Содержание к диссертации
Введение
Анализ теоретических и экспериментальных работ в области снижения пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Особенности строения, химического состава и свойства древесины длительного естественного старения
Влияние длительного срока эксплуатации на пожарную опасность древесины
Нормативные требования к пожарной опасности древесины, материалов и конструкций на ее основе, а также к их огнезащите
Основные способы снижения пожарной опасности древесины, материалов и конструкций на ее основе
Цель и задачи исследования
Выводы по первой главе.
Объекты и методы исследования
Объекты исследования
Методы исследования
Выводы по второй главе.
Пожарная опасность деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Исследование особенностей термического (пиролиз) и термоокислительного разложения древесины длительного естественного старения
Пожарная опасность древесины и деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Низшая теплота сгорания, воспламеняемость и дымообразующая способность древесины длительного естественного старения
Влияние длительного срока эксплуатации на пожарную опасность деревянных конструкций Выводы по третьей главе.
Разработка и применение огнебиозащитных составов для повышения класса пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Обоснование выбора огнебиозащитных составов для повышения класса пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Эффективность огнебиозащитных составов в снижении пожарной опасности древесины и деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Низшая теплота сгорания, воспламеняемость и дымообразующая способность древесины длительного естественного старения с огнезащитой
Исследование пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации с огнезащитой
Выводы по четвертой главе.
Заключение Список литературы
- Нормативные требования к пожарной опасности древесины, материалов и конструкций на ее основе, а также к их огнезащите
- Методы исследования
- Низшая теплота сгорания, воспламеняемость и дымообразующая способность древесины длительного естественного старения
- Эффективность огнебиозащитных составов в снижении пожарной опасности древесины и деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современное строительство в мире ознаменовано бурными темпами развития с применением различных композиционных материалов и конструкций индустриального назначения. Особое место в сфере строительства по своей популярности и эксплуатационным характеристикам занимают деревянные конструкции (ДК). Им присущи уникальные физико-механические показатели, природная эстетичность, повышенная устойчивость к воздействию агрессивных сред и длительный срок эксплуатации. Наибольшее применение в строительстве имеют хвойные породы древесины до 85 – 90 %, такие как сосна, ель, лиственница. Долговечность ДК зависит от многих внешних и внутренних факторов, среди которых наиболее важными являются условия и длительность воздействия внешней среды.
Продолжительность эксплуатации жилых и общественных зданий с использованием несущих и ограждающих ДК устанавливается нормативно-техническими документами и варьируется в среднем от 30 до 100 лет. Как показывает практика, благодаря повышенной устойчивости ДК к воздействию окружающей среды и их удовлетворительному техническому состоянию, эти здания и сооружения имеют более длительный период эксплуатации. Наиболее представительное количество этих объектов относятся к зданиям жилого и общественного назначения со сроком эксплуатации в пределах от 30 до 200 лет. Среди них имеются многочисленные объекты культурного наследия такие как, например: дом – музей Островского А.Н. (г. Москва, 1820 года постройки), храм Тихона Задонского (г. Москва, 1862 года постройки), усадьба Некрасова Г.П. (г. Красноярск, 1904 год постройки) и многие другие. Важность сохранения этих объектов в Российской Федерации определена Федеральным законом № 73-ФЗ от 25.06.2002 года. По этой причине большую значимость имеет экспертная оценка технического состояния зданий и сооружений с применением ДК, а также проведение системных исследований, направленных на повышение их долговечности и пожарной безопасности с учетом особенностей эксплуатации и реконструкции этих объектов.
Степень разработанности темы исследования. Анализ результатов проведенных исследований свидетельствует о значительном изменении физико-химических и пожароопасных свойств древесины в результате длительной эксплуатации ДК. Большой вклад в изучение пожароопасных свойств древесины длительного естественного старения внесли такие ученые как: Альменбаев М.М., Асеева Р.М., Дегтярев Р.В., Нагановский Ю.К., Пищик И.И., Покровская Е.Н., Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Тарасов Н.И. и другие. В этих работах авторами были исследованы особенности термической устойчивости древесины длительного естественного старения на сравнительно небольших образцах с размерами ограниченными конкретной методикой огневых испытаний, а также их пожароопасные свойства. Для полноценных деревянных конструкций оценивалось влияние длительного срока эксплуатации только на их огнестойкость (диссертация
Макишева Ж.К., 2016 г.). Эти исследования были проведены в условиях
стандартного температурного режима пожара. Кроме этого, оценивалось
влияние длительного естественного старения древесины на ее
механическую прочность при нагревании, а также на величину скорости обугливания. Исследования влияния длительного срока эксплуатации на класс пожарной опасности ДК, а также на эффективность огнезащиты до настоящего времени не проводились. Если перспективы повышения класса пожарной опасности древесины и ДК с помощью вспучивающихся покрытий не вызывают сомнений, то возможность применения для этих целей огнебиозащитных пропиточных составов, как наиболее приемлемых для древесины, требует специального изучения. Кроме этого, не установлены величина теплового эффекта и возможная степень термического повреждения ДК длительного срока эксплуатации при пожаре, что необходимо для оценки динамики его развития и разработки соответствующих технических решений. Это направление приобретает особую актуальность в соответствии с СП 64.13330-2011. В этом плане следует воспользоваться результатами исследований эффективности и механизмов действия огнезащитных пропиточных составов в отношении современных образцов древесины, материалов и конструкций на ее основе, представленных в работах таких отечественных и зарубежных ученых, как: Балакин В.М., Бирюков В.Г., Горшин С.Н., Еремина Т.Ю., Кодолов В.И., Максименко С.А., Леонович А.А., Покровская Е.Н., Романенков И.Г., Таубкин С.И., Тычино Н.А., Харитонов В.С., Хрулев В.М., H.L. Vandersall, G.A. Pearson, J.A. Dyer и многих других.
Важной является разработка общих подходов и стратегии повышения класса пожарной опасности ДК длительного срока эксплуатации с учетом особенностей их поведения в условиях пожара в связи со значительными изменениями в химическом составе древесины длительного естественного старения, а также ее морфологической структуры. При этом, одной из главных научных задач в этом направлении является установление способности огнебиозащитных составов оказывать влияние на процесс формирования угольного слоя, глубину и скорость обугливания деревянных конструкций, являющихся ключевыми параметрами при оценке, как степени термического повреждения ДК, так и предела их огнестойкости. Отсутствие исследований в этом направлении определяют актуальность настоящей диссертационной работы.
В работе принята научная концепция исследования, согласно
которой повышение класса пожарной опасности ДК длительного срока
эксплуатации путем применения огнебиозащитных составов должно
достигаться их способностью оказывать влияние на особенности
формирования структуры угольного слоя, его окислительную и
теплотворную способность, что в целом позволит повысить термическую устойчивость и целостность конструкций в условиях продолжительного пожара.
Целью диссертационной работы является повышение класса пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока
эксплуатации с учетом особенностей их поведения в условиях пожара путем разработки и применения огнебиозащитных пропиточных составов.
Указанная цель предопределила следующие задачи исследования:
провести поисковую работу по отбору образцов деревянных конструкций длительного срока эксплуатации (до 200 лет) без механического и биологического разрушения на объектах, расположенных в одном климатическом регионе;
выявить особенности термической устойчивости и пожарной опасности древесины длительного естественного старения с учетом процесса ее обугливания, структуры и свойств образующегося угольного остатка;
- установить величину теплового эффекта и степени термического
повреждения ДК длительного срока эксплуатации в условиях стандартного
температурного воздействия по ГОСТ 30403-2012;
- научно обосновать стратегию и подходы разработки
огнебиозащитных составов для ДК длительного срока эксплуатации с учетом
особенностей их поведения в условиях пожара;
- разработать эффективные огнебиозащитные пропиточные составы,
позволяющие повысить класс пожарной опасности деревянных конструкций
длительного срока эксплуатации с проведением комплексных исследований
их эффективности и механизма огнезащитного действия.
Объектами исследования являются материалы и конструкции из древесины сосны различного срока эксплуатации, огнебиозащитные пропиточные составы.
Предмет исследования: пожарная опасность ДК длительного срока
эксплуатации, эффективность огнебиозащитных составов в повышении
класса пожарной опасности ДК длительного срока эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые для деревянных конструкций длительного срока
эксплуатации обнаружено повышение теплового эффекта (прирост
температуры выше на 50 С на всем протяжении эксперимента), а также
значительная степень термического повреждения ДК (в 1,7 раза выше) по
сравнению с современными конструкциями из древесины;
- показано, что выявленные особенности поведения ДК длительного
срока эксплуатации тесно взаимосвязаны с величиной теплового эффекта,
скорости и теплоты окисления образующегося угольного слоя. Доказано, что
повышенная окислительная способность угля и высокое значение теплового
эффекта при огневом испытании ДК длительного срока эксплуатации
обусловлены более развитой и открытой внутренней поверхностью
угольного слоя по сравнению с образцом современной деревянной
конструкции;
- разработаны подходы и общая стратегия выбора веществ и
соединений для разработки огнезащитных составов, способных повышать
класс пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока
эксплуатации;
- исследованы особенности процесса термического (пиролиза) и
термоокислительного разложения древесины длительного естественного
старения с огнебиозащитными составами в широком диапазоне температур с установлением основных параметров, определяющих пожарную опасность ДК длительного срока эксплуатации;
- разработаны огнебиозащитные составы, способные оказывать
влияние на особенности образования угольного остатка, его структуру и
свойства, снижать тепловой эффект (снижение температуры на 20 – 80 С) на
всем протяжении эксперимента и скорость обугливания ДК (в 1,07 – 1,29
раза), а также повысить устойчивость конструкций к воспламеняемости в 1,4
– 1,8 раза в условиях огневых испытаний по ГОСТ 30403-2012.
Теоретическая и практическая значимость работы:
результаты исследования особенностей термического (пиролиз) и термоокислительного разложения древесины различного срока эксплуатации, в том числе с огнебиозащитой, могут быть использованы для прогнозной оценки пожарной опасности материалов и конструкций из древесины на объектах строительства, в том числе имеющих культурно-историческое значение;
полученный комплекс экспериментальных значений показателей пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации, в том числе в присутствии огнебиозащитных составов, необходим для моделирования динамики развития опасных факторов пожара в зданиях и сооружениях, расчетной оценки предела огнестойкости ДК, а также оценке величины противопожарных разрывов между объектами различных степеней огнестойкости;
предложенные подходы и стратегия разработки огнебиозащитных составов для конструкций из древесины сосны длительного срока эксплуатации могут быть использованы для снижения пожарной опасности конструкций из других основных пород и видов древесины;
- установлена возможность повышения класса пожарной опасности ДК
длительного срока эксплуатации до класса К2(15) путем применения
огнебиозащитных пропиточных составов. Составы позволяют снизить
значения скоростей обугливания конструкций, что должно сказаться на
повышении их огнестойкости;
- разработанные огнебиозащитные составы были использованы для
снижения пожарной опасности ДК длительного срока эксплуатации на
объектах, расположенных в Белгородской и Ярославской областях.
Практическая реализация результатов работы:
- разработанные огнебиозащитные пропиточные составы для
деревянных конструкций в 2016 году были внедрены в промышленное
производство ООО «Эгида ПТВ»;
- результаты диссертационного исследования были использованы при
проведении работ по огнебиозащите деревянных конструкций длительного
срока эксплуатации Хохловского сельского Дома культуры, 1947 года
постройки (Белгородская область), а также музея «Борисоглебский край:
истории и традиции», 1913 года постройки (Ярославская область);
- полученные показатели пожарной опасности ДК различного срока
эксплуатации использованы при разработке рекомендаций по тушению
пожаров на объектах длительного срока эксплуатации;
- результаты исследования используются в Академии государственной
противопожарной службы МЧС России при чтении курса лекций по
дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре», при
написании учебно-методических материалов, а также использованы при
подготовке учебного пособия по данной дисциплине.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы использовался комплекс стандартных физико-химических и пожарно-технических методов, в том числе метод по оценке класса пожарной опасности строительных конструкций по ГОСТ 30403-2012.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность представленных результатов подтверждается использованием стандартных методов исследования и методов огневых испытаний в аккредитованных лабораториях Академии ГПС МЧС России, лаборатории ИСиС и АНО по сертификации «Электросерт», зарегистрированного программного комплекса «ANSYS R17.0 Academic», значительным объемом экспериментальных результатов с применением современных методов их обработки и метрологически аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры.
Основные результаты работы доложены на: VI международной
научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной
безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций»,
Кокшетауский технический институт МЧС Республики Казахстан, г.
Кокшетау, Республика Казахстан, (2015 г.), международной научно-
практической конференции «Молодые исследователи – регионам». –
Вологда, Вологодский государственный университет, (2016 г.); VII
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы
пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных
ситуаций», Кокшетауский технический институт МЧС Республики
Казахстан, г. Кокшетау, Республика Казахстан, (2016 г.); I международной
научно-технической конференции «Современные проблемы биологического
и технического древесиноведения». – Йошкар-Ола, Приволжский
государственный технологический университет (2016 г.); VII международной
научно-технической конференции «Перспективные полимерные
композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология. (Композит – 2016)». – Энгельс, СГТУ им. Гагарина Ю.А., (2016 г.); 25 международной научно-технической конференции «Системы безопасности – 2016». – М.: Академия ГПС МЧС России (2016 г.); 5 международной научно-практической конференции «Ройтмановские чтения». – М.: Академия ГПС МЧС России (2017 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
- комплекс показателей пожарной опасности древесины длительного
естественного старения, в том числе с огнезащитой (низшая теплота полного
сгорания, воспламеняемость, массовая скорость выгорания,
дымообразующая способность в зависимости от интенсивности внешнего
огневого воздействия) и деревянных конструкций длительного срока эксплуатации;
особенности термического (пиролиз) и термоокислительного разложения образцов древесины длительного срока эксплуатации, в том числе с огнебиозащитными составами, в широком интервале температур;
обоснование выбора веществ и соединений для разработки огнебиозащитных пропиточных композиций, способных повысить класс пожарной опасности ДК длительного срока эксплуатации, а также снизить значения скоростей их обугливания;
- результаты исследования эффективности и механизма действия
разработанных огнебиозащитных составов в повышении класса пожарной
опасности ДК длительного срока эксплуатации, их влияние на свойства и
структуру образующегося угольного слоя, а также параметры обугливания в
условиях стандартного температурного режима пожара.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде 14 научных публикаций, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 154 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 24 таблицы.
Нормативные требования к пожарной опасности древесины, материалов и конструкций на ее основе, а также к их огнезащите
Древесина – древнейший конструкционный материал, используемый в строительстве. Древесина состоит из органических и неорганических веществ. Одним из основных компонентов, входящих в состав древесины (в среднем для различных пород древесины 50 %) является целлюлоза – природный высокомолекулярный полимер (полисахарид). Целлюлоза не растворима в воде, имеет большую механическую прочность и химическую устойчивость. Одним из наиболее значимых компонентов в отношении свойств древесины является лигнин, имеющий ароматическую природу. Состав лигнина в древесном веществе в зависимости от породы древесины и места прорастания варьируется от 23 до 33 % для хвойных пород. Порядка 10 – 30 % в древесине занимает гемицеллюлоза, состоящая преимущественно из сложных линейных олигосахаридов [1, 2]. Элементный состав древесины лиственных и хвойных пород примерно идентичен и включает в себя: углерод, кислород, водород, азот и минеральные вещества (С 50 %; О2 42,6 %; Н2 6,4 %; N2 1 %).
В древесине, которая является материалом природного происхождения, под влиянием факторов внешней окружающей среды могут происходить различные внутренние физико-химические изменения, характер и степень которых зависит от множества факторов, обусловленных условиями и продолжительности эксплуатации того или иного элемента, вида и породы древесины, условий ее произрастания и т.д. [3]. Изучению химического состава древесины посвящены работы многих российских и зарубежных ученых, таких как: Никитин Н.И., Шарков В.И., Куйбина Н.И., Покровская Е.Н., Швальбе Г., Уайз Луис Э., Эдвин Джан С. и другие. Так, например, весомый вклад в исследование изменений химического состава древесины в зависимости от возраста внес Швальбе Г., которым было обнаружено, что с возрастом количество целлюлозы в сосне незначительно снижается, а содержание лигнина увеличивается [4].
В условиях длительной эксплуатации в древесине происходят значительные физико-химические изменения [5]. Под руководством профессора Покровской Е.Н. было установлено возрастание энергии и энтропии активации процессов старения древесины в период эксплуатации 150 – 200 лет, в результате этого происходит замедление любых химических процессов, включая деструкцию [6].
В соответствии с работой [7] выделяются следующие основные разрушающие факторы, действующие на конструкции в процессе их эксплуатации: - термические; - механические (метеорологическое, сейсмическое, вибрационное воздействие и др.); - электромагнитные; - химические; - биологические.
Важную роль играет соблюдение технологий строительства и условий эксплуатации. Одной из наиболее серьезных угроз, обуславливающих быстрое старение древесины, является воздействие различного рода микробиологических организмов. Это приводит к значительному ухудшению эксплуатационных показателей деревянных конструкций, в том числе механических характеристик. Так, например, известно, что дереворазрушитель Serpula Lacrymans (домовой гриб) способен привести деревянную постройку в аварийное состояние в течение нескольких лет [8]. Большинство исследователей отмечают, что в среднем скорость разрушения древесины характеризуется на уровне от 1 до 6 – 7 мм/100 лет [9]. Наибольшему повреждению подвержены внешние конструкции, имеющие непосредственный контакт с атмосферными осадками, землей, подверженные перепадам температур. В этом плане большую актуальность приобретает вопрос обеспечения биологической устойчивости деревянных конструкций в условиях длительной эксплуатации. Этому направлению посвящено достаточно большое количество работ. В СССР значительные успехи были достигнуты благодаря фундаментальным исследованиям ученых Сенежской лаборатории консервации древесины (г. Солнечногорск, Московская область). Это такие ученые, как Миллер В.В., Вакин А.Т., Горшин С.Н., Максименко Н.А. и другие.
Основы обеспечения долговечности памятников деревянного зодчества с использованием элементоорганических соединений были заложены профессором Покровской Е.Н. и ее учениками [6]. Значительное влияние на свойства древесины оказывает и воздействие электромагнитного излучения, поскольку для инициации фотохимических реакций древесина способна поглощать излучение в широком спектре, однако на развитие эрозии наибольшее влияние оказывают УФ и ИК излучение. При этом по данным работ [26, 27] 80 – 95 % УФ излучения поглощается лигнином, 5 – 20 % углеводной частью и примерно 2 % экстрактивными веществами. Солнечная радиация действует, в первую очередь, на связи C=C и С=О целлюлозы и лигнина, что приводит к их диссоциации и окрашиванию древесины в темный цвет. Наиболее интенсивно под действием солнечного света происходит разрушение лигнина. Глубина таких повреждений обычно не превышает 2 – 3 мм [10], а общее снижение содержания основных химических компонентов, на примере древесины ели с выдержкой 500 лет, составляет около 2 % [11].
Методы исследования
Ранее для ДКК с огнезащитными покрытиями интумесцентного типа рассматривалась возможность получения класса пожарной опасности К1(15). Более высокие показатели по пределам огнестойкости и классу пожарной опасности деревянных конструкций можно было получить только применением конструктивной огнезащиты, плитных или рулонных материалов, а также толстослойных огнезащитных покрытий
Необходимо отметить, что применение вспучивающихся покрытий, как правило, решает только проблему повышения огнестойкости и снижения пожарной опасности ДК, но не обеспечивает эффективную биостойкость конструкциям из древесины. Воздействие этого чрезвычайно важного деструктивного фактора может привести к значительному снижению механических характеристик конструкций и термической их устойчивости в условиях пожара. Влияние этого фактора на пожароопасные характеристики ДК фактически не изучено.
В работе [143] для повышения класса пожарной опасности ограждающей деревянной конструкции был использован способ глубокой пропитки составом «КСД-А» (марка 1), обладающим в отношении древесины огнебиозащитными свойствами. По результатам исследования показано, что для получения класса пожарной опасности деревянных конструкций К1(15) необходимо обеспечить привес сухих солей антипиренов не менее 40 кг/м3 в условиях автоклавной пропитки составом «КСД-А» (марка 1). Учитывая трудоемкость проведения глубокой пропитки деревянных конструкций в автоклаве, а также неоднозначность влияния данного способа пропитки на механические и теплофизические характеристики конструкций, приобретают актуальность исследования возможности повышения класса пожарной опасности ДК путем применения пропиточных огнебиозащитных составов. До настоящего времени не изучена эффективность огнезащитных пропиточных составов в снижении теплового эффекта и степени термического повреждения деревянных конструкций, а также параметров их обугливания. При использовании огнезащитных составов для снижения пожарной опасности ДК также должно учитываться обеспечение требуемых показателей по огнестойкости в зданиях и сооружениях.
Вместе с тем, в нормативных документах в области пожарной безопасности предписана необходимость применения различных видов огнезащитных средств для обеспечения требуемых показателей по огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций. Так, например, в ст. 58 [87] указано, что «огнестойкость и класс пожарной опасности строительных конструкций должны обеспечиваться за счет их конструктивных решений, применения соответствующих строительных материалов, а также использования средств огнезащиты, а в документе [101] в приложении К говориться о том, что «………снижение пожарной опасности (повышение класса пожарной опасности до К0, К1, или К2) элементов конструкции из древесины возможно только путем применения средств огнезащиты. Некоторые из таких средств огнезащиты, особенно конструктивные, могут увеличивать предел огнестойкости конструкций».
В научной литературе отсутствует информация о взаимосвязи качественных показателей огнезащиты с их способностью повышать класс пожарной опасности и предел огнестойкости ДК с учетом срока эксплуатации конструкций.
Немногочисленные работы [131, 132], посвященные огнезащите древесины, эксплуатирующейся в течение длительного времени, рассматривают применение конкретных огнезащитных систем, доказавших свою эффективность для современной древесины. Так в работе [131] сотрудниками Белорусского государственного технологического университета под руководством Н.А. Тычино, на примере конструкций построек музея «Берестье» (XIII в.) проведено исследование эффективности различных огнезащитных систем (СПАД, ОК- ГФМ, ФАХ) по отношению к
археологической древесине. Поведение древесины в условиях огневого воздействия исследовалось с помощью прибора «Керамическая труба». Результаты исследования зажигания и самостоятельного горения современной необработанной и археологической необработанной древесины сосны показывают в среднем меньшие температуры отходящих газов при равной потере массы образцов 97 – 98 %. Плотность теплового потока для современной и археологической древесины составляла соответственно 445 и 335 кг/м3. В результате проведенных исследований было установлено, что при введении азота и фосфора уменьшается содержание углерода в поверхностных слоях древесины, таким образом, снижается горючая составляющая и увеличивается огнезащитная эффективность. Наибольший эффект огнезащиты достигается при снижении углерода до 11 – 12 %. Огнезащитный состав СПАД покрывает древесину пленкой и частично обеспечивает капиллярную пропитку, состав ОК-ГФМ наоборот в основном капиллярно проникает в поверхностные слои древесины и незначительно находится на поверхности древесины. При данных исследованиях производился срез стружки археологической древесины до 1 мм.
Полученные данные, однако, не позволяют делать каких-либо выводов об эффективности и механизме огнезащитного действия средств огнезащиты в снижении пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации, а также в их способности оказывать влияние на особенности поведения конструкций в условиях пожара.
В работе [132] фактически приводится подтверждение эффективности одного сертифицированного огнезащитного средства [133] для целей огнебиозащиты древесины. Результатов экспериментального определения показателей пожарной опасности образцов древесины длительного естественного старения обработанной данным огнезащитным составом и сравнения с результатами исследования эффективностей других составов в работе не приводится.
Низшая теплота сгорания, воспламеняемость и дымообразующая способность древесины длительного естественного старения
Термический распад древесной субстанции в условиях высокотемпературного воздействия или пожара является сложным физико химическим процессом. Изучению термического (пиролиз) и термоокислительного разложения древесины и ее компонентов было посвящено достаточно большое количество теоретических и экспериментальных работ [5, 42]. Этому способствовало развитие научных представлений о процессе горения твердых веществ и материалов органической природы.
Изменение термической стабильности древесины в результате ее длительной эксплуатации является доказанным. В мировой и отечественной практике неоднократно проводились исследования с целью установления зависимости кинетических параметров терморазложения древесины от времени ее эксплуатации [5, 6, 42, 50, 51, 60]. Так в работах [6, 50,51] было показано, что процессы старения, происходящие в древесине, во многом определяют ее термическую стабильность. Результаты исследований свидетельствуют о том, что наименьшая термоустойчивость древесины наблюдается до 100 лет и через 300 лет ее эксплуатации. Установлено, что в периоды времени 150 – 200 лет значительно возрастают энергия активации и энтропия активации, т.е. любые химические процессы, в том числе и термодеструкция, затрудняются [6].
В работе [60] методами термического анализа: термогравиметрия (ТГ), дифференциальная термогравиметрия (ДТГ), дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) проведены исследования термоокислительной деструкции древесины сосны различного срока эксплуатации (до 150 лет), а также окислительной и теплотворной способности образующегося угольного слоя. Установлено, что для древесины длительного естественного старения характерно более раннее протекание процесса обугливания по сравнению с образцами современной древесины, а также значительное изменение свойств и структуры образующегося угольного остатка. Выявленной важной особенностью процесса окисления угольного слоя древесины естественного старения является способность при меньших энергетических затратах, по сравнению с современной древесиной, к возникновению и протеканию окислительного процесса, имеющего ярко выраженный экзотермический характер.
Несмотря на ранее полученные результаты, в настоящее время остается актуальным проведение исследований особенностей термического и термоокислительного разложения образцов древесины со сроком эксплуатации более 150 лет, а также имеется необходимость в получении дополнительных экспериментальных данных для объектов из различных климатических регионов страны. Условия эксплуатации деревянных конструкций, характеризующиеся большой вариативностью деструктивных воздействий, во многом будут определять особенности термораспада древесного материала.
В связи с вышесказанным, в данном разделе необходимо установление особенностей термического и термоокислительного разложения древесины длительного естественного старения деревянных конструкций (до 200 лет) в зависимости от срока эксплуатации объектов, расположенных в одном климатическом регионе страны.
Термический анализ образцов древесины в атмосфере азота проводился с последующей сменой среды на воздушную при температуре 500 С со скоростью 20 град/мин. Напуск воздуха приводит к практически полной потере массы образцов с высокой скоростью (рисунок 3.1). ЗО При рассмотрении ТГ и ДТГ кривых разложения образцов современной и естественно состаренной древесины можно отметить наличие двух основных областей разложения: низкотемпературной (140 – 400 С) и высокотемпературной (выше 400 С). Первая область отражает процессы термической деструкции древесной субстанции и образование летучих горючих продуктов. Небольшие потери массы при нагревании образцов до 150 С могут быть отнесены к испарению влаги. ТГ и ДТГ кривые показывают, что на начальной стадии (температурный диапазон 100 – 250 С) происходит более интенсивная потеря массы образцов древесины длительного срока эксплуатации по сравнению с образцом современной древесины (таблица 3.1). Таблица 3.1 – Результаты термического анализа образцов древесины различного срока эксплуатации (среда – азот) Характеристика Номер образцов (таблица 2.1) «0» «1» «2» «3» «4» Потеря массы %(в интервале 30…150 С) 5.8 8.7 6.4 5.8 7.1 Потеря массы, %(в интервале 150…450 С) 70.1 61.4 51.8 70.1 61.6 Максимум ДТГ (Т, С/А, %мин-1) (в интервале 150…450 С) 384/20.9 376/20.9 342/15.8 381/21.4 364/20.5 Скорость окисления угля, %мин-1 (в интервале 450…600 С) 28.6 28.5 21.2 28.4 23.0
В интервале температур 150 – 450 С, очевидно, начинается процесс карбонизации, что отражается на снижении температуры максимума и скорости пиролиза на основном участке полученных термограмм (температурный диапазон до 450 С).
В условиях термического разложения в инертной среде для образцов древесины длительного естественного старения установлено снижение значений потери массы в интервале температур 150…450 С по сравнению с современными образцами. Наименьшие значения потери массы зафиксированы для образца древесины со сроком эксплуатации 200 лет. Это связано, по всей видимости, с аномально низкой температурой начала процесса карбонизации исследуемого образца древесины (максимум ДТГ наблюдается при температуре 342 С). Необходимо отметить, что снижение температурного порога начала процесса карбонизации характерно для всех исследуемых образцов длительного естественного старения.
Эффективность огнебиозащитных составов в снижении пожарной опасности древесины и деревянных конструкций длительного срока эксплуатации
Из результатов, представленных на рисунках 3.13, 3.14 видно, что на начальном этапе (5 – 10 минут огневых испытаний) наблюдается уменьшение среднего значения температуры в огневой камере для ограждающей деревянной конструкции (срок эксплуатации 81 год) по сравнению с образцом современной деревянной конструкции. Подобный эффект также был обнаружен для конструкций из древесины со сроком эксплуатации 150 лет при огневых испытаниях на огнестойкость по ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.1-94 [63]. Снижение температуры для конструкции длительного естественного старения по сравнению с образцами современной деревянной конструкции на начальном этапе испытаний обусловлено, по всей видимости, образованием специфического карбонизованного остатка с более развитой удельной поверхностью и мелкопористой структурой. Наличие подобной структуры ранее было установлено в работе [63]. В последующем данный эффект, вследствие повышения температуры и интенсивного термического выгорания конструкции, нивелируется. При дальнейшем испытании наблюдается заметное увеличение средней температуры в огневой камере.
В тепловой камере (рисунки 3.15, 3.16) обнаруженный эффект проявляется на более позднем этапе и сохраняется до завершения эксперимента. Несмотря на это, на временном промежутке от 5 до 10 минут для образца деревянной конструкции (срок эксплуатации 81 год) в огневой и тепловой камерах наблюдается более высокая температура на несколько десятков градусов по сравнению с образцом современной деревянной конструкции. Обнаруженный эффект необходимо учитывать в целом при оценке пожарной и экологической обстановки на объекте, в частности при возможном повышении теплового режима и токсикологического эффекта продуктов горения в условиях пожара.
Известным фактом является то, что повышенная температура в помещении оказывает значительное влияние на развитие интоксикации организма человека и способствует ускоренному развитию признаков отравления. Было показано, что при повышении температуры среды до 45 С и понижением концентрации кислорода до 11 % значительно увеличивается токсический эффект дымовых газов [134]. Результаты оценки величины прироста температуры по толщине деревянных конструкций также являются отражением физико-химических процессов структурообразования и окисления угольного слоя исследуемых образцов. Фактически в течение всего времени эксперимента внутри образца деревянной конструкции длительного срока эксплуатации, как в геометрическом центре обогреваемой поверхности (огневая камера), так и в контрольной зоне (тепловая камера) температура держится на несколько десятков градусов ниже, чем для образцов современных конструкций из древесины. Структура и толщина образующегося угольного слоя играют при этом первостепенную роль. По результатам огневых испытаний были определены значения глубины и скорости обугливания исследуемых образцов ограждающих деревянных конструкций (таблица 3.9).
Место замера (от нижней части образца) Образец деревяннойконструкции длительногосрока эксплуатации Образец современной деревянной конструкции глубинаобугливания,мм скоростьобугливания,мм/мин глубинаобугливания,мм скоростьобугливания, мм/мин Нижняя балка (0,10 м от нижнего уровня установки) 19 0,95 13 0,76 Место установки термопар в огневой камере (0,75 м от нижнего уровня установки) 15 0,88 12 0,70 Место установки термопар в тепловой камере (1,8 м от нижнего уровня установки) 8 0,4 3 0,17
Примечание: образец деревянной конструкции длительного срока эксплуатации имеет термические повреждения по всей высоте, а образец современной деревянной конструкции имеет термические повреждения на высоте до 1,7 метра и глубину обугливания в этом месте 0,3 мм. Представленные в таблице 3.8 значения параметров обугливания показывают, что длительное естественное старение деревянных конструкций приводит к интенсификации процесса обугливания древесины более чем в 1,2 раза по сравнению с образцом современной деревянной конструкции. В результате длительного естественного старения древесины происходит существенное изменение ее термической стабильности, а также структурных особенностей и свойств угольного остатка. Наиболее важными стадиями термоокислительного разложения древесины, определяющими особенности ее горения, являются основная стадия разложения, а также стадия образования и окисления коксового остатка, определяющая энергетику процесса горения древесной субстанции [5]. Учитывая, что наибольшее выделение тепла при термоокислительном разложении связано с окислением карбонизованного слоя при высокой температуре, было принято решение об увеличении продолжительности огневых испытаний до 45 минут в условиях стандартного температурного огневого воздействия.
С целью сравнительного анализа в ходе эксперимента проводились визуальные наблюдения через смотровое окно огневой камеры, регистрация температуры внутри огневой и тепловой камер, а также внутри образцов деревянных конструкций. Показатели температуры в огневой и тепловой камерах представлены на рис. 3.17, 3.18, 3.19 и 3.20 соответственно.
Анализ экспериментальных данных показывает, что динамика изменения температуры в огневой камере при горении ограждающей деревянной конструкции длительного срока эксплуатации и современной деревянной конструкции имеет характерные отличия (рис. 3.17, 3.18). Так, в интервале времени от начала испытания до 5 минут прирост температуры наиболее интенсивно происходит у образца деревянной конструкции современной с достижением своего пика в 740 oC. Далее происходит снижение температуры, обусловленное началом процесса активного углеобразования с последующим выходом на стационарный режим прогрева образца конструкции.