Анализ применения огнезащитных композиций для древесины и разработка методов контроля их наличия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат наук Панев Никита Михайлович

• Панев Никита Михайлович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Панев Никита Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ОГНЕЗАЩИТЫ ДРЕВЕСИНЫ И КОНТРОЛЯ ЕЁ НАЛИЧИЯ

1.1 Анализ современных средств огнезащиты древесины

1.2 Химические вещества, являющиеся компонентами огнезащитных средств

1.3 Математическое моделирование процесса термического разрушения древесины, обработанной антипиренами, в условиях пожара

1.4 Методы контроля наличия огнезащитных средств на древесине

1.5 Постановка цели и задач исследования

Глава 2 ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КИСЛОРОДНОГО ИНДЕКСА ОБРАЗЦОВ ДРЕВЕСИНЫ

2.1 Методика оценки кислородного индекса веществ и материалов

2.2 Определение эффективности индивидуальных антипиренов при поверхностной пропитке древесины

2.3 Разработка огнезащитной композиции и оценка её эффективности

2.3.1 Структура перспективной огнезащитной композиции

2.3.2 Определение оптимальных концентраций индивидуальных антипиренов в пропиточных растворах

2.3.3 Значения кислородного индекса для древесины, обработанной различными

огнезащитными средствами

Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ ДРЕВЕСИНЫ, ПРОШЕДШЕЙ ПОВЕРХНОСТНУЮ ОГНЕЗАЩИТНУЮ ПРОПИТКУ

3.1 Физическая картина процесса термодеструкции древесины, прошедшей поверхностную огнезащитную пропитку

3.2 Решение задачи нестационарного теплопереноса в древесине, прошедшей поверхностную огнезащитную пропитку, в условиях пожара

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ, ПРОПИТАННОЙ ОГНЕЗАЩИТНЫМИ СРЕДСТВАМИ, МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОИ СПЕКТРОСКОПИИ

4.1 Методика исследования огнезащитных средств для древесины с помощью инфракрасной спектроскопии

4.2 Определение состава и основных функциональных групп огнезащитных

средств для древесины

Глава 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАЛИЧИЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ СРЕДСТВ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

5.1 Разработка метода определения наличия огнезащитных средств на строительных изделиях из древесины

5.2 Прибор для определения наличия огнезащитных средств на древесине

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

147

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ применения огнезащитных композиций для древесины и разработка методов контроля их наличия»

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день одним из наиболее распространённых строительных материалов является древесина и её производные. Можно с уверенностью сказать, что древесина долгие годы будет востребована в связи с её свойствами: экологичностью, простотой механической обработки, прочностью, а также возобновляемостью ресурсов.

Наиболее существенным недостатком древесины и материалов на её основе является высокая пожарная опасность. На основании нормативных документов, а также мирового исследовательского опыта можно сказать о том, что необходимый уровень пожарной безопасности строительных материалов и изделий можно обеспечить с помощью средств огнезащиты, к которым в том числе относятся огнезащитные средства (далее - ОЗС) и огнебиозащитные составы (далее - ОБЗС) для поверхностной и глубокой пропитки изделий из древесины. При этом следует отметить тот факт, что, несмотря на множество разработок в рассматриваемой области, отсутствует единый подход к вопросам, связанным с научным обоснованием использования различных антипирирующих составов. Так, при использовании вспучивающихся покрытий обеспечивается значительное снижение пожарной опасности древесины, но не обеспечивается устойчивость материала к биодеструкции. Глубокая пропитка древесины повышает её устойчивость к воздействию опасных факторов пожара (далее -ОФП) и биологическому разрушению, но для реализации на практике требует использования крупногабаритного, энергозатратного и дорогого оборудования (ванн, автоклавов и др.). Поверхностная пропитка древесины ОЗС обеспечивает глубину проникновения, необходимую для огнезащиты материала. Такая технология отличается простотой реализации на практике и является наиболее приемлемой для массового использования.

Также стоит отметить, что влияние отдельных компонентов ОЗС на пожарную опасность древесины практически не изучено. Это не позволяет реализовать научный подход при разработке и оптимизации составов,

предназначенных для снижения пожароопасных характеристик древесины и строительных материалов на её основе.

Ещё одним важным вопросом, связанным с использованием огнезащитных составов, является определение наличия антипиренов на деревянных строительных изделиях при осуществлении надзора за соблюдением требований пожарной безопасности, а также при расследовании пожаров. Существующие методики сложны, требуют больших затрат времени и ручного труда, а также ориентированы на использование дорогостоящих приборов. Более простые устройства нельзя отнести к приборам экспресс-контроля, а их возможности не отвечают современным требованиям. Действительность требует от подобных устройств высокой производительности, надёжности и простоты использования.

Цель работы заключалась в оценке эффективности антипиренов, входящих в состав ОЗС, на основе показателей пожарной опасности, а также разработка метода оценки наличия антипиренов на строительных изделиях из древесины до и после пожара.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) выявление наиболее распространённых индивидуальных антипиренов, использующихся в рецептуре ОЗС и оценка их огнезащитной эффективности;

2) создание математической модели, описывающей процесс термодеструкции древесины, прошедшей поверхностную огнезащитную пропитку;

3) разработка методики определения наличия ОЗС на строительных изделиях из древесины до и после пожара;

4) разработка экспресс-метода и устройства контроля наличия ОЗС на строительных изделиях из древесины.

Актуальность работы обусловлена следующими факторами:

1) на сегодняшний день нет подтверждённых экспериментальным путём данных об огнезащитной эффективности отдельных химических веществ, выступающих в роли антипиренов;

2) перед надзорными органами МЧС России стоит задача по контролю качества проводимых противопожарных мероприятий, в частности, определение наличия огнезащитных составов на поверхности древесины;

3) при расследовании пожаров возникает необходимость установления факта наличия ОЗС на сгоревших или поврежденных строительных изделиях.

Степень разработанности темы исследования

Вопросам изучения пожарной опасности древесины и разработки рецептур ОЗС посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых. Имеется большой опыт эффективного снижения пожарной опасности древесины с помощью применения ОЗС и ОБЗС для поверхностной и глубокой пропитки. Однако все разработки в области огнезащиты древесины на сегодняшний день основаны лишь на опыте применения смесевых составов, наносимых на поверхность деревянных строительных изделий. Вопросы влияния отдельных веществ на пожарную опасность древесины и строительных изделий на её основе мало изучены и требуют проведения соответствующих исследований.

Также, как было указано выше, на сегодняшний день не до конца изучен вопрос контроля наличия антипиренов на древесине без разрушения эксплуатируемого изделия.

Научная новизна работы

1) экспериментально установлены значения кислородного индекса древесины, прошедшей огнезащитную обработку индивидуальными антипиренами;

2) впервые произведено ранжирование антипиренов по показателю кислородного индекса древесины, прошедшей поверхностную огнезащитную пропитку;

3) разработана математическая модель, позволяющая оценить процесс термодеструкции древесины, обработанной ОЗС, в условиях пожара;

4) предложен метод неразрушающего контроля наличия ОЗС на строительных изделиях из древесины.

Теоретическая значимость работы:

1) проведена оценка пожарной опасности древесины, обработанной индивидуальными соединениями, которые запатентованы в качестве ОЗС для поверхностной пропитки древесины;

2) разработан метод, позволяющий оценить качество огнезащитной поверхностной пропитки на строительных изделиях из древесины;

3) предложена модель, описывающая процесс термодеструкции древесины, обработанной ОЗС.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование её результатов позволит:

1) осуществлять обоснованный выбор антипиренов при составлении рецептур ОЗС для древесины;

2) проводить оценку наличия ОЗС как на эксплуатируемых строительных изделиях из древесины, так и на сгоревших объектах;

3) добиться снижения ущерба от пожаров в зданиях и сооружениях, построенных с применением строительных изделий из древесины.

Методология и методы исследования.

Решение задач, поставленных в данной работе, проводилось с помощью анализа литературных и справочных данных, посвященных изучению поведения изделий из древесины в условиях пожара, находящихся в открытом доступе патентных и нормативно-правовых источников, выявление закономерностей, их описание и обобщение. Экспериментальные исследования включали в себя применение физических и физико-химических лабораторных и полевых методов испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

1) данные о пожарной опасности древесины, обработанной антипиренами, применяемыми при производстве ОЗС для поверхностной пропитки деревянных строительных изделий;

2) математическая модель теплопереноса в системе «источник высокой температуры-ОЗС-древесина»

3) основные положения методики контроля наличия ОЗС на строительных изделиях из древесины до и после пожара;

4) техническое устройство для проведения контроля наличия ОЗС на строительных изделиях из древесины.

Степень достоверности полученных результатов и выводов подтверждается применением современных физических, физико-химических и химических методов исследования на сертифицированном и поверенном оборудовании, применением гостированных методик и соответствием данных, полученных в результате экспериментов, существующим представлениям о процессе горения и термодеструкции древесины.

Апробация результатов работы проводилась на таких научных мероприятиях, как:

1) Х Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность» (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2015);

2) V Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2016» (Москва, АГПС МЧС России, 2016);

3) Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов (с международным участием) «Молодые ученые - развитию текстильно-промышленного кластера (ПОИСК - 2016)» (Иваново, ИвГПУ, 2016);

4) XIX Международный научно-практический форум «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2016)» (Иваново, ИвГПУ, 2016);

5) «Школа молодых учёных и специалистов МЧС России - 2016» (Воронеж, Воронежский институт ГПС МЧС России, 2016)

6) XI Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность», посвященная году Пожарной Охраны России (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2016);

7) IV Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной

безопасности объектов», посвященная Году гражданской обороны (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2016);

8) Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов (с международным участием) «Молодые ученые - развитию текстильно-промышленного кластера (ПОИСК - 2017)» (Иваново, ИвГПУ, 2017);

9) XII Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность», посвященная Году гражданской обороны (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2017);

10) Межвузовская (с международным участием) молодёжная научно-техническая конференция «Молодые ученые - развитию Национальной технологической инициативы (ПОИСК-2018)» (Иваново, ИвГПУ, 2018);

11) II Международная научно-практическая конференция «Современные пожаробезопасные материалы и технологии - 2018» (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2018);

12) XIII Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность», посвященная Году культуры безопасности (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2018);

13) Межвузовская (с международным участием) молодёжная научно-техническая конференция «Молодые ученые - развитию Национальной технологической инициативы (ПОИСК-2019)» (Иваново, ИвГПУ, 2019);

14) XIV Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность», посвященная 370-летию Пожарной охраны России (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2019);

15) III Международная научно-практическая конференция «Современные пожаробезопасные материалы и технологии», посвященная 370-й годовщине образования пожарной охраны России (Иваново, ИПСА ГПС МЧС России, 2019).

Публикации.

По основным результатам диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций

на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, а также 16 работ в изданиях (15- в сборниках материалов научных мероприятий и 1 - в журнале), не включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 140 наименований, а также приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 83 таблицы.

Глава 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ОГНЕЗАЩИТЫ ДРЕВЕСИНЫ И КОНТРОЛЯ ЕЁ НАЛИЧИЯ

1.1 Анализ современных средств огнезащиты древесины

Древесина - уникальный природный материал, широко известный и благодаря своим ценным свойствам. Древесина применяется в таких сферах и отраслях народного хозяйства, как получение тепловой энергии и разнообразных химических веществ, изготовление продуктов народного потребления. Привлекательность древесины объясняется возобновляемостью ресурса, лёгкостью механической обработки, экологичностью и широкой доступностью.

Одной из отраслей применения древесины долгие годы является строительство зданий различного назначения, в том числе и в жилом фонде. До сих пор в нашей стране при строительстве большинства зданий и сооружений используются те или иные элементы, выполненные из дерева. Здания жилого фонда, в особенности, частные домовладения, зачастую выполняются более чем на 70% из древесины и материалов на её основе. Древесина из-за хороших весовых свойств и высокой теплоизолирующей способности всегда привлекала к себе внимание строителей. Сегодня в мире развиваются новые технологии производства и применения материалов из цельной древесины, что открывает перспективы строительства зданий и сооружений различного назначения [1].

Современная наука решает задачи тепломассообмена в зданиях и сооружениях, построенных с применением различных деревянных изделий: бруса, доски, брёвен и др., а также вопросы повышения таких значимых эксплуатационных показателей конструкций, как механическая прочность, био-, огне- и морозостойкость, сопротивление теплопередаче. Например, в работах [12] рассматриваются процессы теплопереноса в деревянных строительных изделиях с применением различных теплоизоляционных и декоративных обшивок, в статьях [3-6] авторы поднимают проблемы снижения работоспособности деревянных элементов зданий и говорят о способах их

решения. Также многими исследователями поднимался вопрос применения древесных материалов в составе различных композитов [7-8].

В настоящее время одним из перспективных направлений развития сферы деревянного строительства является поиск путей снижения пожарной опасности зданий и сооружений из древесины, а также строительных изделий на её основе

[9].

Согласно тенденциям развития деревянного домостроения в Российской Федерации, за период до 2020 года объём строительства зданий и сооружений из древесных материалов должен увеличиться примерно на четверть. Этому способствует в том числе разработка новых технологий повышения долговечности деревянных конструкций. Работы в этом направлении ведутся на протяжении последних десятилетий в России и за её пределами [9].

Проблема обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений, а также людей, которые в них находятся, остаётся одной из актуальнейших задач современной науки.

Вследствие пожаров, уничтожавших населённые пункты, застроенные преимущественно зданиями, строениями из горючих материалов, возникала необходимость снизить их пожарную опасность, заменить более огнестойкими. В связи с данным фактом долгие годы проводится поиск эффективных средств и способов снижения пожарной опасности изделий из древесины.

История проведения работ по целенаправленному снижению пожарной опасности органических материалов началась в начале XVIII века. Для уменьшения опасности возгорания целлюлозных материалов (в том числе и готовых деревянных строительных изделий) их пропитывали или обмазывали веществами минерального происхождения. После пожара города Москвы 1812 года на государственном уровне был введен запрет на строительство деревянных домов, а эксплуатируемые дома с бревенчатыми стенами должны были оштукатуриваться глиной [10]. Также пожарную опасность деревянных строительных изделий снижали путём нанесения на их поверхность известкового раствора.

В 1930-х годах вопросы огнезащиты строительных материалов и изделий в России начали решать на научной основе. Исследованиями в данной области занимался химический отдел Центральной научно-исследовательской лаборатории (ЦНИЛ НКВД СССР, 1929 год), позже перешедший в структуру Центрального НИИ противопожарной обороны (ЦНИИПО НКВД СССР, 1937 год), в настоящее время преобразованный в Отдел пожарной безопасности строительных материалов, который состоит в структуре Научно-исследовательского центра нормативно-технических проблем пожарной безопасности (НИЦ НТП ПБ) Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны МЧС России» [10].

Правильное и своевременное применение огнезащиты способно обеспечить предотвращение возгорания, замедлить или прекратить развитие пожара в начальной стадии, обеспечить его локализацию, снизить влияние ОФП и способствует быстрой ликвидации пожара.

Несмотря на кажущуюся сложность выбора и применения ОЗС для древесины, они находят всё более широкое применение. Практика показывает, что дополнительные затраты на обработку древесины окупаются.

Главными задачами применения ОЗС в ходе огнезащитных работ по древесине являются обеспечение невоспламеняемости от слабых источников зажигания, максимальное замедление распространения пламени материала по поверхности на ранних стадиях развития пожара.

Современные средства огнезащиты строительных конструкций классифицируются согласно ГОСТ [11] (рис. 1-4).

Рисунок 1 - Классификация огнезащитных средств в зависимости от устойчивости к воздействию агрессивных факторов [11].

Классификация огнезащитных средств в зависимости от условий их эксплуатации

> г > г

предназначенные для эксплуатации на открытом воздухе или под навесом предназначенные для эксплуатации в закрытом неоташшваемом помещении

> г > г

предназначенные для эксплуатации в закрытом отапливаемом помещении предназначенные для эксплуатации в иных специально оговоренных условиях

Рисунок 2 - Классификация огнезащитных средств в зависимости от условий их

эксплуатации [11].

Рисунок 3 - Классификация огнезащитных средств в зависимости от способа

нанесения [11].

Рисунок 4 - Классификация огнезащитных средств в зависимости от их состава и

свойств [11].

Огнезащитные покрытия представляют собой вещества пастообразной консистенции. Пасты, обмазки, лаки, краски способствуют значительному снижению пожарной опасности древесины, при этом не обеспечивается устойчивость материала к биодеструкции, а также не сохраняется внешний вид материала.

Для того, чтобы древесина после обработки не утратила естественный вид, её защищают путём пропитывания. Применение ОБЗС для глубокой пропитки эффективно снижает пожарную опасность деревянных конструкций и повышает стойкость древесины к биологическому повреждению. Также стоит отметить, что глубокая пропитка является трудоёмким и технологически сложным процессом, требующим применения крупногабаритного и энергозатратного оборудования.

Существуют следующие технологии пропитки древесины защитными срелствами: пропитка под давлением, автоклавно-диффузионная пропитка, пропитка в ванне и поверхностная пропитка [12].

Пропитка под давлением является эффективной, но только для плит, изготовленных с применением водостойких фенолоформальдегидных связующих. Нативная древесина в процессе пропитки набухает и необратимо деформируется, а последующая сушка плит делает процесс пропитки нерентабельным.

Автоклавно-диффузионный метод пропитки заключается в нанесении на древесину смеси антипирена и хорошо набухающего клейкого вещества. Недостаток этого метода - большая длительность процесса пропитки (около 140 суток) [12].

Пропитку в ванне ведут в ёмкостях методом горяче-холодных ванн. Недостатком данного метода является плохая восприимчивость ядра древесины к пропитке, а также ограниченная возможность регулирования количества вводимого ОЗС и большая временная протяженность процесса.

Поверхностная пропитка древесины антипиренами позволяет качественно снизить пожарную опасность материала. Отличительной особенностью такого вида защиты является то, что пропитки работают не только в начальной стадии пожара, но и в условиях развивающегося пожара. Сущность метода поверхностной пропитки заключается в нанесении пропиточного раствора на деревянные конструкции (несколько нанесений с промежуточной сушкой) [12].

В настоящее время для огнезащиты строительных конструкций используются десятки наименований пропиток. Их основным недостатком является недолговечность огнезащитного действия (как правило, не более 1 года) [12].

Применение различных способов огнезащиты обеспечивает не только пожарную безопасность деревянных элементов зданий и сооружений, но и значительный и долговременный экономический эффект.

Согласно проведенным исследованиям, применение многих из разработанных в XX веке ОЗС для пропитки и покрытия материала не позволяло перевести древесину из группы сгораемых в группу трудносгораемых материалов. В это же время к группе трудносгораемых относились материалы и изделия, подвергнутые глубокой пропитке в автоклавах, а также защищенные интумесцентными огнезащитными красками и лаками. Так, огнезащитная краска ВПД обеспечивала перевод покрываемой древесины в группу трудносгораемых материалов [10].

В последние годы интумесцентные ОЗС стали распространены во многих странах. Одной из причин данного явления стало то, что подобные составы в условиях пожара образуют на поверхности материала мелкоячеистый угольный слой, который снижает темпы окисления и прогрева древесины. При вспучивании связующее размягчается с одновременным разложением антипиренов и газообразователей, а также с поглощением тепла, что и обуславливает огнезащитные свойства интумесцентного покрытия.

Особенно популярным данное направление работ по огнезащите древесных материалов стало за рубежом. Иностранные учёные в своих трудах приводят данные о результатах огневых испытаний и термоаналитических исследований огнезащитных интумесцентных покрытий, а также разрабатывают проблему модернизации данного вида конструктивной огнезащиты. Сегодня можно выделить две главных тенденции: химическая модернизация покрытий [13] и защита древесины путём применения слоёв негорючего материала [14, 15].

В настоящее время среди организаций, оказывающих услуги в области обеспечения пожарной безопасности, а также собственников зданий и сооружений, построенных с применением изделий из древесины, широко распространены такие способы огнезащиты, как глубокая и поверхностная пропитка ОЗС. Как правило, данные составы представляют собой многокомпонентные системы, каждая из составляющих таких систем выполняет свою функцию при введении в конструкцию. В основной массе пропиточные огнезащитные средства являются растворы химических солей в водной среде или органических растворителях. Стоит отметить, что пропиточные средства, содержащие органические растворители, могут негативно влиять на пожарную опасность древесины вследствие своей природной горючести. Кроме того, такие ингредиенты при воздействии ОФП и в нормальных условиях способны пагубно влиять на здоровье человека, поэтому солевые огнезащитные средства с водой в роли растворителя гораздо более подходят для массовой эксплуатации, чем аналогичные средства, содержащие органические компоненты.

Придание полимерным материалам, к которым относится в том числе древесина, улучшенных свойств сопротивляться воздействию открытого пламени и высоких температур может быть осуществлено различными способами, дифференцирующимися как по химизму процесса, так и по технологическому решению.

Однако эффективных и экологически безопасных огнезащитных составов, которые бы обеспечивали получение полимерных материалов с устойчивыми к различным воздействиям свойствами огнезащиты и не меняли при этом исходные физико-химические свойства волокон, практически не существует. Например, зарубежные фосфор- и азотсодержащие огнезащитные составы Пробан и Пироватекс, реализуемые на российском рынке, позволяют получать огнезащищённый материал при содержании в них не более 15% синтетического волокна. Однако продукты горения обработанных ими материалов характеризуются высокой токсичностью.

Достаточно эффективные огнезащитные составы, выпускаемые фирмами США и Израиля, представляют собой смеси экологически опасных галогенорганических соединений и оксидов тяжёлых металлов как катализаторов процесса, однако введение оксидов приводит к тому, что огнезащищённые полимерные материалы становятся гетерогенными (неоднородными). При поверхностной обработке древесины гетерогенность наблюдается в пропиточном растворе, т.к. оксиды являются твёрдыми нерастворимыми в воде веществами [1621].

Стоит отметить, что ОЗС для обработки деревянных конструкций по эффективности огнезащиты подразделяется на три группы [22]:

1) I группа- обеспечивает получение трудносгораемой древесины:

2) II группа -обеспечивает получение трудновоспламеняемой древесины;

3) III группа- не обеспечивает огнезащиту древесины.

Сегодня рынок наводнён средствами защиты древесины различной степени эффективности, производство подобных составов налажено почти в каждом

регионе России. Ниже представлены краткие характеристики применяемых в нашей стране средств защиты древесины от пожара.

ОБЗС ТАЛЕЖ - состав для комплексной защиты древесины, придающий материалу II группу огнезащитной эффективности (трудновоспламеняемая древесина). ОБЗС ТАЛЕЖ применяется для наружных и внутренних огнезащитных работ на новых и ранее обработанных антипиреном или антисептиком деревянных элементах: стропилах, балках, несущих чердачных деревянных конструкциях, обрешетке, перекрытиях, обшивках, перегородках, стенах и других пиленных, струганных, бревенчатых конструкциях в зданиях жилищного, общественного, производственного и сельскохозяйственного назначения. Состав надежно предохраняет древесину от гниения, возгорания, распространения пламени, плесени, синевы и насекомых-древоточцев на наружных и внутренних деревянных элементах зданий и сооружений, в условиях гигроскопического и конденсационного увлажнения без контакта с грунтом, воздействия атмосферных осадков, почвенной влаги. ОБЗС ТАЛЕЖ увеличивает срок службы изделий в 2-3 раза, не препятствует дыханию древесины и не

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Панев Никита Михайлович, 2020 год

— К; -

и-

35

ТкЗрб(0, ^о) — тдррб(0, ^о).

35

— 0.

(24)

(25)

(26)

(27)

Решение задачи (20) - (27) можно найти методом интегрального преобразования Лапласа [122-124]. Стоит отметить, что процессы, схожие с теми, которые протекают при термодеструкции древесины, прошедшей поверхностную пропитку ОЗС, рассматривались учеными ранее и представлены в работах [98, 125]. В связи с этим для решения задачи (20) - (27) можно применить следующие выражения:

^ — 1+к\к {1 - № - [^ + ^ - ВД]} +

+ 2 Хп=1 ,2,

^Я

^п(Дп7^а^5)] - + 5)]} ехр(-мП^о)

(28)

5

1

7-2 М = 1+ЛК {* - № + «(« - ^ВД) + ИКл [<Р(Жа. «Я, К«) -

2

Дп^ДпСофпТЩ« - 5)] X

X

+Я7

«ЯСО^Дп ^(^п-Да^) + ^ПДп^ЧМп/«^)

(29)

Выражения (28) - (29) в совокупности позволяют произвести требуемые расчёты процессов теплопереноса обозначенной выше задачи (20) - (27), а, следовательно, позволяют рассчитать поля температур в слое древесины, пропитанном ОЗС, а также в карбонизованном слое деревянного изделия.

Преобразование выражений (28) - (29) позволит вывести уравнение (30), которое будят являться частным случаем решения задачи (20) - (27) для слоя материала, в котором теплофизические параметры фаз будут постоянными.

7(т, Я) = 7о + (7СТ - 7о)

1 - 4 • £п=1

(-1)

п+1

.созРП-1МА].е[ У 2 Го]

■ -[(2п-1)2д2] ат

[(2п-1)я]

(30)

где h - толщина прогреваемого слоя, м; г0 - половина толщины пластины, м; ^ - начальная температура, принимаемая равной 20ОС; ^ - температура на наружной поверхности материала.

Выражение (30) позволит определить температуру внутри прогреваемого слоя материала в заданный момент времени. Так, в слое древесины, не содержащем ОЗС, температура будет распределяться следующим образом согласно рисунку 21.

4

Г

300

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Толщина слоя материала, мм

Температура в момент времени 5 мин, °С

Температура в момент времени 10 мин, °

Температура в момент времени 15 мин,

°

Рисунок 21 - Распределение температуры в нативном слое деревянного строительного изделия, прошедшем поверхностную пропитку ОЗС.

В результате анализа данных, приведённых на рисунке 21, можно сделать вывод, что слой деревянного изделия, пропитанного ОЗС на глубину 1^3 мм, прогреется до температуры воспламенения в течение времени т~300 с., после чего начнётся его термодеструкция и прогрев следующего за ним слоя древесины, не пропитанного огнезащитным составом.

В слое, прошедшем обработку ОЗС, процесс термодеструкции целлюлозы протекает с более высокой скоростью, что связано с большими значениями коэффициентов теплопроводности X и температуропроводности а по сравнению с исходной древесиной. Таким образом, огнезащитная обработка предотвращает пламенное горение древесины, но не защищает от термодеструкции и обугливания, то есть, при равномерном обогреве деревянного строительного изделия происходит потеря его прочности пропорционально уменьшению площади поперечного сечения.

При полном обугливании слоя древесины, обработанного ОЗС, на его поверхности формируется защитный теплоизоляционный слой, который снижает

скорость термодеструкции нативной древесины, находящейся за слоем, содержащим антипирен.

При достижении необработанной древесиной температуры воспламенения происходит обугливание материала, что и видно из рисунков 21, 22.

320

0 1 2

Толщина слоя материала, мм

3

Температура в момент времени 5 мин, °С

Температура в момент времени 10 мин, °С

Температура в момент времени 15 мин,

°

Рисунок 22 - Распределение температуры в слое деревянного строительного

изделия, содержащем ОЗС.

Результаты расчетов схематично изображены на рисунках 23, 24. На рисунке 23 представлена схема распределения температуры в древесине, пропитанной ОЗС, при нагреве наружной поверхности материала до температуры Т1, которая будет ниже температуры термодеструкции древесины Тдестр.

Рисунок 23 - Схема распределения температуры в древесине, пропитанной ОЗС, при нагреве наружной поверхности материала до температуры Т1<Тдестр.

На рисунке 24 приведена схема распределения температуры в древесине при достижении температуры термодеструкции на её наружной поверхности.

¿>озс о. мм

Рисунок 24 - Схема распределения температуры в древесине, пропитанной ОЗС, при нагреве наружной поверхности материала до температуры Тдестр.

При воздействии на поверхность материала температуры, превышающей температуру деструкции, в материале будут протекать процессы теплопереноса и разрушения, изображённые на рисунке 24. Это приводит к замедлению протекания процессов разрушения материала, что графически выражается в более пологом ходе представленных кривых.

Для подтверждения адекватности полученной модели на практике было проведено экспериментально исследование, задача которого заключалась в определении зависимости фактической глубины обугливания деревянного изделия от времени воздействия температуры.

В муфельную печь ПМ-12 (рисунок 25 (а)) помещались образцы древесины длиной 60 мм сечением 30*30 мм, прошедшие поверхностную пропитку трёхкомпонентной бинарной огнезащитной композицией следующего состава: бишофит - 20%, жидкое стекло - 10%, вода - 70%. Глубина проникновения антипиренов в древесину была определена путём измерения на срезах 3 образцов. На всех образцах глубина проникновения ОЗС не превышала 2,8±0,2 мм. Затем в разогретую до 300ОС муфельную печь помещали все исследуемые образцы. Температура 300ОС поддерживалась постоянной с помощью терморегулятора «РТ-1250 Т» (рисунок 25 (б)). Исследуемые образцы в необходимом количестве (5 штук) поочерёдно извлекали из муфельной печи соответственно через 5, 10 и 15 минут после выдержки при температуре 300ОС.

а) б)

Рисунок 25 - Муфельная печь ПМ-12: общий вид (а) и вид терморегулятора «РТ-

1250 Т» (б)

Исследовался срез образцов, в результате чего оценивалась глубина повреждения древесины. В результате измерений установлено, что у образцов, выдержанных в муфельной печи при температуре 300ОС в течение 5 минут, толщина обугленного слоя за слоем ОЗС составляла 1-2 мм, для образов, находившиеся в печи в течение 10 минут - 2,8±0,3 мм, в течение 15 минут -5±1 мм.

Исходя из результатов расчётов, представленных в графическом виде на рисунке 21, можно утверждать, что за 5 минут воздействия температуры 300ОС на поверхность материала древесина, пропитанная ОЗС, обуглится на глубину до 2,5мм, за 10 минут - на глубину до 3,5 мм, за 15 минут - на глубину до 5 мм. Экспериментальные данные близки к результатам расчётов, выполненных с применением математической модели, в которой при выполнении вычислений были использованы величины согласно справочным данным [126].

На основании сравнительного анализа полученных экспериментальных данных с результатами расчёта по разработанной математической модели можно сделать вывод о том, что расхождение между расчётными данными и экспериментальными значениями глубины обугливания образцов древесины,

Полученное расхождение можно объяснить следующими причинами:

1) в разработанной математической модели не учитывается влияние процессов массопереноса в древесине на термодеструкцию материала;

2) при разработке модели не учитывался ряд эксплуатационных характеристик древесины, таких, как возраст дерева, влажность и др.

Несмотря на указанное расхождение между экспериментальными и расчётными значениями глубины обугливания древесины, стоит отметить, что оно является приемлемым, а полученная модель - адекватной, так как позволяет с достаточной точностью прогнозировать поведение обработанных ОЗС изделий из древесины, вовлеченных в процесс пожара и подвергающихся воздействию высоких температур.

Таким образом, использование расчётных показателей изменения прочностных характеристик, оцениваемых по глубине обугливания и времени термического разрушения древесины, может служить основанием при принятии решений о возможности дальнейшей эксплуатации изделий из древесины на объекте защиты после пожара.

Можно также утверждать, что использование данной модели позволит оценить уменьшение сечения деревянного строительного изделия и, как следствие, определить такие пожарно-технические характеристики, как предел огнестойкости конструкции, что в перспективе предоставит специалистам возможность уйти от проведения ряда дорогостоящих и трудоёмких огневых испытаний.

Актуальность подобных решений может найти подтверждение при проведении реконструкции объектов культурного наследия, пострадавших в результате пожаров [127-133].

В процессе проведения работ по восстановлению пострадавших в результате пожаров объектов культурного наследия, важно сохранить оригинальный облик уникальных изделий из древесины [134]. Минимальных

потерь при восстановлении артефактов культурного значения можно добиться, используя результаты расчётов, проведённых с помощью математических моделей. Следует отметить, что в данном направлении авторами работ [74,75] были проведены исследования, направленные на выявление изменений физико-химических, теплофизических и механических свойств древесины в зависимости от срока и условий эксплуатации, а также на разработку инженерно-технических мероприятий, направленных на продление периода безопасной эксплуатации изделий из древесины. В приведённых трудах исследуются такие свойства древесины, как низшая теплота полного сгорания, скорость тепловыделения, общее тепловыделение. Данные показатели не учитывались при разработке математической модели термодеструкции древесины.

Стоит отметить, что для проведения расчётов с использованием математической модели были выбраны справочные теплофизические показатели для сосновой древесины [126].

Для получения более точных результатов расчётов при решении конкретных задач по определению температуры и времени прогрева строительных материалов и изделий на основе древесины различных пород, сроков и условий эксплуатации, а также глубины термодеструкции материала и, как следствие, уменьшения сечения строительных изделий, следует применять показатели коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, а также другие теплофизические и физико-механические характеристики, присущие материалам, для которых проводится исследование.

Можно говорить о том, что вышеописанное направление является перспективным при дальнейшей разработке моделей процессов тепломассопереноса в деревянных строительных изделиях и прогнозирования их поведения в условиях пожара.

4.1 Методика исследования огнезащитных средств для древесины с помощью

инфракрасной спектроскопии

С целью определить состав выбранных в качестве объектов исследования ОЗС и установить их основные функциональные группы, образцы древесины с нанесёнными на них ОЗС исследовались методом ИК-спектроскопии.

Метод ИК-спектроскопии является распространенным методом анализа функционального состава химических соединений. Инфракрасный спектр того или иного вещества включает в себя полосы поглощения, соответствующие колебаниям определенных групп атомов, функциональных групп и молекул, входящих в состав данного вещества и является специфическим свойством каждого соединения. Поэтому ИК-спектроскопия может использоваться для классификационного анализа органических и минеральных веществ и материалов. Далее отметим, что под влиянием теплового воздействия происходит термодеструкция материала, вещества, и это проявляется в изменении его ИК-спектра. На сегодняшний момент метод ИК-спектроскопии используется пожарно-техническими специалистами и экспертами для выявления зон термических поражений на неорганических строительных материалах, органических материалах (полимерных, лакокрасочных и других). Тепловое воздействие на материал определяется по изменению отношений оптических плотностей интересующих полос поглощения. Таким образом, данный метод исследования может в дальнейшем использоваться для исследования антипирированной древесины в условиях пожара.

ИК-спектры всех полученных образцов снимали с использованием таблетирования образцов с бромидом калия на инфракрасном Фурье-спектрометре марки ФСМ 1201 (рисунок 26) в диапазоне 4000-400 см-1. Для этого

пресс-формы под давлением более 8 кгс/м .

Условия съемки: число сканов 4, разрешение 4,0 см-1, способ представления ординат - %Т. Расшифровка спектров проводилась в соответствии с материалами, представленными в работе [135]. ИК-спектры самих ОБЗС снимали после удаления растворителя (воды) путем выливания небольшого количества в чашки Петри, растворы высушивались на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Значения волновых чисел полос поглощения образцов ОБЗС приведены в таблице 69.

Таблица 69 - Значения волновых чисел полос поглощения образцов ОБЗС

Наименование огнебиозащитного состава Полосы поглощения, см-1

МИГ-09 3223,05; 3153,62; 3086,11; 3024,39; 1435,04; 1396,46; 1151,50; 1078,21; 615,29.

Неомид -450 3442,94; 3348,43; 1685,79; 1624,06; 1462,04; 1400,32; 1112,93; 559,36; 478,35.

Раум-профи 3396,65; 3223,05; 1631,78; 1404,18; 1112,93; 937,41; 563,21.

СЕНЕЖ ОГНЕБИОПРОФ 3263,56; 3215,34; 3169,05; 3128,54; 1462,04; 1396,46; 702,09; 885,33.

Фоскон Кострома 3466,09; 3078,39; 1685,79; 1462,04; 1188,15; 1116,79; 603,72; 854,47.

Просепт Огнебиопроф 3442,94; 3348,43; 3207,62; 1670,36; 1620,21; 1454,33; 1408,04; 1147,65; 744,52; 551,64; 474,49.

В качестве объектов исследования были выбраны образцы сосновой древесины, выполненные в виде брусков размером 20*20*35 мм, на которые наносили огнебиозащитный состав (рисунок 27).

Рисунок 27 - Образец сосновой древесины, используемый для экспериментальных исследований

Подготовку и нанесение огнебиозащитных составов, выбор которых описывался в главе 1 данной работы (ОБЗС Сенеж ОГНЕБИО ПРОФ, ОБЗС КЛиМ-РКОЕ1Б, ОБЗС Prosept ОГНЕБИО ПРОФ, ОБЗС НЕОМИД-450, ОБЗС МиГ-09, ОБЗС Фоскон-Кострома-плюс), на образцы осуществляли согласно техническим требованиям.

4.2 Определение состава и основных функциональных групп огнезащитных

средств для древесины

Инфракрасные спектры исследуемых огнебиозащитных средств для пропитки древесины снимали с использованием метода таблетирования образца с бромидом калия на спектрометре ФСМ 1201 в диапазоне 4000-400 см-1. ИК-спектр антипирена снимали после выпаривания его водного раствора и сушки остатка при 50-60°С до постоянной массы. На рисунке 28 приведен инфракрасный спектр антипирена.

1112.93, 7.487

и 8 Я

о 80

«

и

о

с:

60

40

20

3500

3223.05, 5.946

1-Г

3000

2500

2000

1500

1-1-Г

1000

500

0

На ИК-спектре ОБЗС «КАЦМ-РКОЕШ» наблюдаются следующие основные полосы поглощения 3223 см-1, 1401 см-1, 1113 см-1, 925 см-1, 783 см-1, 696 см-1, 619 см-1, 548 см-1 и 457 см-1. Полосы поглощения 3143 см-1 и 1401 см-1 соответствуют валентным и деформационным колебаниям иона аммония N^4+ в твердых солях аммония. Полосы поглощения 1113 и 548 см-1, относящиеся к колебаниям ионов

Л

Н2РО4- и НРО4 -. ОЗС, содержащие соединения фосфора, имеют полосы поглощения в области 1160-850 см-1, относящиеся к колебаниям ионов Н2РО4-,

Л -5

НРО4 - и РО4 -. Такие полосы и наблюдаются на ИК-спектре исследуемого ОБЗС: 925, 782, 696, 619 см-1. Таким образом, исследование антипиренов методом ИК-дает возможность определить их основные функциональные группы, а также тип этих составов. Такая необходимость может возникать в экспертной практике. В результате проведенных исследований выявлено, что с помощью метода ИК-спектроскопии может быть установлен основной компонент ОЗС. В нашем случае определено, что в состав «КЛиМ-РКОЕ1Е»входят сложные соли полифосфорных кислот [136,137].

Далее таким образом были обработаны и ИК-спектры остальных пяти ОБЗС, которые приведены на рисунках 29-33.

3024.39, 19.14 3086.11, 18.67

е,

и н е 3 о л

(ч

о

Е

80

60

40

/

3223.05, 15.61 3153.62, 15.01

20

1151.50, 17.34 1078.21, 17.23

1396.46, 15.85

1435.04, 13.83

V

615.29, 9.982

0

I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

80

60

40

20

1624.06, 12.22

1/

1685.79, 7.601

1400.32, 6.143

1462.04, 5.144

1112.93, 3.853

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

3169.05, 18.27

е,

и н е 3 о л

(ч

о

Е

80

60

40

20

3215.34, 15.87

1462.04, 15.92 1396.46, 15.03

885.33, 5.67

"1-1-

2000

"1-1—

1500

и-1-1-1-1-г

1000

"1-Г~

500

3500

3000

2500

0

е и н е 3

О 80

л

(ч

о

с

60

40

20

0

3500

3000

2500

2000

500

1000

500

3442.94, 3.374

3348.43, 3.276

3207.62, 3.03

1670.36, 3.465 1620.21 , 3.408

/

1408.04, 2.483

1

454.33, 2.384

\J

1000

500

80

60

40

20

0

3500

3000

2500

2000

1500

На рисунках 30, 33 представлены ИК-спектры ОБЗС, содержащих в своем составе соединения с ионом аммония. Спектры имеют полосы поглощения в области 3200-3450 см-1 и 1440-1460 см-1, относящиеся к валентным колебаниям иона NH+4. В то же время, ИК-спектры представленных исследуемых ОБЗС имеют полосы поглощения в области 1090-900 см-1 и около 540 см-1, относящиеся

Л

к колебаниям ионов Н2РО4- и HPO4 -, которые содержатся в моно- и

диаммонийфосфатах, входящих в состав ОБЗС, а также полосы поглощения около

1 2 1105 и 613 см-, относящиеся к колебаниям иона SO4-, содержащегося в

сернокислом аммонии, который также входит в состав некоторых изучаемых

ОБЗС. В спектрах ОБЗС PROSEPT ОГНЕБИО PROF и Неомид-450 наблюдаются

полосы поглощения в области 3200-3450 см-1, относящиеся к валентным

колебаниям групп NH, и поносы при 1600-1700 см-1, относящиеся к колебаниям

амидных групп OCN, которые присутствуют в мочевине и ее производных.

Антипирены, содержащие карбонат калия (рисунки 29, 31, 32), имеют в ИК-

спектре полосу поглощения в области 1460-1320 см-1, относящуюся к

2-

поглощению иона СO3 -.

ОЗС, содержащие соединения фосфора, имеют полосы поглощения в

1 9 Л -5

области 1160-850 см- , относящиеся к колебаниям ионов Н2РО42-, НРО42-, РО43-(рисунок 31).

5.1 Разработка метода определения наличия огнезащитных средств на строительных изделиях из древесины

Как показано выше, высокоэффективные огнезащитные пропитки содержат в своём составе неорганические соли, которые сохраняются на конструкциях из древесины и после пожара. В ходе расследования пожаров перед экспертами Федеральной противопожарной службы зачастую встаёт вопрос необходимости наличия ОЗС на строительных изделиях, в том числе выполненных из древесины и материалов на её основе. Также факт огнезащитной обработки деревянных элементов зданий учитывается страховыми компаниями при расчёте размеров выплат при наступлении страхового случая.

Как было указано в главе 4, основными методами контроля качества огнезащитных работ, проведенных на объекте огнезащиты, являются:

- контроль по представленной документации;

- визуальный контроль и экспресс-методы контроля;

- контроль с помощью измерительных и экспериментальных методов.

В настоящее время из экспресс-методов контроля согласно [11] следует использовать метод оценки качества огнезащиты древесины, прошедшей поверхностную обработку пропиточными составами, при помощи малогабаритного переносного прибора ПМП-1. Сущность метода заключается в оценке огнезащитных свойств (по признакам воспламенения) образцов поверхностного слоя древесины, повергнутой огнезащитной обработке, в результате воздействия пламени газовой горелки. Использование прибора позволяет проводить контроль качества выполненных огнезащитных работ и состояния огнезащитной обработки. Однако наиболее полное представление о качестве огнезащитной обработки дает комплексный подход, характеризующийся совокупностью методов по контролю качества огнезащиты деревянных изделий

на объектах. Современная методическая литература предусматривает разработку конкретного метода проверки качества поверхностной огнезащитной обработки деревянных изделий для определенного вида огнезащитной пропитки. Данные методы должны быть отражены в технической документации на огнезащитное средство, которую разрабатывает завод-изготовитель. В большинстве случаев методы проверки качества поверхностной огнезащитной обработки в технической документации не отражаются, поэтому в настоящее время экспресс-метод, предусматривающий использование устройства ПМП-1, является единственным и наиболее часто используемым. Как отмечалось ранее, объективный контроль качества огнезащиты на объектах должен осуществляться в совокупности при помощи нескольких методов. Следовательно, разработка новых измерительных и экспериментальных методов в настоящее время является актуальной темой. Как отмечалось ранее, методика [11] предполагает установление качества и эффективности уже известного огнезащитного состава.

Инструкция ВНИИПО по идентификации твердых веществ, материалов и средств огнезащиты при испытаниях на пожарную опасность предполагает выявление и подтверждение подлинности конкретной продукции, а также соответствия ее определенным требованиям. В последнем случае необходимо использование дорогостоящего оборудования (например, дериватографа), длительного обучения для подготовки аттестованных специалистов в области термического анализа, что затрудняет использование данного метода в практике испытательных лабораторий. Следовательно, встает вопрос о поиске, разработке простого, быстрого и дешевого метода установления самого факта наличия ОЗС на поверхности древесины. В связи с этим, в настоящей работе предложен альтернативный метод по определению наличия поверхностной огнезащиты, основанный на измерении электрического сопротивления поверхностного слоя древесины.

Суть метода можно описать следующим порядком действий.

1) Производятся измерения сопротивления волокон на образце древесины, идентичном материалу, подлежащему исследованию (при этом

огнезащитная пропитка на образец не наносится), результаты измерений записываются, при этом учитывается влияние направления волокон на древесине.

2) Готовится образец сравнения (образец древесины, на который нанесён ОЗС той же марки, что была нанесена на исследуемый деревянный элемент, и высушенный при комнатной температуре), проводятся измерения электрического сопротивления поверхностного слоя образца сравнения, которые затем записываются.

3) Проводятся измерения электрического сопротивления на исследуемом деревянном элементе, результаты измерений записываются.

4) Производится сравнение результатов измерений электрического сопротивления на образце сравнения и на деревянных элементах, подлежащих исследованию. Существенное возрастание результатов измерений на исследуемых деревянных элементах по сравнению с образцом сравнения будут свидетельствовать об утрате антипирирующего эффекта огнезащитного состава вследствие его вымывания или выветривания в результате атмосферных воздействий либо о том, что огнезащитное средство не было нанесено на исследуемые деревянные элементы.

5.2 Прибор для определения наличия огнезащитных средств на древесине

Электрическое сопротивление древесины характеризуется её сопротивлением прохождению электрического тока. Электрическое сопротивление сухой древесины достаточно велико. Однако в случае пропитки деревянных конструкций огнезащитными составами на поверхности древесины появляются соли, которые приводят к уменьшению электрического сопротивления [11, 138, 139]. Ниже представлена схема устройства для определения электрического сопротивления поверхностного слоя древесины (рисунок 34).

Рисунок 34 - Упрощенная схема устройства для измерения электрического

сопротивления древесины.

Блок-схема устройства приведена на рисунке 35.

Рисунок 35 - Блок-схема устройства для измерения электрического

сопротивления древесины.

Исходя из того, что на сегодня не существует технического устройства, позволяющего оперативно и точно зафиксировать наличие ОЗС на строительных изделиях из древесины, был предложен метод определения электрического сопротивления поверхностного слоя древесины. Для проведения исследования образцов древесины таким способом был сконструирован прибор, состоящий из следующих элементов: корпус из фторопласта, латунные стержни, соединительные провода, мультиметр. В корпусе расположены изолированные латунные стержни, на одном конце которых находятся стальные иголки, предназначенные для плотного крепления к поверхности древесины. На другом конце стержней нарезана резьба для плотного подсоединения соединительных проводов, которые подключаются к измерительному прибору. Измерения на приборе можно проводить с помощью игольчатых стержней, заглубляемых в древесину на 3 мм, что позволяет измерить электрическое сопротивление ее поверхностного слоя.

Ниже представлены фотоснимки вышеописанного устройства (рисунки 36,

37).

Рисунок 36 - Устройство для измерения электрического сопротивления

поверхностного слоя древесины

а) б)

Рисунок 37- Измерение электрического сопротивления на образце, обработанном ОЗС: вид сверху (а) и вид сбоку (б)

Прибор имеет компактные размеры, поэтому будет удобен для использования не только в лабораторных условиях, но и непосредственно на объектах. Далее необходимо отметить, что данный прибор можно использовать для сравнительного анализа и получения данных по значению электрического сопротивления на обработанной огнезащитой стороне изделия и необработанной. После конструирования прибора были проведены эксперименты по определению электрического сопротивления на образце до и после огнезащитной обработки.

Процедура и условия проведения испытаний. В качестве объектов исследования были выбраны древесные материалы хвойных пород (сосна).

Основные результаты испытаний. Первым этапом стало исследование образца до обработки огнезащитным составом. Для измерения поверхностного электрического сопротивления поверхность образца смачивалась дистиллированной водой для создания условий электропроводности. Как известно, древесина относится к диэлектрикам, и ее можно применять в качестве изоляционного материала. Измерение электрического сопротивления производилось на всех сторонах образца, в том числе на торцевых частях, вдоль и поперек волокон. Как известно, электрическое сопротивление древесины вдоль

волокон меньше в несколько раз, чем поперёк волокон. В одной точке осуществлялось поочередно пять измерений. Конечный результат определялся как среднеарифметическое значение пяти измерений. Далее образец методом окунания погружался в емкость с огнебиозащитным составом для древесины «КАЦМ-РКОРШ» на 15 минут. Обработанный огнезащитным составом образец высушивался в естественных условиях в течение 24 часов. Вторым этапом было проведение измерений электрического сопротивления на всех сторонах образца, в том числе на торцевых частях, вдоль и поперек волокон, с целью сравнения изменения электрического сопротивления, полученных до обработки огнезащитным составом. Результаты измерений представлены в таблице 70.

Обработка результатов. Из полученных результатов видно, что на боковой поверхности образца при проведении измерений вдоль волокон электрическое сопротивление уменьшилось в среднем в 5 раз. При проведении измерений поперек волокон электрического сопротивления уменьшилось в среднем в 8 раз.

Таблица 70 - Результаты измерений электрического сопротивления на образце сосновой древесины

Место проведения измерений Полученные значения сопротивления на образце без огнезащиты, кОм Полученные значения сопротивления на образце с огнезащитой, кОм

Первая боковая

поверхность: - вдоль волокон; 170 42

- поперек волокон. 150 24

Вторая боковая

поверхность: - вдоль волокон; 147 20

- поперек волокон. 166 15

Основание 161 44

При проведении измерений на поверхности основания образца электрического сопротивление уменьшилось в среднем в 4 раза. Следовательно, можно утверждать, что уменьшение поверхностного электрического сопротивления после огнезащитной обработки образца произошло в 4-8 раз. После этого с поверхности образца был сделан срез с целью проведения

испытаний на приборе ПМП-1. В ходе проведенных испытаний было установлено, что проба образца после гашения пламени газовой горелки не поддерживала самостоятельного горения более 5 сек., не имела обугливания по всей площади и сквозного прогорания. Следовательно, поверхностная обработка огнебиозащитным составом для древесины «RAUM-PROFIE» была проведена качественно. В результате проведенных исследований было установлено, что в случае качественного нанесения огнезащитного состава на деревянные конструкции поверхностное электрическое сопротивление древесины уменьшается в 4-8 раз.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что наличие антипирена в древесине можно определить, сравнивая значения электрического сопротивления, полученные при измерениях на поверхностном слое, а также внутри объема деревянной конструкции. При этом, чем больше разница в сопротивлении сравниваемых проб, тем больше антипирена содержится в пробе. Следовательно, метод, по определению наличия огнезащитной обработки, основанный на измерении электрического сопротивления поверхностного слоя древесины, можно использовать в комплексе с экспресс-методом контроля по ГОСТ Р 53292-2009 [11] в ходе контроля качества поверхностной огнезащитной обработки деревянных изделий.

В данной главе работы проводилось обследование деревянных изделий на объектах Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России (далее -ИПСА ГПС МЧС России). Для обследования были выбраны деревянные элементы чердачных конструкций в зданиях общежития факультета пожарной безопасности и учебного корпуса №1 ИПСА ГПС МЧС России по адресу: г. Иваново, пр-т Строителей, д. 33. На рисунках 38-39 представлен вид здания учебного корпуса №1 ИПСА ГПС МЧС России и чердачного помещения, в котором проводилось обследование. На рисунках 40-41 представлен вид здания общежития факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС МЧС России и его чердачного помещения.

Рисунок 38 - Здание учебного корпуса №1 ИПСА ГПС МЧС России.

Рисунок 39 - Чердачное помещение здания учебного корпуса №1 ИПСА ГПС

МЧС России.

Рисунок 40 - Здание общежития факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС

МЧС России.

Рисунок 41 - Чердачное помещение здания общежития факультета пожарной

безопасности ИПСА ГПС МЧС России.

Анализ технической документации показал, что огнезащитная обработка деревянных изделий в чердачных помещениях вышеуказанных объектов защиты проводилась за 1 год до обследования. Данный факт дает возможность оценить пригодность описанного выше метода оценки наличия огнезащитной обработки для дальнейшего применения при обследовании объектов защиты сотрудниками Государственного пожарного надзора МЧС России, страховых компаний, а также гражданами, являющимися собственниками зданий и сооружений, построенных с применением деревянных строительных изделий.

Сначала, согласно описанному в параграфе 5.1 методу, был изготовлен образец древесины габаритами 150*60*30 мм, а также произведены измерения электрического сопротивления его поверхностного слоя. Затем после обработки образца тем ОЗС, которым обрабатывали и исследуемые деревянные элементы чердачных помещений, были произведены аналогичные измерения, результаты которых представлены в таблице 71.

Таблица 71 - Результаты контрольных измерений на образце древесины

Место проведения измерений Значения проводимости на образце без огнезащиты, усл. ед. Значения проводимости на образце с огнезащитой, усл. ед.

Первая боковая поверхность 170 42

Вторая боковая поверхность 147 20

Основание 161 44

Затем были проведены исследования на объектах ИПСА ГПС МЧС России. Обследовались такие элементы чердачных помещений, как балки, укосины, стропила, колонны, а также элементы деревянной обрешётки. Результаты измерений в чердачных помещениях учебного корпуса №1 представлены в таблицах 72-76, в чердачных помещениях общежития факультета пожарной безопасности - в таблицах 77-81.

Балка в Балка в Балка в Балка в Балка в

Расположение элемента в помещении центральной части северной части восточной части южной части западной части

чердачного чердачного чердачного чердачного чердачного

помещения помещения помещения помещения помещения

Измерение 1 39 40 49 39 43

Результаты измерений, кОм Измерение 2 45 38 46 35 52

Измерение 3 41 41 37 42 50

Измерение 4 46 51 43 36 44

Измерение 5 44 40 45 43 46

Средний результат в отдельной части 43 42 44 39 47

помещения, кОм

Средний результат по 43

всему помещению, кОм

Таблица 73 - Результаты измерений на стропилах чердачного помещения

учебного корпуса №1 ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Стропило в центральной части чердачного помещения Стропило в северной части чердачного помещения Стропило в восточной части чердачного помещения Стропило в южной части чердачного помещения Стропило в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 189 187 197 180 176

Измерение 2 194 180 185 175 185

Измерение 3 190 193 183 184 177

Измерение 4 186 181 184 176 186

Измерение 5 201 179 191 185 181

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 192 184 188 180 181

Средний результат по всему помещению, кОм 185

Расположение элемента в помещении Колонна в центральной части чердачного помещения Колонна в северной части чердачного помещения Колонна в восточной части чердачного помещения Колонна в южной части чердачного помещения Колонна в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 116 114 124 107 103

Измерение 2 121 107 112 102 112

Измерение 3 117 120 110 111 104

Измерение 4 113 108 111 103 113

Измерение 5 128 106 118 112 108

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 119 111 115 107 108

Средний результат по всему помещению, кОм 112

Таблица 75 - Результаты измерений на укосинах чердачного помещения учебного корпуса №1 ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Укосина в центральной части чердачного помещения Укосина в северной части чердачного помещения Укосина в восточной части чердачного помещения Укосина в южной части чердачного помещения Укосина в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 170 168 178 161 157

Измерение 2 175 161 166 156 166

Измерение 3 171 174 164 165 158

Измерение 4 167 162 165 157 167

Измерение 5 182 160 172 166 162

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 173 165 169 161 162

Средний результат по всему помещению, кОм 166

Расположение элемента в помещении Обрешетка в центральной части чердачного помещения Обрешетка в северной части чердачного помещения Обрешетка в восточной части чердачного помещения Обрешетка в южной части чердачного помещения Обрешетка в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 174 172 182 165 161

Измерение 2 179 165 170 160 170

Измерение 3 175 178 168 169 162

Измерение 4 171 166 169 161 171

Измерение 5 186 164 176 170 166

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 177 169 173 165 166

Средний результат по всему помещению, кОм 170

Таблица 77 - Результаты измерений на балках чердачного помещения общежития

факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Балка в центральной части чердачного помещения Балка в северной части чердачного помещения Балка в восточной части чердачного помещения Балка в южной части чердачного помещения Балка в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 168 162 165 172 174

Измерение 2 176 166 160 165 179

Измерение 3 170 170 169 178 175

Измерение 4 182 161 161 166 171

Измерение 5 169 171 170 164 186

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 173 166 165 169 177

Средний результат по всему помещению, кОм 170

общежития факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Стропило в центральной части чердачного помещения Стропило в северной части чердачного помещения Стропило в восточной части чердачного помещения Стропило в южной части чердачного помещения Стропило в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 165 163 173 156 152

Измерение 2 170 156 161 151 161

Измерение 3 166 169 159 160 153

Измерение 4 162 157 160 152 162

Измерение 5 177 155 167 161 157

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 168 160 164 156 157

Средний результат по всему помещению, кОм 161

Таблица 79 - Результаты измерений на колоннах чердачного помещения

общежития факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Колонна в центральной части чердачного помещения Колонна в северной части чердачного помещения Колонна в восточной части чердачного помещения Колонна в южной части чердачного помещения Колонна в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 151 149 159 142 138

Измерение 2 156 142 147 137 147

Измерение 3 152 155 145 146 139

Измерение 4 148 143 146 138 148

Измерение 5 163 141 153 147 143

Средний результат в отдельной части помещения, кОм 154 146 150 142 143

Средний результат по всему помещению, кОм 147

общежития факультета пожарной безопасности ИПСА ГПС МЧС России

Расположение элемента в помещении Укосина в центральной части чердачного помещения Укосина в северной части чердачного помещения Укосина в восточной части чердачного помещения Укосина в южной части чердачного помещения Укосина в западной части чердачного помещения

Результаты измерений, кОм Измерение 1 154 152 162 145 141

Измерение 2 159 145 150 140 150