CC BY
37
Канд. хим. наук, доцент, Московский государственный строительный университет
Т. Г. Бельцова
Соискатель кафедры "Пожарная безопасность" Московского государственного строительного университета
О. Н. Корольченко
УДК 614.841.3:620.197.6
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ ПО ПОВЕРХНОСТИ 0ГНЕЗАЩИЩЕНН0Й ДРЕВЕСИНЫ
Проведено исследование условий распространения пламени по поверхности огнезащищенной древесины про-мышленно выпускаемыми пропитками и покрытиями. Для оценки эффективности огнезащитного действия использован стандартный метод испытания строительных материалов на распространение пламени. Установлено, что обработка древесины средствами огнезащиты позволяет получить материалы группы РП2 — медленнораспрост-раняющие пламя.
Эффективность прогнозирования пожарной опасности при применении огнезащищенной древесины в значительной мере определяется возможностью предсказания условий распространения пламени по ее поверхности. Систематических исследований в этой области не проводилось. Вместе с тем, для успешной разработки и принятия обоснованных решений по обеспечению пожарной безопасности изделий из огнезащищенной древесины необходимо знать закономерности поведения этих материалов в условиях пожара (особенно в начальной стадии) и учитывать ограничения, характерные для изучаемого процесса.
В соответствии с изложенным, в настоящей работе сформулирована задача определения условий распространения пламени по поверхности древесины, обработанной огнезащитными составами.
В качестве метода исследования была использована методика, предусмотренная государственным стандартом [1]. Схема испытательной установки показана на рис. 1. Экспериментальная установка включала в себя следующие основные части:
• испытательную камеру с дымоходом и вытяжным зонтом;
• источник лучистого теплового потока (радиационную панель);
• источник зажигания (газовую горелку);
• держатель образца.
Установка была снабжена приборами для измерения и регистрации температуры в испытательной камере и отводящем дымоходе, поверхностной плотности теплового потока, скорости потока воздуха в дымоходе.
Источником зажигания являлась газовая горелка с диаметром выходного отверстия 1,0 мм, обес-
печивающая формирование факела пламени длиной от 40 до 50 мм. При испытании образцов пламя газовой горелки касалось поверхности образца в точке "0" (рис. 2).
Для определения температуры в испытательной камере использовали термоэлектрический преоб-
п
10
Рис. 1. Схема установки для испытаний на распространение пламени по ГОСТ Р 51032-97 [1] (размеры приведены в мм): 1 — испытательная камера; 2 — платформа; 3 — держатель образца; 4 — образец; 5 — дымоход; 6 — вытяжной зонт; 7—термопара; 8 — радиационная панель; 9 — газовая горелка; 10 — дверца со смотровым окном
Рис. 2. Схема взаимного расположения радиационной панели, образца и газовой горелки: 1 — держатель; 2 — образец; 3 — радиационная панель; 4 — газовая горелка
5
9
12 10
8
н ЕС И
С 6 ЕС „ С 4
Таблица 1. Классификация огиезащищеиной древесины по группам распространения пламени в зависимости от критической плотности падающего теплового потока
100 300 500 700 Длина, мм
900
Рис. 3. Распределение поверхностной плотности теплового потока (ППТП) по поверхности образца
разователь с диапазоном измерения от 0 до 600°С, в качестве датчика поверхностной плотности теплового потока — водоохлаждаемый приемник теплового излучения с диапазоном измерения от 1 до 15 кВт/м2 и погрешностью не более 8%.
Скорость потока воздуха в вентиляционной системе устанавливали в пределах от 1,1 до 1,34 м/с. После получения требуемого расхода воздуха включали радиационную панель и прогревали камеру до достижения теплового баланса. Тепловой баланс считали достигнутым, если температура в испытательной камере, фиксируемая термоэлектрическим преобразователем, изменялась не более чем на 7°С в течение 10 мин.
После достижения теплового баланса в отверстия калибровочного образца последовательно устанавливали приемник теплового излучения и по результатам строили график распределения поверхностной плотности теплового потока на продольной оси образца (рис. 3).
Для испытаний готовили по пять образцов. Нанесение огнезащитных составов производили кистью. При этом соблюдалась технология нанесения, рекомендованная организациями-производителями. Массу нанесенного состава контролировали весовым методом — взвешиванием образцов до нанесения состава и после полного высыхания.
По окончанию испытаний измеряли длину поврежденной части каждого из образцов с точностью до 1 мм. Повреждением считали выгорание и обугливание материала в результате распространения пламенного потока и обугливание образца в результате распространения пламени по его поверхности. Иные изменения поверхности образца повреждениями не считались.
Величину критической поверхностной плотности теплового потока устанавливали на основании результатов измерения длины распростране-
Группа распространения пламени РП1 РП2 РП3 РП4
Критическая по- > 11 От 8 От 5 <5
верхностная плот- до 11 до 8
ность теплового
потока, кВт/м2
Таблица 2. Испытанные огнезащитные составы
Название средства огнезащиты Вид покрытия Группа огнезащитной эффективности, при расходе, г/м2
Асфор Пропитка II (300)
Асфор-Экстра Пропитка I (350)
Пирилакс Пропитка I (280)
Негорин Лак-1 Лак I (350)
ОЗК-45 Д Краска I (300)
МПВО Обмазка I (700)
ния пламени по графику распространения плотности падающего теплового потока по поверхности образца, полученному при калибровке установки (см. рис. 3).
Классификация огнезащищенной древесины по группам распространения пламени производилась в соответствии с ГОСТ Р 51032-97 [1] (табл. 1).
Для определения влияния огнезащитных составов на условия распространения пламени по древесине были выбраны шесть промышленно выпускаемых составов: три пропитки, огнезащитный лак, краска и обмазка. Перечень изученных составов приведен в табл. 2. Следует отметить, что все составы, за исключением пропитки Асфор, относятся по классификации НПБ 251-98 [2] к I группе огнезащитной эффективности, т.е. обладают наибольшей эффективностью.
Огнезащищенная древесина по условиям распространения пламени по поверхности сравнивалась с чистой сосновой древесиной. В экспериментах было установлено, что воспламенение не подверженной огнезащитной обработке древесины происходит при критической плотности поверхностного теплового потока 1,5 кВт/м2, после чего распространение пламени фиксируется по всей длине образцов. Таким образом, незащищенная сосновая древесина относится к группе РП4 — материалов, сильнораспространяющих пламя.
Характер распространения пламени по незащищенной древесине показан на рис. 4.
2
0
Рис. 4. Распространение пламени по незащищенной древесине
Огнезащитная обработка поверхности древесины во всех случаях изменяет условия распространения пламени по ней: увеличивается критический поверхностный тепловой поток, при котором происходит воспламенение, снижается скорость распространения пламени. Подобные результаты совпадают с выводами работы [3].
Следует подчеркнуть, что в условиях проведенного эксперимента тепловой поток, падающий на поверхность древесины, имеет две составляющие: тепловой поток от радиационной панели и от возникшего пламени. Скорость выделения летучих продуктов термоокислительного пиролиза древесины вначале возрастает под действием теплового потока от радиационной панели, а затем принимает постоянное значение.
Термоокислительный пиролиз древесины сопровождается не только выделением газообразных продуктов, но и образованием нелетучего карбонизированного остатка. Развитие процесса горения приводит к тому, что толщина формирующегося на поверхности древесины слоя угля с течением времени возрастает. Обладая невысокой теплопроводностью, угольный слой способствует снижению переноса тепла в свежие слои древесины.
Как показано в работе [3], с увеличение расхода огнезащитного состава воздействие поверхно-
ц, кВт/м2 10
8
-0- Асфор
Асфор-Экстра
— Пирилакс
Негорин Лак-1
-ж- ОЗК-45 Д
-о- МПВО
• Чистая древесина
200
400 Расход, г/м3
600
Рис. 5. Влияние расхода огнезащитных составов на критическую поверхностную плотность теплового потока ц
стной плотности теплового потока большой мощности (50 кВт/м ) приводит к снижению скорости потери массы при горении древесины. Отсюда следует вывод о том, что огнезащитные композиции влияют на динамику термоокислительного пиролиза, замедляя скорость выделения газообразных летучих продуктов.
Результаты экспериментов подтвердили сделанные выводы (рис. 5): увеличение расхода средств огнезащиты сопровождается ростом критической плотности теплового потока, при котором наблюдается распространение пламени. При этом группа распространения пламени древесины изменяется от РП4 (сильнораспространяющая пламя) до РП2 (слабораспространяющая пламя).
В опытах максимальные расходы средств огнезащиты ограничивались рекомендациями их производителей, которые ориентировались на достижение I или II групп огнезащитной эффективности. Можно полагать, что увеличение расхода огнезащитных составов позволит получать древесину, относящуюся к группе РП1 — нераспространяющих пламя материалов. Наиболее близкие к этой группе результаты получены для ОЗК-45 Д и Пирилакса, для них при расходе 300 и 280 г/м2 соответственно получены значения критической плотности поверхностного теплового потока 10,9 кВт/м2.
Значения критической плотности поверхностного теплового потока при нормативных расходах огнезащитных составов приведены в табл. 3.
Как показал визуальный анализ образцов древесины после испытаний, на поверхности необработанной древесины обнаружены типичные следы хвойной древесины с множеством трещин. После обработки огнезащитными составами создается
6
4
2
0
0
Таблица 3. Критическая плотность поверхностного теплового потока
Огнезащитный состав Нормативный расход, г/м2 Группа огнезащитной эффективности по НПБ 251-98 [2] Критическая плотность поверхностного теплового потока, кВт/м2 Группа распространения пламени по ГОСТ Р 51032-97 [1]
Чистая древесина 1,5 РП4
Асфор 300 II 9,0 РП2
Асфор-Экстра 350 I 9,9 РП2
Пирилакс 280 I 10,9 РП2
Негорин Лак-1 350 I 9,9 РП2
ОЗК-45 Д 300 I 10,9 РП2
МПВО 700 I 9,8 РП2
обугленный плотный слой, характеризующийся однородностью и отсутствием глубоких трещин.
Таким образом, можно сделать вывод, что решающую роль в огнезащите древесины при применении различных по химической природе огнезащитных составов играет образование на ее поверхности коксового слоя. Пропиточные составы и покрытия в условиях повышенных температур реагируют с древесиной и, по-видимому, ускоряют реакции дегидрации и сшивания макромолекул целлюлозы. Наибольший эффект наблюдается у составов, образующих вспененный коксовый слой на поверхности древесины и способствующих процессу переугливания.
Скорость переугливания, т.е. распространения угольного слоя вглубь древесины, существенным образом влияет на условия распространения пламени. Экспериментальные данные по скорости пере-угливания сосновой древесины приведены в работе [4]. Автором учитывались основные факторы, влияющие на скорость переугливания: интенсив-
ность внешнего теплового потока, концентрация кислорода в окружающей среде, плотность древесины, ее влагосодержание. В наших опытах при воздействии тепловых потоков, равных 10 кВт/м2, обнаружено увеличение скорости переугливания обработанной огнезащитными составами древесины примерно вдвое по сравнению с необработанной. Быстрое переугливание задерживает последующий термоокислительный пиролиз нижележащих слоев древесины и, тем самым, снижает скорость распространения пламени.
Выводы
1. Установлено существенное влияние огнезащитной обработки сосновой древесины на условия распространения пламени по поверхности.
2. Исследованные средства огнезащиты при рекомендованных производителями расходах позволяют переводить огнезащитную древесину в группу РП2 — материалов, медленнораспространяю-щих пламя.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 51032-97. Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени.
2. НПБ 251-98. Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний.
3. Асеева, Р. М. Эффективность и механизм действия двух огнезащитных систем для древесины / Р. М. Асеева, Б. Б. Серков, А. Б. Сивенков [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 5. — С. 23-30.
4. Miccova, Е. Charring of Wood Bases Materials / E. Miccova // Proceedings of 3rd International Symposium on Fire SafetyScience. — Edinburgh, 1991. — P. 547-556.
Поступила в редакцию 31.03.08.
