CC BY
30
ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
УДК 614.841.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРЕВА СТРОИТЕЛЬНЫХ И ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОЖАРЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫХОДА ТОКСИЧНЫХ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ
А. В. Заряев
доктор технических наук, генерал-майор внутренней службы, заслуженный работник МВД России, начальник Воронежского института МВД
А. Н. Лукин
доктор физико-математических наук, полковник внутренней службы, профессор Воронежского института МВД
А. М. Зайцев
кандидат технических наук,
доцент Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
Рассмотрен вопрос о выделении вредных веществ из строительных и отделочных материалов при воздействии на них высокой температуры пожара. Особое внимание обращено на начальную стадию пожара при температуре среды ниже 250-300'С, до температуры воспламенения материалов, когда происходит интенсивное выделение вредных летучих веществ.
Пожары наносят значительный ущерб экономике нашей страны и приводят к большим человеческим жертвам. Так, в 2003 г. на пожарах погибло более 18 тыс. чел., при этом около 80% человеческих жертв было связано с отравлением токсичными веществами продуктов горения и термического разложения строительных и отделочных материалов.
Согласно ГОСТ 12.1.004-91 [1] допустимый уровень вероятности гибели людей должен быть не более 10-6 в год в расчете на 1 чел. По статистике в 2003 г. на пожарах погибло 18426 чел., а население России составляло 147 млн чел. Следовательно, для каждого россиянина риск погибнуть при пожаре составил 9 • 10 - 5 чел./год, т.е. почти на 2 порядка превысил уровень, зафиксированный в ГОСТе, и на порядок — планетарный уровень [2].
Выделение в атмосферу вредных веществ при горении и прогреве материалов
Согласно СНиП 21-01-97* [3] пожарная опасность строительных материалов определяется сле-
дующими пожарно-техническими характеристиками: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения. Из сказанного следует, что многие вредные летучие вещества, которые выделяются из прогреваемых материалов в процессе пожара до температуры их воспламенения, не учитываются никаким нормативным документом, и этому необходимо уделять большое внимание. Необходимо отметить также, что при высокой температуре многие вредные продукты горения уничтожаются, тогда как в начальной стадии пожара этого не происходит.
Согласно статистике в России большинство пожаров (примерно 80%) происходит в зданиях, при этом на объектах жилого сектора в среднем за 5 лет — 78% [4]. Исходя из сказанного, мы полагали необходимым исследовать в первую очередь наиболее применяемые в жилищном секторе строительные и отделочные материалы. Очевидно, что именно состав и свойства отделочных материалов формиру-
ют в значительной степени опасные факторы пожара. Так, от воздействия продуктов горения гибнет в среднем более 72% жертв пожаров, при этом качественный и количественный состав продуктов горения, их токсичность во многом зависят от состава и свойств строительных материалов и отделки помещений горючими материалами. Кроме того, эти факторы влияют на температуру пожара (около 18% погибших), низкую концентрацию кислорода на месте пожара (около 5% погибших).
Во время пожара при горении различных материалов, особенно полимерных, в окружающую среду выделяется большое количество различных вредных веществ, в том числе диоксинов, имеющих очень низкое значение ПДК. Эти чрезвычайно токсичные соединения эффективно уничтожаются (полностью сгорают) только при температуре > 1150°С. Об образовании диоксинов свидетельствуют факты их обнаружения при горении практически всех органических соединений в присутствии галогеносодержащих веществ и соединений металлов [5-7]. При пожаре, в отличие от многих других процессов горения, нельзя предотвратить или снизить уровень поступления диоксинов и дибензофу-ранов в окружающую среду, если не изменить рецептуру многих полимерных материалов, которые используются в строительстве и при оформлении интерьеров современных зданий.
Уровень токсичности вредных веществ, использованный для создания перечней, приведенных в работах [5-7], определялся при развитом пожаре, когда температура достигала 600°С и более. Известно, что при высоких температурах структура и состав летучих продуктов горения отличаются от таковых при низкой температуре пожара, особенно для полимерных материалов, имеющих температуру термической деструкции 250-600°С. Поэтому о летучих продуктах термической деструкции веществ и материалов на ранней стадии пожара можно судить в основном по результатам лабораторных испытаний.
В настоящей работе исследовалось выделение вредных летучих веществ из широкоприменяемых в строительстве древесностружечных плит (ДСП) и поливинилхлоридного линолеума.
Ранее одним из авторов [7] экспериментально, посредством снятия дериватограмм и взятия газовых проб, были выявлены экологически опасные легколетучие компоненты — формальдегид и ви-нилхлорид, которые выделялись из ДСП со связующим из фенольной смолы при температуре кипения связанного формальдегида 83,5°С и из поливинил-хлоридного линолеума при температуре кипения связанного винилхлорида 88°С, т.е. на начальной стадии пожара. В этой же работе было получено
уравнение, определяющее концентрацию вредных веществ в воздухе при его кипении:
я... ( ,- Е,„ ( 11 Л Л
с1 _ пдк + к14—0е Я— .
-1
(1)
где ПДКг — предельно допустимая концентрация г-го вещества;
К1 — постоянная величина, зависящая от характеристик молекул и характера столкновений; Т — абсолютная температура, при которой измерена ПДК; 0 — время кипения; Еа1 — энергия активации г-го вещества; Я — универсальная газовая постоянная; Ти — температура кипения г-го вещества. Зная объем вещества V с температурой, равной температуре кипения —ы, можно найти массу летучих компонентов г-го вещества:
т = с,V (2)
где С1 — определяется по формуле (1).
2. Расчет прогрева материалов при пожаре и выделения вредных веществ
В твердых телах температура кипения достигается в разных точках пространства в различные моменты времени, поэтому объем V является функцией времени прогрева вещества до температуры кипения.
ДСП и линолеум можно рассматривать как неограниченные пластины, поскольку их толщина гораздо меньше длины и ширины. Для пластины объем вещества, из которого идут испарения:
V=Sx,
где S — площадь пластины;
х — толщина прогрева пластины до температуры кипения.
Для определения распределения температуры по толщине пластины I (х, т) (т — текущее время) рассмотрим уравнение нестационарной теплопроводности с граничными условиями следующего вида [8]:
Э—(х, т) _ Э 2—(х, т);
дт _а Эх2 ' —т) |т_0 _ -0;
^д—(х, т)
х
Эх Э—(х, т)
_ 0;
х_0
Эх
с_8
-а[—р (т) - — (х,т)]|х_5_0,
где а — коэффициент температуропроводности; —0 — начальная температура; X — коэффициент теплопроводности;
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 6'2004
X, MM
8 — координата полутолщины пластины; а — коэффициент теплоотдачи; Tp (т) — изменяющаяся со временем температура пожара.
Наличие во втором граничном условии системы уравнений (3) изменяющейся со временем температуры пожара Tp (т) усложняет решение данной системы уравнений по сравнению с известными случаями. Однако, проделав ряд преобразований [8], можно получить решение, удобное для практического применения:
T(x, т) = Tp (т) + (To - Tp (0))£ A„ cos ц „ х
x
j f (u)
n=1
2 a
-Ц n-T ( т-и)
х- I f (U)e 80
du,
(4)
здесь
An =
2sin ц n
ц п + вш ц п сое ц п где цп — корни характеристического уравнения
с*нц =—ц.
а8
Для получения решения о температурном поле в неограниченной пластине, нагреваемой температурным режимом пожара, пропорциональным стандартной кривой, воспользуемся уравнением:
Тр (т) = Т0 + у 149,83 1п(480т + 1), (5)
где у — коэффициент пропорциональности.
Перейдем к решению задачи по определению количества формальдегида, которое выделяется с поверхности 5 ДСП с учетом неодновременного прогрева плиты по толщине до температуры кипения Ти, равной 83,5°С, и разрешим уравнение (4) относительно координаты х. В результате получим функциональную зависимость координаты х = ф(т, Ти). Данное уравнение определяет значение координаты х, в которой к моменту времени т температура достигает Ты. Тогда количество вещества , выделяющееся с поверхности 5 при достижении в точкех температуры кипения Ти, составит:
mi = CixS=Ci ф (т, Tu) S.
(6)
Удельное количество формальдегидаpt определяется соотношением:
pt = mt /S = Ci ф (т, TM).
(7)
Для определения х выберем параметры ДСП, необходимые для расчета Т (х, т) по уравнению (4). Для легких ДСП:
— теплоемкость с1 = 0,33 Вт • ч/(кг • град);
— теплопроводность = 0,04 Вт/(м-град);
— плотность р1 = 200 кг/м3,
0,008 -0,006 -0,004 0,002 0
0 0,023 0,045 0,068 0,09 0,11 0,14 0,16 т, ч
1_I_I_I_I_I_I_I_I
120 140 160 180 200 220 240 260 Тр, °С
РИС.1. Зависимость глубины прогрева ДСП до температуры кипения
тогда получим а1 = 6 • 10-4 м2/ч, параметр Био Б11 = а8/^1 = 5,217, где 8 = 9 • 10-3м — полутолщина плит; а — коэффициент теплоотдачи, а = 11,63ехр(0,0023Тр), Вт/м2 [9]; Тр — температура пожара, при расчете выбрана равной среднему значению 327,5°С [10].
Для более тяжелых плит: с2 = 0,556 Вт •чДкгтрад), = 0,09 Вт/(м-град), р2 = 700 кг/м3, а2 = 6 • 10-4 м2/ч и Б12 = 2,319 [11]. Температура пожара выбиралась по выражению (5) при у = 0,37 [10].
Зависимость координаты прогрева х до температуры кипения для двух случаев показан на рис. 1, ниже приведена шкала температур. В более легких плитах (кривая 1) температура кипения достигается быстрее, чем в тяжелых (кривая 2) по всей толщине.
Для определения удельного выхода формальдегида подставим выражение (1) в равенство (7) и получим:
pi =[пдкг + Ki е{ VTkT exp
r F Л
RTk
ki /
expET |]ф(т Tk ).
(8)
Полагая, что мощность источника тепла и градиент нарастания температуры на пожаре больше, чем в эксперименте по сжиганию ДСП, примем, что фронт прогрева плиты и фронт выкипания формальдегида движутся синхронно. Фронт выкипания смещен относительно фронта прогрева на время кипения, которое согласно экспериментальным данным [7] принимаем 0 = 2 мин.
На рис. 2 представлены графики выхода форма-льдегидаиз плиты, построенные по формуле (8) для легких (кривая 1) и тяжелых (кривая 2) плит. Внизу приведена шкала температур пожара.
Как видно из рис. 2, выделение формальдегида из легких плит идет интенсивнее, чем из тяжелых. Выход формальдегида из легких плит начинается
Pi, мг/м2
80 60 40 20 0
0 0,031 0,063 0,094 0,13 0,16 0,19 0,22 т, ч
1_I_I_I_I_I_I_I_I
0 173 210 232 250 261 270 278 Tp, °С
РИС.2. Зависимость удельного выделения массы формальдегида от времени пожара
через 3 мин после начала пожара при температуре пожара 192°С и заканчивается через 6 мин при 235°С. Выход формальдегида из тяжелых плит начинается через 4 мин после начала пожара при температуре пожара 210°С и заканчивается через 12 мин при 274°С.
Таким образом, через 12 мин после начала пожара весь формальдегид выходит из плиты, при этом температура пожара не превышает 274°С.
Выводы
Огромные людские потери в нашей стране при пожарах в основном происходят за счет отравления
токсичными продуктами горения и термического разложения строительных, отделочных материалов и предметов интерьера помещений. Поэтому необходимо обратить внимание на ранние стадии пожара, при которых происходит прогрев строительных и отделочных материалов с интенсивным выделением вредных летучих веществ, отрицательно воздействующих на здоровье людей, вплоть до летального исхода. Этот процесс начинается еще до воспламенения горючих материалов.
В настоящей работе дано аналитическое решение задачи прогрева пластины при различных режимах изменения температуры внешней среды, в том числе и для условий стандартного пожара. Определено количество загрязняющих веществ, выделяющихся при пожарах в атмосферу, с учетом времени прогрева строительных материалов.
Однако действующие сегодня нормативные документы, в частности СНиП [3], пожарную опасность строительных материалов определяют на стадии их горения. С другой стороны, санитарно-гигиенические сертификаты на строительные и отделочные материалы выдаются для условий их эксплуатации при нормальных температурах. Поэтому необходимо проведение организационных и технических мероприятий для снижения отрицательных последствий от выхода вредных летучих компонентов из различных материалов при их прогреве при пожаре до температуры их воспламенения.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общиетребования.
2. Брушлинский Н. Н. и др. О динамике пожарных рисков и управлении ими // Пожарное дело. 2002. № 9. С. 16-18.
3. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
4. Туркин Б. Ф. Состояние пожарной безопасности. Тенденции и прогноз изменения обстановки с пожарами // Пожарная безопасность, информатика и техника. 1997. № 2. С. 46-57.
5. Щеглов П. П., Иванников В. Л. Пожароопасность полимерных материалов. — М.: Строй-издат, 1992. — 110 с.
6. Исаева Л. К. Экология пожаров, техногенных и природных катастроф: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 301 с.
7. Заряев А. В. Разработка метода защиты окружающей среды от горения строительных материалов по экологическим последствиям пожаров / Автореф. дисс... канд. тех. наук. — Воронеж: ВГАСА, 2000. — 20 с.
8. Зайцев А. М., Заряев А. В. Прогрев железобетонных конструкций при пожаре // Изв. Вузов. Строительство. 1996. № 6. С. 9-12.
9. Романенко П. Н., Кошмаров Ю. А., Башкирцев М. П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. — М.: Изд-во ВШ МВД СССР, 1977. — 415 с.
10. Дечев Д. Д. Методика расчета огнестойкости строительных конструкций с учетом температурных режимов реальных пожаров /Автореф. дисс. канд. тех. наук. — М., 1990. — 18 с.
11. Строительные материалы: Справочник / Болдырев А. С., Золотов П. П., Люсов А. Н. и др. — М.: Стройиздат, 1989. — 567 с.
Поступила в редакцию 06.08.04.
