Встановлення умов застосування вогнезахищеної деревини на об'єктах різного призначення

Не менш ніж 80 % від загальної кількості пожеж виникають у житловому секторі, громадських і виробничих будинках, де деревина є значним пожежним навантаженням. 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 дедалі вищі вимоги до ефективності вогнезахисних засобів, а також до якості вогнезахищеної деревини. Ефективність протипожежного захисту об'єктів різного призначення підвищується із застосуванням вогнезахищеної деревини, яка відповідає вимогам нормативних документів.

Для вогнезахисту будівельних конструкцій набули широкого застосування спеціальні покриття, які за дії високої температури виділяють воду, але вони не завжди забезпечують вогнестійкість. Тому останнім часом застосовують покриття, що здатні до утворення на поверхні будівельної конструкції теплоізоляційного шару, який значною мірою знижує процеси передачі тепла до матеріалу. Сучасні методи вогнезахисту будівельних конструкцій базуються на використанні покриттів, що спучуються, які являють собою складні системи органічних і неорганічних компонентів. Але за тривалої дії полум'я вони здатні до поступового вигорання і відповідно зниження вогнестійкості конструкції, що потребує додавання до них мінеральних волокон, здатних утворити стійкіший шар пінококсу.

Тому потрібно розвиватися в цьому напрямку. Особливість розроблення ефективних вогнезахисних покриттів спрямована на використання під час спорудження об'єктів різного призначення, де використання наявних засобів малоефективне, а застосування їх потребує надійних способів вивчення властивостей покриття.

Аналіз літературних даних та постановка проблеми. Особливість вогнезахисту будівельних конструкцій від впливу вогню полягає у створенні на поверхні елементів конструкцій теплоізоляційних екранів, які витримують високі температури. Вони дають змогу сповільнити прогрівання матеріалу (стальної конструкції) і зберігати свої функції під час пожежі впродовж заданого періоду часу та переводить деревину до важкогорю- чих матеріалів (Tsapko & Tsapko, 2017).

Найпростіші вогнезахисті засоби на основі неорганічних в'яжучих матеріалів містять у своєму складі зв'язану воду, яка під час нагрівання випаровується і блокує перенесення тепла до захищуваної поверхні. Як зв'язку використовують здебільшого натрієве рідке скло, портландцемент, глиноземистий цемент, фосфатні і алюмосилікатні в'яжучі (Tsapko & Tsapko, 2017). Такі матеріали характеризуються незначною еластичністю, за дії температурного фактору в навколишнє довкілля виділяють тільки водяні пари (Tsapko et al., 2018).

Однак такі покриття є недовговічними та не ефективними, а також не забезпечують достатньої адгезійної міцності, оскільки вони мають великий температурний коефіцієнт лінійного розширення. Натомість покриття на основі неорганічних та органічних речовин здатні до утворення на захищуваній поверхні спученого шару коксу, який значною мірою знижує процеси теплопередачі (Ciripi, Wang & Rogers, 2016).

Ефективність застосування вогнезахисних покриттів на основі органічних речовин показано в роботах (Fan et al., 2013), де завдяки дії антипіренів та спінювачів можливий значний вплив на формування порового шару пінококсу, а саме на підвищення його стійкості, щільності і міцності, внаслідок модифікування полімерними добавками (Xiao et al., 2014). Ці дослідження спрямовані на виготовлення полімерно-неорганічних вогнезахисних покриттів, які не можуть забезпечити вогнестійкість і димоутворювальну здатність будівельних конструкцій упродовж досить тривалого часу та є надто дорогими.

Проведеними дослідженнями встановлено (Carosio et al., 2015), що додавання наповнювачів (оксиди, гідрооксиди, борати) до органо-неорганічних покриттів змінює структуру коксового шару та процес спінення, але не встановлено їх вплив на теплопровідність утвореного пінококсу та ефективності захисту деревини.

Цим зумовлено проведення наукових досліджень, спрямованих на вирішення питань щодо підвищення ефективності протипожежного захисту об'єктів різного призначення шляхом застосування інтумесцентного покриття деревини та переведення її до групи важкого- рючих матеріалів.

Мета роботи - дослідити вплив вогнезахисного ін- тумесцентного покриття на основі органічних і мінеральних речовин на горючість деревини та дерев'яних конструкцій.

Матеріали і методи дослідження ефективності вог- незахисту деревини інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин.

1. Досліджувані матеріали, які використовували в експерименті

Для встановлення горючості, поширення полум'я і димоутворення деревини, використовували зразки деревини, необроблені та оброблені (рис. 1) вогнезахис- ним інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин з витратою 260 г/м2.

2. Методика визначення показників властивостей зразків вогнезахисного покриття деревини

Дослідження з визначення групи горючості деревини, індексу поширення полум'я та димоутворення, обробленої покриттям, проводили згідно з (DBN V.1.1-7- 2002, 2003). Суть методу випробувань з визначення групи важкогорючої деревини полягає у впливі на зразок, що розташований в установці, полум'я пальника або радіаційної панелі зі заданими параметрами (GOST 12.1.044-1989, 1990).

Рис. 1. Модельні зразки вогнезахищеної деревини: а) необроб- лений; б) оброблений вогнезахисним інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин

Під час проведення експериментальних досліджень з визначення групи горючості фіксується максимальний приріст температури газоподібних продуктів горіння (ДҐ) та втрата маси зразка (Дт).

За результатами випробувань матеріали класифікують як:

• важкогорючі - Д < 60 оС та Дт < 60 %;

• горючі - Д > 60 оС чи Дт > 60 %.

Під визначення індексу поширення полум'я фіксується відстань термічного руйнування зразка та температура димових газів.

За значенням індексу поширення полум'я матеріали класифікують:

• не поширюють полум'я по поверхні - індекс поширення 0;

• повільно поширюють - індекс поширення 0+20;

• швидко поширюють - індекс поширення > 20.

Під час визначення коефіцієнта димоутворення визначають оптичну провідність утворених димових газів.

Залежно від отриманого коефіцієнта димоутворення розрізняють:

• з малою димоутворювальною здатністю - більше 50 м2/кг;

• з помірною димоутворювальною здатністю - більше 50 до

500 м2/кг включно;

• з високою димоутворювальною здатністю - коефіцієнт димоутворення більше 500 м2/кг.

3. Визначення групи горючості будівельних матеріалів

Випробування проводили згідно з (DSTU В У.2.7- 19-95, 1996). Сутність методу полягає у визначенні опірності зразків після термічної дії у вогневій камері за такими параметрами: температура димових газів, ступінь пошкодження за довжиною, ступінь пошкодження за масою, тривалість самостійного горіння. Будівельні матеріали залежно від значень параметрів горючості, поділяють на чотири групи горючості Г1, Г2, Г3, Г4 відповідно до табл. 1. Матеріали належить відносити до певної групи горючості за умови відповідності всіх значень параметрів, що установлені цій таблиці.

Експериментальні дослідження ефективності вогнезахисту деревини покриттям та їх результати. Для встановлення вогнезахисної ефективності під час дослідження ефективності оброблення інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин визначили групи горючості вогнезахищеної деревини. Результати досліджень з визначення втрати маси зразків (Дт, %) та приросту максимальної температури газоподібних продуктів горіння (Д^ оС) зразків вогнеза- хищеної деревини, проведеними у лабораторних умовах, наведено на рис. 2, 3.

Табл. 1. Класифікація горючих будівельних матеріалів

Рис. 2. Динаміка наростання температури димових газів під час випробувань деревини: 1) необроблена; 2) вогнезахищена інту- месцентним покриттям на основі органічних і мінеральних речовин

Рис. 3. Результати втрати маси зразків Дт, % деревини: 1) не- оброблена; 2) вогнезахищена інтумесцентним покриттям на основі органічних і мінеральних речовин

За початкової температури газоподібних продуктів горіння Т = 200 °С, за дії полум'я пальника на вогнеза- хищений зразок деревини, оброблений інтумесцентним покриттям на основі органічних і мінеральних речовин, температура газоподібних продуктів горіння зменшилась та становила Т < 200 °С, а втрата маси не перевищила 2 %. Отже, деревина, оброблена інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин, належить до групи важкогорючих матеріалів, а не- оброблена - до горючих середньої займистості.

Для визначення можливості застосування вогнезахи- щеної деревини, як будівельного матеріалу на об'єктах різного призначення, зокрема і на шляхах евакуації, було проведено дослідження згідно з (DBN V.1.1-7-2002, 2003), а саме горючості, поширення полум'я поверхнею, димоутворювальної здатності. вогнезахист деревина будівельний конструкція

Для отримання повнішої інформації щодо горючості деревини, як будівельного матеріалу, проведено дослідження згідно з (DSTU В ^2.7-19-95, 1996) необробле- них та вогнезахищених інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин зразків деревини. Під час досліджень визначали температуру димових газів, тривалість самостійного горіння зразків, довжину пошкодження та втрату маси зразків (рис. 4).

Рис. 4. Визначення групи горючості деревини згідно з ^арко, & Tsapko, 2017): 1) температура димових газів (Т, °С); 2) ступінь пошкодження зразків за довжиною %); 3) ступінь пошкодження за масою ^т, %); 4) тривалість самостійного горіння (т, с)

Випробуванням піддавали зразки матеріалу білого кольору розмірами 1000*190 мм, середньою товщиною 20,3 мм (рис. 5). Зразки матеріалу були закріплені на негорючій основі (азбестоцементний лист завтовшки 10 мм). Кондиціювання зразків проводили за температури повітря 23±2 °С та відносної вологості повітря 50±5 % впродовж 48 год.

Рис. 5. Результати випробувань модельного зразка, обробленого вогнезахисним інтумесцентним покриттям

За результатами досліджень (див. рис. 4, 5) встановлено, що деревина, вогнезахищена інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин, належить до будівельних матеріалів низької горючості (Г1), а необроблену деревину класифіковано як будівельний матеріал підвищеної горючості (Г4).

Проведено експериментальні дослідження з визначення індексу поширення полум'я (РП) згідно з (GOST 12.1.044-1989, 1990). Результати випробувань наведено у табл. 2. Встановлено, що вогнезахищена деревина, порівняно з необробленою (див. табл. 2), має індекс поширення полум'я, що дорівнює 0. Необроблена деревина характеризується високим коефіцієнтом димоутворення та потребує його зниження, оскільки може використовуватись на об'єктах масового перебування людей.

Згідно з (GOST 12.1.044-1989, 1990), визначено димоутворювальну здатність оброблених інтумесцентним покриттям на основі органічних та мінеральних речовин зразків деревини. Дослідження показали (табл. 3) значне зменшення коефіцієнта димоутворення для вог- незахищених зразків деревини та їх перехід з групи матеріалів з високою димоутворювальною здатністю (для необроблених зразків) до групи матеріалів з малою димоутворювальною здатністю.

Табл. 3. Результати випробувань зразків вогнезахищеної

Отже, встановлено, що застосування інтумесцентно- го покриття на основі органічних та мінеральних речовин надає деревині важкогорючих властивостей та переводить деревину у стан помірної горючості (Г j), яка не поширює полум'я поверхнею (І = 0), з помірною димоутворювальною здатністю (Д2). За цими показниками пожежної небезпеки, вогнезахищену деревину, як будівельний матеріал, дозволено застосовувати для внутрішнього облаштування приміщень масового перебування людей, зокрема і на шляхах евакуації.

Перелік використаних джерел

1. Carosio, F., Kochumalayil, J., Cuttica, F., Camino, G., & Berglund, L. (2015). Oriented Clay Nanopaper from Biobased Components Mechanisms for Superior Fire Protection Properties. ACS Applied Materials & Interfaces, 7(10), 5847-5856.

2. Ciripi, V. K., Wang, Y. C., & Rogers, B. (2016). Assessment of the thermal conductivity of intumescent coatings in fire. Fire Safety Journal, 81, 74-84.

3. DBN V.1.1-7-2002. (2003). Pozhezhna bezpeka obiektiv budivnytstva. Kyiv, 41 p. (Derzhbud Ukrainy). [In Ukrainian].

4. DSTU B V.2.7-19-95 (HOST 30244-94). (1996). Materialy budivelni. Metody vyprobuvan na horiuchist. Kyiv, 33 p. (Derzhbudarkhitek- tury Ukrainy). [In Ukrainian].

5. Fan, F.-Q., Xia, Z.-B., Li, Q.-Y., & Li, Z. (2013). Effects of inorganic fillers on the shear viscosity and fire retardant performance of waterborne intumescent coatings. Progress in Organic Coatings, 76(5), 844-851.

6. GOST 12.1.044-1989. (1990). Pozharovzryvoopasnost veshhestv i materialov. Nomenklatura pokazatelei i metody ikh opredeleniia. Moscow: Izdatelstvo standartov, 143 p. [In Russian].

7. Tsapko, Ju., & Tsapko, A. (2017). Simulation of the phase transformation front advancement during the swelling of fire retardant coatings, (Vol. 2). Eastern-European Journal Enterprise Technologies, 11(86), 50-55.

8. Tsapko, Yu., & Tsapko, A. (2017). Establishment of the mechanism and fireproof efficiency of wood treated with an impregnating solution and coatings, (Vol. 3). Eastern-European Journal Enterprise Technologies, 10(87), 50-55.

9. Tsapko, Yu., Kyrycyok, V., Tsapko, A., Bondarenko, O., & Guzii, S. (2018). Increase of fire resistance of coating wood with adding mineral fillers. Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings: The 7th International Scientific Conference, (pp. 6-8), November 14-16. Kharkiv.

Анотація

Зниження пожежної небезпеки будівельної деревини є завданням не лише економічним, а має соціальну та екологічну спрямованість. У будівництві дедалі інтенсивніше ведуть пошук нових високоефективних засобів вогнезахисту деревини. Але вогнезахист сьогодні повинен не тільки забезпечувати нормовану вогнестійкість деревини, а також зберігати її експлуатаційні параметри, вирішувати екологічну безпеку і довговічність. Тому важливою проблемою забезпечення життєдіяльності та безпечного функціонування об'єктів будівництва є розроблення, з економічної, технологічної та екологічної точок зору, спучувальних вогнезахисних покриттів для будівельних конструкцій, що можуть використовуватись не тільки нарівні з сучасними аналогами, але і бути високоефективними у спеціальних галузях будівництва, що уможливлює запобігання виникненню техногенних аварій. Наведено результати досліджень щодо підвищення ефективності захисту об'єктів шляхом переведення застосованої в них деревини до групи важкогорючих матеріалів та встановлено, що застосування органо-міне- рального покриття переводить деревину у стан важкогорючості, яка не поширює полум'я поверхнею, з помірною димоутворювальною здатністю. За цими показниками пожежної небезпеки, вогнезахищену деревина, як будівельний матеріал, дозволено застосовувати для внутрішнього облаштування приміщень, зокрема і на шляхах евакуації.

Ключові слова: деревина; вогнезахисне покриття деревини; леткі продукти горіння; горіння деревини; димоутворення.

Lowering fire hazard of wood is not merely a task of economical nature but it has social and ecological purposes. Search of new efficient ways of fire retardant treatment of wood is being conducted more and more intensively in the construction sphere. But fire retardant treatment nowadays shall not only ensure prescribed fire resistance of wood but preserve its performance as well as provide environmental safety and long life. Therefore significant problem of ensuring vital activity and safe functioning of any building facilities lies in the development of intumescent fire retardant coatings for building constructions taking into account economical, technological and ecological considerations; moreover, these coatings shall be applicable not only on par with available similar ones but be of high efficiency in special construction spheres which prevents spring-up of man-caused accidents. This paper contains description of the results of the researches having been conducted for raising efficiency of the facilities protection by transformation of wood used at them to a material belonging to the group of hardly combustible ones; it was revealed that application of a coating consisting of some organic and mineral compounds converted wood to hardly combustible condition, it did not spread fire by its surface anymore and its smoke formation ability became moderate. With such fire hazard indices wood as construction material having been subjected to fire retardant treatment can be used for internal furnishing of premises including escape routes. In particular, this is implied by availability of data sufficient for qualitative execution of the process of temperature growth inhibition and establishment on their basis of the time moment from which drop in heat resistance comes. This knowledge will make it possible to study transformation of the coating surface towards the high temperature side with coke formation and identify the variables significantly affecting the process. These study results are applicable to building structures from plant raw materials. Therefore, it is expedient today to take building materials from renewable sources, protect them against destruction and ensure the environmental friendliness of the products obtained.

Keywords: wood; fire retardant treatment coating of wood; burning of wood; ire resistance; mass loss.

Размещено на Allbest.ru