бесплатно по России 8 800 700-14-31

Снижение пожарной опасности деревянных строительных конструкций

14.11.2012

Снижение пожарной опасности деревянных строительных конструкций

Повышение предела огнестойкости деревянных конструкций способом глубокой пропитки древесины огнебиозащитным составом КСД-А (марка 1)

В данной статье приведены результаты исследований эффективности огнебиозащитного состава КСД-А (марка 1) для глубокой пропитки древесины в автоклаве и методом горячехолодных ванн. Показано, что эффективность состава непосредственно зависит от давления, температуры и продолжительности пропитки древесных материалов. Установлены оптимальные режимы пропитки древесины для достижения наибольшей эффективности в снижении пожарной опасности деревянных строительных конструкций.

Введение

Одним из наиболее применяемых видов огнезащитной обработки древесины является ее пропитка антипиренами. Эффективность огнезащитного состава зависит от многочисленных факторов, в том числе от способа его нанесения.

Различают следующие основные технологические способы обработки древесины антипиренам:

  • Пропитка без внешнего давления (диффузионная, поверхностная пропитка);
  • Пропитка вымачиванием (замачивание древесины в растворе антипирена и метод горячехолодных ванн);
  • Пропитка под внешним давлением (пропитка с торца и пропитка в автоклавах).

В настоящее время широкое распространение получил способ поверхностной пропитки древесины антипиренами, однако надежную огнезащиту получить данным способом достаточно сложно, что во многом обусловлено слабым проникновением пропиточного раствора в древесину. Проникновение антипирена в структуру древесного материала определяется многими факторами, такими как влажность древесины, пропитываемая часть древесины (ядро, заболонь), особенности строения, разновидность древесины и т.д. Относительно легко пропитываются безъядровые лиственные породы: береза, бук, клен, ольха, а также заболонь ядровых лиственных и хвойных пород древесины. Трудно пропитываются спелодревесные хвойные породы: ель, пихта, а также ядро хвойных и лиственных пород — сосны, лиственницы, дуба, ясеня и др. В этом плане, несомненно, приоритетными способами обработки древесины представляются пропитка в горячехолодных ваннах и глубокая пропитка а автоклаве.

Способ горячехолодных ванн получил широкое промышленное применение в качестве основного способа пропитки строительных деталей на ряде крупных деревообрабатывающих комбинатов. Данный способ оказался весьма рациональным при различных масштабах пропитки (от 5 до 30тыс. м3 древесины в год) в тех случаях, когда требуется хорошо пропитать различные количества древесины на месте строительства, не транспортируя ее на деревопропиточные заводы. Сущность способа горячехолодных ванн состоит в том, что древесина сначала выдерживается определенное время в ванне в горячем (80-95 оС) растворе антипирена, а затем — в менее нагретом, «холодном» (35-45 оС). В горячей ванне воздух в полостях клеток древесины нагревается, расширяется и частично выходит наружу. После помещения древесины в холодную ванну оставшаяся в клетках паровоздушная смесь охлаждается и сокращается в объеме. В результате в клетках древесины образуется некоторый вакуум (полости), обеспечивающий подсос туда раствора. Важнейшим условием, определяющим правильность применения этого способа пропитки, является отсутствие соприкосновения нагретой древесины с воздухом при смене ванн. По глубине пропитки и степени поглощения растворов этот способ приближается к пропитке под давлением.

При использовании автоклавной пропитки под давлением наблюдается глубокое и равномерное проникновение и сравнительно высокое поглощение антипирена, что обеспечивает более эффективную защиту древесины.

Различают два основных способа пропитки древесины в автоклаве: способ полного поглощения т способ ограниченного поглощения. Способ ограниченного поглощения, как правило, используется для пропитки древесины масляными растворами. В случае применения водорастворимых антипиренов широко распространен способ полного поглощения, который заключается в том, что древесину загружают в автоклав, а затем удаляют из него воздух, создавая разрежение. После этого в автоклав подается пропиточный раствор и создается давление в диапазоне от 0,9 до 1,5 МПа, что способствует более глубокому проникновению огнезащитного состава в структуру древесины.

Эффективность применения способов глубокой пропитки антипиренами для огнезащиты деревянных конструкций во многом обусловлена правильностью выбора технологических режимов пропитки древесины. К сожалению, в настоящее время практически отсутствует информация по выбору оптимальных режимов глубокой пропитки древесины огнезащитными составами, что затрудняет более эффективное применение их для огнезащиты деревянных строительных конструкций.

В настоящей работе была поставлена цель — определить максимально технологичные и экономически эффективные режимы глубокой пропитки огнебиозащитным составом КСД-А (марка 1) с установлением оптимального привеса сухих солей антипиренов, позволяющие обеспечить эффективное снижение пожарной опасности строительных конструкций из древесины.

Объекты и методы исследования

Глубокая пропитка древесины составом КСД-А (марка 1) проводилась с использованием малогабаритного автоклава для обеспечения требуемого режима пропитки древесины (температура и давление) и специальных ванн, оборудованных для горячехолодной пропитки.

Оценку огнезащитной эффективности состава для глубокой пропитки проводили по методу определения эффективности огнезащитных составов и веществ для древесины по ГОСТ Р 53292-2009.

Горючесть огнезащитной древесины предварительно оценивали по методу экспериментального определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3.

Характеристики пожарной опасности древесины, подверженной глубокой пропитке огнезащитным составом, определяли по ГОСТ 30244-94, ГОСТ 30402-96, ГОСТ Р51032-97, ГОСТ 12.1.044-89, п.4.18, 4.20.

Оценку пожарной опасности строительных конструкций из древесины проводили по методу ГОСТ 30403-96, сущность которого заключается в определении показателей пожарной опасности конструкции при ее испытании в условиях теплового воздействия, установленных настоящим стандартом, в течение времени, определяемого требованиями к этой конструкции по огнестойкости.

Результаты исследования и обсуждение

Ранее было установлено, что поверхностная обработка древесины огнебиозащитным составом КСД-А (марка 1) обеспечивает I группу огнезащитной эффективности по ГОСТ Р 53292-2009 с расходом не менее 400 г/м2. Дальнейшее снижение пожарной опасности материалов и конструкций на основе древесины возможно при более глубоком проникновении антипирена в структуру древесины.

В целях выбора оптимального режима глубокой пропитки древесины были исследованы зависимости скорости пропитки и содержания (привеса) сухих солей в древесине от давления в автоклаве, температуры раствора и времени выдержки древесины под давлением. Интересно отметить, что повышение температуры состава до 60 оС и увеличение давления свыше 8 ати практически не повышают эффективности пропитки. Установлено также, что наиболее оптимальным является режим пропитки при комнатной температуре и давлении 7-8 ати без предварительного вакуумирования древесины.

Исследована зависимость привеса сухих солей состава от времени глубокой пропитки древесины в автоклаве. Из результатов можно сделать вывод о том, что при повышении температуры раствора наблюдается незначительное увеличение привеса сухих солей антипирена. Так, при температуре раствора 20 оС, давлении в автоклаве 8 ати и времени пропитки 1,5 ч привес солей антипирена составляет 50 кг/м3, а при повышении температуры раствора до 60 оС происходит увеличение их привеса до 57 кг/м3. В то же время после 4-6 ч пропитки в автоклаве наблюдается увеличение сухого привеса антипирена с 73 до 92 кг/м3.

После проведения глубокой пропитки древесины в автоклаве возможны некоторые потери антипирена за счет стекания раствора, которые необходимо обязательно учитывать для получения достоверной информации по оптимальным режимам глубокой пропитки. Исследована зависимость количества (в литрах) стекающего с 1 м3 древесины состава КСД-А (марка 1) от времени выдержки древесины над сборником автоклава после глубокой пропитки.

Установлено, что основные потери антипирена после глубокой пропитки наблюдается в интервале от 1 до 5 ч в зависимости от способа и режима глубокой пропитки. Таким образом, для значительного снижения потерь огнебиозащитного состава необходима выдержка древесины после пропитки над автоклавом не менее 1 ч для сбора стекающего состава. При пропитке древесины по методу горячехолодных ванн требуется время (0,5 ч) для стекания основного количества раствора по сравнению с другими методами пропитки. Это обусловлено тем, что при этом методе раствор проникает в меньшем количестве и на незначительную глубину по сравнению с пропиткой древесины в автоклаве.

Исследование состава, остающегося в автоклаве после окончания процесса пропитки древесины, показало, что свойства состава (физические, химические, огнезащитные) не претерпевают каких-либо изменений. Следовательно, состав КСД-А (марка 1) может использоваться для многократной пропитки до полного израсходования; при необходимости в него может добавляться свежий состав.

Результаты исследования зависимости потерь массы от привеса сухих солей антипиренов в обработанной древесине показали, что I группа огнезащитной эффективности (потери массы менее 9%) может быть получена уже при содержании сухих солей 20 кг/м3. Привес же сухих солей 40 кг/м3 обеспечивает получение устойчивой I группы огнезащитной эффективности (потери массы менее 7%). При дальнейшем увеличении содержания сухих солей потери массы снижаются менее интенсивно. Так, при увеличении привеса сухих солей от 60 до 100 кг/м3 потери массы изменяются соответственно от 5,5 до 4,0%.

В то же время результаты исследования горючести древесины по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3 свидетельствуют о том, что древесина становится трудногорючим материалом (прирост температуры менее 60 оС) при содержании сухих солей антипиренов свыше 40 кг/м3.
Учитывая характер зависимости горючести от содержания сухих солей, обеспечения устойчивых результатов можно ожидать при перевесе сухих солей от 50 кг/м3 и выше. Установлено, что необходимый привес сухих солей антипиренов (50 кг/м3) обеспечивается глубокой пропиткой древесины в автоклаве при давлении 8 ати и температуре 20 оС за 1,5-2 ч.

При пропитке древесины методом горячехолодных ванн защищаемый материал приобретает свойства трудногорючего при привесе сухих солей не менее 55 кг/м3, однако устойчивый результат можно ожидать при их содержании 60 кг/м3.

Таблица 1

Результаты исследования эффективности огнезащиты древесины при глубокой пропитке составом КСД-А методом горячехолодных ванн: 

Условия пропитки

Сухой привес*, кг/м3

Метод испытаний (стандарт)

Потери массы, %

Прирост температуры, оС

Вывод

 

Горячая ванна:

tраств = 80 оС; τпроп = 8 ч

 

 

60

ГОСТ Р 53292-2009

6,3

I группа огнезащиты

Холодная ванна:

tраств = 20 оС; τпроп = 16 ч

ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3

15,2

Не более 60 оС

Материал трудногорючий

Горячая ванна:

tраств = 70 оС; τпроп = 8 ч

 

 

43

ГОСТ Р 53292-2009

7,2

I группа огнезащиты

Холодная ванна:

tраств = 20 оС; τпроп = 16 ч

ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3

22,6

Более 60 оС

Материал горючий трудновоспламеняемый

Горячая ванна:

tраств = 60 оС; τпроп = 8 ч

 

 

32

ГОСТ Р 53292-2009

8,4

I группа огнезащиты

Холодная ванна:

tраств = 20 оС; τпроп = 16 ч

ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3

28,7

Более 60 оС

Материал горючий трудновоспламеняемый

Горячая ванна:

tраств = 50 оС; τпроп = 8 ч

 

 

12

ГОСТ Р 53292-2009

13,1

II группа огнезащиты

Холодная ванна:

tраств = оС; τпроп = 16 ч

ГОСТ 12.1.044-89. п. 4.3 

34

Более 60 оС

Материал горючий трудновоспламеняемый

В табл. 1 сведены результаты исследования эффективности огнезащиты древесины при глубокой пропитке составом КСД-А (марка 1) методом горячехолодных ванн. По результатам исследования видно, что II группа огнезащитной эффективности достигается при содержании сухих солей 12 кг/м3. При этом древесина приобретает свойства трудновоспламеняемого материала.

При увеличении содержания солей до 30 кг/м3 обеспечивается I группа огнезащитной эффективности, однако материал остается в группе трудновоспламеняемых. При повышении привеса сухих солей антипирена более 40 кг/м3 результат практически не улучшается, и лишь при содержании сухих солей 55-60 кг/м3 древесина переходит в ранг материалов трудногорючих. Увеличение привеса сухих солей антипирена достигалось только повышением температуры раствора в горячей ванне, время пропитки оставалось неизменным. Так, при повышении температуры раствора с 50 до 80 оС значение привеса сухих солей антипирена увеличилось с 12 до 60 кг/м3.

Метод горячехолодных ванн по сравнению с методом глубокой пропитки в автоклаве представляется более трудоемким, поскольку общее время пропитки для достижения трудногорючести древесины по первому методу составляет 24 ч, в то время как при автоклавной пропитке достаточно 1-1,5 ч для получения аналогичного результата. При этом в первом случае необходимо 8 ч поддерживать температуру раствора 80 оС, что также сопряжено с определенными трудностями технологического характера. Несмотря на это трудоемкость пропитки древесины методом горячехолодных ванн, возможно, будет в некоторых случаях компенсироваться отсутствием необходимости применения автоклавов с соответствующими энергозатратами и экономией на транспортных затратах по доставке древесных материалов к месту автоклавной пропитки. В этом случае пропитка древесины по методу горячехолодных ванн будет экономически оправданна.

Представляет большой интерес исследование связи между показателями, характеризующими эффективность огнезащитной обработки по методам ГОСТ Р53292-2009 и ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.3, и практическим снижением пожарной опасности. К сожалению, подобные исследования в настоящее время имеют ограниченный характер. Есть результаты немногочисленных экспериментальных работ, показывающих возможность существенного снижения пожарной опасности как строительных древесных материалов, так и строительных деревянных конструкций при использовании тонкослойных огнезащитных материалов вспучивающегося типа. Влияние пропиточных огнезащитных составов (антипиренов) на пожарную опасность строительных материалов и конструкций из древесины остается практически не изученным. Предварительные исследования эффективности поверхности пропитки древесины антипиренами свидетельствуют о том, что данный способ позволяет лишь незначительно снизить пожарную опасность строительных материалов из древесины. При этом результат огневых испытаний существенно зависит от качества подбора испытуемых образцов.

Для ответа на поставленный вопрос нами были проведены исследования с использованием методов ГОСТ 30244-94, ГОСТ 30402-96, ГОСТ Р51032-97, ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.18, 4.20.

Для экспериментального определения группы горючести огнезащитной древесины по ГОСТ 30244-94 были взяты образцы древесины хвойной породы сосны (Московская обл.) с глубокой пропиткой составом КСД-А (мака 1) и привесом сухих солей 40 кг/м3.

Результаты огневых испытаний представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты огневых испытаний по ГОСТ 30244-94:

 

Номер испытания

Температура дымовых газов,

оС 

Время самостоятельного горения, с 

Степень повреждения,

%

по массе

по длине

1

101

0

6

24

2

91

0

3,6

27

3

95

0

4,5

26

Среднее по трем испытаниям

96

0

4,7

26

Как показывают результаты огневых испытаний, представленные в табл. 2, по всем показателям образцы древесины с глубокой пропиткой можно отнести к слабогорючим материалам (группа материалов Г1).

Характер термических повреждений образцов свидетельствует о способности огнезащитного состава не только эффективно снижать горючесть древесного материала, но и сдерживать распространение пламени по поверхности образца. Данный факт подтверждают данные испытаний по ГОСТ Р 51032-97. Критическая поверхностная плотность теплового потока для древесины с огнезащитой составила более 11 кВт/м2, что позволяет отнести испытанные образцы к материалам, не распространяющим пламя по поверхности (группа материалов РП1).

Необходимо обратить внимание на то, что механизм огнезащитного действия антипиренов также должен быть направлен на снижение или исключение воспламеняемости материала. Как показали испытания, проведенные по ГОСТ 30408-96, древесина с глубокой пропиткой антипиренами относится к трудновоспламеняемым материалам (группа материалов В1) с критической поверхностной плотностью теплового потока не менее 35 кВт/м2.

Анализ поверхностного слоя образца древесины показал, что на поверхности наблюдается образование плотного углистого слоя, препятствующего прогреву образца и выходу летучих продуктов термического разложения. Факт снижения воспламеняемости древесины при использовании глубокой пропитки антипиренами подтверждается незначительным визуальным трещинообразованием в результате воздействия радиационного теплового потока мощностью 35 кВт/м2.

2/кг, а в наиболее опасном режиме тления D = 148 м2/кг. Таким образом, использование глубокой пропитки древесины антипиренами позволяет перевести ее из ранга материалов с высокой дымообразующей способностью (Д3) в ранг материалов с умеренным дымообразованием (Д2). В то же время по токсичности продуктов горения при испытаниях по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.20 древесина сосны с глубокой пропиткой огнезащитным составом остается в группе материалов с высокой токсичностью продуктов горения (материалы группы Т3) с показателем токсичности продуктов горения HCL50 = 21.1 г/м3 по сравнению с древесиной сосны необработанной (HCL50 = 31,4 г/м3). Как видим, наблюдается некоторое увеличение токсической опасности продуктов горения.

Очевидно, что пожарная опасность строительных конструкций будет зависеть от пожароопасных свойств материала, из которого изготовлена эта конструкция. Однако определение пожароопасных свойств древесного материала с огнезащитой не позволяет достоверно оценивать поведение деревянных конструкций и осуществлять прогнозную оценку их пожароопасности. В связи с этим в работе была проведена экспериментальная оценка пожарной опасности элементов деревянных конструкций с глубокой пропиткой огнезащитным составом.

Для оценки пожарной опасности конструкций из древесины с огнезащитой по ГОСТ 30403-96 был изготовлен фрагмент стены размером 1200×2400 мм из половин бревен диаметром 200 мм с глубокой пропиткой составом КСД-А (марка 1). До испытания элементы из древесины, пропитанные составом, прошли сушку в естественных условиях не менее 20 суток. Скрепление половин бревен в образце осуществлялось шурупами 6×130 мм с необогреваемой стороны. Продолжительность теплового воздействия была принята равной 15 мин.

Как показали результаты огневых испытаний, наличия тепловых эффектов по сравнению с верхними допустимыми границами температурных режимов не зафиксировано.

Одним из основных показателей, определяющих пожароопасность строительных конструкций, является размер повреждения образца (в сантиметрах) в плоскости конструкции от границы контрольной зоны, перпендикулярно к ней, до наиболее удаленной точки повреждения образца в контрольной зоне. При этом повреждением считается обугливание, оплавление и выгорание материалов, из которых изготовлена конструкция, на глубину более 0,2 см. Для антипиренов, работающих по механизму каталитической дегидратации, этот показатель может оказаться решающим, поскольку при инициации прогресса обугливания для усиления огнезащитного эффекта наблюдается образование защитной карбонизованной зоны, которая будет расцениваться как участок выгорания элемента конструкции. Необходимо констатировать тот факт, что механизм многих эффективных антипиренов может сопровождаться увеличением скорости обугливания древесины. Несомненно, это необходимо учитывать при рассмотрении пожарной опасности и огнестойкости, и прежде всего несущих деревянных конструкций, поскольку процесс обугливания является определяющим при наступлении потери несущей способности конструкций из древесины. В меньшей степени показатели обугливания должны фигурировать при оценке пожарной опасности ограждающих деревянных конструкций, поскольку в этом случае на первый план выступают показатели пожарной опасности материала и наличие тепловых эффектов при огневом испытании.

В случае испытания образца конструкции из древесины с глубокой пропиткой составом КСД-А (марка 1) наличие пламенного горения образца на наблюдалось. Повреждение (обугливание) в контрольной зоне образца составило 2-4 мм на длине 270 мм без наличия теплового эффекта. Характер термических повреждений, характеризующийся незначительным обугливанием, свидетельствует в большей степени о проявлении механизма огнезащитного действия состава, чем о выгорании поверхностного слоя испытуемого образца.
По результатам огневых испытаний конструкция фрагмента стены размером 1200×2400 мм из половин бревен диаметром 200 мм с глубокой пропиткой составом КСД-А (марка 1) была отнесена к классу пожарной опасности К1 при времени теплового воздействия 15 мин.

Заключение

Таким образом, результаты исследований показали, что получение трудногорючей (по ГОСТ 12.1.044-89, п.4.3) и слабогорючей (Г1 по ГОСТ 30244-94) древесины в условиях глубокой пропитки в автоклаве составом КСД-А (марка 1), а также достижение класса пожарной опасности конструкции из древесины К1 гарантировано обеспечиваются при привесе сухих солей антипиренов не менее 40 кг/м3. Максимально экономичный режим глубокой пропитки древесины составом КСД-А, обеспечивающий привес сухих солей не менее 40 кг/м3, следующий: P = 8 ати, t = 20 оC, τ = 1,5÷2 ч без предварительного вакуумирования древесины. Расход состава КСД-А (марка 1) с учетом потерь при условии выдержки пропитанной древесины над автоклавом не менее 1 ч составляет около 300 л/м3.

Другие публикации

Противопожарные двери на современном рынке огнезащиты
Противопожарные двери на современном рынке огнезащиты
Установка противопожарных ворот и дверей в зданиях и помещениях
Применение специальных дверных конструкций входит в ряд конструктивных и планировочных мероприятий пожарной...