黃淙葆,代張音,陳有成,蒙文富

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

西南林區(qū)是我國第2大天然林區(qū),也是我國乃至全球生物多樣性豐富的重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)之一,還是我國重要的水源涵養(yǎng)地和物種基因庫,為我國西南地區(qū)生態(tài)保護(hù)工作提供安全保障[1]。近年來,受氣候變暖的影響,西南林區(qū)火災(zāi)呈高發(fā)態(tài)勢,數(shù)據(jù)顯示,2010-2020年間,我國共計(jì)發(fā)生森林火災(zāi)39 040起,主要分布在四川、貴州等西南地區(qū)[2]。由于西南地區(qū)森林中云南松等松樹的松節(jié)油含量高,燃點(diǎn)低,在干燥的天氣環(huán)境下,遇到火星極易引發(fā)燃燒,一旦火勢蔓延,形成大規(guī)模山火,將造成十分嚴(yán)重的后果[3]。因此,根據(jù)西南地區(qū)松樹林的火災(zāi)特點(diǎn),優(yōu)選高效、環(huán)保的滅火介質(zhì)作為森林火災(zāi)的滅火劑,最大限度地控制和減小火災(zāi)規(guī)模,對于保障人員和財(cái)產(chǎn)安全及降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

目前,森林火災(zāi)主要以水作為滅火介質(zhì)展開撲救工作,在不同地形環(huán)境、不同類型及不同氣候條件的森林火災(zāi)中,水一直是最優(yōu)先考慮的滅火劑[4]。云南、廣西等地區(qū)擁有豐富的水資源,森林火災(zāi)大多開展以水滅火的撲救方法[5]。鐘委等[6]開展細(xì)水霧幕對頂棚射流火焰的抑制效果試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧在適當(dāng)工作壓力下能有效降低火焰溫度,抑制火焰長度增長;羅振敏等[7]發(fā)現(xiàn)鉀鹽添加劑能夠提高細(xì)水霧的滅火效率,而鉀鹽添加劑細(xì)水霧復(fù)合惰性氣體滅火效果較單一組分細(xì)水霧有顯著提升。由此,不少學(xué)者開始對泡沫滅火劑、水和水添加劑等滅火劑的滅火效能展開研究,許多新型滅火劑也逐漸取代水進(jìn)行森林火災(zāi)的撲救工作。Rappsilber等[8]研究發(fā)現(xiàn),在撲滅混合材料燃燒火災(zāi)時(shí),壓縮A類泡沫滅火劑比水和普通滅火介質(zhì)能更有效地抑制火災(zāi);楊丙杰[9]發(fā)現(xiàn)將添加劑用于自動噴水滅火技術(shù)后,可改善并提高水在可燃物表面的黏附能力,火勢的增長和蔓延得到明顯控制。綜上所述,以水作為滅火介質(zhì)對森林火災(zāi)進(jìn)行撲救的方法已被廣泛接受和認(rèn)可,用水滅火能達(dá)到降溫的效果,但由于水在燃燒物上的流動性高,停留時(shí)間極短,在實(shí)際操作過程中易出現(xiàn)供水不足、利用率較低等問題,對水資源的利用會造成一定程度的浪費(fèi)[10]。同時(shí),泡沫滅火劑雖然在某些方面提升滅火表現(xiàn),但對于水的利用率提高并不顯著,加之松樹木材燃點(diǎn)低,若受風(fēng)力影響,火焰熄滅后極易復(fù)燃,常見的泡沫滅火劑對于抑制明火熄滅后的復(fù)燃仍存在一定局限性[11]。因此,當(dāng)前需要尋求1種能有效改善水和泡沫滅火劑不足的新型滅火劑,用于撲滅西南地區(qū)松樹林火災(zāi)。水凝膠作為高分子量聚合物,能夠吸收大量液體,具有水的高比熱容等優(yōu)勢,其在滅火時(shí)可以在可燃物表面形成1層穩(wěn)定附著的隔離薄膜,不僅能降低可燃物溫度和隔絕氧氣,同時(shí)可改善水附著力弱、難以長時(shí)間覆蓋可燃物表面等缺點(diǎn),還能有效防止復(fù)燃,基于上述特點(diǎn),水凝膠被廣泛用于防火和滅火[12]。然而,目前水凝膠用于撲救森林火災(zāi)方面的研究較少,缺乏對其滅火性能的相關(guān)討論,對于高分子水凝膠作為滅火劑撲滅西南地區(qū)松樹林火災(zāi)還有待進(jìn)一步完善。

因此,本文利用滅火劑噴放裝置,在室外進(jìn)行滅火試驗(yàn),搭建松木垛燃燒平臺模擬西南林區(qū)松樹燃燒,研究松木自由燃燒特性,測試常用A類泡沫滅火劑和高分子水凝膠滅火劑在室外木垛火中的滅火效果,對比探究2種滅火劑對松木室外燃燒的滅火供給強(qiáng)度、失控抑制效能、降溫速率,以期為西南地區(qū)松樹林木地帶滅火技術(shù)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 滅火試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

滅火試驗(yàn)在由警戒線圍成的5 m×7.5 m(長×寬)室外空曠場地內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)裝置包括100 L泡沫罐、空氣壓縮機(jī)、壓力計(jì)、泡沫噴放槍、直徑1 000 mm的K型熱電偶、數(shù)據(jù)采集器、高清攝像機(jī)、油盤(長×寬×高為53 cm×53 cm×10 cm)、金屬支架、木垛、水凝膠噴放系統(tǒng)、計(jì)時(shí)器等。數(shù)據(jù)采集器每5 s采集1次溫度,K型熱電偶溫度測量范圍0～1 300 ℃,以0.16 m高度間隔分布,從下至上編號為T1～T8,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

通過文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)森林火災(zāi)主要發(fā)生在地理?xiàng)l件較為干旱的云南松、馬尾松等林木地帶中,故本試驗(yàn)選取松木條作為燃燒原材料,使用的木垛為方形木堆,由112根木條(長×寬×高為4 cm×4 cm×64 cm)搭建而成,分層疊放,共16層,每層7根,木條經(jīng)過高溫干燥處理,其含水率保持在10%～14%,且木材密度保持在0.45～0.55 g/cm3。試驗(yàn)中,使用無鉛汽油作為燃料,采用底部油盤火引燃木垛,在木垛中心線上分別布置熱電偶記錄溫度變化。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的泡沫滅火劑主要成分是阻燃劑、發(fā)泡劑、滲透劑等多種物質(zhì);水凝膠滅火劑主要成分為木質(zhì)纖維素、氟碳類表面活性劑等多種物質(zhì)。水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑的凝固點(diǎn)≤-30 ℃,pH值在6.0～9.5之間,無腐蝕性,符合標(biāo)準(zhǔn),抗凍結(jié)、融化性測試顯示無可見分層且非均相,毒性趨于0。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)混合比在0.2%～0.5%范圍內(nèi)時(shí),常用A類泡沫滅火劑滅A類火會有較好的滅火效果,其中在0.3%和0.5%的混合比參數(shù)下性能最優(yōu)[13]。因此,本文試驗(yàn)按照劑水混合比0.3%和0.5%將水凝膠粉末、A類泡沫液分別與水混合形成滅火劑溶液。

1.3 試驗(yàn)步驟及工況設(shè)置

每次試驗(yàn)開始前先向油盤內(nèi)倒入清水和無鉛汽油作為燃料,同時(shí)將按照比例混合好的滅火劑溶液倒入泡沫罐中,組裝好各個(gè)儀器并測試無誤之后,開始點(diǎn)火,利用點(diǎn)火器引燃油盤,視頻記錄下木垛燃燒狀態(tài),觀察木垛中8根熱電偶的溫度變化,以木垛從點(diǎn)燃到自由燃燒直至熄滅作為空白對照組。觀察熱電偶溫度達(dá)到最高溫度后不再上升,以及木垛燃燒至其質(zhì)量減少到原始質(zhì)量的50%時(shí),說明其達(dá)到穩(wěn)定的熱釋放速率狀態(tài),預(yù)燃結(jié)束。隨后,調(diào)節(jié)壓縮機(jī)向泡沫罐里輸送的氣壓,打開泡沫罐閥門,以相同噴放速率釋放水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑,從木垛正面,在距離木垛不小于1.8 m處噴放滅火劑,然后逐漸將噴射槍對準(zhǔn)木垛殘余火苗處,在木垛頂部、底部、側(cè)面等噴射,且不能在木垛的背面噴射,直至完全撲滅明火,最終統(tǒng)計(jì)滅火劑用量。如果明火熄滅后10 min內(nèi)沒有再燃,則記錄為滅火成功。試驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置Table 1 Test conditions setting

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 松木燃燒特性試驗(yàn)過程

以工況1為例,松木木垛從點(diǎn)火到熄滅過程依次為引燃階段、火焰蔓延發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段、火焰衰減階段、陰燃階段5個(gè)階段。在沒有滅火劑的作用下,木垛會相繼發(fā)生火焰持續(xù)蔓延、閃燃、火焰急劇失控等現(xiàn)象。工況1下木垛燃燒失控過程如圖2所示。

圖2 工況1試驗(yàn)過程Fig.2 Test process of condition 1

工況1木垛熱電偶溫度變化如圖3所示。在開始引燃階段,松木受到油盤持續(xù)加熱,木材表面附著水分最先被蒸發(fā)掉,觀察到木垛中的熱電偶溫度最高達(dá)到近600 ℃,松木因可燃物細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞壁之間的水分和纖維素結(jié)合水汽化出現(xiàn)分裂,內(nèi)部一些成分進(jìn)行熱分解,釋放出大量可燃有機(jī)氣體和焦油等。溫度超過200 ℃時(shí),木材開始炭化,木垛在加熱過程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在內(nèi)部積聚,伴隨閃燃現(xiàn)象,火焰出現(xiàn)瞬時(shí)增大。當(dāng)積聚的氣體超過一定含量后,受到室外環(huán)境風(fēng)的影響,向周圍彌漫出大量可燃有機(jī)氣體,可燃?xì)怏w遇到高溫燃燒,木垛出現(xiàn)急劇燃燒失控狀態(tài),出現(xiàn)劇烈的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣行為,可見強(qiáng)烈明火及大量煙氣在四周噴出,引起環(huán)境溫度的明顯升高。木垛由每根木條用鐵釘固定而成,受到火焰高溫燃燒不會很快坍塌。當(dāng)熱電偶溫度上升到900 ℃左右時(shí),木垛進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。此后,木垛結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,火焰開始衰減,直到木材有機(jī)成分完全分解。明火消失,進(jìn)入陰燃階段。

注:Ⅰ-引燃階段;Ⅱ-火焰蔓延發(fā)展階段;Ⅲ-穩(wěn)定燃燒階段;Ⅳ-火焰衰減階段;Ⅴ-陰燃階段。圖3 工況1溫度變化Fig.3 Temperature change of condition 1

2.2 泡沫滅火劑滅火試驗(yàn)研究

選取工況2下泡沫滅火劑滅火試驗(yàn)分析,工況2試驗(yàn)過程如圖4所示。木垛在365 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段,受到環(huán)境風(fēng)突變影響,412 s時(shí)火焰急劇失控,在425 s時(shí)噴放泡沫滅火劑,持續(xù)噴放148 s后明火消失,木垛內(nèi)部還殘留著一些可燃有機(jī)氣體,木材表面冒著火星,但無明火。

根據(jù)工況2以及工況1木垛中心熱電偶T3與木垛上方熱電偶T5～T8平均溫度變化繪制曲線進(jìn)行對比,溫度變化如圖5所示。工況2中木垛在365 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段,溫度持續(xù)上升,達(dá)到900 ℃時(shí),室外環(huán)境下木垛開始急劇失控,火焰羽流因風(fēng)力的變化而傾斜,425 s時(shí)噴放泡沫滅火劑,明火消失后即停止施加滅火劑時(shí),T3溫度從最高溫度897 ℃降到225 ℃,T5～T8平均溫度從最高溫度600 ℃降到203 ℃。結(jié)束泡沫滅火劑噴放后,T3溫度為100 ℃附近波動,之后緩慢下降至室溫,T5～T8平均溫度逐漸降低,最終與T3處溫度一致,未出現(xiàn)明火。同時(shí)由圖5可知,在經(jīng)歷148 s的泡沫滅火劑噴放后,工況2木垛中心熱電偶T3溫度與工況1中T3峰值溫度918 ℃相比大幅降低,說明泡沫滅火劑可有效降低室外木垛急劇失控峰值溫度。

圖5 工況2溫度變化Fig.5 Temperature change of condition 2

2.3 水凝膠滅火劑試驗(yàn)研究

工況3試驗(yàn)過程如圖6所示。木垛在322 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段,405 s時(shí)木垛火開始急劇失控,在420 s時(shí)噴放水凝膠滅火劑,持續(xù)噴放120 s后明火消失。結(jié)束水凝膠噴放后進(jìn)入陰燃階段,木垛產(chǎn)生大量水蒸氣及白煙,但未發(fā)生復(fù)燃。

圖6 工況3試驗(yàn)過程Fig.6 Test process of condition 3

工況3和工況1的溫度變化對比如圖7所示。工況3木垛在350 s時(shí)中心熱電偶T3溫度達(dá)到900 ℃以上,伴隨著閃燃現(xiàn)象,在405 s時(shí)進(jìn)入急劇失控階段,436 s時(shí)噴放水凝膠,明火消失后,此時(shí)工況3的T3溫度迅速從最高溫度892 ℃降到350 ℃,木垛上方T5～T8溫度在水凝膠噴放結(jié)束后由最高溫度655 ℃降至210 ℃。停止水凝膠噴放后,木垛內(nèi)部和上端溫度緩慢下降,停止試驗(yàn)時(shí)溫度穩(wěn)定在36 ℃,低于松木復(fù)燃溫度條件,由此得出水凝膠能快速抑制木垛燃燒急劇失控,且熄滅后未發(fā)生復(fù)燃。

圖7 工況3溫度變化Fig.7 Temperature change of condition 3

2.4 泡沫滅火劑與水凝膠滅火效能分析

由于溫度采集器每5 s采集1次溫度,通過計(jì)算5 s內(nèi)的溫度變化得出對應(yīng)的降溫速率。因此,根據(jù)利用水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑分別滅火時(shí)木垛中心T3熱電偶的溫度變化數(shù)據(jù),在每條溫度曲線上進(jìn)行線性擬合得出降溫速率,以測試不同混合比下2種滅火劑的冷卻效率,結(jié)果如圖8所示。

圖8 工況2～工況5溫度變化速率Fig.8 Temperature change rates from condition 2 to condition 5

由圖8(a)可知,工況2的降溫速率最高為7.8 ℃/s,工況3的降溫速率最高為9 ℃/s,且工況2從428 s開始降溫至降溫速率達(dá)到最高值,所需時(shí)間為20 s;工況3從420 s開始降溫至降溫速率達(dá)到最高值的時(shí)間間隔為30 s,這說明水凝膠對松木火災(zāi)降溫速率優(yōu)于泡沫滅火劑。在結(jié)束滅火劑噴放后,工況3的升溫速率最高為0.8 ℃/s,工況2的升溫速率最高為1.6 ℃/s,且升溫持續(xù)時(shí)間較長。由圖8(b)可知,工況4的降溫速率最高為6.9 ℃/s,而工況5的降溫速率最高為9.8 ℃/s,比工況4最大降溫速率增加約42%,結(jié)束滅火劑噴放后,工況4的升溫速率最高1.8 ℃/s,工況5的升溫速率最大為0.9 ℃/s。工況2～工況5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表2所示。

由表2可知,相較于泡沫滅火劑,水凝膠滅火劑降低木垛中心溫度的幅度更大,結(jié)束釋放水凝膠后的升溫速率較低,2種滅火劑在陰燃階段沒有出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。由此可以證明水凝膠滅火劑對松木垛室外燃燒失控的阻斷效果優(yōu)于泡沫滅火劑。分析其原因,相比于泡沫滅火劑,高分子水凝膠具有較強(qiáng)的保水性和吸水性,致使水凝膠顆粒分子中蘊(yùn)含的水分子較多,遇到火焰不容易被快速且完全蒸發(fā)掉,以至于有足夠多完整的水凝膠顆粒穿透火焰羽流到達(dá)木垛內(nèi)部燃燒物,從而能夠產(chǎn)生大量水蒸氣包裹木垛內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)冷卻窒息。此外,高分子水凝膠還具有極強(qiáng)的黏附性,水凝膠顆粒會黏附在木材表面,包裹住可燃物,使可燃物與氧氣等可燃?xì)怏w之間形成1層薄膜,達(dá)到隔氧窒息效果,對其進(jìn)行持續(xù)性降溫,而常用的泡沫滅火劑揮發(fā)速度快,黏附性低,缺乏持續(xù)性,無法達(dá)到這種效果。因此,在后續(xù)的滅火過程中,水凝膠滅火劑降溫速率優(yōu)于普通泡沫滅火劑。

2.5 滅火供給強(qiáng)度分析

滅火劑的理論用量一般可由式(1)計(jì)算[14-15]:

Q=Aqt

(1)

式中:A為火場冷卻或著火面積,m2;q為供給強(qiáng)度,L/(s·m2);t為滅火劑噴放時(shí)長,s。

根據(jù)上述試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)的滅火劑用量數(shù)據(jù)記錄,撲滅1次木垛火,消耗水凝膠滅火劑的平均用量為20 L,泡沫滅火劑平均用量為28 L;2組利用高分子水凝膠滅木垛火實(shí)驗(yàn)的滅火總時(shí)間平均為150 s,而2組利用泡沫滅火劑滅木垛火實(shí)驗(yàn)的滅火總時(shí)間平均為180 s。滅火面積木垛的5個(gè)表面面積總和,不包括木垛的背面,即為2.05 m2。由式(1)推算出滅火強(qiáng)度q水凝膠≈0.065 L/(s·m2),q泡沫≈0.075 L/(s·m2)。

查閱相關(guān)資料可知,用水撲救木材類火災(zāi)時(shí),火場理論滅火供水強(qiáng)度由火場熱流密度式(2)確定,其中木材的火場熱流密度Q火=2.3×105J/(s·m2)[16]。

(2)

式中:q供給為由火場熱流密度確定的供水強(qiáng)度,L/(s·m2);Q水為水的吸熱能力,J/L;η為噴射器具的供水效率,%。

計(jì)算得到利用直流水槍滅火強(qiáng)度一般為0.12 L/(s·m2)。若以1棵表面積約為150 m2的松樹為參照,持續(xù)滅火1 min,所需水1 080 L,所需普通泡沫滅火劑675 L,而所需水凝膠滅火劑僅為585 L。在相同工況條件下,所需水凝膠滅火劑約為所需水量的54%,約為所需泡沫滅火劑用量的87%,體現(xiàn)高分子水凝膠滅火劑高效的滅火性能。

3 討論

在松木垛燃燒滅火試驗(yàn)研究中,水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑基于混合比、噴射速率與噴射方式相同的情況下,水凝膠滅火劑的滅火效能優(yōu)于泡沫滅火劑,尤其是滅火時(shí)間、滅火劑耗量等效能指標(biāo)具有直觀上的明顯差異,適當(dāng)?shù)幕旌媳葘缁鹦苡刑嵘饔?而水凝膠滅火劑具有極強(qiáng)的潤濕性和黏附性,在隔熱冷卻和抗復(fù)燃效果方面突出。目前,不少學(xué)者研究證實(shí)水凝膠由于其高含水量、柔軟性等性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于制造滅火或防火材料[17],將凝膠型滅火劑與水、干粉等滅火劑進(jìn)行滅木材火、燃油火、煤自燃的對比研究時(shí),凝膠型滅火劑展現(xiàn)出優(yōu)異的滅火效能[18-19]。雖然凝膠型滅火劑在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)得到諸多關(guān)注和研究,但仍缺乏對其他類型滅火劑的對比分析。對此,本文選用撲滅建筑火災(zāi)、木結(jié)構(gòu)火災(zāi)中常用的A類泡沫滅火劑作對比,從混合比方面更深入地探討水凝膠滅火劑與A類滅火劑的綜合滅火效能,優(yōu)選出適合西南地區(qū)松樹林火災(zāi)的滅火劑。同時(shí),以滅火劑供應(yīng)強(qiáng)度量化森林火災(zāi)場景,構(gòu)建火災(zāi)場景與滅火劑用量間的定量關(guān)系,為森林火災(zāi)地帶滅火技術(shù)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

由于試驗(yàn)?zāi)径馀c真實(shí)森林火災(zāi)場景存在一定差別?；谏鲜鼍窒扌?對于森林火災(zāi)的研究,未來研究中應(yīng)從環(huán)境方面考慮溫度、風(fēng)、地形及濕度等因素對林火的影響,同時(shí)還要實(shí)地調(diào)查研究區(qū)域的樹木種類、形態(tài)規(guī)格、含水率等性質(zhì)特點(diǎn),模擬真實(shí)情景下的林火燃燒蔓延。而在森林滅火劑方面,除了混合比之外,還應(yīng)對比分析釋放壓力、噴射方式、泡沫生成系統(tǒng)等滅火工況對滅火效能的提升,綜合考察森林滅火劑的滅火效能。因此,在今后工作中應(yīng)加快對森林滅火劑和森林火災(zāi)模擬的研究,為森林滅火劑的性能綜合評估準(zhǔn)則提供全面的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

1)松木木垛燃燒試驗(yàn)過程主要分為引燃階段、火焰蔓延發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段、火焰衰減階段、陰燃階段5個(gè)階段。在火勢蔓延發(fā)展及穩(wěn)定燃燒階段,木垛火在室外燃燒時(shí)會出現(xiàn)閃燃與急劇失控現(xiàn)象,火焰瞬時(shí)增大。

2)對于室外燃燒松木垛火急劇失控行為,水凝膠出色的吸熱作用能快速熄滅火焰,而泡沫滅火劑無法有效阻斷火焰失控。木垛內(nèi)部溫度在泡沫滅火劑結(jié)束噴放時(shí)維持在100 ℃左右,且部分工況溫度會達(dá)到159 ℃,接近復(fù)燃臨界點(diǎn);在結(jié)束水凝膠噴放時(shí),木垛中心溫度降至室溫左右,且結(jié)束噴放后木垛內(nèi)部與表面溫度始終低于復(fù)燃臨界溫度。

3)在相同混合比及噴放速率下,水凝膠對松木垛的降溫速率均高于普通泡沫滅火劑的降溫速率,冷卻效果較優(yōu),水凝膠依據(jù)其保水性和黏附性,能快速抑制木垛內(nèi)部熱流傳導(dǎo)。

4)在相同工況試驗(yàn)條件下,水凝膠滅松木垛火的用量較少,對于表面積150 m2的松樹,在相同條件下,水凝膠滅火劑用量僅為所需水量的54%,約為所需泡沫滅火劑用量的87%。