擇對于顆粒物物理學形貌分析中具有代表性的表面積、平均直徑、周長、長軸取向角度、最大內接圓直徑、區(qū)域內像素值和球體體積等7個標志性參數進行測量顯示，得到顆粒物的物理學特征值，如表2所示。

表2 木材燃燒沉積物顆粒的物理學特征值

最后，我們選取全部顆粒的平均測量值作為比較分析值，整理得到5種典型可燃物燃燒沉積物顆粒的物理學特征值對照表，如表3所示。

3.2 沉積物中顆粒的形貌學特性分析

通過對照不難發(fā)現，木材燃燒沉積物顆粒從表面積、平均直徑、周長、最大內接圓直徑、區(qū)域內像素值和球體體積等6項指標參數上均為最大者，與其他4種材料燃燒沉積物顆粒存在顯著差異；聚氨酯泡沫在7項指標參數上均表現為最小，尤其是長軸取向角度值極其明顯，使得聚氨酯泡沫在物理學形貌上可以輕易與其他4種材料區(qū)分；化纖織物燃燒沉積物顆粒的指標參數在5種材料中處于中位數附近，因此，如果仔細參照全部7項指標參數，也可以獨立區(qū)分；只有棉織物和PVC制品，全部指標參數過于接近，無法利用微觀形貌的物理學測量方法加以區(qū)分。

4 沉積物中顆粒的化學元素研究

4.1 數據獲取

在ESPRIT Feature 特征物分析軟件提取燃燒沉積物的特征顆?；A上，利用元素分析功能，選擇Scan Particles for Rough Mineral Class算法，對提取的特征顆粒物進行化學元素分析，得出每種燃燒沉積物顆粒的元素組成，進而對材料種類加以區(qū)分。

這里，選取對于顆粒物化學元素組成中具有代表性的碳(C)、氧(O)、鎂(Mg)、鋁(Al)、硅(Si)和鈣(Ca)等6種標志性元素進行測定，得到顆粒物的化學元素譜線，見圖3，和顆粒組成元素百分比，如表4所示。

圖3 木材燃燒沉積物顆粒的化學元素譜線Fig. 3 Chemical element spectrogram of wood combustion sediment particles

SpectrumCOMgAISiCaP180.9618.800.060.1300.05P282.0817.870.06000P377.9121.260.100.050.040.65P458.0636.060.090.190.335.27Mean74.7523.500.080.090.091.49Sigma11.278.500.020.090.162.54SigmaMean5.634.250.010.040.081.27

將6種特征元素百分比含量的平均測量值作為比較分析值，整理得到5種典型可燃物燃燒沉積物顆粒的組成元素百分比對照表，如表5所示。

表5 5種典型可燃物燃燒沉積物顆粒的組成元素百分比對照表

4.2 沉積物中顆粒的化學元素分析

通過對照不難發(fā)現，木材燃燒沉積物顆粒以Ca 元素為標志性化學元素，輔以Mg元素和Al元素，以及C元素和O元素的含量組成，作為綜合量化依據，與其他4類材料加以區(qū)分；化纖織物能夠以Si元素含量作為辨識的標志性化學元素；由于棉織物與聚氨酯泡沫燃燒沉積物顆粒的Ca元素含量均為0，因此需要借助C元素和O元素的含量，綜合判定具體的材料屬性。

5 結論

為了研究典型固體可燃物燃燒沉積物的信息，以及辨識不同燃燒沉積物的來源，本文對典型固體可燃物燃燒沉積物顆粒從微觀形貌、物理學特性和化學組分進行了研究，并對可控燃燒試驗條件下獲得的燃燒沉積物進行了提取和顆粒物的量化分析進行了大量研究，通過實驗以及數理統(tǒng)計分析方法得到了如下結論：

1、利用微觀形貌法、物理學特性、Ca 元素含量可以分辨木材燃燒沉積物。

2、利用長軸取向角度值和Ca元素含量可以分辨聚氨酯泡沫。

3、利用Si元素含量可以分辨化纖織物。

4、利用微觀形貌法和Ca元素含量可以分辨棉織物。