CC BY
23
УДК 614.841.411:667.637
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ СОСНЫ, ОБРАБОТАННОЙ ОГНЕБИОЗАЩИТНЫМ СОСТАВОМ
С. Н. НАКОНЕЧНЫЙ, Н. М. ПАНЕВ, А. Л. НИКИФОРОВ, С. Н. УЛЬЕВА
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected]
В настоящее время древесина хвойных пород является одним из основных конструкционных строительных материалов. Ее массовое применение обусловлено высокими эксплуатационными свойствами материала, доступностью и относительно невысокой стоимостью. Кроме перечисленных достоинств, древесина хвойных пород обладает и довольно серьезными недостатками - низкой биостойкостью и высокой пожарной опасностью. Поэтому для понимания процессов горения и дымооб-разования необходимо проводить исследования в целях установления показателей свойств пожарной опасности древесины различных пород. Это, в свою очередь, поможет привести к созданию средств огнезащиты различной природы, способных снизить показатели свойств пожарной опасности материалов на основе древесины. Настоящая работа посвящена изучению влияния разработанного огнебиозащитного состава на параметры воспламенения и самовоспламенения древесины сосны (критической поверхностной плотности теплового потока, при достижении которой инициируется сам процесс воспламенения и времени воспламенения) с использованием стандартной установки по определению групп воспламеняемости строительных материалов «ВСМ». Данная работа является продолжением исследований в области изучения процессов воспламенения и самовоспламенения древесины различных пород и оценки огнезащитной эффективности средств огнезащиты древесины.
Ключевые слова: время воспламенения, процесс воспламенения, древесина сосны, тепловой поток, огнебиозащитный состав.
THE DETERMINATION OF INDICATORS OF FLAMMATION OF PINE WOOD TREATED WITH FIRE PROTECTIVE COMPOSITION
S. N. NAKONECHNYY, N. M. PANEV, A. L. NIKIFOROV, S. N. ULIEVA
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
Nowadays, the softwood is one of the main structural building materials. Its widespread use is due to the high performance properties of the material, availability and relatively low cost. In addition to the listed advantages, coniferous wood also has rather serious disadvantages - low biostability and high fire hazard. Therefore, to understand the processes of combustion and smoke formation, it is necessary to conduct research in order to establish indicators of the properties of the fire hazard of wood of various species. This, in turn, will help lead to the creation of fire protection means of various natures that can reduce the indicators of the fire hazard properties of wood-based materials. This work is devoted to studying the effect of the developed fire-retardant composition on the parameters of ignition and self-ignition of pine wood (the critical surface density of the heat flux, upon reaching which the ignition process itself and the ignition time are initiated) using a standard installation for determining the flammability groups of building materials "VSM". This work is a continuation of research in the field of studying the processes of ignition and self-ignition of wood of various species and assessing the fire-retardant efficiency of wood fire-protection means.
Key words: ignition time, ignition process, pine wood, heat flux, fire retardant composition.
© Наконечный С. Н., Панев Н. М., Никифоров А. Л., Ульева С. Н., 2021
80
Пожарная опасность древесины изучается и по сей день различными научными коллективами (см. напр. [1-2]), при этом, в основном, рассматриваются пути снижения пожарной опасности и повышения биостойкости древесины за счет ее модифицирования различными химическими составами. Целью настоящей работы являлось изучение возможностей огнезащитного состава, который должен обладать необходимыми огне - и биозащитными свойствами, при этом состоять из доступных недорогих компонентов и являться довольно экологичным при их совместном применении в виде водного раствора. В состав огнезащитного средства были включены сульфат аммония (в виде антипи-рена), аммофос, ортофосфорная кислота, жидкое стекло и раствор аммиака.
Введение в состав антипирена (сульфата аммония) аммофоса и ортофосфорной кислоты (в виде азотосодержащего и фосфоросодержащего соединений) должно привести к появлению в присутствии воды системы "азот (Ы) - фосфор (Р)", совместное действие которой должно состоять в образовании над поверхностью древесины газообразной преграды из аммиака, которая будет затруднять доступ кислорода и угнетать окисление углерода в газовой фазе, тем самым создавая эффект задувания. Наличие ортофосфорной кислотой в сочетании с азотом при нормальных условиях эксплуатации должно исключать гидролиз (разложение вещества при взаимодействии с водой) древесины. При высоких температурах происходит плавление компонентов огнезащитной композиции, что приводит к образованию на поверхности древесины защитной пленки, тем самым предохраняя ее от тления после прекращения процесса пламенного горения. Кроме всего вышеперечисленного, отсутствие в составе фенола и использование только азот- и фосфоросодержащих компонентов снижает вредность изготовления огнезащитного состава.
В нашу задачу входило приготовление искомого раствора с данными компонентами и проведение испытаний по первичной оценке огнезащитной эффективности разрабатываемого средства. Ранее экспериментально нами было установлено, что огнезащитное средство, отвечающее I группе огнезащитной эффективности, может состоять из компонентов со следующим соотношением: «аммофос (48,5 %) - сульфат аммония (48,5 %) - ортофосфорная кислота (3,0 %) -раствор аммиака» [3]. Обработка проходила в два этапа: сначала образцы подвергались обработке изучаемым огнезащитным соста-
вом, затем, после просушки, образцы подвергались обработке жидким стеклом, имеющим хорошие декоративные и биозащитные свойства.
В ходе испытаний было проведено наблюдение за процессом воспламенения паровоздушной смеси, образующейся над поверхностью образцов древесины при воздействии высоких температур. В экспериментах использовались образцы древесины сосны. В качестве образца был представлен обработанный огнезащитным составом образец древесины сосны. Испытания проводились по методике ГОСТ 30402-961.
После проведения градуировки испытательного оборудования, порядок которой подробно описан в ранних работах [4], мы исследовали процессы воспламенения и самовоспламенения необработанных образцов древесины сосны.
Ввиду того, что при пожарах при больших значениях тепловых потоков может происходить самовоспламенение деревянных строительных конструкций, мы в данной работе решили также исследовать характер самовоспламенения образцов древесины сосны при различной интенсивности нагрева до Т = 1000 0С - при 15- и 30-минутном нагреве. Для оценки влияния разработанного огнебиоза-щитного состава на пожарную опасность древесины были проведены эксперименты по определению параметров воспламенения и самовоспламенения обработанных образцов древесины сосны (табл. 1-2).
При исследовании образцов древесины сосны, до появления пламени поверхность испытуемых образцов изменяла свой цвет (как правило, желтела, а затем темнела), обугливалась, активно выделялась влага и горючая паровоздушная смесь, появлялся дым (рис. 1). Это связано с высоким содержанием экстрактивных веществ (участвующих в образовании кокса), терморазложение которых приводит к активному дымовыделению.
Проведя испытания по изучению процессов воспламенения и самовоспламенения образцов древесины сосны, следующим этапом нашей работы было исследование влияние огнебиозащитного состава на поведение образцов древесины.
В качестве образцов были взяты обработанные образцы древесины сосны с расходом разработанного огнебиозащитного состава 600 г/м2.
1
ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость.
Для более полной оценки влияния огнезащитного состава на поведение древесины, мы также провели серию испытаний образцов на воспламеняемость при тепловых потоках q = 15 и q = 20 кВт/м2; на самовоспламеняемость
- при 15- и 30-минутном нагреве до температур Т=1000 0С. Температура окружающей среды №с = 220С. Результаты свели в табл. 3-4 и рис. 2-3.
Таблица 1 Результаты испытаний на воспламеняемость необработанной древесины сосны
п/п Порода древесины t0 C tn0C среднее Чв,кВт/ м2 Чв, 2 кВт/м2 среднее Тв, сек Твср, сек среднее
1. 740 15,0 50
2. 740 740 15,0 15,0 48 47
3. сосна 741 15,0 43
4. 830 20,0 28
5. 831 830 20,0 20,0 24 26
6. 830 20,0 26
Таблица 2 Результаты испытаний на самовоспламеняемость необработанной древесины сосны при 15- и 30-минутном нагреве до температур Т=1000 0С
п/п Порода древесины Тнагр1 мин. t 0C 1сВ1 C ППТП, кВт/м2 Чсв> кВт/м2 среднее Тсв, сек Тсвср, сек среднее
1. 695 13,0 614
2. 15 690 12,9 13,0 600 613
3. сосна 715 13,2 625
4. 706 13,1 1201
5. 30 716 13,2 13,2 1212 1211
6. 720 13,2 1219
Рис. 1. Выделение горючей паровоздушной смеси при испытаниях
Таблица 3. Результаты испытаний на воспламеняемость образцов древесины сосны, обработанных огнебиозащитным составом (расход 600 г/м2)
№, п/п Порода древесины 10 C tn0C среднее qB,KBT/ м2 qB,KBT/M2 среднее тв, сек Твср, сек среднее
1 740 15,0 229
2 741 740 15,0 15,0 243 237
3 сосна 740 15,0 240
4 830 20,0 104
5 831 830 20,0 20,0 115 113
6 830 20,0 120
Таблица 4. Результаты испытаний на самовоспламеняемость образцов древесины сосны, обработанных огнебиозащитным составом (расход 600 г/м2) при 15- и 30-минутном нагреве до температур 1=1000^
№, п/п Порода древесины тнагр1 мин. т 0 C qB,KBT/ м2 qB,KBT/M2 среднее Тсв, сек Тсвср, сек среднее
1 785 18,1 811
2 15 795 18,2 18,1 825 814
3 сосна 779 18,1 806
4 821 18,7 1484
5 30 833 18,9 18,8 1514 1501
6 829 18,8 1505
В соответствии с принятой классификацией все исследованные образцы древесины сосны по воспламеняемости относятся к группе В3 - легко воспламеняемых материалов2.
Как показали исследования, при температуре порядка 120°С с поверхности образцов древесины начинала интенсивно испаряться влага, после чего наблюдалось разложение компонентов огнезащитного состава с выделением газообразных веществ.
В опытах заключительной части работы зафиксировано увеличение поверхностной плотности падающих тепловых потоков (а также значений времени воспламенения и самовоспламенения), которые приводят к воспламенению древесины.
Наблюдения за изменением состояния поверхности образцов в процессе воздействия на них внешнего теплового потока показали, что заметные термические превращения начинаются уже при тепловых потоках 6,0 кВт/м2. Дальнейшее увеличение плотности тепловых потоков сопровождается более интенсивным обугливанием поверхности, образованием трещин в поверхностном слое и воспламенением выделяющихся продуктов термического разложения.
Задача огнезащиты заключается, прежде всего, в необходимости подавления
2 Федеральный закон от 22.07.2008 N 123-Ф3 (ред. от 27.12.2018) «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
процессов воспламенения и горения древесины, нарушения активного участия трёх обязательных составляющих этого процесса (классического треугольника горения): горючего вещества (материала), окислителя (кислорода воздуха) и источника зажигания - теплового потока от зоны горения (нагрева) к поверхности древесины.
Применение огнезащитных составов, как показали исследования, способствует увеличению времени огневого воздействия до начала воспламенения, при этом толщины обугленного слоя образцов, обработанных огнезащитным составом, практически не отличались по значениям от толщин необработанных образцов (рис. 4).
Визуальный осмотр испытанных образцов древесины сосны показал наличие обугленного слоя толщиной от 1 до 3 мм, причем в центре образцов слой был глубже, нежели по краям, на стыке с алюминиевой фольгой. Толщины обугленного слоя образцов, обработанных огнезащитным составом, практически не отличались по значениям от толщин необработанных образцов.
Полученные данные показали, что образцы древесины сосны, обработанные разработанным огнебиозащитным составом, имеют большие значения как времени воспламенения, так и плотности тепловых потоков, при которых происходит самовоспламенение образцов по сравнению с необработанными образцами.
300-, 250200,150-100500-
I I необработанный образец сосны
образец сосны, обработанный огнебиозащитным составом
15
q, кВт/м
20
Рис. 2. Результаты испытаний на воспламеняемость необработанных и обработанных разработанным огнебиозащитным составом образцов древесины сосны д, кВт/м2 = ^аф, мин.)
1500 1250 1000 750 500 250 0
] необработанный образец сосны
1 образец сосны, обработанный огнебиозащитным составом
15
30
Рис. 3. Результаты испытаний на самовоспламеняемость необработанных и обработанных разработанным огнебиозащитным составом образцов древесины сосны д, кВт/м2 = ^аф, мин.)
Рис. 4. Обработанный огнезащитным составом образец древесины сосны до и после проведенных испытаний
Завершение исследования огнебиоза-щитного состава состояло в проведении испытаний на устойчивость к воздействию влаги обработанных образцов древесины сосны по ГОСТ 30704-20013.
Было заготовлено 10 образцов древесины сосны, обработанных огнебиозащитным составом и 4 незащищенных образца древесины сосны, определены их массы. После выдерживания в течение 24 часов в сосуде с дистиллированной водой, образцы вновь взвешены, значения представлены в табл. 5-6, рис. 5.
3 ГОСТ 30704-2001. Защитные средства для древесины. Методы контроля качества.
Таким образом, 50 % от среднего значения водопоглощения незащищенных образцов древесины сосны составляет: 0,5- Wср= 40,73 %
Как видно из полученных данных (табл. 6, рис. 5), во всех десяти случаях значение водопоглощения образцов древесины сосны, обработанных огнебиозащитным составом, не превышает 50 % (40,73 % по абсолютному значению) значения водопоглощения контрольных (незащищенных) образцов, что соответствует требованиям ГОСТ 30704-2001 по свойству водопоглощения.
мин
X
Таблица 5. Результаты испытаний на водопоглощение контрольных незащищенных образцов древесины сосны
Таблица 6. Результаты испытаний на водопоглощение образцов древесины сосны, обработанных огнебиозащитным составом (расход 600 г/м2)
№, п/п mi m2 W, % Wcp, %
1. 21,52 39,43 83,22
2. 21,21 38,56 81,80 Я1 A~!
3. 21,68 39,94 84,23 8 1,4/
4. 21,09 37,25 76,62
№, п/п mi m2 W, %
1. 27,95 34,15 22,18
2. 27,56 34,35 24,64
3. 27,73 35,64 28,53
4. 27,45 34,89 27,10
5. 28,09 35,21 25,35
6. 27,64 34,51 24,86
7. 28,15 34,81 23,66
8. 27,82 35,9 29,04
9. 27,9 34,44 23,44
10. 27,79 35,75 28,64
Рис. 5. Результаты испытаний на водопоглощение образцов древесины сосны
Список литературы
1. Асеева P. M., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Выделение дыма при термическом разложении и горении древесины // Лесной вестник, 2004, № 2 (33). С. 99-103.
2. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б., Барботько С. Л., Круглов Е. Ю. Характеристики тепловыделения при горении древесины различных пород и видов // Пожаровзры-вобезопасность, 2011, т. 20, № 7. С. 2-7.
3. Наконечный С. Н., Старков Д. А. Первичная оценка огнезащитных свойств пропиточных составов. Сборник Тезисов 3-й Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки 2014» // Отв. ред. А. В. Герасимов [Электронный ресурс] Казань: Изд-во КФУ, 2014.
4. Наконечный С. Н. Исследование процесса воспламенения образцов древесины ели // Современные научные исследования и
инновации. 2017. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/09/84264 (дата обращения: 04.09.2017).
References
1. Aseeva P. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B. Vydelenie dyma pri termicheskom razlozhe-nii i gorenii drevesiny [Smoke generation during thermal decomposition and gorenje wood]. Lesnoj vestnik, 2004, № 2 (33). P. 99-103.
2. Aseeva R. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B., Barbot'ko S. L., Kruglov E. Yu. Harakteristiki teplovydeleniya pri gorenii drevesiny razlichnyh porod i vidov [Characteristics of heat release during gorenje wood of various breeds and types]. Pozharovzryvobezopasnost, 2011, t. 20, № 7. P. 2-7.
3. Nakonechnyj S. N., Starkov D. A. Pervichnaya ocenka ognezashchitnyh svojstv
propitochnyh sostavov [Primary assessment of fire-retardant properties of impregnating compositions]. Sbornik Tezisov 3-j Vserossijskoj Internet-konferencii «Grani nauki 2014», Otv. red. A. V. Gerasimov [Elektronnyj resurs], Kazan': Izd-vo KFU, 2014.
4. Nakonechnyj S. N. Issledovanie pro-
cessa vosplameneniya obrazcov drevesiny eli [Investigation of the ignition process of spruce wood samples]. Sovremennye nauchnye issledo-vaniya i innovacii, 2017, issue 9 [Elektronnyj resurs]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017 /09/ 84264 (data obrashcheniya: 04.09.2017).
Наконечный Сергей Николаевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
старший преподаватель
кандидат химических наук
E-mail: [email protected]
Nakonechnyy Sergey Nikolaevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo senior lecturer
candidate of chemical sciences E-mail: [email protected]
Панев Никита Михайлович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: [email protected]
Panev Nikita Mikhailovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo tutor
E-mail: [email protected] Никифоров Александр Леонидович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник E-mail: [email protected] Nikiforov Aleksandr Leonidovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor, senior researcher E-mail: [email protected]
Ульева Светлана Николаевна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново доцент, кандидат химических наук, доцент E-mail: [email protected]
Ulieva Svetlana Nikolaevna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, associate professor
E-mail: [email protected]
