CC BY
49
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ РАЗЛИЧНОГО ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ВОЗРАСТА
Р.М. АСЕЕВА, проф. каф. пожарной безопасности в строительстве Академии ГПС МЧС России, д-р хим. наук,
Б.Б. СЕРКОВ, проф., начальник учебно-научного комплекса проблем пожарной безопасности в строительстве Академии ГПС МЧС России, д-р техн. наук,
А.Б. СИВЕНКОВ, доц., заместитель начальника учебно-научного комплекса проблем пожарной безопасности в строительстве Академии ГПС МЧС России, канд. техн. наук,
РВ. ДЕГТЯРЕВ, адъюнкт Академии ГПС МЧС России,
Е.Ю. КРУГЛОВ, адъюнкт Академии ГПС МЧС России,
Н.И. ТАРАСОВ, адъюнкт Академии ГПС МЧС России
I I ревесина является одним из древнейших J I строительных, декоративно-отделочных и облицовочных материалов. В наше время древесина находит широкое применение при строительстве жилых, сельскохозяйственных, складских, производственных и животноводческих зданий, промышленных и общественных зданий. В России и Европе интенсивно развивается малоэтажное деревянное строительство, а также строительство зданий и сооружений с применением индустриальных клееных деревянных конструкций.
Срок службы конструкций из древесины при правильной их эксплуатации и своевременных текущих ремонтах может составлять 100 и более лет. Уникальными примерами длительной эксплуатации деревянных конструкций служат Преображенский храм на острове Кижи (1714 г.), Церковь Воскресения в г. Суздаль (1776 г.), Вознесенская кубоватая церковь в с. Кушерека, Онежского района (1669 г.), церковь Спаса в с. Фоминс-кое, г. Кострома (XVIII в.) и многие другие.
Результаты многочисленных исследований древесины свидетельствуют о влиянии различных физико-химических факторов на ее свойства. Вопросы, связанные с изучением влияния объемной массы, влажности, химического и элементного состава древесины на ее эксплуатационные характеристики являются традиционным предметом исследований в области древесиноведения. В последнее время все большую актуальность получают исследования так называемой археологической древесины. Подобные исследования приобретают большую востребованность в реше-
serkov@antip. ru; sivenkov01@mail. ru
нии проблемы обеспечения долговечности конструкций из древесины, эффективного проведения работ по реконструкции памятников деревянного зодчества [1-3].
Исследования процесса старения древесины свидетельствуют о том, что в ней происходят существенные физико-химические изменения, оказывающие влияние на некоторые эксплуатационные характеристики. Особый интерес представляет вопрос о влиянии длительности эксплуатации деревянных конструкций на пожароопасные характеристики. В работе [4] было высказано предположение, что в определенные временные периоды эксплуатации древесина должна быть наиболее пожароопасной. Однако, к сожалению, конкретные сведения об изменении пожароопасных свойств древесины в результате ее старения отсутствуют.
Целью настоящей работы является исследование характеристик тепловыделения хвойных и лиственных пород древесины в зависимости от их эксплуатационного возраста.
В работе проведено сравнительное изучение характеристик образцов хвойных и лиственных пород древесины, подвергнутых ускоренному и длительному естественному старению.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования в работе была взята древесина хвойных (ель, сосна) и лиственных разновидностей (дуб, береза) умеренного континентального климатического пояса, состаренная в естественных или искусственных условиях до определенно-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
139
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
го эксплуатационного возраста. Образцы древесины с памятников деревянного зодчества были любезно предоставлены профессором МГСУ, д.т.н., профессором Покровской Е.Н.
Ускоренное искусственное старение образцов древесины осуществляли по следующей процедуре: кондиционирование проводилось при температуре t = 45-65 °С в течение 7 суток до постоянной влажности. Далее осуществляли их прогрев в течение 10 часов при t = 160 °С и после этого образцы выдерживали в 10 %-ном водном растворе пероксида водорода в течение 12-14 часов. Определенный режим последовательного воздействия на образцы древесины тепла и сильного окислителя в водной среде может способствовать, по мнению [5], искусственному старению и увеличению эксплуатационного возраста древесины до 250 лет.
Низшая теплота сгорания древесины была оценена экспериментально с помощью IKA-калориметра С 5000, а также расчетным путем по данным элементного состава с использованием известного уравнения Д.И. Менделеева. Элементный состав сухих образцов древесины определяли на автоматическом приборе - Карло Эрба 1106 С, Н, N, S анализаторе (Италия).
Для определения основных характеристик тепловыделения при горении древесины был использован проточный калори-
метр типа OSU марки HRR-3 фирмы Atlas, США. Образец древесины 150 х 150 х 10 мм в вертикальной конфигурации подвергали действию теплового радиационного потока мощностью 20, 35 и 52 кВт/м2.
Результаты исследования и обсуждение
Ранее было установлено, что в результате длительной эксплуатации строительных конструкций с применением древесины возможны существенные изменения ее физикохимических свойств. Пожарная опасность древесины различного возраста эксплуатации должна быть обусловлена, прежде всего, изменением содержания основных химических компонентов, элементного состава древесины, а также ее объемной массы.
Особый интерес представляют изменения в результате старения таких характеристик пожарной опасности древесины, как теплота полного сгорания и скорость тепловыделения.
В табл. 1 представлены данные по элементному составу, экспериментальные и расчетные значения низшей теплоты полного сгорания в зависимости от разновидности и эксплуатационного возраста древесины. Прежде всего, можно отметить, что ель и сосна имеют более высокие значения низшей теплоты сгорания, чем древесина лиственной породы.
Т а б л и ц а 1
Элементный состав и значения низшей теплоты сгорания древесины
различных пород и эксплуатационного возраста
Образец древесины С, % Н, % О, % N, % кДж/г б^ кДж/г
Сосна 52,14 5,91 41,95 - 19,6 19,1
Береза 50,58 5,78 43,64 - 18,1 18,22
Дуб 50,40 5,77 43,43 0,090 18,7 18,2
Ель 52,22 6,04 41,74 - 18,9 19,25
Дуб, лавра, 1650 г. 47,03 7,25 45,72 - 18,0 18,3
Сосна, Дом Толстых, 1830 г. 49,38 3,88 46,74 - 15,2 15,52
Ель (искусственно состаренная), 100-150 лет 48,8 11,2 40,0 - 22,7 23,6
Сосна (искусственно состаренная), 100-150 лет 49,2 10,4 40,4 - - 22,87
Дуб (искусственно состаренный), 50-80 лет 48,9 6,43 44,7 - - 18,20
Береза (искусственно состаренная), 50-80 лет 48,7 6,72 44,6 - - 18,45
140
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 1. Изменение скорости тепловыделения древесины ели при воздействии теплового потока 35 кВт/м2
Рис. 2. Изменение скорости тепловыделения искусственно состаренной древесины ели (100-150 лет) при воздействии теплового потока 35 кВт/м2
Из табл. 1 следует, что со временем эксплуатации у большинства образцов древесины наблюдается увеличение содержания высокоэнергетической составляющей элементного состава - водорода, что отражается на значениях низшей теплоты сгорания. При этом содержание углерода и кислорода заметно снижается.
Исключением является древесина сосны, датированная 1830 г., у которой снижает-
ся водород до 3,88 %. Это может объясняться либо периодичностью изменения элементного состава древесины, либо определенными условиями эксплуатации, например, повышенной влажности и подверженности процессам гниения.
В большинстве случаев наблюдается общая тенденция увеличения содержания водорода, что сказывается на теплоте полного сгорания древесины.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
141
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 2
Влияние плотности вешнего теплового потока на характеристики тепловыделения образцов древесины
Образец р, Кг/м3 W, % кВт/м2 V с T1макс, с СТВ, , кВт/м2 т, , с 2макс7 СТВ, , кВт/м2 ОТВ2мин, кВт,мин/м2
20 10 40 94,8 279 202,1 142,5
Ель 422 6,4 35 <10 23 131,2 195 223,2 218,2
52 <10 <20 141,8 159 256,1 270,2
20 10 43 98,2 354 159,3 128,8
Сосна 448 6,0 35 <10 20 129,0 276 203,5 180,6
52 <10 <20 137 247 247,3 202,0
20 23,3 63 104,9 284 321,9 149,3
Береза 567 5,5 35 10 53 157,7 215 400,5 279,9
52 <10 33 190,8 184 459,6 377,2
20 20 67 100,9 362 227,7 127,1
Дуб 638 4,3 35 10 33 131,3 281 245,1 198,0
52 <10 27 161,6 246 312,0 261,6
Ель (100-150 лет) 430 7,2 35 15 20 135 245 207,9 190,7
Береза (50-80 лет) 693 6,2 35 20 - - 261 375 240
Сосна (100-150 лет) 462 6,4 35 17 25 130 268 214 179,9
Дуб (50-80 лет) 626 5,1 35 20 40 125 297 260,6 191,8
Между молекулярным строением и элементным составом древесины существует определенная взаимосвязь. Увеличение содержания водорода может быть обусловлено увеличением содержания ароматической составляющей древесины - лигнина, особенно заметным в случае старения древесины хвойной породы. Изменение низшей теплоты полного сгорания древесины с увеличением ее эксплуатационного возраста отражается на важнейшей характеристике пожарной опасности материалов - скорости тепловыделения. На рис. 1 и 2 представлены результаты огневых испытаний древесины ели и искусственно состаренных образцов ели (100-150 лет) с влажностью 6,4-7,2 %, при воздействии внешнего радиационного теплового потока 35 кВт/м2. На каждом рисунке показаны кривые 3-х повторных опытов. Видно, что скорость тепловыделения имеет ярко выраженные две стадии при горении древесины.
На первой стадии происходит воспламенение горючих продуктов разложения материала. После начала интенсивного обугливания древесины (соответствует максимальному значению скорости тепловыделения первого пика) скорость тепловыделения начинает снижаться. Появление второго пика на кривой скорости тепловыделения при горении древесины вызвано выгоранием образу-
ющегося на поверхности образца древесины углистого слоя. При этом следует отметить, что на интенсивности этого пика может сказываться толщина используемого образца древесины. Наибольшая скорость тепловыделения наблюдается на второй стадии.
В табл. 2 приведены показатели тепловыделения (усредненные по 3 параллельным опытам) при горении древесины разных видов в зависимости от плотности внешнего теплового потока, q .
В этой таблице приведены значения времени начала воспламенения (тв), время достижения максимума первого и второго пика, максимальные скорости тепловыделения на первой и второй стадии и общее тепловыделение за 2 минуты процесса горения (СТВ2 ).
Увеличение плотности внешнего теплового потока вызывает ускорение процесса воспламенения древесины, увеличение скорости тепловыделения и общего тепловыделения при горении в течение 2 минут.
Обращает на себя внимание, что время задержки воспламенения древесины березы и дуба заметно выше, чем у образцов ели и сосны. Это вполне согласуется с тепловой теорией воспламенения материалов, согласно которой существует прямая зависимость времени воспламенения от коэффициентов тепловой активности, крс, или, соответственно,
142
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
кажущейся плотности, р, материала. С увеличением кажущейся плотности, р, затраты времени на нагрев материала до температуры начала пиролиза (температура воспламенения, Тв) возрастают
тв. = п/4 КРс (Тв. - Т)2/Че.
После начала пиролиза и воспламенения горючих продуктов разложения скорость тепловыделения при горении древесины начинает расти до максимального значения (СТВ1мякс), которое соответствует началу интенсивной карбонизации поверхностного слоя. Время достижения первого пика на кривых скорости тепловыделения при одинаковом внешнем тепловом потоке меньше в случае образцов древесины хвойной породы. По-видимому, они быстрее разлагаются и обугливаются из-за повышенного содержания лигнина. Толщина обугленного слоя на поверхности образцов сосны и ели в равных условиях теплового воздействия больше, чем в случае дуба и березы.
Второй пик на кривых зависимости СТВ = f(qe) отражает окисление и выгорание образовавшегося на поверхности древесины практически полностью обуглероженного слоя. Структура последнего, его пористость влияют на скорость реакции взаимодействия с кислородом воздуха.
После интенсивного старения древесины в результате удаления низкомолекулярных легкогидролизуемых гемицеллюлоз и экстрактивных веществ, а также некоторого увеличения кажущейся плотности образцов, наблюдается возрастание значений тв и уменьшение периода (т1тах - тв). Особенно это показательно в случае образцов древесины ели и сосны.
При тепловом потоке qe=35 кВт/м2 значения СТВ1макс для древесины хвойной породы после искусственного старения остаются примерно на прежнем уровне, а в случае образцов дуба происходит снижение СТВ1макс с 131,3 до 125 кВт/м2. Следует отметить, что время достижения максимума второго пика СТВ, т2тах, для образцов современной древесины ели и состаренной составляет 195 и 245 с. Общее тепловыделение за 2 минуты опыта составило 218, 2 и 190,7 кВт мин/м2 соответственно. Тенденция к уменьшению ОТВ2мин наблюдается у состаренных образ-
цов древесины лиственной породы. Общее тепловыделение за все время испытаний для древесины искусственно и естественно состаренной, по всей видимости, будет выше, чем для древесины современной.
Заключение
Временной процесс старения древесины значительно сказывается на изменении ее элементного состава, в частности на содержании водорода и углерода. Установлено, что в результате продолжительной эксплуатации древесины значения полной теплоты сгорания увеличиваются, а максимальная скорость тепловыделения и общее тепловыделение за две минуты огневого испытания уменьшаются. При этом время воспламенения древесины и время достижения скорости тепловыделения своего максимального значения увеличивается, что является следствием возрастания общего тепловыделения за время всего огневого испытания. Этот факт связан с непосредственным временным изменением содержания основных химических и элементных составляющих, а также структуры древесины.
Библиографический список
1. Покровская, Е.Н. Химико-физические основы увеличения долговечности древесины. Сохранение памятников деревянного зодчества с помощью элементоорганических соединений: монография / Е.Н. Покровская. - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 104 с.
2. Тычино, Н.А. Особенности строения и огнебиозащиты археологической древесины / Н.А. Тычино, И.Г. Федосенко, А.В. Баранов // Пожаровзрывобезопасность. - 2007. - № 1. - С. 19-25.
3. Пищик, И.И. Неразрушающая оценка внутренних напряжений в деревянных конструкциях нетрадиционными методами / И.И. Пищик // Строение, свойства и качество древесины. Материалы 3-го международного симпозиума. - Петрозаводск, 2000.
4. Покровская, Е.Н. Прогнозирование долговечности древесины методом термического анализа / Е.Н. Покровская // Пожаровзрывобезопасность. - 2001. - № 6. - С. 31-32.
5. И.И. Пищик, А.А. Кудря, Б.А. Янковский, А.И. Ра-сев, С.Я. Шинаев, Г.Д. Коликов, А.П. Колупаев, А.М. Горлов, Ю.М. Яковлев, Б.М. Ремизов. «Способ ускоренного старения древесины». Авторское свидетельство № 719870. Заявлено 18.04.78. Опубликовано 05.03.80 бюллетень № 9. Дата опубликования 08.03.80. Заявитель: Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт музыкальной промышленности.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
143
