Термический и спектральный анализ пожарной опасности строительных материалов на органической и неорганической основе

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ

УДК 543.57

ТЕРМИЧЕСКИЙ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОРГАНИЧЕСКОЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

А.А. Гапеев, А.В. Мещеряков, А.М. Чуйков

В статье представлены результаты термического и спектрального анализа неорганических и органических материалов. Задача разработки методов, подходящих для изучения конкретного вида материала, является актуальной в расследовании пожаров. Относится это и к строительным материалам. С одной стороны, они обладают относительной огнестойкостью, с другой, - их свойства все же меняются вследствие термического воздействия. Часто в случае развившихся пожаров конструкции являются единственным материалом, оставшимся для исследования. При выборе метода исследования следует учитывать как его информативность, так и трудоемкость использования. Основная задача, решаемая при изучении таких конструкций, - определение параметров теплового воздействия в целях определения путей распространения горения и очага пожара. Это обстоятельство подразумевает проведение большого объема измерений. Исследования проведены на приборе синхронного термического анализа STA 449 F5 Jupiter, позволяющем выполнять измерения изменения массы и тепловых эффектов в широком интервале температур и ИК Фурье-спектрометре Tensor 27, который предназначен для измерения оптических спектров пропускания, отражения в ИК диапазоне.

Ключевые слова: термический анализ, ИК-спектроскопия, пожарная опасность.

Обеспечение пожарной безопасности входит в число ключевых задач при строительстве и эксплуатации современных высотных зданий, крупных деловых центров, складских и торгово-развлекательных

комплексов. Специфика таких зданий - большая протяженность путей эвакуации - диктует повышенные требования к пожарной безопасности используемых строительных конструкций и материалов. И только когда эти требования соблюдаются наравне с решением других технических и экономических задач, здание считается спроектированным правильно. Ключевым фактором, определяющим пожарную опасность материалов, является сырье, из которого они изготовлены. В этой связи их можно разделить на три большие группы: неорганические, органические и смешанные.

Таким образом, целью работы стало определение возможности проведения термического анализа строительных материалов на органической и неорганической основе для

установления их пожароопасных свойств, а также обсуждение полученных результатов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: выбор методики проведения экспериментов, объектов и режима проведения исследования; проведение экспериментальных исследований термического воздействия на образцы; анализ полученных результатов.

В качестве объектов исследования были выбраны образцы керамического кирпича, гипса, гипсобетона и полиэтилена. Анализ осуществлялся методами синхронного термического анализа и инфракрасной спектроскопии.

Синхронный термический анализ - метод исследования химических и физико-химических процессов, происходящих в веществе в условиях изменения температурного режима. Методы термического анализа (дифференциальный термический анализ и термогравиметрия), основанные на регистрации изменения температуры

и массы изучаемого вещества при его нагревании, являются одними из самых надежных и чувствительных методов. Данные, полученные этими методами, могут быть использованы для оценки механизма и кинетических характеристик исследуемых процессов. Результаты термического эксперимента представлены в виде интегральной (ТГ) и дифференциальной термической кривой (ДТА). Исследования проводили на приборе синхронного термического анализа STA 449 F5 Jupiter, позволяющем выполнять измерения изменения массы и тепловых эффектов в широком интервале температур. Высокая универсальность в использовании вызвана возможностью применения различных сенсоров, широкой палитрой тиглей образцов и широким диапазоном для термогравиметрических измерений. Это делает систему применимой для анализа всех видов материалов, включая негомогенные.

Спектроскопические исследования

проводили на ИК Фурье-спектрометре Tensor 27. Он предназначен для измерения оптических спектров пропускания, отражения в ИК диапазоне, определения концентрации различных органических и неорганических веществ в твердой и жидких фазах, продукции нефтехимического производства, органического синтеза, продуктах питания, фармацевтики и т.п., для применения в качестве отдельных автономных приборов, так и в составе автоматизированных систем управления качеством технологического процесса в аналитических лабораториях промышленного производства, научно-исследовательских и учебных организаций. Интерпретацию спектров осуществляли, используя данные литературы.

Образцы испытывали в интервале температур от 25оС до 420оС со скорость нагрева 5 град/мин и при длинах волн от 400 до 4500 см-1. Полученные результаты представлены на рисунках 1 - 4.

ТГ та. ДСК/{мВт/иг)

100

—ЯшША

\ \ тШШу, \ \

\ \ nrawfc ШВД* \Д: Hwwww wcod 526%

, m

•0.2

04

•0.6

Рис. 1. Результаты термического анализа и ИК спектр образца гипса

Рис. 2. Результаты термического анализа и ИК спектр образца гипсобетона

Гаи

Изменен* иксы -003*

200 250 Температура X

50 1 00 150 200 250 300 350 400

Температура Г С

Рис. 3. Результаты термического анализа образца керамического кирпича

SO 100 150 200 250 300 350 400 Температура Г С

Рис. 4. Результаты термического анализа образца полиэтилена

Проанализировав полученные кривые, можно сказать, что в интервале температур от 80 до 160оС в образцах гипса и гипсобетона происходит удаление воды от 4 до 5%. Эндоэффект на ДТА кривой сопровождается изменением массы (кривая ТГ), позволяющей установить начало и конец процесса дегидратации. Вид кривых отражает сложный характер взаимодействия в системе вода -материал и предполагает, что процесс дегидратации не является одностадийным, то есть молекулы воды обладают различной подвижностью. Первой удаляется вода дальней гидратации. На втором этапе выделяются среднесвязанные молекулы воды, расположенные вблизи противоионов. В последнюю очередь, при температурах свыше 130оС, выделяются молекулы воды, связанные по ион-дипольному типу.

Удаление молекул воды подтверждают и ИК спектры. Для мономерной воды полосы 3720 и 3620 см-1 отнесены к симметричному и асимметричному колебаниям ОН--группы. Следует отметить, что димеры воды могут иметь скорее циклическую структуру с двумя водородными связями, чем открытую Г1, 21. Для жидкой воды наблюдаются полосы поглощения в других областях спектра. Наиболее интенсивные из них 712 - 647 см-1Г31. При переходе от мономеров воды к димерам и тримерам максимум поглощения валентных колебаний связи О-Н сдвигается в сторону меньших частот. Напротив, для деформационных колебаний Н-О-Н наблюдается смещение в сторону более высоких частот. Полосы поглощения 3550 и 3690 см-1 отнесены к валентным модам димеров (Н2О)2. Г41. Полоса поглощения при 1620 см-1 отнесена к

Библиография

1. Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия [пер. с англ.]/Дж. Митчелл, Д. Смит. -М., 1980. - 600 с.

2. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. [пер. с англ.] / Д. Эйзенберг, В. Кауцман. - Л., 1975. - 280 с.

3. Карякин А.В. Кривенцова Г.А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях /А.В. Карякин, Г.А. Кривенцова. -М., 1973. - 175 с.

4. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина. - М., 1987. -170 с.

деформационной моде димера. Эта частота несколько выше, чем деформационная мода изолированной молекулы (1597 см-1). Деформационная полоса поглощения имеет частоту 1646 см-1 и очень слабо зависит от температуры. Она мало изменяется и при переходе к свободной молекуле при частоте 1596 см-1 . Она оказывается достаточно стабильной, в то время как изменение температуры существенно влияет на все остальные частоты. Цундель предполагает, что постоянство деформационных колебаний связано с процессами межмолекулярного взаимодействия, а именно, обусловлена изменением валентного угла молекулы воды в результате взаимодействия молекул друг с другом, а также с катионами и анионами Г41. Явно выраженный пик при частоте 2360 см-1 свидетельствует о наличии диоксида углерода как примеси из атмосферы.

Образец керамического кирпича в диапазоне температур 25 - 420оС ведет себя стабильно. На кривой ТГ не отмечено явных изменений массы, а на кривой ДТА отсутствуют термические эффекты.

Температура на образец полиэтилена до 220оС также не оказывает никакого воздействия. Эндотермический эффект в диапазоне 100 - 120оС может быть объяснен наличием микроколичеств свободной и среднесвязанной воды, а также перераспределением кристаллической фазы полимера в аморфную. В диапазоне от 220 до 385оС наблюдается плавное падение массы образца до 50%. Это обусловлено разрушением связей С-С между звеньями макромолекул до олигомерного состояния макроцепей. При температуре 385оС и выше наблюдается резкое падение массы, что связано с деструкцией полимера и образованием низкомолекулярных соединений. На кривой ДТА в данных температурных диапазонах отмечаются экзотермические эффекты.

Таким образом, при нагревании материалы на основе неорганических соединений ведут себя достаточно стабильно во всем температурном диапазоне. Отмечено выделение молекул свободной, среднесвязанной и глубокосвязанной воды. Материалы на основе органических соединений, в частности, полиэтилен, является пожароопасным в диапазоне температур от 220оС и выше.

References

1. Mitchell Dzh., Smit D. Akvametriya [per. s angl.] /Dzh. Mitchell, D. Smit. - M., 1980. - 600 s.

2. EHjzenberg D., Kaucman V. Struktura i svojstva vody. [per. s angl.] / D. EHjzenberg, V. Kaucman. -L., 1975. - 280 s.

3. Karyakin A. V. Krivencova G.A. Sostoyanie vody v organicheskih i neorganicheskih soedineniyah / A.V. Karyakin, G.A. Krivencova. - M., 1973. - 175 s.

4. Zacepina G.N. Fizicheskie svojstva i struktura vody /G.N. Zacepina. -M., 1987. - 170 s.

THERMAL AND SPECTRAL ANALYSIS OF FIRE HAZARD OF BUILDING MATERIALS ON ORGANIC AND INORGANIC BASIS

The article presents the results of thermal and spectral analysis of inorganic and organic materials. The task of developing methods suitable for the study of a particular type of material is relevant in the investigation of fires. This also applies to building materials. On the one hand, they have a relative fire resistance, on the other their properties still change due to thermal effects. Quite often, in the case of fires, the structures are the only material left for the study. When choosing a method of research should take into account both its informativeness and complexity of use. The main task to be solved in the study of such structures is to determine the parameters of the thermal effect, in order to determine the pathways of combustion and fire. This implies a large volume of measurements. Studies were conducted on the device of synchronous thermal analysis STA 449 F5 Jupiter, which allows to measure changes in mass and thermal effects in a wide temperature range and IR Fourier spectrometer Tensor 27, which is designed to measure the optical transmission spectra, reflection in the IR range.

Key words: thermal analysis, IR spectroscopy, fire hazard.

Гапеев Артем Александрович,

кандидат химических наук,

старший преподаватель кафедры основ гражданской обороны и управления в чрезвычайных ситуациях,

Воронежский институт - филиал ФГБОУ ВО Ивановской пожарно-

спасательной академии ГПС МЧС России,

Россия, г. Воронеж,

8-920-22-69-219, kratos 1987@mail.ru

Gapeev A.A.,

PhD in Chemistry,

Senior Lecturer at the Department of Fundamentals of Civil Defense and Emergency Management,

Voronezh Institute - a branch of FGBOU in the Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Voronezh.

Мещеряков Алексей Викторович,

кандидат технических наук,

доцент кафедры основ гражданской обороны и управления в чрезвычайных ситуациях,

Воронежский институт - филиал ФГБОУ ВО Ивановской пожарно-

спасательной академии ГПС МЧС России,

Россия, г. Воронеж,

8-920-40-23-859 Malviktpp@gmail. com

Meshcheryakov A. V.,

Candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of the Basics of Civil Defense and Emergency Management, Voronezh Institute - a branch of FGBOU in the Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM ofRussia, Russia, Voronezh.

Чуйков Александр Митрофанович,

кандидат технических наук, доцент,

начальник кафедры основ гражданской обороны и управления в чрезвычайных ситуациях,

Воронежский институт - филиал ФГБОУ ВО Ивановской пожарно-

спасательной академии ГПС МЧС России,

Россия, г. Воронеж,

8-920-22-67-38 7, kratos 198 7@mail.ru

Chuikov A.M.,

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,

Head of the Department of Fundamentals of Civil Defense and Emergency Management,

Voronezh Institute - a branch of FGBOU in the Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM ofRussia, Russia, Voronezh.

© Гапеев А.А., Мещеряков А.В., Чуйков А.М., 2018