Влияние атмосферных факторов на эффективность огнезащиты фасадных конструкций из древесины

Корольченко О.Н., Цариченко С.Г., Константинова Н.И. Влияние атмосферных факторов на эффективность огнезащиты фасадных конструкций из древесины. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(5):585–593. – EDN: GRLHSB.

Дерево в качестве строительного материала использовалось людьми с древних времен, что было обусловлено доступностью древесины, относительной легкостью обработки имеющимися инструментами, а также хорошими конструкционными качествами, такими как высокая прочность и эластичность при относительно низкой плотности. Кроме того, здания и сооружения, выполненные из древесины, обладают высокими теплоизоляционными и акустическими свойствами, создают комфортные условия и здоровый микроклимат внутри помещения. Являясь природным и возобновляемым материалом, древесина является экологически чистым продуктом, при этом при производстве деревянных конструкций требуется меньше энергии, по сравнению с другими материалами, что, в свою очередь, снижает углеродный след.

Эти свойства древесины обуславливают актуальность применения древесины в качестве конструкционного материала в домостроениии в настоящее время. При этом необходимо учитывать, что древесина как конструкционный материал обладает рядом недостатков, такими как восприимчивость к влаге и грибкам, пожароопасность, а также определенными ограничениями размеров по длине и высоте по сравнению с железобетонными конструкциями.

Несмотря на это, многоэтажное деревянное домостроение в настоящее время становится все более актуальной темой, связанной с разработкой и освоением новых технологий, применением современных строительных материалов, позволяющих строить дол- говечные, надежные общественные, жилые и производственные здания [1]. В целях развития деревянного домостроения проводится комплекс мероприятий по совершенствованию нормативной правовой базы, техническому регулированию и расширению области применения конструкций из дерева [2]. Реализация мероприятий позволит проектировать и строить многоэтажные здания с применением деревянных конструкций этажностью до 12 этажей.

Одним из ограничивающих факторов развития многоэтажного деревянного домостроения, как было сказано выше, остается повышенная пожарная опасность применяемого материала и конструкций, поэтому вопросы их огнезащиты весьма актуальны и им посвящено значительное количество исследований [3, 4].

При проектировании и строительстве фасадов зданий наряду с соблюдением определенных требований пожарной безопасности необходимо обеспечение защиты здания от атмосферного воздействия при длительной эксплуатации [5]. Это обуславливает необходимость проведения соответствующих исследований по определению срока службы огнезащищенной древесины с учетом реальных климатических условий эксплуатации, связанных с необходимостью разработки методов прогнозирования ее долговечности без потери нормируемого уровня пожарной безопасности.

Вопросу влияния естественного и искусственного старения древесины на показатели ее пожарной опасности был посвящен ряд работ, в которых исследовались отдельные вопросы изменения в струк-

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ туре и химическом составе древесины [6], изучалась сохранность ее эффекта огнезащиты при обработке различными составами [7, 8].

В публикациях описано большое количество экспериментальных работ по исследованию пожарной опасности древесины, которые свидетельствуют о влиянии различных факторов на ее пожароопасные показатели (порода и разновидность древесины, условия и продолжительность эксплуатации, влажность, интенсивность пожара и т.д.). Исследованы особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины в зависимости от возраста древесины, определены теплофизические характеристики, получены значения скорости обугливания при различных температурных режимах [7, 8].

Однако комплексные исследования, направленные на изучение поведения в условиях пожара огнезащищенных деревянных материалов фасадных систем, подверженных атмосферному воздействию, в полной мере не проводились, поэтому работа по оценке эффекта огнезащиты древесины и показателей пожарной опасности на соответствие нормативным требованиям после длительной ее эксплуатации представляется весьма актуальной. Актуальность затрагиваемой проблемы вызвана также отсутствием в отечественной нормативной практике методов, позволяющих прогнозировать срок службы огнезащищенных деревянных конструкций.

Целью настоящих исследований являлось изучение возможности применения огнебиовлагозащит-ного пропиточного средства на основе фосфоразот-содержащих водорастворимых соединений нанораз-мерного ряда для защиты облицовочных деревянных материалов фасадных систем при воздействии атмосферных факторов – переменных температур и влажности при сохранении нормируемого уровня их показателей пожарной опасности и целостности. Для выполнения настоящих исследований было необходимо решить следующие основные задачи: – выбрать и обосновать режимы ускоренных климатических испытаний огнезащищенной древесины;

– определить устойчивость огнезащитного эффекта древесины после проведения ускоренных климатических испытаний по нормативным показателям пожарной опасности для облицовочных материалов фасадных систем.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При определении огнезащитных свойств древесины крайне важно учитывать не только первоначальные характеристики огнезащитных средств, но и их способность сохранять эффективность на протяжении всего срока службы материала. Следует отметить, что зарубежные стандарты, регламентирующие определение огнезащитных свойств древесины, зачастую не предусматривают оценку изменения степени их эффективности при естественном или искусственном старении. Это создает определенный пробел в методическом подходе, так как реальные условия эксплуатации оказывают существенное влияние на долговечность огнезащитного эффекта. Методически для установления особенностей влияния реальных климатических условий эксплуатации на огнезащиту часто используются нормативные документы, предназначенные для испытаний внешнего качества лакокрасочной продукции, что не всегда полностью отражает специфику огнезащиты древесины.

Например, в европейских нормативных документах [9, 10] предусмотрено проведение искусственного и естественного воздействия атмосферных факторов. Процедура искусственного старения, как правило, состоит из коротких циклов продолжительностью 3 часа. Каждый такой цикл включает сочетание воздействия УФ излучения в течение 2,5 часов с последующим орошением распыленной водой в течение 0,5 часа. Общая продолжительность циклических испытаний в таких методиках может достигать 12 недель, что позволяет смоделировать относительно длительный период эксплуатации в ускоренном режиме. Тем не менее эти режимы могут не полностью охватывать весь спектр климатических воздействий, характерных для различных регионов.

В отечественной нормативной практике действует стандарт [11], согласно которому оценивается способность нанесенного в результате огнезащитной обработки средства сохранять эффективность при воздействии факторов окружающей среды, соответствующих условиям эксплуатации древесины внутри помещений. Операции искусственного старения огнезащищенной древесины по этому стандарту предусматривают продолжительность в 14 суток. Они включают последовательную циклическую выдержку образцов в сушильном шкафу при различных температурных режимах: (60±5) °С и (23±5) °С, а также при относительной влажности воздуха (65±5)%. Данный подход, хотя и релевантен для внутренних условий, не моделирует агрессивные внешние климатические воздействия.

Очевидно, что для определения огнезащитных свойств средств, используемых для обработки деревянных конструкций, применяемых на открытом воздухе, необходимо предусмотреть режимы воздействия, максимально соответствующие реальным условиям эксплуатации. Главными факторами, влияющими на процесс вымывания и разрушения огнезащитных составов в данных условиях, могут являться повышенная влажность, частые циклы замерзания-оттаивания и значительные изменения температуры

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ окружающей среды. Эти факторы способствуют как физическому вымыванию компонентов, так и химической деградации огнезащитного покрытия или пропитки. Поэтому при выборе режимов ускоренных климатических испытаний в настоящих исследованиях был рассмотрен и впоследствии использован метод 3 [12], который предусматривает более строгие и разнообразные условия воздействия.

Согласно указанному методу, образцы огнезащищенной древесины помещали в специализированную климатическую камеру, способную точно контролировать параметры окружающей среды. Последовательность выдержки образцов была следующей: сначала при температуре (40±2) °С и относительной влажности воздуха (97±3)% в течение 6 часов; затем при температуре (20±2) °С и относительной влажности воздуха (97±3)% в течение 2 часов. Далее следовал этап воздействия низких температур: при температуре минус (32±3) °С и относительной влажности воздуха (80±1)% в течение 3 часов. После этого образцы подвергались воздействию повышенных температур: при температуре (60±2) °С и относительной влажности воздуха (80±1)% в течение 7 часов; и завершающий этап цикла – при температуре (20±2) °С и относительной влажности воздуха (80±1)% в течение 6 часов. Продолжительность одного полного цикла испытаний составляла 24 часа. Важно отметить, что восемь таких циклов испытаний эквивалентны одному году эксплуатации материала в реальных атмосферных условиях. В рамках данного исследования было выбрано модельное время эксплуатации древесины, равное 15 годам, что потребовало проведения опытов в течение 120 суток (15 лет • 8 циклов = 120 циклов, каждый цикл 1 сутки, итого 120 суток). Такой подход позволяет значительно сократить время эксперимента при сохранении адекватности моделирования долгосрочных эффектов.

В качестве защитного средства был исследован модифицирующий древесину состав, содержащий фосфоразотсодержащие водорастворимые соединения наноразмерного ряда. Помимо основных огнезащитных компонентов, данный состав включает комплексные биоциды, предотвращающие биологическое разложение древесины, и специальные биопластификаторы, улучшающие проникновение и адгезию состава с древесиной. Состав наносился методом глубокой пропитки, эффективность и механизм действия которого были ранее установлены в работах [13, 14]. Огнебиозащитное пропиточное средство состоит из комплексных реакционноспособных соединений, которые позволяют модифицировать внутреннюю структуру древесины. Эта модификация приводит к изменению основных стадий термического разложения древесины, существенно влияя на свойства образующегося коксового слоя. В результате снижается выделение горючих газов в процессе пиролиза и уменьшается термоокислительная способность материала [14], что является ключевым для достижения огнезащитного эффекта.

Важным фактором, определяющим эффективность огнебиозащитной обработки древесины, является выбор способа глубокой пропитки применительно к данному пропиточному средству. К основным способам можно отнести метод «прогрев – холодная ванна» и автоклавную пропитку. В первом случае процессы протекают при атмосферном давлении с использованием чередующихся режимов обработки древесины пропиточным составом и могут выполняться тремя способами:

– прогрев и пропитка осуществляются в одной ванне с заменой горячего раствора защитного средства холодным без обнажения изделий из древесины или заполнением ванны холодным раствором защитного средства после прогрева паром;

– прогрев и пропитка осуществляются в одной ванне с «замачиванием» изделий из древесины в горячем растворе защитного средства до остывания древесины;

– прогрев и пропитка осуществляются в двух ваннах с переносом пропитываемых изделий из одной ванны в другую.

Данный метод из-за малого избыточного давления не обеспечивает достаточно глубокой пропитки, более трудоемкий, а также требует длительного подхода, так как общее время пропитки для достижения древесины уровня «трудногорючей» составляет минимум 24 часа.

Для обеспечения глубокой пропитки огнебио-защитным составом с целью обеспечения более высокой эффективности защиты древесины при значительно меньшей продолжительности и энергозатратах процесса применяются автоклавные методы обработки. Они также могут выполняться различными способами [15]:

– Способ Рюпинга «давление воздухом – давление жидкостью – вакуум». Применяется для пропитки маслянистыми антисептиками, при этом используемое избыточное давление не может вывести большую часть влаги из пор, из-за этого пропитка не может проникнуть во всю площадь древесины, а вода остается в порах.

– Способ «вакуум – давление» реализует последовательное вакуумирование образца с целью удаления влаги из структуры древесины, после чего на образец воздействуют защитным составом под давлением, что позволяет внести только ограниченное количество пропитывающей жидкости на небольшую глубину и не обеспечивает эффективность защиты по сравнению с другими способами.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

– Способ «вакуум – давление – вакуум» осуществлялся путем вакуумирования в автоклаве в следующей последовательности: вакуумирование для удаления избыточной влаги и воздуха из пор древесины, заполнения автоклава огнебиозащит-ным составом под давлением с выдержкой образца определенное время и дальнейшее повторное вакуумирование, и последующее нагружение повышенным давлением образца.

В результате обработки образца древесины таким способом обеспечивается глубокое проникновение состава в капиллярно-пористую структуру древесины. Дальнейшее повторное вакуумирование и последующее нагружение повышенным давлением образца способствуют еще более оптимальному и равномерному проникновению состава в глубь материала, обеспечивая максимальное насыщение древесины активными компонентами, тем самым повышая эффективность огнебиозащитной обработки.

Огнезащищенный методом глубокой пропитки указанным средством образец древесины сосны по результатам проведенных испытаний относится к группе трудногорючих материалов – группе горючести Г1. Это крайне важный показатель, так как он свидетельствует о значительном снижении пожарной опасности обработанного материала, что позволяет использовать его по полученным пожароопасным свойствам в качестве облицовки фасадных систем, полностью соответствуя требованиям существующих норм пожарной безопасности [16].

После проведения полного цикла климатических испытаний была произведена всесторонняя сравнительная оценка состояния и свойств огнезащищенной древесины. Оценка включала не только определение параметров горючести с использованием средств измерения и испытательного оборудования, согласно п. 7 [17], но и проведение детальных термоаналитических исследований, а также тщательный визуальный контроль всех поверхностей комплекта образцов огнезащищенной древесины как до, так и после процедуры старения. Такой комплексный подход позволяет получить полную картину измене- ний, происходящих с материалом под воздействием атмосферных факторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам оценки параметров горючести (табл. 1), проведенной согласно стандартной методике экспериментальной оценки группы горючих и трудногорючих материалов огнезащищенной древесины сосны [17] до (образцы № 1–3) и после проведения процедуры климатических испытаний (образцы № 4–6), значительных изменений в значениях потери массы (m, %) и максимальном приращении температуры (∆t) образцов практически не наблюдается. Это является ключевым свидетельством о способности нанесенного средства сохранять огнезащитную эффективность и обеспечивать получение трудногорючего материала даже после длительного воздействия агрессивных климатических условий.

Также был осуществлен прямой визуальный контроль состояния поверхности комплекта образцов огнезащищенной древесины до и после проведения старения. Прямой визуальный контроль проводился в виде местного контроля при следующих условиях: контролируемые поверхности располагались на расстоянии не более 600 мм, под углом 30° при уровне освещенности 500 лк. Для детального изучения поверхности применялась просмотровая лупа со средним десятикратным увеличением. В результате сравнительных исследований поверхностей образцов древесины внешних изменений, таких как трещины, отслоения, изменение цвета или видимые повреждения, не наблюдалось. Это подтверждает физическую стабильность огнезащитного слоя и его устойчивость к внешним воздействиям.

Для более глубокого изучения влияния процесса старения на сохранение степени эффекта огнезащиты древесины были проведены исследования обработанной древесины с использованием современных методов термического анализа: термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной термогравиметрии (ДТГ). Эти методы позволяют отслеживать изменения массы образца в зависимости от температуры и времени,

Таблица 1. Результаты экспериментального определения группы горючих и трудногорючих материалов образцов огнезащищенной древесины сосны до и после проведения климатических испытаний

№ образца	До проведения климатических испытаний		№ образца	После проведения климатических испытаний
	Δt max , оС	Δm, г		Δt max , оС	Δm, г
1	30	11,8	4	39	18,3
2	32	12,9	5	39	19,3
3	32	12,2	6	40	18,9

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ а также определять скорость этих изменений, что дает представление о процессах термического разложения материала.

Для проведения исследований из разных мест каждого образца древесины сосны режущим инструментом специально отбирали первичные пробы (5 штук) приблизительно в равных количествах. Из этих первичных проб формировалась средняя проба – тщательно гомогенизированное количество материала, взятое из общей массы первичной пробы, для обеспечения репрезентативности. Из отобранной средней пробы материала затем готовилось 3 микрообразца для проведения непосредственно испытаний методом термического анализа. Такой подход минимизирует влияние локальных неоднородностей в материале. В табл. 2 и на рис. 1 и 2 представлены средние результаты по трем параллельным испытаниям средних проб, что повышает достоверность полученных данных. Исследования проводились на синхронном термическом анализаторе Henven HQT 4. Условия проведения термоаналитического анализа были строго регламентированы: скорость нагревания составляла 20 °С/мин; среда при нагревании до 700 °С была инертной (азот), что позволяет изучать пиролиз без активного окисления, а свыше 700 °С — воздух, для анализа процессов горения и образования зольного остатка; масса навески составляла (21±2) мг.

Как следует из приведенных зависимостей на графиках (рис. 1, рис. 2) и данных табл. 2, основные параметры терморазложения огнезащищенной древесины сосны до и после проведения климатических испытаний практически не изменились. Это указывает на высокую стабильность химической структуры огнезащитного состава и его устойчивость к деградации под воздействием внешних факторов. В частности, отмечается совпадение количества основных ДТГ-максимумов и интервалов их нахождения, что свидетельствует о сохранении механизмов термического разложения. Интенсивность пиков и температура максимума отличаются незначительно, что подтверждает сохранение реакционной способности огнезащитных компонентов.

Результаты ранее проведенных экспериментальных исследований по оценке группы горючести, согласно [18] (метод 2), образцов огнебиозащищенной древесины показали следующие значения классификационных параметров по результатам трех опытов. Среднее арифметическое значение одновременно регистрируемых максимальных температурных показаний дымовых газов четырех термопар, установленных в газоотводной трубе установки – Тmах = 130 оС, средняя арифметическая величина их длин повреждения каждого из четырех испытанных образцов – ∆L = 52 %; повреждение по массе для четырех испытанных образцов – ∆m= 3 %; продолжительность самостоятельного горения – τсг = 0.

Таким образом, согласно установленной классификации метода по соответствию всех значений параметров, материал относится к группе горючести Г1.

Таблица 2. Результаты термического анализа древесины сосны глубокой пропитки до и после климатических испытаний

Потеря массы ∆m, %, при температуре, оС											Коксовый остаток, %, при Т, оС	Зольный остаток, %, при Т, оС
Потеря массы, %		∆m100	∆m200	∆m300	∆m400	∆m500	∆m600	∆m700	∆m800	∆m900	750	1000
До старения	∆m ср	3,72	7,61	40,22	48,53	54,25	57,88	60,5	61,16	64,92	37,1	28,9
После старения	∆m ср	3,38	9,37	41,47	49,29	55,36	58,49	60,94	62,66	66,37	28,9	20,2
Температура, °С, при потере массы
Температура, °С		Т 5%		Т 10%		Т 20%		Т 30%		Т 40%	Т 50%	Т 60%
До старения	Т ср	139		223		249		270		298	421	680
После старения	Т ср	165		211		244		266		293	406	656
Характеристика максимумов ДТГ-пиков в температурном интервале (температура максимума Тmax, °С/максимальная скорость потери массы Аmax, %/мин-1)
Интервал, оС		50–140					200–255				255–300
До старения	Т max.ср	91					254				275
После старения	Т max.ср	92					242				270
До старения	А max.ср	1,2					11,1				12,5
После старения	А max.ср	1,3					13,8				11,8

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 1. Зависимость потери массы древесины сосны глубокой пропитки от температуры нагрева до и после климатических испытаний

Рис. 2. Зависимость скорости потери массы древесины сосны глубокой пропитки от температуры нагрева до и после климатических испытаний

Практически одинаковые по численным значениям классификационных характеристик получены результаты испытаний согласно методу определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов (табл. 1) огнезащищенной древесины до и после старения.

При продолжительности испытания (300±2)с по результатам трех опытов максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения образцов материала не превышала 240 С, а потеря массы 11%, что свидетельствует об отнесении огне-биозащищенной древесины к группе трудногорючих материалов.

При анализе результатов проведенных экспериментальных исследований и имеющегося опыта сравнительных результатов испытаний материалов двумя примененными в работе методами оценки горючести можно с большой вероятностью утверждать,

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ что исследуемое защитное средство способно обеспечивать нормированную группу горючести (Г1) для древесных материалов фасадов на протяжении длительного срока эксплуатации. Это подтверждает применимость данного состава для фасадных конструкций, где требования к пожарной безопасности особенно высоки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований стабильности огнезащитных свойств древесины, обработанной методом глубокой пропитки, в условиях, максимально приближенных к реальным внешним атмосферным воздействиям, убедительно свидетельствуют о способности данного состава сохранять свои защитные свойства на период, эквивалентный 15 годам эксплуатации материала на открытом воздухе.

Основанием для такого однозначного вывода являются практически совпадающие результаты параметров оценки группы горючести, полученные до и после процедуры ускоренного старения. Более того, идентичность основных идентификационных характеристик термического анализа огнезащищенной древесины (таких, как температурные интервалы потери массы, температуры максимумов ДТГ-пиков и скорости потери массы) до и после воздействия климатических факторов дополнительно подтверждает устойчивость и долговечность огнезащитного эффекта.

Таким образом, на основании проведенных комплексных исследований была доказана возможность и целесообразность применения древесины, обработанной данным методом глубокой пропитки, в качестве конструкционного или облицовочного материала для наружного использования, например, для облицовки фасадов зданий. Применение такого материала не только позволяет обеспечить долговечность и эстетическую привлекательность деревянных фасадных систем, но и полностью соответствует строгим требованиям пожарной безопасности, предъявляемым к этим материалам, что открывает новые перспективы для развития многоэтажного деревянного домостроения.