科研分享｜对活体、老化和死体松针燃烧行为的比较实验研究

厄瓜多尔利托尔理工学院Freddy X. Jervis与英国伦敦帝国理工学院Guillermo Rein研究团队于2015年在《FIRE AND MATERIALS》杂志上发表了文章《利用活体、老化和死体样品的小规模火焰量热法对地中海松的燃烧行为进行的实验研究》（《Experimental study on the burning behaviour of Pinus halepensis needles using small-scale fire calorimetry of live, aged and dead samples》）。研究团队对不同状态的松针的燃烧特性进行了研究，使用火焰蔓延量热仪（FPA）对其点燃时间、燃烧时间、质量损失、峰值功率、有效燃烧热、平均和峰值CO/CO2、和辐射分数进行了比较研究。该项实验在英国爱丁堡大学进行，并且受到了英国BRE Trust、美国FM Global和欧盟Project Fire Paradox的支持。松针样品由法国阿维尼翁国家农艺研究所提供。

研究发现老化的松针和死松针燃烧特征虽然相似，但是在某些参数上依然存在明显不同。总的来说，与死松针相比，活松针的点燃速度慢四倍左右，并且HRR降低60%，燃烧热降低50%。老化松针的燃烧特性与死松针非常相似，但峰值HRR、燃烧时间、CO/CO2比和辐射分数显着不同。新鲜活体样本受流量影响最小，而干燥样本受影响最大。结果证实了水分含量在松针燃烧行为中的重要性，但活样品和死样品之间的差异不能仅用水分来解释。该团队的结果表明，这些燃料的火焰在物理和化学方面存在根本差异，并且在火灾动力学上并不遵循从活燃料到老化燃料再到死燃料的简单趋势。事实上，已经知道活松针和死松针中储存的碳水化合物存在显著差异。

该团队观察到烘箱干燥会导致活样品的燃烧行为产生很大差异，并且某些差异不能仅用减少的水分含量来解释。老化松针和死松针在烘箱干燥后显示出较小的差异，但这些在峰值HRR、CO/CO2、辐射分数和阴燃阶段仍然很重要。这表明实验室结果受到烘箱干燥过程的影响，烘箱干燥过程会引起重要的化学和结构变化。这很可能或多或少与烤箱内挥发性有机化合物(VOC)的损失有关。水分的释放可以解释点火时间和预点火质量损失的减少，VOC的释放可以解释峰值HRR的减少，以及CO/CO2和辐射分数的变化。该团队的结果推翻了烘箱干燥仅影响样品含水量或者干燥条件并不重要的常见假设，烘箱干燥广泛用于山林火灾实验室研究这一事实值得更多研究。

该文章为林业防火相关研究提供了一定的启示：当利用死亡植物对其活体状态进行燃烧和火灾相关实验模拟分析时，不仅要考虑其中水分含量对试验结果的影响，还要将挥发性有机化合物的含量差异考虑在内，特别是松树这种挥发性有机化合物含量较高的树种。目前烘箱干燥操作广泛用于野火实验研究，但是这一操作的还原度和可靠性需要更多研究。考虑到近年来山火频繁发生、中国针叶林分布广泛，该文章对我国森林防火相关研究具有重要的借鉴意义。

火焰蔓延量热仪（FPA）

在研究过程中，研究团队主要使用了火焰蔓延量热仪（FPA）对样品的燃烧特性进行了测试。在文章中，作者提到：

The FPA is the most advanced fire calorimetry technique to date. Fire calorimetry was chosen because it is the state of the art of experimental fire science.

FTT生产FM Global火焰蔓延测试仪（FPA）

“火焰蔓延量热仪（FPA）是先进的火焰量热法技术。选择火焰量热法是因为它是实验火科学的前沿技术。它测量小样本的功率，并且可以控制和改变燃烧条件以提供基本的研究框架。……与锥形量热仪相比，FPA提供了额外的优势，可以控制样品周围和穿过样品的流场（图1），这对于天然燃料很重要。此外，高级量热法的使用使我们能够测量以前未报告的野火燃料文献参数中的火灾，例如辐射分数和CO/CO2比率。”

图1. 火焰蔓延量热仪（FPA）内多孔支架中针状样本周围的热量和流动条件示意图

先进的设计和制造

FTT位于英国East Grinstead，是从事防火测试仪器的消防科学家和仪器设计工程师团队的所在地，也是我们设计和制造的中心。30多年来，FTT通过其全球销售和支持网络，为全球范围内的防火测试和研究专业人员提供了优质的仪器和服务。