Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

соколенко костянтин іванович

удк 614.842.615

Підвищення ефективності протипожежного захисту

об’єктів із застосуванням вогнезахищеної деревини

21.06.02 - пожежна безпека

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України (м. Київ).

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Цапко Юрій Володимирович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, начальник відділу вогнегасних речовин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кашуба Олег Іванович, старший науковий співробітник науково-дослідного центру протипожежного захисту Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Куріпко Олег Васильович, старший науковий співробітник науково-дослідної лабораторії вибухо-пожежобезпеки та живучості корабля Севастопольського Військово-Морського Інституту ім. П.С. Нахімова.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури (м. Харків).

Захист відбудеться “9“ лютого 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК 26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул.Рибальська,18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул.Рибальська,18.

Автореферат розісланий “ 4 “ січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., с.н.с. Сопенко С.І.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Спектр використання матеріалів та конструкцій з деревини у будівництві дуже широкий. З огляду на той факт, що саме деревина є основним провідником поширення полум’я, практика висуває все більш високі вимоги до ефективності вогнезахисних засобів, а також до якості вогнезахищеної деревини. Не менш ніж 80 % від загальної кількості пожеж виникають у житловому секторі, громадських і виробничих будинках, де деревина є значним пожежним навантаженням.

Ці проблеми обумовили прийняття нормативного документа ДБН В.1.1-7, який вимагає матеріали та конструкції з деревини різноманітного призначення обробляти засобами вогнезахисту, які забезпечують І групу вогнезахисної ефективності згідно з ГОСТ 16363.

Сольові антипірени, що входять до складу вогнезахисних засобів (МС, ББ, БС та інш.) якими оброблюють дерев’яні елементи горищних покриттів (крокви, лати), під час експлуатації під дією вологого повітря висолюються з деревини, а з дерев’яних поверхонь, які знаходяться зовні споруд, вимиваються і через деякий час просочена деревина стає горючою. До того ж вони містять у своєму складі високотоксичні речовини. Нові просочувальні засоби, зокрема суміш з сольового антипірену та полімерного антисептика (ДСА-1), не можуть використовуватися для оброблення зовнішніх дерев’яних поверхонь через їх здатніть до вимивання, що призводить до обмеження терміну їх експлуатації. Крім того, недостатньо вивчено особливості процесу висолювання антипіренів, а кількість літературних джерел з цього питання обмежена.

Цим зумовлено актуальність наукових досліджень, спрямованих на вирішення комплексу вищезазначених питань щодо підвищення ефективності протипожежного захисту об’єктів різного призначення шляхом переведення застосованої в них деревини до групи важкогорючих матеріалів, підвищення терміну експлуатації вогнезахисних складів в умовах негативного атмосферного впливу, а також зниження рівня токсичності продуктів горіння обробленої ними деревини.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках заходів щодо виконання Державної програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.2002 р. №870, під час виконання науково-дослідних робіт в УкрНДІПБ МНС України за такими темами:

- “Розробити проект Державного стандарту України “Речовини вогнезахисні для деревини. Загальні технічні вимоги і методи випробувань” (державний реєстраційний № 0103U007969), особистий внесок – один із авторів розробки проекту ДСТУ;

- “Провести дослідження і розробити проект рекомендацій щодо вогнебіозахисту тканин і паперу (обгортувального і пакувального)” (державний реєстраційний № 0105U005090), особистий внесок – проведення аналітичних та експериментальних досліджень.

Мета роботи – наукове обґрунтування та експериментальне підтвердження умов зменшення горючості деревини за рахунок розроблення ефективних екологічно безпечних та водостійких вогнезахисних сумішей для підвищення пожежної безпеки об’єктів.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз сучасного стану вогнезахисту деревини просочувальними розчинами;

- провести дослідження процесу утворення шару коксу на поверхні вогнезахищеної деревини під дією теплового потоку;

- провести дослідження процесу висолювання з деревини вогнебіозахисних речовин;

- провести комплекс експериментальних досліджень ефективності вогнезахисту та експлуатаційних властивостей вогнезахищеної деревини комбінованим просочувальним складом із антипірену, полімерного антисептика та гідрофобізатора;

- розрахувати оптимальну концентрацію компонентів у вогнезахисному шарі деревини;

- розробити рекомендації з вогнебіозахисту деревини на об’єктах різного призначення, в тому числі з масовим перебуванням людей.

Ідея роботи полягає в розробленні ефективних вогнезахисних композицій на основі сольового антипірену, полімерного антисептика та полімерної гідрофобізувальної суміші для деревини, яка застосовується на об’єктах різного призначення.

Об’єкт досліджень – процеси займання вогнезахищеної деревини, умови та механізми їх уповільнення; процеси, що відбуваються у вогнезахищеній деревині під час її експлуатації .

Предмет досліджень - вогнезахищена деревина, вогнезахисні просочувальні засоби для деревини та виробів із неї.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включає теоретичні дослідження процесу утворення шару коксу на поверхні вогнезахищеної деревини, швидкості вигоряння та тепловиділення під час горіння зразків та динаміки процесу втрати вогнезахисних властивостей деревини в процесі експлуатації; експериментальні методи дослідження механізму вогнезахисної ефективності антипіренів на основі фосфатів та сульфатів амонію та тривалості ефективного захисту деревини від загоряння і біологічного руйнування; числові методи математичного аналізу; фізико-хімічні методи досліджень (хроматографія, оптична спектроскопія та гравіметричний аналіз) та методи лабораторних випробувань (оцінювання реагування матеріалів на дію теплового випромінювання, їх займистість та димоутворення), регламентовані діючими стандартами.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, та їх новизна:

1. Теоретично встановлено та експериментально визначено, що за умови вогнезахисту деревини сумішшю фосфатів та сульфатів амонію з полімерним антисептиком “Гембар”, під дією теплового потоку, товщина утвореного шару коксу на поверхні деревини зменшується більше, ніж в 1,6 рази з підвищенням ефекту вогнезахисту, масова швидкість вигоряння зменшується в 4,8 разів, а швидкість тепловиділення - в 5,3 рази. Експериментально виявлено вплив компонентів просочувальної суміші фосфатів та сульфатів амонію з полімерним антисептиком “Гембар” на ефективність вогнебіозахисту. Встановлено факт зменшення кількості горючих газів в сумішах летких продуктів термодеструкції вогнезахищених зразків деревини: метану – не виявлено, водню - в 4 рази, оксиду вуглецю - в 3-3,5 разів, разом з тим кількість азоту зросла більше, ніж на 80

2. Теоретично припущено та експериментально визначено, що за умови наявності полімерної плівки антисептика “Гембар” на поверхні зразка уповільнюється процес висолювання антипіренів більше, ніж у 2,3 рази, а застосування полімерної гідрофобізувальної захисної суміші “Сілол АР” зменшує поглинання води вогнезахищеною деревиною більше, ніж у 3,5 рази.

Експериментально встановлено, що застосування гідрофобізувальної суміші “Сілол-АР” покращує вогнезахисну ефективність деревини, обробленої сумішшю ДСА-2 (за умови поглинання маси сухих солей - 46,9 кг/м3) на 10 а за умови поглинання маси сухих солей - 29,6 кг/м3 - забезпечується І група вогнезахисної ефективності.

3. Визначено оптимальне співвідношення складу суміші для вогнезахисту та експериментально підтверджено, що залежно від кількості компонентів просочувальної суміші в деревині (антипірену не менше за 60,0 кг/м3, антисептика - 0,778 кг/м3) займисті матеріали з деревини переходять до груп за показниками пожежної небезпеки: помірної горючості, важкозаймистих, які не поширюють полум’я поверхнею, з помірною димоутворювальною здатністю, а за токсичністю продуктів горіння - помірно небезпечними згідно з ДБН В.1.1-7, що дозволяє застосовувати будівельні конструкції з вогнезахищеної деревини на об’єктах різного призначення в тому числі з масовим перебуванням людей.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у виявленні особливостей впливу комбінованої дії просочувальної суміші сольового антипірену, полімерного антисептика та полімерної гідрофобізувальної суміші на пожежонебезпечні властивості деревини, а також на ефективність її захисту від біологічного руйнування та обґрунтуванні можливості застосування екологічно безпечних вогнебіозахищених матеріалів з деревини для зниження пожежної небезпеки об’єктів, на яких вони застосовуються.

Практичне значення отриманих результатів полягає в їх використанні під час розроблення та впровадження нормативних документів, які регламентують загальні технічні вимоги до вогнезахисних речовин та виконання робіт з вогнебіозахисту матеріалів, які дозволяють отримувати вироби з деревини з високим ефектом вогнебіозахисту та з помірним ступенем токсичності, покращуючи їхні експлуатаційні показники. Використання таких матеріалів дозволяє знизити ризик виникнення і можливості розвитку пожежі на об’єктах різного призначення, а також збільшити тривалість експлуатації виробів з деревини. Розроблено нормативно-технічну документацію у вигляді проекту ДСТУ, а також рекомендацій з вогнебіозахисту деревини на об’єктах з масовим перебуванням людей.

Реалізація висновків і результатів роботи здійснена шляхом їхнього використання під час виконання робіт для поверхневого вогнебіозахисту деревини, що проводяться ТОВ “Вогнебіозахист”, при розробленні проекту ДСТУ та рекомендацій з вогнебіозахисту деревини на об’єктах з масовим перебуванням людей (в театрах, готелях, ресторанах, на залізничному транспорті), а також при вогнезахисті будівельних конструкцій з деревини культових споруд. Зокрема, деревину оброблену вогнебіозахисною сумішшю, використовують для виготовлення дерев’яних елементів пасажирських вагонів залізничного транспорту, а також для внутрішнього облаштування приміщень.

Особистий внесок здобувача: проведено аналіз літературних джерел щодо досліджень вогнезахисту деревини, виконано теоретичний розрахунок товщини утвореного шару коксу на поверхні деревини та швидкості тепловиділення при горінні зразків деревини, експериментально встановлено умови вогнебіозахисту деревини та здійснено лабораторні дослідження з визначення терміну збереження ефективності вогнебіозахисту деревини, визначено оптимальний склад компонентів просочувальної суміші для ефективного захисту деревини.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались на Міжнародній семінар-нараді “Охорона праці та промислова безпека на підприємствах НАК “Нафтогаз України” (м. Ялта, 2004), VІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи” (м. Київ, 2005), науково-практичних заходах у рамках спеціалізованої виставки “Пожежна та техногенна безпека України - 2005” (м. Київ, 2005), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 2005), ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Живучесть корабля и безопасность на море” (м. Севастополь, 2005).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт, з них 1 монографія, 4 наукових статті у виданнях, внесених до переліку ВАК України, тези 5 доповідей на науково-практичних конференціях та семінарах.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, списку використаних літературних джерел із 164 найменувань; містить 206 сторінок друкованого тексту, 17 таблиць, 34 ілюстрацій і 4 додатків.

основний зміст роботи

у вступі обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, відзначено наукову новизну, практичну значимість роботи та особистий внесок здобувача.

у першому розділі проаналізовано сучасний стан проблемних питань експлуатації вогнезахищеної деревини.

Поглиблено розглянуто процеси, які супроводжують горіння деревини, умови та механізми їх уповільнення і припинення. Деревина подібно до целюлозних матеріалів не здатна до полуменевого горіння сама по собі, лише під дією температури горять продукти її розкладу. Змінити механізм утворення горючих газів можна за рахунок оброблення деревини вогнезахисними просочувальними засобами. Введення в деревину антипіренів зменшує утворення горючих летких продуктів (СН4, Н2, СО та ін.), інгібує газофазні реакції полум’я і виключає безполуменеве горіння карбонізованого залишку. Питання підвищення ефективності вогнезахисту деревини досліджувались у роботах Баратова А.М., Жартовського В.М., Тичино О.М., Харченка І.О., Гудовича О.Д., Борисова П.Ф. та інших. Однак у цій галузі ще існує ряд невирішених задач.

У цьому розділі значну увагу приділено аналізу ефективності вогнезахисту деревини за допомогою просочувальних речовин. Відзначається тенденція поширення застосування комбінованих просочувальних сумішей з антипірену й антисептика для вогнебіозахисту деревини. На такі просочувальні склади існує технічна документація, зокрема стандарт ГОСТ 28815, згідно з яким у рецептурах багатьох сумішей в якості антисептика використовуються речовини І класу небезпеки, наприклад пентахлорфеноляту натрію, та ІІ класу небезпеки – фториди натрію, амонію та ін. Застосування небезпечних речовин спричинило необхідність перегляду положень чинного стандарту в частині вимог безпеки та охорони довкілля.

Більшість антипіренів і антисептиків висолюються з деревини під дією вологого повітря протягом часу експлуатації, що призводить до втрати вогнезахисних властивостей, але кількість відомих літературних джерел з цього питання є обмеженою. Зокрема, загальні питання масопереносу розчинів різних речовин у капілярно-пористих матеріалах, до яких належить деревина розглянуто у роботі Борисова П.Ф.

Розглянуто стан нормативно-технічної бази з вогнезахисту деревини. Для забезпечення пожежної безпеки на об’єктах будівництва та захисту від пожеж, розроблено та введено в дію ДБН В.1.1-7, згідно з яким, дерев’яні елементи горищних покриттів (крокви, лати) будинків повинні оброблятися засобами вогнезахисту, які забезпечують І групу вогнезахисної ефективності згідно з ГОСТ 16363. З огляду на важливість застосування вогнезахищеної деревини в підвищенні рівня пожежної безпеки об’єктів, введено в дію ГОСТ 30219, за яким класифікація ефективності вогнезахисту, порівняно з ГОСТ 16363, додатково містить вимоги за показником “індекс поширення полум’я”. Однак у стандарті не регламентовано технічні вимоги щодо корозійної дії вогнезахищеної деревини на кольорові метали та наведено тільки якісні характеристики процесів вимивання антипірену з вогнезахищеної деревини. Проблемними є питання визначення терміну зберігання ефективності вогнебіозахисту деревини, але в нормативних документах відповідні методики відсутні.

На підставі проведеного аналізу літературних джерел сформульовано задачі досліджень та основні напрямки їх розв’язання.

Другий розділ присвячено аналітичним та теоретичним дослідженням умов вогнезахисту деревини з застосуванням просочувальної суміші на основі неорганічних і органічних речовин.

Проаналізовано особливості утворення теплоізолювального шару коксу при термічному розкладі антипіренів. Товщину шару коксу на поверхні деревини, який утворюється під дією теплового потоку, отримали з урахуванням ефекту вогнезахисту з рівняння запропонованого Горшковим В.І.:

, (1)

де h0 - критична товщина шару коксу за умови несиметричного теплообміну зразка деревини (при б > 0, ч = 0), мм;

б - параметр, що характеризує горіння матеріалу;

ч - параметр, який характеризує вплив вогнезахисних речовин на матеріали;

f(ч) - функція, яка враховує вплив вогнезахисних речовин на горіння матеріалу.

Враховуючи те, що процес нагрівання деревини відбувається при відносно великих температурах для розрахунку hк, використано таке рівняння:

, (2)

де f(ч, и0) = f1(ч)·f2( и0) - функція, яка характеризує вплив густини теплового потоку та вигоряння зразка і має вигляд:

f1(ч) = ч0,6, f2( и0) = 1 + 0,3·и0 , (3)

де и0 - параметр, який характеризує температурний вплив на матеріал.

З урахуванням вищенаведеного, товщину утвореного шару коксу на поверхні деревини можна визначити за таким рівнянням:

(4)

На рис. 1 наведено залежність товщини утвореного шару коксу на поверхні деревини від параметра ч, що характеризує вплив вогнезахисних речовин на матеріали для різних значень густини теплового потоку. Із збільшенням параметра ч товщина утвореного шару коксу на поверхні деревини зменшується в 1,4 – 1,6 разів.

h, мм

ч

Рис. 1. Залежність товщини утвореного шару коксу на поверхні деревини h від параметра вогнезахисту ч, при значеннях параметра температурного впливу и0: 1 - 3,1; 2 - 6,0; 3 - 10,0; 4 - 15,0; 5 - 22,0.

Необхідно зазначити, що швидкість тепловиділення при горінні матеріалів впливає на показники пожежної небезпеки. Поширення полум’я під час горіння будівельних матеріалів є чинником, що визначає інтенсивність і динаміку розвитку пожежі та залежить від ефективності вогнезахисту і масової швидкості вигоряння зразків у процесі полуменевого горіння.

Для визначення характеристик тепловиділення матеріалів при їхньому горінні використовується рівняння, що пов’язує швидкість тепловиділення під час горіння матеріалу з масовою швидкістю вигоряння і нижчою теплотою згоряння:

, (5)

де Qi – нижча теплота згоряння деревини, Дж/кг;

м – коефіцієнт повноти згоряння летких продуктів розкладу речовини у полум’ї;

- масова швидкість вигоряння матеріалу, кг/(м2·с);

S - площа поверхні зразка, яка перебуває під дією теплового впливу, м2.

Під час горіння вогнезахищеної деревини характерним є протікання процесу за недостачі кисню. При цьому формується плоский фронт горіння, характерною особливістю якого є утворення на поверхні зразка шару модифікованого коксу, що ускладнює дифузію кисню в зону горіння. За таких умов значення масова швидкість вигоряння деревини розраховується за рівнянням виду:

, (6)

де ф - проміжок часу з моменту запалення, с;

в - коефіцієнт пропорціональності, що залежить від виду горючого матеріалу, с-1;

ш0 - початкова масова швидкість вигоряння деревини, кг/(м2·с);

щ0 - інтенсивність втрати маси матеріалу в початковий момент часу, кг/(м2·с2);

г - показник інтенсивності сповільнення реакцій горіння за рахунок дії вогнезахисних речовин, с-1.

Для визначення моменту часу ф, за якого масова швидкість вигоряння зразка вогнезахищеної деревини максимальна (г > 0, в > 1) або мінімальна (г > 1, в > 0), прирівняємо до нуля похідну функції масової швидкості вигоряння (6) за часом:

, (7)

звідки

. (8)

Після підставлення (8) у (6) знаходимо величину максимальної масової швидкості вигоряння зразка шmax:

(9)

За (6) розраховано залежності масової швидкості вигоряння зразка вогнезахищеної деревини від показника інтенсивності сповільнення реакцій горіння за рахунок дії вогнезахисних речовин, які наведено на рис. 2.

Ш, кг/(м2·с)

ф, с.

Рис. 2. Залежність масової швидкості вигоряння зразка деревини (Ш, кг/(м2·с)) від показника вогнезахисту (г, с-1) для різних значень ф, с.

Отримані залежності показують, що з підвищенням ефекту вогнезахисту масова швидкість вигоряння зразка зменшується.

Одним з показників ефективності вогнезахисту деревини є її експлуатаційна надійність. Після надання деревині вогнебіозахисних властивостей, ефективність вогнезахисту визначається здатністю просочувальних засобів утримуватися в її структурі протягом тривалого проміжку часу за умов коливання температури та вологості в широких межах, у зв’язку з чим актуальним є питання визначення тривалості ефективності вогнебіозахисту деревини.

Для побудови математичної моделі процесу висолювання введемо просторову координату x, яка співпадає з вектором внутрішньої нормалі до поверхні зразка (рис. 3). Вважаємо, що матеріали оболонки і зразка однорідні, а капілярно-пористий матеріал зразка просочений сольовим розчином антипірену рівномірно. За таких припущень задача стає симетричною відносно геометричної осі зразка.

Механізм висолювання антипірену з деревини у період експлуатації є таким: молекули води з повітря адсорбуються капілярно-пористою структурою деревини з утворенням розчину сольового антипірену. При зволоженні деревини кристали вогнезахисних речовин розчиняються і поступово переміщуються на поверхню деревини, де їхня концентрація з часом зменшується. Наявність полімерної плівки антисептика на поверхні зразка уповільнює процес висолювання, залежно від властивостей покриття.

Розглянемо чотири області:

1 - зовнішнє середовище, ;

2 – полімерна плівка, (д - товщина полімерної плівки, м);

3 - зона зразка з розчиненою речовиною, (Z - координата фронту фазового перетворення, м);

4 - матеріал зразка з твердою речовиною, (h - половина товщини зразка, м).

Рис. 3. Розрахунково-аналітична схема процесу висолювання антипірену з деревини.

Диференціальне рівняння дифузії, яке описує процес висолювання, має такий вигляд:

, (10)

де - концентрація речовини в і-ій області, кг/м3;

- коефіцієнт дифузії речовини в і-ій області, м2/с;

ф - час перебування зразка в середовищі після просочення, с.

Для розв’язання задачі сформулювано початкові і граничні умови.

У початковий момент часу () вміст просочувальної речовини в зовнішньому середовищі й на поверхні покриття зразка мінімальний min, а в матеріалі зразка – максимальний max, фронт розчинення відсутній, а тому в аналітичному вигляді початкові та граничні умови можна записати таким чином:

; (11)

або (12)

Крім того, на границі оболонки і зовнішнього середовища задається гранична умова третього роду:

, (13)

де к - коефіцієнт масообміну між поверхнею оболонки і зовнішнім середовищем, м/с.

Враховуючи неперервність полів концентрації і дифузійних потоків речовини на границі оболонки та матеріалу зразка, концентрації речовини і масові потоки речовини збігаються (умови четвертого роду):

;. (14)

Аналогічно на фронті розчинення:

(15)

Розв’язок рівняння (10) з початковими і граничними умовами (11)-(15) проведено на базі числових методів за явною схемою. Для цього систему рівнянь (10)-(15) подано у безрозмірних змінних:

;;;, (16)

де Fo - дифузійне число Фур’є.

Розрахункова сітка представлена вузлами по простору, які отримано шляхом умовного поділу зразка із кроком і на тимчасові шари n із кроком , що забезпечує стійкість явної схеми при розрахунку:

. (17)

У результаті вихідне рівняння (10) перетворюється на систему алгебраїчних рівнянь і сіткові значення безрозмірних залежних змінних стали функціями сіткових значень чисел Фур’є:

(18)

Результати розрахунку показують (рис. 4), що на початку експлуатації вогнезахищеної деревини після розчинення просочувального засобу у зразку, починається процес його поступового висолювання в навколишнє середовище.

С

ч

Рис. 4. Розрахунок процесу зміни концентрації антипірену в зразку від числа ітерацій.

Результати розрахунку залежності значення концентрації для зразків з різною товщиною полімерного антисептика (рис. 5) показали, що при відсутності захисної плівки час висолювання вогнезахисних речовин зменшується більше, ніж у 2,5 рази.

С, кг/м3

час

Рис. 5. Зміна концентрації вогнезахисної речовини С, кг/м3 в деревині залежно від часу, для різних значень товщини оболонки, д (м): 1 – 0; 2 – 0,0001; 3 – 0,0002; 4 – 0,0004.

Третій розділ містить результати експериментальних досліджень з визначення ефективності вогнезахисту деревини при обробленні їх багатокомпонентними сумішами неорганічних і органічних речовин.

За результатами процесу піролізу соснової деревини, які отримані Таубкіним С.І., можна констатувати, що значну пожежо- та вибухонебезпеку являють собою горючі газові суміші водню з метаном та окисником, які можуть утворюватись у процесі розкладу деревини під дією тепла.

Для дослідження механізму вогнезахисної ефективності антипіренів на основі фосфатів та сульфатів амонію проведено термогравіметричний аналіз для вивчення процесів термічної деструкції соснової деревини та деревини, обробленої вогнезахисними засобами за наявності полімерного антисептика “Гембар”. Проведено термодеструкцію зразків деревини та зібрані леткі продукти термодеструкції і проведено їх газохроматографічний аналіз (табл. 1).

Таблиця 1

Якісний і кількісний склад газоподібних продуктів термічної деструкції деревини

Компонент | Вміст компонентів у летких продуктах деструкції, % об.

соснової деревини | Соснової деревини, обробленої сумішшю фосфатів та сульфатів амонію | Соснової деревини, обробленої сумішшю фосфатів та сульфатів амонію і полімерним антисептиком

CO | 39,08 | 15,9 | 12,84

CO2 | 51,93 | не виявлено | не виявлено

CH4 | 6,05 | 0,58 | сліди

C2H6 + C2H4 | 0,45 | не виявлено | не виявлено

C3H8 | 0,19 | не виявлено | не виявлено

C3H6 | 0,32 | не виявлено | не виявлено

Н2 | 0,73 | 0,44 | 0,11

О2 | 0,26 | не виявлено | не виявлено

N2 | 0,99 | 83,27 | 85,01

Встановлено, що леткі суміші продуктів піролізу суттєво відрізняються за вмістом горючих газів. Так, для зразків оброблених сумішшю фосфатів та сульфатів амонію і полімерним антисептиком кількість водню зменшилась в 4 рази, оксиду вуглецю - в 3-3,5 разів, зовсім відсутній метан, кількість азоту збільшилась більше, ніж на 80 %.

Для з’ясування механізму вогнезахисної дії антипіренів на основі фосфатів та сульфатів амонію, зокрема флегматизувальної дії азоту проведено дослідження ланцюгового характеру горіння водневометанових сумішей, а саме розгалуження активних радикалів полум’я в разі застосування азоту, який утворюється в результаті термічного розкладу антипіренів. У результаті досліджень (рис. 6) встановлено, що інтенсивність випромінювання гідроксильних радикалів залежить від співвідношення метану у водневокисневому полум’ї. Так, при подаванні в водневокисневе полум’я метану, у кількості до 0,2 %, отримано підвищення кількості ОН-радикалів, а при подальшому збільшенні витрати метану, зафіксовано їх спад та гасіння полум’я. При подаванні азоту в зону полум’я загальна кількість ОН-радикалів зменшується, але характер залежності зберігається. За проведеними експериментальними дослідженнями (ДСТУ 3958) встановлено, що значення мінімальної вогнегасної концентрації азоту СМВ, у разі збільшення кількості метану у воднево-кисневій суміші, поступово зменшується (рис. 7). Випробування для кожної точки проводилось не менше 5 раз, розбіжність результатів не перевищувала 5 %.

Івідн., %

|

СМВ, %

Рис. 6. Залежність відносної інтенсивності випромінювання гідроксильних радикалів Івідн. від об’ємного співвідношення метану (Смет.), який подається в водневокисневе полум’я та азоту з витратою, дм3/хв.: 1 - 0; 2 - 0,01, 3 - 0,02. | Рис. 7. Залежність мінімальної вогнегас- ної концентрації азоту СМВ від співвідношення метану та водневокисневої суміші у полум’ї.

Для дослідження ефективності вогнезахисту деревини, отриманої шляхом просочення сумішами на основі фосфатів та сульфатів амонію і полімерного антисептика “Гембар”, проведено математичне планування експерименту шляхом реалізації повнофакторного експерименту за методом Бокса-Уілсона. У якості факторів були обрано густину деревини, кількість антипіренів в деревині та кількість “Гембару”, при якому досягається мінімальна втрата маси зразків при досліді на горючість. Експериментальними дослідженнями підтверджено результати розрахунку оптимальної концентрації компонентів у вогнезахисному шарі деревини, що містить антипірену (фосфатів та сульфатів амонію) – 60,0 кг/м3, антисептика (“Гембар”) – 0,778 кг/м3, яка здатна перевести деревину у стан помірної горючості, важкозаймисту та яка не поширює полум’я по поверхні (ДБН В.1.1-7).

З метою встановлення відповідності вогнезахисних властивостей деревини, обробленої сумішами фосфатів та сульфатів амонію (ДСА-2) та карбонату натрію і борної кислоти (БС-13), вимогам ГОСТ 30219, проведено експериментальні дослідження для визначення вогнезахисної ефективності просочувальних засобів згідно з ГОСТ 16363, та індексу поширення полум’я згідно з ГОСТ 12.1.044. Результати досліджень з визначення ефективності вогнезахисту деревини, порівняно з необробленою деревиною (рис. 8, 9), показали втрату маси для вогнезахищеної деревини 8 % (ДСА-2) та 9,3 % (БС-13), а індекс поширення полум’я рівний 0 (ДСА-2) та 9,8 (БС-13). Встановлено, що оброблена деревина (за умови поглинання маси сухих солей ДСА-2 - 46,9 кг/м3 та БС-13 - 75,8 кг/м3 відповідно) забезпечує І групу вогнезахисної ефективності.

ДСА-2 БС-13 деревина

необроблена |

ДСА-2 БС-13 деревина

необроблена

Рис. 8. Втрата маси зразків (m, %) необробленої деревини та вогнезахищеної сумішами ДСА-2 та БС-13. | Рис. 9. Індекс поширення полум’я по поверхні зразків необробленої деревини та вогнезахищеної сумішами ДСА-2 та БС-13.

На підставі експериментальних досліджень встановлено, що масова швидкість вигоряння зразків вогнезахищеної деревини (порівняно з необробленими) зменшується в 4,8 разів. Встановлено, що при горінні оброблених зразків швидкість тепловиділення при горінні деревини зменшується в 5,3 рази (порівняно з необробленими).

Проведеними дослідженнями з визначення групи горючості деревини згідно з ГОСТ  .1.044 встановлено зменшення в три рази втрати маси зразків вогнезахищеної деревини порівняно з необробленими (рис. 10).

1 2

деревина необроблена | 3 4

деревина оброблена ДСА-2

Рис. 10. Втрата маси зразків m, % (1, 3) та максимальна зміна температури газоподібних продуктів горіння t, оС (2, 4).

За початкової температури газоподібних продуктів горіння Т = 200 єС, при дії полум’я пальника на вогнезахищений зразок сумішшю ДСА-2, температура газоподібних продуктів горіння зменшилась та становила Т 185 єС. Таким чином, деревина, оброблена сумішшю ДСА-2, відноситься до групи важкогорючих матеріалів, а необроблена – до горючих середньої займистості.

Згідно з ГОСТ 12.1.044 визначено димоутворювальну здатність необроблених та оброблених сумішшю ДСА-2 зразків деревини. Дослідження показали (рис. 11) значне зменшення (в 15 разів) коефіцієнта димоутворення для вогнезахищених зразків деревини та їх перехід з групи матеріалів з високою димоутворювальною здатністю (для необроблених зразків) до групи матеріалів з помірною димоутворювальною здатністю.

полуменеве тління

горіння

деревина оброблена ДСА-2 | полуменеве тління

горіння

деревина необроблена

Рис. 11. Значення коефіцієнта димоутворення (Dm, м2/кг) у режимах полуменевого горіння та тління зразків деревини необробленої та обробленої ДСА-2.

З метою дослідження вогнезахисної дії просочувальної суміші ДСА-2 проведено визначення параметрів займистості вогнезахищеної деревини при заданих рівнях впливу на поверхню зразків теплового потоку та полум’я від джерела запалювання згідно з ДСТУ Б В.1.1-2 (ГОСТ 30402) (рис. 12).

Встановлено, що під час дії теплового потоку з критичною поверхневою густиною 20 кВт/м2 відбувалось займання необроблених зразків деревини (1). Займання вогнезахищених зразків деревини (2) при значенні поверхневої густини теплового потоку 35 кВт/м2 протягом 900 секунд не спостерігалось.

ф, с

q, кВт/м2

Рис. 12. Залежність часу спалахування ф від поверхневої густини теплового потоку q: необроблені зразки деревини (1); оброблені зразки (2).

Для отримання більш повної інформації щодо горючості деревини, як будівельного матеріалу, проведено дослідження згідно з ДСТУ Б В.2.7-19 необроблених та вогнезахищених сумішшю ДСА-2 зразків деревини. Дослідження проводились на зразках деревини сосни з поглинанням маси сухих солей 64 кг/м3. Під час проведення досліджень визначали температуру димових газів, тривалість самостійного горіння зразків, довжину пошкодження та втрату маси зразків (рис. 13).

Рис. 13. Визначення групи горючості деревини згідно з ДСТУ Б В.2.7-19 ( - вогнезахищена деревина, - необроблена деревина): 1 - температура димових газів (Т, єС); 2 - ступінь пошкодження зразків за довжиною (SL, %); 3 - ступінь пошкодження зразків за масою (Sm, %); 4 - тривалість самостійного горіння (ф, с).

У результаті досліджень (рис. 13) встановлено, що деревина, вогнезахищена сумішшю фосфатів та сульфатів амонію і полімерного антисептика “Гембар”, відноситься до будівельних матеріалів помірної горючості (Г2), а необроблену деревину класифіковано як будівельний матеріал підвищеної горючості (Г4).

Згідно з ГОСТ .1.044 одним з основних небезпечних факторів пожежі, що впливають на людей, є токсичні продукти горіння. Під час виникнення пожежі вплив токсичних продуктів горіння може значно випереджувати дію інших факторів. Тому спільно з відділом гігієни та токсикології Інституту медицини транспорту МОЗ України були проведені відповідні токсикологічні випробування (табл. 2) дерев’яних елементів моторвагонного складу, що були оброблені просочувальними сумішами фосфатів та сульфатів амонію і полімерного антисептика “Гембар” (ДСА-1, ДСА-2).

Таблиця 2

Результати токсикологічних випробувань продуктів горіння обробленої деревини просочувальними сумішами ДСА-1 та ДСА-2

400 оС | 750 оС

ДСА-1 | ДСА-2 | ДСА-1 | ДСА-2

HCL50, г/м3 | HbCO, % | HCL50, г/м3 | HbCO, % | HCL50, г/м3 | HbCO, % | HCL50, г/м3 | HbCO, %

62,5 | 65,2 | 73,3 | 62,8 | 68,4 | 62,7 | 84,2 | 57,8

Встановлено наявність карбоксигемоглобіну у крові лабораторних тварин, що привело до їх загибелі. Це свідчить про те, що смертельний ефект обумовлений дією монооксиду вуглецю. Мінімальне значення показника HCL50, визначене за температури 400 оС складає для деревини, обробленої ДСА-1 - 62,5 г/м3 і для ДСА-2 - 73,3 г/м3 відповідно, було використане для встановлення величини показника токсичності продуктів горіння згідно з класифікацією за ГОСТ 12.1.044. За цим показником досліджені матеріали відносяться до помірно небезпечних матеріалів.

Оскільки комбінацією антипірену з полімерним антисептиком та гідрофобізатором оброблюється деревина, яка використовується для зовнішнього облицювання будинків та споруд то дослідження такої композиції на токсичність та димоутворення не проводили.

У четвертому розділі наведено результати досліджень експлуатаційних властивостей вогнезахищеної деревини.

Під час надавання деревині вогнебіозахисних властивостей суттєвим є здатність просочувальних засобів утримуватися в її структурі протягом тривалого часу за умов коливання температури та вологості в широких межах. Тому проблемними є питання визначення тривалості ефективності вогнебіозахисту деревини протягом певного проміжку часу.

Існуючі методики регламентують проведення випробувань, під час яких зразки вогнезахищеної деревини закладаються на довготривале зберігання не менше, ніж на 10 років. Даний метод потребує досить тривалого терміну випробування. Для усунення цього недоліку розроблено експрес-методику, за якою випробування проводяться на фоні штучно створених циклічних умов для прискореної дифузії просочувальних засобів шляхом їх витримування при перемінних значеннях температури та вологості. Проведені дослідження з визначення вогнезахисної ефективності після циклічних випробувань (рис.14) показали, що деревина, яку не було оброблено полімерним антисептиком “Гембар”, через чотири цикли “прискореної дифузії антипірену з деревини” втрачає свої вогнезахисні властивості і переходить з І групи ефективності до ІІ групи згідно з ГОСТ 16363.

Дm, кг/м3

кількість циклів випробувань

Рис. 14. Залежність втрати маси антипіренів (суміш фосфатів та сульфатів амонію) з деревини, необробленої (1), та обробленої полімерним антисептиком “Гембар” – (2) від кількості циклів випробувань.

У ході проведення досліджень за розробленою експрес-методикою було встановлено, що на поверхні деревини, яку не було захищено полімерною плівкою, утворюються кристали солей, чого не спостерігалось для деревини, обробленої вогнезахисною сумішшю фосфатів та сульфатів амонію і полімерного антисептика “Гембар”.

У розділі також наведено результати досліджень по визначенню корозійної активності на кольорові метали вогнезахищеної деревини. Проведено дослідження корозійної дії аерогелів просочувальних засобів на кольорові метали та встановлено, що найбільшу корозійну дію виявляє деревина, вогнезахищена поліфосфатами амонію і суміш фосфатів та сульфатів амонію, яка для міді перевищує нормоване значення (ГОСТ 30219). Додаткове оброблення поверхні деревини полімерним антисептиком в 7,3 рази зменшує корозійну дію. Майже не виявляє агресивної дії на кольорові метали деревина, яку вогнезахищено сумішшю карбонату натрію і борної кислоти та сумішшю ортоборату натрію і борної кислоти.

Проведено дослідження з визначення біологічної стійкості деревини до дії мікрофлори лісового ґрунту, враженого культурами грибів роду Ceratocystus, Sporodemiam, Penicilliam, протягом двох календарних місяців за нормальних умов у лабораторії хімічної обробки та захисту деревини і клеїв УкрНДІ “Ресурс”. Встановлено, що суміш фосфатів та сульфатів амонію і “Гембару” підвищує рівень біостійкості (згідно з ГОСТ 26603) оброблених зразків деревини (порівняно з необробленими) в 19 разів за показником біоруйнування.

Проведено визначення атмосферостійкості зразків деревини вогнезахищеною сумішшю фосфатів та сульфатів амонію і “Гембару”, які були оброблені полімерними гідрофобізувальними захисними сумішами „Сілол” та „Сілол-АР” (НВП “Крок”) поверхневим нанесенням. Зразки поміщали в середовище зі 100 % вологістю та періодично визначали масу поглинутої води (m, г). Результати дослідження наведено на (рис. 15).

m, г

ф, годин

Рис. 15. Криві адсорбції води зразками деревини: 1 – деревина необроблена; 2 – деревина оброблена антипіренами (суміш фосфатів та сульфатів амонію); 3 – деревина оброблена ДСА-2; 4 – деревина оброблена ДСА-2 з поверхневим нанесенням суміші “Сілол”; 5 – деревина оброблена ДСА-2 з поверхневим нанесенням суміші “Сілол-АР”.

Встановлено, що вогнезахищена деревина оброблена сумішшю “Сілол-АР” поглинає води у 3,5 рази менше, ніж деревина оброблена антипіренами (суміш фосфатів та сульфатів амонію).

З метою визначення вогнезахисної ефективності обробленої деревини просочувальними сумішами ДСА-2 та “Сілол” проведено експериментальні дослідження згідно з ГОСТ 16363.

Результати показують (рис 16), що застосування гідрофобізувального покриття “Сілол” не погіршує вогнезахисні властивості деревини, обробленої сумішшю ДСА-2 (за умови поглинання маси сухих солей - 46,9 кг/м3), а суміш “Сілол-АР” покращує вогнезахисну ефективність на 10 Проведено дослідження зразків деревини при обробленні меншою кількістю антипіренів суміші ДСА-2 (за умови поглинання маси сухих солей - 29,6 кг/м3) та встановлено, що оброблена деревина забезпечує І групу вогнезахисної ефективності.

1 | 2 | 3 |

Рис. 16. Втрата маси зразків (m, % ) вогнезахищеної деревини сумішшю ДСА-2 та гідрофобізувальною сумішшю “Сілол-АР” за умови поглинання маси сухих солей - 46,9 кг/м3 (1), ДСА-2 та гідрофобізувальною сумішшю “Сілол-АР” за умови поглинання маси сухих солей - 29,6 кг/м3 (2) та ДСА-2 та гідрофобізувальною сумішшю “Сілол” за умови поглинання маси сухих солей - 46,9 кг/м3 (3).

Для впровадження у практику нового способу вогнебіозахисту деревини розроблено рекомендації з вогнебіозахисту деревини на об’єктах з масовим перебуванням людей.

Висновки

У дисертаційній роботі подане нове рішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності пожежної безпеки об’єктів шляхом впровадження важкогорючих матеріалів, які отримані просоченням деревини сумішшю антипіренів сульфатів та фосфатів амонію і антисептиком “Гембар” та наступним покриттям полімерною гідрофобізувальною сумішшю “Сілол-АР”.

Основні наукові й практичні результати за дисертаційною роботою такі:

1. Одержано математичну залежність утворення модифікованого шару коксу та швидкості вигоряння матеріалу від показника інтенсивності сповільнення реакцій горіння за рахунок дії вогнезахисних речовин. Показано, що з підвищенням ефекту вогнезахисту, товщина утвореного шару коксу на поверхні деревини зменшується в 1,4 – 1,6 разів, масова швидкість вигоряння зменшується в 4,8 разів, а швидкість тепловиділення - в 5,3 рази.

2. Теоретично припущено та експериментально підтверджено, що за умови наявності полімерної плівки антисептика “Гембар” (0,778 кг/м3) на поверхні зразка уповільнюється процес висолювання антипіренів більше, ніж в 2,3 рази, а застосування полімерної гідрофобізувальної захисної суміші “Сілол АР” зменшує поглинання води вогнезахищеною деревиною більше, ніж у 3,5 рази, а також покращує вогнезахисну ефективність на 10.

3. Експериментально виявлено вплив компонентів просочувальної суміші фосфатів та сульфатів амонію з полімерним антисептиком “Гембар” на ефективність вогнебіозахисту, встановлено зменшення кількості горючих газів в сумішах летких продуктів термодеструкції вогнебіозахищених зразків деревини: метану – не виявлено, водню - в 4 рази, оксиду вуглецю - в 3-3,5 разів, кількість азоту у продуктах піролізу при цьому збільшилась більше ніж на 80 %.

4. Експериментально