Баратов - Пожарная опасность строительных материалов
Рассмотрены процессы воспламенения, горения и тушения строительных материалов, дана характеристика их пожарной опасности.
Описаны способы снижения горючести строительных материалов, подавления процессов дымообразования при их горении, уменьшения токсичности продуктов горения. Изложены отечественные и зарубежные методики испытаний строительных материалов по пожарной опасности.
Для инженерно-технических работников пожарной охраны в предприятии промышленности строительных материалов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, принятых на XXVII съезде КПСС, указано на необходимость улучшения структуры применяемых строительных конструкций и материалов, расширения использования эффективных видов металлопроката, пластмасс, смол, полимеров, прогрессивных изделий из древесины, керамических и других неметаллических материалов.
Внедрение перечисленных материалов в строительстве позволяет повысить Технологичность возведения зданий и сооружений, сократить трудозатраты на их строительство, улучшить технико-экономические показатели работы строительных организаций. Но одновременно с этим возрастает и опасность возникновения пожаров.
Статистика показывает, что число пожаров и ущерб от них непрерывно растут. Особую тревогу вызывает рост числа жертв пожара. В определенной мере это связано с повышением пожарной опасности современных зданий и сооружений, обусловливаемым возрастающим применением синтетических строительных материалов. При горении эти материалы выделяют опасные для людей вещества. Роль опасных факторов пожаров в современных зданиях и сооружениях усугубляется тенденциями увеличения их размеров и особенно высоты (этажности). При этом усложняется эвакуация людей. К большим материальным ущербам приводят даже локальные пожары в промышленных зданиях с дорогостоящим оборудованием (например, в вычислительных центрах). Все это вызвало во всем мире интенсивный рост исследований многочисленных проблем, связанных с повышением пожарной безопасности в промышленном и гражданском строительстве, В нашей стране, в частности, разработаны основополагающие нормативные документы (ГОСТ, СНиП, ОНТП и т. п.), регламентирующие проектирование и эксплуатацию различных объектов, а также принципы, критерии и методы оценки пожарной опасности веществ и материалов.
Литература по пожаро - и взрывоопасным свойствам газов и жидкостей, пожарной» профилактике технологических процессов с их применением довольно обширна. Сведения же о пожарной опасности строительных материалов и особенно современных полимерных строительных материалов весьма ограничены, а обобщающий и систематизирующей эти сведения публикации до сего времени не было. В значительной степени это связано с чрезвычайной сложностью комплекса взаимосвязанных явлений, протекающих при горении твердых материалов, и отсутствием общепринятой теории процесса. Поэтому до сего времени еще не нашли окончательного решения вопросы методологии оценки пожарной опасности твердых веществ и материалов, что обусловило, например, существование в настоящее время нескольких методов определения некоторых показателей пожарной опасности твердых материалов. Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена анализу теоретических представлений о горении, изложению экспериментальных и расчетных методов оценки пожарной опасности, а также способам и средствам снижения горючести материалов, применяемых в строительстве.
Описание методов определения показателей пожарной опасности строительных материалов в данной книге проведено в соответствии с новым стандартом «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» [(ГОСТ 12.1.044—84; СТ СЭВ 1495—79). Согласно этому стандарту к показателям пожароопасное! и твердых (в частности, полимерных)] материалов, непосредственно характеризующих горючесть и предельные условия возникновения горения, относятся еще коэффициент дымообразования и токсичность продуктов сгорания. Поэтому излагаются также физические основы и методы определения и этих показателей. Естественно, что читателям важно получить представления не только о пожароопасности материалов, но и о том, как наиболее успешно ликвидировать загорания и пожары различных материалов, как наиболее рационально организовать противопожарную защиту конкретного объекта. С этой целью в книгу включены главы, содержащие сведения об огнезащите строительных материалов и о средствах и способах пожаротушения, а также данные испытаний большого числа различных материалов, применяемых в строительстве.
Авторы считают своим долгом подчеркнуть, что в связи с отмеченными выше недостаточной разработанностью вопросов оценки предельных условий горения твердых материалов, многочисленностью и Своеобразием явлений, обусловливающих этот процесс, при написании книги они встретились с большими трудностями но, по-видимому, не избежали неточностей при систематизации и изложении столь сложных вопросов. Авторы будут признательны читателям за замечания и пожелания, которые будут учтены при последующих изданиях книги.
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Общие сведения о горении
Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света. Наука о горении — чрезвычайно многосторонняя область, весьма обширная и во многом еще противоречивая. Поэтому некоторые специалисты считают, что термину «горение» трудно дать четкую трактовку.
Проявления горения весьма разнообразны. Это, например, быстрое сгорание горючих паров в двигателях внутреннего сгорания, регулируемое сжигание топлива в энергетических установках и т. д. В данной книге горение рассматривается применительно к явлениям, связанным с пожаром, который характеризуется как неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб [1].
Для возникновения и развития горения необходимо одновременное сочетание горючего вещества или материала, окислителя (обычно кислорода воздуха) и источника зажигания (при возгорании), причем эти факторы должны сочетаться в определенных количественных соотношениях. В случае, когда соотношение между компонентами горючей системы (совокупность горючего и окислителя) таково, что сгорание происходит полностью и в продуктах сгорания отсутствуют исходные компоненты, имеют дело со стехиометрическои горючей системой.
На пожарах, как правило, горение происходит с недостатком окислителя, что приводит к образованию неполных продуктов сгорания. Горение некоторых веществ (ацетилен, окись этилена и др.), способных при разложении выделять большое количество тепла, возможно и в отсутствие окислителя.
Горение зависит от условий образования горючей среды, теплообмена с окружающей средой, отвода продуктов сгорания и многих других факторов. Все это объясняет многообразие видов горения. В зависимости от свойств горючей системы горение может быть гомогенным и гетерогенным, предварительно перемешанных компонентов, и диффузионным, ламинарным и турбулентным и т. д.
Горение различных, в том числе твердых материалов, как правило, происходит в газовой фазе. Для некоторых твердых материалов (например, каменных углей) характерен переход от пламенного горения спустя определенное время, в течение которого завершится выделение летучих компонентов, к горению непосредственно конденсированной фазы, проявляющемуся в появлений раскаленной поверхности. Такое горение является гетерогенным. К особому его виду относится тление, для которого характерны как накал конденсированной фазы, так и близко примыкающее к твердой поверхности гомогенное пламя. Сущность этого вида горения изучена недостаточно. Наиболее часто с ним встречаются при горении целлюлозных материалов (древесина, хлопок и т.д.). По-видимому, к тлению склонны также материалы, которые имеют в составе своих молекул небольшое (по сравнению с массой остальных элементов) количество кислорода. Нередко под тлением понимают беспламенное горение. По-видимому, это определение является недостаточно точным, поскольку известны не подверженные тлению, но способные беспламенно (в виде накала) гореть материалы (например, некоторые металлы). Очевидно, только высокопористые неплавящиеся горючие материалы, в порах которых имеется некоторое количество кислорода, достаточное для окисления некоторой части газообразных продуктов пиролиза, склонны к тлению. Режим горения в виде тления занимает, очевидно, промежуточное положение между режимами сугубо гетерогенного горения (в виде накала поверхности материала) и обычного диффузионного горения. Важно подчеркнуть, что некоторые материалы (например, древесина) в зависимости от условий могут гореть и в режиме тления, и в режиме пламенного диффузионного горения. Основным внешним условием горения материалов в виде тления является недостаток поступающих к горящему материалу кислорода и тепла. Если при гомогенном горении горючее вещество и окислитель не перемешаны, то происходит диффузионное горение. Такой характер горения наблюдается, например, при поступлении потока горючих паров в воздух.
При горении твердых материалов такой поток образуется в результате их разложения (пиролиза) при нагреве или испарения (для плавящихся материалов). Горение при этом лимитируется либо диффузией воздуха в зону пламени, либо интенсивностью потока горючих паров, либо обоими процессами. Пожары, как правило, характеризуются диффузионным турбулентным горением. Общей чертой всех явлений и видов горения является высокая экзотермичность химических превращений.
Особенностями горения на пожаре являются способность самопроизвольного распространения огня по материалам (строительным конструкциям), интенсивное дымообразование, выделение больших количеств продуктов сгорания (в том числе продуктов неполного сгорания, обладающих повышенной токсичностью).
Способностью, распространения огня характеризуется важнейший показатель пожароопасности твердых материалов — горючесть. Важной особенностью всех процессов горения является тот факт, что химические превращения должны идти с самоускорением. Горение может проявляться в виде процессов самовоспламенения и стационарного горения (распространения пламени).
Самовоспламенение — это самопроизвольное возникновение пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси. Процесс самовоспламенения может проявиться лишь в виде кратковременной вспышки и не обязательно сопровождается устойчивым горением.
В отличие от самовоспламенения стационарное горение характеризуется образованием устойчивого пламени (факела при диффузионном горении). В случае ламинарного горения предварительно перемешанных смесей газообразного горючего с воздухом (простейший вид горения) фронт пламени распространяется по холодной свежей смеси.
Пламя — это видимая зона горения, характеризующаяся свечением и излучением тепла. Возникшее в результате воспламенения (зажигания) или самовоспламенения пламя само становится источником непрерывного потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси.
При турбулентном диффузионном горении структура очага горения и способ распространения пламени в факеле менее ясны и существенно отличаются от гомогенного горения предварительно смешанных компонентов. Считается, что при диффузионном горении пламя является саморегулирующимся и его зона располагается в области образования горючей смеси стехиометрического состава. Однако, как отмечалось выше, диффузионное горение на пожаре сопровождается неполным окислением горючих компонентов. По-видимому, это обусловлено турбулентным характером горения на пожаре в условиях недостаточного притока кислорода. При этом могут образовываться крупные неперемешивающиеся моли с большим избытком горючих паров, которые лишь частично сгорают, а основную массу неполностью окислившихся паров выносят за очаг горения.
Наглядными примерами такого характера горения являются пожары резервуаров с жидкими топливами, крупных складов лесоматериалов и др. Возникновение и развитие процесса горения зависят от скорости химического превращения горючей смеси и процессов тепломассообмена между пламенем, еще несгоревшим горючим материалом и-окружающей средой.
1.2. Физико-химические основы горения
Учение о скорости и механизме химических реакций составляет предмет химической кинетики. Скорость химического превращения зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются строение молекул компонентов реакции, соотношение между их количествами и температура.
Как отмечалось выше, возникновение и развитие горения возможны лишь для самоускоряющихся реакций. Известны три механизма ускорения химических превращений — тепловой, автокаталитический и цепной. С их учетом созданы фундаментальные основы современных представлений о явлениях горения — теории теплового и цепного самовоспламенения и распространения пламени. Ведущая роль в создании и развитии этих теорий принадлежит советским ученым во главе с Н. Н. Семеновым.
Тепловая теория самовоспламенения (называемая также теорией теплового взрыва) основана на сопоставлении скоростей процессов тепловыделения при экзотермическом окислении и теплоотвода от реагирующей смеси в стенки содержащего ее сосуда. Условие самовоспламенения определяется равенством этих скоростей.
Температура стенок сосуда, при которой достигается это равенство, называется температурой самовоспламенения. Начиная с этой температуры (характерной в каждом случае для данных конкретных условий, поскольку теплоотвод зависит от этих конкретных условий — размера и формы реакционного сосуда, теплофизических свойств газа) происходит саморазогрев, который может привести к вспышке (самовоспламенению).
Если в (1.2) подставить известные данные входящих характеристик, то оценки показывают, что максимальный разогрев, приводящий к изменению режима протекания процесса окисления от медленного стационарного к очень быстрому нестационарному, завершающемуся вспышкой (самовоспламенением), составляет всего несколько десятков градусов.
Ускорение реакции может достигаться не только в результате повышения температуры при саморазогреве в ходе экзотермической реакции, но и в результате особого характера химических превращений — цепных реакций. Носителями этих реакций являются особые активные частицы — радикалы и атомы, обладающие свободными валентными связями. При столкновении этих частиц с исходными молекулами или продуктами превращения взаимодействие между ними происходит при значительно меньших значениях энергии активации, чем при молекулярных процессах. Причем в особого рода цепных реакциях — разветвленных — скорость реакции может бурно расти за счет того, что в результате взаимодействия активного центра с молекулой образуется несколько активных центров. Дополнительно созданные активные частицы начинают собственные цепи превращений, приводя к еще большему накоплению активных центров и лавинообразному нарастанию скорости суммарного процесса.
Однако в некоторых реакциях активные частицы могут взаимодействовать с другими частицами таким образом, что активные центры вообще не будут образовываться. Такие реакции ведут к обрыву цепной реакции. Теория цепных реакций позволила объяснить такие явления, как пределы самовоспламенения по давлению, ингибирование и промотирование горения, каталитическое влияние стенок реакционного сосуда и многие другие, которые трудно объяснить тепловыми теориями. Необходимо подчеркнуть, что в реальных условиях пожара горение протекает по комбинированному цепочечно-тепловому механизму.
Начавшийся цепным путем экзотермический химический процесс сопровождается выделением тепла, которое обусловливает тепловое самоускорение. В этих условиях окисление носит характер так называемого вырожденного разветвления, открытого Н. Н. Семеновым, и заключающегося в том, что разветвление достигается не в каждом элементарном акте с участием АЦ, а при накоплении некоторого количества промежуточного малоустойчивого продукта, при распаде которого образуются новые активные центры. Типичным примером такого процесса является окисление углеводородов кислородом. Для таких процессов характерны многостадийный механизм превращений и доминирующее значение теплового самоускорения на завершающих стадиях. Из-за сложности таких процессов до сего времени отсутствуют общепринятые представления об их механизме. Так, для окисления даже простейшего представителя углеводородов — метана — исследователи предлагают до девяноста элементарных реакций.
Теории самовоспламенения рассматривают условия возникновения очага горения. Развитие процесса горения, горючесть веществ характеризуются их способностью распространять и поддерживать этот процесс. Современные теории распространения пламени развиты для случая ламинарного горения предварительно перемешанных газовых смесей. Рассматривается пламя, распространяющееся по нормали к его поверхности.
В том случае, когда возрастающий при горении объем газов отводится в окружающую среду и давление не возрастает, имеют дело с нормальной (фундаментальной) скоростью распространения пламени, а в отсутствии сброса избыточного давления — с видимой.
Пламя, возникшее при самовоспламенении или действии высокотемпературного источника зажигания (искра, открытое пламя), передает в соседние слои свежей горючей смеси тепло и активные частицы, которые. При достаточной интенсивности потоков энергии создают самоподдерживающийся фронт пламени. Существуют тепловая и диффузионная теории распространения пламени.
Тепловая теория разработана Я. В. Зельдовичем и основана на предположении о подобии полей температур и концентраций, во фронте пламени. При тепловом механизме распространения пламени диффузионное перемешивание свежего газа с продуктами сгорания является дополнительным, наряду с теплопроводностью, фактором переноса тепла. Для количественного описания распространения пламени необходимо решить систему уравнений неразрывности (для каждого реагента), состояния сохранения энергии, количества движения и массы.
...