1.5 Пожежно–технічні характеристики будівельних матеріалів
1.5.1 Горіння матеріалів, умови займання і розповсюдження вогню
Пожежа – це неконтрольоване горіння, що супроводжується знищенням матеріальних цінностей та (або) створює загрозу життю і здоров'ю людей. Горіння – екзотермічна реакція окислення речовин, що супроводжується інтенсивним виділенням тепла, світла, звуку, диму і полум‘я. Для виникнення процесу горіння необхідні три основні умови:
- наявність горючої речовини;
- наявність окислювача;
- наявність джерела запалювання.
Причому пальна речовина та окислювач повинні бути нагріті до певної температури і знаходитися у відповідному кількісному співвідношенні. Протікання процесу горіння умовно ілюструє схема на рис.1.2.
Джерело запалювання - теплова енергія, що призводить до займання, тобто накаленого тіла або локалізованого у відомих межах фізичного або хімічного процесу, що має запас енергії і температуру, достатньо для виникнення горіння.
На процес горіння впливають такі фактори:
– хімічний склад матеріалів і/або властивості їх окремих компонентів (реагування з окислювачем);
– густина та агрегатний стан пальної речовини;
– кількість окислювача (кисню): при його бракуванні реакція йде не інтенсивно, згоряння неповне, утворюється багато диму;
– вид джерела запалювання: полум`я, іскри, тління, перегріта поверхня…
Температура горючої речовини, при якій виникає її стійке горіння після впливу джерела запалювання, і є температурою запалення матеріалу. Кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 кг горючої речовини є теплотою згоряння. Кількість горючої речовини, що згоряє за одиницю часу на площі 1 м2, характеризує швидкість вигоряння матеріалу.
Пальні системи бувають:
1) хімічно неоднорідні, у яких горючі речовини та окислювач не перемішані і мають поверхню поділу (горючі тверді матеріали та рідини, струми горючих газів та випарів);
2) хімічно однорідні, в яких горючі речовини рівномірно перемішані з окислювачем (суміші горючих газів, випарів або пилу з повітрям).
Повний час згоряння будь-якої системи (г) складається з часу, необхідного для виникнення фізичного контакту між горючою речовиною і киснем повітря ф, та часу, що витрачається на проходження самої хімічної реакції х
г = ф + х ,
де ф – фізична взаємодія – час виникнення контакту між горючою речовиною та окислювачем; час сумішеутворенння (гомогенне горіння); час транспорту окислювача до твердої поверхні горіння (гетерогенне горіння);
х – хімічна взаємодія – час протікання хімічної реакції.
В неоднорідній системі ф > х і, практично, г ф. Тобто швидкість горіння визначається тільки дифузією кисню і/або горючої речовини до зони горіння. Серед неоднорідних систем розрізняють гетерогенне та гомогенне горіння, у залежності від властивостей горючої системи.
Гетерогенне горіння характеризується наявністю накаленої поверхні або конденсованої фази, що горить безпосередньо. Реакція окислення тут відбувається на межі розподілу різних за агрегатним станом фаз (як правило, твердого тіла та газу). Це спостерігається для кам‘яного вугілля, антрациту, коксу, деревинного вугілля та деяких металів (калію, натрію, танталу, ніобію), які горять без полум‘я. У цьому випадку кисень дифундує до зони горіння ще перетинаючи шар твердих продуктів згоряння. Концентрація кисню в об‘ємі повітря С1 значно більше, ніж поблизу зони горіння С0. Поблизу зони горіння вона поступово зменшується, але не дорівнює нулю (див. рис.1.3.б). За відсутності достатньої кількості кисню у межах зони горіння, хімічна реакція горіння гальмується.
Гомогенне горіння відбувається при взаємодії однорідних за агрегатним станом фаз, як правило, газів. У залежності від взаємного розташування горючої речовини та окислювача розрізняють горіння дифузійне та ламінарне.
При дифузійному горінні горюча речовина та окислювач не перемішані і окислення відбувається на їх межі, в досить добре окресленій зоні горіння. Концентрація окислювача у зоні горіння різко зменшується до нуля. Дифузійне горіння лімітується або дифузією окислювача у зону полум‘я, або дифузією горючих випарів, або обома процесами. Воно буває стаціонарним і турбулентним. Прикладом дифузійного горіння є горіння випарів, що підіймаються з вільної поверхні рідини (рис.1.3.а). Кисень повітря дифундує крізь шар газоподібних продуктів згоряння до зони горіння. Швидкість реакції горіння залежить від швидкості дифузії кисню.
При дифузійному горінні горюча речовина та окислювач не перемішані і окислення відбувається на їх межі, в досить добре окресленій зоні горіння. Концентрація окислювача у зоні горіння різко зменшується до нуля. Дифузійне горіння лімітується або дифузією окислювача у зону полум‘я, або дифузією горючих випарів, або обома процесами. Воно буває стаціонарним і турбулентним. Прикладом дифузійного горіння є горіння випарів, що підіймаються з вільної поверхні рідини (рис.1.3.а). Кисень повітря дифундує крізь шар газоподібних продуктів згоряння до зони горіння. Швидкість реакції горіння залежить від швидкості дифузії кисню.
Ознакою стаціонарного горіння є стійке полум‘я або факел. Наприклад, горіння газової запальнички, свічки. При турбулентному горінні горючі компоненти окислюються не повністю, утворюються крупні молі з надлишком горючих випарів, які лише частково згоряють, а значна частина випарів, що не повністю окислилися, виноситься за вогнище. Наприклад, горіння деревини або резервуарів з рідким пальним. Усі пожежі характеризуються дифузійним турбулентним горінням.
Особливий вид горіння – тління, для якого характерні ознаки як гетерогенного (накалення конденсованої фази), так і гомогенного (близьке до поверхні дифузійне полум‘я) горіння. До тління прихильні високопористі горючі матеріали, що не плавляться, які мають у порах деяку кількість окислювача, достатню для окислювання частини газоподібних продуктів піролізу, або ще певну невелику частину кисню у складі молекул. Найбільш часто з тлінням зустрічаються при горінні целюлозних матеріалів (деревини, бавовни).
У хімічно однорідній системі, де молекули кисню добре перемішані з молекулами горючої речовини і не витрачається час на сумішоутворення, ф<х, а г х. Завдяки тому, що швидкість хімічної реакції при високій температурі велика, горіння однорідних сумішей проходить майже миттєво і має характер вибуху.
Прикладом однорідної системи є ламінарне горіння, яке можливо у випадку попереднього перемішування газоподібних сумішей пального з окислювачем. Фронт полум‘я у цьому випадку розповсюджується по холодній свіжій суміші.