Глава 6. ОГНЕЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ

На протяжении истории человечества древесина играла важную роль в развитии промышленности, архитектуры, создании новых конструкций и оборудования. В настоящее время, несмотря на появление новых синтетических материалов, способных заменить древесину, ее значение для строительства и промышленности не уменьшается. Более того, выявились новые формы промышленного применения древесины, позволяющие более рационально использовать лесные ресурсы.

Серьезным недостатком древесины, ограничивающим ее конструкционное использование, является повышенная горючесть, обусловленная органической природой материала. Несмотря на достижения науки и техники в области консервирования древесины, пока не разработан эффективный метод снижения ее горючести, доступный для массового внедрения в строительство. Недостатки существующих методов заключаются либо в сложности технологии защитной обработки, либо в дефицитности материалов, либо в ухудшении физико-механических и декоративных свойств обработанной древесины [1].

Древесину издавна широко применяют в строительстве благодаря ряду положительных свойств: высокой прочности при небольшой плотности, малой теплопроводности, легкости обработки, простоте скрепления отдельных элементов, высокой морозостойкости и сопротивляемости действию многих химических реагентов. Древесина имеет и ряд недостатков, снижающих ее строительные свойства: неоднородность (анизотропность) строения и наличие пороков, гигроскопичность, приводящую к изменению размеров древесины, короблению и растрескиванию; способность к загниванию и возгоранию.

В зависимости от степени переработки древесины различают:

1. Лесные материалы, получаемые путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы). При таком использовании древесины сохраняются все присущие ей положительные и отрицательные свойства.

2. Готовые изделия и конструкции, изготовляемые в заводских условиях (сборные дома и детали, клееные конструкции и т.д.). Свойства древесины в этом случае используются более рационально.

3. Синтетические материалы, получаемые глубокой переработкой древесины, при которой появляется возможность полнее использовать древесину за счет увеличения выхода сырья для получения целлюлозы и материалов на ее основе, вовлечения в переработку почти всех отходов, даже коры. Используя отходы древесины совместно с синтетическими и минеральными вяжущими, можно изготовлять материалы и изделия, не уступающие по свойствам древесине и даже превосходящие ее  (древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, фанера на основе водостойких клеев, фибролит и др.). При этом получают значительную экономию пиломатериалов (например, 1 м³ древесно-волокнистых плит заменяет 3...4 м³ пиломатериалов).

Древесина, имея волокнистое строение и большую пористость 30—80%), обладает огромной внутренней поверхностью, которая легко сорбирует водяные пары из воздуха. По содержанию влаги различают: мокрую древесину—с влажностью до 100% и более; свежесрубленную 35% и выше; воздушно-сухую 15...20%; комнатно-сухую 8...12 % и абсолютно сухую древесину, высушенную до постоянной массы при температуре 103+2 ⁰С. Стандартной считается влажность древесины 12%, при которой определяют и сравнивают ее свойства.

Изменение влажности древесины от 0 до предела гигроскопичности (23—25%, в среднем 30%) вызывает изменение ее линейных размеров и объема — усушку или разбухание, величина которых зависит от количества испарившейся или поглощенной ею влаги и направления волокон. Вдоль волокон линейная усушка для большинства древесных пород не превышает 0,1 %, в радиальном направлении 3...6 %, а в тангенциальном 7...12. Усушка сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что приводит к ее короблению и растрескиванию. Это следует учитывать при огнезащитной обработке древесины водорастворимыми составами.

Основные физико-механические показатели древесины хвойных и лиственных пород приведены в табл. 6.1.

В пожарном отношении древесина и материалы на ее основе практически одинаковы. При полном сгорании 1 кг абсолютно сухого материала они выделяют сравнительно близкие количества теплоты, кДж/кг: древесина (сосна) 18465...20887; ДВП полутвердая 18 560; опилки (сосновые) 19420; фанера (березовая) 20283. Различие заключается лишь в скорости выделения  этого тепла, которая в значительной степени зависит от влажности материала. Практически одинаковы и температурные показатели воспламеняемости этих материалов: воспламенение 238...255 ⁰С; самовозгорание тлением 258...305 ⁰С и самовозгорание пламенным горением (самовоспламенение) 360...427 ⁰С. Массовая скорость выгорания древесины зависит от температуры, причем доски и бревна при одинаковой влажности имеют одну и ту же массовую скорость [8,33-×10^-3 кг/(м²×с)] при стандартной температуре пожара 1073 ⁰С. Однако при равной горючей загрузке досок и бревен доски сгорают быстрее, так как имеют большую, чем бревна, поверхность горения. Линейная скорость выгорания древесины составляет в среднем 17×10^-6 м/с.

Таблица 6.1. Основные физико-механические показатели древесины различных пород при влажности 12 %

Для полного сгорания 1 кг воздушно-сухой древесины требуется в среднем 4,6 м³ воздуха. Конечным результатом горения является СО₂ и незначительное (около 0,5 % по массе) количество минеральных остатков золы [2].

6.1. Основные закономерности в процессе пиролиза и горения материалов на основе древесины

Древесина представляет собой ткань древесных растений, состоящую из клеток с одревесневшими оболочками, выполняющими проводящую, запасающую, механическую и иногда выделительную функции, другими словами, древесина — это сложный комплекс как в биологическом, так и в химическом отношении. Она состоит в основном (99 %) из органических веществ, примерно 70 % которых составляют углеводороды. Целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n составляет около 50% массы древесины. Остальная часть углеводов — нецеллюлозные полисахариды, так называемые гемицеллюлозы. Большая часть гемицеллюлозы представляет собой смешанные (комбинированные) полисахариды, которые состоят из остатков моносахаридов, соединенных глюкозидными связями в различных положениях. В некоторые из них входят остатки уратовых кислот. Около, 30 % древесины составляют вещества ароматической природы.

Воспламенение древесины может произойти как от открытого источника огня (пламени или искры), так и от нагретых предметов или горячих газов. При повышении температуры до 125 ⁰С из древесины быстро испаряется влага; после этого она разлагается с выделением горючих летучих веществ. При температуре выше 210 ⁰С и наличии источника открытого огня воспламеняются летучие вещества, температура повышается и процесс переходит в экзотермическую стадию горения с выделением тепла. При температуре 260 ⁰С начинается длительное и устойчивое горение летучих продуктов пиролиза древесины с образованием пламени и дальнейшим повышением температуры. При температуре 450 ⁰С и более пламенное горение древесины переходит в беспламенное горение угля с температурой до 900 ⁰С.

Древесина самовоспламеняется при температуре свыше 330 ⁰С. При длительном нагревании температура самонагревания значительно снижается. Например, самовозгорание древесины наблюдалось при 166 ⁰С через 20 ч. Это явление необходимо учитывать при размещении деревянных конструкций вблизи нагреваемых предметов (отопительных приборов, труб, дымоходов и т, п.). Должны быть обеспечены такие условия изоляции от нагревания, чтобы установившаяся, длительно действующая температура не превышала 50 ⁰С.

Продолжение и развитие самостоятельного горения зажженного деревянного элемента возможно только при условии, если количество тепла, отдаваемого горящей поверхностью в единицу времени в окружающее пространство, не превышает количество тепла, генерируемого этой поверхностью. Как показывают расчеты, 1 м² горящей древесины способен выделять 260...327 тыс. кДж/ч. Эта величина является показателем активности горящей поверхности древесины.

Скорость нагрева определяется теплофизическими свойствами и физическим состоянием древесины, условиями теплообмена с окружающей средой, размерами и формой изделия из древесных материалов. Под действием потока теплоты от пламени на горящую поверхность происходит пиролиз древесных материалов. При температуре несколько выше 100 ⁰С благодаря наличию воды в древесине протекает в основном гидролиз полисахаридов. При температуре свыше 150 ⁰С процесс разложения ускоряется, При температуре от 275...285 до 350 ⁰С выделяется большое количество СО₂, СО (в соотношении 2:1) и жидкого дистиллята, содержащего уксусную кислоту, ее гомологи и метанол. При температуре свыше 280 ⁰С количество С02 и СО снижается, образуются водород и углеводороды. При температуре 350...500 ⁰С разложение лигнина и экстрактивных веществ сопровождается образованием незначительного количества жидких продуктов, главным образом тяжелой смолы, СО₂, СО и углеводородов. Концентрация углеводородов достигает максимума при 380...500 ⁰С. Неконденсирующиеся при 400...500 ⁰С газы состоят в основном из (%):СО₂ (43...46), СО (29...33), Н (1,9...2,3), непредельных (2,2...3,7) и предельных (17...22) углеводородов.

Выход продуктов разложения древесины зависит от температуры и продолжительности пиролиза. В среднем для обычных пород древесины образуется до 30—35 % угля, 45—50 % жидкого дистиллята и 15—20 % газообразных веществ. При этом выход уксусной кислоты составляет (%) для хвойных пород — 2,5...3,5, для лиственных пород — 7, а выход метана — соответственно 0,7...0,8 и 1,2 % массы абсолютно сухой древесины.

Проводя аналогию между процессами, происходящими во внутренних слоях древесины различных пород на воздухе, и ее сухой перегонки, можно представить характер выделяющихся промежуточных продуктов разложения на основании данных табл. 6.2 [2].

Таблица 6.2. Продукты сухой перегонки древесины различных пород (% мас.)

Жидкий дистиллят пиролиза древесины содержит водорастворимые продукты: кислоты жирного ряда (муравьиная, уксусная, припионовая, масляная, валериановая и др.), спирты (главным образом метиловый), сложные эфиры (метилацетат, этилацетат и др.), кетоны (ацетон, метилкетон) и альдегиды (муравьиный, уксусный), фурфурол и другие соединения. В углеводородных продуктах найден также ангидрид глюкозы — левоглюкозан.

Отстойная смола состоит из летучих продуктов термического разложения древесины, нерастворимых в водном дистилляте. Выход смолы составляет для лиственных пород около 4—6 % водного дистиллята, для хвойных пород — около 10...12 %. Наиболее важной составной частью древесной смолы является фенол (10...20 %). Кроме того, найдены пирокатехин, их гомологи и метиловые эфиры, а в смолах лиственных пород — производные пирогаллола.

Таким образом, процесс термического разложения древесины протекает в две стадии: первая стадия (при нагревании до 280 ⁰С) — разложение идет с поглощением тепла; вторая стадия, в свою очередь, подразделяется на два периода: сгорание газов, образующихся при термическом разложении древесины (пламенное горение), и сгорание образовавшегося древесного угля (тление).

В результате анализа состава продуктов сухой перегонки сосновой древесины (табл. 6.3) выясняются причины воспламенения древесины при достижении ею температуры, близкой к 280 ⁰С. При температуре до 280 ⁰С в составе выделяющихся газообразных  продуктов преобладает СО₂ (причем теплотворная способность газа не превышает 507 кДж/м³). Преобладающим продуктом при 280 ⁰С становятся, горючие, газы — смесь углеводородов и Н₂, а теплотворная способность резко возрастает, достигая 20,028 кДж/м³. Изменение характера образующихся продуктов связано с выделением при 280 °С тепла, составляющего до 6 % теплоты горения [2].

Таблица 6.3. Состав продуктов сухой перегонки сосновой древесины

Пиролиз целлюлозы протекает по двум различным механизмам [3]:

1. При температуре 200...280 ⁰С целлюлоза превращается в дегидроцеллюлозу, которая затем распадается на уголь, СО₂, СО и Н₂О.

2. При температуре 280...340 ⁰С целлюлоза превращается в смолу, преимущественно левоглюкозан, которая является летучим продуктом и топливом для поддержания газофазного горения. Газы, выделяющиеся по первому механизму, являются негорючими, а образующийся уголь может поддерживать горение лишь через тление. Тот факт, что при пиролизе целлюлозы протекают два конкурирующих механизма, имеет большое значение для ее огнезащиты.

Изучение термического разложения отдельных компонентов древесины (целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы) показало, что основные продукты перегонки — уголь, водный дистиллят, смола и газообразные продукты — образуются из всех составных частей древесины, причем уголь и смола в наибольших количествах образуются из лигнина, а в наименьших — при разложении целлюлозы (табл. 6.4).

Повышая выход угля за счет соответствующего уменьшения количества горючих газообразных продуктов разложения, можно значительно понизить горючесть древесины. В работе [4] представлены экспериментальные результаты по исследованию процесса горения древесного угля в виде стержней размером 17×10×3,5 см с плотностью 260...340 кг/м³, а также разработана теоретическая модель, адекватно описывающая этот процесс. Эта модель удобна при рассмотрении тления древесных материалов. Установлено, например, что при скоростях потока воздуха менее 7,7 м/с невозможен процесс самоподдерживающегося горения образца, причем при малых скоростях тушение образца начиналось от периферии к центру. Такой характер тушения объясняется теплопотерями через изолирующую оболочку.

Таблица 6.4. Продукты сухо» перегонки древесины сосны и ее составных частей

Скорость горения образца древесного угля описывается выражением

,                                                          (7.1)

Наличие двух конкурирующих механизмов пиролиза позволяет путем катализа дегидратации ингибировать процесс смоловыделения. Так, введение добавок кислотного типа увеличивает скорость потерь массы на начальном этапе пиролиза и снижает температуру начала дегидратации. Однако на ранней стадии образования смолы они не замедляют существенно этот процесс. Влияние добавок основного типа проявляется в увеличении скорости образования твердого остатка после начала смолообразования [2].

Из рассмотрения закономерностей процессов пиролиза и горения древесины и материалов на ее основе следует, что для снижения их горючести  необходимо:

·         снизить скорость нагрева поверхности материалов с целью образования слоя угля, обладающего плохой теплопроводностью;

·         направить пиролиз материала в сторону образования негорючих газов или снижения количества выделяющихся горючих газов;

·         создать условия для  предотвращения  тления  угля.

Практически снижение горючести древесины достигается следующими методами:

·         нанесеняем на поверхность материалов огнезащитного покрытия, обеспечивающего образование коксового слоя и предотвращение его тления и горения;

·         пропиткой древесины и материалов на ее основе или введением в их состав веществ, способствующих протеканию дегидратации древесины с минимальным выделением горючих газов и максимальным выходом угля.

6.2. Снижение горючести древесных материалов с помощью покрытий

Наиболее перспективным и эффективным методом огнезащиты древесных материалов в условиях строительной площадки является нанесение огнезащитных покрытий. Передача тепла через покрытие к защищаемому материалу происходит за счет теплопроводности самого покрытия и его твердых продуктов разложения.

Поэтому решающим фактором, определяющим эффективность огнезащитных покрытий, является их теплоизолирующая способность, которая зависит от толщины покрытия. Однако чрезмерное увеличение толщины покрытия, полезное с точки зрения пожарной безопасности, отрицательно влияет на их эксплуатационные свойства. Кроме того, толстые покрытия и покрытия с непрозрачными наполнителями лишают древесные материалы их высоких декоративных качеств. Поэтому в настоящее время наметилась тенденция использовать полимерные огнезащитные покрытия, позволяющие сохранять цвет и текстуру древесных материалов.

Огнезащитные покрытия по механизму действия, толщине и функциональному назначению подразделяются на следующие типы:

·         огнезащитные обмазки толщиной 10...70 мм, для декоративных целей не используются;

·         огнезащитные краски толщиной 1...10 мм; они могут выполнять декоративные цели, скрывая при этом цвет и текстуру древесины;

·         декоративные покрытия, образующие защитную пленку толщиной до 1 мм, сохраняют цвет и текстуру древесины;

·         вспучивающиеся покрытия;

·         комбинированные покрытия.

В зависимости от области применения огнезащитные покрытия подразделяются на неатмосфероустойчивые, которые эксплуатируются только в закрытых отапливаемых помещениях с относительной влажностью воздуха не более 70%, и атмосфероустойчивые.

Огнезащитные обмазки представляют собой штукатурные растворы, в которых песок заменен легким наполнителем (асбест, гранулированные шлаки, перлит, вермикулит и т.д.). Количество и природу вяжущего вещества (цементы различных марок, гипс, известь, глины, жидкое стекло и т.д.) выбирают в зависимости от условий эксплуатации, влажности, требуемой прочности слоя и т. п.

Обмазки нашли широкое применение из-за их дешевизны и доступности сырья.

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.Н. БАРАТОВ, Р.А. АНДРИАНОВ, А.Я. КОРОЛЬЧЕНКО, Д.С. МИХАЙЛОВ, В.А. УШКОВ, Л. Г. ФИЛИН
Стройиздат, 1988