Экспериментальные испытания воздействием огня

Как было сказано, фактором, который определяющим огнеупорность деревянных структурных элементов, является скорость, с которой обугливание проникает в древесную массу: чем выше будет скорость проникновения обугливания, тем меньшей будет величина нетронутого огнём сечения; следовательно, настолько же большей будет сечение повреждённой древесины и тем меньше окажутся характеристики механической прочности и термоизолирующие свойства в оставшемся сечении, подверженном воздействии пламени.

Было проведено значительное количество по изучению скорости проникновения обугливания, и на базе многочисленных экспериментальных опытов, при которых воздействию огня подвергались многочисленные деревянные элементы в стандартизированных условиях, были сделаны следующие выводы:

• скорость, с которой обугливание проникает в древесную массу, подверженную воздействию огня, зависит от характеристик материала и, прежде всего, от его плотности и содержания влаги;
• средняя скорость обугливания древесной массы при воздействии пламени около 1 мм./мин (минимум 0,7 мм./мин д.1Я тяжёлых и влажных веществ и максимум 1,2 мм./мин. для лёгких и сухих);
• скорость проникновения обугливания не зависит от расположения рассматриваемого элемента во время воздействия пожара;
• скорость проникновения обугливания не зависит от времени экспозиции воздействию пламени;
• скорость проникновения обугливания не влияет на слои, ещё не вовлечённые в процесс горения и, в частности, температура непосредственно под обугленной зоной не увеличивается настолько, чтобы повлечь значительные ухудшения характеристик механической прочности в пока ещё целом сечении, то есть не затронутом идущим процессом обугливания.

ITALVIS PROTECT в рамках своих программ по исследованию и развитию проделал большую исследовательскую работу по экспериментальному сравнению огнеупорных характеристик структурных элементов из дерева, защищённых посредством цикла покраски на основе вспенивающегося покрытия PROTHEM WOOD A1 с характеристиками аналогичных необработанных деревянных сечений, полученными воздействием на них пламени, ставя перед собой главную задачу определить, насколько уменьшается скорость проникновения обугливания строительных материалов из дерева, поверхность которых обработана различными количествами защитных противопожарных составов.

Для оценки эффективности применённых защитных составов во время проводимых исследований были рассмотрены л проанализированы следующие определяющие факторы:

• влияние наложенного защитного покрытия в зависимости от характеристик типа использованной древесины;
• влияние защитного покрытия на уменьшение скорости проникновения обугливания;
• влияние защитного покрытия на уменьшение скорости проникновения обугливания в зависимости от времени экспозиции воздействию пламени;
• влияния количества наложенного защитного покрытия на уменьшение скорости проникновения обугливания;
• влияние количества наложенного защитного покрытия на возрастание температуры, зарегистрированного в слое, непосредственно низлежащем под зоной обугливания.

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ОПЫТОВ

Экспериментирование проводилось выдержкой образцов в пламени в нашей опытной печи под воздействием условного пожара (кривая зависимости температуры от времени ISO 834) в течение предварительно установленных промежутков времени и для различных серий проб с образцами древесины, имеющими одинаковые структурные характеристики и обработанные возрастающими количествами наложенного вспенивающегося покрытия PROTHEM WOODA1.

С этой целью были приготовлены для сравнения различные сечения древесины одинаковой длины 1000 мм. по три для каждого опыта, то есть, три серии сечений ели и три серии сечений лиственницы, состоящие из трёх образцов каждый и имеющих следующие размеры:

• сечения из ели 200 х 140 мм.
• сечения из лиственницы 350 х 300 мм.
• сечения из лиственницы 380 х 260 мм.
• сечения из лиственницы 260 х 250 мм.

Прежде, чем приступить к предписанной обработке этих элементов структуры, была выполнена аккуратная зачистка деревянной поверхности, подлежащей обработке составом, для полного удаления пыли, следов грязи и прочих загрязнений; затем было наложено вспенивающееся бесцветное покрытие PROTHEM WOOD A1 и защитной прозрачной отделки PROTHEM WOOD A1 TOP согласно техническим инструкциям для данных продуктов.

В нижеследующих таблицах А и В собраны данные по подготовке образцов ели и лиственницы, подвергнутых испытаниям под воздействием огня.

Таблица А - образцы ели

Образец	Исходное сечение (мм)	Исходный вес (кг)	Наложенное покрытие (кг/м2)	Время воздействия (мин)
	200х135	13,860	-
	200х135	14,100	-
	200х135	13,750	-
	200х135	13,700	1,060
	200х135	14,040	1,050
	200х130	12,140	0,900
	200х135	13,700	1,460
	200х135	14,020	1,490
	200х135	14,420	1,550

Таблица В - образцы лиственницы

Образец	Исходное сечение (мм)	Исходный вес (кг)	Наложенное покрытие (кг/м2)	Время воздействия (мин)
	300x350		-
	380x260		-
	260x250		-
	300x350		1,060
	380x260		1,050
	260x250		0,900
	300x350		1,350
	380x260		1,400
	260x250		1,400

ИСПЫТАНИЯ В ПЛАМЕНИ

Образцы из ели, характеризующиеся ДОСТАТОЧНО тонкой структурой и небольшими размерами, использовались для оценки технических характеристик в огне материалов при экспозиции короткой и средней продолжительности (30, 45 и 60 минут), в то время как элементы из лиственницы, характеризующиеся тяжёлой структурой и значительными размерами, использовались для проверки характеристик в огне при длительной экспозиции (90 и 120 минут).

Как можно заметить, наблюдая данные, собранные в предыдущих таблицах, три серии образцов из ели были использованы для проведения базового анализа для определения влияния количества нанесённого вспенивающегося покрытия на скорость проникновения обугливания, следовательно, для оценки технических характеристик защитного материала исходя из возрастания времени огнеупорности защищённого образца по сравнению с временем для эквивалентных незащищённых структур.

Три комплекта элементов из лиственницы, напротив, были использованы для оценки сначала общего поведения в пламени защитного материала (когда он подвергался долговременным воздействиям) и, в частности, для проверки характеристик вспенивания наложенного покрытия и эффективности (во времени) образующейся защитной пены, а также горячей адгезии вспенивающегося покрытия к основе и постоянность пребывание образующегося защитного слоя пеноматериала на подложке в зависимости от типа дерева (порода древесины, плотность, размеры, поверхностные дефекты и т.д.) также при большом времени экспозиции; и, наконец, влияние защитного материала на уменьшение скорости обугливания (мощность термоизоляции) в зависимости от установленного времени экспозиции.

Для осуществления предусмотренных испытаний пламенем образцы были установлены в экспериментальной печи в горизонтальном положении при контакте запирающей части печи с верхней частью элемента, чтобы имитировать балку, подверженную воздействию пламени с трех сторон.

На экспериментальных образцах не была остановлена какая-либо система дополнительной нагрузки, таким образом, испытуемые элементы оставались только под воздействием собственного веса.

Перед введением образцов в печь был записал начальный вес в килограммах каждого образца и, во внутренней боковой поверхности каждого исследуемого сечения были выполнены отверстия для гнёзд датчиков в следующих точках измерения согласно нижеследующей схеме:

После размещения устройств по измерению и контролю за температурой (термопары в образце и в печи) были зажжены горелки печи, выполняя температурную программу стандартного пожара, определённого в норме ISO 834 для предварительно установленного периода воздействия пламени для различных исследуемых структурных элементов. Данные и наблюдения, собранные во время проведённых различных опытов, были зарегистрированы в соответствующих карточках испытаний.
В конце предусмотренного периода экспозиции пламени горелки были выключены, и испытуемые образцы были извлечены.
После полного удаления корки из обгоревшей древесины регистрировался оставшийся вес (в кг.) каждой из испытанных секций, вычислялось уменьшение оставшегося сечения (в мм²) посредством физического измерения слоя ещё целой древесины после удаления обгоревшей; кроме того, оценивалась глубина обугливания на основе значений температуры, зарегистрированных тремя термопарами, закреплёнными на трёх различных уровнях (принимая, что древесина, достигшая температуры свыше 300°С, полностью сгорела). Во многих случаях, когда горение происходило со значительной неравномерностью, возникли некоторые трудности по физическому измерению основания и высоты оставшегося сечения, и было решено измерить также среднюю длину окружности (в мм.) оставшегося сечения (вычислялось среднее арифметическое на основе 10 измерений для каждого элемента), что позволяло производить более непосредственное сравнение потерь веса и потерь сечения у различных испытуемых элементов.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Анализы собранных данных позволили получить богатую информацию относительно влияния защитного покрытия.

При рассмотрении полученных результатов в испытаниях образцов из ели в первую очередь выявляется в качестве первой важной информации преимущество, наблюдаемое у различных защищенных элементах по отношению к соответствующим точно таким же испытанным образцам при одинаковом времени воздействия огня.

Следующее наблюдение, которое вытекает из анализов, это то, что увеличение огнеупорности благодаря применению исследуемого защитного покрытия является достаточно небольшим, когда врем< воздействия пламени очень короткое (30 минут), в то время как положительный эффект проявляется при средних периодах экспозиции (45 минут) и становиться весьма существенным в случаях более долгого периода воздействия (60 минут).

Кроме того, можно констатировать, что улучшение свойств благодаря применению защитной системы с точки зрения качества защиты не всегда прямо пропорционально количеству вспенивающегося покрытия: в частности, при наблюдении результатов, полученных на образцах, обработанных различными количествами вспенивающегося вещества, подверженного воздействию пламени в течение 45 и 60 минут, была обнаружена значительная однородность полученных данных и идентичное поведение в огне (вплоть до того, что в случае выдержки в течение 45 минут веса и сечения несгоревшей массы двух образцов, обработанных 1 и 1,5 кг/на 1м состава практически совпадали). Также было обнаружено, что увеличению наложенного элитного слоя не обязательно соответствует существенное улучшение поведения материала в общем пламени; в некоторых случаях экспериментальные пробы показали большую эффективность при небольших величинах толщины наложенного слоя защитного материала.

Однако, анализируя результаты испытаний в пламени образцов лиственницы, были получены интересные данные относительно специфических характеристик наложенного вспенивающегося покрытия, которые показались особенно полезными для описания поведения в общем пламени материалов, применённых в этой программе испытаний. В частности, отмечались следующие явления.

Во время первых минут выдержки в племени наложенное покрытие сразу реагирует, образуя типичную защитную пену; образование "суфле" происходит регулярно как на подложке из ели, которая характеризуется достаточно сырой и сучковатой поверхностью с большими продольными трещинами, так и на подложке из лиственницы, для которой характерна больший объёмный вес (более плотная древесина) и определённо более однородная и упорядоченная поверхность. Исходя из этого, делается вывод, что реакция вспенивания никоим образом не обусловлена физико-химическими характеристиками подложки, на которую наносится защитный материал.

Во время проведения пробы в пламени можно было констатировать, что защитная плёнка идеальным образом оставалась на месте почти на всём протяжении предусмотренного периода выдержки в огне, а в двух случаях, когда сечения были наиболее массивны, на испытуемых образцах, когда их только что вынули из печи после 120-минутной выдержки в огне, во многих местах были видны следы пены, которая ещё хорошо держалась.

Все элементы, обработанные защитным составом, характеризовались значительным замедлением скорости проникновения обугливания: во время первых минут испытания пламенем, как уже было сказано ранее, покрытие начало разбухать, образуя защитную пену к способствуя задержке обугливания первого слоя древесины приблизительно на 30 минут (по сравнению с соответствующими незащищёнными образцами).

Это явление также подтверждено отмеченной разницей в весе между исходным и конечным сечениями различных сгоревших образцов: в самом деле, изменение веса, обнаруженные у целых образцов, обработанных составом, по сравнению с сечениями, оставшимися после выдержки в огне в течение 120 минут, в точности соответствуют разнице в весе, обнаружившейся у таких же образцов, не подвергнутых обработке и выдержанных в пламени в течение 90 минут. Кроме того, во всех наблюдаемых случаях конечное сечение обработанных образцов (выдержанных в огне в течение 120 минут) оказывается всегда большим соответствующего оставшегося сечения, измеренного на эквивалентных незащищённых образцах, выдержанных в течение 90 минут.

Хорошая корреляция собранных данных была подтверждена также значениями температуры, отмеченными термопарами, закреплёнными на защищённых образцах (время выдержки в огне 120 минут), которые оказались сравнимые с соответствующими значениями температуры, найденными в эквивалентных необработанных образцах (время выдержки в огне 90 минут).

Исключением является защищённый профиль имеющий меньшее сечение:зарегистрированная умеренная температура указывает, что сечение данного профиля не было затронуто процессом горения, по крайней мере, до уровня, на котором была установлена
первая термопара.

Проведённые испытания позволили установить, что применение нанесённого вспенивающегося покрытия позволяет задержать проникновение обугливания по крайней мере на 30 минут, и увеличить, по крайней мере на 30 минут огнеупорность всех исследуемых образцов, обеспечив повышенный уровень требуемой безопасности, не прибегая к увеличению размеров рассматриваемых элементов.