1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОГНЕЗАЩИТЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В течение многих веков древесина была едва ли не единственным строительным материалом. Деревянные конструкции и сейчас широко применяют в строительстве благодаря их высоким эксплуатационным, экономическим и эстетическим показателям. Существенным недостатком древесины, ограничивающим ее применение в строительстве, является повышенная горючесть.
Одним их вариантов расширения возможности использования древесины в строительстве является ее огнезащита, направленная на снижение пожарной опасности деревянных конструкций, повышение их пределов огнестойкости, расширение возможности применения прогрессивных проектных решений.
1.1 Исследования в области пожарной опасности деревянных строительных конструкций
В строительстве используются следующие виды изделий из древесины: круглые лесоматериалы, пиломатериалы, материалы для полов (доски, паркет), погонажные детали (плинтусы, наличники, поручни), штукатурная дрань, материалы для кровли (щепа, дрань), шпалы и мостовые брусья, фанера, строительные детали и элементы сборных конструкций (балки, дощатые щиты, столярные детали), клееные конструкции, композитные материалы (фанера, древесно-стружечная плита, древесно-волокнистая плита) [20, 6].
Большой размах строительства потребовал перехода к индустриальным методам изготовления деревянных конструкций. Развитие химической промышленности способствовало разработке синтетических водонерастворимых клеев, позволяющих изготовлять индустриальные клееные деревянные конструкции (ДКК). Возможность индустриального изготовления ДКК позволило варьировать качество досок (по сортам) при формировании клеевого пакета, снизить влияние пороков при изготовлении клееных конструкций на прочность и деформативность древесины, создавать конструкции различных размеров сечения и длины. Основой индустриализации и развития деревянных строительных материалов являются клееные и цельнодеревянные конструкции. В этих конструкциях устранены практически все недостатки древесины как строительного материала. Клееные деревянные конструкции позволяют экономично перекрывать большие пролеты, они в 5 раз легче аналогичных железобетонных пролетов и на 30 % дешевле традиционных конструкций из железобетона и стали. Наибольший объем этих конструкций используется в жилищно-гражданском, промышленном строительстве, на предприятиях с агрессивной средой и в сельскохозяйственном строительстве. В гражданском строительстве их применяют в покрытиях зальных помещений зданий, спортивных и актовых залов, торговых помещениях и других с пролетом до 60 метров и более. В промышленном строительстве несущие деревянные конструкции предназначены для применения в одноэтажных, однопролетных зданиях (пролетом 9-24 метра), в сельскохозяйственном строительстве - для сооружений сельскохозяйственных зданий и сооружений, складов минеральных удобрений пролетом 24-25 метров [11, 9].
Древесина по своему составу представляет горючий материал. Она содержит в своем составе около 49 % углерода, 6,1 % водорода, 6,02 % азота и до 1 % минеральных веществ (золы) и кислород [14, 149]. Пожарная опасность древесины заключается в том, что ее воспламенение возможно от теплового источника небольшой мощности, а будучи зажженной, она выделяет при горении значительное количество тепла. Чтобы древесина воспламенилась, необходимо нагреть ее поверхность до такой температуры, при которой скорость выделения летучих веществ из ее объема к поверхности будет достаточна для поддержания горения. Воспламенение древесины может произойти как от открытого источника огня (пламени или искры), так и от нагретых предметов или горячих газов. Опасность тепловых источников небольшой мощности заключается в возможности инициации пожароопасного процесса тления древесины при возникновении необходимых для этого условий (малой поверхности и малой интенсивности теплоотвода от очага тления). Примером может служить попадание искры или сигареты в щель между половыми досками, внутрь объема конструкции или в пустоты, которое может привести к пожару.
Температура воспламенения продуктов разложения древесины находится в пределах 240-270 °С, температура самовоспламенения - в пределах 350-450 °С [1, 22]. Продолжительное действие источника нагревания и наличие условий для аккумуляции тепла резко снижают температуру самовоспламенения древесины. При 100-110 °С древесина высыхает и, благодаря наличию воды, в древесине протекает в основном гидролиз полисахаридов. Начинают выделяться летучие вещества, имеющие запах [3, 6]. При 110-150 °С процесс разложения ускоряется, наблюдается пожелтение древесины и более сильное выделение летучих составных частей. При 150-250 °С появляется коричневая окраска древесины в связи с ее обугливанием. При температуре от 217-285 до 350 °С выделяется большое количество СО, жидкого дистиллята, содержащего уксусную кислоту, ее гомологи и метанол. При температуре свыше 280 °С количество С02 и СО снижается, образуются водород и углеводороды. При температуре 350-500 °С разложение лигнина и экстрактивных веществ сопровождается образованием незначительного количества жидких продуктов, главным образом тяжелой смолы, С02 , СО и углеводородов. Концентрация углеводородов достигает максимума при 380-500 °С. Неконденсирующиеся при 400-500 °С газы состоят в основном из следующих веществ (%): С02 (43-46), СО (29-33), Н (1,9-2,3), непредельных (2,2-3,7) и предельных (17-22) углеводородов [9, 6].
Таким образом, процесс термического разложения древесины протекает в две стадии: первая стадия (при нагревании до 280 °С) - разложение идет с поглощением тепла; вторая стадия, в свою очередь, подразделяется на два периода: сгорание газов, образующихся при термическом разложении древесины (пламенное горение), и сгорание образовавшегося древесного угля (тление). Образование угольного остатка при карбонизации и горении древесины может играть положительную роль в плане сопротивления дальнейшему прогреву (угольный остаток имеет более меньшую теплопроводность, чем сама древесина) и выходу горючие летучих продуктов из объема древесины к зоне горения [25, 41].
1.2 Исследование вопросов огнезащиты деревянных строительных конструкций
Огнезащита конструкций является составной частью общей системы мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и огнестойкости зданий и инженерных сооружений. Она направлена на снижение пожарной опасности конструкций, обеспечение требуемых пределов их огнестойкости. В число основных задач огнезащиты строительных конструкций входят: предотвращение загорания, прекращение развития начальной стадии пожара, создание «пассивной» локализации пожара, ослабление опасных факторов пожара [10, 12].
Способы огнезащиты конструкций разнообразны и включают конструктивные методы, методы создания на поверхности элементов разного рода теплозащитных экранов, физико-химические и технологические приемы, направленные на снижение пожарной опасности материалов. Исходя из специфических особенностей сопротивляемости конструкций тепловым воздействиям при пожаре, особенностей работы конструкций, их функционального назначения, способы огнезащиты могут претерпевать различные изменения и проявляются в разнообразных формах.
При проектировании строительных конструкций их огнестойкость и пожарную безопасность обеспечивают применением огнезащитных материалов и составов, установлением дополнительных требований к конструктивным решениям, а также использованием материалов пониженной горючести.
Практически снижение горючести древесины и древесных материалов достигается следующими методами [24, 27]:
• нанесение на поверхность материалов огнезащитного покрытия, обеспечивающего образование коксового слоя и предотвращение их тления и горения;
• пропитка древесины и материалов на ее основе или введение в их состав веществ, способствующих протеканию дегидратации древесины с минимальным выделением горючих газов и максимальным выходом угля;
• введение минеральных наполнителей в композиционные материалы на основе древесины.
Схема горения как циклического процесса (Рисунок 1.1) позволяет проследить действие отдельных факторов [17, 109].
1 – вспучивающиеся покрытия; 2 – огнезащитные обмазки, фольга; 3 – минеральные наполнители; 4 – антипирены; 5 – ингибиторы пламенного горения; 6 – обугливание
Рисунок 1.1 - Схема процесса горения древесины и мероприятия, направленные на его подавление
Для предотвращения нагревания материала на него наносят вспучивающиеся покрытия; с помощью фольги и других покрытий преграждают доступ воздуха и затрудняют выход летучих продуктов, вводя минеральные наполнители, снижают долю горючего субстрата в композиционном материале. Эффективные антипирены изменяют механизм пиролиза, уменьшая выход горючих продуктов, или ингибируют пламенное горение, в результате чего количество теплоты при экзотермическом процессе окисления в газовой фазе уменьшается. Обугливание поверхности препятствует развитию процесса пиролиза. В качестве огнезащитных факторов отмечают также поглощение теплоты при плавлении и разложении антипиренов. Остатки фосфор- и серосодержащих кислот содействуют развитию процессов дегидратации при пиролизе, выделяющаяся при этом вода снижает концентрацию горючих летучих продуктов термического разложения. Азотсодержащие соединения при горении образуют инертные газы, которые также разбавляют горючие летучие продукты [12, 11].
Огнезащитное действие вспучивающихся покрытий обусловлено существенным снижением теплопроводности слоя. Для вспененного слоя она в 5-10 раз ниже соответствующего значения для древесины, дополнительный эффект достигается за счет пустот в структуре угля при значительном повышении толщины слоя. Армирование волокнистым наполнителем повышает сохранность сплошного слоя покрытия в процессе воздействия пламени или повышения температуры [7, 9].
В настоящее время применяются следующие способы огнезащиты:
• нанесение непосредственно на поверхность объекта огнезащитных покрытий (окраска, обмазка, напыление и т.п.);
• облицовка объекта огнезащиты плитными материалами или установка огнезащитных экранов (конструктивный способ);
• комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов.
Преимущества и недостатки применяемых способов огнезащиты строительных конструкций представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Преимущества и недостатки различных способов огнезащиты
Название способа Преимущества Недостатки
Обетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом Относительно низкая стоимость материалов Увеличение массы конструкции Нанесение по сетке (дранке) Большая трудоемкость работ Сложность восстановления
Нанесение составов на жидком стекле Относительно низкая трудоемкость Низкая стойкость и долговечность Трудность контроля толщины Длительность нанесения и сушки
Нанесение пропиточных составов Низкая трудоемкость, малая толщина Низкая стойкость и долговечность Низкий достигаемый предел огнестойкости
Нанесение вспучивающихся покрытий Низкая трудоемкость, малая толщина Трудность контроля толщины
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о видимых преимуществах использования вспучивающихся покрытий для огнезащиты строительных конструкций из древесины.
1.3 Сущность и механизм огнезащитного действия вспучивающихся покрытий для деревянных строительных конструкций
Огнезащитные покрытия по механизму действия, толщине и функциональному назначению подразделяются на следующие виды:
• огнезащитные вспучивающиеся краски толщиной 1-10 мм, они могут выполнять декоративные цели, при этом скрывают цвет и текстуру древесины;
• декоративные вспучивающиеся покрытия, образующие защитную пленку толщиной до 1 мм, сохраняют цвет и текстуру древесины;
• комбинированные покрытия.
В зависимости от области применения огнезащитные покрытия подразделяются на неатмосфероустойчивые, которые эксплуатируются только в закрытых отапливаемых помещениях с относительной влажностью воздуха не более 70 %, и атмосфероустойчивые [18, 6].
Современные представления о механизме огнезащитного действия вспучивающихся покрытий состоят в следующем. Под воздействием пламени или высокой температуры происходит размягчение связующего и вспучивание его выделяющимися при разложении антипиренов газами; одновременно происходит и образование обильного угольного слоя вследствие дегидратации полигидратных соединений образующимися кислотами. Выбор определенных соотношений между компонентами позволяет исключить стекание размягчающегося покрытия с поверхности при нагреве, а введение наполнителей позволяет структурировать образующуюся пену, препятствовать ее выгоранию.
1.4 Методы контроля эффективности вспучивающихся огнезащитных покрытий для деревянных строительных конструкций
Согласно действующему Законодательству, огнезащитная обработка проводится организациями, в уставе которых регламентировано проведение работ и услуг в области пожарной безопасности. Также эти организации должны иметь выданную в установленном порядке лицензию. По окончании работ по огнезащите строительных конструкций составляется акт приема-сдачи, подтверждающий качественное выполнение огнезащитной обработки.
Огнезащитную эффективность покрытий определяют путем их испытания. Нормы пожарной безопасности НПБ 251-98 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Методы испытания» [13, 3] и ГОСТ Р 53292-2009 устанавливают общие требования к огнезащитным составам и веществам для древесины и материалов на ее основе (ОЗСВ). Эти нормативные документы устанавливают порядок и методику испытания огнезащитной эффективности и определения устойчивости к старению ОЗСВ.
Метод контроля качества огнезащитной обработки
В качестве средства измерения, испытательного оборудования и материалов для контроля качества огнезащитной обработки используется прибор ПМП-1, состоящий из следующих элементов:
• корпуса;
• газовой горелки;
• поворотной крышки;
• зажимного устройства.
В качестве газовой горелки рекомендуется использовать бытовую газовую зажигалку (предпочтительно с регулируемой высотой пламени). Габаритные размеры прибора должны быть не более 135 х 50 х 50 мм, масса — не более 0,25 кг.
Подготовка к проведению испытаний
Перед отбором образцов проводится осмотр обработанных ОС материалов и конструкций с целью определения соответствия внешнего вида требованиям ТД. Отбор образцов проводится в местах, преимущественно равномерно расположенных по площади объекта огнезащиты, с различных типов конструкций (стропила, обрешетка и др.), а также в местах, качество обработки которых вызывает сомнения. Для отбора образцов используется доступный режущий инструмент. Место отбора образца и сам образец маркируются. Образец должен представлять собой поверхностный слой огнезащищенной древесины (стружку) длиной от 50 до 60 мм, шириной от 25 до 35 мм, толщиной от 1,5 до 2,5 мм. В случае отклонения размеров снятой стружки от требуемых допускается доведение размеров до получения требуемой толщины путем стачивания части образца со стороны, не подвергавшейся огнезащитной обработке, а также обрезание кромок для придания образцу прямоугольной формы. По результатам отбора образцов составляется акт, в котором указывается место отбора каждого образца. Количество отобранных образцов должно составлять не менее четырех с каждых 1000 м2 огнезащищенной поверхности объекта (здания) или со всего объекта, если площадь обработки меньше 1000 м2.
Перед испытанием образцы в течение 24 часов выдерживают в помещении на ровной открытой поверхности при температуре от 10 °С до 30 °С и относительной влажности воздуха (60 ± 10) %. Недопустимо проводить испытания при использовании в качестве образца сырой стружки.
Перед проведением испытания необходимо настроить прибор, для чего следует зажечь газовую горелку, отрегулировать высоту пламени таким образом, чтобы оно своей верхней частью точечно касалось верхней кромки нижней подвижной части прижимной рамки держателя образца, отключить газовую горелку.
Проведение испытания осуществляется в такой последовательности:
- образец установить в зажимное устройство так, чтобы обработанная сторона была обращена к газовой горелке;
- зажечь газовую горелку;
- установить поворотную крышку в положение, обеспечивающее выполнение требований;
- выдержать образец под воздействием пламени в течение 40 секунд, после чего отключить газовую горелку;
- образец оставить в приборе для остывания образца и прибора до комнатной температуры.
При проведении испытания не допускается воздействие на пламя горелки воздушных потоков.
За образцом проводят визуальное наблюдение во время испытания и его осмотр после извлечения из прибора, при этом фиксируются:
• изменение цвета, усадка, вспучивание, коробление, тление и др.;
• появление признаков воспламенения (пламенное горение вне зоны воздействия пламени газовой горелки);
• самостоятельное горение после отключения газовой горелки;
• сквозное прогорание до образования отверстия;
• обугливание на всю глубину в зоне воздействия пламени газовой горелки;
• полное или неполное обугливание обработанной ОС стороны образца на площади, ограниченной рамкой зажимного устройства.
Результат испытания образца считается отрицательным, если зафиксировано хотя бы одно из следующих явлений:
• самостоятельное горение после отключения газовой горелки (допускается наличие локального горения в зоне воздействия газовой горелки в течение не более пяти секунд после ее отключения);
• сквозное прогорание до образования отверстия;
• обугливание обработанной ОС стороны образца по всей площади, ограниченной рамкой зажимного устройства;
• обугливание на всю глубину в зоне воздействия пламени газовой горелки при наличии признаков воспламенения (пламенное горение вне зоны воздействия пламени газовой горелки).
Результат испытания образца считается положительным, если указанные явления не наблюдаются.
Поверхностная огнезащитная обработка считается качественной при условии получения положительных результатов испытаний на всех отобранных образцах.
При получении отрицательных результатов на отдельных образцах (не более двух для площади 1000 м2 огнезащищенной поверхности объекта или для всего объекта площадью менее 1000 м2) проводятся повторные испытания на удвоенном количестве образцов, отобранных в местах, ограниченных площадью 1000 м2, где для отдельных испытанных образцов были получены отрицательные результаты. При получении положительных результатов повторных испытаний всех отобранных образцов поверхностная обработка объекта считается качественной.
Аналитический обзор и патентный поиск, показали отсутствие в настоящее время действующей полевой методики по определению огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий, нанесенных на деревянные строительные конструкции.
1- подставка; 2- газовая горелка; 3- керамический короб; 4- ротаметр; 5- образец; 6- держатель образца; 7- зонт; 8- термоэлектрический преобразователь; 9- верхний потрубок зонта; 10- автоматический потенциометр
Рисунок 1.2 - Установка «керамическая труба»
В ходе проведенного анализа информации, изложенной в первоисточниках, было выяснено, что динамика нагрева древесины под нанесенными вспучивающимися огнезащитными покрытиями исследована недостаточно и требует продолжения исследований применительно к теме диплома. Поэтому возникает необходимость в разработке специальной методики исследований поведения вспучивающихся огнезащитных покрытий при нагреве в лабораторных условиях с целью получения исходной информации для разработки полевой методики.
Также было определено, что механизм огнезащитного действия вспучивающихся огнезащитных покрытий для деревянных строительных конструкций практически одинаков для всех марок покрытий, что может позволить выявить общие процессы, протекающие при нагреве, и выбрать наиболее информативный показатель этих процессов для оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий и его дальнейшего, использования в полевой методике.
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Для решения задач исследования с целью получения исходной информации для разработки полевой методики использовали действующую методику определения влажности [11, 6], разработали методику и установку по исследованию поведения вспучивающихся огнезащитных покрытий, нанесенных на деревянные конструкции при нагреве. На этапе экспериментальных исследований использовали оборудование и средства измерения, представленные в таблице 2.1. На момент проведения исследований все средства измерения имели документацию о проведенных поверках.
Таблица 2.1– Характеристика оборудования и средств измерения
Наименование Тип Заводской
№ Пределы измерений Градуи-ровка Контролируемые параметры
Потенциометр КСП-4 08027 ХА(0-1100)°С 10 °С Температура
Стрелочный секундомер 4995 А 4577 (0-60) мин 0,2 сек Время эксперимента
Весы лабораторные ВЛКТ-5 7 (0-5000) г 0,1 г Масса образцов
Микрометр М001 36591 (0-20) мм 0,01 мм Толщина слоя
Термостат СНОЛ -3 0096 (0-300)°С 1°С Сушка образцов
Вольтметр Э 365-1 88151622 (0-500) В 10В Сетевое напряжение
Математическая обработка экспериментальных данных производилась с помощью пакета программ Microsoft Excel.
2.1 Выбор и обоснование параметров экспериментальной установки
Выбор параметров лабораторной установки по исследованию поведения вспучивающихся огнезащитных покрытий, нанесенных на деревянные конструкции при нагреве, являлся основным этапом создания лабораторной установки. Был разработан комплекс методик, в частности, для проведения исследований по выбору источника нагрева, варианта расположения источника нагрева в пространстве, расстояния между источником нагрева и поверхностью образцов. Было необходимо учесть, что процесс вспучивания огнезащитных покрытий начинается при температуре около 250 °С и заканчивается при температуре порядка 600 °С на поверхности покрытия [15, 88]. Также эксперимент не должен быть слишком продолжительным.
Для проведения серии исследований по выбору параметров лабораторной установки были поставлены ряд условий, при соблюдении которых искомые параметры будут оптимальными:
• режим нагрева образцов приемлем как для лабораторных условий, так и для условий реального строительного объекта по пожарной безопасности;
• режим нагрева образцов жесткий и интенсивный.
Исследования проводили в три этапа. На первом этапе был выбран источник нагрева. На втором этапе был выбран вариант расположения источника нагрева в пространстве. На третьем этапе было выбрано расстояние между поверхностью нагреваемого образца и поверхностью сопла источника нагрева. По разработанным методикам были исследованы варианты нагрева образцов открытым пламенем, лучистой составляющей теплового потока и конвективной составляющей теплового потока.
2.1.1 Выбор источника нагрева
Для выбора источника нагрева (далее нагревателя) был сформулирован ряд требований, которые должны выполняться по итогам этой серии исследований:
• малые габариты и вес (портативность);
• пожаробезопасность;
• обеспечение требуемого режима нагрева (создание потока греющей среды с температурой не менее 600 °С за короткое время);
• удобство эксплуатации (эргономичность);
• низкое энергопотребление.
Источники нагрева образцов при помощи открытого пламени не пригодны в связи с ее низкими эксплуатационными характеристиками и высокой пожарной опасностью. Источники нагрева образцов лучистой составляющей теплового потока не пригодны в связи с эксплуатационными характеристиками, громоздкостью и высоким энергопотреблением. Было решено использовать в разрабатываемой лабораторной установке только электрический нагреватель, использующий в качестве греющей среды воздух.
Для выбора источника нагрева была разработана лабораторная установка и методика проведения испытаний. Сущность методики заключалась в определении времени от начала теплового воздействия на термоэлектрической преобразователь в соответствии с настоящей методикой до появления на нем постоянной температуры.
Лабораторная установка включала в себя:
• исследуемый нагреватель;
• хромель-алюминиевый термоэлектрический преобразователь (ТЭП);
• лабораторный штатив;
• систему измерения и регистрации параметров - потенциометр КСП-40
Основные размеры и схема установки приведены на рисунке 2.1. ТЭП располагали в центре теплового потока от нагревателя. Расстояние между ТЭП и наружной поверхностью сопла нагревателя было взято 30 мм в связи с тем, что по паспортным данным у всех исследуемых нагревателей на данном расстоянии температура греющей среды максимальная. У всех исследуемых нагревателей по паспортным данным нормальное рабочее положение — горизонтальное. ТЭП с диаметром проволоки 0,1 мм был выбран в связи с его низкой инерционностью [16, 35].
Подготовка к проведению исследования включала замер сетевого напряжения, размещение термоэлектрического преобразователя, проверку и отладку приборов, установку опытного нагревателя.
1- лабораторный штатив; 2- исследуемый нагреватель; 3- центр теплового потока от нагревателя; Q- направление потока греющей среды; ¦ – термоэлектрический преобразователь
Рисунок 2.1 - Схема установки для выбора источника нагрева
