Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ работ в области пожарной опасности объектов культуры, а также способов повышения их пожарной безопасности
1.1. Особенности пожарной опасности объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины 13
1.1.1. Специфика применения материалов и конструкций из древесины на объектах культуры, особенности их пожарной опасности 13
1.1.2. Анализ применения лакокрасочных покрытий (ЛКП) при строительстве и реконструкции объектов культуры 19
1.1.3. Пожарная опасность древесины и лакокрасочных покрытий 29
1.2. Нормативные требования пожаробезопасного применения материалов и конструкций с ЛКП на объектах культуры .34
1.3. Способы снижения пожарной опасности объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины 41
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 46
2.2. Методы исследования
2.2.1. Метод определения низшей теплоты сгорания при помощи бомбового калориметра 50
2.2.2. Метод определения индекса распространения пламени по поверхности материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.19 50
2.2.3. Метод оценки распространения пламени по поверхности строительных материалов по ГОСТ 30444-97 .51
2.2.4. Метод огневых испытаний на воспламеняемость строительных материалов по ГОСТ 30402-96 52
2.2.5. Метод экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п.4.18 52
2.2.6. Метод экспериментального определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.20 .53
2.2.7. Методы термического анализа .54
2.2.8. Метод численного моделирования образования опасных факторов пожара для зданий и сооружений 55
ГЛАВА 3. Комплексная оценка показателей пожарной опасности древесины с ЛКП
3.1. Феноменологическая модель оценки пожарной опасности материалов и конструкций из древесины с ЛКП на объектах культуры. 56
3.2. Влияние ЛКП на особенности пиролиза и термоокислительного разложения, показатели пожарной опасности древесины 59
3.2.1. Пиролиз и термоокислительное разложение ЛКП и древесины с ЛКП .59
3.2.2. Показатели пожарной опасности древесины с ЛКП
3.2.2.1. Воспламеняемость древесины с ЛКП .69
3.2.2.2. Распространение пламени по поверхности образцов .78
3.2.2.3. Дымообразующая способность и токсичность продуктов горения 83
3.3. Влияние длительного естественного старения на пожарную опасность
объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины с ЛКП .91
ГЛАВА 4. Пожарная опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины с учетом ЛКП
4.1. Пожарная опасность существующих объектов культуры из древесины на примере Донской церкви (Московская область, г. Мытищи) 96
4.2. Влияние ЛКП на пожарную опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины на примере особняка Кочубея (г. Пушкин, г. Санкт-Петербург) .112
ГЛАВА 5. Разработка эффективных способов снижения пожарной опасности древесины с ЛКП
5.1. Обоснование выбора антипиренов для снижения пожарной опасности древесины с ЛКП .116
5.2. Термический анализ лакокрасочных покрытий с антипиренами 118
5.3. Эффективность антипиренов в снижении пожарной опасности объектов
культуры .124
Заключение .129
Список литературы
- Специфика применения материалов и конструкций из древесины на объектах культуры, особенности их пожарной опасности
- Метод определения индекса распространения пламени по поверхности материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.19
- Влияние ЛКП на особенности пиролиза и термоокислительного разложения, показатели пожарной опасности древесины
- Влияние ЛКП на пожарную опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины на примере особняка Кочубея (г. Пушкин, г. Санкт-Петербург)
Введение к работе
Актуальность работы. Объекты культурного наследия представляют
большую духовную ценность и важное историческое значение во всем мире.
Эти объекты охраняются государством и к ним предъявляются особые
требования, особенно в плане обеспечения долговечности и безопасности.
При строительстве и реконструкции подобных объектов одним из наиболее
распространенных материалов является древесина. Этот уникальный
природный материал в зависимости от породы и разновидности широко
применяется в качестве паркета, погонажных изделий, отделочных и
облицовочных материалов, ограждающих и несущих деревянных
конструкций.
Эстетическая декоративность древесины с ее характерной текстурой
особенно популярна для памятников архитектуры XVIII-XX века. В России и
Казахстане к таким объектам можно отнести Московский Кремль, Эрмитаж
(г. Санкт-Петербург), Екатерининский дворец (г. Пушкин, г. Санкт-
Петербург), политехнический музей (г. Москва), особняк Кочубея
(г. Пушкин, Санкт-Петербург), Покровско-Всехсвятский храм (г. Алматы,
Казахстан), музей Малика Габдуллина (г. Кокшетау, Казахстан), мечеть
имени Науана Хазрета (г. Кокшетау, Казахстан) и многие другие.
В большинстве случаев применение материалов и конструкций из древесины на объектах культуры сопровождается их внешней отделкой различными видами лакокрасочных покрытий (ЛКП). Использование прозрачных лаков для материалов и конструкций из древесины, в том числе в период реставрационных работ, позволяет подчеркнуть и восстановить природный рисунок и фактуру материала, придать неповторимый блеск защищаемой поверхности. Применение красок обеспечивает декоративный вид деревянной конструкции и эффективную защиту древесины от атмосферных воздействий, что значительно повышает ее долговечность.
Обеспечение пожарной безопасности объектов культурного наследия представляет собой важную государственную задачу, решение которой связано не только с обеспечением сохранности исторических ценностей, но и с безопасностью жизни и здоровья людей.
В соответствии с Федеральным законом ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22.07.2008 г. здания и сооружения характеризуются классом конструктивной пожарной опасности, который определяется степенью участия строительных материалов и конструкций в развитии пожара и образовании опасных факторов пожара (ОФП). Прогнозная оценка динамики развития пожара, времени нарастания ОФП, моделирование поведения материалов и конструкций в условиях пожара проводится с использованием типовой базы пожарной нагрузки, включающей в себя комплекс показателей пожарной опасности.
В качестве основных расчетных показателей в типовой базе пожарной нагрузки служат такие как: низшая теплота полного сгорания материала, линейная скорость распространения пламени по поверхности материала или
конструкции, удельная массовая скорость выгорания материала,
дымообразующая способность, токсичность продуктов горения.
Теоретические и экспериментальные работы по исследованию пожарной
опасности древесины свидетельствуют о влиянии многочисленных факторов
(порода и разновидность древесины, влажность, условия и
продолжительность эксплуатации, условия температурного режима пожара и т.д.) на ее пожароопасные свойства. Это работы таких российских и зарубежных ученых как: Асеева Р.М., Бирюков В.Г., Леонович А.А., Покровская Е.Н., Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Di Blasi С., Kashiwagi T., Quintiere J.G., Spearpoint M.J., Janssens M.A., White R.H. и многих других.
В типовой базе пожарной нагрузки показатели древесины представлены
в виде усредненных величин, применение которых при моделировании
динамики развития пожара, оценки времени нарастания ОФП,
индивидуального пожарного риска не позволяет объективно оценить
пожарную опасность зданий и сооружений, а также безопасность людей,
находящихся на объекте. При этом фактически отсутствуют данные по
пожарной опасности материалов и конструкций из древесины с применением
различных видов ЛКП. Учитывая, что лаки и краски по своей химической
природе представляют собой полимерные композиции, в состав которых
входят горючие и легковоспламеняющиеся вещества с высокой
дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения, можно прогнозировать их негативное влияние на пожарную опасность объекта культуры, реальную угрозу для жизни и здоровья людей при возникновении пожара, а также огромные невосполнимые потери культурных ценностей. Отсутствие исследований в этом направлении определяет актуальность выбранной тематики научных исследований.
Цель диссертационной работы – исследование пожарной опасности объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины с учетом применения лакокрасочных покрытий, а также разработка способов, направленных на повышение их пожарной безопасности.
Указанная цель предопределила следующие задачи исследования:
- провести анализ теоретических и экспериментальных работ в области
пожарной опасности объектов культуры, нормативных требований в области
применения материалов и конструкций из древесины в строительстве, а
также разработки различных способов повышения их пожаробезопасности.
- выявить основные особенности пожарной опасности объектов
культуры с учетом специфики применения материалов и конструкций из
древесины и лакокрасочных покрытий.
- исследовать процесс пиролиза и термоокислительного разложения
образцов различных лакокрасочных покрытий, их влияние на особенности
термического разложения и показатели пожарной опасности древесины
(низшая теплота полного сгорания, воспламеняемость, распространение
пламени по поверхности образца, удельная массовая скорость выгорания
материала, дымообразующая способность и токсичность продуктов горения).
- установить влияние толщины и расхода лакокрасочных покрытий на
воспламеняемость древесины и распространение пламени по поверхности
исследуемых образцов.
- исследовать влияние длительного естественного старения на пожарную
опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины
с ЛКП.
научно обосновать выбор значений показателей пожарной опасности древесины с ЛКП, полученных при различных режимах горения образцов, для прогнозной оценки пожарной опасности объекта культуры.
установить пожарную опасность существующих объектов культуры с проведением моделирования динамики развития пожара, времени нарастания ОФП с использованием полученных пожароопасных характеристик образцов древесины с ЛКП.
- разработать способы снижения пожарной опасности объектов
культуры с материалами и конструкциями из древесины с учетом
применения ЛКП.
Объектом исследования является пожарная опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины и ЛКП.
Научная новизна работы:
- исследованы особенности процесса пиролиза и термоокислительного
разложения различных лакокрасочных покрытий, используемых для отделки
материалов и конструкций из древесины на объектах культуры, а также
древесины в присутствии ЛКП в широком диапазоне температур.
- проведены исследования влияния более 15 видов лакокрасочных
покрытий на пожарную опасность объектов культуры с материалами и
конструкциями из древесины с получением новых экспериментальных
данных.
установлен «пленочный» механизм воспламенения и распространения пламени по поверхности древесины с некоторыми видами ЛКП, в частности на нитроцеллюлозной и полиуретановой основе. Показана взаимосвязь толщины и расхода наносимого ЛКП с интенсивностью протекания процесса воспламенения и распространения пламени по поверхности образцов.
впервые показано, что длительное естественное старение деревянных конструкций с лакокрасочными покрытиями может значительно повышать пожарную опасность объектов культуры. Повышение пожароопасных свойств древесины с ЛКП обусловлено потерей целостности пленочного слоя покрытия, его дальнейшим трещинообразованием и частичным отслоением от поверхности материала или конструкции.
- разработаны и предложены способы снижения пожарной опасности
объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины и ЛКП с
применением эффективных огнезащитных добавок (антипиренов).
Практическая ценность работы:
- результаты по исследованию особенностей пиролиза и
термоокислительного разложения лакокрасочных покрытий и древесины с
ЛКП могут быть использованы для прогнозной оценки пожарной опасности
материалов и конструкций из древесины, а также для идентификации ЛКП на существующих объектах культуры.
полученный комплекс экспериментальных значений показателей пожарной опасности древесины с лакокрасочными покрытиями расширяет базу данных, которые необходимы для моделирования динамики развития пожара, оценки нарастания ОФП в зданиях и сооружениях различных классов функциональной пожарной опасности.
проведена оценка пожарной опасности существующих объектов культуры с использованием новых экспериментальных данных по пожарной опасности древесины и древесины с различными видами ЛКП.
- установлены значения толщины лакокрасочных покрытий различных
видов, способствующих значительному повышению пожарной опасности
объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины.
- предложенные способы огнезащиты материалов и конструкций из
древесины с ЛКП были использованы для снижения пожарной опасности
действующих объектов культуры, расположенных в Вологодской и
Костромской области, в период их реконструкции.
Практическая реализация.
результаты диссертационного исследования были использованы на предприятии ООО «ПожТехноСпас» для оценки пожарной опасности объектов малоэтажного деревянного домостроения, а также при реконструкции объектов культурного наследия из древесины (дом семьи Прыговых, д. Семигоры, Вологодский район, Вологодская область, XIX век; жилой дом XIX века, д. Никитино, Мантуровский район, Костромская область).
результаты диссертационного исследования были использованы при проведении реставрационных работ на объектах: музей «Мир забытых вещей» (деревянный особняк с мезонином середины XIX века), расположенный по адресу: г. Вологда, ул. Ленинградская, дом 6; объект культурного наследия Федерального значения «Дом Ситникова» (1868 год постройки), расположенный по адресу: г. Вологда, ул. Герцена, дом 36.
результаты диссертации по оценке комплекса показателей пожарной опасности древесины с лакокрасочными покрытиями внедрены компанией ООО «СИТИС» в базу характеристик горючих нагрузок СИТИС-СПН-1 «Пожарная нагрузка» и в базы данных программ «СИТИС: Инфо 1.00», «СИТИС: Блок+», предназначенных для моделирования опасных факторов пожара и расчета пожарного риска в зданиях и сооружениях различных классов функциональной пожарной опасности.
- результаты диссертационного исследования используются в
Кокшетауском техническом институте Комитета по чрезвычайным
ситуациям МВД Республики Казахстан при чтении курса лекций «Пожарная
опасность древесины и материалов на ее основе», «Деревянные конструкции
и их поведение в условиях пожара».
- диссертационная работа была выполнена в соответствии с планами
научной работы Академии ГПС МЧС России и Кокшетауского технического
института Комитета по чрезвычайным ситуациям МВД Республики Казахстан (2013, 2014, 2015 гг.).
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований
были доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: XXI
научно-технической конференции «Системы безопасности – 2012»,
Международного форума информатизации, г. Москва, (2012); VI
международной конференции «Перспективные полимерные композиционные
материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение.
Экология «Композит – 2013», г. Саратов, (2013); международной научно-
практической конференции, посвященной 80-летию Академии ГПС МЧС
России «Исторический опыт, современные проблемы и перспективы
образовательной и научной деятельности в области обеспечения пожарной
безопасности», Москва, (2013); VII международной конференции
«Полимерные материалы пониженной горючести», г. Таганрог, (2013); III международной научно-практической конференции молодых ученых «Проблемы техносферной безопасности – 2014», г. Москва, (2014); международном научно-практическом семинаре «Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов хозяйствования», г. Кокшетау, Республика Казахстан, (2014); IV международной научно-практической конференции молодых ученых «Проблемы техносферной безопасности – 2015», г. Москва, (2015); молодежном научном форуме «Молодые исследователи регионам», г. Вологда, (2015); V международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры – 2015», г. Волгоград, (2015).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается использованием стандартных пожарно-
технических методов исследования, зарегистрированных программных
продуктов компании ООО «СИТИС», значительным объемом
экспериментальных результатов с применением современных методов их обработки и метрологически аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
- особенности термического (пиролиз) и термоокислительного
разложения лакокрасочных покрытий и древесины с ЛКП в широком
интервале температур.
комплекс показателей пожарной опасности древесины и древесины с лакокрасочными покрытиями различных видов (низшая теплота полного сгорания, воспламеняемость, распространение пламени по поверхности материала, массовая скорость выгорания, дымообразующая способность и токсичность продуктов горения в зависимости от интенсивности внешнего огневого воздействия).
результаты оценки влияния длительного естественного старения на пожарную опасность объектов культуры из древесины с ЛКП.
- результаты оценки пожарной опасности существующих объектов
культуры с использованием новых экспериментальных данных по пожарной
опасности древесины и древесины с различными видами ЛКП.
- эффективность различных способов снижения пожарной опасности объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины и лакокрасочными покрытиями.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде 15 научных статей, в том числе 8 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, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 157 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 39 таблиц.
Специфика применения материалов и конструкций из древесины на объектах культуры, особенности их пожарной опасности
Объекты культуры – это объекты недвижимого имущества с находящимися в них произведениями живописи, скульптуры, декоративно-прикладного искусства, объектами науки и техники и иными предметами материальной культуры. Эти объекты представляют собой несомненную ценность в области истории, археологии, архитектуры, градостроительства, искусства, науки и техники, эстетики, этнологии или антропологии, социальной культуры [1].
С точки зрения обеспечения пожарной безопасности к объектам культуры относятся здания и сооружения, имеющие различную степень огнестойкости, класс конструктивной пожарной опасности, класс функциональной пожарной опасности, различные объемно-планировочные решения, а также материалы и конструкции. К ним можно отнести такие объекты как: картинные галереи, музеи, культовые здания, жилые и нежилые старинные здания, охраняемые государством.
Пожарная безопасность объектов культуры является одним из важнейших условий для их эксплуатации. Несмотря на это в России в настоящее время имеется незначительное количество нормативных требований с учетом специфики применения материалов и конструкций из древесины и лакокрасочных материалов для объектов культуры. Имеются ограниченные результаты исследований, посвященные обеспечению пожарной безопасности культурно-исторических объектов. В диссертационной работе Муслаковой С.В. [2] рассматриваются вопросы создания методов оценки пожарной безопасности музейных объектов, учитывающих особенности и широкий спектр противопожарных мероприятий на конкретном объекте, на основе которых может быть установлен перечень первоочередных мероприятий для рассматриваемого музея с учетом его специфики. В данной работе предложены методы комплексной оценки пожарной безопасности музейных объектов, что позволяет количественно обосновать и ранжировать по эффективности противопожарные мероприятия на объекте. Установлены критерии, целевые функции и показатели, согласно которым следует проводить выбор системы противопожарной защиты в музеях.
Важнейшим аспектом обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений является объективная оценка пожарной опасности объектов с учетом применяемых материалов и конструкций, их поведения в условиях пожара и способности к образованию опасных факторов пожара.
Одним из наиболее распространенных материалов на объектах культуры является древесина. Древесина разных пород и видов на рассматриваемых объектах используется в качестве отделочных и облицовочных материалов, паркета, погонажных изделий, ограждающих и несущих деревянных конструкций [3].
Для ограждающих и несущих деревянных конструкций в большей степени характерно применение хвойных пород древесины с плотностью в пределах от 350 до 500 кг/м3 (сосна, ель и др.), а для погонажных изделий, паркета используются преимущественно твердолиственные породы деревьев с плотностью в пределах от 500 до 800 кг/м3 (дуб, береза, яблоня, груша и др.).
Учитывая высокую пожарную опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины, можно прогнозировать значительную угрозу опасных факторов пожара для находящихся людей в помещении, здании [4]. Анализ пожаров, происшедших в зданиях с применением деревянных конструкций, свидетельствует о том, что пожарная опасность таких объектов обусловлена следующим: - интенсивной динамикой развития пожара; - быстрым наступлением критических значений для человека опасных факторов пожара, в частности высокой дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения; - высокими значениями скорости тепловыделения при горении древесины; - созданием условий для объемной вспышки. Все перечисленные элементы пожарной опасности объектов из древесины представляют значительную угрозу для жизни и здоровья человека. Необъективная или заниженная оценка пожарной опасности объектов с наличием материалов и конструкций на основе древесины может привести к трагическим последствиям.
Ниже приведены наиболее характерные пожары объектов с материалами и конструкциями из древесины в России за последнее десятилетие [5]. 31 января 2009 года произошел пожар в муниципальном учреждении «Интернат малой вместимости для граждан пожилого возраста и инвалидов» в селе Подъельск республики Коми. Здание представляло собой одноэтажный дом из древесины размерами в плане 40 на 28 метров. На момент прибытия первого пожарного подразделения здание было охвачено огнем по всей площади, которая составила 1120 квадратных метров. В результате пожара погибли 23 человека. В результате пожара 14 февраля 2009 года в поселке Молодежный (Аксарайский) Красноярского района Астраханской области погибли 16 человек. Пожар произошел в жилом деревянном двухэтажном доме – здании бывшего общежития. На момент пожара в здании находился 81 человек. Здание в результате пожара полностью выгорело.
Метод определения индекса распространения пламени по поверхности материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.19
Приборы и материалы: - система IKA-калориметр С 5000 duo control; - лабораторные электронные микровесы I класс точности. Процесс измерения (после заправки калориметрической бомбы) полностью автоматизирован на основе персонального компьютера. Программа работы описанного выше метода измерения позволяет проводить измерения при полном интегрировании теплового потока, с временем измерения до 15 минут, с обеспечением максимальной точности (±0,2 %).
Метод определения индекса распространения пламени по поверхности материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.19. Сущность метода заключается в оценке способности материалов воспламеняться, выделять тепло и распространять пламя по поверхности при воздействии теплового потока. Для каждого образца рассчитывается индекс распространения пламени по поверхности образца (J) по формуле: J= [0, 0115 ((tmax – t0) ( max – 0 ) / 0) (1+ 0,2 1 1/ i)]1/2, (2.1) где 0,0115 – размерный коэффициент, Вт-1; 0,2 – размерный коэффициент, смм-1 В качестве индекса распространения пламени по поверхности материала принимается среднее арифметическое пяти значений индекса, полученных при испытаниях. При этом материалы по индексу распространения пламени по поверхности материалов классифицируют следующим образом: - не распространяющие пламя – среднее арифметическое значение индекса распространения пламени равно 0; - медленно распространяющие пламя – среднее арифметическое значение индекса распространения пламени равно от 0 до 20 включительно; - быстро распространяющие пламя – среднее арифметическое значение индекса распространения пламени равно свыше 20. Установка была оснащена устройством для оценки массовой скорости выгорания исследуемых образцов.
Сущность метода состоит в определении критической поверхностной плотности теплового потока, величину которого устанавливают по длине распространения пламени по образцу в результате воздействия теплового потока на его поверхность.
Горючие строительные материалы в зависимости от величины КППТП подразделяют на четыре группы распространения пламени: РП1, РП2, РП3, РП4.
Классификация строительных материалов по воспламеняемости проводится по ГОСТ 30402-96 в зависимости от величины критической поверхностной плотности теплового потока (КППТП), т.е. минимального значения этой плотности, при котором возникает устойчивое пламенное горение материала. Сущность метода испытания состоит в определении параметров воспламеняемости материала при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания.
Горючие строительные материалы, в зависимости от величины КППТП, подразделяют на три группы воспламеняемости: В1, В2 и В3.
Для каждого испытания были подготовлены по три образца на каждую систему, имеющих форму квадрата со стороной 165 мм. Перед испытаниями все образцы были высушены в сушильной печи при температуре 40 С. Для каждого образца проводили регистрацию времени и места воспламенения, оценку характера разрушения образца под действием теплового излучения и пламени, наличие плавления, вспучивания, расслаивания, растрескивания, набухания, либо усадки экспонируемой поверхности.
Метод экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.18. Сущность метода определения коэффициента дымообразования заключается в определении оптической плотности дыма, образующегося при сгорании известного количества испытуемого вещества или материала. Для приготовления образцов лакокрасочные материалы наносили на поверхность древесины кистью в несколько слоев с установленным расходом. Размеры образцов составляли 40х40х10 мм. Коэффициент дымообразования (Dm), м2/кг вычислялся по формуле: Dm = (V/ Lm) Ln (Т0/Тmm), (2.2) где V - вместимость камеры измерения, м3; L - длина пути луча света в задымленной среде, м; m - масса образца, кг; Т0 и Tmin- соответственно значения начального и минимального светопропускания, %.
Для каждого режима испытаний коэффициент дымообразования есть среднее арифметическое значений пяти образцов. За коэффициент дымообразования принимают наибольшее значение из полученных для двух режимов. По величине максимального коэффициента дымообразования (Dm, м2/кг) материалы подразделяются на следующие три группы: с малой дымообразующей способностью (Д1) - Dm 50; с умеренной дымообразующей способностью (Д2) - 50 Dm 500; с высокой дымообразующей способностью (Д3) - Dm 500.
Токсичность продуктов горения в работе определяли газоаналитическим методом по содержанию в образующейся атмосфере монооксида и диоксида углерода, а также изменению концентрации кислорода. Для определения концентрации монооксида углерода использовали анализатор ГИАМ-14 с диапазоном измерений от 0 до 1 % , а для СО2 - прибор ГИАМ-14 с диапазоном измерений СО2 от 0 до 5 %. Допустимая погрешность составляла 2 %. Концентрацию кислорода измеряли с помощью прибора ГТМК-16 с диапазоном измерений от 0 до 21 % и допустимой погрешностью 2 %.
При изучении токсичности продуктов горения исследуемых образцов плотность лучистого теплового потока варьировали в пределах от 18 до 65 кВт/м2. Для проведения испытаний были подготовлены не менее 10 образцов размерами 60х60 мм и толщиной не более 10 мм. Лакокрасочные покрытия наносили на поверхность древесины кистью в несколько слоев с установленным расходом. Перед испытаниями образцы выдерживают при температуре (20±2) С не менее 48 часов и взвешивают с погрешностью не более 0,01 г.
Влияние ЛКП на особенности пиролиза и термоокислительного разложения, показатели пожарной опасности древесины
Таким образом, можно выделить два моделируемых подхода для оценки пожарной опасности объекта культуры с материалами и конструкциями из древесины с ЛКП (рисунок 3.1): 1 – основная часть лакокрасочного материала, имея низкие значения вязкости и расхода поверхностного нанесения, проникает в структуру древесины (рисунок 3.1 А). При этом способность к проникновению лака или краски в структуру древесины зависит от породы и разновидности древесины, ее влажности, плотности. Можно выдвинуть гипотезу, что показатели пожарной опасности древесины с ЛКП в этом случае будут близки к показателям непосредственно самой древесины (термически тонкие образцы). 2 – лакокрасочные покрытия, имея высокие значения вязкости и расхода поверхностного нанесения, образуют на поверхности древесины пленку и фактически имеют слабое проникновение в структуру древесины (рисунок 3.1 Б). При этом, важную и первостепенную роль играет горючесть и теплотворная способность ЛКП, определяемая содержанием и соотношением основных химических компонентов, их способностью к коксообразованию. Способность полимерных лакокрасочных покрытий к коксообразованию имеет защитную функцию для деревянной подложки (поверхности деревянной конструкции) от воздействия высоких температур и пожара. Можно сказать о том, что глубина проникновения лакокрасочного материала в структуру древесины будет играть значительную роль в динамике и особенностях формирования коксового остатка. Представленные результаты оценки эксплуатационных характеристик ЛКП показывают взаимосвязь расход их нанесения и вязкости системы с толщиной пленки на поверхности древесного материала. При этом также значительное влияние на толщину лакокрасочных покрытий оказывает порода и разновидность древесины (таблица 3.1).
Разновидность древесины Плотность древесины (кг/м3) Толщина ЛКП на поверхности древесины (микрометр), мкм
Из представленных результатов в таблицах 3.1, 3.2 можно сделать вывод о том, что при повышении плотности древесины увеличивается толщина пленки на поверхности древесного материала, особенно это заметно в случае применения твердолиственных пород древесины. Результаты проведенных исследований [4] свидетельствуют о том, что более плотная по своей структуре древесина обладает большей устойчивостью к воспламенению, распространению пламени по поверхности материала, меньшей дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения. Однако исходя из предложенной феноменологической моделью высокие значения толщины лакокрасочной пленки могут значительно повысить пожароопасность рассматриваемых лиственных пород древесины, даже по сравнению с хвойными разновидностями. Исходя из этого, при незначительном проникновении ЛКП в структуру древесины и значительной толщине пленки лака или краски, решающий вклад в показатели пожарной опасности древесного материала будет оказывать вид ЛКП.
При этом важным является горючесть и теплотворная способность самой лакокрасочной пленки, а также связь этих показателей с физико-химическими характеристиками полимерного лакокрасочного материала.
При оценке горючести полимера значительную информацию можно получить, анализируя значения удельных теплот сгорания. При этом важным является возможность прогнозирования данных показателей в зависимости от содержания и соотношения основных химических компонентов ЛКП.
Для лакокрасочной системы марки НЦ-132, имеющей в своем составе коллоксилин (динитрат целлюлозы) горючесть самая высокая – кислородный индекс составил 15,7 %. Лакокрасочная система на пентафталевой основе (алкидная смола) марка ПФ-266, имея в своем составе пентаэритрит – известный агент карбонизации, обладает самым высоким кислородным индексом из рассматриваемых лакокрасочных систем – 18,8 % и самым низким значением теплоты сгорания – 16,6 кДж/г.
Изучаемые физико-химические параметры ЛКП имеют тесную взаимосвязь не только с фундаментальными показателями горючести и теплотворной способности материалов, но и с особенностями их термического (пиролиз) и термоокислительного разложения.
Экспериментальные и теоретические исследования закономерностей термического (пиролиз) и термоокислительного разложения веществ и материалов имеют важное значение для создания фундаментальных основ пожарной безопасности этих объектов.
По результатам исследования особенностей термического разложения образцов древесины и лакокрасочных материалов были установлены основные закономерности и выявлены основные стадии данного процесса. - после введения в реакционную камеру термовесов атмосферы воздуха (20,8 % об., кислорода), происходит окисление оставшегося кокса до золы, при этом скорость окисления кокса составила примерно 12,5 %/мин. Термоокислительная деструкция древесины сосны в токе воздуха имеет подобный характер (рисунок 3.3), однако имеются свои характерные особенности. Наблюдается стадийность деструкции. Первая – процесс выхода влаги. Вторая и третья стадия являются основным процессом термоокисления древесины сосны (в некоторых условиях теплопереноса могут быть совмещенными), температуры максимумов ДТГ смещаются в область более низких температур (температура максимума 330 С, амплитуда максимума примерно 18 %/мин), максимум окисления имеет скорость около 16%/мин при 445 С. Зольность составила около 1% по массе.
Влияние ЛКП на пожарную опасность объектов культуры с материалами и конструкциями из древесины на примере особняка Кочубея (г. Пушкин, г. Санкт-Петербург)
По результатам проведенного исследования были определены эффективные пути повышения устойчивости исследуемых образцов к воспламенению и распространению пламени по поверхности материалов и конструкций из древесины с ЛКП: - комбинация горючих пленочных слоев ЛКП с менее горючими, при этом необходимо учесть эксплуатационные и декоративные качества лаков и красок; - добавление в состав ЛКП термостойких добавок или антипиренов с сохранением свойств лакокрасочных систем. Экспериментальная оценка эффективности способов снижения пожарной опасности древесины с ЛКП проводилась в отношении следующих способов.
Первый способ. Перед нанесением лакокрасочного материала на поверхность древесины в его состав вводится порошкообразный фосфор- или азотсодержащий антипирен, в количестве не менее 10 %. Смесь тщательно перемешивается до однородной консистенции и наносится на поверхность древесины в соответствии с установленной технологией.
Второй способ. Перед нанесением лакокрасочного материала на поверхность древесины в его состав вводится порошкообразный фосфор- или азотсодержащий антипирен в количестве не менее 10 %. Смесь тщательно перемешивается до однородной консистенции. На поверхность древесины, деревянной конструкции наносится огнезащитный состав на основе фосфорсодержащих антипиренов с расходом не менее 300 г/м2. После естественной сушки деревянной конструкции наносится антипирированный лак или краска в соответствии с установленной технологией.
Третий способ. Перед нанесением лакокрасочного материала на поверхность древесины в его состав вводится фосфор- или азотсодержащий антипирен в количестве не менее 10 %. Смесь тщательно перемешивается до однородной консистенции. На поверхность древесины, деревянной конструкции наносится огнезащитный состав на основе фосфорсодержащих антипиренов с расходом не менее 400 г/м 2. После естественной сушки деревянной конструкции наносится антипирированный лак или краска в соответствии с установленной технологией.
По результатам исследования эффективности антипиренов методом «Кислородный индекс» (рисунок 5.1) были отобраны наиболее эффективные системы антипиренов: 1) Фософор-азотсодержащий антипирен; 2) Комплекс фосфор-азотсодержащего антипирена с углеродным и пенообразующим агентами. Кислородный индекс 1. ПФ-266; 2. НЦ-132 Из рисунка 5.1 видно, что для краски НЦ-132 при содержании комплекса антипиренов от 15% возможно повышение значения КИ лакокрасочного покрытия до 19%. При рассмотрении эффективности антипиренов важным является изучение их способности изменять отдельные стадии процесса разложения ЛКП, приводящей к снижению пожарной опасности объектов.
Видно, что процесс пиролиза образца с антипиреном стал трех стадийным, а именно появился ДТГ пик при температуре 244 С, при этом снизилась скорость основного ДТГ пика с 14,5 до 11,4 %/мин, при этом произошло некоторое его смещение в область более низких температур (340 С). Увеличилась линейная скорость деструкции коксовой части покрытия с антипиреном в интервале температур после 500 С, т.е. прочность кокса стал прочнее, он стал определенным препятствием для теплового потока. Результат введения антипирена приводит к снижению практически всех показателей пожарной опасности.
Введение антипирена в состав краски привело к следующему результату (рисунок 5.3): - практически не изменился первый ДТГ пик, где происходит пиролиз основной части образца краски более чем на 40 %, скорость пиролиза достаточно высока - около 233 %/мин, максимум по температуре составил 195 С; - после 200 С процессы пиролиза красок с добавкой и без происходят подобным образом, при этом все характеристики потери массы у антипирированного образца на всем интервале нагревания несколько выше, при этом остается выше коксовый и зольный остатки в контрольных замерах. Результат введения антипирена привел к незначительному снижению показателей пожарной опасности (см. таблицу 3.4-3.5).
Процесс пиролиза остался 4-х стадийным, при этом практически не изменилось положение максимумов ДТГ пиков при 386, 470 и 730 С, т.е. в тех температурных областях, где происходит деструкция основных компонентов композиции краски. Скорость деструкции (ДТГ пики) остается в тех же пределах - 4.7...7 %/мин, что значительно ниже скорости пиролиза древесины сосны в этом температурном интервале. Можно отметить, что на начальной стадии пиролиза несколько снижается скорость пиролиза антипирированного образца, что вероятнее всего связано с удалением самой летучей фракции в исходном образце в процессе смешения компонентов.
Выявленные изменения стали решающим фактором в улучшении основных показателей пожарной опасности, что вероятнее всего связано с увеличением защитного слоя (при 500...800 С). Масса защитного слоя по данным термического анализа в зоне теплового воздействия составляет более 50 %.