Исследование после пожара обугленных остатков древесины и древесных материалов

Древесина любого дерева состоит из тесно сросшихся клеток, чрезвычайно разнообразных по своей величине и форме и имеющих полость и одревесневшие оболочки. Элементарные клетки образуют древесные волокна, которые располагаются главным образом вдоль ствола.

Древесина состоит из органических веществ (98,9 – 99,7 %), бо́льшая часть которых представляет собой высокомолекулярные соединения, и небольшого количества минеральных компонентов (0,3 – 1,1 %), остающихся при сгорании в виде золы. В среднем абсолютно сухая древесина содержит 49,4 – 50,2 % углерода, 6,1 – 6,9 % водорода, 43,6 – 45,2 % кислорода и обычно 0,9 – 1,3 % азота.

Макроструктура – строение древесины, видимое невооруженным глазом или через лупу. На торцевом разрезе видны годовые слои в виде концентрических колец. Древесина, образующаяся весной, имеет более тонкостенные клетки, чем древесина, образующаяся летом и осенью. Поэтому весенняя (ранняя) древесина имеет более светлую окраску, чем осенняя (поздняя). Прочность поздней древесины выше, чем ранней.

Микроструктура древесины определяется сросшимися между собой различной формы и величины клетками. Группу клеток одного вида, выполняющих одну функцию, называют тканью. В древесине различают проводящую (сосудистую), механическую и запасающую ткани.

Химический состав древесины очень сложен. Клеточные стенки, образующие древесину, состоят в основном из целлюлозы, гемицеллюлоз (пентозаны и гексозаны) и лигнина.

Целлюлоза (от латинского слова «cellula» - клетка) иногда называемая клетчаткой, имеет волокнистое строение и представляет собой высокомолекулярное химическое соединение с большой и сложной цепной молекулой, насчитывающей тысячи звеньев. Такая молекула имеет длину до 0,005 мм.

Целлюлоза – стойкое химическое соединение, не растворяющееся в спирте, воде, эфире, ацетоне и других обычных растворителях. В абсолютно сухой древесине содержится 40 – 50 %. целлюлозы.

Гемицеллюлозы (от греческого «hemy» - полу) представляют собой сложную смесь полисахаридов (гексозаны, пентозаны и полиурониды). Они отличаются от целлюлозы меньшей химической стойкостью и длиной цепи. Содержание гемицеллюлоз зависит от породы древесины: у хвойных 17 – 20 %, у лиственных 30 – 35 %.

Лигнин (с латинского «lignum» - дерево) – сложная смесь органических веществ, содержащая большее количество углерода, чем целлюлоза (61 – 65 %), и придающая стенкам клеток твердость. Содержание лигнина в древесине колеблется от 17 до 30 %.

В полостях расстенок клеток древесины содержатся также дубильные и красящие вещества, смолы и камеди, эфирные масла и алкалоиды.

На физические свойства древесины значительное воздействие оказывает влажность. Влага, содержащаяся в стенках клеток, называется гигроскопической. Насыщение водой стенок клеток возможно как при погружении древесины в воду, так и из окружающего влажного воздуха, т.е. гигроскопическим путем. Влага, содержащаяся в полостях и межклеточном пространстве древесины, называется капиллярной. Насыщение межклеточного пространства и внутренних полостей клеток водой возможно только при погружении древесины в воду.

Каждому температурно-влажностному состоянию соответствует определенная влажность древесины, которой она стремится достигнуть, поглощая или отдавая влажность воздуху.

Величина влажности для разных пород колеблется от 25 % до 35 %, для многих из них она составляет 30 %. Это значение принято в качестве нормируемого предела гигроскопичности. При длительном хранении древесины на воздухе ее влажность снижается до 15 – 20 %. Древесину такой влажности называют воздушно-сухой, с влажностью выше 20 % - влажной и с влажностью 8 – 20 % комнатно-сухой. Усушкой называется процесс уменьшения размеров при отдаче древесиной гигроскопической влаги, набуханием – увеличение размеров при ее поглощении.

Истинная плотность древесины всех пород равна примерно 1,54 г/см³. Теплопроводность сухой древесины (сосны) поперек волокон равна 0,17, вдоль – 0,3 Вт/(м С). Теплопроводность повышается с увеличением средней плотности древесины и ее влажности.

Механические свойства древесины зависят от направления действующей нагрузки, влажности, породы дерева и наличия пороков. Вдоль волокон древесина имеет высокие механические свойства, поперек низкие.

Итак, древесина является неоднородным материалом, обладающим к тому же свойством анизотропии. Из-за различного строения, а также ориентации клеток тканей, составляющих древесину, ее структура и свойства изменяются неодинаково по разным направлениям. Это сказывается на особенностях поведения древесины при нагреве и в частности при ее горении.

Еще более разнообразно ведут себя при горении различные композиционные материалы из древесины и продуктов ее переработки с добавлением связующих, которые могут быть получены несколькими методами:

1) склеиванием и армированием балок;

2) прессованием древесины;

3) прессованием дробленых отходов древесины;

4) прессованием отдельных листов.

В настоящее время применяются самые различные сочетания дерева с разнообразными связующими материалами, гипсом, цементом, известью, смолами. Для получения древесноволокнистых, древесностружечных и древесно-опилочных плит, обладающих теплоизоляционной способностью, малой звукопроводимостью используются отходы лесопильной и деревообрабатывающей промышленности.

Для изготовления древесноволокнистых плит, измельченные в волокно отходы лесозаготовок, целлюлозно-бумажных предприятий перемешивают с пропиточными составами, которые придают будущему строительному материалу морозо- и огнестойкость, водонепроницаемость, повышенную прочность, со связующей эмульсией и прессуют.

Для связывания волокнистой массы при сухом методе производства плит используют парафиновую и канифольную эмульсии, талловый клей, петролатум сырое сульфатное мыло и прочее.

Изоляционные плиты используются для тепло- и звукоизоляции.

Полутвердые плиты используются как заменители мокрой штукатурки, для внутренней обшивки потолков, стен, для устройства встроенной мебели.

Твердые плиты выпускаются как окрашенные, так и неокрашенные. Твердые облицовочные плиты покрыты текстурной бумагой, белыми цветными эмалями или пленкой смол.

Древесностружечные плиты изготовляют способом горячего прессования стружек, опилок, обрезков, пропитанных водным (5 – 10 %-ным) раствором синтетических смол.

Плиты могут применяться как в необлицованном виде, так и облицованные шпоном, клееной фанерой, полистирольной пленкой или декоративными пластинами.

Легкие плиты используются для тепло- и звукоизоляции. В них во время прессования могут быть сделаны трубчатые продольные полости или пустоты, которые не только уменьшают вес плит, но и улучшают их теплоизоляционные свойства.

Полутяжелые плиты применяются для облицовки стен и потолков, изготовления дверных полотен, перегородок, полов, плинтусов, кухонной и встроенной мебели.

Фанера состоит из нескольких склеенных между собой противоположно направленных тонких слоев древесины (шпона).

Выпускается несколько видов фанеры: клееная, специальная, облицованная, тепловая, огнестойкая, армированная, металлизированная, гофрированная и другие.

Металлизированную фанеру получают путем опыления обычной фанеры порошковидным или расплавленным металлом, который образует на ее поверхности сплошное металлическое покрытие.

Огнестойкую фанеру получают из пропитанного антипиренами шпона или при покрытии обычной фанеры асбестом. Такая фанера самостоятельно не горит и не тлеет даже при местном воздействии источника высокой температуры (800 – 1000 ⁰С) и не распространяет пламени по поверхности.

Фанера нашла широкое применение в самых различных отраслях промышленности. Из нее изготовляют до 10 000 различных изделий.

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 200-250 ^оС. Однако при достаточно длительном нагреве указанные процессы могут происходить и при температурах, начиная от 120 ^оС. При температуре 250 - 300 ^оС 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 бо́льшая или ме́ньшая склонность материала к тлению. Так, лигнин нагретый до температуры 400-500 ^оС 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 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 – 400 ^оС 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 %.

Древесные смолы, получающие при любых процессах термического разложения древесины, представляют собой темную, вязкую жидкость, содержащую десятки разнообразных химических соединений. Выход древесной смолы из кубометра древесины колеблется в довольно широких пределах – от 18 до 55 кг. Больше всего в древесных смолах содержится фенолов, органических кислот и их производных.

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 240-260 ^оС. Температура же, при которой могут начаться процессы, способные привести к тлеющему горению при достаточной длительности теплового воздействия, как уже указывалось, могут быть в пределах 120 ^оС. 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 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 или 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 протоколе осмотра 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 (h_у), измеряемой протыканием, величину потери сечения деревянной конструкции (h_п).

H = h_у + h_п

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. 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.

Величины глубин обугливания можно и нужно использовать лишь как сравнительные показатели степени термического поражения древесины в различных зонах пожара. Часто дознаватели и 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 (R_w) от теплового пока по Д. Драйзделу выражается формулой:

R_w = 2,2 ∙ 10^-2 ∙ I, мм/мин,

где I - тепловой поток, воздействующий на поверхность древесины, кВт/м².

При температуре 1100 ^оС, которая достигается в отдельных зонах помещения на пожаре, излучение черного тела составляет 200 кВт/м². В этом случае скорость обугливания R_w составит 4,4 мм/мин.

А общий диапазон колебаний R_w на пожаре в зависимости от теплового потока или соответствующей температуры пиролиза может составить: 0,3÷4,5 мм/мин, т.е. различаться в 15 (!) раз.

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.

Также по мере выгорания снижается способность древесины образовывать летучие продукты, состоящие из продуктов полного или неполного сгорания органических компонентов древесины. Эту способность оценивают по так называемому остаточному содержанию летучих веществ или, что то же самое, по величине потери массы образца при прокаливании, определяемым методами термического анализа. Эти методы включают в себя как простейший весовой (тигельный) термический анализ, так и различные варианты дифференциального термического анализа (ДТА). Если тигельный метод, как и элементный анализ, могут использоваться лишь для сравнительной оценки степени термического поражения различных образцов, то ДТА позволяет решать и ряд более сложных задач. В частности по величине площади экзотермического пика на кривой ДТА можно количественно оценивать степень термических поражений, связанных с выгоранием угля. Метод ДТА дает возможность устанавливать групповую принадлежность неизвестного материала, делать вывод о его потенциальной пожароопасности и способности к горению, оценивать качество огнезащиты антипирированной древесины.

Одна и та же степень термического поражения древесины может быть следствием длительного горения при относительно низких температурах или кратковременного горения при высоких температурах. Установить раздельно длительность и температуру горения – довольно сложная задача, которая, однако, может быть успешно решена при помощи метода измерения электросопротивления обугленных остатков древесных материалов, разработанного в 1980-е годы в Ленинградском филиале ВНИИПО под руководством И.Д. Чешко. Метод основан на совместном определении глубины обугливания древесины и удельного электросопротивления угля, отобранного в точке замера.

С увеличением степени карбонизации связано изменение важного для выявления очага пожара свойства древесины – электросопротивления образующегося при горении угля, которое снижается в очень больших пределах по мере ее выгорания. Неизмененная древесина представляет собой диэлектрик, то есть ее электросопротивление равно бесконечности. Электросопротивление обугленной древесины зависит от температуры пиролиза. Древесный уголь, образующийся при сравнительно высоких температурах пламенного горения имеет величину удельного электросопротивления в диапазоне 1÷10 Ом∙см., а уголь тления, образовавшийся при сравнительно низких температурах - величины порядка 1∙10⁸ -1∙10⁹ Ом∙см.

Исследовать степень термического поражения древесных материалов, полученную при сравнительно невысоких температурах можно путем измерения люминесценции экстрактов образцов пиролизованной древесины. Содержащиеся в древесине экстрактивные компоненты обладают способностью флуоресцировать под воздействием ультрафиолетового излучения. С увеличением степени термического преобразования количество экстрактивных компонентов в древесных материалах снижается, и соответственно снижается способность к флуоресценции. В частности, диапазон температурного воздействия, в котором можно достаточно уверенно с помощью флуоресценции выделять зоны большего или меньшего термического поражения имеет для сосновой древесины верхнюю границу 250 ^оС; для древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит - 200 ^оС, для фанеры - 300 ^оС.

Отбирать пробы пиролизованной древесины и древесных углей на местах пожаров следует на обугленных участках деревянных конструкций, там, где слой угля не поврежден с тем, чтобы на анализ поступил самый верхний слой изучаемого образца. С поверхности угля кисточкой смахивают золу и остатки пожарного мусора, после чего аккуратно срезают верхние 3-5 мм угля. Для проведения всех видов лабораторного анализа достаточно не более 3-5 г угля. При изучении углей методом измерения удельного электросопротивления в точке отбора предварительно измеряют глубину обугливания. При использовании сравнительных методов исследования углей необходимо, как и в случае изучения всех других конструкционных материалов, строго придерживаться принципа отбора проб на одной высоте. Количество и частота обора проб не регламентируются и зависят от размеров изучаемой площади пожара и требуемой точности определения очаговой зоны. Пробы угля упаковывают в полиэтиленовые или бумажные пакетики, нумеруют, оформляют изъятие проб в соответствии с процессуальными нормами и отправляют на исследование в лабораторию.

Дата добавления: 2014-11-29