Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований пожаротехнических характеристик огнезащищенной древесины и конструкций из нее 14
1.1. Особенности применения деревоклееных конструкций в строительстве 14
1.2. Способы и средства огнезащиты конструкций из древесины 18
1.3. Методы и результаты исследований показателей пожарной опасности огнезащищенной древесины и класса пожарной опасности ДКК 28
1.4. Методы и результаты экспериментальных исследований огнестойкости деревоклееных конструкций 26
1.5. Теплотехническая часть расчетов огнестойкости деревоклееных конструкций 32
1.6. Статическая часть расчетов огнестойкости деревоклееных конструкций 37
Выводы по главе 1 44
2. Методы, оборудование и результаты экспериментальных исследований ДКК с огнезащитой при высокотемпературном воздействии 46
2.1. Методика исследований образцов на установке лучистого нагрева 46
2.2. Результаты исследований на установке лучистого нагрева 53
2.3. Методика исследований класса пожарной опасности ДКК с огнезащитой в огневой печи 59
2.4. Результаты исследований класса пожарной опасности ДКК в огневой печи 64
2.5 Анализ экспериментальных данных и особенностей поведения ДКК со вспучивающейся огнезащитой при высокотемператур ном воздействии 70
Выводы по главе 2 73
3. Методики и результаты теплотехнических расчетов дерево-клееных конструкций с огнезащитой 74
3.1. Методики и программы теплотехнических расчетов ДКК с различными видами огнезащиты 74
3.2. Определение характеристик материалов и экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов 82
3.3 Влияние различных средств огнезащиты на прогрев и обугливание ДКК 94
3.4 Исследование влияния основных исходных параметров на результаты теплотехнических расчетов ДКК и стальных
элементов узлов с огнезащитой 100
Выводы по главе 3 107
4. Практическое использование полученных результатов 109
4.1. Результаты испытаний на установке лучистого нагрева 109
4.2. Реализация рекомендаций по доработке методики и установки для определения класса пожарной опасности ДКК со вспучивающейся огнезащитой 110
4.3. Порядок определения толщин огнезащиты ДКК 113
4.4. Результаты расчетов времени до начала обугливания и скорости обугливания ДКК при использовании различных средств огнезащиты 116
4.5. Рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и узлов 117
4.6. Перспективы дальнейших исследований по проблеме огнезащиты и обеспечения пожарной безопасности ДКК 122
Выводы по главе 4 124
Основные выводы 125
Литература 127
- Способы и средства огнезащиты конструкций из древесины
- Результаты исследований на установке лучистого нагрева
- Определение характеристик материалов и экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов
- Реализация рекомендаций по доработке методики и установки для определения класса пожарной опасности ДКК со вспучивающейся огнезащитой
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Деревянные клееные конструкции (ДКК) традиционны для отечественной строительной отрасли, что обусловлено богатыми лесосырьевыми ресурсами страны, а также тем, что по многим показателям их применение более предпочтительно, чем конструкций из железобетона и металла. Однако до настоящего времени объем применения ДКК явно не соответствует потребностям и потенциальным возможностям строительства. Сложилась парадоксальная ситуация: доля использования подобных конструкций в нашей стране значительно ниже, чем в других странах, не располагающих такими лесными ресурсами и возможностями для их переработки. В то же время объемы строительства постоянно растут, и увеличивается потребность в ДКК, производство которых требует меньших энергозатрат, а монтаж на объектах более технологичен по сравнению с конструкциями из железобетона и стали.
Несмотря на имеющиеся положительные примеры использования ДКК на многих важных объектах, их многочисленные преимущества и несомненные перспективы [1-4], проектные и строительные организации сталкиваются со значительными трудностями при использовании ДКК, поскольку эти конструкции выполнены из горючего материала.
В СНиП 21-01-97* [5] содержатся требования по пожарной опасности строительных материалов и конструкций. Их выполнение для конструкций из древесины возможно только при наличии огнезащиты. Она позволяет снизить показатели пожарной опасности древесины, перечисленные в СНиП 21-01, и снизить класс пожарной опасности ДКК, определяемый по ГОСТ 30403-96 [6]. Не вызывает сомнений возможность снижения этих показателей при использовании достаточно толстой огнезащиты из негорючих плит или обмазок (штукатурок). Но это не позволяет реализовать такие преимущества ДКК, как эстетичный внешний вид, технологичность монтажа, низкая масса и пр. Отсутствуют обоснования возможности использования для этой цели
приемлемых и естественных для ДКК материалов, например, прозрачных вспучивающиеся покрытий (лаков).
Производители материалов в основном ограничиваются подтверждением получения 1-й группы огнезащитной эффективности по НПБ 251-98 [7] (ГОСТ 16363-98 [8]) и не уделяют должного внимания исследованиям других пожаротехнических характеристик огнезащищенной древесины. Явно недостаточен объем исследований влияния современных средств огнезащиты на класс пожарной опасности ДКК. Такие испытания, предусмотренные ГОСТ 30403, в нашей стране до последнего времени не проводились, что препятствовало использованию ДКК. Особый интерес представляют результаты испытаний по ГОСТ 30403 для таких естественных и перспективных для ДКК средств огнезащиты, какими являются вспучивающиеся лаки. Однако, ранее в случае использования таких материалов значительного снижения класса пожарной опасности ДКК не ожидалось. Прогнозировалось получение достаточно скромного показателя - К1(15) [4]. Это, естественно, ограничивало возможности применения деревоклееных конструкций в строительстве.
Возможность достижения относительно высокой огнестойкости является важным положительным качеством ДКК. Деревоклееные (как и все строительные) конструкции должны подвергаться огневым испытаниям для определения пределов их огнестойкости по ГОСТ 30247.0-94 [9] и ГОСТ 30247.1-94 [10]. Результаты экспериментального определения пределов огнестойкости конструкций из древесины представлены в работах А.И. Яковлева, И.Г. Романенкова, В.М. Ройтмана, В.Н. Зигерн-Корна, B.C. Харитонова. Но последние 15 лет испытания в огневых печах для оценки пределов огнестойкости конструкций из древесины проводились в нашей стране в недостаточном объеме.
За рубежом таким испытаниям уделяется серьезное внимание. Значительную их часть проводят при использовании вспучивающихся огнезащитных покрытий, применение которых признано перспективным для ДКК. Судя по их результатам, такие покрытия существенно повышают пределы огне-
7 стойкости конструкций относительно небольших сечений. На крупных несущих конструкциях с большой площадью поперечного сечения подобные результаты не столь очевидны. Но необходимо знать возможности вспучивающихся покрытий для снижения класса конструктивной пожарной опасности ДКК.
В условиях отсутствия достаточного объема исследований ДКК с огнезащитой для применения конструкций из древесины проектировщикам приходится компенсировать повышение пожарной опасности здания архитектурно-планировочными решениями, требующими разработки и согласования в соответствии со СНиП 21-01 технических условий. Они включают комплекс дополнительных дорогостоящих инженерно-технических и организационных мероприятий.
Значительный интерес представляет задача огнезащиты стальных узлов соединений элементов деревянных конструкций (нагелей, болтов, винтов, накладок и пр.). Относительно низкую их огнестойкость следует отнести к недостаткам ДКК, поскольку часто она является причиной обрушения конструкций при пожарах. Использование огнезащиты таких узлов в виде накладок или чехлов, выполненных из негорючих плитных материалов или древесины, не всегда обосновано и во многих случаях не является рациональным.
Пределы огнестойкости и толщины огнезащиты ДКК могут определяться с помощью расчетных методик, содержащих решения теплотехнической и статической задач, без проведения дорогостоящих и трудоемких огневых испытаний. Для некоторых конструкций из древесины (например, большепролетных ферм и арок) применение расчетных методик - единственный способ установления пределов их огнестойкости. Это относится также к стальным элементам узлов, подлежащих огнезащите. Методики расчетов пределов огнестойкости ДКК изложены в работах В.М. Ройтмана, В.Н. Зи-ген-Корна, B.C. Харитонова, Г.В. Гераськова, А.Ю. Фролова и др. Но в этих работах недостаточно глубоко рассматривались вопросы влияния огнезащи-
8 ты на прогрев, обугливание, конструктивную пожарную опасность и огнестойкость ДКК.
Появление новых и эффективных средств огнезащиты, в частности, вспучивающихся покрытий создает предпосылки для существенного снижения класса пожарной опасности и повышения пределов огнестойкости конструкций из древесины, регламентируемых СНиП 21-01. Но это, естественно, требует доказательств. Важен ответ на вопрос, могут ли современные средства огнезащиты обеспечить приемлемый класс пожарной опасности и требуемые пределы огнестойкости ДКК и стальных элементов узлов при сохранении основных преимуществ конструкций из древесины. Для определения проектных толщин огнезащиты, необходимых для обеспечения приемлемых показателей пожарной опасности ДКК, целесообразно использовать расчетные методики, которые позволили бы выбрать наиболее рациональные средства огнезащиты и определять их оптимальные толщины.
Таким образом, задача проведения дополнительных экспериментальных исследований ДКК с огнезащитой в огневых печах и на доступных лабораторных установках, а также математического моделирования влияния огнезащиты на показатели пожарной опасности ДКК является актуальной и представляет практический интерес. Предпосылками для успешного решения этой задачи является отмеченный в последние годы прогресс по экспериментальным исследованиям современных средств огнезащиты, а также по развитию методов математического моделирования огнезащиты и огнестойкости строительных конструкций из стали и железобетона. Способствуют этому растущие возможности вычислительной техники. Адаптация приемлемых экспериментальных и теоретических методик применительно к исследованиям ДКК может повысить достоверность и точность проектных расчетов и обеспечить выбор оптимальных материалов и толщин огнезащиты из современных материалов. Кроме того, это может способствовать совершенствованию нормативной базы и, в конечном итоге, содействовать расширению об-
9 ласти и увеличению объема применения деревоклееных конструкций в строительстве.
Изложенное свидетельствует об актуальности исследований, целью которых является обеспечение пожарной безопасности ДКК за счет применения эффективных средств огнезащиты. Представляет несомненный интерес сопоставление эффективности типичных представителей всех видов огнезащиты ДКК. Их целесообразно рассматривать в качестве объекта диссертационных исследований. Однако, основным объектом исследований следует рассматривать вспучивающиеся покрытия, оценка эффективности которых представляет наибольший интерес.
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является научное обоснование способов обеспечения пожарной безопасности ДКК за счет применения эффективных средств огнезащиты, что создает предпосылки для расширения области и увеличения объема применения ДКК.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Экспериментальное определение параметров вспучивания современных прозрачных покрытий ДКК и их влияния на снижение уровня прогрева и обугливания образцов из древесины при высокотемпературном воздействии на лабораторном оборудовании.
Определение класса пожарной опасности ДКК со вспучивающимися лаками в огневой печи, выявление и устранение недостатков методики испытаний и установки для их проведения в случае применения покрытий со значительным вспучиванием.
Определение характеристик, необходимых для проведения теплотехнических расчетов, для неисследованных ранее вспучивающихся лаков.
Экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов ДКК со вспучивающимися покрытиями для подтверждения возможности ее использования при проектировании огнезащиты и оценках огнестойкости.
Проведение математического моделирования с использованием наиболее совершенных методик теплотехнических расчетов для сопоставления эффективности типичных представителей различных видов огнезащиты ДКК.
Проведение численных исследований используемых расчетных методик для выявления уровня влияния основных параметров огнезащиты на прогрев ДКК и стальных элементов узлов.
Подготовка рекомендаций по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и стальных элементов узлов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые получены экспериментальные данные о динамике прогрева и вспучивания современных огнезащитных покрытий для древесины при высокотемпературном воздействии в огневой печи при исследованиях класса пожарной опасности ДКК, а также на установке лучистого нагрева.
Впервые определены основные характеристики исследуемых материалов (кратность и температура начала вспучивания, параметры математической модели), необходимые для проведения теплотехнических расчетов.
Обоснована методика и программа теплотехнических расчетов нестационарных температурных полей в ДКК с огнезащитой, учитывающая основные особенности разложения, вспучивания и поверхностного уноса исследуемых огнезащитных покрытий.
На основании математического моделирования прогрева ДКК и стальных элементов узлов сопряжения для различных видов и толщин огнезащиты установлено влияние основных характеристик огнезащитных покрытий на прогрев ДКК и эффективность снижения их пожарной опасности.
Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Внесены изменения в конструкции крупномасштабной установки для испытаний строительных конструкций и методику испытаний, предусмотренную ГОСТ 30403-96 «Конструкции строительные. Метод определения
пожарной опасности», позволяющие определять класс пожарной опасности ДКК со вспучивающейся огнезащитой.
2. Показана возможность снижения класса пожарной опасности и повышения пределов огнестойкости ДКК путем их обработки вспучивающимися огнезащитными составами.
Получен комплекс характеристик материалов, необходимых для проведения теплотехнических расчетов ДКК, защищенных вспучивающимися покрытиями.
Получены данные математического моделирования температурных полей и глубин обугливания деревоклееных конструкций с различными средствами огнезащиты, которые могут использоваться при определении класса пожарной опасности и пределов огнестойкости ДКК.
Разработаны «Рекомендации по огнезащите деревоклееных конструкций», в которых приведены способы и средства достижения необходимого уровня пожарной безопасности ДКК при их использовании на строительных объектах.
Достоверность результатов работы подтверждена использованием надежных методик экспериментальных исследований и методик расчетов. Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена также взаимным соответствием результатов расчетов прогрева конструкций данным испытаний ДКК в огневых печах.
На защиту выносятся следующие новые научные и практические результаты:
Результаты экспериментальных исследований особенностей прогрева и вспучивания огнезащитных лаков при высокотемпературном воздействии в огневой печи и на установке лучистого нагрева.
Результаты определения класса пожарной опасности ДКК со вспучивающимися покрытиями и рекомендации по уточнению методики и конструкции установки для испытаний по ГОСТ 30403.
Комплекс характеристик материалов, необходимых для проведения расчетов, полученных с использованием результатов испытаний образцов на установке лучистого нагрева и испытаний ДКК в огневой печи.
Результаты математического моделирования и параметрических исследований влияния различных характеристик материалов и режимов нагрева на прогрев и обугливание конструкций из древесины и на прогрев стальных элементов при использовании различных вариантов и толщин современных средств огнезащиты.
Рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и стальных элементов узлов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы, включающего 92 наименования. Общий объем диссертации 136 страниц в том числе 42 рисунка и 9 таблиц (с приложением 157 страниц).
В первой главе проведен анализ литературных источников по способам и средствам огнезащиты деревоклееных конструкций, методам и результатам экспериментальных исследований показателей пожарной огнезащи-щенной древесины, класса пожарной опасности и огнестойкости ДКК. Проведен анализ методов теплотехнических и статических расчетов огнестойкости ДКК с огнезащитой. Рассмотрено состояние экспериментальных и теоретических исследований эффективности средств огнезащиты деревоклееных конструкций. На основании анализа литературных источников сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.
Во второй главе рассмотрены методы, оборудование и результаты экспериментальных исследований ДКК с огнезащитой при высокотемпературном воздействии. Представлена методика и результаты испытаний образцов на установке лучистого нагрева, включающие данные по вспучиванию покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, рассматриваемых в качестве основного объекта исследований. Приведены результаты проведенных впервые испытаний по определению класса пожарной опасности ДКК с покрытиями
13 ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП по ГОСТ 30403. Изложен ход подготовки и реализации рекомендации по совершенствованию методики огневых испытаний и установки для их проведения. Рассмотрены особенности поведения вспучивающихся покрытий при высокотемпературном воздействии и их влияние на прогрев, обугливание и класс пожарной опасности ДКК.
В третьей главе рассмотрены методики теплотехнических расчетов, применение которых наиболее целесообразно для расчетов ДКК с различными видами огнезащиты, приведена исходная система уравнений, описывающая тепломассоперенос в конструкциях со вспучивающейся огнезащитой. Изложен порядок и результаты определения комплекса характеристик неисследованных ранее материалов, необходимых для проведения расчетов. Для подтверждения возможности использования предложенной методики расчетов проведено сопоставление результатов расчетов и огневых испытаний ДКК, защищенных вспучивающимися покрытиями. Приведены результаты большой серии расчетов температурных полей в ДКК с типичными представителями всех средств огнезащиты, представленные, в частности, в виде значений времени до начала обугливания и скорости обугливания древесины. Изложен порядок численных исследований влияния основных исходных параметров на результаты теплотехнических расчетов ДКК и стальных элементов узлов с огнезащитой.
Четвертая глава посвящена практическому использованию полученных результатов экспериментальных и теоретических исследований. Оценены результаты реализации рекомендаций по доработке методики и установки для определения класса пожарной опасности ДКК, позволившие проводить испытания конструкций, защищенных покрытиями со значительным вспучиванием. Изложен порядок и рассмотрена значимость результатов определения толщин огнезащиты ДКК, обеспечивающих требуемый класс пожарной опасности и заданные пределы огнестойкости ДКК и стальных элементов узлов с огнезащитой. Приведены рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и узлов.
Способы и средства огнезащиты конструкций из древесины
Огнезащита предназначена для снижения пожарной опасности древесины, а также для ограничения предела распространения огня по деревянным конструкциям и повышения их огнестойкости. К способам огнезащиты конструкций из древесины относятся: 1. Облицовка негорючими плитными материалами. 2. Нанесение огнезащитных покрытий. 3. Пропитка поверхностных слоев древесины антипиренами.
Здесь не упоминаются такие общеизвестные, но не рациональные для ДКК способы, как обетонирование и обкладка кирпичом. Все перечисленные способы снижают показатели пожарной опасности древесины и все (кроме пропитки) позволяют повысить огнестойкость конструкций из древесины. Средства огнезащиты для конструкций из древесины, реализующие перечисленные способы, рассматриваются в работах [11-29]. Большая часть из перечисленных работ посвящена разработке и исследованиям характеристик пропиточных составов. Только в некоторых публикациях рассматриваются сред ства огнезащиты (в основном устаревшие), способные значительно снизить предел распространения огня по деревянным конструкциям и повысить их огнестойкость.
Рассмотрим типичные средства огнезащиты, относящиеся к каждой из указанных групп.
Облицовка ДКК может проводиться плитными материалами на основе минеральных вяжущих либо волокнистыми плитами. Типичными представителями плитных огнезащитных материалов на основе минеральных вяжущих являются гипсоволокнистые и гипсокартонные листы (ГВЛ, ГКЛ), перлито-фосфогелиевые и асбоцементные плиты [11, 12]. Из числа современных средств огнезащиты этого вида для облицовки ДКК могут использоваться вермикулитовые плиты типа ПВТН и силикатные плиты типа Promatect-H [28]. В последнее время начали использоваться вермикулито-силикатные плиты Минпласт-А.
Из числа волокнистых огнезащитных материалов могут применяться минераловатные плиты типа CONLIT-150 или базальтоволокнистые плиты типа ПНТБ [28]. Облицовка плитными материалами не является естественным вариантом огнезащиты, поскольку при этом теряются многие преимущества ДКК.
На ДКК могут наноситься различные огнезащитные покрытия. Как отмечено в «Руководствах» [13,14], такие покрытия подразделяются на: - лаки, образующие на защищаемой поверхности тонкую прозрачную пленку, позволяющую сохранить текстуру древесины и обладающую декоративными свойствами; - краски, эмали, образующие на защищаемой поверхности тонкий непрозрачный слой различных цветов и оттенков, придающих декоративный вид; - пасты, обмазки, наносимые на защищаемые поверхности составы пастообразной консистенции, отличающиеся от красок большей толщиной покрытия и не обладающие достаточными декоративными свойствами.
Пасты и обмазки редко сертифицируются и рекомендуются для древесины. Попытки использования таких материалов (например, жидкостеколь-ных - ЭСМА, ОФПМ-12) для защиты деревянных конструкций показали, что необходимо нанесение слоя таких материалов значительной толщины, и эксплуатироваться они могут только в сухих, отапливаемых помещениях в тех случаях, когда отсутствуют требования к внешнему виду конструкций. Это относится также к современным материалам на основе цемента (СОТЕРМ-1М) и других минеральных вяжущих (ПЕНОКС).
Более предпочтительным признано нанесение на ДКК лакокрасочных вспучивающиеся покрытий. Огнезащитный эффект от их применения связан с образованием при нагреве вспученного слоя, обеспечивающего термическое сопротивление поступлению теплового потока в защищаемую конструкцию. Ранее для защиты ДКК использовались покрытия ОФП-9 [11] и ВПД [12], однако они не отличаются высокой эффективностью и большого распространения не получили. Более эффективным было использование вспучивающегося лака ЛПД-83 [16-18].
В качестве примера современных сертифицированных вспучивающихся красок можно назвать ОГРАКС-В-СК, Эврика, Кроз-АК-151. Наибольший интерес для проектировщиков представляют прозрачные покрытия - лаки, поскольку они обеспечивают естественный и эстетичный внешний вид конструкций из древесины. Типичными представителями вспучивающихся лаков являются ПРОТЕРМ ВУД, Латик, Нортекс-лак-огнезащита, Unitherm AWR, а также недавно разработанный материал ФЕНИКС ДП.
Результаты исследований на установке лучистого нагрева
По изложенной методике проведена серия испытаний образцов из древесины со вспучивающейся огнезащитой, а также без нее. Испытывались лаки ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, выбранные в качестве основного объекта исследований. Всего было проведено 5 экспериментов с покрытием ПРОТЕРМ ВУД, 3 эксперимента с покрытием ФЕНИКС ДП, а также 4 - без огнезащиты. Типичные температурные кривые, полученные для образцов без огнезащиты, приведены на рис. 2.6. Типичные кривые, полученные для образцов с покрытием ПРОТЕРМ ВУД, представлены на рис. 2.7, а с покрытием ФЕНИКС ДП - на рис. 2.8.
Проведено также по 3 испытания огнезащитных покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, нанесенных на стальные пластины. Типичные данные по изменению во времени температуры стальных пластин, полученные при этих испытаниях, представлены на рис. 2.9.
Испытания проводились при значениях плотности теплового потока, поступающего к поверхности образцов от 40 до 90 кВт/м2. Его значение в большей части экспериментов составляло 55 кВт/м , поскольку такой уровень потока задается для воспроизведения реальных условий теплового воздействия [75, 76].
В большинстве опытов фиксировалась динамика изменения толщины вспученного слоя покрытий. Типичные зависимости от времени толщины вспученного слоя покрытий в процессе испытаний представлены на рис. 2.10. Они получены в процессе тех же экспериментов, результаты которых приведены на рис. 2.7,2.8.
Динамика изменения температуры на границе образец-покрытие свидетельствует о том, что интенсивное вспучивание исследуемых покрытий начинается при температуре порядка 130С, т.е. при температуре приблизительно на 100 градусов меньше, чем для большинства известных вспучивающихся огнезащитных материалов.
Визуальные наблюдения в ходе испытаний показали следующее. При испытаниях образцов без огнезащиты на второй-третьей минуте наблюдалось воспламенение и последующее горение древесины. При испытаниях образцов с покрытиями ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП их вспучивание начиналось на 20-30 с от начала теплового воздействия. По мере нагрева образовывался относительно однородный и ровный вспученный слой. После интенсивного роста его толщины достигался максимум, после чего толщина слоя во всех опытах уменьшалась (см. рис. 2.10). Максимальная толщина вспученного слоя достигалась на 4-6 мин. Она зависела от толщины покрытия и величины теплового потока. Установлено, что максимальная толщина вспученного слоя превышала в 100-120 раз начальную толщину покрытий. В экс-периментах при тепловом потоке около 55 кВт/м после достижения максимальной толщины вспученного слоя фиксировалось ее уменьшение. Такое уменьшение толщины происходило в виде усадки и поверхностного уноса. При тепловом потоке 90 кВт/м фиксировался значительный поверхностный унос, который, как известно, объясняется химическим взаимодействием углерода поверхностного слоя с окисляющими компонентами окружающей газовой среды [54, 75, 76]. Воспламенение древесины наблюдалось по прошествии значительного времени после начала экспериментов и происходило после существенного уменьшения толщины вспученного слоя.
Испытания, проведенные при относительно низком уровне теплового потока (40 кВт/м2) показали, что толщина вспученного слоя приблизительно в 120 раз превысила начальную толщину исследуемых покрытий. Поверхностный унос при этом практически отсутствовал. Для исследуемых покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП получены близкие результаты по параметрам вспучивания. Температура защищаемых образцов в сопоставимых уело виях при использовании покрытия ФЕНИКС ДП была несколько ниже, что свидетельствует о большей его эффективности по сравнению с ПРОТЕРМ ВУД. Анализ полученных результатов показал, что для получения одинакового уровня нагрева образцов толщина покрытия ПРОТЕРМ ВУД должна быть на 15-20% выше, чем толщина покрытия ФЕНИКС ДП.
Визуальный осмотр состояния клееных и неклееных образцов в процессе и после испытаний не выявил существенных отличий внешнего вида и структуры обугленного слоя древесины. Не выявлено также существенных отличий в результатах измерения температуры по толщине образцов при испытаниях, проведенных при одинаковой величине теплового потока. Отличия в показаниях термопар не превышали 9%.
На рис. 2.11 представлены типичные зависимости глубины обугливания древесины (глубины прогрева до температуры 300) от времени теплового воздействия для образцов без огнезащиты и с исследуемыми покрытиями. Характер кривых свидетельствует о том, что скорость обугливания не является постоянной, а уменьшается в процессе нагрева. Графики наглядно показывают, насколько увеличивается время до начала обугливания при использовании покрытий, а также насколько уменьшается скорость обугливания древесины. Даже у образца с покрытием ФЕНИКС ДП, испытанного при значительно большем уровне теплового потока (кривая 2 на рис. 2.11), она оказалась ниже, чем у образца без огнезащиты.
Определение характеристик материалов и экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов
С помощью перечисленных методик и программ [59-61] проведена большая серия теплотехнических расчетов ДКК с типичными представителями всех групп используемых на практике средств огнезащиты. Предметом теоретических исследований являлись современные средства огнезащиты, перечисленные в параграфе 1.1, которые (кроме снижения пожарной опасности древесины) могут снизить класс пожарной опасности ДКК и увеличить предел их огнестойкости. К таким средствам относятся негорючие плитные материалы и различные огнезащитные покрытия.
Рассматривались плитные материалы на основе минеральных вяжущих и волокнистые плиты. Типичными представителями плитных огнезащитных материалов являются вермикулитовые плиты ПВТН и силикатные плиты Рго-matect-H на основе минеральных вяжущих (жидкостекольного в первом случае и цементного во втором). Из волокнистых огнезащитных материалов рассматривались базальтоволокнистые плиты ПНТБ и минераловатные плиты CONLIT-150.
Типичным представителем современных огнезащитных покрытий, наносимых в виде обмазок и штукатурок, является покрытие СОТЕРМ-1М (на основе минерального цементного вяжущего). Представители вспучивающихся покрытий, наносимых в виде красок и эмалей - ОГРАКС-В-СК (на органи ческой основе) и ОСП-1 (на основе минерального жидкостекольного вяжущего). Как отмечалось неоднократно, наибольший интерес для защиты ДКК представляют прозрачные вспучивающие покрытия - лаки, типичными представителями которых являются ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП (на органической основе). Они выбраны в качестве основного объекта не только экспериментальных, но и теоретических исследований.
Выбор методики расчетов для каждого из перечисленных материалов проводился с учетом физико-химических особенностей их поведения при нагреве. В соответствии с этим при теплотехнических расчетах ДКК, защищенных вспучивающимися покрытиями (ПРОТЕРМ ВУД, ФЕНИКС ДП, ОГ-РАКС-В-СК), использовался программный комплекс для расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях со вспучивающейся огнезащитой на органической основе (ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВУ-1) [59]. При расчетах ДКК, защищенных вермикулитовыми плитами ПВТН, плитами Рго-matect-H или покрытием СОТЕРМ-1, применялся ПК, разработанный для конструкций с водосодержащей огнезащитой на неорганической основе (ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВН.1) [60]. Для расчетов конструкций с покрытием ОСП-1 применялась методика и программа ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВН.2, описанная в работе [57], сочетающая в себе элементы программ [59, 60]. При расчетах нестационарных температурных полей в ДКК, защищенных негорючими плитными материалами (базальтоволокнистые плиты ПНТБ, мине-раловатные плиты CONLIT-150) использовали ПК для расчетов нестационарных двумерных температурных полей в конструкциях с огнезащитой из пористых или волокнистых материалов (ОГНЕЗАЩИТА. Версия 2Т) [61].
Исходные данные по характеристикам большинства из перечисленных материалов, необходимые для расчетов, брались из публикаций разработчиков методик [54-61]. Данные по комплексу характеристик базальтоволокни-стых плит ПНТБ содержатся в работе [80], вермикулитовых плит ПВТН - в работе [81], покрытия СОТЕРМ-1 М - в работе [82]. Характеристики некоторых материалов определены разработчиками методик [54-61], но публикации по ним в научно-технической литературе отсутствуют. Эти характеристики были определены, как в указанных выше работах, и приведены в проектах огнезащиты строительных конструкций из стали и железобетона, подготовленных для ряда объектов. Они использовались при проведении теплотехнических расчетов и определении проектных толщин огнезащиты. Характеристики покрытия ОГРАКС-В-СК приведены в проекте [83], а плит Promatect-Н - в проекте [84].
Дополнительно к перечисленным выше, автором диссертации были определены характеристики не исследованных ранее вспучивающихся лаков ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, а также минераловатных плит CONLIT-150. Искомые параметры вспучивающихся покрытий определялись по аналогии с работами [75, 76] с использованием результатов экспериментальных исследований, приведенных в разделах 2.2, 2.4 и опубликованных в работах [78, 79].
Перечень и порядок определения комплекса характеристик вспучивающихся покрытий, необходимых для проведения расчетов, представлен в [54, 57]. Большая их часть приведена в табл. 3.1, 3.2 (обозначения перечисленных параметров есть в предыдущем параграфе). Эти характеристики для обоих исследуемых покрытий принимались такими же, как у ранее исследованного покрытия ПРОТЕРМ СТИЛ [76] (кроме температур начала и окончания, а также кратности вспучивания, значения которых характерны именно для рассматриваемых покрытий).
Реализация рекомендаций по доработке методики и установки для определения класса пожарной опасности ДКК со вспучивающейся огнезащитой
Значимость представленных в работе результатов огневых испытаний ДКК, защищенных вспучивающимися лаками ФЕНИКС ДП и ПРОТЕРМ ВУД, обусловлена тем, что они впервые продемонстрировали возможность и целесообразность применения таких материалов для выполнения требований СНиП 21-01 по классу пожарной опасности конструкций из древесины. Экспериментально доказано соответствие ДКК показателям К0(30) и К 1(45) при нанесении на их поверхность лака ПРОТЕРМ ВУД толщиной 1,1 мм и К0(30) при нанесении лака ФЕНИКС ДП толщиной 0,6 мм [77-79]. Следует отметить, что ранее для деревоклееных конструкций со вспучивающимися покрытиями прогнозировалось получение класса пожарной опасности К1(15) [4]. Считалось, что для существенного увеличения пределов огнестойкости и снижения класса пожарной опасности ДКК должны применяться такие неестественные для них средства огнезащиты, как плитные негорючие материалы или обмазки (штукатурки), имеющие относительно большую толщину. Это, естественно, ограничивало возможности применение ДКК в строительстве.
В ходе экспериментальных исследований установлена необходимость доработки методики испытаний по ГОСТ 30403 для испытаний ДКК со вспучивающейся огнезащитой. Были подготовлены и реализованы рекомендации по изменению методики и конструкции установки с целью обеспечения постоянной величины сечения проема между обогреваемой поверхностью испытываемого образца и торцом перекрытия печи. Целесообразность изменения методики испытаний выявлена на начальном этапе исследований и подтверждена экспериментально при последующих огневых испытаниях деревоклееных панелей.
Продемонстрирована возможность прогнозирования результатов испытаний, проводимых по ГОСТ 30403, и возможность их переноса на другие условия, отличающиеся от исходных временем теплового воздействия, толщинами огнезащиты и пр. В качестве инструмента для такого переноса была применена методика теплотехнических расчетов, изложенная в главе 3. Это можно показать на следующих примерах.
После экспериментальной проверки методики теплотехнических расчетов ДКК с покрытием ПРОТЕРМ ВУД (см. рис. 3.6, 3.7) проводилось ма тематическое моделирование для оценки минимальной толщины покрытия, при которой может быть достигнут показатель К0(30). Получено, что при температурном режиме в огневой камере, соответствующем стандартному, показатель К0(30) может быть достигнут при толщине покрытия ПРОТЕРМ ВУД около 0,7 мм.
Однако для третьего огневого испытания деревоклееной панели со вспучивающейся огнезащитой был выбран материал ФЕНИКС ДП. Целесообразность его использования была обусловлена более высокой эффективностью, которую продемонстрировал данный материал при испытаниях на установке лучистого нагрева по сравнению с ранее исследованным покрытием ПРОТЕРМ ВУД. Расчеты, проведенные с учетом отмеченного отличия в характеристиках этих покрытий показали, что класс пожарной опасности деревоклееной панели КО(ЗО) можно получить при использовании покрытия ФЕНИКС ДП толщиной порядка 0,6 мм. Такая толщина покрытия ФЕНИКС ДП была назначена для третьего огневого испытания деревоклееной панели. В ходе этого испытания была подтверждена обоснованность назначения такой толщины огнезащиты (см. раздел 2.4).
Как отмечалось выше (раздел 2.4), по результатам второго огневого испытания ДКК с покрытием ПРОТЕРМ ВУД толщиной 1,1 мм был сделан вывод о достижении показателей по конструктивной пожарной опасности К0(30) и К 1(45). Получение показателя К 1(45) стало возможным, поскольку в данном эксперименте время теплового воздействия составило 45 мин. Математическое моделирование позволяет прогнозировать получение показателя К 1(45) даже в том случае, если бы время теплового воздействия в данном опыте составило 30 мин (как в третьем испытании).
Одним из преимуществ такого моделирования является возможность учета особенностей каждого испытания, включая конкретный температурный режим, реализованный в огневой камере установки. Подобным образом может осуществляться прогнозирование класса пожарной опасности ДКК с другими видами огнезащиты.
