Влияние срока эксплуатации жилых и нежилых деревянных строений на пожароопасные свойства древесины

ВЛИЯНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖИЛЫХ И НЕЖИЛЫХ ДЕРЕВЯННЫХ СТРОЕНИЙ НА ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

А.Б. Сивенков, кандидат технических наук, доцент; Н.И. Тарасов. Академия ГПС МЧС России.

Т.С. Алексеева. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Представлены результаты исследования влияния продолжительности эксплуатации жилых и нежилых деревянных строений, находящихся в Вологодской области, на пожарную опасность древесины. Установлено, что изменение физико-химических и пожароопасных характеристик древесины в результате длительного естественного старения во многом связано с изменением ее химического и элементного состава, а также объемной массы.

Ключевые слова: древесина, пожарная опасность, естественное старение, химический

состав

INFLUENCE OF OPERATIONAL AGE OF INHABITED AND UNINHABITED WOOD BUILDINGS ON FIRE-HAZARDOUS PROPERTIES OF WOOD

A.B. Sivenkov; N.I. Tarasov.

Academy of State fire service of EMERCOM of Russia. T.S. Alexseeva.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

In the article the results of research of influence of operational age of residential and non-residential wood buildings, which situated in Vologda region, on fire-hazardous properties of wood are presented. It is established that change of physico-chemical and fire-hazardous properties of wood in result of long natural aging is connected with change of chemical and elemental composition and volume weight.

Key words: the wood, fire hazard, natural ageing, chemical compound

Исходя из результатов многочисленных исследований и наблюдений, процесс старения древесины не является однообразным для всех разновидностей древесины и условий эксплуатации, не поддается простейшему описанию и прогнозированию. Основными причинами сложности описания и изучения процесса старения древесины является, прежде всего, многочисленная вариативность условий эксплуатации древесины различных пород с неоднозначным изменением их физико-химических свойств.

Становится очевидным, что имеющиеся результаты исследований процесса старения древесины носят во многом противоречивый характер. В основе исследований лежали вопросы изучения изменяемости во времени физико-механических характеристик древесины, ее химического и элементного состава, объемной массы, содержания поздней древесины и другие [1, 2].

Немаловажную роль в изучении процесса старения древесины играют методы искусственного старения. Многообразие физико-химических процессов, происходящих в древесине во время ее эксплуатации, не позволяет с высокой точностью воспроизводить изменения, которые в ней происходят, а также определять характер этих изменений. Поэтому более предпочтительно опираться на результаты исследований, которые получены для

образцов древесины с существующих деревянных строений определенного возраста и памятников деревянного зодчества. При таком подходе необходимо точное знание эксплуатационного возраста объекта и природно-климатических условий, в которых он находится.

Целью настоящей работы является установление основных закономерностей изменения физико-химических свойств древесины, происходящих во время ее эксплуатации на существующих объектах деревянного домостроения и взаимосвязь этих изменений с некоторыми показателями пожароопасности.

Для исследования были отобраны образцы древесины на объектах жилых и нежилых строений в Вологодской области (Вологодский и Грязовецкий районы). Образцы древесины в виде спилов были отобраны с нежилых строений, находящихся в деревнях: Демьяново, Левино, Лябзунка Грязовецкого района и деревне Семигоры Вологодского района. Эксплуатационный возраст деревянных строений согласно установленных метрических данных составил от 60 до 150 лет. Строения представляют собой деревянные жилые и нежилые дома из хвойной породы древесины ели (рис. 1-3).

Рис. 1. Деревянное нежилое строение (д. Лябзунка, д. 4), древесина ели, 60 лет

Рис. 2. Деревянное нежилое строение (д. Левино, д. 8), древесина ели, 90 лет

Рис. 3. Деревянное жилое строение (д. Семигоры), древесина ели, 150 лет

Образцы древесины были выпилены из бревенчатой части с северной и южной стороны строений, неподверженной процессам гниения на расстоянии 1,5 м от поверхности земли.

Элементный состав сухих образцов древесины определяли на автоматическом приборе - Карло Эрба 1106 С, Н, N, S анализаторе (Италия). Химический состав древесины определяли по известным методикам: целлюлозу определяли по методу Кюршнера и Хоффера без поправки на осадочные пентозаны; лигнин - методом Комарова [3]. Низшая теплота сгорания древесины была оценена экспериментально с помощью IKA-калориметра С 5000, а также расчетным путем по данным элементного состава с использованием известного уравнения Д.И. Менделеева.

Для исследования особенностей термоокислительной деструкции древесины применяли термоаналитическую систему TGA/DSC1 фирмы «Mettler Toledo» (Швейцария) с программным обеспечением расчета кинетических параметров. Образцы готовили в виде измельченного порошка весом 1,0 - 8,5 мг. Скорость нагрева 20С/мин. Поток воздуха -50 мл/мин.

Определение воспламеняемости образцов древесины проводили по ГОСТ 30402-96. Установка была оснащена дополнительным устройством для регистрации потери массы во время огневых испытаний. Дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины определяли по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.18 и 4.20 соответственно.

Объемную массу (кажущуюся плотность) образцов древесины определяли, исходя из их массы и геометрических размеров.

Описание исследуемых образцов и результаты определения основных физико-химических свойств древесины представлены в табл. 1.

Таблица 1. Описание и основные характеристики образцов древесины

Место изъятия Сторона Содержание основных Элементный состав, Р0,

образца, порода света химических % кг/м3

древесины, возраст компонентов, %

Целлюлоза Лигнин С Н О

Ель современная 52.22 6.04 41.74

(Вологодская - 54.5 25.4 420

область)

Деревянное нежилое Север 55.6 25.6 50.3 6.44 43.26 432

строение

(д. Лябзунка, д. 4),

древесина ели, 60 лет Юг 53.4 27.1 49.8 6.8 43.4 435

Деревянное нежилое Север 50.6 27.1 48.3 7.11 44.6 440

строение (д. Левино,

д. 8), древесина ели,

90 лет Юг 49.0 28.2 47.8 7.13 45.1 444

Деревянное нежилое Север 50.8 26.9 46.7 8.2 45.1 445

строение

(д. Демьяново),

древесина ели, Юг 48.6 28.1 47.6 8.33 44.1 448

110 лет

Деревянное жилое Север 49.5 27.6 50.5 8.47 41.03 420

строение

(д. Семигоры),

древесина ели,

150 лет Юг 46.9 28.8 48.6 8.65 42.7 422

Результаты исследования показывают, что содержание целлюлозы с возрастанием срока эксплуатации до 150 лет становится меньше, а содержание лигнина увеличивается. Установлено, что для южной части деревянного строения характерны более значительные изменения, чем для его северной части. Представленные в таблице результаты также свидетельствуют об экстремальном изменении объемной массы древесины строений одного региона при увеличении длительности ее эксплуатации.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением эксплуатационного возраста деревянных сооружений в древесине происходит уменьшение углеродной составляющей, а содержание водорода и кислорода пропорционально друг другу возрастает. Увеличение с возрастом древесины водородной составляющей, обладающей более высокой энергетической способностью по сравнению с углеродом, приводит к увеличению ее теплотворной способности. Так, расчетная и экспериментальная оценка низшей теплоты сгорания древесины показали, что с увеличением ее эксплуатационного возраста наблюдается повышение значений низшей теплоты сгорания. Результаты экспериментальной и расчетной оценки низшей теплоты сгорания представлены в табл. 2.

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные значения низшей теплоты сгорания древесины в

зависимости от ее эксплуатационного возраста

Образец древесины Он, кДж/г

Ель современная (Вологодская область) 18,5 19,3

Деревянное нежилое строение (д. Лябзунка, д. 4), древесина ели, 60 лет, южная сторона 18,4 19,21

Деревянное нежилое строение (д. Левино, д. 8), древесина ели, 90 лет, южная сторона 18,15 18,6

Деревянное нежилое строение (д. Демьяново), древесина ели, 110 лет, южная сторона 19,8 20,3

Ель, (жилой дом, Вологодский район, д. Семигоры), 150 лет, южная сторона 20,1 20,7

Из результатов видно, что при увеличении эксплуатационного срока древесины до 90 лет наблюдается снижение значений теплоты сгорания, однако в дальнейшем теплота сгорания увеличивается. Данное обстоятельство реализуется, по всей видимости, вследствие снижения элементного содержания углерода и повышения содержания водорода, который по значению теплоты сгорания превышает углерод в четыре раза.

На рис. 4 представлены данные термогравиметрического анализа древесины ели свежесрубленной и древесины ели сроком эксплуатации 150 лет.

Результаты исследования представленные на рис. 4, термоокислительного разложения древесины ели и ели, состаренной естественным путем до определенного возраста, свидетельствуют об их различной термической стабильности. Основная стадия термоокислительного разложения естественно состаренной древесины смещается в область более высоких температур по сравнению с древесиной ели современной. Так, в первом случае температура максимальной скорости разложения составляет 325С, во втором случае -350С. Причиной смещения основной термоокислительной стадии возрастной древесины ели, вероятнее всего, являются дегидратационные превращения целлюлозы и активное

образование лигнина при длительной эксплуатации. Более существенные отличия наблюдаются на окислительной стадии углистого слоя. По всей видимости процесс формирования угля сопряжен с участием лигнина, находящегося в возрастной древесине в большем количестве, чем в обычной древесине. При этом максимальная скорость разложения, связанная с окислительной стадией углистого слоя, для древесины ели (150 лет) проявляется в более поздний период, что обусловлено физико-химическими особенностями углистого слоя подобной древесины.

Температура, 0С

Рис. 4. Результаты термогравиметрического анализа древесины ели (1 - ТГ; 3 - ДТГ) и древесины ели 150 лет (2 - ТГ; 4 - ДТГ), скорость нагрева 20°/мин

Для определения кинетических параметров термического разложения древесины использованы данные термогравиметрического анализа по методу Папкова-Слонимского [4]. Данный метод позволяет определить потерю веса образца как функцию температуры при постоянной скорости нагрева. Результаты расчета кинетических параметров процесса термоокислительного разложения древесины представлены в табл. 3.

Таблица 3. Кинетические параметры процесса термоокислительного разложения древесины ели свежесрубленной и ели со сроком эксплуатации 150 лет

Образец Температура максимальной скорости разложения на основной стадии и стадии окислительных процессов угля, °С Температурный участок, °С Дш, % Еа, кДж/ моль

Ель свежесрубленная 325 435 196-325 400-460 45 85 190 245

Ель, срок эксплуатации 150 лет 350 480 300-335 450-480 30 85 208 215

Из результатов видно, что несмотря на смещение ТГ-кривой для возрастной ели в область более высоких температур, энергия активации (Еа=208кДж/моль) на основной

стадии имеет значение, незначительно превышающее энергию активации для ели современной (Еа=198кДж/моль). При рассмотрении участка окислительных процессов древесных углей наблюдается также незначительное расхождение значений Еа, однако в этом случае для древесины сроком эксплуатации 150 лет протекание окислительного процесса облегчается (Еа=215кДж/моль) по сравнению с древесиной ели свежесрубленной. Таким образом, для древесины ели с эксплуатационным сроком до 150 лет наблюдается смещение участка образования углистого слоя в область более высоких температур по сравнению с древесиной ели свежевырубленной. При этом установлено, что его окислительная способность увеличивается.

В работе проведены исследования параметров воспламеняемости древесины различного срока эксплуатации согласно ГОСТ 30402-96. Основные параметры воспламеняемости древесины ели различного эксплуатационного возраста представлены в табл. 4.

Таблица 4. Параметры воспламеняемости древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста

Порода древесины, возраст кВт/м Тв, с. дВкр, кВт/м2 МСВтах, г/м * с.

Ель современная 30 20 11,5 -

40 7

(Вологодская область) 50 3 39,6

Деревянное нежилое строение 30 26 13,2 -

(д. Демьяново), древесина ели, 40 12 -

110 лет, южная сторона 50 6 31,9

Ель, (жилой дом, Вологодский 30 21 12,5 -

район, д. Семигоры), 150 лет, 40 9 -

южная сторона 50 4 35,7

Из результатов видно, что с увеличением возраста древесины увеличиваются время воспламенения материала и критическая поверхностная плотность теплового потока. При этом, изменение этих показателей имеет экстремальный характер с максимумом для древесины ели со сроком эксплуатации 110 лет. Одновременно с этим наблюдается уменьшение массовой скорости выгорания, косвенно отражающей тепловыделение материала при огневом воздействии.

Для анализа токсичности продуктов горения исследуемых образцов регистрировали выход оксида и диоксида углерода, а также контролировали изменение концентрации кислорода. На рис. 5 представлено изменение показателя токсичности продуктов горения древесины в зависимости от срока эксплуатации.

Известно, что токсичность продуктов горения древесных материалов обусловлена выходом одного из наиболее опасных токсикантов монооксида углерода (СО). Снижение токсичности продуктов горения древесины в рассматриваемом случае обусловлено не только снижением углеродной составляющей и возрастанием содержания водорода в результате ее естественного старения, но и снижением низшей теплоты сгорания, отражающей энергетику протекающих процессов при горении древесины.

Снижение активности выхода СО связано с тем, что режим беспламенного горения для возрастной древесины в меньшей степени реализуется, чем для современной. Значение параметров воспламеняемости для возрастной древесины снижается и подобная древесина быстрее воспламеняется и выгорает. Подобная картина наблюдается при изучении вопроса влияния эксплуатационного возраста древесины на ее дымообразующую способность (рис. 6).

Возраст, лет.

Рис. 5. Зависимость показателя токсичности продуктов горения древесины в зависимости от ее

эксплуатационного возраста

Возраст, лет.

Рис. 6. Зависимость коэффициента дымообразования древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста

Полученные экспериментальные данные по дымообразованию древесины свидетельствуют о происходящих физико-химических изменениях во время эксплуатации древесины. В частности, снижение дымообразования древесины сроком ее эксплуатации до 150 лет во многом обусловлено изменением химического состава древесины, в частности, повышением содержания ароматической составляющей - лигнина. Данный факт во многом объясняет снижение выхода дыма при горении древесины, с одной стороны, и увеличение ее теплотворной способности, с другой стороны. Увеличение содержания лигнина с возрастом

древесины а, соответственно и водородной составляющей, во многом определяет особенности протекания процесса горения древесины на основных его стадиях, образования карбонизованного слоя с определенными физико-химическими, механическими показателями и окислительной способностью.

В результате продолжительной эксплуатации древесины наблюдается снижение ее пожарной опасности по одним показателям и повышение по другим. Этот факт связан с непосредственным изменением содержания основных химических компонентов и элементного состава древесины в результате старения.

Литература

1. Пищик И.И., Фефилов В.В., Бурковская Ю.И. О химическом составе и физических свойствах свежей и выдержанной древесины // Изв. вузов, Лесной журнал. 1971. № 6. С. 8993.

2. Варфоломеев Ю. А., Потуткин Г.Ф., Шаповалова Л.Г. Изменение свойств древесины при длительной эксплуатации (на примере памятников деревянного зодчества Архангельской обл.) // Деревообрабатывающая промышленность. 1990. № 10. С. 28-30.

3. Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и полимеров. М.: Лесная промышленность, 1980. 168 с.

4. Папков В.С., Слонимский Г.Л. Микротермогравиметрический анализ термодеструкции полимеров // Высокомолекулярные соединения. 1966. Т. 8. № 1. С. 80-87.