CC BY
52
Пожаровзрывоопасность
веществ и материалов
УДК 614.841
ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
II. ТОКСИЧНОСТЬ ЛЕТУЧИХ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ, ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ*
Д. В. Трушкин
ГПС МЧС России Омской области
Рассмотрены основные закономерности, присущие процедурам стандартных испытаний строительных материалов на токсичность летучих продуктов сгорания, воспламеняемость и распространение пламени. Исследована возможность использования различных динамических характеристик, регистрируемых при проведении вышеуказанных испытаний, для оценки пожарной опасности строительных материалов.
3. Оценка показателя токсичности летучих продуктов сгорания строительных материалов на основе анализа экспериментальных зависимостей "концентрация токсиканта — время"
Современные перспективы развития отечественного метода экспериментального определения показателя токсичности летучих продуктов горения полимерных материалов заключаются в постепенной замене биологического метода испытания на экспериментально-расчетный, позволяющий рассчитывать показатель на основе определения средних концентраций токсичных газов, выделение которых контролируется при испытаниях [1].
Ввиду специфики испытаний (2, п. 4.20) токсичность среды в замкнутом объеме испытательной установки нарастает постепенно и характеризуется как процессами термического разложения образца, так и диффузионными процессами. Поэтому при применении экспериментально-расчетного метода для количественной оценки токсического эффекта необходима точная регистрация зависимостей "концентрация - время" С1 (т) для каждого из контролируемых токсикантов.
На основе полученной зависимости Сг- (т) определяется средняя концентрация за время экспозиции т оп :
* оп
I С, (т )ё 1
С =
Полученная величина Сср для каждого токсиканта сравнивается затем со справочным значением величины концентрации этого же токсиканта, принятой за среднесмертельную (СЬ50,) в заданном интервале времени т оп. На основании данного сравнения делается вывод о показателе токсичности испытанного материала [1].
Здесь сразу же возникает несколько вопросов, требующих разрешения:
- необходимость непрерывного измерения концентрации каждого из 5 - 6 основных выделяющихся токсикантов (что порой не всегда возможно из-за отсутствия соответствующего оборудования);
- запись зависимостей С1 (т) и математическая обработка результатов для получения величины Сср1;
- оценка корректности сравнения полученных средних величин Сср с величинами концентраций этих токсикантов, принятых за средние
Часть I см. "Пожаровзрывобезопасность", 2002. Т. 11. № 6. С. 32 -37.
0
оп
4=
Время экспозиции, мин
РИС. 4. Характерные зависимости "концентрация - время" для основных токсикантов СО и С02, полученные в условиях стандартных испытаний (п. 4.20 ГОСТ 12.1.044-89). Материал — полиэтиленовая пленка марки Н по ГОСТ 10354-82; режим— термоокислительное разложение (ТОР); плотность теплового потока — 32,5 кВт/м2; масса образца — 2,0 г; время работы нагревателя — 6 мин
-700°С
Время, мин
РИС. 5. Изменение концентрации HCl в предкамере установки "ТПГ" (п. 4.20 ГОСТ 12.1.044-89) при термоокислительном разложении образцов ПВХ профиля при различных тепловых потоках (время экспозиции — 30 мин; V =0,11 м3; mogp = 12,0 ± 0,5 г). Значками обозначены точки пробоотбора (по данным Комовой М. А., ФГУ ВНИИПО МЧС России)
смертельные (при постоянной воздействующей концентрации за определенный временной промежуток токсического воздействия) СЬ50, (т оп), особенно в случае, если в течение небольшого интервала времени концентрация анализируемого токсиканта значительно превышает сред-несмертельную.
Необходимо заметить, что наряду с вышеуказанными проблемами всегда остается вопрос, насколько аддитивен вклад каждого из анализируемых токсикантов в показатель токсичности и насколько выбранные для регистрации токсиканты определяют суммарный токсический эффект.
Именно решение вышеперечисленных вопросов позволит эффективно работать экспериментально-расчетному методу и обеспечивать приемлемую сходимость с контрольным (биологическим) экспериментом.
Необходимость непрерывного контроля концентраций токсикантов обусловлена не только процессами термического разложения (горения) образца и диффузии. Во многих случаях образовавшиеся летучие продукты также охлаждаются, частично конденсируются, сорбируются, вступают между собой и с кислородом воздуха в химические реакции. Если образующиеся основные токсиканты СО и СО2 обладают достаточно высокой химической стабильностью (см. рис. 4), то что касается других токсикантов (например, цианистый водород ИСК,
оксиды азота NxOy хлористый водород HCl, акролеин CH2CHCHO, формальдегид и др.), то здесь могут наблюдаться различные эффекты.
В качестве примера можно привести результаты испытаний поливинилхлоридного (ПВХ) профиля (рис. 5). Как видно из результатов испытаний, в течение 30-минутного стандартного опыта концентрация хлористого водорода HCl, выделяющегося из образца ПВХ материала, в замкнутом объеме изменяется очень существенно.
Хотя вариант измерения концентрации HCl с использованием химических газоопределителей (индикаторных трубок) имеет ряд ограничений (дискретность пробоотбора, его длительность по отношению ко времени эксперимента и большая погрешность газового анализа, зависящая к тому же от диапазона измеряемых концентраций), тем не менее в серии опытов при разложении образцов по-ливинилхлоридного профиля при температурах 600, 650, 700 °С (соответственно при тепловых потоках 38,0; 44,0; 52,5 кВт/м2) в течение 30 мин в стандартизованных условиях (2, п. 4.20]) были выявлены характерные зависимости.
В результате проведенных измерений установлено, что условия эксперимента существенно уменьшают реально воздействующее на животных количество HCl по сравнению со стехиометрически выделяющимся, а при наличии высокой концентрации HCl в определенном кратковременном диапа-
зоне средняя концентрация газа [НС1]ср за 30-минутный интервал остается значительно ниже сред-несмертельной концентрации (CL50hci).
Таким образом, учитывая характер приведенных на рис. 5 временных зависимостей, можно предположить, что в некоторых случаях отягчающее действие HCl спрогнозировать будет чрезвычайно сложно, особенно в комбинации с другими токсикантами, также образующимися в условиях стандартных испытаний.
При этом даже непрерывная регистрация концентраций токсикантов не позволит с достаточной долей уверенности спрогнозировать влияние эффекта "токсического удара" (кратковременного, но значительного превышения максимального значения концентрации токсиканта над средним). Сравнение рассчитанного среднего значения времени экспозиции животных с соответствующим этому времени значением CL50, при изолированном воздействии может оказаться здесь явно недостаточным, т.к. не исключена ситуация, когда влияние кратковременного "токсического удара" какого-нибудь из токсичных компонентов окажется вполне достаточным для летального исхода, в то время как среднее значение токсической концентрации окажется меньше среднесмертельной CL50 .
Можно также предположить, что зависимости, аналогичные представленным нарис. 5, достаточно типичны и могут наблюдаться для других высокореакционных или конденсирующихся токсичных летучих продуктов термического разложения.
Таким образом, основная задача инструментального метода должна состоять не только в выборе наиболее токсичных компонентов и непрерывной регистрации их концентраций, но также и в оценке (на основе анализа набора зарегистрированных зависимостей "концентрация токсиканта -время") их суммарного и, в особенности, динамического влияния.
Решение данной проблемы позволит не только отказаться от использования негуманного метода определения токсичности летучих продуктов сгорания строительных материалов, но и более обосновано прогнозировать на основе уже имеющихся литературных данных возможное влияние на организм многокомпонентной токсичной среды, образующейся в процессе возникновения и развития пожара.
4. Оценка воспламеняемости строительных материалов на основе анализа экспериментальных зависимостей "плотность теплового потока — время воспламенения"
Наличие характерных зависимостей "время воспламенения - плотность теплового потока" т = f (q) при испытаниях на установке ISO 5657 (российский аналог ГОСТ 30402-96 [3]) было установлено и ис-
следовано в работе [4]. Однако конкретных способов применить полученные зависимости для определения способности материала к воспламенению, кроме как для оценки методом экстраполяции порогового значения соответствующего времени термического воздействия 900 с (которое может быть определено и экспериментальным путем) предложено не было. В то же время именно в зависимости т = / (д) содержится наиболее ценная информация о воспламеняемости материала, которая может быть использована для моделирования его поведения в условиях реального пожара.
В настоящее время в стандарте [3], при классификации материалов по воспламеняемости, такой параметр, как время воспламенения никаким образом не учитывается, хотя и фиксируется. В то же время использование при классификации лишь порогового значения плотности теплового потока, при которой в течение более чем 900 с не наблюдается воспламенение, может приводить к парадоксальным результатам.
Например, что считать более опасными с точки зрения воспламеняемости (табл. 3), материалы относящиеся к группе В3 (легковоспламеняемые) или к группе В2 (умеренновоспламеняемые)?
Как видно из результатов испытаний, представленных в табл. 3, для воспламенения материалов 1 и 2 нужна меньшая критическая плотность теплового потока, чем для материалов 3 - 6, но с другой сторо-
ТАБЛИЦА 3. Результаты испытаний строительных материалов на воспламеняемость по ГОСТ 30402-96
Время воспламенения при плотности теплового потока,с
№ Наименование материала
15 20 30 кВт/м2 кВт/м2 кВт/м2
Группа воспламеняемости по
1 Кровельный рулонный полимерный материал "Элон-У", ТУ 38 305-8-324-99
ГОСТ 30402-96 В3 341 211 77
2 Плиты волокнистые
394 167
81
Группа воспламеняемости по ГОСТ 30402-96 В2
3 2
3 Плиты пенополистирольные ПСБ-С-25, ГОСТ 15588-86
4 Потолочные звукоизоляционные плиты, ТУ 5772-001-43982982-2000
18
5 Плиты пенополистирольные ПСБ-С-25, ГОСТ 15588-86
25
6 Плиты пенополистирольные экструзионные "Экстрапен", ТУ 2244-018-32286133-99 (антипирированные)
33 13
ны, время предварительного прогрева материалов 1 и 2 значительно превышает время предварительного прогрева образцов материалов 3-6, что позволяет сделать вывод, что для воспламенения образцов 1 и 2 требуется подвести значительно больше энергии.
В то же время, согласно классификации [3], они попадают в различные группы по воспламеняемости. Образцы 1 и 2 — в более опасную группу В3, а образцы 3-6 — в менее опасную группу В2.
Таким образом, критическим параметром при классификации материалов по воспламеняемости должна являться не только величина критической поверхностной плотности теплового потока (КППТП), но и время воспламенения, точнее зависимость х = f (q). Можно предположить, что наиболее опасными, с точки зрения воспламеняемости, являются
42
материалы, у которых S = | х (q )dq ^ min, где q1 —
41
плотность теплового потока, соответствующего границе групп воспламеняемости (при которой в течение 900 с воспламенения не наблюдалось); q2 — максимальное значение теплового потока в условиях испытаний (согласно [3], q2 = 50 кВт/м2).
Очевидно, что материалы 1 и 2 (см. табл. 3) подойдут к граничному значению теплового потока (20 кВт/м2) со значительно большими величинами S, чем материалы 3 - 6.
Ввиду того, что пожар является нестационарным процессом и характеризуется непрерывным нарастанием температур и тепловых потоков, вряд ли можно считать абсолютно надежным критерием воспламеняемости КППТП без учета того, как быстро материал способен воспламениться при других тепловых потоках, более высоких, чем КППТП.
5. Оценка способности строительных
материалов к распространению пламени по поверхности на основе анализа экспериментальных зависимостей "глубина распространения фронта пламени — время"
Метод испытаний по ГОСТ Р 51032-97 оперирует при классификации строительных материала по способности к распространению пламени по поверхности параметром КППТП, при которой материал не способен к дальнейшему распространению пламени. В данном методе испытаний также может наблюдаться ситуация, когда материалы, имея близкие значения КППТП, достигают данной критической точки поверхности за различное время.
Распространение фронта пламени в условиях испытаний характеризуется различными зависимостями v(x), где v — скорость распространения фронта пламени, х — время испытания. Очевидно, что зависимость v(x) имеет очень важное значение для динамики распространения пожара и было бы
целесообразно использовать ее при классификации строительных материалов.
Не исключено, что при построении адекватной физической модели распространения фронта пламени в условиях стандартных испытаний данные характеристики, применяя масштабный фактор, станет возможным использовать и при моделировании распространения пламени на различных объектах в условиях реального возникновения и развития пожара.
Для использования при моделировании распространения пламени по поверхности в условиях реального пожара данных, полученных в условиях лабораторных испытаний, большое значение будет иметь оптимальное соответствие между лабораторным и реально наблюдающимся распределениями поверхностной плотности теплового потока.
Заключение
В настоящее время в отечественной методологии испытаний строительных материалов на пожарную опасность регистрируются и используются при классификации критические значения физических величин, и никаким образом не учитывается динамика их изменения. В то же время проведенный в статье анализ позволяет сделать вывод, что в действующих методиках существует возможность получения различных динамических характеристик, несущих весьма полезную информацию о потенциальной пожарной опасности материалов.
Учитывая нестационарность процесса развития реального пожара, представляется весьма перспективным направление дальнейшего совершенствования методов испытаний, позволяющих исследовать динамику различных испытательных процессов, а также использовать динамические характеристики при классификации материалов по степени пожарной опасности и, возможно, при моделировании поведения материалов в условиях реального пожара.
Необходимо заметить, что временные зависимости характеристик пожарной опасности более чувствительны к различным внешним факторам и поэтому немаловажным представляется параллельное совершенствование метрологических и калибровочных процедур, позволяющих учитывать влияние на процесс испытания различных факторов и жестко контролировать их влияние. Именно одновременное решение этих двух вопросов (использование при классификации динамических характеристик и разработка надежных метрологических и калибровочных процедур) позволит достичь лучшей сходимости и воспроизводимости результатов, получаемых в различных лабораториях, повысит надежность получаемых результатов и приемлемый уровень их использования в системе противопожарного, в особенности "гибкого", нормирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иличкин В. С., Смирнов Н. В., Зайцев А. А. и др. Актуальность и направленность переработки ГОСТ 12.1.044-89 в части определения показателя токсичности продуктов горения материалов // Материалы XVI научно-практической конференции "Крупные пожары: предупреждение и тушение". ВНИИПО, Москва, 2001. — М., 2001. С. 196 - 197.
2. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
3. ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость.
4. Колчев Б. З., Филин Л. Г., Криворучко В. С. Оценка воспламеняемости полимерных материалов согласно стандарту ИСО 5657 // Пожарная опасность материалов и средства огнезащиты: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. С. 3 - 11.
5. ГОСТ Р 51032-97. Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени.
6. Трушкин Д. В. Развитие методологии испытаний строительных материалов на воспламеняемость и распространение пламени // Пожаровзрывобезопасность. 2002. Т. 11. № 6.
7. Татаров В. Е. Система противопожарного нормирования в строительстве // Пожаровзрывобезопасность. 2001. Т. 10. № 4. С. 21 - 25.
Поступила в редакцию 09.12.02.
