Некоторые способы снижения скорости возгорания органических строительных материалов

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Некоторые способы снижения скорости возгорания органических строительных материалов

Исаев Г.Е. 1
1МАОУ СОШ с. Красный Ключ
Калик С.А. 1
1МАОУ СОШ с. Красный Ключ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Пожар — неуправляемое, несанкционированное горение веществ, материалов и газовоздушных смесей вне специального очага, приносящие значительный материальный ущерб и потери человеческой жизни.

Причинами пожара могут быть: неосторожное обращение с огнем, неисправность и неправильная эксплуатация электрооборудования, шалость детей, неправильная эксплуатация печного отопления. Таким образом, вопрос о пожарной безопасности был актуален всегда.

Основу пожара составляет процесс горения. Горение – быстропротекающая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и (обычно) света. Для возникновения горения требуется наличие горючего вещества, окислителя и источника возгорания. При горении эти материалы, во-первых, выделяют опасные для людей вещества и, во-вторых, все это усложняет эвакуацию людей.

Цель работы: изучить способы снижения скорости горения органических материалов.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

  • изучить литературу по горючести органических строительных материалов;

  • изучить влияние мочевины на древесину, оказывающие влияние на пожарную опасность;

  • провести серию огневых испытаний по определению снижения скорости горения органических материалов с пропиткой мочевиной разной концентрации.

Объект исследования: скорость горения органических строительных материалов.

Предмет исследования: действие мочевины на снижение скорости горения деревянных конструкций.

Методы исследования:

  • теоретический анализ литературы по данной проблеме;

  • экспериментальная часть;

  • анализ полученных результатов.

Практическая значимость данных исследований, заключается в том, что данные, полученные в ходе исследования, возможно, будут началом поиска методов по снижению скорости горения органических строительных материалов, а также правильных профилактических мер, связанных с опасностью возникновения пожара.

  1. Литературный обзор

1.1 Процесс горения органических строительных материалов

Среди органических строительных материалов древесина является уникальным природным материалом широкого спектра пользования в хозяйственной деятельности. В России основу строительных материалов составляет древесина, являющаяся уникальным природным строительным материалом. Возможности использования древесины широкие, она применяется в строительстве жилья, служит источником получения тепла. Особенно привлекательна древесина из-за экологичности и возобновляемости. При правильной эксплуатации деревянные конструкции могут служить сотни лет. Например, практически все межэтажные перекрытия Зимнего дворца и многих других зданий Санкт-Петербурга сделаны из лиственницы. Эти конструкции находятся в хорошем состоянии и могут прослужить еще многие годы.

С точки зрения пожарной безопасности существенным недостатком древесины является горючесть. А ведь именно пожарная безопасность – один из первостепенных моментов при проектировании промышленных, общественных и жилых зданий. В соответствии со СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» все материалы делятся на горючие и негорючие и дополнительно характеризуются такими параметрами, как воспламеняемость (ГОСТ 30402), распространение пламени на поверхности, дымообразующая способность и токсичность.

Горючесть не следует путать с огнестойкостью. Предел огнестойкости – это время с момента начала пожара до выхода конструкции из строя, обрушения или прогрева противоположной от огня поверхности до температуры примерно 220°С, выше которой возможно самовоспламенение органических материалов (в минутах). Например, предел огнестойкости элементов деревянного дома равен 15-20 минут.

Еще одна важная физическая характеристика строительных материалов – скорость обугливания. Она зависит от типа дерева (хвойное или лиственное), из которого конструкция выполнена, способа изготовления (цельная древесина или многослойное клееное дерево), физических характеристик материала (плотность дерева).

При горении древесина сначала переходит в газовую фазу со светом, потом переходит на стадию тления. При пожаре деревянных зданий, огонь распространяется самопроизвольно по конструкциям, с выделением угарного газа. Скорость распространения огня зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее огонь распространяется, и чаще данный процесс идет с самоускорением.

Таким образом, процесс горения — это сложный физико–химический процесс, скорость которого зависит от различных факторов, самым первичным является свойства вступивших в реакцию веществ.

1.2. Пожар и безопасность жизни

Дерево является горючим материалом. При пожаре жилых домов температура внутри помещения достигает 800—900 °С, что представляет угрозу жизни для всего живого. При пожарах для людей представляют опасность следующие факторы:

  • открытый огонь и искры;

  • зона теплового воздействия;

  • токсические вещества, продукты горения строительных материалов;

  • уменьшение количества эритроцитов, способных обеспечить дыхание.

Большое количество углекислого газа СО2, действует на дыхательный центр и ускоряет дыхательный процесс, что приводит к поступлению в организм большого количества токсических веществ, угарного газа в кровь. Эти физико – химические процессы могут стать причиной потери сознания, и гибели людей во время пожара.

1.3 Повышение огнестойкости природных строительных материалов

Дерево - природный горючий материал, поэтому пределы огнестойкости деревянной конструкции зависят от двух факторов:

  • времени от начала воздействия пожара до момента воспламенения древесины;

  • времени от начала воспламенения до наступления того или иного предельного состояния конструкции.

Специальная обработка всего объема деревянной конструкции или ее поверхности позволяет снизить скорость обугливания и увеличить предел огнестойкости конструкции.

В литературе приводятся различные способы химических мер огнезащиты древесины, древесных пластиков, полимерных утеплителей. Среди них пропитка замедлителями горения (антипиренами) и нанесение огнезащитных покрытий. Составы, которые применяются для защиты древесины, должны соответствовать требованиям пожарной безопасности, установленным в НПБ 251-98 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие технические требования. Методы испытаний».

В качестве антипиренов обычно используют вещества, в молекулах которых содержатся такие элементы, как галогены, фосфор, азот, бор, металлы. В основе применения антипиренов лежат их плавление или разложение при нагревании. Например, плавятся входящие в состав антипиренов легкоплавкие вещества, такие как сода (Na2CO3), бура (Na2BO7) и другие. В этом случае часть тепла расходуется на плавление антипиренов, тем самым повышая температуру воспламенения. В другом случае, негорючие газы, выделяющиеся при разложении, смешиваясь с воздухом или создавая изолирующий слой, препятствуют доступ кислорода к поверхности древесины.

1.4. Пропитка природных строительных материалов мочевиной

Эффективных антипиренов в литературе описано немало. Но мое внимание привлекла огнебиозащитная пропитка по финскому рецепту. Рецептура этого состава проста, а ингредиенты можно приобрести в любом хозяйственном магазине. И, что не маловажно, себестоимость такой пропитки низкая.

Рецепт «финской пропитки»: в 10 литрах кипятка следует растворить 1,8 кг соли, 100 г борной кислоты и 100 г мочевины. Можно добавить охры или любой другой краситель (он необходим для контроля покрытия древесины).

Один из инградиентов - мочевина. Чем интересна она с химической точки зрения?

Мочевина — это химическое соединение, которое имеет твердую структуру и представляет собой россыпь белых или слабоокрашенных кристаллических гранул без запаха. Формула мочевины — NH2CONH2.. Мочевина, бесцветный кристалл без запаха. Растворимость в воде (в 100 г): при +20°C – 51,8 г, при +60°C – 71,7 г, при +120 °C – 95,0 г.

Мочевина при горении разлагается в соответствии с уравнением химической реакции на углекислый газ, азот и воду:

CO(NH2)2 + 3/2O2 = CO2 + 2H2O + N2.

Таким образом, мочевина является ингибитором процесса горения: углекислый газ не поддерживает горение, газообразный азот, смешиваясь с воздухом, создает изолирующий слой, который так же препятствует процессу горения.

  1. Экспериментальная часть

Для проведения эксперимента я подготовил несколько одинаковых деревянных брусков и несколько рабочих растворов концентрацией мочевины: 5%, 10%, 30% и 50%.

Деревянные бруски я обрабатывал растворами трижды с интервалом от 30 минут до 1 часа. После просушки брусков, изучил скорость сгорания древесины. Данные внес в таблицу:

 

без пропитки

5%-ый раствор

10%-ый раствор

20%-ый раствор

30%-ый раствор

50%-ый раствор

Время сгорания, с

185

215

270

332

346

360

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод: с увеличением концентрации мочевины в рабочем растворе скорость сгорания уменьшается. Значит, мочевина является ингибитором процесса горения. Многократное нанесение раствора на поверхность способствует глубокому проникновению мочевины. Из данного эксперимента видно, что мочевина является ингибитором процесса горения.

Следующим этапом эксперимента стало определение, сколько процентов древесины сгорает в зависимости от количества слоев пропитки. Взяли 30%-ый раствор пропитки и три одинаковых бруска. Первый пропитал дважды с интервалом 2 часа, второй – покрыл тремя слоями с интервалом 2 часа, третий – четырежды с интервалом 2 часа. Время полного высыхания 48 часов. Бруски сжег. Данные внес в таблицу:

 

Двукратная пропитка

Трехкратная пропитка

Четырехкратная пропитка

Процент сгорания

47

41

32

Таким образом, увеличение слоев пропитки сокращает площадь сгорания бруска.

Заключение

В ходе выполнения работы мною доказана эффективность применения мочевины в качестве одного из компонентов огнебиозащитной пропитки древесины. Экспериментальные данные показывают, что скорость и площадь сгорания значительно сокращаются при увеличении концентрации мочевины в растворе и количества слоев пропитки.

Стоимость нашей пропитки (из расчета количества компонентов на 10 литров горячей воды) – 105 рублей.

Литература

  1. Безопасность жизнедеятельности: учебник для вузов / С.В. Белов [и др.]; под ред. С.В. Белова. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2010. 616 с.

  2. Безопасность и защита человека в ЧС: пожарная безопасность/ Т. Клепинина, М. Комова, Г. Прытков //Библиотека журнала "Основы безопасности жизнедеятельности». -2006.-№1.-С.36-56

  3. Семенов Н.Н. Горение и взрыв. Серия: Ученые - школьника.М.:из. Детгиз, 1945 34 с

  4. Тотай, А. В. Теория горения и взрыва: учебник и практикум / А. В. Тотай. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2013. 295 с.

  5. Шароварников А.Ф., Шароварников С.А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав, свойства, применение. –М.: Пожнаука, 2005.335 с.

  6.  БушевВ. П. Огнестойкость зданий / В. П. Бушев, А. В. Пчелинцев, В. С. Федоренко, А. И. Яковлев. - М: Стройиздат, 1970. - 261 с.

П риложение 1

Приготовление рабочих растворов

Обработка деревянных брусков огнебиозащитой

Б руски, обработанные рабочими растворами

П риложение 2

Горение бруска, обработанного трижды Горение бруска, обработанного

четырежды

Горение бруска, пропитанного Горение бруска, пропитанного

30%-ым раствором 50%-ым раствором

Просмотров работы: 26