ГЛАВА 5 ХАРАКТЕР ПОВЕДЕНИЯ НА ПОЖАРЕ ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
5.2 Визуальные признаки термических поражений на конструкциях из древесины
Горение любого конденсированного горючего материала, в том числе и древесины, может протекать в виде пламенного горения либо в виде тления, то есть гетерогенного горения. Для возникновения пламенного горения требуется предварительное химическое разложение под воздействием внешнего теплового потока, в результате которого образуются летучие продукты (горючие газы, пары, пылевидные частицы), которые, сгорая, образуют пламя. На определенном этапе развития горения твердого горючего материала внешний тепловой поток становится необязательным. Выделение последующих порций летучих горючих продуктов осуществляется за счет теплового воздействия уже горящего материала.
Древесина начинает терять свой цвет и обугливаться с выделением горючих летучих продуктов при температуре обычно свыше 200-250оС.
Однако при достаточно длительном нагреве указанные процессы могут происходить и при температурах, начиная от 120оС. При температуре 250 - 300оС начинается быстрое физическое разрушение древесины. Этот процесс начинается на поверхности углистого остатка с появлением слабых трещинок, перпендикулярных направлению волокон, что позволяет летучим продуктам легко просачиваться через поврежденную поверхность из слоя, где произошло образование этих продуктов. По мере увеличения углистого слоя трещины расширяются, что приводит к характерной картине расщепления и растрескивания поверхности.
По данным термогравиметрического анализа различные составляющие древесины распадаются с выделением летучих компонентов при различных температурах: целлюлоза при 240-350 оС, гемицеллюлоза при 200-260 оС, лигнин при 280-500 оС. Соотношение между летучими продуктами и образующимся углистым остатком у химических компонентов древесины также различно. Этим соотношением определяется большая или меньшая склонность материала к тлению. Так, лигнин нагретый до температуры 400- 500оС на 50 % преобразуется в летучие продукты и на 50 % в углистый остаток. Чистая целлюлоза при нагревании до 300 оС дает лишь 5 % углистого остатка. Таким образом, именно лигнин в основном предопределяет способность древесины к гетерогенному (тлеющему)
69
горению. Обычно при сжигании или нагреве древесины при 450 оС на углистый остаток приходится 15-25 % (в основном, за счет лигнина). При изменении выхода углистого остатка изменяется и состав летучих компонентов.
Для повышения огнестойкости древесину обмазывают или окрашивают огнестойкими составами – антипиренами, повышающими ее склонность к тлению. Такие антипирены как бура, хлористый цинк и другие, при температуре 350 – 400оС плавятся, покрывая поверхность древесины огнезащитной пленкой, которая прекращает доступ к ней кислорода. Другие антипирены в этих условиях разлагаются, выделяя много негорючих газов или паров, оттесняющих воздух от поверхности древесины и затрудняющих воспламенение газообразных продуктов ее разложения. Древесина, пропитанная водными растворами фосфорнокислого аммония, сернокислого аммония или их смесями под воздействием огня разлагается медленно, без пламени. Огнезащитные краски, изготовленные на жидком стекле, придают древесине временную огнестойкость. С помощью указанных огнезащитных мероприятий можно повысить выход углистого остатка в целлюлозе до 40 %.
Для целей пожарно-технической экспертизы очень важно уметь устанавливать осуществлялось ли горение в режиме тления или в режиме пламенного горения. Температура воспламенения большинства сортов древесины находится в пределах 240-260оС. Температура же, при которой могут начаться процессы, способные привести к тлеющему горению при достаточной длительности теплового воздействия, как уже указывалось, могут быть в пределах 120оС. Отсюда может вытекать очень важный вывод об источнике зажигания – если процесс горения начинался с тления, то источник зажигания мог иметь малую мощность.
Возможны два пути возникновения тлеющего горения в древесине.
Один из них – это тление, сменяющее пламенное горение. При воспламенении фронт обугливания постепенно передвигается вглубь древесины, при этом выделяются все новые порции горючих летучих веществ, которые сгорают в виде пламени.
Когда древесина обуглится на существенную глубину, углистый слой становится экранирующей защитой для более глубоких слоев, находящихся под ним. В результате этого процесса для образования новых порций летучих продуктов требуется более высокий тепловой поток. Может сложиться такая ситуация, при которой выделение летучих продуктов резко снижается, и их начинает не хватать для поддержания пламенного горения, которое переходит в гетерогенное горение - тление. Углистый слой может тлеть вплоть до полного выгорания органической массы. В результате древесная конструкция либо полностью выгорает, либо в ней образуется сквозной прогар.
При относительно низком тепловом воздействии на деревянные конструкции количества выделяемых летучих продуктов изначально оказывается недостаточно для достижения нижнего концентрационного
70
предела распространения пламени. Пламенное горение может не возникнуть.
Режим тления будет поддерживаться или в течение всего времени горения вплоть до полного выгорания или, при изменении внешнего теплового воздействия и условий воздухообмена, может смениться пламенным горением.
В результате термического разложения и горения древесины в различных режимах формируются следы потемнения древесины, ее обугливания на разную глубину, сквозные прогары на отдельных участках деревянной конструкции или полное выгорание до образования зольного остатка.
По внешнему виду угля можно делать вывод о режиме горения древесины. При тлеющем горении образуется плотный черный (иногда с буроватым оттенком) уголь с мелкими трещинами. Часто при этом на угле можно различить текстуру исходной древесины, в частности годовые кольца.
Такой вид угля тления легко объясняется малой скоростью образования летучих продуктов, которые понемногу выделяются с поверхности древесины, не разрыхляя ее.
В свою очередь при пламенном горении, когда скорость образования летучих продуктов велика, они интенсивно выделяются с поверхности.
Образуется рыхлый уголь черного цвета с крупными трещинами.
Глубина обугливания древесины – один из важнейших критериев степени ее термического поражения в различных зонах пожара. С его помощью оценивается направленность и интенсивность теплового воздействия.
При описании термических поражений древесины в заключении специалиста места пожара недопустимо лишь констатировать наличие обугливания в тех или иных зонах. Эта информация должна обязательно сопровождаться замерами глубины обугливания.
Измерить глубину обугливания можно методом пенетрации (протыкания) с помощью любого тонкого острого металлического предмета (шила, гвоздя, металлической линейки). Лучше всего для этой цели использовать колумбус, то есть штангенциркуль с выдвижным хвостовиком.
Протыкать уголь следует осторожно, не делая слишком больших усилий, чтобы не войти в невыгоревшие слои древесины. Разумеется, при этом в измерения вносится известная доля субъективизма, поэтому делать такие замеры в разных точках на конкретном месте пожара должен один человек.
Наибольшие сложности возникают при измерении глубины обугливания в условиях низких температур, когда уголь смерзается вместе с пролитой водой.
Глубина обугливания включает в себя помимо собственно толщины слоя угля (hу), измеряемой протыканием, величину потери сечения деревянной конструкции (hp) и рассчитывается по формуле 5.1.
H = hу + hp (5.1)
71
Потеря сечения образуется в результате обрушения рыхлых непрочных слоев угля при механическом или гидравлическом воздействии. Для ее определения необходимо измерить толщину деревянного элемента в месте, не подвергнутом обугливанию и вычесть из этого значения толщину сохранившейся части в точке замера(рисунок 5.1). В случае если деревянная конструкция обуглена по всей длине, следует поискать на месте пожара аналогичную конструкцию (паркетину, балку перекрытия, лагу пола и т.д.), не поврежденную пожаром.
Рисунок 5.1 Схема измерения глубины обугливания
Величины глубин обугливания можно и нужно использовать лишь как сравнительные показатели степени термического поражения древесины в различных зонах пожара. Часто специалисты допускают ошибку, пытаясь на основании этих данных оценивать длительность горения.
Ложным основанием для такой оценки служит тот факт, что в условиях специальных испытаний - при сжигании древесины в огневых печах по стандартному температурному режиму - скорость ее обугливания вглубь составляет 0,6÷0,8 мм/мин. При этом не учитывают, что реальный пожар – это не специальные испытания. Горючесть древесины на пожаре зависит от множества факторов: мощности теплового потока, условий воздухообмена и связанным с ними теплоотводом, зонированием температуры по высоте помещения и т.д. Руководствуясь скоростью выгорания древесины 0,8 мм/мин, а иногда и округляя ее для простоты до 1 мм/мин, некоторые специалисты определяют длительность горения численно равной глубине обугливания. При обугливании доски на глубину 20 мм, делают вывод о времени ее горения в течение 20 мин.
Зависимость скорости обугливания (Rw) от теплового пока выражается формулой 5.2:
Rw = 2,2 ∙ 10-2 ∙ I мм/мин., (5.2)
72
где I - тепловой поток, воздействующий на поверхность древесины, кВт/м2.
При температуре 1100оС , которая достигается в отдельных зонах помещения на пожаре, излучение черного тела составляет 200 кВт/м2. В этом случае скорость обугливания Rw составит 4,4 мм/мин.
А общий диапазон колебаний Rw на пожаре в зависимости от теплового потока или соответствующей температуры пиролиза может составить:
0,3÷4,5 мм/мин, т.е. различаться.
Очень важным признаком экстремально высоких термических поражений деревянных конструкций являются сквозные прогары или их крайнее проявление - полное выгорание. Особый интерес при этом представляют единичные или малочисленные прогары в полу. Поскольку полы на месте пожара имеют, как правило, наибольшую сохранность, прогары пола всегда связаны с какими-либо особенностями развития пожара, которые надо непременно выяснить. Локальные прогары с четко очерченными границами образуются при длительном низкотемпературном пиролизе (тлении). Свою особенность имеют прогары, образующиеся при горении горючих жидкостей.
Места нахождения прогаров или полного выгорания деревянных конструкций всегда следует связывать с локальным термическим воздействием. И если в этой зоне не выявляется факторов, формирующих вторичные очаги горения, то она должна восприниматься, как очаг пожара.
Помимо описанных внешних признаков термического преобразования деревянных конструкций, фиксируемых визуально, имеется целый ряд физико-химических свойств древесины, которые меняются при тепловом воздействии, и определение которых возможно лишь с помощью инструментальных методов исследования.
По мере выгорания меняется элементный состав древесины, в частности снижается относительное содержание водорода, кислорода, азота и увеличивается относительное содержание углерода, то есть происходит карбонизация древесины вплоть до образования почти чистого углерода.
Оценивать соотношения различных химических элементов в древесине и, следовательно, степень термических преобразований можно методами элементного анализа[10].
5.3 Инструментальные методы и средства, применяемые для