CC BY
89
Пожаровзрывоопасность
веществ и материалов
УДК 641.841.41
РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ
Д. В. Трушкин
ГПС МЧС России, Омская область
Проведен обзор отечественной и зарубежной методологии испытаний строительных материалов на воспламеняемость и распространение пламени. Проанализированы стандартизованные отечественные методы испытаний по воспламеняемости (ГОСТ 30402-96) и распространению пламени (ГОСТ Р 51032-97), используемые в настоящее время для оценки пожарной опасности строительных материалов и нормирования их применения в строительстве. Предложены пути дальнейшего совершенствования методологии испытаний строительных материалов на воспламеняемость и распространение пламени.
Введение
Декоративно-отделочные, облицовочные и кровельные материалы, потолочные и напольные покрытия характеризуются большой площадью поверхности, как правило, практически не имеют разрывов и являются одним из основных путей распространения горения на пожарах в зданиях.
Пожарная опасность вышеперечисленных строительных материалов главным образом обусловлена такими параметрами, как способность к воспламенению и распространению (после воспламенения) пламенного горения по поверхности [1]. Именно эти параметры во многом лимитируют развитие других опасных факторов пожара, например таких, как интенсивность тепловыделения, образование токсичных продуктов термического разложения и дымового аэрозоля и др.
Воспламеняемость и распространение пламени — два неразрывно связанных между собой параметра, определяющие возникновение пожара, самоускорение процесса его развития и переход к общей вспышке (охвату пламенем поверхностей всех сгораемых конструкций в помещении).
Наиболее важным в методологии испытаний строительных материалов на воспламеняемость и распространение пламени является поиск методов, обеспечивающих наиболее приемлемую корреляцию результатов лабораторных испытаний с реальным поведением материалов в условиях возникновения и развития пожара.
Особенно актуальна разрабона метода лабораторных испытаний, позволяющего адекватно исследовать такой параметр, как распространение пламени по поверхности, особенно для вертикально расположенных материалов, например стеновых панелей. Разработка такого метода сопряжена с рядом технических проблем, основными из которых являются: моделирование теплового режима, который может проявиться на реальном пожаре; малые размеры испытываемых образцов, не позволяющие подробно исследовать процесс перехода ламинарного горения в турбулентное; фиксированная ориентация образца относительно источника нагрева и т.д.
Все вышеперечисленное также затрудняет использование получаемых при испытаниях данных при моделировании развития пожара.
Вместе с тем необходимо заметить, что проведение крупномасштабных испытаний для исследования процесса распространения пламени вряд ли сможет решить все проблемы, т.к. эти испытания, несмотря на близость к процессу реального пожара, также не лишены недостатков, основными из которых являются: трудоемкость, значительная себестоимость и худшая, чем в условиях лабораторных испытаний, воспроизводимость.
Таким образом, в настоящее время продолжает оставаться актуальной разработка методов, являющихся своеобразным компромиссом между масштабами лабораторных и натурных испытаний, позволяющих адекватно оценивать пожарную опас-
ность испытываемых материалов. При этом наиболее перспективными методами испытаний можно считать те, в которых могли бы быть получены данные для моделирования, позволяющие прогнозировать реальное развитие пожара на различных объектах. По-видимому, это возможно лишь при использовании комплексных методов оценки пожарной опасности, позволяющих исследовать влияние характеристик пожарной опасности друг на друга, а также влияние на эти характеристики других факторов, основными из которых являются: характер внешнего теплового воздействия, режим вентиляции (приток кислорода в зону горения) и пространственное расположение испытываемого объекта.
1. Экспериментальные методы определения воспламеняемости
Воспламеняемость, как уже следует из данного термина, определяет способность веществ и материалов к воспламенению, т.е. к возникновению устойчивого пламенного горения после удаления от материала источника зажигания, инициировавшего воспламенение.
Исследование способности материала к воспламенению проводится двумя основными способами:
1. Без использования источника внешнего теплового воздействия (предварительного прогрева материала перед подводом источника зажигания).
В этом случае прогрев материала идет только в локальной зоне, ограниченной размерами пламени источника (см., например, [2], [3]), что соответствует условиям возникновения пожара (начальной стадии).
2. При комбинированном воздействии внешнего теплового потока, обеспечивающего постоянный прогрев поверхности материала, и источника зажигания (см., например, [4 - 6]).
В этом случае обычно определяется минимальная величина внешнего теплового потока, достаточного для поддержания устойчивого пламенного горения, которое может возникнуть от малокалорийного источника зажигания и самостоятельно поддерживаться после его удаления. В работе [6] было предложено эту величину называть нижним пределом теплового потока воспламенения и использовать ее при сравнении воспламеняемости различных материалов. Очевидно, что способ воспламенения при использовании внешнего теплового источника более соответствует условиям пожара, начинающего переходить в развитую стадию.
Каждая из вышеприведенных методологий имеет свои преимущества и недостатки. Большинство пожаров возникает, конечно же, от малокалорийных источников зажигания, но в то же время не надо забывать о том, что вовлеченные в процесс горения легковоспламеняемые материалы могут достаточно быстро выделить тепловую энергию в количестве,
достаточном для предварительного прогрева ("подготовки" к воспламенению) других близ расположенных материалов, воспламенить которые от малокалорийного источника (при отсутствии дополнительных тепловых потоков) обычно не представляется возможным.
В случае если тепловой импульс источника недостаточен для воспламенения расположенных близ него сгораемых веществ и материалов, то ущерб бывает незначительным, и пожар не развивается, в противном случае возникает устойчивый очаг горения, имеющий тенденцию к саморазвитию.
Два вышеописанных способа оценки воспламеняемости материалов являются основными и в зарубежной методологии [7] (в данной работе также дан обзор методов оценки способности материалов к распространению пламени по поверхности).
Кроме непосредственного исследования способности материала воспламеняться от источника зажигания (без или под воздействием дополнительного теплового потока), во многих работах в качестве критерия воспламеняемости предлагается использовать кислородный индекс (КИ), т.е. определять, при каком содержании кислорода в кисло-родообогащенной атмосфере (азот - кислород) материал не способен поддерживать горение.
Предельный кислородный индекс (ПКИ) — это минимальное содержание кислорода в атмосфере, при котором возможно устойчивое горение полимера, ПКИ = [O2]/([O2] + [N2]), где [O2] и [N2] — соответственно концентрации кислорода и азота. Чем выше ПКИ, тем менее воспламеняем полимер. Впервые данный метод был применен для исследования некоторых газообразных и жидких углеводородных топлив (Simmons и Wolfhard, 1966), см., например, [8].
Как недостаток метода можно отметить, что поскольку кислородный индекс (максимальное содержание кислорода в атмосфере, при котором начинается тушение) является величиной, основанной на энергетическом балансе, то любой фактор, влияющий на скорость тепловыделения или скорость тепловых потерь, будет оказывать влияние и на него. Постепенное уменьшение содержания кислорода в атмосфере будет приводить к соответствующему уменьшению скорости тепловыделения, температур пламени и поверхности образца, а также к уменьшению скорости газификации топлива.
В работах [9], [10] также отмечено, что при оценке воспламеняемости методом кислородного индекса следует учитывать, что: — содержание кислорода в условиях реальных пожаров, как правило, ниже; - скорость потока воздуха (газа) и температура около горящего объекта при пожаре обычно выше, чем реализуется в испытаниях по методу КИ;
- КИ зависит от большого числа факторов (геометрии образца, ориентации его в пламени, температуры газа вблизи поверхности образца, времени горения, процессов углеобразования, течения и каплепадения расплава, армирующего эффекта наполнителя и т.д.), которые невозможно спрогнозировать и контролировать в условиях пожара.
Именно поэтому метод КИ не может служить абсолютной характеристикой воспламеняемости, но может вполне успешно дополнять другие методы, например, для более точной оценки огнезащи-щенности полимерных систем.
Необходимо отметить, что кислородный индекс воспламеняемости — высокоспецифичная мера воспламеняемости, он существенно связан с удельной теплотой сгорания А Н большинства материалов, а для многих материалов КИ~ 1/А Н [11]. В России данный метод также стандартизован и применяется для оценки горючести пластмасс (п. 4.14 [12]).
До 1996 года в России основным и единственным стандартизованным методом определения воспламеняемости твердых веществ и материалов являлся п. 4.7 [12], определяющий так называемую температуру воспламенения. Данный параметр, определяемый в условиях лабораторных испытаний, на самом деле имеет большую оторванность от реальных условий возникновения пожара, но в то же время в какой-то мере позволяет оценить способность материала к образованию горючих летучих продуктов, выделяющихся при данной температуре печи со скоростью, достаточной для поддержания устойчивого пламенного горения после удаления источника зажигания.
К основным его недостаткам можно отнести:
- малые размеры образца, фиксированная масса;
- отсутствие возможности испытания образцов, представляющих реальные фрагменты материала, а также образцов с негорючей основой. Как вполне справедливо было указано в [13],
оценка воспламеняемости полимерных строительных материалов по температуре воспламенения возможна лишь в одинаковых режимах теплового воздействия на образцы, кроме того, в методе имеются и технические трудности, связанные, например, с измерением температуры поверхности материалов.
В качестве альтернативного [12] параметра для оценки воспламеняемости отделочных и облицовочных полимерных материалов и нормирования их применения в строительстве в работе [14] было предложено использовать критическую плотность теплового потока qlP, при которой происходит воспламенение. При этом характерной особенностью лабораторных экспериментов, в которых определялся данный параметр, было использование нестационарной зависимости плотности теплового
потока от времени, полученной из анализа крупномасштабных испытаний.
В работе [13] было установлено, что полимерные отделки, кроме параметра , обладают еще одним характерным параметром — пороговой для воспламенения плотностью теплового потока qn, ниже которой воспламенить материал не удается при неограниченном времени теплового воздействия (подобный параметр определяется в настоящее время в методе [4] и является основным для определения воспламеняемости строительных материалов и нормирования их применения в строительстве). В работе [13] было также установлено, что по численным значениям пороговая для воспламенения плотность теплового потока близка к критической, при которой прекращается распространение пламени по поверхности, что еще раз подтверждает взаимосвязь параметров "воспламеняемость" и "распространение пламени" (см. также [32]).
2. Экспериментальные методы определения
способности строительных материалов к распространению пламени по поверхности
При оценке способности строительного материала к распространению пламени по поверхности необходимо учитывать две характерные стадии пожара: начальную и развитую.
В начальной стадии пожара после воспламенения локального участка поверхности строительного материала площадь горения охватывает лишь малый объем помещения, и температура во фронте горения намного превышает среднюю температуру газов, наполняющих помещение. Вследствие этого возникают интенсивные потоки нагретого газа, омывающие часть пока еще холодного потолка помещения и примыкающие к очагу горения участки стен, возникает конвективный механизм теплообмена. На этом этапе пожара он является основным переносчиком тепловой энергии от очага пожара в окружающую среду, так как количество теплоты, передаваемое излучением, пропорционально пока еще небольшой площади фронта горения. Количество теплоты, передаваемое теплопроводностью, тоже невелико (газ плохой проводник тепла), невелики также площадь и температура нагретых поверхностей, от которых тепло распространяется по материалам ограждающих конструкций.
В развитой стадии пожара большое влияние оказывает уже теплообмен излучением между пламенем пожара, высоконагретыми продуктами сгорания и строительными материалами.
Таким образом, скорость распространения пламени зависит от характера развития пожара, а также является функцией еще ряда факторов: типа материала (химических и теплофизических свойств); ориентации материала (вертикальная или горизонтальная); наличия или отсутствия внешнего тепло-
вого потока; температуры внешнего окружения; скорости воздуха вблизи поверхности образца; толщины и ширины образца; состава атмосферы, в которой происходит горение; размера пламени и т.д.
Можно предположить, что в начальной стадии вовлечение в процесс горения в первую очередь будет наблюдаться для отделочных материалов стен, находящихся в непосредственной близости от очага загорания и подвергающихся воздействию интенсивных конвективных потоков нагретых газов, а распространение пламени по напольным покрытиям будет лимитироваться в большей части лучистым излучением, в том числе и от высоконагретых продуктов сгорания, скапливающихся под перекрытием. Необходимо заметить, что хотя лучистый вид теплообмена и становится преобладающим в развитой стадии пожара, во всех стадиях развития пожара не надо исключать влияния на распространение пламени воздушных потоков, обусловленных естественной конвекцией.
Ориентация образца оказывает существенное влияние на распространение пламени по поверхности, поэтому при разработке методов испытаний необходимо обязательно выделять реальный способ использования материала.
Горизонтальная ориентация образцов характерна для покрытий пола, потолочных покрытий и кровельных материалов, но и здесь необходимо заметить, что для потолочных покрытий распространение пламени происходит по поверхности, обращенной вниз, а для покрытий пола и кровельных материалов процесс распространения пламени происходит по горизонтальной поверхности, обращенной вверх, что также необходимо учитывать при разработке испытательных методов.
До принятия [15] основным стандартизованным методом для оценки распространения пламени по поверхности являлся лабораторный метод [12] п. 4.19, в котором определяется индекс распространения пламени, представляющий собой безразмерную величину, с помощью которой в комплексе учитывается теплота сгорания покрытия и его способность при воздействии заданного распределения плотности теплового потока распространять пламя по поверхности.
К достоинствам метода можно отнести то, что он применим для испытаний как вертикально, так и горизонтально эксплуатирующихся материалов, а также возможность использования для отделочных и облицовочных материалов, лакокрасочных и пленочных покрытий основы, принятой в реальной конструкции. К недостаткам — использование "противоестественного" распространения пламени вниз, против движения возникающих конвективных потоков продуктов сгорания, не характерного для реальных пожаров (в этом случае тепло от фронта пламени к
поверхности материала передается в основном теплопроводностью через газовую фазу и исключаются другие виды теплопередачи, имеющие очень большое значение для распространения пламени по вертикально расположенным материалам), и весьма приближенную оценку теплоты сгорания испытываемого покрытия, не учитывающую динамику тепловыделения.
В 80 - 90-х годах во ВНИИПО были разработаны крупномасштабные установки для определения воспламеняемости и распространения пламени по поверхностям облицовочных и отделочных материалов для полов, стен и потолков: "туннельная печь" [16] и "комната-коридор" [17]. Принцип работы установки "комната-коридор" во многом схож с принципом работы установки, разработанной для крупномасштабных испытаний половых покрытий [18], и полигонной методикой испытаний, описанной в [31].
В установке "туннельная печь" была исследована зависимость изменения расстояния распространения пламени по поверхности от высоты облицовки и среднеобъемной температуры пожара и критических тепловых потоков, приводящих к воспламенению [19]. В этой же работе была сделана попытка обосновать допустимую с точки зрения развития пожара по зданию высоту отделок стен поэтажных коридоров (оценочный параметр — средняя в сечении критическая температура газовой среды, при которой полимерные отделки, облицовки и покрытия строительных конструкций еще способны распространять пламя по поверхности).
Из зарубежных крупномасштабных методов по оценке способности отделочных и облицовочных материалов к воспламенению и распространению пламени по поверхности необходимо отметить метод "угол комнаты" при расположении источника тепла в углу, образованного двумя стенами, покрытыми отделочными материалами. Данный метод был предложен в работе [20] и в настоящее время реализован в виде международного стандарта [21]. Основной проблемой данного метода, как и практически всех крупномасштабных, продолжает оставаться сходимость результатов испытаний, проводимых в различных испытательных лабораториях.
3. Достоинства и недостатки стандартных
методов оценки воспламеняемости и распространения пламени по поверхности строительных материалов, принятых в России
Для оценки воспламеняемости и способности к распространению пламени по поверхности строительных материалов в России используют метод испытаний [4], разработанный на основе международного стандарта ИСО 5657-86 "Огневые испытания
—реакция на огонь — воспламеняемость строительных конструкций", и [15], разработанный на основе проекта международного стандарта ИСО/ПМС 9239.2 "Основные испытания — реакция на огонь — распространение пламени по горизонтальной поверхности покрытий".
Анализ методики определения воспламеняемости (ГОСТ 30402-96)
Преимущество метода [4] в отличие от метода п.4.7 [12] состоит в том, что первый позволяет наглядно исследовать процесс воспламенения материала от малокалорийного источника зажигания при воздействии на поверхность материала теплового потока от внешнего источника (теплового излучения определенной интенсивности), а горизонтальная ориентация испытываемого образца позволяет избежать некоторых технических трудностей, связанных с проведением испытаний термопластичных материалов. Необходимо также отметить в данном методе возможность испытания образцов строительных материалов вместе с негорючей основой.
Суть процесса испытания состоит в периодическом подводе к экспонируемой поверхности на расстоянии 10 + 1 мм факела пламени определенного размера, регламентирующегося заданными расходами горючего газа (19-20 мл/мин) и воздуха (160- 180 мл/мин). Экспонируемая поверхность до момента воспламенения подвергается воздействию постоянного во времени и квазиоднородного (отклонение от средней величины на всей поверхности образца не более 5 %) лучистого теплового потока. В процессе термического разложения вблизи разлагающейся поверхности образца формируется характерное концентрационное поле горючих летучих продуктов.
Основные трудности метода состоят в том, что даже в условиях квазиоднородности плотности теплового потока на экспонируемой поверхности невозможно создать вблизи поверхности реальных образцов строительных материалов однородное концентрационное поле горючих продуктов термического разложения, зависящее в любой горизонтальной точке только от вертикальной координаты, т.е. для любых г (0 < г < г0) и ф (0 <ф< 2я) п(г, ф, 2) Ф п0 (2), где г, ф, 2 — цилиндрические координаты, а п — концентрация горючих летучих продуктов (рис. 1), что делает неэквивалентными точку подвода источника зажигания (0, 0, 20) и другие точки (г, ф, 20)| 0<г г 0<ф<2л той же горизонтальной плоскости. 0
Это обусловлено, например, тем, что специфика термического разложения многих образцов карбонизирующихся материалов связана с образованием при нагреве на экспонируемой поверхности вспученной "корочки", через трещины которой выходят горючие
летучие продукты термического разложения. Образование трещин на поверхности, подвергающейся воздействию мощного лучистого теплового потока, является событием случайным, в связи с чем основной поток летучих продуктов не обязательно может оказаться в зоне источника зажигания (факела пламени), т.к. характерные размеры факела (~ 10 мм) много меньше характерных размеров экспонируемой поверхности образца (диаметр — 140 мм). Это обуславливает неоднородность каждой пространственной точки вблизи поверхности разложения по отношению к источнику зажигания, и часто этот факт может препятствовать воспламенению. Таким образом, для реального определения такой характеристики, как воспламеняемость, требуется увеличение количества испытаний, позволяющее исключить случайный характер воспламенения.
Рассмотрим физико-химические процессы, происходящие во время испытания образца материала. Под действием лучистого теплового потока поверхность образца нагревается и при достижении определенной критической температуры начинает термически разлагаться. Летучие продукты термического разложения под действием естественной конвекции удаляются от поверхности образца и по мере удаления от поверхности разложения все интенсивней перемешиваются с воздухом. Момент зажигания (воспламенения) определяется временем достижения вблизи поверхности образца в точке (0, 0, 20) критической концентрации продуктов термического разложения п (0, 0, 20) = Пф, при которой возможно распространение пламени по их газопаровоздушной смеси (вспышка). При этом вторым необходимым условием должна быть достаточная на данный момент времени скорость образования летучих продуктов, обеспечивающая устойчивость пламенного горения после вспышки.
Немаловажно при проведении испытаний жестко контролировать расстояние от источника зажигания до поверхности разлагающегося материала. Во многих случаях касание пламенем поверхности материала, разлагающегося при воздействии определенного теплового потока, приводит к его воспламенению, что не происходит при подводе пламени в приповерхностный слой в точку (0,0,20). Это связано именно с критическими условиями воспламенения, в частности, с концентрационным градиентом летучих продуктов термического разложения вблизи поверхности материала (рис. 1).
Образцы материала не всегда в процессе термического разложения сохраняют первоначальный горизонтальный уровень поверхности (во многих случаях наблюдается их усадка или вспучивание), причем высота вспучивания и глубина усадки изменяются для различных материалов весьма непредсказуемо. Поэтому данное обстоятельство может поставить результаты испытаний в зависимость от
РИС. 1. Характерное распределение в процессе испытания концентрации горючих летучих продуктов термического разложения над экспонируемой поверхностью образца по высоте в выбранной точке горизонтальной плоскости (гь ф^
оператора и вносить значительную погрешность в измеряемую величину, т.к. корректировать расстояние между источником зажигания и поверхностью образца в процессе испытания становится довольно проблематично. В связи с чем не всегда возможно точно выдержать требуемое расстояние, которое после усадки или вспучивания образца становится величиной весьма относительной.
Необходимо заметить, что [4] оставляет произвол по отношению к выбору горючего газа, допуская использовать как пропан, так и пропан-бутано-вую смесь, имеющие различную теплоту сгорания. Например, для 100 % пропана и 100 % бутана теплота сгорания отличается в 1,3 раза [22], что, очевидно, не может не сказываться на определении параметров воспламеняемости.
Анализ методики определения
распространения пламени по поверхности (ГОСТ Р 51032-97)
Метод испытания на распространение пламени по материалам поверхностных слоев конструкций полов и кровель представляет собой исследование способности материала распространять пламя по поверхности под действием внешнего лучистого теплового потока (ИК-излучения) после локального воспламенения участка поверхности от малокалорийного источника зажигания.
Основные принципы метода соответствуют предложенным в [23]. В качестве источника зажигания используется пламя газовой горелки диаметром 1,0 мм (высота пламени 40 - 50 мм). Радиационная панель имеет размеры: длина 450 + 10 мм, ширина 300 + 10 мм и наклонена к горизонтальной поверхности испытываемого покрытия под углом 30 + 5 Распределение плотности (градиент) теплового потока на оси симметрии ("продольной оси образца" в терминах [15]) имеет характерный вид
Длина, мм
РИС. 2. Распределение поверхностной плотности теплового потока на продольной оси образца в установке по ГОСТ Р 51032-97
(рис. 2). Как видно из рисунка, плотность теплового потока д на продольной оси образца не является постоянной и убывает при увеличении расстояния от радиационной панели г.
В результате испытаний по методу [15] определяется критическая плотность теплового потока, при которой распространение пламени по поверхности прекращается.
В некотором роде зависимость, приведенная на рис. 2, характеризует типичное распределение лучистого теплового потока от локального очага, когда в начальной стадии пожара зона пламенного горения еще локализована в пространстве (например, как в установке "комната-коридор" [17]). Тепловое излучение от пламени способно предварительно прогреть поверхность напольного покрытия и характер прогрева во многом влияет на способность к дальнейшему распространению пламени по поверхности. Но как было отмечено в разделе 2 настоящей статьи, в начальной стадии пожара именно конвективные тепловые потоки характеризуют теплообмен между очагом горения и ограждающими конструкциями. Именно поэтому можно предположить, что данное распределение не характерно для начальной стадии пожара. В то же время характерные величины тепловых потоков (1 + 11 кВт/м2), использующиеся в данной методике, не дают право утверждать, что данное распределение характерно и для развившейся стадии пожара, где к тому же надо также учитывать и лучистый тепловой поток от высоконагретых продуктов сгорания, скапливающихся под перекрытием. А ведь именно обоснование распределения внешнего теплового потока на поверхности материала во многом позволит уменьшить относительность метода, а также использовать полученные данные для моделирования распространения пламени в условиях реального пожара.
Наряду с методическими проблемами в установке есть и другой недостаток. В ней не создается принудительно воздушный поток, сонаправленный с движением фронта пламени, т.е. в направлении от нагревателя к дымоходу. Из-за этого в процессе испытания вблизи поверхности образца создаются два "конкурирующих" между собой воздушных потока (рис. 3). Первый поток возникает в результате естественной конвекции, обусловленной работой радиационной панели, а второй возникает в результате вынужденной конвекции, обусловленной работой вытяжной вентиляции. В результате мы получаем на поверхности испытываемого образца две области с противоположно направленными воздушными потоками. Во время испытания это приводит к тому, что в части поверхности покрытия, близкой к нагревателю, распространение фронта пламени происходит в противотоке, т.е. поток воздуха вблизи поверхности материала идет навстречу направлению распространения фронта пламени.
Если схема воздушных потоков, реализованная в испытательной установке [15], характерна для модели "комната-коридор", когда поток воздуха, поступающий в зону горения (в комнату), идет вблизи поверхности пола, а поток нагретых продуктов сгорания идет вблизи поверхности потолка, то корректность ее использования для испытаний кровельных материалов весьма спорна. Здесь воздушный противоток может значительно лимитировать процесс распространения пламени и не соответствовать наиболее опасной ситуации, встречающейся на практике.
Это вполне обосновано, даже учитывая тот факт, что поток воздуха, направленный против движения пламени, может оказывать двоякое влияние на распространение пламени, т.к. с одной стороны, в результате аэродинамического торможения и охлажде-
Дымоход
Направление воздушного потока над поверхностью образца, обусловленного естественной конвекцией (нагревателем)
Образец
Направление воздушного потока Нешральная
над поверхностью образца, пл°ск°сть
обусловленного вынужденной конвекцией (вентиляцией)
РИС. 3. Направление воздушных потоков, возникающих в испытательной установке по ГОСТ Р 51032-97 во время проведения испытаний
ния нагретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени будет снижаться, а с другой стороны, поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов термического разложения с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности излучения, и это ускоряет распространение пламени [30].
4. Развитие методологии
Воспламеняемость
В методологии испытаний по определению воспламеняемости строительных материалов при использовании внешнего теплового воздействия выделяются два характерных подхода:
а) варьирование величин постоянных тепловых потоков (qt = const) [4];
б) использование нестационарного теплового потока [q = f (т)] ([24], [25]).
Как в первом, так и во втором случае целью испытания является определение минимальной величины теплового потока (критического теплового потока), при котором при наличии источника зажигания наблюдается воспламенение испытываемого образца.
Очевидно, что каждая из предлагаемых методик имеет как преимущества, так и недостатки.
В первом методе можно получить информацию о минимальном значении постоянного теплового потока, при котором образец не способен воспламениться даже при наличии источника зажигания q^4, а также оценить зависимость времени зажигания материала от значений стационарных тепловых потоков тзаж = f (q), превышающих критическое значение (qt > qKp).
Во втором методе используется уже определенная зависимость теплового воздействия на образец от времени q = f (т), характерная для тепловых воздействий в условиях реального пожара. Здесь так-
дин
же можно определить время зажигания т заж и величину критического теплового потока, при которой наблюдается воспламенение образца q^".
Но при этом возникает вопрос — насколько универсальна используемая зависимость внешнего теплового потока от времени q = f (т), насколько коррелируют между собой значения q^4 и qdpn, а
также какое из них можно считать наиболее достоверным?
Использование в лабораторных испытаниях зависимости q = f (т), полученной на основе измерений тепловых потоков на поверхностях ограждающих конструкций в крупномасштабной установке, например "комната-коридор", очевидно, не может являться
универсальным для всевозможных условии развития пожара на различных объектах.
Это, в свою очередь, отнюдь не абсолютизирует
^ дин ^
получаемый показатель qKp , который уже может зависеть от того, каким был характер достижения данноИ величины, т.е. по сути от полученноИ испытываемым образцом энергии на момент достижения на его поверхности критической плотности теплового потока — qKpUH. Вопрос также состоит в том, насколько корректно распространять полученную в [25] нестационарную зависимость плотности теплового потока от времени на все возможные реальные пожары.
Конечно же, качественно данная зависимость отражает специфику нарастания тепловых потоков в условиях возникновения и развития пожаров, но при этом надо учитывать, что это было получено все-таки при определенных условиях, когда в качестве очага, инициирующего развитие горения в коридоре, использовалась пожарная нагрузка опреде-ленноИ величины (50 кг/м2) из определенного материала (древесины) при фиксированных условиях газообмена (дверноИ проем конкретных размеров) и характерного распределения горючеИ загрузки в пространстве (штабель из брусков). В то же время нельзя не согласиться с тем, что варьирование этих параметров может привести к абсолютно другим величинам тепловых потоков и динамике их нарастания. При этом надо учитывать, что изменение размеров комнаты и коридора также могут оказывать существенное влияние на результаты измерении. Именно по этоИ причине вряд ли можно считать, что метод [25] может быть универсальным для получения априорноИ для лабораторных испытаниИ зависимости теплового потока от времени, но с другоИ стороны, его крупномасштабность во многом может помочь подтвердить или опровергнуть предполагаемое поведение материала на различных объектах, смоделированное на основе результатов лабораторных испытаниИ.
Стационарная же методика тепловых воздеИствиИ в условиях лабораторных испытаниИ (qt = const) хотя и не является характерноИ для процессов развития пожара, позволяет получить большее число параметров, на основе которых можно более точно определить склонность материала к воспламенению, а возможно, и спрогнозировать его поведение в условиях реального пожара.
Распространение пламени В методологии испытаниИ строительных материалов на распространение пламени целесообразно выделить следующие группы: — напольные покрытия; - стеновые декоративно-отделочные и облицовочные материалы;
- потолочные декоративно-отделочные и облицовочные материалы; — кровельные материалы.
Каждая выделенная группа материалов характеризуется определенными условиями распространения пламени по поверхности.
Как уже указывалось выше, возможность испытаний в одном методе [15] напольных покрытий и кровельных материалов представляется довольно спорной. Очевидно, что для испытаний кровельных материалов должен быть разработан отдельный метод и наиболее перспективными на сегодняшний день остаются принципы, изложенные в работах [26], [27].
Если испытания стеновых панелей на способность к распространению пламени по поверхности в начальной стадии пожара в какой-то мере можно оценить, используя результаты испытаний по [28] (метод II), то что касается потолочных покрытий, в отечественной методологии по этому вопросу имеется существенный пробел, хотя попытки разработки такого метода испытаний предпринимались еще в 70-х годах (см, например, [31]). В то же время очевидно, что в условиях развития пожара именно вблизи потолочных перекрытий формируется конвективный поток высоконагретых продуктов сгорания, оказывающий интенсивное тепловое воздействие на материал. Особую опасность могут представлять здесь термопластичные потолочные материалы, образующие при горении горящие капли, которые могут вызвать воспламенение напольных покрытий, что может привести к более быстрому нарастанию опасных факторов пожара.
Кроме концепции разработки отдельных методов испытаний на распространение пламени для различных групп строительных материалов, учитывающих реальные условия их эксплуатации, существует и другая концепция, которая направлена на комплексную оценку пожарной опасности строительных материалов при варьировании различных внешних факторов, основными из которых являются интенсивность газообмена и интенсивность внешнего теплового воздействия. Полученные в результате таких испытаний параметры: скорость выгорания материала и интенсивность тепловыделения, могут быть использованы для оценки способности материала к распространению пламени в условиях пожара [29].
Разработка методов комплексной оценки пожарной опасности материала обусловлена необходимостью наиболее полно учесть различные факторы, которые могут повлиять на распространение пламени и практически не учитываются в принятых методах испытаний, что вносит относительность в определяемые показатели.
Например, параметр критического значения плотности теплового потока, определяющийся в
[15], является величиной весьма относительной, т.к. во многом зависит от характера распределения плотности внешнего теплового потока на поверхности S материала, т.е. = /[двн (5)].
При этом внешний тепловой поток не только обеспечивает предварительный прогрев поверхности материала, но также влияет на скорость горения материала позади фронта пламени, что, в свою очередь, обеспечивает дополнительное тепловыделение перед фронтом пламени, усиливая тем самым тепловое воздействие на область "свежего" горючего.
Использование в [15] зависимости, отличной от представленной на рис. 2, может привести к получению другой критической величины плотности теплового потока. Вопрос же о том, насколько зависимость рис. 2 является стандартной для различных типов пожаров, остается открытым, т.к., во-первых, величины тепловых потоков на пожаре могут быть гораздо больше, а во-вторых, даже оставив то же самое распределение, мы можем получить другие результаты, варьируя время предварительного прогрева материала (в [15] - 2 мин).
Эффект предварительного прогрева будет зависеть от величины тепловой инерции материала и особенно ярко проявляться для термически толстых образцов, если на момент окончания предварительного прогрева не будет достигнуто тепловое равновесие или же если предварительный прогрев обеспечит к моменту подвода источника зажигания достижение на поверхности температуры, превышающей температуру воспламенения материала (распространение пламени в этом случае будет происходить по паровоздушной смеси продуктов неполного термического разложения). Таким образом, вопрос о характерном распределении тепловых потоков на поверхности материала и времени предварительного прогрева материала продолжает на сегодняшний день оставаться открытым.
Изучение влияния величин и распределения плотностей внешних тепловых потоков на поверхности на процесс распространения пламени должно быть главной исследовательской задачей. При этом не обязательно исследовать процесс распространения в натурных условиях, в некоторых случаях достаточно использовать метод, способный оценить влияние внешнего теплового потока и газообмена на такие параметры материала, как скорости тепловыделения и выгорания материала.
Заключение
Изучение развития методологии испытаний на воспламеняемость и распространение пламени, использовавшейся и использующейся в отечественной и мировой практике, позволяет сделать следующие выводы.
Необходимо уделить особое внимание разработке методов испытаний, использующих комплексную оценку пожарной опасности, позволяющих оценивать влияние на пожарную опасность характера дополнительного теплового воздействия и условий газообмена. Во многом именно использование таких величин позволит более точно смоделировать процесс распространения пламени и оценить возможное влияние на процесс распространения пламени различных внешних факторов.
При этом, конечно же, не надо торопиться отказываться от крупномасштабных методов, которые на сегодняшний день, даже с учетом всех имеющихся недостатков, остаются наиболее надежным практическим критерием проверки предполагаемых моделей развития пожара, и необходимость их использования в наиболее ответственных случаях, особенно в условиях развития и совершенствования методологии лабораторных испытаний, очевидна.
С другой стороны, именно набор таких в комплексе полученных в условиях лабораторных испытаний параметров, как интенсивность тепловыделения, скорость выгорания материала, интенсивность дымообразования, максимальная высота пламени у поверхности материала и др., могут дать более детальную и, соответственно, более надежную информацию о реальной пожарной опасности материала и его поведений в условиях реального пожара. В то время как в крупномасштабных методах в результате плохой воспроизводимости, обусловленной зависимостью развития процессов горения от большого количества начальных условий, в некоторых случаях может не реализоваться наиболее худший вариант развития пожара, даже при использовании реальной модели объекта.
Это связано также с тем, что способность материалов к распространению пламени зависит от конкретных объемно-планировочных решений объектов, которые определяют условия газо- и теплообмена, а также от характера сопутствующей горючей загрузки и ее распределения внутри зданий и помещений. Необходимо учитывать, что для реальных зданий наряду с объемно-планировочными решениями весьма непредсказуемо на процесс развития пожара может повлиять ветровая нагрузка (направление и скорость ветра), особенно после вскрытия оконных проемов.
Главной целью развития и совершенствования методологии испытаний на воспламеняемость и распространение пламени, как и всех других методов испытаний на пожарную опасность, является преодоление в испытательных методах характера относительности получаемых результатов. Именно поэтому необходимость развития методов математического моделирования процесса распростране-
ния пламени внутри зданий по поверхностям облицовочных и отделочных материалов продолжает оставаться актуальной задачей и, по-видимому, именно этот путь является наиболее перспективным при условии, что в моделях будут использованы результаты комплексной оценки показателей по-
жарной опасности, полученные при варьировании различных параметров, влияющих на пожарную опасность материала.
Автор выражает благодарность Аксенову И. М. за полезные замечания и рекомендации, высказанные в процессе обсуждения данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Parnell Alan С. Why control wall and ceiling surface? // Fire Survey. 1980. V. 9. № 2. P. 32 - 36.
2. ГОСТ Р 50810-95. Пожарная безопасность текстильных материалов. Ткани декоративные. Метод испытания на воспламеняемость и классификация.
3. Yuill Calvin Н. The flammability of floor coverings // Flooring and Floor Covering Materials. — Westport, 1976. P. 1 - 14.
4. ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость. Минстрой России, ГУП ЦПП, 1996.
5. Hilado Carlos J., Murphy Regina M. A simple laboratory method for determining ignitability of materials // J. Fire and Flammabil. 1978. V. 9. № 2. P. 164 - 175.
6. Day M., Mitton M.T., Wiles D. M. Carpet flammability: a pill ignition test procedure employing auxiliary radiant heating // J. Fire and Flammabil. 1974. V. 5. № 4. P. 268 - 288.
7. McGuire J. H., Campbell H. J. Surface flammability assessment. Part II - Validity and application of major currenttest methods // FireTechnol. 1980. V. 16. № 2.P.133 - 141.
8. Fenimore C. P. Candle-type test for flammability of polymers // Flame Retardant Polymer Materials. — New York - London, 1975. P. 371 - 397.
9. Mark H. F., Atlas S. M., Shalaby S. W., Pearce Eli M. Combustion of polymers and its retardation // Polym. News. 1975. V. 2. №5 - 6.P.3 - 12.
10. Wharton R. K. Factors that Influence the Critical Oxygen Index of Various Solids // Fire and Mater. 1979. V. 3. №1. P. 39 - 48.
11. Johnson P. R. A general correlation of the flammability of natural and synthetic polymers // J. Appl. Polym. Sci. 1974. V. 18. № 2. P. 491 - 504.
12. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — М.: Изд-во стандартов, 1990.
13. Смирнов Н. В., Молчадский И. С., Корольченко А. Я., Серков Б. Б.. Воспламеняемость полимерных отделок строительных конструкций // Огнестойкость строительных конструкций и обеспечение пожарной безопасности людей и материальных ценностей: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1989. С. 81 - 88.
14. Измаилов А. С., Серков Б. Б., Смирнов Н. В. Комплексный подход к противопожарному нормированию применения полимерных отделок, облицовок и покрытий в строительстве // Пожарная опасность технологических процессов, зданий, сооружений и профилактика пожаров: Сб. науч. тр. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1988. С. 176 - 180.
15. ГОСТ Р 51032-97. Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени. — Минстрой России, ГУП ЦПП, 1997.
16. Инструкция по определению способности к распространению пламени по поверхности облицовочных и отделочных материалов для полов, стен и потолков. — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1985.
17. Казиев М. М., Смирнов Н. В., Титов Г. Е., Пономарев В. В. Воспламеняемость декоративного бумажно-слоистого пластика в условиях пожара и огневых испытаний //Обеспечение пожарной безопасности зданий, сооружений и населенных пунктов: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1990. С. 67 - 72.
18. Quintiere James. Some observations on building corridor fires // 15th Sympos. (Internat.) Combust. Tokyo, 1974. Pittsburgh, PA. 1974. P. 163 - 172.
19. Корчагин П. Г., Молчадский И. С., Распространение пламени по поверхности облицовочных материалов в условиях пожара // Безопасность людей при пожарах в зданиях и сооружениях: Сб. науч. трудов — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1987. С. 39 - 44.
20. Maroni, W. F. Rigid Cellular Plastic Wall Insulations // National Fire Protection Association Conventions, Philadelphia, PA. (May 17, 1972) and St. Louis, Missouri, May 17. 1973.
21. ISO 9705. Fire Tests-Full Scale Room Test tor Surface Products, International Standard Organization (ISO), Geneva, 1993.
22. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х томах. — М.: Ассоциация "Пожнаука", 2000.
23. Grubits Stephen J., Moulen Alex W., Miles Philip A.A. Test to Grade Horizontal Flame Spread // Fire Technol. 1979. V. 15. № 2. P. 130 - 141.
24. Корольченко А. Я., Смирнов Н. В., Зотов Ю. С. Пожароопасность лакокрасочных покрытий // Огнестойкость строительных конструкций и безопасность людей при пожаре: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВДСССР, 1991. С.110 - 119.
25. Смирнов Н. В., Казиев М. М., Титов Г. Е. Условия для комплексного лабораторного исследования пожарной опасности полимерных облицовок, отделок и покрытий строительных конструкций // Обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1988. С.5 - 8.
26. Молчадский И. С., Павловский А. В., Пономарев В. В. Методы огневых испытаний покрытий кровель // Пожаровзрывобезопасность. 1993. Т. 2. № 4. С. 48 - 53.
27. Павловский А. В., Смирнов Н. В., Пономарев В. В. Оценка пожарной опасности кровельных материалов и конструкций покрытий зданий и сооружений // Пожаровзрывобезопасность. 1999. Т. 8.№1. С. 53 - 60.
28. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть. — М.: ИПК, Изд-во стандартов, 1996.
29. Молчадский И. С., Корчагин П. Г. Распределение горения по поверхности твердых материалов // Огнестойкость строительных конструкций. Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1981. Вып. 9. С. 69 - 82.
30. Абдурагимов И. М., Андросов А. С., Исаева Л. К., Крылов Е. В. Процессы горения. — М.: ВИПТШ МВДСССР, 1984.
31. Временная методика по определению способности отделочных и облицовочных материалов к распространению горения. — М.: ВНИИПО МВД СССР, 1974.
32. Колчев Б.З., Филин Л.Г., Криворучко В.С. Оценка воспламеняемости полимерных материалов согласно стандарту ИСО 5657 // Пожарная опасность материалов и средства огнезащиты: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. С.3 - 8.
Поступила в редакцию 22.10.02.
