Підвищення вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним просоченням антипіренами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури

УДК 614.641.411

21.06.02 - пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним просоченням антипіренами

Бруєв Микола Олексійович

Харків 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Безпека життєдіяльності і інженерної екології" Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Національного технічного університету "ХПІ" Кравченко Володимир Іванович, директор науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту "Молнія" НТУ "ХПІ".

Офіційні опоненти:

- Доктор технічних наук, професор Дзюндзюк Борис Васильович, завідуючий кафедрою охорони праці Харківського державного технічного університету радіо-електроніки Міністерства освіти і науки України.

- Кандидат технічних наук, доцент Стельмах Олег Адамович, заступник начальника кафедри пожежної профілактики населених пунктів Академії пожежної безпеки МВС України.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МВС України, м. Київ.

Захист відбудеться 02.07.2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.01 Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

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

Автореферат розісланий 31.05.2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., проф. Кутовий Е.М.

Анотації

Бруєв М.О. Підвищення вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним просоченням антипіренами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено питанню підвищення ефективності вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій шляхом глибокого просочення антипіренами за рахунок дії надпотужних імпульсів тиску. Встановлено, що такі імпульси тиску формують в деревині поверхневий шар, поровий простір якого має високу щільність заповнення антипіреном. Це забезпечує досягнення деревиною групи "важко горючі" при значеннях глибини просочення на 30% менших, ніж за відомими методами. Розроблено та створено експериментальну установку, в якій здійснюється розвиток лінійного каналу розряду, в наслідок чого у камері просочення виникає квазірівномірний імпульсний тиск з амплітудою біля 60 МПа. Проведені огневі випробування зразків елементів дерев'яних конструкцій, що просочені імпульсним методом. Здійснено практичну реалізацію виконаних розробок.

Ключові слова: вогнезахист, елементи будівельних дерев'яних конструкцій, глибоке просочення, антипірен, надпотужний імпульсний тиск, багатозазорний розрядник.

Бруев Н.А. Повышение огнезащиты элементов строительных деревянных конструкций импульсной пропиткой антипиренами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 21.06.02 - пожарная безопасность. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросу повышения эффективности огнезащиты элементов строительных деревянных конструкций путем глубокой пропитки антипиренами за счет действия сверхмощных импульсов давления. Установлено, что такие импульсы давления формируют в древесине поверхностный слой, в котором поровое пространство имеет высокую плотность заполнения антипиреном. Это обеспечивает достижение древесиной группы материалов "трудно горючие" при значениях глубины пропитки на 30% меньших, чем при других известных методах. Разработана универсальная математическая модель процесса импульсной пропитки элементов строительных деревянных конструкций, которая построена на системе двумерных уравнений просачивания жидкости и газа в пористую среду. Реализация модели осуществлена численным методом в виде прикладной программы для ПК, которая позволяет определять оптимальные параметры процесса пропитки для произвольных размеров и сорта древесины. Разработана и создана экспериментальная установка, внутри разрядной камеры которой формируется линейный канал разряда, вызывающий импульсное давление амплитудой около 60 МПа. Проведено измерение параметров импульсов давления и исследована пространственная структура поля давлений. Измерения давления проведены с помощью крешерных датчиков, предварительно откалиброванных импульсным давлением.

Огневые испытания пропитанных образцов проведены на аттестованном оборудовании. Испытания подтвердили, что образцы с глубиной пропитки 8 мм по показателям огнезащищенности являются "трудно горючими". Показано, что дополнительное нанесение на поверхность полимерного антисептика "Гембар" повышает огнезащитные свойства образца.

Результаты работы внедрены в КП "Харьковспецсервис", Проектно и научно исследовательском институте "Харьковский ПромстройНИИпроект", Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт".

Ключевые слова: огнезащита, элементы строительных деревянных конструкций, глубокая пропитка, антипирен, сверхмощное импульсное давление, многозазорный разрядник.

Bruev M.O. Upgrading of fire barrier of wood construction elements using pulse percolation by fire-retardant.- A manuscript.

Dissertation for a degree of Candidate of Science in Engineering, specialty 21.06.02-Fire Safety.- Kharkiv State Technical University of Construction Engineering and Architecture.- Kharkiv, 2001.

The dissertation is dedicated to the issue of efficiency of the fire barrier of wood construction elements using deep percolation by fire-retardant trough the action of super-intense pressure pulses. It is found that such pressure pulses form in the wood a surface layer with pore space which has high density of filling by fire-retardant. This provide a means for the wood to achieve the "Hard Combustible" Group with percolation depth which is 30% less than using the known methods. An experimental set in which a linear discharge channel is developed resulting in initiation of quasi-uniform pulse pressure with an amplitude of about 60 MPa is designed and created. Fire tests of specimens of wood construction elements percolated using the pulse method are carried out. Practical realization of performed developments is implemented.

Keywords: fire barrier, wood construction elements, deep percolation, fire-retardant, super-intense pulse pressure, multi-gap discharger.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Боротьба з пожежами та їхніми наслідками є загальновідомою проблемою. У середньому по Україні за рік відбувається біля 50 тисяч пожеж, наслідком яких є загибель 2,0 - 2,5 тисяч людей, а матеріальні збитки складають 15 - 20 млн. гривень. Серед причин, що сприяють розвитку пожеж, є широке застосування в спорудах деревини, особливі властивості якої пов'язані з легкою займистістю та здатністю підтримувати горіння. Так, у 90% випадків пожежі, що мали найбільш жахливі наслідки, відбувалися на об'єктах культурно-побутового та адміністративного призначення з високим ступенем використання деревини.

Аналіз світового досвіду профілактичних протипожежних мір свідчить, що як ефективний метод боротьби з поширенням пожеж на таких об'єктах, є переведення будівельних дерев'яних конструкцій (БДК) із класу горючих матеріалів у клас важкогорючих способом їхньої обробки антипіренами. До способів, що використовуються, відносяться поверхнева обробка і глибоке просочення.

У напрямку підвищення ефективності вогнезахисту деревини шляхом поверхневої обробки є певні успіхи, завдяки розробкам суміші просочувальної ДСА-1 (Жартовський В.М., Борисов П.Ф.), епоксидних композиційних матеріалів (Яковлева Р.А., Обіженко Т.М.), сумішей на основі рідкого скла (Беліков А.С.) та інших. При цьому, глибоке просочення деревини, яке залишається ефективним способом забезпечення вогнезахисних властивостей дерев'яних конструкцій на тривалий час (десятки років), досі не набуло відповідного розвитку тому, що існуючи методи низкопродуктивні, а вартість вогнезахищеної цими методами деревини надто висока.

Перспективний напрямок розробки нового метода глибокого просочування деревини базується на застосуванні надпотужних імпульсів тиску, які утворюються електричним розрядом у рідині. Принципова спроможність цього методу доказана Саєнко О.І. у 1998 році.

Таким чином, проблема підвищення ефективності вогнезахиту елементів БДК глибоким просоченням антипіренами з використанням нового імпульсного способу є актуальною та доцільною, з точки зору підвищення загального рівня пожежної безпеки в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що становлять предмет даної дисертаційної роботи, виконувалися відповідно до сумісного комплексного плану науково-дослідних робіт Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури та Науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту (НДПКІ) "Молнія" Харківського державного політехнічного університету на 1996 - 2000 роки по розробці нових методів підвищення вогнестійкості дерев'яних конструкцій в інтересах будівельної індустрії України (держбюджетна тема № 0196U023313 від 20.12.96 р.), а також у рамках регіональної програми "Пожаробезпека 2000" (тема №3 від 15.03.99 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним просоченням антипіренами.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі основні задачі:

аналіз сучасного стану вогнезахисту деревини просочувальними складами, та визначення напрямку досліджень;

обґрунтування і формулювання основних принципів імпульсного методу глибокого просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій антипіренами, та визначення параметрів енергетичної частини установки і її розрядного елементу, що оптимальні по ефективності цього процесу;

визначення щільності заповнення порового простору елементів будівельних дерев'яних конструкцій при імпульсному тиску на основі дослідження математичної моделі процесу проникнення водних розчинів вогнезахисних матеріалів та відповідних експериментів;

експериментально визначити вплив значень передпросочуваної вологості деревини і температури розчину на ефективність імпульсного просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій;

експериментально визначити ефективність глибокого просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним методом за критеріями їхньої вогнезахищеності.

Об'єкт дослідження. Протипожежний захист елементів будівельних дерев'яних конструкцій.

Предмет дослідження. Процеси, які відбуваються в елементах будівельних дерев'яних конструкцій під час імпульсного просочення антипіреном, що приводить до отримання важкогорючого матеріалу.

Наукова гіпотеза. Підвищення вогнезахисних властивостей поверхневого шару деревини за рахунок більш щільного насичення порового простору розчином антипірену, ніж у відомих процесах глибокого просочення, що обумовлено використанням надпотужних імпульсів тиску.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети були використані математичні та експериментальні методи досліджень. Математичне моделювання процесу просочування системою двомірних рівнянь просочення рідини та газу у пористе середовище методом кінцевих різниць. Лабораторні та стендові дослідження процесу просочення зразків елементів будівельних дерев'яних конструкцій. Дослідження ступеню вогнезахисту зразків методом визначення ефективності вогнезахисту за ГОСТ 12.1.044-89. При аналізі результатів експериментів застосовано методи статистичної обробки.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше обґрунтовано ефект підвищення ступеню вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій при імпульсному просочені антипіреном за рахунок високої (>85%) щільності заповнення порового простору деревини, що забезпечує досягнення групи "важко горючі" при значеннях глибини просочення на 20-30% менших, ніж за відомими методами. Дістала подальшого розвитку математична модель процесу проникнення водних розчинів вогнезахисних матеріалів в елементи будівельних дерев'яних конструкцій при імпульсному впливі тиску, яка враховує наявність рухомої границі розділу антипірен - повітря. Дістало подальшого розвитку облік впливу значень передпрсочуваної вологості деревини на глибину й ефективність просочення в залежності від розмірів перетину елементів будівельних дерев'яних конструкцій.

Практичне значення одержаних результатів. На засаді проведених експериментально-теоретичних досліджень отримано підвищення вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій імпульсним просоченням антипіренами за рахунок утворення щільно заповненого поверхневого шару.

Розроблена універсальна математична модель процесу імпульсного просочування елементів БДК, яка побудована на системі двомірних рівнянь просочення рідини та газу у пористе середовище та реалізована чисельним методом у виді прикладної програми для РС, що дозволяє визначити оптимальні параметри процесу для будь-якої породи деревини та розмірів елементу БДК.

Практична реалізація досліджуваного способу глибокого просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій антипіренами дозволяє: істотно знизити тимчасові (більш ніж у 5 разів) й економічні (більш ніж у 2 рази) витрати на обробку елементів цих конструкцій і забезпечити більш високе в порівнянні з традиційними методами якість їхнього просочення.

Результати роботи впроваджено в КП "Харківспецсервіс" (м. Харків), ПНДІ "Харківський ПромбудНДІпроект та в Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті "Молнія" (м. Харків).

Особистий внесок здобувача. Авторові належать наукові ідеї роботи, постановка цілі та задач досліджень. Автор безпосередньо приймав участь в експериментах, узагальнені та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні результати дисертаційної роботи одержані самим автором. В особистих роботах обґрунтовано вибір напрямку досліджень, розроблена математична модель політрона та здійснено оптимізацію його параметрів. У спільно виконаних роботах особистий внесок автора складається в обґрунтуванні і формулюванні гіпотези та науково-технічних задач відносно імпульсного просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій антипіренами, а також у участі в їхньому рішенні й обробці результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових семінарах в НДО-1 Укрндіпб МВС України(м. Харків, 1999, 2000); на науковому семінарі в ХІПБ МВС України (м. Харків, 1999); на науково - практичній конференції в ХТУРЕ (м. Харків, 2000); на наукових семінарах у НДПКІ "Молнія" ХДПУ (м. Харків, 1998-2000).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 5 статтях, з них 5 у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації становить 144 сторінок машинописного тексту, включає 37 ілюстрацій, 12 таблиць, . списку використаних джерел із 125 посилань, 6 додатків, що мають обсяг 26 сторінок.

Основний зміст дисертації

У вступі висвітлено стан проблеми та показана актуальність її вирішення, визначено мету і задачі досліджень, наукову новизну, практичну значимість роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасній стан питання, пов'язаного з проблемою вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій.

Подано аналіз наукових публікацій щодо вирішення проблеми підвищення вогнезахисних властивостей елементів БДК. Проведений аналіз стану проблеми свідчить, що глибоке просочення елементів БДК антипіренами є ефективним способом вогнезахисту цих конструкцій. Однак, цей спосіб майже не застосовується в Україні внаслідок того, що відомі методи його здійснення потребують значних затрат часу та коштів. Крим того, ці методи не гарантують якості вогнезахисту, яка відповідає новим вимогам згідно ГОСТ 30219-95.

Виходячи з аналізу фізичної природи процесів просочення, які застосовуються, зрозуміло, що вони базуються на явищі дифузії антипірену у деревину як перісте тіло. При цьому технологічні режими (тиск, прогрів або вакуум) впливають лише на незначне підвищення швидкості просочення. В умовах дифузійного просочення розподіл щільності заповнення порового простору деревини має експоненціальну залежність від глибини. Приймаючи до уваги, що існують методи поверхневої обробки деревини, які забезпечують досягнення першої групи вогнезахисту, зпрогназоване значне підвищення вогнезахисних властивостей елементів БДК при максимально щільному просоченні їх поверхневого шару. Таким чином, сформульована ідея заповнити антипіреном якомога щільно поровий простір поверхневого шару елементу БДК на глибину 5-10 мм, що мало надати нові вогнезахисті властивості. Досягнення такого варіанту просочення можливо було очікувати при використанні дії надпотужних імпульсів тиску, які створюються в рідині при електричному розряді.

Визначено, що обґрунтування спроможності цієї гіпотези вимагає проведення як теоретичних, так і експериментальних досліджень. Для теоретичних досліджень процесу просочення елементу БДК треба розробити відповідну математичну модель, на базі якої визначити розподіл щільності заповнення порового простору по товщині елементу при дії надпотужних імпульсів тиску. Значення параметрів моделі, які характеризують процес просочення, потребують експериментального визначення. Тому на експериментальні дослідження покладено цілу низку задач: визначити параметри імпульсів тиску, що діють на елемент БДК; підтвердити адекватність розробленої математичної моделі та правильність гіпотези формування щільного поверхневого шару; визначити вплив параметрів технологічного процесу на ефективність просочення елементів БДК електрогідравлічним методом; стандартизованим методом (за ГОСТ 12.1.044-89) визначити групу горючості елементів БДК, які просочені антипіреном за імпульсною технологією.

Виходячи з аналізу розмірів елементів БДК, що застосовуються на практиці, в роботі під "елементом БДК" розуміється прямий елемент, розміри якого поперек значно менше його довжини.

При використанні імпульсного методу просочування запропоновано модульний принцип побудови просочувальних камер та відповідного високовольтного обладнання. Як варіант, модуль просочувальних камер можливо виконати з стекло епоксидних товстостінних (>20 мм) труб з внутрішнім діаметром, що у 3 рази більш ніж максимальний поперечній розмір елементу БДК, та довжиною до 12 метрів. З цих модулів набирається касета, розміри та компоновка якої обумовлюються можливостями конкретного замовника. Кожна камера-модуль може працювати в автономному режимі, тому просочувальна установка допускає гнучкий рівень завантаження.

Виконання означених теоретичних та експериментальних досліджень дало змогу досягти мети роботи, а саме: підвищення вогнезахисту конструктивних елементів БДК імпульсним просоченням антипіренами.

У другому розділі надано опис експериментального обладнання, методів експериментальних досліджень та їх метрологічного забезпечення.

Враховуючи результати роботи Саєнко О.І., в який теоретично та експериментально досліджені процеси проникнення в деревину антипіренів при імпульсному просоченні в плоскосному приближенні, розроблена експериментальна електрогідравлічна установка УІГ-1, що забезпечує створення необхідного імпульсного тиску в камері просочення, довжиною до 2 м. В основу реалізації імпульсного методу для елементів БДК покладено застосування багатозазорного розрядника, що забезпечує створення квазірівномірного тиску рідини вздовж елементу БДК. Доведено, що висока швидкість просочення елементів БДК на глибину більш 10 мм забезпечується якщо запасаєма енергія перевищує 5 кДж на погонний метр елементу БДК.

Вимірювальний комплекс установки УІГ-1 забезпечує реєстрацію амплітудно-часових параметрів імпульсу струму через розрядні проміжки з похибкою не більше ніж 12%.

Для виміру просторового розподілу тиску в рідині запропоновано крешерні датчики, конструктивні параметри яких адаптовані до очікуємих при експериментальних дослідженнях параметрів імпульсів тиску.

У третьому розділі викладено результати теоретичних досліджень. При побудові математичної моделі, що описує процес просочення елементів БДК розчинами антипіренів, прийняті наступні припущення:

а) досліджуваний зразок являє собою пористе тіло, властивості просочення якого чисельно описуються за допомогою коефіцієнтів пористості m і проникності k;

б) рідина, що просочує, покладається слабко стисливою, а процес просочення відповідає закону фільтрації, що характеризується гідродинамічним тиском P(t) і швидкістю фільтрації V;

в) розподіл тисків по периметру дерев'яної конструкції, що просочується, вважається заданим, а їхні чисельні значення як граничні умови задаються, виходячи з результатів експериментів;

г) довжина зразків, що просочуються, покладається такою, що явища на торцях не роблять істотних впливів на процес просочення більшої частини дерев'яної конструкції, у зв'язку з чим задача дослідження може бути зведена до двовимірної.

Основні рівняння, що описують процес імпульсного просочення елементу БДК, отримані з урахуванням закону Дарсі.

Відповідно до технології просочення, у початковий момент поровий простір елемента БДК заповнено повітрям і залишковою вологою. Залишкова вільна волога, кількість якої визначається значенням вологості деревини перед просоченням, фактично зменшує значення пористості m. Повітря піддається стиску рідиною, яка просочує, що призводить до появи додаткового опору процесу просочення. Тому математична модель задачі, яка аналізується, будується на спільному описі динаміки рідини і газу в поровому просторі елемента БДК.

Прийнято, що спочатку контуром контакту води і повітря є поверхня елементу БДК (l0), на якій задано імпульсний тиск р 0(r,t). У міру просочення контур контакту (l1) просувається всередину елемента БДК.

Розподіл тиску рідини в поровому просторі елементу БДК, тобто між контурами l0 і l1, описується наступним нелінейним рівнянням в часткових похідних.

. (1)

де р - тиск рідини, Па; m - пористість деревини; - в'язкість рідини, кг/м Чс;

k - проникнисть деревини, м 2.

Тиск (р) рідини на контурі живлення l0 визначається першою граничною умовою:

на контурі l0. (2)

Рівняння, що описує розподіл тиску повітря усередині області (S1), обмеженої рухомим контуром l1, співпадає з рівнянням (1), якщо р 1 - тиск повітря; 1 - динамічна в'язкість повітря. На рухомому контурі поділу l1, що зображує межу рідини і повітря, тиск газу р 1 залежить від часу і взагалі змінюється від однієї точки контуру до іншої. Звідси маємо другу граничну умову:

p=р 1 на контурі l1. (3)

Крім того, на рухомому контурі повинно виконуватися рівняння витрати рідини, віднесеної до одиниці довжини контуру:

на контурі l1, (4)

причому dn0 є елементом зовнішньої нормалі до контуру l1.

У області S1 маємо четверту граничну умову:

(5)

Процес просочення, який аналізується, характеризується послідовністю імпульсних тисків. Тому початкові умови для кожного наступного імпульсу формуються результатами дії попередніх. Так, для першого імпульсу тиск усередині елемента БДК покладається таким, що дорівнює нулю (маючи на увазі надлишковий тиск). Для другого імпульсу початковим є розподіл тиску, отриманий у результаті дії першого імпульсу, і так далі для всіх наступних імпульсів. Наведена система диференціальних рівнянь у частинних похідних разом із зазначеними початковими і граничними умовами однозначно визначає досліджуваний процес імпульсного просочення.

Практичне значення має інформація про поглинену масу М розчину антипірену і об'єму W, який він займає. Зазначені параметри обчислюються зі знайденого розподілу тиску р.

Рішення отримано чисельним методом, у якості якого обраний метод кінцевих різниць. На рис.2 представлена залежність питомої поглиненої маси антипірену ВАНН-1 елементом БДК із сосни з перетином 60х 30 мм, від числа імпульсів тиску.



Рис. 2. Залежність питомої маси просочуючого складу, що проник в елемент БДК, від числа імпульсів N - амплітуда тиску на поверхні x=xmax : 1- 65 МПа.; 2 - 40 МПа; 3 - 20 МПа.

Характер кривих на рис.2 свідчить, що після 20 імпульсів тиску, амплітуда яких дорівнює 20 МПа, питома маса просочувального складу досягла 0,46 кг, і подальше зростати майже не буде. Зовсім інша тенденція спостерігається при імпульсах тиску з амплітудою 65 МПа. Після 20 імпульсів питома маса складає 0,82 кг і може ще суттєво зростати. Декілька менші, але схожі показники для імпульсів з амплітудою 40 МПа. Отже, в просочувальній камері бажано досягти амплітуди тиску не менш ніж 40 МПа. Отримані результати дозволяють оцінити динаміку проникнення розчину антипірену в товщу елементу БДК. Збільшення глибини проникнення розчину зменшується з кожним наступним імпульсом. Так, глибина проникнення після першого імпульсу - 1,5 мм, а збільшення глибини після дії 10 імпульсів (з 11 по 20-й) складає тільки 2,5 мм. Отже, для елементів БДК глибина просочення має практичну межу, величина якої залежить від габаритних розмірів елементу, амплітудного значення імпульсу тиску. Цей ефект характеризує принципова відмінність двовимірного випадку від одномірного, у якому обсяг внутрішнього простору не був обмежений.

Зі сказаного вище випливає, що при виборі режиму просочення конкретного елементу БДК варто брати до уваги його поперечні розміри, передпросочувану вологість і з цього визначати реально досяжну глибину проникнення антипірену і кількість імпульсів тиску заданої амплітуди.

Розроблена модель дозволила кількісно описати закономірність розподілу щільності заповнення порового простору уздовж товщини елементу БДК.

Аналіз отриманих результатів показує, що крива розподілу щільності заповнення порового простору уздовж товщини елементу БДК у випадку просочення імпульснім методом, свідчить про наявність високого ступеню (>85%) заповнення на глибину до 10 мм. Навпаки, при традиційних технологіях, на такий глибині щільність заповнення становить не більш ніж 40%. Таким чином, проведені дослідження підтвердили гіпотезу про наявність поверхневого (до 10 мм) шару елементу БДК, який щільно просочений антипіреном. Тобто є підстави очікувати ефект підвищення вогнезахисних властивостей.

На основі розробленої моделі, проведена оцінка гранично можливих значень глибини просочення і маси поглиненого розчину для деяких варіантів елементів БДК.

На основі математичної моделі просторового розподілу амплітудно-часових параметрів поля тиску, формованого багатозазорним розрядником, визначено оптимальне співвідношення геометричних розмірів, що забезпечує створення однорідного поля тисків по довжині елементу БДК.

У четвертому розділі представлено експериментальні дослідження.

Багатозазорний розрядник розміщався в камері просочення паралельно її осі. Також паралельно осі камери розташовувався зразок елементу БДК із розміщеними на його поверхні з кроком 50 мм датчиками. Зразок елементу БДК установлювався на заданій відстані (h) від каналу розряду. У цьому варіанті спільне розміщення політрону та системи крешерних датчиків було таким, що середній датчик (з номером 0) розташовано проти центрального розрядного проміжка політрона, а відстань між розрядними проміжками складала 55 мм.

Зміна взаємного розміщення політрона та системи датчиків дозволила провести вимір розподілу тиску уздовж поверхні елементу БДК з шагом 10 мм. Аналіз цих результатів показує, що тиск по поверхні елементу БДК, створюване в камері просочення установки УІГ-1, практично однорідне (з погрішністю не більше 10%). Варіація погонної кількості розрядних проміжків в напрямку їх зменшення приводила до неприпустимої неоднорідності розподілу тиску.

Таким чином, вперше встановлено, що дослідження процесу просочення зразків елементів БДК, результати яких будуть приведені далі, проводились при середньому максимальному значенні імпульсу тиску 60 МПа, а неоднорідність тиску вздовж поверхні елементу БДК не перебільшує 10%, що цілком відповідає необхідним вимогам.

Експериментальні дослідження процесу глибокого просочення деревини імпульсним методом проведені за допомогою електрогідравлічної установки УІГ-1. Як досліджувані зразки використовувалися бруски з заболоні сосни з розмірами 30х 60х 1000 мм. Було відібрано 80 брусків, що мають однакові структуру і вагу (з допуском 10 грамів) при варіації вологості не більше 5%. Використано метод визначення вологості електровологометром, відповідно до вимог ГОСТ 16588-91 (ІСО 4470-81). Просочувальний склад являв собою 20% водний розчин антипірену ВАНН-1 (ТУ 2332-001-20510370-94), приготовлений з дотриманням рекомендацій розроблювача. Для візуального спостереження за результатами просочення в розчин додавалася барвна речовина. Температура розчину контролювалася термометром з погрішністю 0,5о С.

В процесі досліджень вирішувались наступні задачі:

перевірка достовірності гіпотези щодо реалізації щільного просочування порового простору поверхневого шару елементу БДК;

визначення глибини просочення і маси поглиненого розчину антипірену в залежності від числа імпульсів тиску при варіації значень передпросочуваної вологості елементу БДК і температури антипірену;

дослідження адекватності математичної моделі процесу просочення шляхом зіставлення отриманих експериментальних даних з результатами розрахункової оцінки.

дослідження ізотропності властивостей дерев'яної конструкції при імпульсному просоченні.

- Описана методика експериментів, зв'язаних з дослідженням ефективності процесу глибокого просочення.

Результати вимірів маси поглиненого БДК розчину антипірену ВАНН-1 у залежності від числа імпульсів тиску при різних передпросочуваних вологостях, представлені на рис.4. В експериментах середньостатистичне значення щільності зразків із сосни при вологості 20% складало 0,59 г/см 3, пористість прийнята рівної 0,45, а щільність насиченого розчину антипірену ВАНН-1 при температурі 200 С була 1,09 г/см 3.

Кореляція поглиненої маси та глибини просочення елементу БДК представлено на рис.5. Співвідношення цих кривих свідчить про наявність щільного, тобто більш ніж 85% порового простору, просочення поверхневого шару елементу БДК.

Таким чином, гіпотеза про формування поверхневого шару (глибиною до 10 мм), що має максимально щільне заповнення антипіреном порового простору, повністю підтверджена.

Рис. 4 - Залежність маси (М) поглиненого елементом БДК розчину антипірену ВАНН-1 від числа (N) імпульсів тиску при варіації передпросочуваної вологості () 1 - П=30%; 2 - П=20%; 3 - П=10%; 4 - розрахункова крива, теоретична межа.



Рис.5. Кореляція поглиненої маси та глибини просочення елементу БДК (перед просочувальна вологість 10%) 1 - експериментальна крива; 2 - найбільш можливі значення М при П=10%.

У рамках даної роботи визначення вогнезахисних властивостей зразків елементів БДК, просочених імпульсним методом, проведено на атестованому устаткуванні УкрНДІПБ МВС України відповідно до вимог ГОСТ 12.1.044-89 методом "керамічної труби". Випробуванням були піддані чотири групи зразків стандартизованого розміру (30х 60х 150 мм 3), вирізаних з центральної частини елементів БДК, що просочені за різних умов.

Група А та Г просочені антипіреном ВАНН-1 в наслідок дії 25 та 10 імпульсів тиску, відповідно. Група Б просочена антипіреном складу ДСА-1 за рахунок дії 25 імпульсів, з наступною поверхневою обробкою 2% розчином препарату "Гембар" (ТУ В 21643506.001-97). Группа В просочена складом МС 1:1 дією 40 імпульсів.

Під час проведення досліджень фіксувалися: максимальний приріст температури газоподібних продуктів горіння (ДТ) і втрата маси зразка (ДМ). Маса зразків визначалася за допомогою лабораторних ваг АДВ-200 2 класу точності за ГОСТ 8.520-84. Середньоарифметичні значення цих параметрів для кожної з груп склали:

- група А: ДТ = 8,30 С; ДМ = 5,8%;

- група Б: ДТ = 10 С; ДМ = 4,2%.

- група В: ДТ = 11,20 С; ДМ = 9,4%.

- група Г: ДТ = 15,60 С; ДМ = 12,8%;

Відповідно до ГОСТ 12.1.044-89, за результатами досліджень матеріали класифікуються:

важкогорючі - D Т < 600 С и D m < 60 %;

горючі - D Т і 600 С чи D m і 60 %.

Таким чином, отримані значення параметрів, що реєструвалися, показують, що усі групи зразків відносяться до групи "важкогорючі". Слід відзначіти, що група Б має суттеві переваги.

Отримані результаті свідчать, що досліджуваний імпульсний метод глибокого просочення протяжних елементів БДК забезпечує переклад деревини з "легкогорючого" матеріалу, у якісно більш вогнестійкий - "важкогорючий" при глибині просочення 8-10 мм.

Висновки

деревина антипірен вогнезахист будівельний

1. На основі аналізу стану в Україні вогнезахисту елементів будівельних дерев'яних конструкцій, обґрунтоване потрібність у підвищенні ефективності їх вогнезахисту методом глибокого просочення антипіренами. Серед існуючих методів просочення обрано імпульсний метод створення надлишкового тиску, який має суттєві переваги перед іншими методами, насамперед у часі обробки.

2. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дали змогу досягти підвищення вогнезахисних властивостей елементів будівельних дерев'яних конструкцій просоченням антипіренами імпульсним методом, за рахунок формування поверхневого шару з щільним заповненням порового простору деревини.

3. Розроблена універсальна математична модель процесу імпульсного просочування елементів БДК, яка побудована на системі двомірних рівнянь просочення рідини та газу у пористе середовище та реалізована чисельним методом у виді прикладної програми для РС, що дозволяє оцінювати кількість імпульсів тиску для забезпечення заданої глибини просочення або поглиненої маси антипірену для будь-якої породи деревини та розмірів елементу БДК. На основі цієї моделі для елементів БДК з сосни, як найбільш поширеного на практиці матеріалу, встановлено, що:

глибина просочення та питома маса антипірену істотно залежать від значення діючого на поверхню елемента БДК тиску. Процес просочення доцільний якщо амплітуда імпульсів тиску перевищує 40 МПа;

рух границі рідині, що просочує, зменшується в міру збільшення порядкового числа імпульсу тиску, та має межу, величина якої визначається розмірами перетину БДК і значенням передпрсочуваної вологості. Показано, що для елементів БДК, з перетином менш ніж 60х 60 мм 2, регламентовані стандартами вимоги величини поглиненої маси недосяжні.

щільності заповнення порового простору уздовж товщини елементу БДК на глибину до 10 мм, має високий рівень (>85%). Навпаки, при традиційних технологіях, на такий глибині щільність заповнення становить не більш ніж 40%.

4. На основі математичної моделі просторового розподілу амплітудно-часових параметрів поля тиску, формованого багатозазорним розрядником, визначено оптимальне співвідношення геометричних розмірів, що забезпечує створення однорідного поля тисків по довжині елементу БДК. Оптимальне число розрядних проміжків на погонний метр елемента БДК, що просочується, залежить від значень h і знаходиться в діапазоні від 12 до 18. При h=40 мм, оптимальне число розрядних проміжків складає 15 на погонний метр.

5. Розроблена експериментальна електрогідравлічна установка УІГ-1, яка забезпечує розвиток лінійного каналу розряду довжиною до 2 м, в наслідок чого у камері просочення створюється квазірівномірний (похибка менш ніж 15%) імпульсний тиск з амплітудою біля 60 МПа. Установка УІГ-1 дозволила провести запланований комплекс експериментальних досліджень, результати яких свідчать, що:

значення передпросочуваної вологості істотно впливає на кількість поглиненого розчину антипірену. Так, при вологості 10% у зразок елементу БДК після дії 25 імпульсів тиску увійшло 0,56 кг/м, а при 30% - тільки 0,38 кг/м. Отримані експериментальні результати добре (с похибкою менш ніж 15%) збігаються з теоретичною оцінкою. Це дозволяє визнати адекватною розроблену математичну модель;

існує поверхневий шар елементу БДК глибиною до 10 мм, поровий простір якого щільно, тобто більш ніж на 85%, просочений антипіреном. Цій ефект пояснюється впливом компресії повітря у внутрішньому просторі елементу БДК на рух антипірену при імпульсному тиску.

не спостерігається істотного збільшення маси поглиненого розчину антипірену при зміні його температури в діапазоні 20 - 900 С. Причина настільки слабкої температурної залежності полягає в тому, що в'язкість смолистих речовин, що знаходяться в поровому просторі хвойних порід деревини, не перетерплює істотної зміни в зазначеному діапазоні температур.

6. Проведені вогневі випробування просочених імпульсним методом зразків елементів БДК цілком підтвердили, що досліджуваний метод забезпечує переклад деревини з "легкогорючого" матеріалу у якісно більш вогнестійкий - "важкогорючий" при глибині просочення 8-10 мм. Доведено, що сумісне використання просочення та поверхневого нанесення полімерного антисептику "Гембар", сприяє додатковому підвищенню вогнезахисних властивостей елементу БДК.

7. На засаді проведених досліджень отримані рекомендації щодо оптимальних погоних параметрів обладнання та режиму роботи технологічної установки по глибокому просоченню елементів будівельних дерев'яних конструкцій антипіренами, а саме: накопичена електрична енергія - 5 кДж; робоча напруга - 25 кВ; тривалість імпульсу струму 40 мкс; кількість розрядних проміжків -15.

8. Експериментальний зразок установки застосовано у Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті "Молнія" (м. Харків). На цій установці проведена вогнезахисна обробка елементів будівельних дерев'яних конструкцій опор енергетичного обладнання експериментальної бази (с.м.т. Андріївка, Балакліївський район).

9. Практична реалізація способу імпульсного глибокого просочення елементів будівельних дерев'яних конструкцій антипіренами дозволяє: істотно знизити тимчасові (більш ніж у 5 разів) й економічні (більш ніж у 2 рази) витрати на обробку елементів цих конструкцій і забезпечити більш високе в порівнянні з традиційними методами якість їхнього просочення; забезпечити глибоке просочення елементів БДК з будь-якої породи деревини, та майже усіх існуючих розмірів; застосувати розроблений спосіб просочення на області обробки будівельних дерев'яних конструкцій антисептиками, а також іншими просочувальними матеріалами.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Экспериментальная установка для исследования процессов глубокой пропитки древесины огнезащитными средствами с использованием электрогидравлического эффекта// Кравченко В.И., Бруев Н.А., Немченко Ю.С., Саенко А.И./ Проблемы пожарной безопасности. -ХИПБ, 1999.-Спец. Выпуск.-С.62-65.

2. Бруев Н.А., Кравченко В.И., Князев В.В. Математическая модель процесса импульсной пропитки протяженных деревянных конструкций // Радиоэлектроника и информатика. № 4, 1999.-С.133-135.

3. Бруев Н.А. Современные способы огнезащиты строительных деревянных конструкций. / Науковий вiсник будiвництва, вип. 9., Харкiв: ХДТУБтаА, ХОТВ Академii БУ, 2000.- С. 124-126.

4. Бруев Н.А. Оптимизация параметров политронов для гидродинамических камер импульсной пропитки древесины // Вестник Харьковского государственного политехнического университета.. Электроэнергетика и преобразовательная техника.- Харьков: ХГПУ, 2000.- Вып. 92.- С.138-144.

5. Бруев Н.А., Кравченко В.И., Князев В.В. Результаты экспериментальных исследований пропитки элементов протяженных конструкций водным раствором антипирена // Проблемы пожарной безопасности. -Х.: ХИПБ, 2000.-вып. 8.- С.168-172.

Размещено на Allbest.ru