CC BY
16
ОГНЕЗАЩИТА
Г. А. Филиппович А. Н. Кудряшов
канд. техн. наук, доцент, профессор УО "Военная академия Республики Беларусь", г. Минск, Республика Беларусь
начальникУчреждения"Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций" МЧС РБ, г. Минск, Республика Беларусь
А. Г. Яцукович
начальник отдела Учреждения "Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций" МЧС РБ, г. Минск, Республика Беларусь
А. П. Денисевич
гл. специалист Учреждения "Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций" МЧС РБ, г. Минск, Республика Беларусь
УДК 614.841:620.197.6
влияние огнезащитной обработки древесины на ее электрофизические параметры
Разработана методика исследования электрофизических параметров древесины, обработанной огнезащитными составами, которая базируется на измерении комплексной диэлектрической проницаемости необработанной и обработанной различными огнезащитными составами древесины. В качестве измеряемых параметров использовались емкость, проводимость и добротность образцов древесины, помещенных между обкладками конденсатора измерительного зонда. По результатам измерений оценивались относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь. Получены численные значения диэлектрических параметров древесины, обработанной основными огнезащитными составами, применяемыми в республике. Установлена возможность идентификации и контроля расхода защитных составов в процессе обработки на основе измерения диэлектрических параметров огнезащищенной древесины.
Ключевые слова: огнезащитная обработка древесины; диэлектрические параметры древесины; оценка эффективности огнезащитных составов.
В последнее десятилетие достигнут существенный прогресс в разработке огнезащитных средств, которые позволяют повышать огнестойкость металлических конструкций до требуемого уровня, ограничивать распространение огня по несущим деревянным конструкциям, а также решать различные вопросы пожарной безопасности.
При разработке средств огнезащиты древесины наметилась тенденция к использованию пропиток, содержащих как органические, так и неорганические антипирены, что позволяет при их расходе до 300 г/м2 перевести древесину в группу трудносгораемых материалов.
Огнезащитная эффективность производимого огнезащитного состава определяется по результатам испытаний [1], но конечное качество огнезащитной обработки зависит от качества проведения работ, а также от времени сохранения огнезащитных свойств. Несоблюдение норм расхода защитного материала, или требуемой толщины покрытия, или других требований нормативно-технической доку-
ментации при проведении огнезащитных работ влечет за собой снижение огнестойкости материалов и конструкций и, как следствие, их несоответствие проектной огнестойкости зданий (сооружений), ухудшение состояния объектов с точки зрения пожарной безопасности.
Как правило, производители устанавливают срок эксплуатации огнезащитного состава либо произвольно, либо по результатам испытаний на устойчивость к старению [2]. При этом гарантийные сроки варьируются от трех лет и выше. В настоящее время срок эксплуатации огнезащитных составов не регламентирован соответствующими нормативными документами в области пожарной безопасности. При этом по большинству составов нет подтвержденных временем данных о сохранении свойств в реальных условиях эксплуатации, а только результаты испытаний на устойчивость к старению.
В настоящее время можно определить две основные задачи исследований: получение объективных данных по качеству огнезащитной обработки на
© Филиппович Г. А., Кудряшов А. Н., Яцукович А. Г., Денисевич А. П., 2010
объекте и контроль за соблюдением условий эксплуатации огнезащищенной древесины. Поэтому и разработчики огнезащитных составов, и компании, применяющие эти составы, и надзорные органы нуждаются в разработке методов контроля качества на всех этапах производства, нанесения и эксплуатации огнезащитных составов.
Для оценки качества огнезащитной обработки используют экспресс-метод [3] и классификационный метод [1].
Если для определения качества производимых и применяемых огнезащитных средств проводят испытания на соответствие требованиям нормативных документов (классификационный метод [1]), то качество выполненной огнезащитной обработки определяется в основном только экспресс-методом [3]. Основным недостатком экспресс-метода является невозможность определения вида нанесенного огнезащитного средства (проблема идентификации) и группы огнезащитной эффективности.
Анализ литературы свидетельствует, что для идентификации огнезащитных средств и оценки качества их нанесения в настоящее время предлагаются различные методы: оптические, рентгеновские, термический анализ и др. Тем не менее ни один из указанных методов на данный момент не рекомендован как специальный действующими техническими нормативными правовыми актами. Большинство предлагаемых методов идентификации огнезащитных средств и определения качества огнезащиты объектов предполагают отбор соответствующих образцов древесины определенного размера путем их выпиливания, что, в свою очередь, невозможно реализовать без нарушения цельности конструкции. Особый интерес представляет инструментальный контроль с применением методов и средств не-разрушающего контроля (проведение любого измерения, которое позволяет оценить признак, параметр или показатель качества без ухудшения присущих ему на момент контроля свойств) без отбора образца (т. е. без разрушения обработанной составом конструкции).
Научно-исследовательским институтом пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь совместно с Военной академией Республики Беларусь в качестве способа контроля качества огнезащитной обработки древесины предложены методы, основанные на измерении ее электрофизических свойств.
Процесс введения в поверхностный слой древесины огнезащитных составов или нанесение их на поверхность изменяет диэлектрические свойства поверхностного слоя древесины. Корреляционная зависимость между химическими и диэлектрическими свойствами древесины может быть положена в
основу разработки метода контроля качества огнезащиты и создания прибора для оперативного проведения подобного контроля.
С точки зрения диэлектрических свойств моделью древесины является реальный диэлектрик, обладающий определенными потерями энергии электромагнитной волны, обусловленными влажностью. Свойства такой среды в электромагнитном поле описываются комплексной постоянной распространения у [4]:
у = а + у'Р,
где а — коэффициент затухания;
а = ю
^рт
+ tan 52 - 1;
(1)
ю — циклическая частота, рад; еа, — абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемость; tan 5 — тангенс угла потерь; j — мнимая единица; Р — коэффициент фазы (волновое число);
Р = ю
f2H
+ tan 52 + 1.
(2)
Для реального диэлектрика tan 5 << 1, поэтому выражения (1) и (2) примут вид:
а = Ю tan 5;
Р = ю^
S a ^ a
(3)
(4)
При сопоставлении выражений (3) и (4) видно, что коэффициент затухания и коэффициент фазы связаны между собой соотношением
а = Р tan 5. 2
(5)
Из соотношения (5) можно вынести следующую полезную для поставленной цели информацию. Коэффициент фазы характеризует свойства электромагнитного поля в идеальном диэлектрике, которым можно считать хорошо высушенную древесину. Проводящие свойства древесины, обусловленные ее влажностью, характеризуются коэффициентом затухания, и мерой этих потерь можно считать величину tan 5. Если полагать, что обработка древесины изменяет коэффициент фазы электромагнитного поля, то для учета влажности необходимо измерять тангенс угла потерь либо другую величину, однозначно его характеризующую. Таким образом, для однозначной оценки огнезащищенности древесины необходимо измерять не менее двух параметров.
Коэффициенты фазы и потерь обычно не являются измеряемыми показателями. Измерению подвергаются диэлектрические параметры среды. Ди-
электрические свойства древесины однозначно характеризуются комплексной диэлектрической проницаемостью ~а, которая, в свою очередь, определяется двумя независимыми параметрами:
~а = е а - У'е'а, (6)
где еа — абсолютная диэлектрическая проницаемость в идеальном диэлектрике;
е'а — реактивная составляющая диэлектрической проницаемости, характеризующая потери энергии электромагнитной волны в веществе (коэффициент диэлектрических потерь). Выражение (6) также имеет другую форму записи, отражающую связь между диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь:
~а = еа (1 - ] 1аП 5). (7)
Таким образом, измеряемыми параметрами для оценки огнезащищенности древесины могут быть относительная диэлектрическая проницаемость е, связанная с еа соотношением еа = е0е (е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума), и тангенс угла потерь.
В случае твердых диэлектриков, к числу которых относится древесина, измерение диэлектрических параметров часто сводится к измерению емкости плоского конденсатора, между пластинами которого помещен исследуемый диэлектрик. Емкость такого конденсатора е определяется известной формулой
С = Б/ (йе), (8)
где Б — площадь боковой грани конденсатора; й — толщина диэлектрического образца. Измерения диэлектрических параметров древесины резонансным методом проводятся на основе резонанса токов в параллельном резонансном контуре или резонанса напряжений в последовательном резонансном контуре.
Военной академией Республики Беларусь была разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать диэлектрические свойства древесины, обработанной огнезащитными составами. Установка включает два измерительных стенда (с измерителем добротности в комплекте с набором высокодобротных образцовых индуктивностей, обеспечивающих проведение измерений в диапазоне частот 30...300 МГц, и с цифровым измерителем индуктивности, емкости и сопротивления на фиксированной частоте 1 МГц). Изготовлены также две конструкции измерительных зондов — для объемной и поверхностной оценки диэлектрических свойств древесины.
В прикладных задачах электродинамики диэлектрические параметры являются частотно-зависимыми и измеряются в широком диапазоне частот (от 0
до 1013 Гц). Различают низкочастотную и высокочастотную области, в которых составляющие комплексной диэлектрической проницаемости (6) относительно постоянны [5]. Между этими областями существует область аномальной дисперсии, в которой обе составляющие быстро меняются с изменением частоты. Принимая во внимание эти обстоятельства, предпочтение следует отдать низкочастотному диапазону, поскольку в нем активная составляющая (6) значительно больше, чем в высокочастотном диапазоне.
Для того чтобы иметь возможность оценить изменение электрофизических параметров древесины в результате обработки ее огнезащитными составами, необходимо знать эти параметры для необработанной древесины. Тогда изменение электрофизических параметров после огнезащитной обработки может служить, с одной стороны, косвенным показателем качества защитного состава, а с другой — мерой защитных свойств строительных конструкций из дерева.
Существующие в литературе [5] сведения относятся главным образом к относительной диэлектрической проницаемости, которая для различных пород дерева колеблется в пределах от 2 до 4. Сведения по параметрам, характеризующим потери энергии электромагнитной волны, в литературе не приводятся, поскольку зависят от влажности древесины. Вместе с тем, как уже отмечалось, знание такого параметра является принципиально необходимым для оценки огнезащитной эффективности, поэтому тангенс угла потерь использовался в качестве одного из основных измеряемых параметров.
Предварительно были проведены исследования электрофизических параметров необработанной древесины. Измеряемые параметры — емкость конденсатора зонда С, проводимость контрольного образца древесины G и тангенс угла потерь tan 5. При использовании этих данных следует иметь в виду, что сравнение измеряемых параметров различных пород древесины возможно только для образцов одинаковой толщины. По результатам измеряемых параметров были рассчитаны относительная диэлектрическая проницаемость е0 и тангенс угла потерь tan 5.
Исследование частотных свойств диэлектрических параметров проводилось на измерительном стенде в диапазоне частот 30...160 МГц. Результаты измерений представлены на рис. 1 в виде частотных зависимостей добротности резонансного контура. Добротность является величиной, обратной тангенсу угла потерь [3], и определяется отношением действительной составляющей выражения (6) к мнимой. На графике хорошо видна область аномальной дисперсии, характерной для промежуточ-
Необработанная
ОК-ГФ
СПАД
ФАХ
100 130 Частота
Рис. 1. Зависимость добротности от частоты
35 30
§ 20 ё
Р. 15 10 о
ч: ю
□ Необработанная
□ Огнезащшценная
1
п=
н
о «
ч
&
Л &
ЬЧ
о
8
©
и «
О
Рис. 2. Добротность обработанной древесины при исследовании на частоте 1 МГц
ной зоны, где добротность (параметр е0) убывает с ростом частоты.
Из приведенной зависимости (см. рис. 1) видно, что процесс обработки древесины оказывает заметное влияние на диэлектрические свойства древесины. Пропиточные составы глубокого проникновения (ОК-ГФ, ФАХ) снижают добротность резонатора, в то время как поверхностная обработка (состав СПАД) приводит к ее увеличению. Чувствительность измерений возрастает с уменьшением частоты настройки резонатора.
Последующие измерения проводились на частоте 1 МГц, что соответствует области нормальной (низкочастотной) дисперсии. Для измерений использовались образцы, обработанные огнезащитными составами (СПАД, ФАХ, ОК-ГФ), огнебиозащитными (Бохемит, Доктор 1+), огнезащитным лаком (ЛДО). Для сравнения с огнезащитными составами серия образцов была обработана пенообразователем для тушения пожаров (Барьер).
В результате исследований было выяснено, что добротность резонатора и проводимость образца древесины являются параметрами, наиболее чувствительными к воздействию огнезащитных составов (рис. 2 и 3). Фактически для всех составов различие в добротности весьма ощутимо, что может быть использовано для их идентификации.
В диаграмму проводимости не включено значение для ОК-ГФ, так как оно больше приведенных в диаграмме более чем в 10 раз.
Последующая серия измерений проводилась с целью исследовать возможность оценки расхода защитного состава на основе измерения диэлектрических параметров. Для этого контрольные образцы древесины подвергались однократной и двукратной обработке. Результаты измерений представлены на рис. 4 и 5. Как видно из диаграмм, повторная обработка приводит к значительному увеличению проводимости и уменьшению добротности.
12
0 Ю м
1 8 О 6
5
§ 4
ш О
6 2
□ Необработанная
□ Огнезащшценная
О
5
&
Л &
и
£ О
+ &
о
ч:
ё са
Рис. 3. Проводимость обработанной древесины при исследовании на частоте 1 МГц
□ Необработанная □ Однократная ■ Двукратная обработка
Рис. 4. Добротность обработанной древесины при изучении возможности оценки расхода защитного состава измерением диэлектрических параметров
Полученные результаты подтверждают возможность контролировать расход защитного состава в процессе обработки (соответственно, качества огнезащитной обработки) посредством измерения диэлектрических параметров.
5! 20
у
3 16 £
§ 12
® 8 -
и
й ©
I I-1
а и
8 О м
Р5
□ Необработанная □ Однократная ■ Двукратная обработка обработка
Рис. 5. Проводимость обработанной древесины при изучении возможности оценки расхода защитного состава измерением диэлектрических параметров
Основные результаты проделанной работы сводятся к следующему:
• добротность резонатора, диэлектрическая проницаемость и проводимость являются параметрами, наиболее чувствительными к воздействию огнезащитных составов;
• достоверная оценка эффективности огнезащитных составов возможна только в условиях сравнения диэлектрических параметров одинаковых образцов;
• измерение диэлектрических параметров целесообразно проводить в частотном диапазоне, соответствующем низкочастотной нормальной дисперсии;
• результаты измерений диэлектрических параметров обработанной древесины свидетельствуют о возможности идентификации огнезащитных составов;
• установлена возможность контроля расхода огнезащитного состава в процессе обработки посредством измерения диэлектрических параметров. Полученные результаты следует рассматривать
как предварительные, подтверждающие правильность направления исследований, а именно: что химические процессы, происходящие при обработке древесины, можно контролировать измерением диэлектрических параметров поверхностного слоя, глубина которого определяется видом обработки и эффективностью огнезащитного состава.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 16363-98. Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств : утв. Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации 28.05.1998; Госстандартом России 25.09.1998 : введ. в действие 01.07.1999. — М. : ИПК "Изд-во стандартов", 1998; 2002.
2. НПБ 98-2004. Огнезащитные покрытия. Методы определения устойчивости к старению : утв. МЧС РБ 13.12.2004. — Минск : Промбытсервис, 2005. — 16 с.
3. ГОСТ 30219-95. Древесина огнезащищенная. Общие технические требования. Методы испытаний. Транспортирование и хранение : утв. Постановлением Белстандарта от 02.02.1996 № 2 : принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 12.10.1995 № 8-95): введ. в действие 01.07.1996. — Минск : Белстандарт, Бел-ГИСС, 1995. — 18 с.
4. Эме Ф. Диэлектрические измерения. — М. : Химия, 1967. — 223 с.
5. Филлипович Г. А., Кудряшов А. Н., Яцукович А. Г., Денисевич А. П. Перспективные направления разработки переносного прибора оценки качества огнезащитной обработки древесины и материалов на ее основе : материалы V Международной научно-практической конференции "Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация". — Минск, 2009.
Материал поступил в редакцию 28 июля 2010 г.
Электронный адрес авторов: [email protected].
