АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Влияние средств огнезащиты на пожарную опасность древесины
Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (строительство)
На правах рукописи
Корольченко Ольга Николаевна
Москва - 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бельцова Татьяна Георгиевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Страхов Валерий Леонидович
кандидат технических наук, доцент Сивенков Андрей Борисович
Ведущая организация: НИИ Всероссийского добровольного пожарного общества по обеспечению пожарной безопасности
Защита диссертации состоится «____»_________2010г. на заседании диссертационного совета Д 212.138.09 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, ауд. № 601Г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета
Автореферат разослан «____»___________2010г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ляпин А.В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Древесина является одним из самых распространённых материалов для строительства. Обладая многими свойствами, выгодно отличающими её от других строительных материалов, она обладает существенным недостатком - легкой воспламеняемостью и горючестью. В связи с этим, на протяжении длительного времени ведутся поиски эффективных средств и способов снижения пожарной опасности древесины.
До последнего времени под огнезащитой древесины понималось снижение её воспламеняемости и горючести. Другие пожарно-технические характеристики (группа распространения пламени, дымообразующая способность при горении, токсичность продуктов горения) при разработке и применении огнезащитных композиций не учитывались. В то же время известно, что основными причинами гибели людей на пожарах являются воздействие дыма и токсичных продуктов горения.
В соответствии с принятой классификацией строительных материалов по пожарной опасности древесина является легковоспламеняемым сильногорючим материалом, сильнораспространяющим пламя по поверхности, материалом с высокой дымообразующей способностью и чрезвычайно опасным по токсичности продуктов, выделяемых при горении.
Для целей огнезащиты древесины применяются композиции, в состав которых входят минеральные соли, а также галоид- и фосфорсодержащие соединения. Обработка поверхности древесины подобными составами, в соответствии с существующими представлениями о процессах её воспламенения и горения, может приводить к снижению воспламеняемости и горючести и увеличению дымообразования и токсичности, выделяющихся при горении газообразных продуктов.
Комплексных исследований влияния средств огнезащиты на пожарно-технические характеристики огнезащищённой древесины до сих пор не проводилось. При изучении литературы по данной тематике не найдены ссылки на исследования в этой области. Вместе с тем, для направленного поиска огнезащитных композиций с необходимыми свойствами, для решения вопросов применения средств огнезащиты на объектах строительства с целью обеспечения пожарной безопасности, необходимо изучение влияния этих составов на воспламеняемость и горючесть древесины, условия распространения пламени по её поверхности, дымообразование при горении и токсичность продуктов горения.
Работа проведена в рамках выполнения НИР МГСУ по решению проблемы «Обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений».
Целью исследования было выявление влияния средств огнезащиты древесины на комплекс её пожарно-технических характеристик для оптимизации условий применения на строительных объектах.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Обоснование выбора объектов исследования - огнезащитных составов - для получения представительных данных по влиянию средств огнезащиты на пожарно-технические характеристики огнезащищённой древесины.
2. Оценка влияния средств огнезащиты на горючесть древесины.
3. Изучение степени влияния огнезащитных составов на воспламеняемость древесины.
4. Исследование зависимости условий распространения пламени по поверхности древесины от вида огнезащитного состава и плотности падающего теплового потока.
5. Определение влияния средств огнезащиты на дымообразующую способность древесины при её горении.
6. Оценка изменения уровня токсичности продуктов горения древесины в результате обработки огнезащитными составами.
7. Разработка «Рекомендаций по огнезащите древесины».
Объектом исследования в диссертационной работе являлась древесина сосны, обработанная различными огнезащитными составами.
Предметом исследования являлись процессы воспламенения и горения огнезащищенной древесины.
Методами исследования, использованными в диссертации, являлись стандартные методы:
-метод определения горючести строительных материалов;
-метод определения воспламеняемости строительных материалов;
-метод определения групп распространения пламени по поверхности строительных материалов;
-метод определения дымообразующей способности при горении строительных материалов;
-метод определения показателя токсичности продуктов горения строительных материалов;
-метод определения «огнезащитной эффективности» средств огнезащиты.
Научная новизна
1) Впервые проведено комплексное исследование влияния средств огнезащиты на пожарную опасность сосновой древесины.
2) Установлено, что определение огнезащитной эффективности средств огнезащиты древесины по методике (ГОСТ 16363-98) не позволяет объективно характеризовать влияние огнезащитных составов на пожарную опасность защищаемой древесины.
3) Предложен комбинированный способ оценки эффективности средств огнезащиты древесины, заключающийся в определении ряда показателей, характеризующих реакцию огнезащищённой древесины на параметры начальной стадии пожара.
4) Установлены критические значения тепловых потоков, при которых происходит воспламенение древесины, обработанной огнезащитными составами.
5) Показано, что эффект огнезащиты при испытаниях на горючесть обработанной древесины проявляется:
а) в снижении потери массы при горении от 49% до 20%;
б) в уменьшении времени пламенного горения от 1810 сек. до 115 сек.;
в) в снижении тепловыделения при горении, выражающегося в уменьшении температуры отходящих газов до 270 0С.
6) Определены условия получения огнезащищённой древесины, не распространяющей пламя по поверхности.
7) Установлено влияние огнезащитных составов на дымообразование при горении огнезащищённой древесины и токсичность продуктов горения.
8) Установлен эффект влияния огнезащитных составов на воспламеняемость древесины, который проявляется в более интенсивном обугливании поверхностного слоя, создающего барьер для прогрева нижележащих слоев. В результате обработки изученными огнезащитными композициями деревянных конструкций удалось перевести древесину в группу РП1 (не распространяющих пламя) и РП2 (слабо распространяющих пламя).
9) Установлено подавление процесса дымовыделения при примененной огнезащитной обработке древесины до 50%. Впервые выявлены условия горения огнезащищенной древесины с реализацией максимального выхода газообразных токсичных веществ.
Научно-практическая значимость. Доказано отсутствие корреляции между результатами определения «огнезащитной эффективности» средств огнезащиты древесины и показателями пожарной опасности огнезащищенной древесины: группой горючести, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразованием и токсичностью продуктов горения, что делает необходимым определять пожарно-технические характеристики при оценке эффективности огнезащитных составов для древесины.
Определены практические направления в создании наиболее эффективных огнезащитных композиций для древесины, которые должны обладать эффектом вспучивания в условиях пожара.
Разработаны «Рекомендации по огнезащите древесины».
На защиту выносятся:
- результаты экспериментальных исследований по определению пожарно-технических характеристик (группа горючести, воспламеняемость, распространение пламени, дымообразование при горении, токсичность продуктов горения) огнезащитной древесины;
- разработанные направления совершенствования эффективности огнезащитных составов для древесины;
- «Рекомендации по огнезащите древесины».
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 11 печатных работах, их них 1 - в журнале, определенном Высшей аттестационной комиссией («Вестник МГСУ»).
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 138 страниц компьютерного текста, 19 таблиц, 34 рисунков и состоит из введения, пяти глав, библиографического списка, включающего 107 ссылок и двух приложений.
Краткое содержание работы
Во Введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулирована цель диссертационной работы, показана научная новизна, приведены методы исследований, оценена практическая значимость работы, а также приведен краткий обзор структуры диссертации и основные научные достижения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ литературного обзора по влиянию средств огнезащиты на пожарную опасность древесных материалов, в частности рассмотрен механизм горения древесины и возможные механизмы действия огнезащитных составов. Рассмотрены характеристики широко применяемых в строительстве средств огнезащиты, а также требования нормативно-технической документации к средствам огнезащиты и огнезащищённым материалам.
Процесс горения незащищённой древесины определяется закономерностями воспламенения и горения твёрдых органических материалов. Органические вещества составляют основную часть древесины. Главным образом это углеводы (целлюлоза) и ароматические соединения (лигнин).
Горение древесины может быть представлено следующими зонами:
- зона без горения - зона прогрева твердой фазы, толщина которой в зависимости от условий теплообмена составляет 3-5 мм;
- зона термического разложения - реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение целлюлозы и лигнина на летучие горючие продукты;
- предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты термического превращения дополнительно разлагаются, здесь же начинается процесс воспламенения;
- зона пламени (или реакционная зона) в газовой фазе, где протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура;
- зона продуктов сгорания, в которой присутствуют продукты полного и неполного сгорания древесины.
На основе рассмотрения механизма воспламенения и горения древесины объяснены возможные способы её огнезащиты.
Задача огнезащиты заключается в необходимости подавления процессов воспламенения и горения древесины, нарушения активного участия трёх обязательных составляющих этого процесса: горючего материала, окислителя (кислорода воздуха) и теплового потока от зоны горения к поверхности древесины.
Для её решения разработаны десятки составов, которые могут быть классифицированы следующим образом:
- огнезащитные пропитки;
- огнезащитные краски, наносимые слоем толщиной от 1 до 3 мм, (одновременно с огнезащитой они могут выполнять декоративные функции, скрывая при этом цвет и текстуру древесины);
- прозрачные декоративные покрытия (лаки), наносимые слоем от 1 до 3 мм, сохраняющие структуру и цвет древесины.
В последние годы из числа пропиток, лаков и красок выделяются так называемые вспучивающиеся (терморасширяющиеся) покрытия, наносимые слоем от 1 до 3 мм, и в процессе нагрева внешним источником тепла увеличивающиеся в объёме в 20-30 и более раз и создающие защитный слой.
Во второй главе приведено обоснование использованных в экспериментах образцов сосновой древесины и характеристики огнезащитных составов, применяемых в строительстве для снижения пожарной опасности древесных материалов.
Анализ свойств древесины различных пород показал, что по химическому составу, физическим и механическим свойствам они достаточно близки между собой. Поэтому в качестве объекта исследований была выбрана сосновая древесина. Этот выбор обусловлен следующими соображениями:
- сосновая древесина наиболее широко используется в строительном производстве;