Возгорание древесины и защита
Горение представляет собой процесс термического разложения древесины, состоящий из пламенной фазы и тления, при котором происходит движение кислорода в толщу древесины.
Горение может происходить только в том случае, когда имеется достаточный приток кислорода, а сама теплота сгорания не рассеивается, а идет на прогрев новых смежных
участков древесины до температуры воспламенения. Температура воспламенения, т. е. момент вспышки горючих газов для различных пород древесины колеблется в сравнительно небольших пределах - от 250 до 300°. Длительный нагрев древесины при температуре 120-150° сопровождается медленным и постепенным обугливанием, с образованием при этом самовоспламеняющегося на воздухе угля, весьма опасного для незащищенных деревянных элементов.
Воспламеняемость древесины связана с ее объемным весом, влажностью, мощностью внешнего источника нагрева, формой сечения деревянного элемента, скоростью воздушного потока (тяги), положением элемента в тепловом потоке (горизонтальное, вертикальное) и т, п. Решающее значение для процесса горения имеет калорийность материала. Сухая и легкая древесина воспламеняется быстрее, чем плотная (дуб и т. п.). Мокрая древесина труднее воспламеняется, так как до воспламенения необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. Круглые и массивные элементы горят хуже, чем с прямоугольным профилем и с малым сечением, с острыми ребрами и относительно развитой боковой поверхностью. Не струганная поверхность элементов, подобная рыхлой древесине, воспламеняется быстрее, чем гладкая.
Хорошие результаты дает пропитка древесины в горячих и холодных ваннах. Для такой пропитки применяется аммофос- белый кристаллический порошок, представляющий собой аммониальные соли фосфорной кислоты, сернокислый аммоний (технический), диаммонийсфат (технический), не вызывающие коррозии стали.
Для получения раствора, обладающего одновременно огнезащитными и антисептическими свойствами, в состав добавляется фтористый натрий.
Более простым, но менее эффективным средством огнезащиты деревянных элементов является поверхностная их пропитка путем погружения на 2-3 часа в водный раствор солей (фосфорнокислый, сернокислый аммоний и т. п.) или поверхностная двух трех кратная обработка (краскопультом или кистью) водными огнезащитными растворами того же состава. При этом раствор проникает на глубину 1 - 1,5 мм.
Наконец, еще одним и также простым средством является окраска поверхностей деревянных элементов специальными огнезащитными силикатными и другими красками или обмазка огнезащитным составом (суперфосфатом и др.).
Все огнезащитные окраски и обмазки частично задерживают возгорание. При высоких температурах древесина под покровом краски или обмазки подвергается сухой перегонке, с выделением продуктов разложения - горючих газов, выходящих наружу, с последующим выпучиванием и разрывом покрова. При этом горение газовых струй происходит в значительном отдалении от поверхности древесины при уменьшенном подогревающем действии пламени и замедленной скорости и распаде древесины. Огнезащитное действие окраски и обмазки объясняется также теплоизолирующим действием их покрова, который у некоторых красок способен при действии высоких температур значительно увеличиваться в объеме, образуя пену или пузыри, отдаляющие начало сухой перегонки дерева.
Полуфабрикаты и строительные изделия
Полуфабрикаты и строительные изделия изготовляют из хвойных и лиственных пород с влажностью не выше 12% для чистого пола и 15% -для других деталей.
В зависимости от вида обработки к этой группе материалов из древесины относят: строганные бруски, строганные и шпунтовые доски для настила чистых полов, паркет, фанеру, профильные материалы - плинтусы, галтели, перильные поручни, наличники и др.
Шпунтовые доски в отличие от обычной обрезной доски имеют с одной стороны кромки шпунт (выемку), а с другой - гребень, входящий в шпунт соседней доски. Шпунт и гребень, с помощью которых доски плотно подгоняют, могут иметь различную форму - прямоугольную, треугольную, трапецеидальную и сегментную. Шпунтованные доски используют для настилки пола, устройства перегородок и других работ.
Профильные материалы - плинтусы и галтели - используют для заделки углов между стеной и полом, поручни - для устройства лестничных перил и наличники - для обшивки оконных и дверных проемов.
Паркет выпускают в виде паркетных досок, наборного и штучного паркета с влажностью древесины 8±2%. Паркетные доски состоят из двух слоев: верхнего - лицевого покрытия из паркетных планок толщиной 6-8 мм и нижнего - в виде реечного основания толщиной 18-19 мм. Планки паркета изготовляют из высококачественной древесины: дуба, бука, ясеня, сосны, лиственницы, клена, вяза и некоторых других пород.
Основанием для паркетных досок служит древесина различных пород дерева, в том числе кедра, сосны, ели, пихты, а также обработанная антисептиками древесина березы, ольхи, осины и т. п. Планки лицевого слоя паркетных досок склеивают с основанием водостойкими синтетическими клеями. Паркетные доски имеют с одной стороны кромки - паз, а с другой - гребень для плотного соединения при укладке досок в паркетный пол. Они имеют следующие преимущества по сравнению со штучным паркетом: меньший расход древесины ценных пород, более прочная наклейка паркетных планок, более высокая степень механизации производства и более высокая скорость настилки пола.
Наборный паркет представляет собой набор паркетных планок (13 твердых пород дерева: дуб, бук и др., наклеенных лицевой стороной на бумагу в определенном порядке). После укладки наборного паркета на подготовленное основание пола бумагу вместе с клеем снимают и соответствующим образом отделывают паркетный пол.
Штучный паркет состоит из планок твердых пород дерева определенного размера и формы.
Фанера - листы, получаемые склеиванием трех или более тонких слоев древесного шпона со взаимно перпендикулярным расположением волокон древесины. Фанерный шпон изготовляют на специальных лущильных станках путем срезания слоя древесины в виде непрерывной широкой ленты с последующим раскроем ее на форматные листы. Фанера бывает обычной (клееной), декоративной и бакелизированной. В зависимости от вида применяемого клея различают клееную фанеру марки ФСФ, обладающую повышенной водостойкостью - склеенную водостойкими фенолформальдегидными клеями; средней водостойкости марки ФК и ФБК - склеенную карбамидными или альбуминоказеиновыми клеями; ограниченной водостойкости марки ФБ - склеенную белковыми клеями. Для получения клееных видов фанеры широко используют древесину сосны, ели, пихты, ольхи, дуба, березы и бука.
Изготовление клееной фанеры состоит в основном из следующих технологических операций: пропаривания деревянных кряжей в горячей воде и лущения их для получения шпона, раскроя шпона на листы заданного формата, сушки и промазки клеем, укладки слоев шпона и прессования на горячих прессах в фанеру, выравнивания кромок фанеры путем обрезки, сушки и складирования. Клееную фанеру выпускают размерами 725X1230 мм при толщине от 1,5 до 12 мм. Клееная фанера, получаемая на основе синтетических клеев, достаточно водостойка, долговечна и широко применяется для обшивки наружных стен, кровельных работ, изготовления несущих и ограждающих конструкций (фанера ФСФ); для устройства внутренних перегородок в заводском домостроении и обшивки стен внутри помещений (фанера ФБ) и т. п.
Древесина сегодня по-прежнему остается одним из востребованных строительных материалов. Но при легкости обработки, прочности, относительно небольшой массе материала, прекрасных влагозащитных, теплозащитных и экологических качествах древесина, являясь материалом органического происхождения, нуждается в дополнительной защите от огня и биологической среды, что обеспечивают огнезащитные материалы. Сегодня защита древесины обеспечивается многочисленными средствами, которые позволяют не только продлить срок службы конструкций из дерева, сохранить их внешний вид, но и во многом повышают безопасности их использования.
Свойства древесины с точки зрения воздействия огня.
Древесина в воздушно-сухом состоянии относится к сгораемым материалам - она воспламеняется и распространяет огонь. Однако из-за того, что при горении на поверхности древесины образуется уголь, горящий медленнее и с теплопроводностью в 4 раза ниже, чем у самой древесины, скорость потери рабочего сечения деревянной конструкции (ДК) не превышает 0,8 мм в минуту. Поэтому ДК противостоят обрушению при пожаре в течение более продолжительного времени, чем стальные, которые могут не выдержать нагрузок из-за снижения прочности при нагревании. Наряду с этим огнестойкость стальных конструкций падает и из-за того, что при нагревании они сильно удлиняются. Так, если нагреть стальную балку длиной 15 м до 500°С, то она удлиняется на 90 мм, что приводит к возникновению разрушающих напряжений в конструкциях здания. Древесина при нагревании деформируется в 3-4 раза меньше.
Воспламенение древесины от открытого огня может происходить при температуре около 210°С и сопровождается повышением температуры.
При отсутствии открытого источника теплоты (пламени, искр) воспламенение может произойти при быстром (1-2 минуты) нагревании древесины до температуры свыше 330°С. При длительном воздействии теплоты температура воспламенения древесины снижается до 150-170°С. Это обстоятельство необходимо учитывать при размещении деревянных конструкций вблизи нагревающихся предметов (отопительных приборов, дымоходов). В этих случаях требуется обеспечить такие условия контакта древесины с ними, чтобы установившаяся температура ее не превышала 150°С.
Основным условием для продолжения и развития самостоятельного горения зажженного деревянного изделия является превышение количества теплоты, аккумулированной поверхностными слоями его, над количеством теплоты, отдаваемой в пространство. Другими словами, для поддержания и распространения горения необходимо, чтобы температура соседних участков конструкций поддерживалась выше точки воспламенения древесины.
Процесс горения древесины
– это изотермический процесс, который сопровождается выделением тепла. Чтобы дерево загорелось, сначала его нужно нагреть до температуры воспламенения.
Разогрев
- это нагрев участка древесины от наружного источника тепла до температуры воспламенения. Источником тепла может послужить поднесенная спичка, соседний горящий участок полена или щепки, либо что-что еще, способное греть и нагревать до требуемой температуры.
Когда температура прогреваемого участка достигнет 120-150°С - начинается очень медленное и постепенное обугливание дерева, с образованием самовоспламеняющегося угля. При достижении температуры 250-350°С, начинается активное термическое разложение древесины на составляющие. На поверхности дерева появляется видимый обугливающийся слой, который начинает тлеть (гореть без пламени).
При этом из обуглившегося слоя начинает выделяться белый (бурый) дым. Самого процесса горения еще нет. Если прекратить нагрев, то возгорания не наступит. Наличие дыма говорит лишь том, что поверхность древесины уже достаточно прогрелась и началось ее термическое разложение на газообразные составляющие. Белый дым - это не что иное, как продукты термического разложения древесины, сдобреные приличной порцией водяного пара.
Вспышка пиролизных газов.
При дальнейшем разогреве и повышении температуры, термическое разложение древесины на газообразные составляющие будет усиливаться. Процесс термического разложения (пиролиз) пойдет вглубь древесной массы. Концентрация пиролизных газов в зоне разогрева достигнет критической отметки и произойдет их возгорание (вспышка). Вспышка состоится на границе с кромкой белого дыма и распространится на весь его объем. Возникнет светло-жёлтое пламя. Температура зоны разогрева может резко увеличиться за счет теплоты от сгорания пиролизных газов.
Температура вспышки горючих пиролизных газов находится в пределах 250-300°С. Это температура, при которой становится теоретически возможным процесс воспламенения и горения самой древесины.
Воспламенение.
Если и дальше продолжать разогревать древесину, то наступит ее воспламенение. Это начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника, приводит к резкому ускорению термохимической реакции. Практика показывает, что в естественных условиях воспламенение древесины наблюдается при температуре от 450 до 620°С.
Воспламеняемость древесины связана с ее объемным весом, влажностью, мощностью внешнего источника нагрева, формой сечения деревянного элемента, скоростью воздушного потока (тяги), положением элемента в тепловом потоке (горизонтальное, вертикальное) и т, п.
Решающее значение для процесса горения имеет плотность материала. Легкая, пористая древесина ольхи или тополя воспламеняется быстрее, чем плотная (дуб и т. п.). Мокрая древесина труднее воспламеняется, так как до воспламенения необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. Круглые и массивные элементы горят хуже, чем с прямоугольным профилем и с малым сечением, с острыми ребрами относительно развитой боковой поверхностью. Не струганная поверхность элементов, подобная рыхлой древесине, воспламеняется быстрее, чем гладкая.
Принципиально важным и непременным условием для воспламенения и горения любого вещества является достаточный приток кислорода и концентрация теплоты горения, которая не рассеивается, а идет на прогрев новых смежных участков топлива до температуры воспламенения.
Горение древесины.
Если упомянутое выше условие соблюдается, то возникшее при вспышке пламя уже не затухает, а охватывает всю обугленную часть древесины. Это означает, что древесина воспламенилась, и процесс воспламенения перешел в процесс горения. Полено (щепка), если его извлечь из очага, будет гореть на воздухе самостоятельно.
В свою очередь, горение дерева состоит из двух фаз - пламенной фазы и фазы тления.
В режиме тления доминирующим процессом является горение твёрдых продуктов пиролиза (углей). При этом, пиролизные газы выделяются медленно и не могут воспламениться из-за малой своей концентрации. Газообразные продукты охлаждаются, конденсируются и дают обильный белый дым. При горении в режиме тления происходит движение воздуха в толщу горящей древесины
В режиме пламенного горения ведущим процессом является горение газообразных продуктов пиролиза., которое характеризуется движением горячих газов наружу.
Обе фазы горения неразрывно взаимосвязаны и будут продолжаться до тех пор, пока в зоне горения будут соблюдаться три условия: наличие топлива, наличие кислорода и концентрация необходимой температуры.
Затухание древесины.
Если одно из этих условий не соблюдается, то пламя затухает и весь процесс воспламенения и горения, либо прекращается, либо, в точности повторяется с самого начала, в зависимости от стабильности наружного источника тепла.
Принципиально горение ТГМ аналогичногорению газов и жидкостей и представляет собой гомогенный, диффузионный процесс превращения горючих веществ в продукты горения с выделением тепла и света. В основе горения лежит окислительно-восстановительная реакция.
В горении жидкостей и ТГМ есть дополнительное сходство: необходимость подготовки вещества к горению (испарение, плавление, разложение) и выделение горючих паров; воспламенение происходит при достижении концентрации горючих паров и газов НКПРП.
Возникновение горения ТГМ рассмотрим на примере древесины, являющейся одним из наиболее широко применяемых твердых горючих строительных материалов. Можно выделить следующие стадии воспламенения и горения древесины:
1) нагрев влажного вещества (температура древесины – до 50 0 С);
2) сушка древесины (удаление физически связанной воды) – температура до 120-150 0 С. Первые две стадии являются наиболее длительными и занимают порядка 55 % от общей продолжительности воспламенения. Необходимо добавить, что на этих стадиях ещё не происходит разрушения вещества;
3) удаление внутрикапиллярной и химически связанной воды – температура 150-180 0 С. На этой же стадии происходит разложение наименее стойких компонентов древесины (луминовых кислот). Выделяются в основном негорючие газы и пары – СО 2 и Н 2 О, но имеется сравнительно небольшое количество горючих газов и паров, например монооксида углерода СО.
Для того чтобы обосновать его появление, напомним, что различают две стадии горения углерода. На первой стадии углерод окисляется до монооксида углерода: С + 0,5О 2 = СО. Поэтому в продуктах горения всегда присутствует токсичный и пожаровзрывоопасный газ – СО (угарный газ). В связи с тем, что в продуктах разложения имеется некоторое количество горючих газов и паров, на этой стадии имеется возможность самовозгорания древесины.
4) Нагрев сухого материала и термическое разложение (пиролиз) древесины:
· начало пиролиза (температура 180-250 0 С). Древесина при этой температуре превращается преимущественно в уголь(60-70 %). Паров и газов выделяется, в целом, немного, большинство из них негорючие – диоксид углерода СО 2 , пары воды Н 2 О, а также незначительное количество оксида углерода СО, метана СН 4 и др. С ростом температуры количество горючих газов и паров увеличивается. К концу этой стадии ГПВС готова к воспламенению от источника зажигания. Так, температура воспламенения сосновой древесины 255 0 С, дубовой – 238 0 С. Отметим, что с измельчением вещества температура его воспламенения уменьшается (например, температура воспламенения сосновых опилок – 196 0 С) при отсутствии ИЗ воспламенение паров не произойдет, и лишь при дальнейшем нагревании, при более высоких температурах (370-400 0 С), произойдет их самовоспламенение;
· интенсивное разложение древесины (температура 280-400 0 С). На этой стадии целлюлоза превращается в основном в газообразные горючие продукты и выделяется основное количество горючих газов – порядка 40 % от их общего количества. Помимо перечисленных газов, выделяются водород Н 2 , этилен С 2 Н 4 . Кроме них можно отметить пары спиртов, альдегидов, эфиров, кетонов и т. д. В целом, насчитывается более 350 наименований продуктов термического разложения и горения древесины.
Подчеркнём тот факт, что при разложении древесины возможны два пути: а) при температурах 180-250 0 С она превращается, в основном, в уголь; б) при температурах 280-400 0 С выделяются преимущественно летучие продукты. Это имеет большое значение при огнезащитедревесины. Знание факторов, влияющих на скорость горения, позволяет ею управлять.
5) Прекращение выхода летучих соединений и начало горения углеродистого остатка – древесного угля (температура 500-600 0 С). Углеродистый остаток образуется на предыдущих стадиях, однако его горению препятствует то, что кислород воздуха не проникает к нему, поскольку сгорает в зоне пламенных реакций. При температуре выше 500 0 С выход «летучих» практически прекращается и кислород получает доступ к поверхности углеродистого остатка (угля). С этого момента происходит одновременное гетерогенное горение (тление) угля и гомогенное горение продуктов разложения, продолжающих выходить через трещины из нижележащих слоев древесины. Толщина угля колеблется в пределах 2,5 см. Когда все слои древесины превращаются в уголь, выход газообразных продуктов разложения прекращается, а продолжается только горение угля.
Аналогично древесине протекает термическое разложение каменного угля, торфа и ряда других материалов. Однако в каждом случае имеют место свои особенности. Так, у торфа общее количество летучих веществ меньше и выход их начинается при более низких температурах, чем у древесины (см. рис. 5.6). Каменный уголь состоит из более термостойких компонентов, чем древесина, поэтому его разложение протекает при более высоких температурах и менее интенсивно.
Рис. 5.6. Зависимость относительного выхода летучих продуктов пиролиза твердых веществ от температуры 1 – древесина; 2 – торф; 3 – каменный уголь
Известно, что древесина как строительный материал обладает многочисленными достоинствами. Однако она является горючей легковоспламеняемой. Чтобы снизить горючесть древесины используют многочисленные методы (средства) огнезащиты.
