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: