МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

БЄЛІКОВ АНАТОЛІЙ СЕРАФИМОВИЧ

УДК 699.81:614.84:536.21

ЗНИЖЕННЯ ГОРЮЧОСТІ І ПІДВИЩЕННЯ ВОГНЕСТІЙКОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ ДЕРЕВ’ЯНИХ КОНСТРУКЦІЙ ЗА РАХУНОК ЗАСТОСУВАННЯ ВОГНЕЗАХИСНИХ ПОКРИТТІВ (НА ПРИКЛАДІ ПІДПРИЄМСТВ ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ)

Спеціальність 21.06.02 - пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2001

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА) Міністерства освіти та науки України, м. Дніпропетровськ

Науковий консультант

доктор геолого-мінералогічних наук, професор КРИКУНОВ Геннадій Миколайович, професор кафедри “Безпека життєдіяльності” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури,

м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти :

- доктор технічних наук, професор Кременчуцький Микола Феофанович, професор кафедри аерології та охорони праці Національної гірничої академії України, м. Дніпропетровськ

- доктор технічних наук, професор Яковлєва Раїса Антонівна, завідуюча кафедрою загальної хімії Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

- доктор технічних наук, професор Пашковський Петро Семенович, перший заст. директора по науковій роботі НДІ “Гірнича рятувальна справа”, м. Донецьк, Міністерства палива та енергетики України

Провідна установа - Академія пожежної безпеки України МВС України

Захист відбудеться 18.04.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.056.01 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти та науки України, за адресою:

61002, м.Харків, вул. Сумська,40.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м.Харків, вул. Сумська,40.

Автореферат розісланий 16.03.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кутовий Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Аналіз пожежної небезпеки показує, що суттєвий матеріальний збиток економіці в усьому світі завдають пожежі, значно ускладнюючи екологічну обстановку, піддаючи небезпеці життя людей. Так, в Україні щорічно виникає більш ніж 50 тис. пожеж, у яких гинуть люди, а матеріальний збиток перевищує 20 млн. грн., побічні збитки в 20 разів більші. Особливо зросла пожежна небезпека на підприємствах вугільної промисловості, де щорічно гине від вибухів і пожеж до 300 шахтарів. Значною мірою така тривожна статистика обумовлена зростанням пожежної небезпеки будинків і споруд, які зводяться та екслуатуються за рахунок зміни технології виробництва, підвищення поверховості і щільності забудови, зміни традиційних і матеріалоємких технологій зведення будинків на нові прогресивні технології з ефективними будівельними матеріалами з дерева, пластмас, полімерів, металу і т.і. Перераховані вище матеріали високо чутливі до впливу високих температур і вогню. Так, дерев'яні і пластмасові будівельні матеріали і конструкції під дією високих температур спроможні горіти, виділяючи значну кількість тепла і токсичних речовин. Металеві конструкції при вогневому впливі швидко прогріваються до критичних температур, що веде до втрати несучої спроможності та руйнування.

Як показує практика, горючість застосовуваних матеріалів і низька межа вогнестійкості будівельних конструкцій є основними причинами значного матеріального збитку і загибелі людей при пожежах.

Тому зниження горючості матеріалів і підвищення вогнестійкості будівельних конструкцій є актуальною науково-технічною проблемою, складовою частиною Державної програми забезпечення пожежної безпеки України.

Метою дисертаційної роботи є теоретичне і практичне обгрунтування зниження горючості і підвищення вогнестійкості будівельних дерев’яних конструкцій за рахунок застосування ефективних вогнезахисних покриттів.

Робоча гіпотеза полягає в підвищенні межі вогнестійкості конструкцій за рахунок уповільнення швидкості нагрівання до критичних температур, гальмування процесів деструкції, розкладання й активного горіння горючих матеріалів, зменшення теплопередачі, ізоляція матеріалу конструкції від прямого зіткнення з вогнем і з киснем повітря при нанесенні ефективних вогнезахисних покриттів.

Для досягнення поставленої цілі з урахуванням прийнятої робочої гіпотези необхідно було вирішити такі наукові задачі:

1. Провести теоретичні й експериментальні дослідження і моделювання процесів тепло- масопереносу для виявлення закономірностей, що проявляються на різноманітних стадіях процесів прогріву і горіння.

2. Провести дослідження і встановити критерії оцінки зміни горючості матеріалів і вогнестійкості будівельних конструкцій, ефективності вогнезахисних покриттів.

3. Для прогнозування ефективності і теоретичного обгрунтування заново розроблюваних вогнезахисних покриттів встановити аналітичні залежності впливу теплофізичних характеристик і товщини вогнезахисного покриття, що спінюється, на процеси високотемпературного прогріву і наступних змін у деревині і металі під покриттям.

4. Розробити методологію експериментального визначення підвищення вогнестійкості будівельних конструкцій і групи трудногорючих і горючих твердих матеріалів.

5. З урахуванням теоретичних передумов провести вибір вихідних компонентів і розробити ефективні вогнезахисні композиції, що спінюються, для захисту деревини. Установити залежності впливу вхідних компонентів вогнезахисних композицій, на фізико-механічні властивості й вогнезахисну спроможність покриттів.

6. Розробити математичні моделі, що дозволяють оцінювати з урахуванням товщини покриття ефективність розроблених вогнезахисних композицій і можливість застосування для захисту дерев'яних і металевих конструкцій.

7. Розробити рекомендації з технології приготування і нанесення вогнезахисних композицій і впровадити результати дослідження на виробництві.

Методика досліджень. Методологічну основу дисертаційної роботи складають теоретичні дослідження вогнестійкості, підвищення вогнестійкості і процесів тепло- масопереносу при горінні деревини; моделювання процесів горіння в умовах розвинутої пожежі; математична статистика і кореляційний аналіз; рентгеноструктурні, диференційно-термічні дослідження; експериментальні дослідження з використанням як відомих стандартних так і розроблених автором методик; розроблена методологія дослідження горючості і вогнестійкості будівельних матеріалів і конструкцій.

У основу наукового узагальнення покладені роботи: Абрамса М.С., Густаферова А.Х., Баратова А.Н., Бартелемі Б., Башкірцева М.П, Бушуєва В.П., Зельдовича Я.Б., Еден К., Ільїна Н.А., Ковач К., Кошмарова Ю.А., Крикунова Г.М., Крюппа Ж., Куомо С., Ликова А.В., Мейсароша Д., Мальхоррта Х., Мурашова В.І., Лай Т., Пчелінцева В.А., Петерсона О., Ройтмана М.Я., Романенко П.Н., Стрельчука Н.А., Факлера Д., Федоренко В.С., Фоломіна А.І., Яковлєва А.І. і ін.

Основні наукові положення і результати, які виносяться на захист, їхня новизна.

1. На основі теоретичних досліджень визначені умови існування хвилі горіння деревини, з урахуванням фазового стану речовини здійснено поділ і перерозподіл окремих стадій (керування, відриву, злиття) у залежності від зміни зовнішніх умов горіння.

2. На основі аналітичних досліджень сформульована крайова задача, яка описує процес переносу тепла і вологи, що дозволяє при заданих граничних умовах стандартної пожежі, розрахувати поля температур і вологості до моменту спалаху деревини, а також прогріву металу до критичних температур.

3. Вперше теоретично досліджено процес стадійного тепло- масообміну в системі негорюче спінююче покриття - основа (деревина, метал) до і після спінювання за умови стандартної пожежі. Встановлено, що при горінні деревини, під вогнезахисним покриттям відбувається менший "механічний унос" (менше диспергування часток із твердого тіла, що горить), обумовленого “вимиванням” або “вистрілюванням” часток у результаті фільтрації газоподібних продуктів розкладу.

4. На підставі проведених аналітичних досліджень і моделювання процесів тепло- масопереносу виявлений вплив високотемпературного прогріву і горіння на зміну параметрів горючості і вогнестійкості деревини.

5. Встановлено залежності впливу теплофізичних характеристик і товщини вогнезахисного покриття, що спінюється, на процеси температурного прогріву і наступні зміни в деревині під покриттям, що дозволяє теоретично прогнозувати ефективність заново розроблюваних вогнезахисних покриттів.

6. Розроблено методологію дослідження горючості і вогнестійкості будівельних матеріалів і конструкцій, яка уперше враховує нові показники оцінки зниження горючості і підвищення вогнестійкості будівельних матеріалів і конструкцій під вогнезахисним покриттям.

7. Розроблено групу нових вогнезахисних композицій, що спінюються, для захисту дерев'яних конструкцій від вогневого впливу при пожежі (на розроблені вогнезахисні композиції отримано 20 авторських посвідчень і патентів на винаходи).

8. У результаті проведених досліджень і Державних випробувань розроблені “Рекомендації за технологією приготування і нанесення вогнезахисних композицій для деревини”, котрі узгоджені в УкрНДІПБ і затверджені Головним Управлінням Державної пожежної оборони (ГУДПО) МВС України в 1999р.

Зв'язок із державними і галузевими програмами, планами, темами.

Результати, викладені в дисертації, отримані в процесі наукових досліджень, що проводилися автором відповідно до “Державної програми забезпечення пожежної безпеки на 1995-2000р.”, затвердженої Кабінетом Міністрів України 03.04.1995 №238, у відповідності з Національною програмою “Поліпшення стану безпеки гігієни праці і виробничого середовища на 1996-2000 роки”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 15.11.1996 р. №1345 і з госпдоговірною тематикою ПДАБтаА, в/о “Укрзахідвугілля”, 1985-1995рр (теми №322 і №102).

Достовірність результатів досліджень досягається застосуванням сучасної методології експериментів, урахуванням фундаментальних досліджень українських і закордонних вчених в області підвищення вогнестійкості і зниження горючості будівельних конструкцій і матеріалів.

Отримані наукові положення, висновки і рекомендації підтверджені високою збіжністю результатів теоретичних, експериментальних, дослідно-промислових і державних досліджень і випробувань.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблені наукові основи і дано практичне обгрунтування ефективності застосування вогнезахисних негорючих покриттів, що спінюються;

- розроблена і пройшла експериментальні випробування “Методологія” оцінки ефективності вогнезахисних властивостей покриттів;

- розроблені й опробувані в умовах виробництва нові негорючі вогнезахисні композиції , що спінюються , для захисту дерев'яних будівельних конструкцій;

- отримані математичні моделі, що дозволяють прогнозувати вогнезахисні, технологічні й експлуатаційні властивості композицій у залежності від вхідних компонентів і товщини нанесення покриття.

Реалізація роботи.

Основні положення і рекомендації за результатами проведених досліджень використовувалися при особистій участі автора на підприємствах і проектних підрозділах інститутів: ДХК “Укрзахідвугілля”, ДХК “Александріявугілля”, ДХК “Павлоградвугілля”, ПІ “Дніпродіпрошахт”, ВНВО “Респіратор”, ЗАТ “Павлоградбуд”.

Розроблені вогнезахисні покриття ВЗП-А, ВЗП-Г, ВЗП-Д, ВЗП-Ж, ВЗП-З, ВЗП-Л пройшли Державні випробування в науково-дослідному центрі пожежної безпеки УкрНДІПБ МВС України і відносяться до І групи вогнезахисної ефективності.

На підставі проведених досліджень розроблені і застосовуються такі нормативні документи:

n

n

n

n

n

n

n “

На підставі теоретичних, експериментальних досліджень і державних випробувань створені передумови для виробництва вітчизняних високоефективних вогнезахисних покриттів та їхнього широкого впровадження.

Особистий внесок автора полягає в розвитку теорії оцінки вогнестійкості будівельних дерев’яних конструкцій; у розробці вперше запропонованих підходів, критеріїв і методів дослідження; у постановці і проведенні експериментальних досліджень і впровадженні результатів у виробництво. Всі включені в дисертацію дослідження проведені при особистій участі автора на всіх етапах роботи.

Особистий внесок у роботах, написаних у співавторстві: 26-30 - участь у проведенні досліджень і розробка моделей і алгоритмів; 34-53 - розробка ідей і формул винаходів і патентів, проведення експериментів; 23, 24 - написання основних розділів книг, участь у проведенні досліджень і розробці методичних підходів досліджень; 25-27 - участь у проведенні досліджень , розробка методики оцінки горючості і вогнестійкості будівельних конструкцій; 28-32 - участь у проведенні експериментів, участь у розробці моделей і алгоритмів; 28, 31 - розробка технології виготовлення покриттів; 25-27, 29-31, 32 - керівництво й участь у проведенні експериментів, розробка критеріїв оцінки і методології оцінки горючості матеріалів і вогнестійкості будівельних конструкцій, розробка технічної документації.

Апробація. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на 27 Міжнародних, Всесоюзних і Республіканських науково-технічних конференціях, семінарах і нарадах (1985-2000 г): 2-й міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми фундаментальних наук”, Москва, 1994 р; Всесоюзній науково-практичній конференції “Людина-праця-екологія”, Волгоград, 1990 р.; 2-й міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми фундаментальних наук”, Москва, 1993 р; республіканській науково-технічній конференції “Розробка енергозберігаючих технологій виробництв будівельних матеріалів і конструкцій і ведення будівельно-монтажних робіт, Дніпропетровськ, 1988 р.; міжнародній конференції “Наукові досягнення в будівництві і впровадження їхніх результатів, Вільнюс 1990 р.; республіканському семінарі-виставці “Енергозберігаючі технології, ефективні будівельні матеріали і конструкції для промислового і цивільного будівництва, Дніпропетровськ, 1991 р.; 1-й регіональній науковій конференції “Екологія і безпека життєдіяльності - ЭКО-96”, Дніпропетровськ, 1996 р.; 2-й регіональній науковій конференції “Екологія і безпека життєдіяльності- ЭКО-96”, Дніпропетровськ, 1996 р.; спеціалізованому семінарі “Методи, технічні схеми, технічні засоби, вогнезахисні речовини і моделі проведення пожежно-рятувальних робіт”, Харків, УДПО МВС України, 1994 р.; науково-технічному семінарі “Протипожежний захист будинків і споруд на стадії розробки проектної документації й у період будівництва”, Київ МВС України, 1995 р.; науковому семінарі “Забезпечення вогнестійкості будинків і споруд при застосуванні нових будівельних матеріалів і конструкцій”, Москва, МВС СРСР, 1988 р.; науково-технічному семінарі “Ділові ігри в підготовці інженерних кадрів”, Київ,1997; Всесоюзній науково-технічній конференції “Теорія, виробництво і застосування штучних будівельних компонентів у водогосподарчому будівництві, Ташкент 1985 р.; науковій республіканській конференції “Підвищення вогнестійкості будівельних матеріалів і захист від корозії будівельних конструкцій”, Челябінськ, 1986 р.; Всесоюзній конференції “Працездатність будівельних матеріалів при впливі різноманітних експлуатаційних чинників”, Казань, 1986 р.; науково-технічному семінарі “Забезпечення охорони праці в будівництві”, Ленінград, 1988 р.; регіональному семінарі “Рішення проблем охорони навколишнього середовища шляхом використання відходів промисловості в композиційних матеріалах”, Пемза, 1983 р.; науково-технічній конференції по проблемі: “Застосування ефективних матеріалів і конструкцій в області будівництва”, Москва, 1983 р.; 2-й науково-технічній конференції по проблемі: ”Теорія і практика захисту від корозії металевих і залізобетонних конструкцій і устаткування”, Астрахань, 1988 р.; міжнародній конференції “Будівельні матеріали і будівельні конструкції ICHB'96”, Дніпропетровськ, 1996 р.; постійно діючих наукових семінарах кафедри БЖД ПДАБтаА Мін. осв. України, 1990-2000 рр.; семінарі по проблематиці “Екологія і будівельна біологія”; 5-му спеціалізованому будівельному ярмарку, Лейпциг, Німеччина, 1995 р.; міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми механіки і математики”, Львів, 1998 р.; 2-й науково-практичній конференції “Безпека підприємств у надзвичайних ситуаціях. Підвищення рівня підготовки різних категорій населення, які навчаються з безпеки життєдіяльності людини”, Київ, КМУЦА 1999 р.; міжнародній конференції “Проблеми реконструкції та експлуатації промислових та цивільних об'єктів”, Дн-ськ, 1999 р.; 5-й міжнародній спеціалізованій виставці “Захист і безпека - 99”, УМВС Дніпропетровської обл., 1999 р.; 2-й міжнародній конференції “Наука та освіта-99”, Дн-ськ, 1999 р.; міжнародній конференції "Проблеми реконструкції промислових та цивільних об'єктів", Дн-ськ, 1999 р.; міжнародній науковій конференції "Питання сучасного матеріалознавства" Стародубовські читання, Дн-ськ, 2000 р.; міжнародній науковій конференції "Питання хімії і хімічної технології", Дн-ськ, 2000 р.; 4-й міжнародній науково-технічній конференції “Сталезалізобетонні конструкції: Дослідження, Проектування, Будівництво, Експлуатація”, Кривий Ріг, 2000 р.; Дн-ськ, 2001 р; міжнародному симпозіумі “Безопасность жизнедеятельности в ХХІ веке”, Дн-ськ, 2001р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 89 наукових праць (загальним обсягом 20,5 друкованих аркушів), у т.ч. видано монографію, 2 навчальних посібники, 37 статей у реферативних збірниках і ряд методичних вказівок для студентів, аспірантів, отримано 20 авторських свідоцтв та патентів на винаходи.

Обсяг і структура роботи.

Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, переліку посилань із 278 найменувань на 23 сторінках, містить 317 сторінок машинописного тексту, 70 малюнків і 74 таблиці на 82 сторінках і 7 додатків на 38 сторінках, загальним обсягом 461 сторінка.

Стислий зміст роботи.

У вступі викладений стан проблеми і показана актуальність її вирішення, сформульовані мета і задачі дослідження, показані наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі подано теоретичний аналіз наукових публікацій, присвячених проблемі горючості і пожежної небезпеки будівельних матеріалів і конструкцій; методів оцінки горючості матеріалів, вогнестійкості і підвищення вогнестійкості будівельних конструкцій; сучасних засобів зниження горючості і підвищення вогнестійкості будівельних конструкцій.

Зростаюча кількість пожеж і пожежонебезпека будинків і споруд ставить необхідність проведення спеціальних профілактичних заходів. Проте розробка ефективних заходів багато в чому залежить від правильної оцінки пожежної небезпеки матеріалів і вогнестійкості конструкцій. Для визначення характеру поводження матеріалу і конструкції, оцінки застосовуваних засобів вогнезахисту проводять вогневі і високотемпературні випробування.

У світовій практиці в даний час оцінка пожежної небезпеки будівельних матеріалів досліджується більш ніж по 200 методиках. Заслуговують на увагу методи оцінки горючості матеріалів у розвинутих країнах: Великобританії, Німеччині, Франції, США і країнах СНД. На жаль, при загальній тенденції по розробці єдиних оцінних показників пожежонебезпеки матеріалів існують і істотні розходження і протиріччя в їхньому визначенні. Тому оцінка матеріалів по пожежонебезпеці ведеться в різних країнах за різноманітними методиками, що викликає серйозні протиріччя. Так, при визначенні одного з найважливіших критеріїв - горючість, через різноманіття і розходження методичного підходу, практично, не можливо говорити про одержання однозначних результатів і їхньої надійності, що ускладнює і стримує міжнародне співробітництво. Неможливість прогнозу поводження матеріалів в умовах пожежі підтверджується і катастрофічним збільшенням росту пожеж, із розширенням міжнародних зв'язків в області застосування нових матеріалів у будівництві.

Вогнестійкість і її межа в загальному плані характеризують накопичення і прояв небезпечних чинників пожежі. Оцінку вогнестійкості будівельних конструкцій ведуть по двох напрямках - це експериментальні методи оцінки об'єктів, конструкцій моделей, зразків і розрахункові методи оцінки вогнестійкості конструкцій.

Розробкою методології вогневих іспитів матеріалів і конструкцій у даний час займаються ряд міжнародних дослідницьких центрів і іспитових станцій. Їхню роботу і спрямованість досліджень координує Робоча група 15 Міжнародної ради по будівництву (МРБ). У Західній Європі питаннями пожежної безпеки будинків і споруд займаються такі головні організації: Європейський комітет по стандартизації, Європейське економічне співтовариство (ЄЕС), Комітет за узгодженням результатів досліджень (LDA).

У країнах СНД дослідженням вогнестійкості будівельних конструкцій займаються головні центри: Всеросійський науково-дослідний інститут протипожежної оборони (ВНДІПО), Центральний науково-дослідний інститут будівельної промисловості ім. В.А. Кучеренка (ЦНДІБП), Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки (УкрНДІПБ) та ін.

Аналіз методів оцінки вогнестійкості конструкцій показав, що поряд із достоїнствами методів, що рекомендуються, вони мають і істотні недоліки: значний розкид отриманих даних (20% і більше), висока вартість, трудомісткість робіт, мала ефективність по накопиченню й узагальненню даних і т.д.

Встановлено, що в даний час відсутні моделі кількісної оцінки горіння різноманітних матеріалів з урахуванням змішаного гомогенно-гетерогенного процесу горіння і тепло- масопереносу характерного для розвинутої пожежі, що виключає можливість прогнозувати протікання деструктивних процесів у матеріалах (утворення коксового прошарку, обвуглювання, вигорання, кипіння і випаровування вологи і т.д.), а отже, ускладнює оцінку вогнестійкості конструкцій. Недостатньо вивченим є процес прогріву і горіння горючих і негорючих конструкцій при наявності спеціальних заходів захисту, що обумовлює відсутність моделей, які дозволяють оцінити зміну температури прогріву конструкцій під покриттям у залежності від властивостей композицій, товщини покриття і тривалості вогневого впливу.

Аналіз як вітчизняних, так і закордонних джерел показав, що необхідно проведення комплексних досліджень по удосконалюванню методології, виявленню основних параметричних показників по оцінці горючості матеріалів і вогнестійкості будівельних конструкцій, перегляду старих і введенню нових критеріїв.

Одним з основних критеріїв безпеки людей при виникненні пожежі в системі “пасивного” захисту є зниження горючості і підвищення вогнестійкості будівельних матеріалів і конструкцій. Зниження горючості і підвищення вогнестійкості досягається проведенням цілого комплексу заходів (застосування вогнезахисних покриттів, антипиренів, різноманітних екранів, обмазок, штукатурки, облицювання і т.д.).

Аналіз проблеми показав, що одним з ефективних шляхів підвищення пожежної безпеки є розробка і застосування ефективних вогнезахисних покриттів. Складність вирішення даної задачі пов'язана з відсутністю достатніх теоретичних і практичних досліджень і обгрунтувань при розробці й оцінці ефективності вогнезахисних покриттів.

Після поглибленого аналізу літературних джерел визначені задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням оцінки вогнестійкості, підвищення вогнестійкості і тепло- масопереносу при горінні деревини і прогріві металу. Теоретичні дослідження показали, що при високотемпературному нагріванні в режимі стандартної пожежі, коли tс1()=t0+345lg(8+1)>0 при >0 уже на стадії прогріву і висушуванні деревини відбувається утворення двох зон по перетину конструкції з різноманітним протіканням процесів тепло- масообміну, межа фазових переходів між цими зонами рухлива, і визначається відповідними умовами розвитку процесу. Сформульовано крайову задачу переносу тепла і вологи в часткових похідних, з відомим початковим розподілом температури і вологи, при заданих граничних теплових умовах стандартної пожежі, що дозволяє розрахувати поля температури і вологи до моменту спалаху деревини.

Суть оцінки вогнестійкості дерев'яних конструкцій полягає у визначенні часу горіння після закінчення якого перетин конструкції зменшиться до критичного значення. Внаслідок зменшення перетину напруга збільшується і при досягненні межі міцності конструкція руйнується. Як показали аналітичні дослідження, бурхливе википання і пароутворення вологи при високотемпературному впливі здатне змінити міцність навіть не обвугленої, а тільки підсушеної “свіжої” деревини. Отже, при оцінці вогнестійкості або підвищенні вогнестійкості дерев'яних конструкцій необхідно враховувати зміну міцності “свіжої” деревини, тому що зона з температурою tкип буде існувати на всіх стадіях процесу горіння і переміщується до центру конструкції.

Для практичної оцінки вогнестійкості і керування процесом горіння при моделюванні були виділені ефективні стадії і визначені умови існування хвилі горіння.

У залежності від зовнішніх умов, провідна стадія, що визначає швидкість горіння і поширення хвилі горіння, може бути провідною або підлеглою. Аналіз трьох режимів стадійного процесу горіння (керування, відриву і злиття) показав, що швидкість газифікації в режимі керування веде до інтенсивного утворення обвугленого прошарку (конденсованої к - фази), який має низькі значення теплопровідності, що обумовлює не тільки зниження масової швидкості горіння, але і зменшення доступу кисню, що різко змінює параметри вогнестійкості дерев'яних конструкцій, критерії оцінки горючості. У результаті обвуглювання значно змінюється несуча спроможність конструкції, а оцінка захисних спроможностей, по параметру прогріву на стороні, де відсутній прогрів, практично, неможлива.

Недоліком полімерних покриттів, що спінюються, і покриттів вміщуючих органіку є реакції, які розвивають деструкції під впливом теплової енергії, що надходить із тепловим потоком ззовні. У результаті такого впливу йде розкладання полімеру на горючі рідкі і газоподібні продукти і частково твердий залишок. Теплота, що виділяється, у результаті протікаючих реакцій, не встигає відводитися, що веде до розігріву полімеру і ще більшого прискорення його деструктивних процесів із переходом в екзотермічну стадію горіння. Відсутність горіння самого покриття змінює характер теплообміну.

Вперше аналітично досліджено процес стадійного тепло- масообміну в системі негорюче спінююче покриття - основа (деревина, метал), до спінювання і після спінювання за умови стандартного розвитку пожежі. Процеси тепломасообміну при впливі високих температур на систему спінююче негорюче покриття - деревина описуються рівняннями, в яких експоненціальні члени, що відображають процес горіння, заміняються математичними залежностями, що описують інші відповідні негорючим покриттям реакції. У багатьох випадках для розрахунку поля температур конструкцій, захищених негорючими покриттями, можна використовувати рівняння теплопровідності з ефективними теплофізичними властивостями, що враховують кінетику відповідних хімічних реакцій.

Для розрахунку поля температур у системі негорюче покриття - деревина процес теплообміну за умови стандартної пожежі розбивали на два розрахункових етапи:

перший- прогрів деревини до спінювання покриття, без урахування впливу теплофізичних властивостей і товщини останнього;

другий- подальший прогрів конструкції з урахуванням впливу параметрів спінюючого покриття.

Істотний вплив на прогрів захищеної конструкції мають щільність, теплоємкість і товщина покриття. Запропоновано використовувати аналітичні рівняння швидкості поширення фронту полум'я для термічно тонкого і термічно товстого покриття в залежності від щільності і теплопровідності покриття, величини температурного напору.

Встановлено, що при горінні дерев'яних конструкцій, оброблених вогнезахисними покриттями, в порівнянні з конструкціями необробленими, відбувається менший “механічний унос” (менше диспергування часток твердого тіла, що горить), обумовлений “вимиванням” або “вистрілюванням” часток у результаті фільтрації газоподібних продуктів розкладу.

Теоретичні дослідження показали, що задача оцінки прогріву дерев'яних конструкцій, захищених негорючими покриттями, що спінюються, не вирішується в аналітичному виді і процес прогріву можна досліджувати тільки за допомогою чисельних методів.

Проведені аналітичні дослідження дозволяють цілеспрямовано проводити попередній вибір компонентів для заново розроблюваних вогнезахисних покриттів з урахуванням їхньої ефективності.

На основі дослідження процесів тепло- масообміну при нагріванні металевих конструкцій, захищених покриттями, що спінюються, отримане інтегродиференціальне рівняння для визначення температури металу для будь-якого моменту часу:

(1)

де: t - температура металевого прошарку; l - товщина покриття; - об'ємна теплоємність металу; yк - координати поверхні контакту покриття і металевої конструкції; a1 - сумарний коефіцієнт тепловіддачі; a2 - коефіцієнт конвективної тепловіддачі; tС1() - температура осередку пожежі; - теплопровідність покриття.

Запропоновані математичні моделі дають можливість визначити критичну температуру на поверхні металевої конструкції під покриттям. Це дозволяє при оцінці вогнестійкості ввести поняття “мінімальна” межа вогнестійкості - це час від початку експерименту (пожежі) до досягнення критичної температури на поверхні металевих конструкцій.

Третій розділ присвячений розробці методології дослідження горючості, вогнестійкості і підвищення вогнестійкості будівельних матеріалів та конструкцій та ефективності вогнезахисних покриттів.

Теоретичні дослідження показали, що виходячи з концепції оцінки вогнестійкості і підвищення вогнестійкості, необхідно розглянути вибір системи показників пожежної небезпеки, оцінити існуючі методики і на основі отриманих результатів розробити методологію досліджень. З цією метою нами був проведений цілий комплекс досліджень по оцінці і вибору показників пожежної небезпеки.

Експериментально вивчено вплив процесів горіння деревини на зміну параметричних характеристик дерев'яних зразків, проведена оцінка горючості матеріалів і вогнестійкості будівельних конструкцій по показнику - зміна температури, досліджено температурне поле при різноманітних режимах випробувань у “керамічній камері”, вивчено вплив розмірів контрольних зразків і тривалості вогневого впливу на критерії горючості і вогнестійкості.

Аналіз проведених нами досліджень дозволяє зробити висновок, що складна система застосовуваних методів створює труднощі в роботі і не дозволяє в цілому домогтися однозначності або порівняння отриманих результатів і висновків. У процесі впливу високих температур в матеріалі відбуваються різноманітні параметричні зміни. Проте, не усі з них можуть бути прийняті як основні, оціночні характеристики пожежної небезпеки матеріалів, а тим більше вогнестійкості будівельних конструкцій і її підвищення.

У результаті вивчення температурного режиму в керамічній реакційній камері визначені зони, які найбільше прогріваються, що дозволило розташовувати контрольні зразки і проводити контроль з урахуванням розвитку максимальних температур, внести зміни в методику випробувань визначення трудногорючих і горючих матеріалів ГОСТ 12.1.044-89 і ГОСТ 16363-76* (СТ СЕВ 4686-84) - засоби захисту для деревини.

На підставі проведених досліджень уперше введені для оцінки горючості матеріалів, вогнестійкості і підвищення вогнестійкості будівельних дерев'яних конструкцій і матеріалів такі основні параметричні показники:

- втрата маси деревини за рахунок вигоряння (mг);

- втрата маси деревини за рахунок обвуглювання (mоб);

- втрата сумарної маси (m);

- втрата поперечного перетину за рахунок вигоряння (Sг);

- втрата поперечного перетину за рахунок обвуглювання (Sоб);

- втрата сумарного поперечного перетину (S);

Дослідження показали, що при горінні матеріалів у реакційну камеру вноситься значна кількість тепла, про що говорить значне підвищення температури по всій камері (мал.1). Висока інтенсивність підйому температури обумовлена тим, що одночасно відбувається полум'яне і безполум'яне горіння деревини по довжині зразків, швидкість підйому температури на 1 хв досягає 12,10С/с. Фактично за 4хв згоряє основна частина зразка. Друга стадія процесу горіння характеризується збільшенням безполум'яного горіння і зниженням температури.

Різниця температури до і після введення зразка в камеру характеризує приплив кількості тепла, виділеного при горінні деревини:

t=to - tк

де: to - температура в контрольованій точці при горінні дерев'яних зразків, 0С;

tк - температура в контрольованій точці камери без зразка, 0С.

Встановлено, що захисне покриття значно гальмує процеси розкладу і горіння деревини. Такі процеси протікають без явного полум'яного горіння й активного теплоуділення. Це особливо добре видно з мал.1, крива 1 (горіння зразків без покриття) знаходиться значно вище сталого температурного режиму в реакційній камері без зразка (крива 5), крива 3 (горіння зразків з покриттям з рідкого скла) знаходиться значно нижче температурної кривої 1 і до 5 хв випробувань нижче температурної кривої 5, але значно вище стандартної температурної кривої розвитку пожежі (крива 2). Це говорить про те, що вогнезахисне покриття на основі рідкого скла не забезпечує достатні вогнезахисні властивості деревини, процес горіння деревини з таким покриттям йде зі значним виділенням тепла.

В даний час для підвищення вогнестійкості будівельних горючих конструкцій застосовується значна кількість вогнезахисних складів і композицій різної ефективності, але оцінити їх якісну сторону, який із них більш ефективний, критерію оцінки немає.

Т, 0С

, хв

Мал.1 Вплив вогнезахисного покриття на температуру горіння зразків 150х60х30 мм

1-

2-

3-

4-

5-

Введення критерію оцінки зміни температури в найбільш прогріваній точці дозволяє оцінити ефективність покриття. Але така оцінка не може бути повною, якщо не буде враховано, як поводиться вогнезахисне покриття в осередку пожежі. Чи вносить воно додаткове тепло і тим самим сприяє розвитку пожежі або відбирає значну кількість тепла, знижуючи розвиток пожежі Тому вперше при оцінці роботи вогнезахисного покриття нами проводиться порівняння процесу горіння зі стандартною кривою розвитку пожежі (ISO).

Вперше введено новий показник при випробуванні зразків із покриттям - ефективність вогнезахисного покриття. Вважаємо, що вогнезахисне покриття є ефективним по захисту дерев’яних конструкцій від вогневого впливу та розповсюдження вогню, якщо температура на поверхні зразків, захищених покриттям (t) менша температури стандартної пожежі (Тп) і нижча сталої температури в реакційній камері без зразків (Ту.к.) тобто t<Tn і t<Ту. к.

Якщо ця умова не виконується, то з цього випливає, що дане вогнезахисне покриття є не ефективним, тому що процес горіння протікає активно з виділенням значної додаткової кількості тепла в осередку пожежі.

Введення нового показника - ефективність вогнезахисного покриття, дає можливість вперше оцінити якісну сторону вогнезахисних покриттів, виявити їхню ефективність.

Теоретичні дослідження показали, що в умовах стандартної пожежі не займана вогнем “свіжа” частина деревини, у результаті бурхливого випарювання вологи може змінювати свою залишкову міцність. Для оцінки зміни міцності на стиск у результаті вогневого впливу була розроблена методика, що враховує не тільки температурний вплив, але й індивідуальну форму зразків після вогневих іспитів. Проводилося також визначення міцності деревини на стиск уздовж волокон і при статичному вигині по стандартних методиках.

Запропонована авторами методологія включає удосконалені показники, такі як: швидкість вигоряння деревини, зміна маси з урахуванням згорілої і обвугленої частин деревини; нові показники, такі як: зміна площі поперечного перетину в процесі горіння; стандартні і нові методики оцінки горючості і підвищення вогнестійкості, зміни міцності “свіжої” деревини в процесі вогневого впливу; методику оцінки ефективності вогнезахисних композицій і т.д.

В методології, що рекомендується, запропонована методика оцінки ефективності вогнезахисних покриттів для конструкцій із негорючих матеріалів (таких як метал, бетон, залізобетон).

На підставі проведених досліджень нами запропоновано для визначення ефективності роботи вогнезахисних покриттів металу проводити контроль за зміною температури в зоні, яка максимально прогрівається, нижньої частини зразка під покриттям.

Введено новий показник оцінки ефективності захисту (роботи) вогнезахисного покриття- межу вогнестійкості вогнезахищених будівельних конструкцій.

Межа вогнестійкості будівельних конструкцій із металу, бетону або залізобетону з вогнезахисним покриттям визначається по формулі:

огн=+нор. ,факт. (2)

де: огн - межа вогнестійкості вогнезахищених будівельних конструкцій, хв;

нор. ,факт. - нормативне або фактичне значення межі вогнестійкості будівельних конструкцій (установлене розрахунковим або експериментальним шляхом), хв;

- мінімальне підвищення межі вогнестійкості будівельних конструкцій за рахунок застосування вогнезахисного покриття, хв.

Оцінка підвищення межі вогнестійкості елементів будівельних конструкцій із зміною товщини вогнезахисного покриття проводиться з урахуванням мінімального підвищення межі вогнестійкості даної товщини покриття (т).

При цьому під розуміється час від початку експерименту (пожежі) до досягнення критичної температури на поверхні металу під покриттям, що дає можливість оцінити тільки ефект захисту самого покриття.

Даний показник може розглядатися як один із критеріїв оцінки вогнестійкості і підвищення вогнестійкості негорючих конструкцій в експрес-методах.

У четвертому розділі розглядаються процеси горіння деревини для оцінки вогнестійкості будівельних конструкцій.

У пожежному відношенні деревина без покриття відноситься до матеріалів підвищеної горючості, що визначено її природною органічною структурою. Активність горіння деревини пов'язана з величезним додатковим виділенням тепла в зону горіння (для сосни q=18465-20887 кДж/кг). Горіння деревини в умовах пожежі відноситься до складних нестаціонарних процесів теплопередачі. У результаті високої екзотермічності процесів змінюється в часі як кількість тепла, що виділилось, (q), так і температура навколишнього середовища (tср).

Зміна температури по перетину деревини при горінні вивчалася на дерев'яних зразках-моделях розміром 150х60х30 мм при односторонньому і багатосторонньому вогневому впливі в реакційній камері.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили слушність аналітичних висновків стадійності процесу поширення хвилі горіння. Таке явище обумовлює те, що швидкості вигоряння й обвуглювання не постійна, а перемінна величина за часом і її необхідно враховувати при оцінці горючості і вогнестійкості несучих і не несучих дерев'яних конструкцій.

Дослідження показали, що прогрів деревини по перетину залежить від тривалості прогріву і товщини прошарку, що прогрівається (х). В міру віддалення від поверхні до центру спостерігається нелінійна залежність зниження температури. Деревина відноситься до теплоізоляційних матеріалів, з не високим коефіцієнтом теплопровідності, низькою щільністю, високою пористістю структури (для сосни коефіцієнт теплопровідності поперек волокон =0,14-0,16 Вт/м.0С, уздовж волокон =0,34-0,72 Вт/м.0С, щільність при W=10-12%, 450-500кг/м3, пористість 53-70%). Деревина є гарною теплоізолюючою перепоною в передачі тепла від джерела вогню.

Зміна перетину моделі при горінні деревини зрушує зони прогріву і горіння у бік "свіжої" не займаної вогнем деревини. На прогрів деревини істотне значення виявляє утворення при горінні обвугленого прошарку, розмір якого змінюється з часом і багато в чому залежить від доступу кисню в зону горіння. Обвуглений прошарок деревини, практично, не має міцності і в процесі горіння руйнується, з утворенням нового. Обвуглений прошарок має малу щільність і низький коефіцієнт теплопровідності (=0,19-0,27 р/см3, =0,08-0,12 Вт/м.0С.), значно знижує теплопередачу по перетину деревини. Це підтверджують проведені нами дослідження, температура під обвугленим прошарком не перевищує 1000С, а прогрів деревини до деструктивних температур (600С і вище) протікає повільно і поширюється на глибину не більш 26-35 мм, що добре узгоджується з даними, отриманими у ВНДІПО і фундаментальними дослідженнями Б. Бартелемі і Ж. Крюппа і нашими аналітичними дослідженнями (розділ 2). Дослідження показали, що загальна товщина прогріву деревини не перевищує 45-50 мм.

Гарна збіжність отриманих результатів досліджень дозволила після опрацювання даних на ЕОМ одержати такі залежності:

Зміна температури середовища, що розвивається, у реакційній камері (tср,0С) при односторонньому прогріві від тривалості випробувань (, хв).

tср =175,5+181,96-26,432+1,323 (3)

Зміна температури на поверхні моделі, що обігрівається (tп, 0С) від тривалості випробувань (, хв).

tп =91,2+158,221-21,2442+1,053 (4)

Встановлено, що в процесі горіння деревини без покриття переважає полум'яне горіння, що призводить до більшої втрати маси і перетину у середньому в 2-2,4 рази, за рахунок вигорання, ніж у процесі обвуглювання. У результаті досліджень нами встановлені залежності втрати маси зразків від часу вогневого впливу (, хв):

Втрата маси за рахунок вигоряння, %/хв

mг=-209,75ехр(-0,06)+205,9 (5)

Втрата маси за рахунок обвуглювання, %/хв

mоб=913,09ехр(0,005)-914,1 (6)

Втрата сумарної маси ,%/хв

m=-3,4+15,56+0,182 -0,0173 (7)

При вогневому впливі змінюються геометричні характеристики будівельних конструкцій (елементів). Найбільш важливим показником є поперечний перетин, що відчуває значні деструктивні зміни, приймаючи форму кола або еліпса. Радіус заокруглення приблизно дорівнює глибині обвуглювання і вигоряння. Отримані залежності дозволяють прогнозувати зміну вогнестійкості від часу вогневого впливу (, хв):

Зміна швидкості вигоряння деревини, мм/хв:

Vг=0,5+0,2-0,052+0,0043 (8)

Зміна швидкості обвуглювання деревини, мм/хв:

Vоб=0,29-0,06+0,072,0083 (9)

Зміна сумарної швидкості горіння деревини, мм/хв:

V=-0,94ехр(-0,21)+1,73 (10)

Як показують дослідження, при зміні розмірів контрольних зразків (від 150х15х15 до 150х60х60) істотно змінюється міцність і характер горіння матеріалу в реакційній камері. У залежності від розмірів зразків тривалість горіння; середня сумарна швидкість втрати маси; середня сумарна швидкість вигоряння поперечного перетину описуються такими рівняннями:

Тривалість горіння зразків, (, хв)

=2,14+0,14s-0,06s2-0,0001s3 (11)

Швидкість втрати маси, (Wm, %/хв)

wm=40,54-1,67s+0,02s2+0,0001s3 (12)

Швидкість вигоряння поперечного перетину, (V, мм/хв)

V=-0,57ехр(0,19s)+2,25 (13)

де: S - розмір поперечного перетину зразків, см2.

Теоретичні міркування про те, що механічна міцність не займаної вогнем “свіжої” деревини, схильної до вогневого впливу, може бути змінена за рахунок деструктивних процесів, пов'язаних із швидким випарюванням вологи, підтвердилися результатами експериментальних досліджень.

Аналіз отриманих даних (табл.1) показав, що при тривалому вогневому впливі (більш 10хв) замічене зниження механічної міцності “свіжої” деревини (від 8% до 15%) при багатосторонньому прогріві конструкцій. При односторонньому прогріві зниження міцності в межах помилки 1,5-2,5%, що не істотно і ним можна нехтувати.

Це підтверджують і отримані нами дані про можливе зниження міцності за рахунок швидкого нагрівання деревини до температури 60-100С в прилеглому прошарку з