antipireniniais tirpalais impregnuotos ...dspace.vgtu.lt/bitstream/1/1477/1/2028_karpovic...nh 3 –...

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

Zbignev KARPOVIČ

ANTIPIRENINIAIS TIRPALAIS IMPREGNUOTOS DEGANČIOS PUŠIES MEDIENOS TOKSIŠKUMO TYRIMAI

DAKTARO DISERTACIJA TECHNOLOGIJOS MOKSLAI, STATYBOS INŽINERIJA (02T)

Vilnius 2012

Disertacija rengta 2007–2012 metais Vilniaus Gedimino technikos universitete. Disertacija ginama eksternu. Mokslinis konsultantas

doc. dr. Ritoldas ŠUKYS (Vilniaus Gedimino technikos universitetas, statybos inžinerija – 02T). Vilniaus Gedimino technikos universiteto Statybos inžinerijos mokslo krypties disertacijos gynimo taryba: Pirmininkas

prof. habil. dr. Gintaris KAKLAUSKAS (Vilniaus Gedimino technikos universitetas, statybos inžinerija – 02T). Nariai:

doc. dr. Alfonsas DANIŪNAS (Vilniaus Gedimino technikos universitetas, statybos inžinerija – 02T), doc. habil. dr. Marzena POLKA (Pagrindinė priešgaisrinės tarnybos mokykla Varšuvoje, statybos inžinerija – 02T), prof. habil. dr. Henrikas PRANEVIČIUS (Kauno technologijos universitetas, informatikos inžinerija – 07T), dr. Zenonas TURSKIS (Vilniaus Gedimino technikos universitetas, statybos inžinerija – 02T). Disertacija bus ginama viešame Statybos inžinerijos mokslo krypties disertacijos gynimo tarybos posėdyje 2012 m. gruodžio 10 d. 10 val. Vilniaus Gedimino technikos universiteto senato posėdžių salėje. Adresas: Saulėtekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva. Tel. (8 5) 274 4956; faksas (8 5) 270 0112; el. paštas [email protected] Pranešimai apie numatomą ginti disertaciją išsiųsti 2012 m. lapkričio 9 d. Disertaciją galima peržiūrėti interneto svetainėje http://dspace.vgtu.lt ir Vilniaus Gedimino technikos universiteto bibliotekoje (Saulėtekio al. 14, LT-10223 Vilnius, Lietuva). VGTU leidyklos TECHNIKA 2028-M mokslo literatūros knyga

ISBN 978-609-457-312-5 © VGTU leidykla TECHNIKA, 2012 © Zbignev Karpovič, 2012 [email protected]

VILNIUS GEDIMINAS TECHNICAL UNIVERSITY

Zbignev KARPOVIČ

TOXICITY RESEARCH OF COMBUSTING PINE TIMBER TREATED WITH FIRE RETARDANT SOLUTIONS

DOCTORAL DISSERTATION TECHNOLOGICAL SCIENCES, CIVIL ENGINEERING (02T)

Vilnius 2012

Doctoral dissertation was prepared at Vilnius Gediminas Technical University in 2007–2012. The dissertation is defended as an external work. Scientific Consultant

Assoc Prof Dr Ritoldas ŠUKYS (Vilnius Gediminas Technical University, Civil Engineering – 02T). The Dissertation Defence Council of Scientific Field of Civil Engineering of Vilnius Gediminas Technical University: Chairman

Prof Dr Habil Gintaris KAKLAUSKAS (Vilnius Gediminas Technical University, Civil Engineering – 02T). Members:

Assoc Prof Dr Alfonsas DANIŪNAS (Vilnius Gediminas Technical University, Civil Engineering – 02T), Assoc Prof Dr Habil Marzena POLKA (The Main School of Fire Service, Civil Engineering – 02T), Prof Dr Habil Henrikas PRANEVIČIUS (Kaunas University of Technology, Informatics Engineering – 07T), Dr Zenonas TURSKIS (Vilnius Gediminas Technical University, Civil Engineering – 02T). The dissertation will be defended at the public meeting of the Dissertation Defense Council of Civil Engineering in the Senate Hall of Vilnius Gediminas Technical University at 10 a. m. on 10 December 2012. Address: Saulėtekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Tel.: +370 5 274 4956; fax +370 5 270 0112; e-mail: [email protected] A notification on the intend defending of the dissertation was send on 9 November 2012. A copy of the doctoral dissertation is available for review at the Internet website http://dspace.vgtu.lt and at the Library of Vilnius Gediminas Technical University (Saulėtekio al. 14, LT-10223 Vilnius, Lithuania).

v

Reziumė Disertacijoje nagrinėjamas nestandartizuota ir standartizuota tyrimo įranga ir metodika nustatytas smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumas. Pateikiamas kompiuterinės hibridinės gaisro modeliavimo programinės įrangos patobulinimas ir aprašomas jos pritaikymas nustatyti toksiškų dujinių produktų išsiskyrimą iš termiškai skylančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos. Darbe sprendžiami tokie pagrindiniai uždaviniai: nustatyti ir palyginti smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumą; patobulinti ir pritaikyti kompiuterinę hibridinę gaisro modeliavimo programinę įrangą toksiškumui nustatyti degant neimpregnuotai ir antipireniniais tirpalais impregnuotai pušies medienai; kompiuterine hibridine gaisro modeliavimo programine įranga sumodeliuoti degančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumą ir palyginti jį su kompiuterine gaisro dinamikos modeliavimo programine įranga sumodeliuotu toksiškumu ir eksperimentinių tyrimų rezultatais. Disertaciją sudaro įvadas, penki skyriai, rezultatų apibendrinimas, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai, santrauka anglų kalba. Disertacijos tema paskelbti devyni moksliniai straipsniai: vienas mokslo žurnale, įtrauktame į ISI Web of Science duomenų bazę, du – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Iconda, Index Copernicus duomenų bazes, du – kituose mokslo žurnaluose, keturi – recenzuojamose tarptautinių ir respublikinių konferencijų medžiagose. Disertacijos tema perskaityti 4 pranešimai konferencijose.

vi

Abstract This dissertation analyses the toxicity determined by nonstandard and standard research equipment and methods of smouldering and flaming pine timber which is non-treated and treated with fire retardant solutions; improvements for computer software for hybrid model of fire are presented. Adaptation of HMF for modelling of the emission of toxic gaseous combustion products from pine timber non-treated and treated with fire retardant solutions during thermal destruction is introduced. The main tasks solved in the work: to determine and compare by nonstandard and standard research equipment and methods the toxicity of smouldering and flaming pine timber which is non-treated and treated with fire retardant solutions; to improve and adapt the computer software for hybrid model of fire for modelling of the toxicity during the combustion of pine timber non-treated and treated with fire retardant solutions; to model the toxicity of burning pine timber non-treated and treated with fire retardant solutions by using the computer software for hybrid model of fire and compare it with the toxicity of pine timber non-treated and treated with fire retardant solutions modelled by the computer fire dynamic simulator and the results of experimental tests. The work consists of the introduction, five chapters, conclusions, references, a list of publications on the topic of the dissertation, summary in English. Nine scientific papers were published on the topic of the dissertation: one of them was published in the science journal included in the database of ISI Web of

Science, two were published in the science journals included in the database of Iconda, Index Copernicus, two were published in other science journals, four were publiched in the reviewed materials of international and national conferences. Four reports of the topic of the dissertation were published in the conferences.

vii

Žymėjimai

Simboliai ir santrumpos CFD – tėkmių dinamikos skaičiavimas (angl. – Computational Fluid Dynamics); CO – anglies monoksidas; CO2 – anglies dioksidas; COmax – didžiausia anglies monoksido koncentracija, kg/kg; CO2max – didžiausias anglies dioksido koncentracija, kg/kg; c – koncentracija, kg/kg;

LOLc – ribinio deguonies kiekio koeficientas; E – vidutinė degios medžiagos šilumos išskyrimo sparta, MJ/kg; FDS – kompiuterinė gaisro dinamikos modeliavimo programinė įranga (angl. – Fire Dynamics Simulator);

],,,,[ lkjimiFcm – im-tosios degiosios medžiagos, esančios erdvėje [j,k,l], i-toje patalpoje, degimo plotas, m2;

],,,,[ lkjimiFbm – im-tosios degiosios medžiagos, esančios erdvėje [j,k,l], i-toje patalpoje, išdegęs plotas, m2;

],,,,[ lkjimiFcb – im-tosios degiosios medžiagos, esančios erdvėje [j,k,l], i-toje patalpoje, efektyvaus degimo plotas, m2; HMF – kompiuterinė hibridinė gaisro modeliavimo programinė įranga (angl. – Hybrid Model of Fire); HCN – vandenilio cianidas; HCl – vandenilio chloridas; HRR – šilumos išsiskyrimo sparta (angl. – Heat Release Rate), kW/m2;

viii

HRRmax – didžiausia šilumos išsiskyrimo sparta, kW/m2; HRRvid – vidutinė šilumos išsiskyrimo sparta, kW/m2; HOC – efektyvi degimo šiluma, MJ/kg; HOCmax – didžiausia efektyvi degimo šiluma, MJ/kg;

],[ imiHof – im-tosios degiosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, aukštis, m; ],[ imiHm – im-tosios degiosios medžiagos, esančios erdvėje [j,k,l], i-toje patalpoje,

storis, m; ISO – tarptautinė standartizacijos organizacija (angl. – International Organisation for Standardization); IMO – tarptautinė laivybos organizacija (angl. – International Maritime Organisation);

],[ imiIP – im-tosios degiosios medžiagos užsidegimo vietos indeksas: 1 – degiosios medžiagos kampas, 2 – degiosios medžiagos centras;

],[min imij , ],[min imik , ],[min imil – i-toje patalpoje esančios erdvės, kurioje yra im-tosios degiosios medžiagos kairysis apatinis kampas, x, y, z ašies koordinatės; ],[max imij , ],[max imik , ],[max imil – i-toje patalpoje esančios erdvės, kurioje yra im-tosios

degiosios medžiagos dešinysis viršutinis kampas, x, y, z ašies koordinatės; k – dūmingumo koeficientas, 1/m; LC50 – dujų koncentracija, sukelianti 50 proc. tiriamos gyvūnų populiacijos mirtį per 30 min.;

],[ iopiLop – iop-tosios angos, esančios i-toje patalpoje, ilgis, m; MLR – masės mažėjimo sparta, g/m2·s; MLRmax – didžiausia masės mažėjimo sparta, g/m2·s; MLRvid – vidutinė masės mažėjimo sparta, g/m2·s; ML – bendras masės sumažėjimas, g; MO – deguonies molio masė, kg/kmole; MC – anglies molio masė, kg/kmole; MHCl – vandenilio chlorido molio masė, kg/kmole; MH – vandenilio molio masė, kg/kmole; MHCN – vandenilio cianido molio masė, kg/kmole; MCO – anglies monoksido molio masė, kg/kmole; MCO2 – anglies dioksido molio masė, kg/kmole; MS – sieros molio masė, kg/kmole;

],[ imiMf – im-tosios degiosios medžiagos, esančios erdvėję [j,k,l], i-tojoje patalpoje, molio masė, kg/kmole;

],,,1,[ lkjjimx −• , ],,1,,[ lkjjimx +• , ],,1,,[ lkkjimy −• , ]1,,,,[ +• llkjimz ,... – dujų masės

srautai, judantys iš erdvės [j,k,l] arba į erdvę [j,k,l], i-toje patalpoje, išilgai x, y, z ašies, kg/s;

ix

],,,,[ lkjivimv• – oro masės srautas, sukurtas iv-tosios vėdinimo sistemos, judantis iš

erdvės [j,k,l] arba į erdvę [j,k,l], i-toje patalpoje, kg/s; ],,,[a 2 lkjimO

• – deguonies masės srautas, judantis į erdvę [j,k,l], esančią i-toje patalpoje, kg/s;

],,,[r 2 lkjimO• – deguonies masės srautas būtinas visiškam degios medžiagoas sudegimui

erdvėje [j,k,l], esančioje i-toje patalpoje, kg/s; NH3 – amoniakas;

][inx , ][iny , ][inz – erdvių, esančių i-toje patalpoje, išilgai x, y, z ašies, numeris; ],[0 iopiOPx – priklausomybė, apibrėžianti erdvę [j,k,l], esančią i-toje patalpoje, su iop-

tosiomis angomis, kurių xop[i,iop]=0; ],[ iopiOPxn – priklausomybė, apibrėžianti erdvę [j,k,l], esančią i-toje patalpoje, su iop-

tosiomis angomis, kurių xop[i,iop]=Lop[i,iop]; r - koreliacijos koeficientas;

],[ iopiSOP – iop-tosios vėdinimo angos, esančios i-toje patalpoje, būsenos indeksas (atidaryta ],[ iopiSOP =1, uždaryta ],[ iopiSOP =0); SEA – dūmų išsiskyrimo intensyvumas, m2/kg; SEAmax – didžiausias dūmų išsiskyrimo intensyvumas, m2/kg; SEAvid – vidutinis dūmų išsiskyrimo intensyvumas, m2/kg; T – temperatūra, ºC; TSR – bendras išsiskyrusių dūmų kiekis, m2; TSP – bendras išsiskyrusių dūmų kiekis iš paviršiaus vieneto, m2/m2; THR – išsiskyrusi šiluma, MJ/m2;

],[ imiUP –im-tosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, nedegi dalis, kg; v – išsiskyrimas, mg/s;

][iVc – erdvės, esančios i-toje patalpoje, tūris, m3; ],[ imivm – im-tosios degiosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, didžiausioji degimo

sparta, kg/(m2/s); ],[ imiv p – im-tosios degiosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, didžiausioji

liepsnos plitimo sparta, kg/(m2/s); ],,,[ lkjivx , ],,,[ lkjivy ,... – vidutinis dujų greitis erdvėje [j,k,l], esančioje i-toje

patalpoje, išilgai x, y,... ašies, m/s; ],[ iopiWOX , ],[ iopiWOY , ],[ iopiWOZ – iop-tosios angos, esančios i-toje patalpoje,

apatinio kampo koordinatė, toliausiai nutolusio nuo x, y, z ašies pradžios, m;

x

],,,1,[ lkjjiwx − , ],,1,,[ lkjjiwx + ,... – dujų masės srauto, judančio iš erdvės [j,k,l] arba į erdvę [j,k,l], i-toje patalpoje, koeficientas; xc [i], yc [i], zc [i] – erdvės, esančios i-toje patalpoje, ilgis išilgai x, y, z ašies, m;

],[ iopixop , ],[ iopiyop ,... – iop-tosios angos, esančios i-toje patalpoje, apatinio kampo koordinatė, esanti arčiausiai x, y,... ašies pradžios, m;

],[ imixof , ],[ imiyof ,... – im- tosios degiosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, apatiniojo kairiojo kampo koordinatė, esanti arčiausiai x, y,... ašies pradžios, m;

],,,,[ lkjiisY , ],,,1,,[ lkjjiisY − , ],,,1,,[ lkjjiisY + , ],1,,,[ lkjiisY − , ]1,,,,[ +lkjiisY ,... – is-tųjų dujų (deguonis (O2) is = 1; anglies dioksidas (CO2) is = 2; anglies monoksidas (CO) is = 3; vandenilio cianidas (HCN) is = 4; vandenilio chloridas (HCl) is = 5; anglis (C) is =6) koncentracija erdvėse [j,k,l], esančiose i-toje patalpoje, kg/kg;

],,,,,[ lkjiviisYv – is-tųjų dujų (deguonis (O2) is = 1; anglies dioksidas (CO2) is = 2; anglies monoksidas (CO) is = 3; vandenilio cianidas (HCN) is = 4; vandenilio chloridas (HCl) is = 5; anglis (C) is =6) koncentracija, esanti oro sraute, sukurtame iv-tosios vėdinimo sistemos, judančiame iš erdvės [j,k,l] arba į erdvę [j,k,l], i-toje patalpoje, kg/kg;

LOLY – mažiausia deguonies koncentracija, būtina degimo procesui vykti, kg/kg; ],,[ imiisy – is-tųjų dujų (deguonis (O2) is = 1; anglies dioksidas (CO2) is = 2; anglies

monoksidas (CO) is = 3; vandenilio cianidas (HCN) is = 4; vandenilio chloridas (HCl) is = 5; anglis (C) is =6) degant im-tajai medžiagai, esančiai iof-tajame degiajame objekte, esančiame i-toje patalpoje, sunaudojimo (deguonis) arba išskyrimo (degimo produktai) koeficientas, kg/kg; Z – matomumas, m; α – masės srauto koeficientas; τ arba t – laikas, s;

],[ imibτ – im-tosios degiosios medžiagos, esančios i-toje patalpoje, sudegimo laikas, s; pτ – degimo modeliavimo laikas, skaičiuojamas nuo degimo pradžios, s;

],,,[ lkjiρ – dujų vidutinis tankis erdvėje [j,k,l], esančioje i-toje patalpoje, kg/m3; ],,,,[ lkjimifmψ – dujų masės srautas, atsirandantis erdvėje [j,k,l], esančioje i-toje

patalpoje, degant im-tajai medžiagai, kg/s; ],[ iopix∆ , ],[ iopiy∆ ,... – erdvės [j,k,l], esančios i-toje patalpoje, ilgis, sutampantis su

iop-tosios angos ilgiu x, y,... ašyje, m.

xi

Turinys

ĮVADAS .......................................................................................................................... 1 Problemos formulavimas ............................................................................................ 1 Darbo aktualumas ....................................................................................................... 2 Tyrimų objektas.......................................................................................................... 2 Darbo tikslas ............................................................................................................... 2 Darbo uždaviniai ........................................................................................................ 2 Tyrimų metodika ........................................................................................................ 3 Darbo mokslinis naujumas ......................................................................................... 3 Darbo rezultatų praktinė reikšmė ............................................................................... 4 Ginamieji teiginiai ...................................................................................................... 4 Darbo rezultatų aprobavimas ...................................................................................... 5 Disertacijos struktūra .................................................................................................. 5

1. MEDIENOS DEGIMO, IMPREGNAVIMO ANTIPIRENAIS IR DEGUMO TYRIMO METODŲ ANALIZĖ ............................................................. 7 1.1. Mediena ir jos degimas ........................................................................................ 7 1.2. Medienos impregnavimas antipirenais .............................................................. 12 1.3. Medienos degumo tyrimo metodai .................................................................... 18 1.4. Pirmojo skyriaus išvados ir disertacijos uždavinių formulavimas ..................... 36

xii

2. SMILKSTANČIOS IR DEGANČIOS LIEPSNA MEDIENOS TOKSIŠKUMO TYRIMO METODIKOS ............................................................... 39 2.1. Bandiniai ir jų paruošimas ................................................................................. 40 2.2. Nestandartizuota smilkstančios medienos toksiškumo tyrimo įranga ir

metodika .......................................................................................................... 43 2.3. Standartizuota smilkstančios medienos toksiškumo tyrimo įranga ir metodika 46 2.4. Nestandartizuota degančios liepsna medienos toksiškumo tyrimo įranga ir

metodika .......................................................................................................... 51 2.5. Standartizuota degančios liepsna medienos toksiškumo tyrimo įranga ir metodika .......................................................................................................... 57

2.6. Statistinis rezultatų apdorojimas ........................................................................ 58 2.7. Bandinių degumo savybės ................................................................................. 59 2.8. Antrojo skyriaus išvados ................................................................................... 60

3. SMILKSTANČIOS MEDIENOS TOKSIŠKUMO ANALIZĖ ................................. 61 3.1. Nestandartizuotų smilkstančios medienos toksiškumo tyrimų rezultatai ir jų analizė .............................................................................................................. 61

3.2. Standartizuotų smilkstančios medienos toksiškumo tyrimų rezultatai ir jų analizė .............................................................................................................. 76

3.3. Trečiojo skyriaus išvados .................................................................................. 82 4. DEGANČIOS LIEPSNA MEDIENOS TOKSIŠKUMO ANALIZĖ ........................ 85 4.1. Nestandartizuotų degančios liepsna medienos toksiškumo tyrimų rezultatai ir

jų analizė .......................................................................................................... 85 4.2. Standartizuotų degančios liepsna medienos toksiškumo tyrimų rezultatai ir jų

analizė .............................................................................................................. 92 4.3. Ketvirtojo skyriaus išvados ............................................................................... 97

5. DEGANČIOS MEDIENOS TOKSIŠKUMO KOMPIUTERINIS MODELIAVIMAS ................................................................................................. 101 5.1. Toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimo vertinimo matematinis

modelis ........................................................................................................... 101 5.2. Kompiuterinės hibridinės gaisro modeliavimo programinės įrangos

funkcionalumas ir modeliavimo rezultatų palyginimas su kompiuterinės gaisro dinamikos modeliavimo programinės įrangos ir eksperimentinių tyrimų rezultatais ........................................................................................... 108

5.3. Penktojo skyriaus išvados ............................................................................... 113 BENDROSIOS IŠVADOS .......................................................................................... 115 LITERATŪRA IR ŠALTINIAI ................................................................................... 117 AUTORIAUS PUBLIKACIJŲ DISERTACIJOS TEMA SĄRAŠAS ........................ 131

xiii

SUMMARY IN ENGLISH .......................................................................................... 133 PRIEDAI1 .................................................................................................................... 153 A priedas. Bendraautorių sutikimai teikti publikacijų medžiagą disertacijoje ....... 155

B priedas. Autoriaus mokslinių publikacijų disertacijos tema kopijos ................... 157 1 Priedai pateikiami pridėtoje kompaktinėje plokštelėje

xv

Contents

INTRODUCTION ........................................................................................................... 1 Formulation of the problem ....................................................................................... 2 Topicality of the thesis .............................................................................................. 2 The object of research ............................................................................................... 3 The aim of the thesis ................................................................................................. 3 The tasks of the thesis ............................................................................................... 3 The research methods ................................................................................................ 3 Scientific novelty ........................................................................................................ 4 Practical significance of achieved results .................................................................. 4 Defended statments .................................................................................................... 5 Approval of the research results ................................................................................ 5 The structure of the dissertation ................................................................................ 6

1. ANALYSIS OF TIMBER COMBUSTION, TREATMENT WITH FIRE RETARDANTS AND RESEARCH METHODS FOR TIMBER COMBUSTIBILITY .................................................................................................. 7 1.1. Timber and its combustion .................................................................................. 7 1.2. Treatment of timber with fire retardants ............................................................ 12 1.3. Research methods for timber combustibility ..................................................... 18 1.4. Conclusions of Chapter 1 and formulating tasks for the dissertation ................ 36

xvi

2. RESEARCH METHODS FOR TOXICITY OF SMOULDERING AND FLAMING TIMBER ................................................................................................ 39 2.1. Specimens and their preparation ....................................................................... 40 2.2. Nonstandard research equipment and methods for toxicity of smouldering

timber ............................................................................................................... 43 2.3. Standard research equipment and methods for toxicity of smouldering timber 46 2.4. Nonstandard research equipment and methods for toxicity of flaming timber .. 51 2.5. Standard research equipment and methods for toxicity of flaming timber ........ 57 2.6. Statistical processing of results ......................................................................... 58 2.7. Combustibility features of specimens................................................................ 59 2.8. Conclusions of Chapter 2 .................................................................................. 60

3. ANALYSIS OF SMOULDERING TIMBER TOXICITY ........................................ 61 3.1. Nonstandard research results and their analysis of smouldering timber

toxicity ............................................................................................................. 61 3.2. Standard research results and their analysis of smouldering timber toxicity ..... 76 3.3. Conclusions of Chapter 3 .................................................................................. 82

4. ANALYSIS OF FLAMING TIMBER TOXICITY ................................................... 85 4.1. Nonstandard research results and their analysis of flaming timber toxicity ...... 85 4.2. Standard research results and their analysis of flaming timber toxicity ............ 92 4.3. Conclusions of Chapter 4 .................................................................................. 97

5. COMPUTER MODELLING OF TOXICITY DURING COMBUSTION OF TIMBER ........................................................................................................... 101 5.1. Mathematical model for evaluation of toxic gaseous combustibility products 101 5.2. Functionality of Hybrid model of fire software and comparison of its

modelling results with Fire dynamics simulator software modelling results and results of experimental tests .................................................................... 108 5.3. Conclusions of Chapter 5 ................................................................................ 113

GENERAL CONCLUSIONS ...................................................................................... 115 REFERENCES ............................................................................................................ 117 LIST OF PUBLICATIONS BY THE AUTHOR ON THE TOPIC OF THE DISSERTATION ........................................................................................... 131 SUMMARY IN ENGLISH ........................................................................................... 133

xvii

ANNEXES1 ................................................................................................................. 153 Annex A. The coauthors agreements to present publications for the dissertation defence .................................................................................................. 155 Annex B. Copies of scientific publications by the autor on the topic of the

dissertation............................................................................................. 157 1 The annexes are supplied in the enclosed compact disc

1

Įvadas

Problemos formulavimas Pastate esančių medinių konstrukcijų degumas pagal gaisrinės saugos

reikalavimus turi būtų mažinamas. Dažniausiai medinių konstrukcijų degumas mažinamas impregnuojant jas antipireniniais tirpalais. Impregnuotos antipireniniais tirpalais medienos paviršiaus temperatūra degimo metu yra mažesnė, susidarantis apanglėjęs sluoksnis yra storesnis, sumažėja šilumos išsiskyrimo sparta ir masės praradimas.

Iki šiol kompleksiškai smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos, plačiai naudojamos pušies medienos toksiškumas analizuotas nepakankamai. Ši problema yra labai svarbi visame pasaulyje. Statybinių ir vidaus apdailos produktų toksiškumas gaisro metu reglamentuojamas nedaugelyje šalių. Lietuvoje statybinių ir vidaus apdailos produktų toksiškumas nėra reglamentuojamas. Atlikus statybinių ir vidaus apdailos produktų tyrimus ir tyrimų analizę galima priimti tinkamus sprendimus, kad būtų sumažintas aukų skaičius gaisruose.

Siekiant per trumpesnį laiką gauti tyrimų rezultatus ir sumažinti tyrimų rezultatų kainą, naudojamos kompiuterinio modeliavimo programinės įrangos. Termiškai skylančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškų dujinių produktų išsiskyrimo nustatymas, naudojant

2 ĮVADAS

kompiuterinę programinę įrangą, praktiškai svarbus projektuojant pastatus ir vertinant jų gaisrinę saugą. Tai ypač svarbu projektuojant evakuacinius kelius.

Darbo aktualumas Iš medinių konstrukcijų išsiskiriantys toksiški dujiniai degimo produktai

gaisro metu daro didelę įtaką žmonių, esančių pastate, evakavimo laikui. Antipireniniai tirpalai naudojami siekiant pailginti medinių konstrukcijų laiką iki užsiliepsnojimo. Labai aktualu ir svarbu nustatyti, kaip skiriasi iš termiškai skylančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimas.

Prognozuojant gaisro kitimo parametrus pastatuose, jų įtaką gaisrinės saugos sprendimų priėmimui, svarbu patobulinti ir pritaikyti kompiuterinę programinę įrangą toksiškų dujinių degimo produktų, išsiskiriančių iš termiškai skylančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos, modeliavimui.

Tyrimų objektas Darbo tyrimų objektas – smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos

ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumas.

Darbo tikslas Šio darbo tikslas – nestandartizuota ir standartizuota tyrimo įranga ir

metodika nustatyti smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumą ir pritaikyti kompiuterinę programinę įrangą neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumo modeliavimui.

Darbo uždaviniai Darbo tikslui pasiekti darbe buvo suformuluoti šie uždaviniai: 1. Išanalizuoti ir apibendrinti medienos charakteristikas ir degimo

procesą, medienos atsparumą ugniai didinančius antipireninius tirpalus ir impregnavimo jais būdus. Išnagrinėti medienos degumo tyrimo metodus.

ĮVADAS 3

2. Nestandartizuota ir standartizuota eksperimentinių tyrimų įranga ir metodais nustatyti ir palyginti smilkstančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumą.

3. Nestandartizuota ir standartizuota eksperimentinių tyrimų įranga ir metodais nustatyti ir palyginti degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumą.

4. Patobulinti ir pritaikyti kompiuterinę hibridinę gaisro modeliavimo programinę įrangą patalpų toksiškumui degant juose neimpregnuotai ir antipireniniais tirpalais impregnuotai pušies medienai modeliuoti.

Tyrimų metodika Darbe taikyti eksperimentiniai tyrimo metodai: nestandartizuotos ir

standartizuotos (kūginis kalorimetras, atitinkantis ISO 5660-1:2002 standarto reikalavimus) smilkstančios ir degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos tyrimo įrangos ir metodikos, modeliavimas kompiuterine hibridine gaisro modeliavimo ir kompiuterine gaisro dinamikos modeliavimo programine įranga. Eksperimentinių tyrimų rezultatai apdoroti panaudojus ,,Statistica 8“ ir ,,TableCurve 2D“ programines įrangas.

Pušies medienos impregnavimui panaudoti sertifikuoti antipireniniai tirpalai.

Eksperimentinių tyrimų metu, atsižvelgiant į tyrimo metodą, naudoti keli šilumos srautai: smilkimo tyrimai – nuo 8 kW/m2 iki 30 kW/m2, degimo liepsna tyrimai – 30 kW/m2 ir papildomai – pagalbinis uždegimo šaltinis.

Eksperimentiniai tyrimai atlikti Pagrindinėje priešgaisrinės tarnybos mokykloje Varšuvoje (angl. – The Main School of Fire Service), vadovaujant daktarui Ježiui Galajui (Jerzy Gałaj), daktarui Valdemarui Jaskulovskiui (Waldemar Jaskółowski), daktarei Barbarai Oscilovskai (Barbara Ościłowska), ir Priešgaisrinės apsaugos ir gelbėjimo departamento prie Vidaus reikalų ministerijos Gaisrinių tyrimų centre, vadovaujant Vitoldui Kostiukevičiui.

Darbo mokslinis naujumas Rengiant disertaciją buvo gauti tokie statybos inžinerijos mokslui nauji

rezultatai: 1. Nestandartizuota ir standartizuota eksperimentinių tyrimų įranga

nustatytas smilkstančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos

4 ĮVADAS

pušies medienos toksiškumas, vertinant anglies monoksido, vandenilio cianido, vandenilio chlorido ir amoniako išsiskyrimą, ir jo kaitą, veikiant pušies medieną skirtingais šilumos srautais.

2. Nestandartizuota ir standartizuota eksperimentinių tyrimų įranga ir metodais nustatytas degančios liepsna neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumas, vertinant anglies monoksido išsiskyrimą.

3. Patobulinta ir pritaikyta kompiuterinė hibridinė gaisro modeliavimo programinė įranga degančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumo modeliavimui. Gauti modeliavimo rezultatai palyginti su kompiuterine gaisro dinamikos modeliavimo programine įranga ir eksperimentinių tyrimų rezultatais.

Darbo rezultatų praktinė reikšmė Nestandartizuota ir standartizuota eksperimentinių tyrimų įranga ir metodais

nustatyta Lietuvoje naudojamų antipireninių tirpalų įtaka smilkstančios ir degančios liepsna pušies medienos toksiškumui. Tyrimų rezultatus galima pritaikyti siekiant mažinti žmonių žūčių skaičių gaisruose dėl dūmuose esančių toksiškų dujinių degimo produktų, bei reglamentuojant statybinių ir vidaus apdailos produktų toksiškumą degimo metu. Hibridinę gaisro modeliavimo programinę įrangą galima naudoti analizuojant statybinių ir vidaus apdailos produktų toksiškumą degimo metu.

Ginamieji teiginiai 1. Remiantis nestandartizuota ir standartizuota tyrimų įranga ir metodais

gautais toksiškumo rezultatais, galima vertinti antipireninių tirpalų įtaką antipireniniais tirpalais impregnuotos smilkstančios ir degančios liepsna pušies medienos toksiškumui.

2. Patobulinta ir pritaikyta kompiuterinė hibridinė gaisro modeliavimo programinė įranga užtikrina efektyvesnį pušies medienos toksiškumo degimo metu nustatymą. Eksperimentiniuose tyrimuose nustatyti vidutiniai toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimo koeficientai tinka degančios neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos pušies medienos toksiškumui modeliuoti.

ĮVADAS 5

Darbo rezultatų aprobavimas Disertacijos tema yra paskelbti devyni moksliniai straipsniai: vienas mokslo

žurnale, įtrauktame į ISI Web of Science duomenų bazę (Karpovič et al. 2012), du – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Iconda, Index Copernicus duomenų bazes (Galaj et al. 2011a, Karpovič 2009a); du – kituose mokslo žurnaluose (Galaj et al. 2011b, Karpovič and Šukys 2009), keturi – recenzuojamose tarptautinių ir respublikinių konferencijų medžiagose (Šukys and Karpovič 2010, Karpovič et al. 2010, Karpovič 2009b, Karpovič 2008).

Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti keturiose mokslinėse konferencijose:

− Tarptautinėje konferencijoje „The XXIV international science conference ,,Wood – the XXI century material“ SGGW faculty of wood technology“ 2010 m. Rogow, Lenkijoje;

− Tarptautinėje konferencijoje „The 10th international conference ,,Modern buildings materials, structures and techniques“ 2010 m. Vilniuje;

− Respublikinėje konferencijoje „Statybinės konstrukcijos“ 2009 m. Vilniuje;

− 11-ojoje Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijoje „Mokslas – Lietuvos ateitis“ 2008 m. Vilniuje.

Disertacijos struktūra Disertaciją sudaro įvadas, penki skyriai ir rezultatų apibendrinimas,

naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai, santrauka anglų kalba.

Darbo apimtis yra 154 puslapiai, tekste panaudota 51 numeruota formulė, 58 paveikslai ir 17 lentelių. Rašant disertaciją buvo panaudoti 183 literatūros šaltiniai.

7

1 Medienos degimo, impregnavimo

antipirenais ir degumo tyrimo metodų analizė

Skyriuje analizuojama mokslinė literatūra apie pušies medienos charakteristikas, pušies medienos degimo procesą, antipireninius tirpalus ir impregnavimo jais būdus bei medienos degumo tyrimo metodus. Svarbus dėmesys skiriamas medienos degimo proceso metu susidarančiam toksiškumui, degimo proceso metu susidarančio toksiškumo tyrimo metodams ir degimo proceso kompiuteriniam modeliavimui. Remiantis atlikta analize suformuluojami pagrindiniai tyrimų tikslai ir uždaviniai.

Skyriaus tematika paskelbti penki straipsniai (Karpovič et al. 2012, Galaj et al. 2011a, Galaj et al. 2011b, Šukys and Karpovič 2010, Karpovič and Šukys 2009).

1.1. Mediena ir jos degimas Daugelyje šalių mediena plačiai naudojama pastatų konstrukcijose, kai

kuriose šalyse, ypač Skandinavijos, iš medienos statomi funkcionalūs, ekonomiški, ilgalaikiai, įvairios paskirties ir dydžio pastatai (Nagrodzka and

8 1. MEDIENOS DEGIMO, IMPREGNAVIMO ANTIPIRENAIS IR DEGUMO ...

Maloziec 2011, Pieniak et al. 2011, Teischinger 2010, Kurt et al. 2009, Timber Structures 2008). Mediena, palyginti su kitomis statybinėmis medžiagomis, pasižymi lengvu apdirbimu, geromis savybėmis, yra estetiška, nekenksminga aplinkai ir žmogaus sveikatai, biodegraduojanti (Keskin et. al. 2007, Gene et al. 2007, Wazny and Karys 2001). Statyboje naudojama geriausiomis techninėmis savybėmis pasižyminti 80–120 metų amžiaus pušies, eglės, maumedžio, ąžuolo, buko medžių mediena. Viena plačiausiai naudojamų, pvz., stogų konstrukcijų, grindų, laiptų, langų rėmų gamyboje, – lengvai apdirbama, lanksti, gerą atsparumą dėl didelio dervų kiekio turinti pušies mediena (Rosenthal and Bues 2010, Monder et al. 2009).

Medienos mechaninės ir degumo savybės išnagrinėtos ir pristatytos Šaučiuvėnas ir kt. (2011), Kängsepp ir kt. (2011), Mačiulaitis ir Praniauskas (2010), Bednarek ir kt. (2009), Juodeikienė (2009), Bednarek ir Kaliszuk-Wietecka (2007) darbuose.

Medienos sandara priklauso nuo medžio rūšies, amžiaus, klimato zonos, kurioje medis auga, dirvožemio, ekologinių sąlygų ir kitų veiksnių (Nagrodzka and Maloziec 2011, Monder 2006, Stevens et al. 2006, Wazny and Karys 2001).

Medienos savybės, kartu ir degumas, keičiasi, atsižvelgiant į tiriamąjį bandinį (Hagen et al. 2009, Keskin et al. 2007, Stevens et al. 2006, Drysdale 1998). Medienos makroskopinės sandaros skirtumai tiesiogiai siejasi su medienos mikroskopinės sandaros skirtumais. Skiriasi ląstelių forma, dydžiai ir cheminė sudėtis. Pagrindiniai cheminiai elementai, sudarantys medieną, yra anglis, deguonis, vandenilis, azotas. Šių elementų kiekis medienoje priklauso nuo medžio rūšies ir pateiktas 1.1 lentelėje (Gašparovič et al. 2010, Hagen et al. 2009, Shen et al. 2009, Yorulmaz and Atimtay 2009, Liu et al. 2009). 1.1 lentelė. Skirtingų rūšių medienos sudėtis Table 1.1. Composition of the different kinds of wood

Sudėtis Medienos rūšis baltasis ąžuolas geltonoji epušė pušis Elementų analizė, proc. H 6,1 7 6,35 O 42 47,3 40,21 C 51,2 51,3 53,28 N 0,3 0,3 0,16 Biopolimerinė sudėtis, proc. Celiuliozė 52,2 52 44 Hemiceliuliozė 23,7 14 22 Ligninas 24,6 33,2 30 Tankis, g/cm3 0,68 0,42 0,5

1. MEDIENOS DEGIMO, IMPREGNAVIMO ANTIPIRENAIS IR DEGUMO ... 9

Pušies medienos sudėtyje, palyginti su baltojo ąžuolo medienos sdėtimi, yra daugiau vandenilio ir anglies, tačiau vidutiniškai dvigubai mažiau azoto.

Tos pačios medienos rūšies cheminė sudėtis pagal medžio amžių skiriasi (Sazanov and Gribanov 2010, Di Blasi et al. 2008). Nevienoda medienos cheminė sudėtis, taip pat ir savybė sugerti drėgmę tiesiogiai veikia mechanines medienos savybes ir jos degumą (Gašparovič et al. 2010, Szczepanska 1994). Drėgnis silpnina medienos stiprį, intensyvina mikrobiologinio puvimo procesą, daro įtaką medienos tankiui. Didėjant medienos tankiui, kai drėgnis pastovus, didėja medienos stipris, laikas iki užsiliepsnojimo pailgėja (Goodrich et al. 2010). Tos pačios medienos rūšies tankis gali skirtis 10–20 proc. Vidutinė 1 m3 skirtingų medienos rūšių tūrio masė, esant 15 proc. drėgniui, pateikta 1.2 lentelėje (Shen et al. 2009, Ozcifci 2008). Medienos savitoji šiluma, degimo šiluma, šilumos laidumas, šilumos talpa taip pat nėra pastovūs dydžiai (Yorulmaz and Atimtay 2009, Drysdale 1998, Szczepanska 1994). 1.2 lentelė. Skirtingų medienos rūšių tūrio masė, kg/m3 Table 1.2. Volume weight of different kinds of wood, kg/m3

Medienos rūšis

Mediena Medienos rūšis

Mediena drėgnis15 proc. nupjauta drėgnis 15 proc. nupjauta

Kukmedis 750–940 * Beržas 650 878 Ąžuolas 740–840 1020–

1030 Maumedis 590 833

Uosis 750 924 Alksnis 530 * Skroblas 740 988 Pušis 520 863 Bukas 710 968 Eglė 470 827 Guoba 680 * Balteglė 450 794 Klevas 660 * Tuopa 450 *

* – Nėra duomenų Pušies mediena priskiriama prie lengvos, tai yra mažą tankį turinčios

medienos. Už ją lengvesnė eglės, balteglės ir tuopos mediena. Medienos degimas – sudėtingas procesas. Medienos terminio skilimo

procesas nuosekliai išnagrinėtas ir pristatytas Jeguirim ir Trouve (2009), Windeisen ir Wegener (2008), Hosoya ir kt. (2007), Valero ir Uson (2006), Drysdale (1998) darbuose. Išskiriami du medienos degimo tipai: smilkimas ir degimas liepsna. Pirmasis laikomas pavojingesniu, nes ilgai gali vykti nepastebėtas, o jo metu išsiskiria žymiai didesnis toksiškų dujinių degimo produktų kiekis (Bolling et al. 2009, Frey et al. 2009, Hull and Paul 2007). Medienos degimo liepsna ir (ar) smilkimo metu generuojamos dujos, garai ir suodžiai. Degimo intensyvumas, išsiskiriančių toksiškų dujinių produktų kokybė ir kiekybė priklauso nuo medienos rūšies, jos drėgnio, degimo sąlygų ir kitų


veiksnių (Stec and Hull 2010, Kurt et al. 2009). Medienos degimą sudaro trys pagrindiniai etapai: kaitinimas, terminis skilimas ir užsiliepsnojimas (Nagrodzka and Maloziec 2011, Di Blasi et al. 2008, Stejskal 2007).

Medienos terminio skilimo metu išskiriamos temperatūrinės ribos, kurias pasiekus suyra pagrindinės sudedamosios medžiagos: hemiceliuliozė, esant 200–325 ºC, celiuliozė, esant 220–375 ºC, ligninas, esant 250–500 ºC (Jiang et al. 2010, Taghiyari 2010, Goodrich et al. 2010, Bolling et al. 2009, Mahltig et al. 2008, Szczepanska 1994). Priklausomai nuo temperatūros, medienoje vyksta šie procesai: 100–200 ºC temperatūroje išsiskiria didelis kiekis vandens ir anglies dioksido (Gašparovič et al. 2010, Shen et al. 2009); 230 ºC temperatūroje ant medienos paviršiaus pradėjęs formuotis anglies sluoksnis pasižymi izoliuojančiomis savybėmis ir slopina lakiųjų produktų išsiskyrimą (Ryzhkov et al. 2009, Baysal et al. 2007, Szczepanska 1994); 300 ºC temperatūroje suanglėjusiame medienos sluoksnyje atsiranda įtrūkimų (1.1 paveikslas), kurie didėja ir palengvina terminio skilimo produktų išsiskyrimą, pradeda vykti liepsninis degimas (Jiang et al. 2010, Lizhong et al. 2002, Szczepanska 1994); 400–500 ºC temperatūroje išsiskiriančių lakiųjų degimo produktų kiekis ir greitis pradeda mažėti (Nagrodzka and Maloziec 2011).

1.1 pav. Suanglėjusio medienos sluoksnio įtrūkimų vaizdas (Lizhong et al. 2002)

Fig. 1.1. View of the cracks on the carbon layer of wood (Lizhong et al. 2002) Medienos panaudojimą statyboje riboja lengvas jos užsiliepsnojimas ir

greitas liepsnos plitimas. 300 ºC temperatūroje termiškai skylanti mediena išskiria pakankamą degių dujų kiekį, lengvai užsiliepsnoja ir vyksta degimas.

Siekiant sumažinti medienos degumą, ji impregnuojama medžiagomis, savo sudėtyje turinčiomis antipirenų (Kurt et al. 2009, Wang et al. 2008, Timber Structures 2008, Ozkaya et al. 2007). Impregnuotos antipireniniais tirpalais medienos paviršiaus temperatūra degimo metu yra mažesnė, susidarantis suanglėjęs sluoksnis yra storesnis, sumažėja šilumos išsiskyrimo sparta ir masės mažėjimas (Jiang et al. 2010, Hagen et al. 2009).

1.3 lentelėje pateiktas neimpregnuotos ir monoamonio fosfatu giluminiu būdu impregnuotos pušies medienos laikas iki užsiliepsnojimo priklausomai nuo


šilumos srauto. Šilumos išsiskyrimo sparta neimpregnuotai pušies medienai siekė 80 MJ/m2, o impregnuotai – 60 MJ/m2 (Hagen et al. 2009). Didėjant šilumos srautui neimpregnuotos ir monoamonio fosfatu giluminiu būdu impregnuotos pušies medienos laikas iki užsiliepsnojimo trumpėja. Esant tam pačiam šilumos srautui monoamonio fosfatu giluminiu būdu impregnuotos pušies medienos laikas iki užsiliepsnojimo vidutiniškai du kartus ilgesnis, palyginti su neimpregnuotos pušies medienos laiku iki užsiliepsnojimo. 1.3 lentelė. Neimpregnuotos (NM) ir monoamonio fosfatu giluminiu būdu impregnuotos (IM) pušies medienos laikas iki užsiliepsnojimo veikiant šilumos srautu Table 1.3. Time to ignition of pine timber, non-treated (NM) and treated with monoammonium phosphate (IM), subjected to heat flux

Medienos rūšis Laikas iki užsiliepsnojimo, s, veikiant paviršiniam šilumos

srautui, kW/m2 20 30 40 50 60

NM 681 103 38 21 13 IM 4,4 proc. antipireno

bandinyje 1148 200 66 28 20 IM 7,1 proc.

antipireno bandinyje 1398 373 73 39 23 IM 10,0 proc.

antipireno bandinyje 1395 738 86 60 42 Medienos kaitinimo proceso metu skyla medienos sudėtyje esantys

gamtiniai polimerai, skiriasi anglies monoksidas (CO), anglies dioksidas (CO2) ir kitos dujos, vandens (H2O) ir dervų garai, suodžiai (anglis). Vykstant izoterminei reakcijai 527 ºC temperatūroje iš medienos masės susidaro 24 proc. anglies (C), 38 proc. vandens garų (H2O), 6 proc. anglies dioksido (CO2) ir 32–42 proc. degių dujų ir dervų garų. Masės netektis sudaro 77 proc., iš kurių 43 proc. degios dujos. Iš diamonio fosfato antipireniniu tirpalu impregnuotos medienos susidaro 40 proc. anglies (C), 38 proc. vandens garų (H2O), 4 proc. anglies dioksido (CO2) ir 18 proc. degių dujų ir dervų garų. Masės netektis šiuo atveju sudaro 60 proc., iš kurių 30 proc. degios dujos (Hagen et al. 2009).

Žmonių mirčių gaisruose analizės rodo, kad daugiausia mirčių sukelia apsinuodijimas toksiškais dujiniais degimo produktais, kurie apsunkina kvėpavimą, mažina matomumą ir pailgina evakuacijos laiką (Tserng et al. 2011, Papinigis et al. 2010, Lecomte and Liggat 2008, Babrauskas 2000, Drysdale 1998). Tai sudaro nuo 60 proc. iki 80 proc. visų žmonių žūčių gaisruose. Per pastaruosius penkerius metus Lietuvoje gaisruose žuvo vidutiniškai po 262 žmonių kasmet (Brushlinsky et al. 2009). 100 tūkstančių Lietuvos gyventojų 2011 metais teko 8 gaisruose žuvę žmonės. Šis rodiklis vienas didžiausių tarp


kitų Europos Sąjungos šalių. 2008 ir 2011 metais pagal šį rodiklį Lietuva aplenkė Latviją ir Estiją (2011 Fire and Rescue analysis). Gaisro metu susidarančių toksiškų dujinių degimo produktų tyrimų ir analizės svarbą įrodo ir Hagen ir kt. (2009), Žukas ir kt. (2007), Risholm-Sundman ir Vestin (2005) darbai. Peacock ir kt. (2004) pabrėžia, kad gaisto metu susidarančių toksiškų dujų išsiskyrimas analizuojamas retai. Pagrindiniu toksišku dujiniu produktu, susidarančiu gaisro metu, laikomas anglies monoksidas (CO) (Bolling et al. 2009, Jeguirim and Trouve 2009, Hassan et al. 2008, Peng and Juhachi 2007, Simonson et al. 2000). Kiti gaisro metu susidarantys toksiški dujiniai produktai: vandenilio cianidas, azoto oksidai, anglies dioksidas, vandenilio chloridas, amoniakas. Pavojų žmogaus sveikatai ir gyvybei sukelia ir mažėjanti deguonies koncentracija (Simonson et al. 2000). Nestandartizuota tyrimų įranga toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimą iš medienos ar medienos pagrindu pagamintų medžiagų tyrė ir analizavo Risholm-Sundman ir Vestin (2005).

Hagen ir kt. (2009) analizavo iš eglės medienos, giluminiu būdu impregnuotos monoamonio fosfatu, degimo metu išsiskiriančias anglies monoksido (CO) ir anglies dioksido (CO2) dujas. Nustatyta, kad anglies monoksido (CO) iš neimpregnuotos medienos išsiskiria apie 20 proc. daugiau, palyginti su impregnuota mediena, o jo išsiskyrimas mažėja didėjant šilumos srautui. Grexa ir Lubke (2001) darbe pažymima, kad dažniausiai antipireniniai tirpalai padidina CO išsiskyrimą. Jo darbe nagrinėjamas magnio hidroksido antipireninis tirpalas ir aliuminio hidroksido antipireninis tirpalas anglies monoksido (CO) išsiskyrimą sumažino vidutiniškai du kartus, tiek pat sumažėjo ir dūmingumas. Monoamonio fosfato su boro rūgšties antipireninis tirpalas nepakeitė anglies monoksido (CO) išsiskyrimo ir dūmingumo, monoamonio fosfato antipireninis tirpalas daugiau nei du kartus padidino anglies monoksido (CO) išsiskyrimą. Ostman ir kt. (2006) darbe pažymima, kad iš antipireniniais tirpalais impregnuotos medienos, paveiktos šilumos srautu, gali išsiskirti didesnis dūmų kiekis, palyginti su neimpregnuota mediena.

1.2. Medienos impregnavimas antipirenais Medienos impregnavimas, tai procesas, kurio metu mediena imirkoma

cheminiais junginiais, pvz., antipirenais. Antipireninių junginių efektyvumas nuosekliai tyrinėjamas (Glenn et al. 2012; Babrauskas et al. 2011; Grigonis et al. 2011; Vobolis and Albrektas 2009; Hagen et al. 2009, Półka 2008; Wang et al. 2008, Baysal et al. 2007, Ayrilmis 2007, Chuang et al. 2002, Grexa and Lubke 2001, Kozlowski and Wladyka-Przybylank 2001, Winandy 2001, Schulta and Nicholas 2000, Getto and Ishihara 1998, Subyakto et al. 1998). Antipireniniai tirpalai pirmą kartą panaudoti I amžiuje, impregnuojant karo


laivus Romoje (Levan 1984). Tačiau reikšmingas antipireninių tirpalų naudojimas prasidėjo XIX amžiuje. Intensyvus antipireninių tirpalų tyrimas ir gamyba prasidėjo XX a. pradžioje. Antipireninius tirpalus naudojo karinis jūrų laivynas. Niujorke jų naudojimas buvo būtinas aukštesniuose nei 12 aukštų pastatuose (Wazny and Karys 2001, Levan 1984).

1926 m. Gunno sukurtas antipireninis junginys pavadinimu ,,Celcure“, savo sudėtyje turintis chromo ir vario junginių, 1933 m. Kamesamo ir Falcko sukurtas ir patentą gavęs ,,Greensalt“ (prekybinis pavadinimas „Ascu“ arba „Falkamesam“) antipireninis junginys, savo sudėtyje turintis chromo, vario ir arseno junginių. 1938 m. Bolideno sukurtas antipireninis junginys savo sudėtyje turintis chromo, arseno, cinko sulfato. Jo sukūrimas turėjo didelę reikšmę antipireninių tirpalų vystymuisi (Wazny and Karys 2001). Mahltig ir kt. (2008) pažymi, kad tolesnis šios srities tyrimų poreikis nemažėja ir yra aktualus. Dėl sunkiųjų toksiškų metalų, tokių kaip arsenas, chromas naudojimo ribojimo antipireniniai tirpalai, savo sudėtyje turintys tokių metalų, turėjo būti keičiami kitais. Alternatyva tapo antipireniniai tirpalai, nekenksmingi žmogaus sveikatai ir aplinkai (Mahltig et al. 2008, Humar et al. 2007, Stevens et al. 2006).

Medienos degumo mažinimas impregnuojant ją antipireniniais tirpalais priklauso nuo antipireninio junginio tipo, jo koncentracijos, įterpimo į medieną metodo, medienos struktūros ir charakteristikų. Antipireniniai tirpalai, naudojami medienai impregnuoti, privalo turėti šias savybes (Nagrodzka and Maloziec 2011, Keskin et al. 2007, Ostman et al. 2006, Sidney et al. 2005, TerHaar 2004):

a) efektyviai apsaugoti medieną gaisro metu; b) gerai išsilaikyti medienoje; c) giliai įsiskverbti į medieną; d) neturėti neigiamo poveikio medienai ir joje ar ant jos esantiems

metalams; e) būti saugūs naudojant, nekenksmingi žmogui ir aplinkai; f) neturėti blogo kvapo, neapsunkinti paviršiaus dažymo, nesudaryti

druskų liekanų. Wang ir kt. (2008), Subyakto ir kt. (1998) pažymi, kad antipireninių tirpalų

naudojimas yra paprasčiausias, efektyviausias ir ekonomiškiausias būdas, siekiant sumažinti medienos degumą.

Antipireninių tirpalų veikimas yra toks (Nagrodzka and Maloziec 2011, Hagen et al. 2009):

1) terminio skilimo metu iš antipireninio junginio išsiskiriančios nedegios dujos maišosi su iš medienos išsiskiriančiomis degiomis dujomis sudarydamos nedegių dujų mišinį;

2) antipireninis junginys, formuodamas barjerą, pvz., suintensyvindamas anglies sluoksnio susidarymą, stabdo terminio skilimo metu išsiskiriančių dujų


patekimą į degimo zoną, riboja deguonies patekimą į pirolizės zoną ir mažina temperatūrą ant medienos paviršiaus.

Plačiai naudojami antipireniniai tirpalai, savo sudėtyje turintys fosforo rūgšties ir jos druskų – mono ar diamonio fosfato (polifosfato). Antipireniniai tirpalai, kurių sudėtyje yra fosforo, laikomi veiksmingais dėl savo gebėjimo veikti medienos terminio skilimo procesą. Terminio skilimo metu fosforo junginiai sugeria šilumą, padidina suanglėjusio sluoksnio susidarymo intensyvumą, fosforizuodami celiuliozę mažina lakiųjų degimo produktų susidarymą (Hagen et al. 2009, Stevens et al. 2006, Lebow and Winandy 1999). Subyakto ir kt. (1998) ištyrė tri-metilo melamino formaldehido dervą, sumaišytą su fosforo rūgštimi. Šis cheminis junginys sumažino medienos degumą nedarydamas įtakos medienos mechaniniam atsparumui.

Getto ir Ishihara (1998) nuodugniai ištyrė antipireninius tirpalus, savo sudėtyje turinčius azoto ir fosforo rūgšties. Lecomte ir Liggat (2008), Pawlowski ir Schartel (2008) patvirtina tirpalų, sudėtyje turinčių fosforo ir azoto, veiksmingumą, teigdami, kad jie mažina lakiųjų degimo produktų išsiskyrimą ir intensyvina anglies sluoksnio formavimąsi. Di Blasi ir kt. (2008) nurodo, kad diamonio fosfatas ir diamonio sulfatas sudaro bazines fosforines ir sulfatines rūgštis, kurios apsaugo medieną nuo temperatūros poveikio, terminio skilimo metu vykdo dehidrataciją išskirdamos vandenį ir aušindamos medienos paviršių. Liodakis ir kt. (2003) tyrimai rodo, kad fosforo antipireniniais tirpalais impregnuotos medienos laikas iki užsiliepsnojimo pailgėja, apanglėjęs sluoksnis 70–85 proc. storesnis. Kaitinimo metu ant medienos, impregnuotos diamonio fosfato ar diamonio sulfato tirpalais, paviršiaus endoterminės skilimo reakcijos metu susidarantys produktai pateikti 1.1 ir 1.2 formulėse (Di Blasi et al. 2007):

4(NH4)2HPO4 → 8NH3 + 6H2O + P4O10 , (1.1) (NH4)2SO4 → 2NH3 + H2O + SO3. (1.2)

Medienoje, impregnuotoje antipireniniais tirpalais, savo sudėtyje turinčiais fosforo rūgšties, vyksta polisacharidų esterifikacija, išsiskiria vanduo ir deguonis. Šis procesas suintensyvina medienos dehidratacijos reakciją. Medienoje esančios rūgštys, paveiktos antipireninių junginių ir (ar) aukštos temperatūros, hidrolizuoja ir trumpina celiuliozės grandines. Kadangi celiuliozė ir hemiceliuliozė tiesiogiai įtakoja medienos stiprį, tai jų molekulių grandinių ilgio sutrumpėjimas turi įtakos medienos mechaninio stiprio sumažinimui (Sweet and Winandy 1999, Lebow and Winandy 1999, Grexa et al. 1999).

Dhamodara ir Gnanaharan (2007), Baysal ir kt. (2007), Ayrilmis ir kt. (2006) darbuose tiriami kiti ne mažiau populiarūs neorganiniai boro antipireniniai tirpalai, pvz., natrio tetraboras (boraksas). Teigiama, kad boro


antipireniniai junginiai, tokie kaip boro rūgštis ir boraksas, plačiai naudojami ir turi platų pritaikymą. Antipireniniai boro junginiai ne tik mažina medienos degumą, bet ir pasižymi apsauginėmis biologinio irimo savybėmis, nekenksmingumu aplinkai, nekeičia spalvos (Kartal and Ayrilmis 2005, Ayrilmis et al. 2005, Wazny and Karys 2001, Drysdale 1994). Boro junginiai, paveikti aukštos temperatūros, ant medienos paviršiaus suformuoja veidrodinį sluoksnį, ribojantį deguonies patekimą į pirolizės zoną. Boraksai turi tendenciją mažinti liepsnos plitimą, bet nesustabdo smilkimo. Boro rūgštys veikia atvirkščiai: slopina smilkimą, o liepsnos plitimo nesustabdo. Siekiant pasiekti visapusišką efektyvumą, šie junginiai naudojami kartu (Baysal et al. 2007, Grexa and Lubke 2001). Colak ir kt. (2002), Yildiz ir kt. (2002), Grexa ir Lubke (2001) nurodo, kad boro antipireniniai junginiai degimo metu mažina medienos masės nuostolius, efektyviai apsaugo ją gaisro metu. Boro antipireniniai tirpalai pasižymi geru įsiskverbimu į medieną, įsiskverbimo gylis po vakuuminio-slėginio impregnavimo siekia iki 50 mm (Dhamodara and Gnanaharan 2007).

Wang ir kt. (2004) pažymi, kad boro junginiai yra pagrindinis daugelio medienos ir kitų celiuliozinių medžiagų impregnavimui naudojamų antipireninių tirpalų komponentas.

1.4 lentelėje pateikti kai kurių Europoje naudojamų antipireninių tirpalų pavadinimai ir charakteristikos (Ostman et al. 2006). Europoje naudojami antipireniniai tirpalai dažniausiai pagaminti fosforo junginių pagrindu. Fosforo junginio koncentracija antipireniniame tirpale sudaro vidutiniškai 50 proc., o antipireninio tirpalo tankis svyruoja nuo vidutiniškai 585 kg/m3 iki vidutiniškai 875 kg/m3. 1.4 lentelė. Europoje naudojamų antipireninių tirpalų pavadinimai ir charakteristikos Table 1.4. Names and characteristics of fire retardant solutions used in Europe

Antipireninio tirpalo

pavadinimas Cheminio junginio tipas Koncentracija, proc.

Tankis, kg/m3

BSM 2000 neorganinė druska su priedais 44 830 Flame Proof neorganinė druska 30 670 FireGuard fosforo pagrindu * 607

Novaflam TP1 fosforo rūgšties pagrindu 45 618 Addiflam R.SP31 fosforo ir azoto pagrindu 48 677

Dequest 2010 fosforo pagrindu 60 875 Bayhibit AM fosforo rūgšties pagrindu 50 790

Masteret 80450 raudono fosforo pagrindu 50 585 * – Nėra duomenų


1.5 lentelėje pateiktos Europoje naudojamais antipireniniais tirpalais vakuuminiu-slėginiu būdu impregnuotos pušies medienos degumo savybės (Ostman et al. 2006). 1.5 lentelė. Europoje naudojamais antipireniniais tirpalais vakuuminiu-slėginiu būdu impregnuotos pušies medienos degumo savybės (PI – pušis impregnuota) Table 1.5. The combustion properties of pine timber impregnated by vacum-pressure method with fire retardant solutions used in Europe (PI – pine impregnated)

Bandinio rūšis

Kūginis kalorimetras, šilumos srauto dydis 50 kW/m2

ISO 9705 tyrimas

Deg

umo k

lasė

laikas iki užsiliep-

snojimo, s

maks. HRR, kW/m2

suminis šilumos

išsiskyrimas, MJ/m2

laikas iki visuotinio užsiliep-snojimo,

min Neimpregnuota

pušis 15 177 126 2,2 D PI BSM 2000 43 102 96 > 20 C

PI Flame Proof * * * > 20 B PI FireGuard 25 78 22 > 20 B

PI Novaflam TP1 22 104 49 7,8 C PI Addiflam

R.SP31 1473 47 7 > 20 B PI Dequest 2010 1140 53 3 > 20 B PI Bayhibit AM 510 66 48 17,6 C

PI Masteret 80450 55 193 100 3,1 D PI Boraksu 31 * 83 * < B

PI Cinko boratu 18 * 100 * < B PI Natrio boratu 46 * 89 * < B PI Boro rūgštimi 21 * 97 * < B PI Ksilogliukano

boraksu 24 * 114 * < B PI Ksilogliukano

cinko boratu 31 * 92 * < B PI Ksilogliukano

natrio boratu

28 * 96 * < B PI Ksilogliukano

boro esteriu 33 * 102 * < B * – Nėra duomenų


Geriausiomis antipireninėmis savybėmis pasižymi Addiflam R.SP31, Dequest 2010 ir Bayhibit AM antipireniniai tirpalai (1.5 lentelė). Šie antipireniniai tirpalai reikšmingai pailgina pušies medienos laiką iki užsiliepsnojimo, sumažina šilumos išskyrimo spartą. Jiang ir kt. (2010) teigia, kad, nepaisant didelės antipirenių tirpalų įvairovės, idealus antipireninis tirpalas vis dar nėra sukurtas, būtinos naujos technologijos.

Vienas iš antipireninių tirpalų veikimo mechanizmų – gebėjimas ant medienos paviršiaus degimo metu sudaryti išsipučiantį, apsauginį sluoksnį. Gu ir kt. (2007) analizuoja gaisro metu ant medienos paviršiaus apsauginį sluoksnį sudarančio, išsipučiančio antipireninio tirpalo savybes. Jiang ir kt. (2010), Gu ir kt. (2007), Wu ir Qu (2001) nurodo, kad ant medienos paviršiaus degimo metu išsipučiantį sluoksnį formuojantys antipireniniai tirpalai dėl efektyvumo yra populiariausi. Antipireninių tirpalų, formuojančių išsipučiantį sluoksnį, savybes analizuoja Zheng ir kt. (2008) ir Gao ir kt. (2008). Pabrėžiama, kad kuo homogeniškesnis ir storesnis bus šis sluoksnis, tuo efektyviau mediena tampa apsaugota nuo temperatūros ir liepsnos poveikio.

Grexa ir Lubke (2001), ištyrę antipireninius tirpalus, pagamintus magnio hidroksido ir aliuminio hidroksido pagrindu, pažymėjo, kad šie antipireniniai tirpalai yra mažiau efektyvus, palyginti su tirpalais, turinčiais fosfatų arba boro junginių. Tačiau jie veiksmingai mažina dūmingumą ir nedidina toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimo. Antipireninių tirpalų naudojimas mažina šilumos išskyrimo spartą (HRR) ir masės mažėjimą, pvz., neimpregnuota mediena degimo metu prarado 72 proc. masės, mediena, impregnuota monoamonio fosfato ir boro rūgšties antipireniniu tirpalu, prarado tik 17 proc. masės. Pereyra ir Giudice (2009) nagrinėja antipireninių tirpalų, pagamintų šarminių silikatų pagrindu, efektyvumą. Pabrėžtina, kad šie antipireniniai tirpalai pasižymi geromis apsauginėmis savybėmis, veiksmingai mažina aukštos temperatūros poveikį ir dūmingumą.

Impregnuotos medienos degumą sąlygoja antipireninio tirpalo prasiskverbimo į medieną gylis. Kuo giliau antipireninis tirpalas prasiskverbia į medienos struktūrą, tuo geresnę apsaugą gaisro metu jis užtikrina. Medienos prisotinimo antipireninių tirpalų gylis priklauso nuo (Hassan et al. 2008, Mahltig et al. 2008, Hashima et al. 2008, Humar et al. 2007, Weigenand et al. 2007):

a) antipireninio tirpalo savybių; b) impregnavimo metodo; c) medienos drėgnio; d) medienos savybių. Didžiausią įtaką medienos impregnavimo antipireniniais tirpalais gyliui turi

impregnavimo metodas. Išskiriamos dvi pagrindinės medienos impregnavimo metodų grupės: paviršinė ir giluminė. Paviršiniai impregnavimo metodai – tai metodai, kurie tepimo, apipurškimo, trumpalaikio mirkymo būdais prisotina


medieną antipireniniu tirpalu iki 5 mm gylio (Nagrodzka and Maloziec 2011, Mahltig et al. 2008). Giluminiai impregnavimo metodai – tai metodai, kurie difuzijos procesais arba panaudojus specialią įrangą prisotina medieną antipireniniu tirpalu iki keliolikos milimetrų gylio (Nagrodzka and Maloziec 2011, Hashima et al. 2008, Baysal et al. 2007, Ozkaya et al. 2007). Ozkaya ir kt. (2007) medienos bandinius impregnavo dviem metodais: giluminiu ir paviršiniu. Paviršutinis metodas atliktas teptuku tepant medienos paviršių antipireniniu tirpalu. Padengimas atliktas 3 kartus, antipireninio tirpalo išeiga 600 g/m2. Giluminis metodas atliktas bandinius 36 h panardinant į vonią su antipireniniu tirpalu. Ayrilmis ir kt. (2006) medienos bandinius impregnavo giluminiu mirkymo metodu. Bandiniai 3 h panardinami į vonią su 60 ºC temperatūros antipireniniu tirpalu. Dhamodaran ir Gnanaharan (2007) pažymi, kad giluminis vakuuminis-slėginis impregnavimo metodas labiausiai tinkamas pramonėje. Tai efektyviausias metodas mažinant medienos degumą. Humar ir kt. (2007), Gett ir Ishihara (1998) teigia, kad giluminis vakuuminis-slėginis impregnavimo metodas yra efektyvesnis už giluminį mirkymo metodą. Bednarek ir Kaliszuk-Wietecka (2004) teigia, kad vienas iš plačiausiai Vakarų Europos pramonėje naudojamų medienos impregnavimo metodų yra vakuuminis-slėginis metodas. Vien tik Vokietijoje per metus šiuo metodu impregnuojama apie 2 mln. m3 medienos, tačiau šio metodo trūkumas – neigiamas poveikis medienos mechaninėms savybėms (Keskin et al. 2008, Keskin et al. 2007, Ayrilmis et al. 2005, Bednarek and Kaliszuk-Wietecka 2004, Bednarek et al. 2002).

Gene ir kt. (2007) aprašo dar vieną, neįprastą medienos apsaugos nuo drėgmės ir gaisro būdą – medienos paviršiaus apšvitinimą mažos energijos vandenilio jonais. Deja, daugiau šaltinių, kalbančių apie tokį apsaugos būdą, nebuvo rasta. Įranga, kuria atliekamas medienos apšvitinimas, aprašyta Blantocas ir kt. (2004) darbe.

1.3. Medienos degumo tyrimo metodai ISO tarptautinė standartizacijos organizacija nurodo keletą gaisro vykimo

etapų, į kuriuos turi būti atsižvelgta tiriant degias medžiagas (ISO/IEC TR 9122-5): degios medžiagos terminis skilimas, besivystantis gaisras ir išsivystęs gaisras. Dydžiai, charakterizuojantys gaisro eigos etapus: degimo zonos temperatūra, deguonies koncentracija, anglies dioksido (CO2) ir anglies monoksido (CO) koncentracijos santykis karštajame sluoksnyje, šiluminis spinduliavimas. Gaisro eigos etapų klasifikavimas pateiktas 1.6 lentelėje (ISO/IEC TR 9122-5).


1.6 lentelė. Gaisro eigos etapų klasifikavimas Table 1.6. Clasification of fire stages

Degimo etapas Deguonies

koncentracija, proc.

CO2/CO Temperatūra, °C Šilumos srautas, kW/m2

Terminis skilimas a) smilkimas

(vykstantis savaime)

21 * < 100 *

b) beliepsnis skilimas (oksidacija)

5–21 * < 500 < 25

c) beliepsnis skilimas (pirolizė)

< 5 * < 1000 * Besivystantis gaisras 10–15 100–200 400–600 20–40 Išsivystęs gaisras a) mažas vėdinimo intensyvumas

1–5 < 10 600–900 40–70 b) didelis vėdinimo intensyvumas

5–10 < 100 600–1200 50–150 * – Nėra duomenų

Neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos medienos tyrimai

atliekami naudojant termogravimetrinės analizės, degumo įvertinimo mažinant deguonies kiekį ore, diferencijuoto kalorimetrinio tyrimo, liepsnos plitimo vamzdyje, dūmingumo bei toksiškumo nustatymo įrangą ir metodus (Nola et al. 2010, Yang and Nelson 2010, Jiang et al. 2010, Yanfen and Xiaoqian 2010, Goodrich et al. 2010, Hagen et al. 2009, Madrigal et al. 2009, Pereyra and Giudice 2009, Jeguirim and Trouve 2009, Gu et al. 2007, Dibble et al. 2007, Ostman et al. 2006, Wang et al. 2004, Babrauskas 2002, Grexa and Lubke 2001). Daugelis pateiktų šaltinių nurodo ir papildomus medienos tyrimo metodus: morfologinės struktūros elektriniu mikroskopu analizavimą ir sudegusio antipireninio likučio transformuotais infraraudonaisiais spinduliais (FTIR spectroscopy) tyrimą.

Blomqvist ir kt. (2007), Troitzsch (1990) pateikia kelis iš degių medžiagų degimo metu išsiskiriančių dujinių produktų tyrimo metodus, atitinkančius ISO reikalavimus: DIN 53436, JGBR, U – PITT (University of Pittsburg), FAA – CAMI (Civil Aero-medical Institute), modifikuotas NBS metodas ir USF (University of San Francisco) metodas. 1.7 lentelėje pateikti tyrimų, atliktų NBS tyrimo metodu, rezultatai (Grosset et al. 1993). Tiriant NBS metodu iš pušies medienos, palyginti su ąžuolo mediena, anglies monoksido ir anglies dioksido


išsiskyrė daugiau. Anglies monoksido dar didesnį kiekį išskyrė 100 proc. vilna, poliuretanas ir poliamidas. 1.7 lentelė. Toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimas degias medžiagas tiriant NBS metodu Table 1.7. The emission of toxic gaseous combustion products by investigating flamable materials with NBS method

Tiriamoji medžiaga Toksiškų dujinių degimo

produktų išsiskyrimas, g/kg Deguonies

sunaudojimas, CO CO2 HCN g/kg Pušies mediena (10 proc.

drėgnis) 36,166 1466,6 * 789 Ąžuolo mediena (7 proc. drėgnis) 34,29 1450 * * Vilna 100 proc. 39,12 1507 16,57 720 Poliamidas 101,5 1434,4 53,5 1156,7 Poliuretanas 37,58 838,3 30 *

* – Nėra duomenų Tirdamas antipireninių tirpalų savybes termogravimetrinę analizę taikė

Stevens ir kt. (2006). Jie taip pat analizuoja antipireninio junginio svorio, antipireninio junginio molio procentinį dydį medienoje ir medienos drėgmės kiekio pusiausvyrą. Antipireninio junginio svorio procentinį dydį medienoje skaičiavo ir Dhamodara ir Gnanaharan (2007). Temiz ir kt. (2007) tyrė vakuuminiu-slėginiu būdu impregnuotus medienos bandinius panaudodami ASTM E 160-50 (Standard test method for combustible properties of treated wood by the crib test) tyrimų metodą. Getto ir Ishihara (1998) darbe antipireninių tirpalų, kurių sudėtyje yra azoto ir fosforo junginių, koncentracija medienoje nustatoma spektrofotometriniu metodu. Szczepanska ir Jaskolowski (1998), lygindami neimpregnuotos ir antipireniniais tirpalais impregnuotos medienos degumą, naudojo ISO 5660-1, 2002 tyrimų metodą.

Iš degių medžiagų degimo metu išsiskiriančių toksiškų dujinių produktų tyrimo metodų įvairovė turi trūkumą. Skirtingais tyrimų metodais vertinant iš tos pačios medžiagos išsiskiriančius toksiškus dujinius degimo produktus gaunami skirtingi rezultatai (Speitel 2001, Rossi et al. 2001, Babrauskas 2000). Teisingas gaisro metu susidarančių dujinių degimo produktų įvertinimas yra sunki užduotis. 1.8 lentelėje pateikta tos pačios medžiagos toksiškų degimo dujų koncentracijos LC50 reikšmė (toksiškų degimo dujų koncentracija, sukelianti 50 proc. tiriamos gyvūnų populiacijos mirtį per 30 min.) taikant skirtingus tyrimų metodus (Purser 1995).


1.8 lentelė. Tyrimo metodas ir LC50 reikšmės Table 1.8. Research methot and LC50 meanings

Tyrimo metodas Terminio skilimo atlikimo aplinkybės Degi medžiaga LC50 gm-3

DIN 53436 400 °C

Poliuretanas ≥ 24

500 °C ≥ 10 600 °C ≥ 6,6 850 °C ≥ 6,0

Potts Pot Liepsninis degimas Poliuretanas ≥ 11 Beliepsnis degimas ≥ 3,4 UPitt 20 K/min Poliuretanas 9,7

DIN 53436 400 °C

Mediena ≥ 20

500 °C ≥ 15 600 °C ≥ 18 850 °C ≥ 29

Potts Pot Liepsninis degimas Mediena ≥ 40 Beliepsnis degimas ≥ 20 UPitt 20 K/min Mediena ≤ 42

US Radiant 25 kWcm-2 Mediena 66 50 kWcm-2 100

Iš degių medžiagų degimo metu išsiskiriančių toksiškų dujinių produktų tyrimų metodai klasifikuojami į (Stec and Hull 2010):

- atvirus (open) – dujiniai degimo produktai vertinami esant degimui su vėdinimu;

- uždarus (closed chamber) – degimo produktai vertinami esant degimui be vėdinimo;

- su nepastoviu oro srautu (non-steady flow-through) – degimo produktai vertinami esant galimybei keisti vėdinimo intensyvumą;

- su nepastoviu oro srautu liepsnos plitimo tunelyje (steady-state tube furnance) – lengvai atkartojami skirtingi degimo etapai.

Iš degių medžiagų degimo metu išsiskiriančių toksiškų dujinių produktų tyrimų metodai grupuojami į metodus su pastoviu degimu ir į metodus su nepastoviu degimu. Metodai su pastoviu degimu, pvz., DIN 53436 ,,German tube furnace“ metodas ir jo darinys ISO 19700, tinkamiausi siekiant lyginti rezultatus tarpusavyje ir modeliuoti. Daugelio tyrimo metodų yra nepastovus degimas, pvz., metodai su uždara ar pusiau uždara degimo kamera, veikiama pastoviu šilumos srautu: NBS dūmų kamera ISO 5659, oro srauto vamzdžio tipo krosnies testas (stationary tube furnace test) NFX 70-100, kūginis kalorimetras ISO 5660-1, gaisro plitimo metodas ASTM E 2058. Tyrimų metodai grupuojami ir pagal fizines metodų savybes: atviras testas (kūginis kalorimetras), uždaras


testas (dūmų kamera) ir vėdinamas testas (liepsnos plitimo vamzdyje metodas, kūginis kalorimetras su galimybe kontroliuoti vėdinimą, gaisro plitimo metodas).

Gaisras – fizikinis-cheminis procesas, apimantis daugybę oksidacijos ir pirolizės reakcijų, kurias veikia patalpos geometrija, medžiagų cheminė sudėtis, taip pat ir šilumos dinamika. Tikrojo gaisro (nekontroliuojamas, vykstantis ne tam skirtoje vietoje degimas, keliantis pavojų žmogui, turtui ar aplinkai) metu toksiškų dujinių degimo produktų išsiskyrimas labai priklauso nuo daugelio aplinkybių, kurias sunku atkartoti tyrimo metoduose. Tyrimo metodika ir įranga, ir tokie veiksniai kaip temperatūra, liepsninis ar be liepsnos degimas, bandinio svoris, matmenys, struktūra, bandinio ir oro santykis, veikia anglies dioksido (CO2), anglies monoksido (CO), azoto turinčių dujinių degimo produktų, tokių kaip vandenilio cianido (HCN), azoto oksido (NO), azoto dioksido (NO2), aldehidų, įskaitant ir formaldehidus, akroleino, sieros turinčių dujinių degimo produktų, tokių kaip sieros dioksido (SO2), išsiskyrimą. Mažiau įtakos tai turi vandenilio chlorido (HCl), vandenilio bromido (HBr) išsiskyrimui (Stec and Hull 2010, Stec et al. 2008).

Nuo 1970 metų atliekami tyrimai leido sukurti standartizuotas tikrojo gaisro tyrimų (natūrinių tyrimų) metodikas, maksimaliai atkartojančias tikro gaisro metu vykstančius procesus (Madrigal et al. 2010, Hagen et al. 2009). Tikrojo gaisro tyrimų metodai labai svarbūs vertinant statybinių ir apdailos medžiagų savybes gaisro metu, nustatant šių medžiagų keliamą riziką pastatuose, transporte. Keletas modifikuotų tikrojo gaisro tyrimų metodų nustato terminio skilimo metu išsiskiriančius dujinius degimo produktus, tai: ISO 9705 „Room corner test“, naudojamas klasifikuojant statybines medžiagas pagal Eurokodų sistemą; ISO 24473 „open calorimeter“; EN 13823 „single burning item“ (SBI), metodas, naudojamas klasifikuojant apdailos produktus; IEC 60332-3-10/EN 50266-1 „large scale cable test“, naudojamas nustatant liepsnos plitimą vertikaliai išdėstytais laidais ir kabeliais; IMO „fixed gaseous extinguishing agent systems test“ ir IMO „sprinkler test“ metodai, naudojami nustatant stacionarių gesinimo sistemų funkcionalumą ir efektyvumą.

Tikrojo gaisro tyrimų metodai, nustatantys toksiškus dujinius produktus, terminio skilimo metu išsiskiriančius iš degių produktų, skirstomi į tiesioginius, nustatančius degimo produktų koncentracijas laike, ar kaupiamuosius, nustatančius degimo produktų koncentracijos vidurkius (Stec and Hull 2010). Tiesioginiai metodai, tokie kaip FTIR (Fourier transform infrared) spektrometrija, leidžia nustatyti degimo produktų koncentracijas laike. Šie metodai netinkami nustatyti ypač mažoms dujinių degimo produktų koncentracijoms, kurios susidaro išsiskiriant ypač toksiškiems produktams. Tiesioginiais metodais nustatomos anglies dioksido (CO2), anglies monoksido (CO), deguonies (O2), azoto oksidų (NOX) ir kai kurių angliavandenilių


koncentracijos. Kaupiamieji metodai nevertina laiko, tačiau fiksuoja ypač mažas dujinių degimo produktų, tokių kaip mažo ir vidutinio molekulinio dydžio angliavandeniliai, izocianido junginiai, dioksinai, furanai, halogeniniai dibenzeno dioksinai koncentracijas (Schulte-Ladbeck et al. 2001).

Aptarti tikrojo gaisro tyrimai priskiriami prie standartinių. Tačiau naudojami ir specialūs tikrojo gaisro tyrimai, kurie leidžia nustatyti specifinę gaisro riziką pastatuose: gaisras kambaryje, gaisras ligoninėje, degimo produktų plitimas koridoriuose (Hertzberg et al. 2007, Robinson et al. 2007, Hertzberg et al. 2005, Simonson et al. 2000); gaisras sausumos ir vandens transporte (Hammarstrom and Axellson 2008, Arvidson et al. 2008, Lonnermark and Blomqvist 2006); pramoninis gaisras (Blonqvist and Persson 2008, Blonqvist et al. 2007).

Grėsmė, kurią gaisro metu sukelia toksiški dujiniai degimo produktai, nėra pakankamai reglamentuota standartuose (Gann et al. 2011, Gann 2004, Kingsch and Wittbecker 2000). Pastatų standartai apibrėžia gaisro vystymąsi priklausomai nuo pastato struktūros, statybinių medžiagų, evakuacijos kelių, o pastaraisiais metais – ir nuo vidaus apdailos. Europos statybinių medžiagų gaisrinio pavojingumo klasifikavimas gaisro metu susidarančių toksiškų dujinių degimo produktų nevertina (EN 13501-1:2007). Statybinių medžiagų gaisrinis pavojingumas vertinamas pagal užsiliepsnojimą, šilumos išskyrimo spartą, liepsnos plitimą ir kai kuriais atvejais pagal dūmų susidarymą. Tarptautinės jūrų organizacijos (International Maritime Organisation (IMO) taisyklės nustato apdailos medžiagų, naudojamų laivų vidaus apdailai, klasifikavimą pagal gaisro metų susidarančių dūmų toksiškumą (IMO 1998). Panašios dūmų toksiškumo taisyklės nustatomos ir medžiagoms, naudojamoms lėktuvuose (Airbus Industry document ABD0031). Lenkijos Respublikoje, vadovaujantis PN-88/B-02855 standartu, nustatoma iš statybinių medžiagų terminio skilimo metu išsiskiriančių toksiškų dujinių produktų LC50 vertė. Šis standartas statybines medžiagas suskirsto į labai toksiškas, toksiškas ir vidutinio toksiškumo. Lietuvoje statybinių produktų toksiškumas nestandartizuotas ir nėra vertinamas.

Dėl santykinai aukštos tikrojo gaisro tyrimų kainos taikomi kompiuteriniai gaisro modeliai. Pirmieji gaisro modeliai atsirado XX a. 5-ajame dešimtmetyje. Jie buvo skirti statybinių konstrukcijų gaisriniam pavojingumui nustatyti visiškai išsivysčiusio gaisro fazėje. Šiuos pirmuosius tyrimus atliko Thomas, Kavagoe, Babrauskas, Harmathy. Informacija apie kompiuterinius gaisro modelius randama Capote ir kt. (2012), Keshavarz ir kt. (2012), Vaidogas ir kt. (2012), Cheng ir Hadjisophocleous (2011), Galaj (2009), Olenick ir Carpenter (2003) darbuose, taip pat www.firemodelsurvey.com elektroniniame puslapyje.

Kompiuterinio gaisro modelio parengimas yra kompleksinis uždavinys. Netgi pats paprasčiausias gaisras – tai sudėtinis procesas, kurio vystymuisi turi įtakos daugelis veiksnių. Gaisro parametrai, naudojami gaisro modeliuose, yra


tokie: gaisro eigos laikas, dujų, esančių patalpoje temperatūra, degimo plotas, linijinis liepsnos plitimo greitis, degimo greitis, dujų koncentracija, degimo šiluma, dūmingumas, konvekcija ir kt. Šių parametrų priklausomybė nuo laiko vertinama kaip gaisro dinamika. Gaisras sutartinai skirstomas į tris fazes, kurios viena nuo kitos skiriasi gaisro parametrų kaitos intensyvumu (1.2 paveikslas) (Stec and Hull 2010).

Atsižvelgiant į struktūrą ir taikymo sritį, kompiuteriniai gaisro modeliai skirstomi į:

- integralinius (inegral). Jie gali būti naudojami tik tuo atveju, kai degimo produktai užpildo visą patalpą ir nepaisant savo paprastumo, praktikoje naudojami retai;

- zoninius (zone), kurie dėl pakankamai tikslaus gaisro parametrų patalpose su vėdinimu nustatymo, plačiai naudojami tiriant gaisrus pastatuose, turinčiuose daug patalpų;

- lauko (field). Jie gaisro parametrus nustato didesniu tikslumu, palyginti su integraliniais ir zoniniais modeliais.

1.2 pav. Gaisro fazės (I – gaisro vystymasis, II – išsivystęs gaisras, III – gaisro nykimas)

ir dujų, esančių patalpoje, temperatūros priklausomybė nuo laiko Fig. 1.2. Phases of fire (I – fire development, II – developed fire, III – fire extinction)

and temperature of gas in the room subjected to time

Per pastaruosius dešimt metų sukurta apie 170 gaisro parametrų vertinimo modelių, iš kurių 70 naudojami praktikoje (Galaj 2009). Iš didelės kompiuterinių gaisro modelių įvairovės plačiausiai pasaulyje naudojami tik du: zoniniai ir lauko kompiuteriniai modeliai. Nuo 1995 metų sutinkami darbai, susiję su hibridinio (zone-field) kompiuterinio gaisro modelio kūrimu (Galaj 2010, Galaj 2009, Galaj and Konecki 2008, Burton et al. 2007, Hua et al. 2005). Šis modelis

I Fazė II Fazė III Fazė

Laikas

Temp

eratūr

a


sujungia zoninių ir lauko modelių pranašumus, yra paprastesnis už lauko modelius ir gana tiksliai modeliuoja ypač didelės dinamikos gaisrus.

Pirmieji darbai, susiję su zoninio modelio kūrimu, atlikti 1979 ir 1980 metais (Zukoski and Kubota 1980, Zukoski 1979). Šiame modelyje patalpos padalytos į keletą sluoksnių. Dažniausia nagrinėjami du sluoksniai: viršutinis karštasis ir apatinis šaltasis. Kiekvieno sluoksnio atitinkamuose taškuose vertinami du pagrindiniai parametrai: temperatūra ir gaisro metu susidarančių toksiškų dujų koncentracija. Siekiant nustatyti šiuos parametrus atsižvelgiama į degios medžiagos energijos ir masės tvermės dėsnius. Atsižvelgiant į masės ir energijos kiekviename sluoksnyje lygtis, apibrėžta gaisro parametrų kaita. Lygtys abiem patalpos sluoksniams (viršutiniam ir apatiniam) apibrėžtos taip:

∑=

=

NS

jjxix mdt

dm1

,, , (1.3)

∑=

=

NS

jjx

ix hdtdh

1,

, , (1.4) čia: x – žymėjimas, apibūdinantis viršutinį karštąjį ir apatinį šaltąjį sluoksnius (u – viršutinis, l – apatinis); i – patalpos, kuriai nustatomi gaisro parametrai, numeris; j – patalpos, besiribojančios su „i“ patalpomis, numeris; NS – patalpų, besiribojantis su „i“ patalpomis, skaičius; m – masė, kg; h – energija, J.

1.3 ir 1.4 lygčių dešinės pusės apibūdina masės ir entalpijos srautus į

viršutinį karštąjį sluoksnį ir į apatinį šaltąjį sluoksnį, kurie yra pagrindinėje patalpoje, iš sluoksnių, esančių besiribojančioje patalpoje (1.3 paveikslas) (Konecki 2003).

Liepsnos zona vertinama kaip šilumos šaltinis, spinduliuojantis energiją iš šaltojo sluoksnio į karštąjį sluoksnį. Konvekcinės kolonos dydis ir dūmų išsiskyrimo sparta aprašomi empirinėmis lygtimis, daugelis kurių sukurta eksperimentinių tyrimų pagrindu. Tikrovėje, ypač mažose patalpose, kuriose vyksta didelės dinamikos gaisrai, temperatūra skiriasi nuo zoniniuose modeliuose nustatomų temperatūrų. Nepaisant to, kad zoninių modelių tikslumas mažas, jie plačiai naudojami tiriant gaisrus patalpose ir tai įrodo didelis publikacijų šia tema skaičius (Wang et al. 2007, Cadorin and Franssen 2003, Nyankina and Novozhilov 2002, Konecki 2002, Oscilowska et al. 2002, Konecki and Tusnio 2001, Oscilowska and Tusnio 2001, Piorczynski and Galaj 1998).


1.3 pav. Srautų judėjimas zoniniame modelyje: 1 – viršutinis karštasis sluoksnis, 2 –

apatinis šaltasis sluoksnis, 3 – dūmų srautas, 4 – oro srautas Fig. 1.3. Moving of flows in zone model: 1 – hot upper layer, 2 – cold lower layer,

3 – smoke flow, 4 – air flow Kompiuterinių gaisro modelių apžvalgos, kurią atliko Olenick ir Carpenter

(2003), pagrindu, 1.9 lentelėje pateikiami plačiausiai naudojami zoniniai modeliai, jų kilmės šalys ir pritaikymas. 1.9 lentelė. Plačiausiai naudojami zoniniai modeliai Table 1.9. The most widely used zone models

Programinės įrangos

pavadinimas Kilmės šalis Pritaikymas

DACFIR-3 JAV Gaisrams lėktuvų kabinose modeliuoti DSLAYV Švedija Gaisrams vienoje patalpoje modeliuoti

FFM JAV Skirtas ,,pre-flashover“ (gaisro fazė iki visuotinio užsiliepsnojimo) gaisro fazei modeliuoti (visuotinis užsiliepsnojimas – visų degių patalpoje esančių objektų užsidegimas vienų metu)

FIREWIND Australija Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, modeliuoti FIRIN JAV Gaisrams, kai didelis patalpų (su priverstiniu vėdinimu) skaičius, modeliuoti

CFAST/FAST JAV Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, modeliuoti; vienas populiariausių gaisro modelių

3

1 1

3

4 2 2


1.9 lentelės tęsinys Table 1.9 continuation

Programinės įrangos

pavadinimas Kilmės šalis Pritaikymas

CFIRE-X Vokietija Gaisrams patalpose, kuriose dega sunkieji angliavandeniliai, modeliuoti CiFi

Prancūzija

Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, modeliuoti

COMF2 JAV Gaisrams vienoje patalpoje, ypač tiriant ,,post-flashover“ (gaisro fazė po visuotinio užsiliepsnojimo) fazę, modeliuoti

SP JAV ,,Pre-flashover“ (gaisro fazė iki visuotinio užsiliepsnojimo) fazei modeliuoti WPI-2 JAV Gaisrams vienoje patalpoje modeliuoti

WPFIRE JAV Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, modeliuoti MRFC Vokietija Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, dūmų judėjimui ir temperatūrinėms apkrovoms modeliuoti NAT Prancūzija Gaisrams vienoje patalpoje modeliuoti

FIRST JAV Gaisrams vienoje patalpoje su vėdinimu modeliuoti R-VENT Norvegija Dūmų judėjimui patalpose su vėdinimu modeliuoti

SMKFLW Japonija Dūmų judėjimui pastatuose modeliuoti ASET JAV Gaisrams vienoje patalpoje modeliuoti

BRANZFIRE Naujoji Zelandija Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, esant keliems degimo šaltiniams ir mechaniniam vėdinimui, modeliuoti

BRI-2 Japonija/ JAV Gaisrams daugiaaukščiuose pastatuose modeliuoti, uždūmijimo zonoms analizuoti

CCFM.VENTS JAV Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, su vėdinimu modeliuoti FMD JAV Gaisrams didelėse patalpose modeliuoti

NRCC2 Kanada Gaisrams didelėse biuro tipo patalpose modeliuoti RADISM Didžioji Britanija

Gaisrams vienoje patalpoje su stacionariomis gesinimo vandeniu sistemomis ir vėdinimu modeliuoti

ARGOS Danija Gaisrams, kai didelis patalpų skaičius, modeliuoti HEMFAST JAV Gaisrams patalpose su baldais modeliuoti HYSLAV Švedija ,,Pre-flashover“ (gaisro fazė iki visuotinio užsiliepsnojimo) fazei modeliuoti

IMFE

Lenkija

Gaisrams vienoje patalpoje su vėdinimu modeliuoti MAGIC

Prancūzija

Gaisrams atominėse elek

antipireniniais tirpalais impregnuotos ...dspace.vgtu.lt/bitstream/1/1477/1/2028_karpovic...nh 3 –...

Documents