CC BY
13УДК 614. 8:691(048)
А. Б. Сивенков
кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника учебно-научного комплекса проблем пожарной безопасности в строительстве Академии ГПС МЧС России
Р. В. Дегтярев
адъюнкт Академии ГПС МЧС России
Е. Ю. Круглов
адъюнкт Академии ГПС МЧС России
A. Sivenkov, R. Degtyaryov, E. Kruglov
ВЛИЯНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖИЛЫХ И НЕЖИЛЫХ ДЕРЕВЯННЫХ СТРОЕНИЙ НА ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
В статье представлены результаты исследования влияния продолжительности эксплуатации деревянных строений (Вологодская обл.) на пожарную опасность древесины. Установлено, что изменение физико-химических и пожароопасных характеристик древесины в результате длительного естественного старения во многом связано с изменением ее химического и элементного состава, а также объемной массы.
Ключевые слова: древесина, пожарная опасность, естественное старение, химический состав.
INFLUENCE OF OPERATIONAL AGE OF INHABITED AND UNINHABITED WOOD BUILDINGS ON FIRE-HAZARDOUS PROPERTIES OF WOOD
In the article the results of research of influence of operational age of residential and non-residential wood buildings, which situated in Vologda region, on fire-hazardous properties of wood are presented. It is established that change of physic-chemical and fire-hazardous properties of wood in result of long natural aging is connected with change of chemical and elemental composition and volume weight.
Keywords: the wood, fire hazard, natural ageing, chemical compound.
Введение
Процесс старения древесины, исходя из результатов многочисленных исследований, не является одинаковым для всех разновидностей древесины и условий эксплуатации, не поддается простейшему описанию и прогнозированию. Основными причинами сложности описания и изучения процесса старения древесины является, прежде всего, многочисленная вариативность условий эксплуатации древесины различных пород с неоднозначным изменением их физикохимических свойств.
Исходя из вышесказанного становится очевидным, почему имеющиеся результаты исследований процесса старения древесины имеют во многом противоречивый характер. В основе этих исследований лежали вопросы изучения изменяемости во времени физико-механических характеристик древесины, ее химического и элементного состава, объемной массы, содержания поздней древесины и другие [1, 2].
Немаловажную роль в изучении процесса старения древесины играют методы искусственного старения. К сожалению, многообразие физико-химических процессов, происходящих в древесине во время ее эксплуатации, не позволяет с высокой точностью воспроизводить эти изменения,
а также определить их характер. Поэтому более предпочтительно опираться на те результаты исследований, которые получены для образцов древесины с существующих деревянных строений определенного возраста и памятников деревянного зодчества. При таком подходе необходимо точное знание эксплуатационного возраста объекта и природно-климатических условий, в которых он находится.
Целью настоящей работы является установление основных закономерностей изменения физико-химических свойств древесины, происходящих во время ее эксплуатации на существующих объектах деревянного домостроения, и взаимосвязь этих изменений с некоторыми показателями пожароопасности.
Объекты и методы исследования
Для исследования были отобраны образцы древесины на объектах жилых и нежилых строений в Вологодской обл. (Вологодский и Грязовецкий р-ны). Образцы древесины в виде спилов были отобраны с нежилых строений, находящихся в д. Демьяново, д. Левино, д. Лябзунка (Грязовецкий р-н), д. Семигоры (Вологодский р-н). Эксплуатационный возраст деревянных строений, согласно установленным метрическим данным, составил от 60 до 150 лет. Строения - деревянные жилые и нежилые дома из хвойной породы древесины ели (рис. 1, 2, 3).
Рис. 1. Деревянное нежилое строение (д. Лябзунка, д. 4), древесина ели, 60 лет
Рис. 2. Деревянное нежилое строение (д. Левино, д. 8), древесина ели, 90 лет
Рис. 3. Деревянное жилое строение (д. Семигоры), древесина ели, 150 лет
Образцы древесины были выпилены из бревенчатой части с северной и южной части строений, неподверженной процессам гниения на расстоянии 1,5 м от поверхности земли.
Элементный состав сухих образцов древесины определяли на автоматическом приборе Карло Эрба 1106 С, Н, N, S анализаторе (Италия). Химический состав древесины определяли по известным методикам: целлюлозу - по методу Кюршнера и Хоффера без поправки на осадочные пентозаны; лигнин - методом Комарова [3]. Низшая теплота сгорания древесины была оценена экспериментально с помощью IKA-калориметра С 5000, а также расчетным путем по данным элементного состава с использованием известного уравнения Д. И. Менделеева.
Для исследования особенностей термоокислительной деструкции древесины применяли термоаналитическую систему TGA/DSC1 фирмы «Mettler Toledo» (Швейцария) с программным обеспечением расчета кинетических параметров. Образцы готовили в виде измельченного порошка, весом 1,0-8,5 мг. Скорость нагрева - 20 °С/мин. Поток воздуха - 50 мл/мин.
Определение воспламеняемости образцов древесины проводили по ГОСТ 30402-96. Установка была оснащена дополнительным устройством для регистрации потери массы во время огневых испытаний. Дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины определяли по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.18 и 4.20 соответственно.
Объемную массу (кажущуюся плотность) образцов древесины определяли, исходя из их массы и геометрических размеров.
Результаты исследования и обсуждение
Описание исследуемых образцов и результаты определения основных физико-химических свойств древесины представлены в табл. 1.
Таблица 1
Описание и основные характеристики образцов древесины
№ п/п Место изъятия образца, порода древесины, Сторона света Содержание основных химических компонентов, % Элементный состав, % Рі^ кг/М3
возраст Целлюлоза Лигнин С Н О
1 Ель современная (Вологодская обл.) - 54,5 25,4 52,22 6,04 41,74 420
2 Деревянное нежилое строение (д. Лябзунка, д. 4), Север 55,6 25,6 50,3 6,44 43,26 432
древесина ели, 60 лет Юг 53,4 27,1 49,8 6,8 43,4 435
3 Деревянное нежилое строение (д. Левино, д. 8), Север 50,6 27,1 48,3 7,11 44,6 440
древесина ели, 90 лет Юг 49,0 28,2 47,8 7,13 45,1 444
4 Деревянное нежилое строение (д. Демьяново), Север 50,8 26,9 46,7 8,2 45,1 445
древесина ели, 110 лет Юг 48,6 28,1 47,6 8,33 44,1 448
5 Деревянное жилое строение (д. Семигоры), Север 49,5 27,6 50,5 8,47 41,03 420
древесина ели, 150 лет Юг 46,9 28,8 48,6 8,65 42,7 422
Результаты исследования показывают, что содержание целлюлозы с возрастанием времени эксплуатации до 150 лет становится меньше, а содержание лигнина - увеличивается. Установлено, что для южной части деревянного строения характерны более значительные изменения, чем для его северной части. Представленные в табл. 1 результаты также свидетельствуют об экстремальном изменении объемной массы древесины строений одного региона при увеличении длительности ее эксплуатации.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением эксплуатационного возраста деревянных сооружений в древесине происходит уменьшение углеродной составляющей, а содержание водорода и кислорода пропорционально друг другу возрастает. Увеличение с возрастом древесины водородной составляющей, обладающей более высокой энергетической способностью по сравнению с углеродом, приводит к увеличению ее теплотворной способности. Так, расчетная и экспериментальная оценка низшей теплоты сгорания древесины показала, что с увеличением ее эксплуатационного возраста наблюдается повышение значений низшей теплоты сгорания. Результаты экспериментальной и расчетной оценок низшей теплоты сгорания представлены в табл. 2.
Таблица 2
Экспериментальные и расчетные значения низшей теплоты сгорания О древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста
№ п/п Образец древесины О кДж/г (экспериментальная) О кДж/г (расчетная)
1 Ель современная (Вологодская обл.) 18,5 19,3
2 Деревянное нежилое строение (д. Лябзунка, д. 4), древесина ели, 60 лет, южная сторона 18,4 19,21
3 Деревянное нежилое строение (д. Левино, д.8), древесина ели, 90 лет, южная сторона 18,15 18,6
4 Деревянное нежилое строение (д. Демьяново), древесина ели, 110 лет, южная сторона 19,8 20,3
5 Деревянное строение, (жилой дом, Вологодский район, д. Семигоры), древесина ели, 150 лет, южная сторона 20,1 20,7
Из результатов, представленных в табл. 2 видно, что при увеличении эксплуатационного возраста древесины до 90 лет наблюдается снижение значений теплоты сгорания, однако в дальнейшем теплота сгорания увеличивается. Данное обстоятельство реализуется, по всей видимости, вследствие снижения элементного содержания углерода и повышения содержания водорода, который по значению теплоты сгорания превышает углерод в 4 раза.
На рис. 4 представлены данные термогравиметрического анализа древесины ели свеже-срубленной и древесины ели 150-летнего возраста.
Температура,°С
Рис. 4. Результаты термогравиметрического анализа древесины ели свежесрубленной (1- ТГ; 3- ДТГ) и древесины ели 150-летнего возраста (2-ТГ; 4- ДТГ).
Скорость нагрева 20 °/мин
Результаты исследования термоокислительного разложения древесины ели и ели состаренной естественным путем до определенного возраста, представленные на рис. 4, свидетельствуют об их различной термической стабильности. Основная стадия термоокислительного разложения естественно состаренной древесины смещается в область более высоких температур по сравнению с древесиной ели современной. Так в первом случае температура максимальной скорости разложения составляет 325 °С, во втором случае - 350 °С. Причиной смещения основной термоокислительной стадии возрастной древесины ели, вероятнее всего, являются дегидратаци-онные превращения целлюлозы и активное образование лигнина при длительной эксплуатации. Более существенные отличия наблюдаются на окислительной стадии углистого слоя. По всей видимости, процесс формирования угля сопряжен с участием лигнина, находящегося в возрастной древесине в большем количестве, чем в обычной древесине. При этом, максимальная скорость разложения, связанная с окислительной стадией углистого слоя, для древесины ели (возраст 150 лет) проявляется в более поздний период, что обусловлено физико-химическими особенностями углистого слоя подобной древесины.
Для определения кинетических параметров термического разложения древесины использованы данные термогравиметрического анализа по методу Папкова-Слонимского [4]. Данный метод позволяет определить потерю веса образца как функцию температуры при постоянной скорости нагрева. Результаты расчета кинетических параметров процесса термоокислительного разложения древесины представлены в табл. 3.
Таблица 3
Кинетические параметры процесса термоокислительного разложения древесины ели свежесрубленной и ели, возраста 150 лет
Образец Температура максимальной скорости разложения на основной стадии и стадии окислительных процессов угля, °С Температурный участок, °С Потеря массы, % Энергия активации, кДж/моль
325 196-325 45 190
Ель свежесрубленная
435 400-460 85 245
350 300-335 30 208
Ель, возраст 150 лет
480 450-480 85 215
Из результатов, представленных в табл. 3, видно, что несмотря на смещение ТГ-кривой для 150-летней ели в область более высоких температур, энергия активации (Е = 208 кДж/моль) на основной стадии имеет значение, незначительно превышающее энергию активации для ели современной (Е = 198 кДж/моль). При рассмотрении участка окислительных процессов древесных углей наблюдается также незначительное расхождение значений Е, однако в этом случае для древесины 150-летнего возраста протекание окислительного процесса облегчается (Е = 215 кДж/моль) по сравнению с древесиной ели свежесрубленной. Таким образом, для древесины ели эксплуатационного возраста до 150 лет по сравнению с древесиной ели современной наблюдается смещение участка образования углистого слоя в область более высоких температур. При этом установлено, что его окислительная способность увеличивается.
В работе проведен анализ параметров воспламеняемости древесины различного срока эксплуатации согласно ГОСТ 30402-96. Основные параметры воспламеняемости древесины ели различного эксплуатационного возраста представлены в табл. 4.
Таблица 4
Параметры воспламеняемости древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста
Критическая
Плотность Время воспламенения, с. поверхностная плотность теплового потока воспламенения, кВт/м2
№ п/п Порода древесины, возраст теплового потока, кВт/м2 МСВтах, г/м2с
1 Ель современная (Вологодская обл.) 30 40 50 20 7 3 11,5 39,6
2 Ель (деревянное нежилое строение д. Демьяново), 110 лет, южная сторона 30 40 50 26 12 6 13,2 31,9
3 Ель, (жилой дом, Вологодский р-н, д. Семигоры), 150 лет, южная сторона 30 40 50 21 9 4 12,5 35,7
Примечание : — » - определения массовой скорости выгорания при плотности тепловых потоков 30 и 40 не проводились.
Из результатов табл. 4 видно, что с увеличением возраста древесины увеличиваются время воспламенения материала тв и критическая поверхностная плотность теплового потока # вкр. При этом, изменение этих показателей имеет экстремальный характер с максимумом для древесины ели, возраста 110 лет. Одновременно с этим наблюдается уменьшение массовой скорости выгорания МСВтах, косвенно отражающей тепловыделение материала при огневом воздействии.
Для анализа токсичности продуктов горения исследуемых образцов регистрировали выход оксида и диоксида углерода, а также контролировали изменение концентрации кислорода. На рис. 5 представлено изменение показателя токсичности продуктов горения древесины в зависимости от возраста эксплуатации.
Возраст, лет
Рис. 5. Зависимость показателя токсичности продуктов горения древесины от ее эксплуатационного возраста
Известно, что токсичность продуктов горения древесных материалов обусловлена выходом одного из наиболее опасных токсикантов - монооксида углерода (СО). Снижение токсичности продуктов горения древесины в рассматриваемом случае обусловлено не только снижением углеродной составляющей и возрастанием содержания водорода в результате ее естественного старения, но и снижением низшей теплоты сгорания, отражающей энергетику протекающих процессов при горении древесины.
Снижение активности выхода СО связано с тем, что режим беспламенного горения для возрастной древесины в меньшей степени реализуется, чем для современной. Значение параметров воспламеняемости для возрастной древесины снижается, и подобная древесина быстрее воспламеняется и выгорает. Подобная картина наблюдается при изучении вопроса влияния эксплуатационного возраста древесины на ее дымообразующую способность (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость коэффициента дымообразования древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста
Полученные экспериментальные данные по дымообразованию древесины свидетельствуют о происходящих физико-химических изменениях во время эксплуатации древесины. В частности снижение дымообразования древесины со сроком эксплуатации до 150 лет во многом обусловлено изменением химического состава древесины, в частности, повышением содержания ароматической составляющей - лигнина. Данный факт во многом объясняет снижение выхода дыма при горении древесины с одной стороны и увеличение ее теплотворной способности с другой стороны. Увеличение срока эксплуатации древесины приводит к увеличению содержания лигнина и, соответственно, водородной составляющей, во многом определяет особенности протекания процесса горения древесины на основных его стадиях образования карбонизован-ного слоя с определенными физико-химическими, механическими показателями и окислительной способностью.
Заключение
В работе были проведены исследования пожарной опасности древесины разного эксплуатационного возраста (до 150 лет) жилых и нежилых строений одного климатогеографического региона (Вологодская обл.). Установлены характерные физико-химические изменения, оказывающие влияние на пожароопасные свойства древесины в зависимости от срока ее эксплуатации.
В результате продолжительной эксплуатации древесины наблюдается снижение ее пожарной опасности по одним показателям и повышение - по другим. Этот факт связан с непосредственным изменением содержания основных химических компонентов и элементного состава древесины в результате старения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пищик И. И., Фефилов В. В, Бурковская Ю. И О химическом составе и физических свойствах свежей и выдержанной древесины // Известия вузов, Лесной журнал. - 1971. - № 6. - С. 89-93.
2. Варфоломеев Ю. А, Потуткин Г. Ф, Шаповалова Л. Г. Изменение свойств древесины при длительной эксплуатации (на примере памятников деревянного зодчества Архангельской обл.) // Деревообрабатывающая промышленность. - 1990. - № 10. - С. 28-30.
3. Оболенская А. В, Щеголев В П Химия древесины и полимеров. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 168 с.
4. Папков В. С, Слонимский Г Л. Микротермогравиметрический анализ термодеструкции полимеров // Высокомолекулярные соединения. - 1966. - № 1. - С. 80-87.
УДК 614.842.8: 519.8
А. Н. Денисов
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры пожарной тактики и службы
Академии ГПС МЧС России
Н. М. Журавлев
адъюнкт кафедры пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России
A. Denisov, N. Zhuravlev
ФОРМАЛИЗАЦИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПОЖАРНЫМИ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯМИ В ПРОЦЕССЕ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА
В статье приведен анализ подходов к ведению оперативно-тактических действий подразделений при тушении пожаров в России и за рубежом, систематизирована, формализована и разработана методология ведения оперативно-тактических действий при тушении пожара пожарными подразделениями России и стран СНГ.
Ключевые слова: пожар, тактика, тушение, подразделение, методология, оперативно-тактические действия, управление.
FORMALIZATION AND FORMULATION OF THE PROBLEM IN THE MANAGEMENT OF FIRE DEPARTMENTS
IN THE PROCESS OF EXTINGUISHING THE FIRE
The article summarizes the approaches to the management of operational and tactical actions of fire units to fight the fires in Russia and abroad, developed and described generalized techniques of process of fire extinguishing which can be used by modern fire divisions of Russia and the CIS countries.
Keywords: fire, tactics, firefighting, subdivision, methodology, firefighting operation, management.
