Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В соответствии с задачами научного проекта и планом работ на первый год выполнения исследования: 1. Проведен комплекс экспериментальных лабораторных исследований по оценке пожароопасных свойств некоторых видов древесных строительных материалов (фанера, ориентированно-стружечная плита (ОСП), древесно-стружечная плита (ДСП)) с применением инфракрасной камеры научного класса JADE J530SB. Применение бесконтактного метода для оценки пожароопасных свойств рассматриваемых в настоящей работе древесных строительных материалов позволило получить распределение полей температуры на поверхности образцов после воздействия очага горения. Использование инфракрасной камеры позволяет зафиксировать участки наибольшего и наименьшего нагрева образцов при воздействии на них модельного очага горения. В результате была предложена оригинальная методика постановки геометрии эксперимента с регистрацией ИК-изображения температурного поля торца исследуемого образца при воздействии на его фронтальную поверхность теплового потока. Проведено экспериментальное исследование влияния мощности теплового потока на характеристики воспламенения и обугливания рассмотренных древесных строительных материалов с применением бесконтактных методов ИК диагностики в узких спектральных диапазонах инфракрасных длин волн. Использование узкополосного оптического фильтра было выбрано на основании закона Планка для плотности излучения абсолютно черного тела, ввиду того, что обугленный слой древесных материалов близок по своим оптическим свойствам к модели абсолютно-черного тела (АЧТ). Использование в качестве излучателя теплового потока эталонного излучателя АЧТ позволяет иметь исследователю источник тепла с высокой однородностью плотности теплового потока, а также большой диапазон задаваемых температур с погрешностью поддержания 1,0 °С задаваемой температуры. Сделан вывод о том, что использование узкополосного фильтра позволяет регистрировать инфракрасное излучение наибольшей интенсивности приходящее на исследуемую поверхность образца древесного материала. Выбор оптического фильтра с рабочей спектральной полосой 2,5 – 2,7 мкм позволяет уйти от влияния поглощающих свойств углекислого газа, выделяемого при горении (максимальная линия поглощения углекислого газа наблюдается в основном в полосе 4,3-4,6 мкм длин волн). 2. Изучена вероятность воспламенения и обугливания образцов древесных строительных материалов, применяемых в строительстве, при воздействии на них очага горения слабой интенсивности, смоделированного хвоей сосны и степным горючим материалом. Была предложена методика эксперимента, позволяющая оценить распределение температурного поля на поверхности образца, подверженной тепловому излучению от фронта пожара, а также фиксировать участки наибольшего и наименьшего нагрева, пламенное горение и время остывания образца, с использованием инфракрасной камеры. Использование бесконтактного метода ИК-дигностики позволило экспериментально определить распределение температуры на поверхности образцов в результате воздействия модельного очага горения. Применение методов бесконтактной ИК диагностики позволило установить теплонапряженные участки на поверхности моделей деревянных конструкций в результате воздействия фронта низового лесного пожара, оценить с высокой точностью их характерные размеры. 3. В лабораторных условиях исследована вероятность зажигания различных типов строительных материалов, в результате воздействия горящих и тлеющих частиц природного происхождения, а также получены данные по поведению и огнестойкости образцов при их обработке огнебиозащитными составами (пропитками), в результате теплового воздействия (Приложение, Рисунок 3, 4, 5). Для изучения вероятности воспламенения образцов древесных строительных материалов (фанера, ОСП, ДСП) от воздействия тлеющих веточек сосны была модернизирована установка, позволяющая проводить исследования по зажиганию тлеющими частицами напочвенного покрова Полученные данные позволяют судить о том, что при выбранных параметрах эксперимента время зажигания снижалось с увеличением воздушного потока, а также с увеличением размера и количества частиц. Данная тенденция наблюдалась как с огнезащитным составом, так и без него. Отмечено, что воспламенение древесины происходило только в том случае, когда действие воздушного потока приводило к раздуванию частиц и переходу их из фазы тления в фазу пламенного горения. 4. Были проведены экспериментальные исследования, моделирующие случаи, когда, с одной стороны тлеющие частицы, образующиеся во время природного пожара, могут накапливаться на крыше и в углах зданий, заборах или найти способ попасть внутрь помещений и привести к их воспламенению, а с другой, фронт горения от низового лесного пожара воздействует на объекты, выполненные из древесных строительных материалов, обработанных различными огнезащитными составами. Проанализирован широкий спектр популярных на рынке огнезащитных составов, в частности: «ЗОТЕКС Биопирол», «Фенилакс», «ФУКАМ». В результате проведенных экспериментов определены скорости обугливания плоских образцов, подверженных воздействию очага низового лесного пожара. Кроме того определена величина глубины обугливания образцов древесины в зависимости от сорта древесины, а также типа применяемого огнезащитного состава. Результаты экспериментов показывают, что влияние огнезащитных составов значительно повышает защитные свойства древесины при воздействии на нее горящих частиц. В частности, с помощью методов ИК диагностики оценена максимальная температура на поверхности образцов в результате теплового воздействия. Полученные данные показывают, что наличие огнезащитного состава на поверхности образца, подверженного тепловому воздействию, практически исключает зажигания образца с последующим устойчивым горением по поверхности, при выбранных параметрах эксперимента. Сравнительный анализ по температурам на поверхности показал, что вклад огнезащитных составов во многом зависит от типа материала. В частности, наличие огнезащиты на поверхности образцов фанеры способствовало снижению в среднем в 3 раза максимальной температуры поверхности, подверженному тепловому воздействию. Однако в случае ориентированно-стружечной плиты, применение огнезащиты давало вклад в снижение температуры в размере не более 30 %. В случае с тлеющими частицами и условиями взаимодействия с образцами древесных строительных материалов следует отметить, что на процесс воспламенения образца древесины влияет количество частиц и их диаметр. Анализируя результаты по воздействию тлеющих частиц на древесину, обработанную огнезащитными составами, отметим, что в случаях при скоростях 1.5÷2.5 м/с продолжительное воздействие пламени от раздуваемых воздушным потоком частиц приводило к воспламенению древесины, однако устойчивого горения не наблюдалось. Вместе с догоранием частицы прекращалось и горение по поверхности древесины. Можно сделать вывод, что наличие огнезащитной пропитки на поверхности материала увеличивает время зажигания образца, но не исключает возможности появления пламени на поверхности. Это может быть обусловлено образованием на поверхности карбонизированного слоя, препятствующего быстрому прогреву образца. 5. Проведено сравнение результатов по условиям воспламенения испытуемых материалов из древесины с имеющимися в литературе данными. Проведено сравнение полученных с помощью ИК термографии значений максимальной температуры на поверхности рассматриваемых образцов древесных строительных материалов с результатами аналогичных экспериментов с применением термопар (Зима В.П., 2018). В частности, для образца фанеры при одинаковых параметрах эксперимента температура, полученная термопарным методом, составила 440-450 K, что в 2 раза ниже значений, полученных бесконтактным методом. Это связано, по-видимому, с тем, что термопарный метод при такой постановке эксперимента ограничен условиями внедрения термопар в образцы древесины (дает определенную погрешность, связанную с необходимостью внедрять термопары в образец древесины у поверхности). В данном случае с использованием методов ИК-термографии мы можем говорить непосредственно о температуре на поверхности. Литературный обзор по теме исследования показал, что в настоящее время отсутствуют сведения по оценке скорости и глубины обугливания рассмотренных в настоящей работе древесных строительных материалов. Для верификации полученных экспериментальных данных было проведено сравнение с работой (Асеева Р.М и др., 2012), в которой обобщены результаты по средней скорости обугливания древесины лиственных и хвойных пород в зависимости от интенсивности внешнего теплового потока в интервале 10 – 40 кВт/кв. м. Ввиду того, что в составе исследуемых образцов присутствуют дополнительные связующие компоненты (синтетические смолы и пр.), для сравнения была выбрана фанера, как материал, наиболее близкий по составу к массиву березы. Расхождение результатов составило 30 %. Авторы полагают, что это связано с многослойной структурой материала фанеры. 6. С помощью методов термогравиметрии – термогравиметрической кривой (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) исследована термодеструкция фанеры и ОСП. Термический анализ осуществлялся в окислительной (воздух) и инертной (аргон) атмосфере. Анализируя полученные данные по ДСК можно сделать вывод, что при темпе нагрева 10 °С/мин окончание процесса окисления основных компонентов рассматриваемых образцов происходит при температуре 540–550 °С. При увеличении темпа нагрева 20 °С/мин наблюдается смещение данной границы до значений температуры 680-690 °С, а при 40 °С/мин граница находится за пределами рабочего диапазона. В результате были установлены стадии термического разложения древесного вещества в условиях программируемого нагрева до 700 °С со скоростями 10, 20 и 40, °С в минуту (ТГ и ДСК), их температурные интервалы, убыль массы, определены тепловые эффекты испарения связанной влаги и процесса термического разложения компонентов строительных материалов. 7. В рамках выполнения первого этапа проекта опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи, индексируемые Web of Science, Scopus. Результаты проекта докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе на 8 Международной конференции по исследованию лесных пожаров (г. Коимбра, Португалия), 9 Международном семинаре по пожаровзрывобезопасности (г. Санкт-Петербург, Россия), 9 Европейском совещании по горению (г. Лиссабон, Португалия) и других.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствии с задачами научного проекта и планом работ на второй год выполнения исследования: 1. Произведено комплексное экспериментальное исследование в лабораторных условиях зажигания образцов строительных теплоизоляционных материалов (на примере строительных трехслойных сэндвич-панелей, утеплителя из пеноплэкса (экструзионного пенополистирол), а также пенополистирола) в результате воздействия модельного очага горения различной интенсивности, а также влияния теплоизоляционных строительных материалов на пожароопасные свойства древесины. С использованием в качестве излучателя модели абсолютно черного тела АЧТ-45/100/1100 Омского завода ОАО НПП «Эталон» с диапазоном изменения температуры от 100 – 1100 °C проведено экспериментальное исследование влияния мощности теплового потока в диапазоне 10 – 30 кВт/м^2 на характеристики зажигания и горения некоторых изоляционных материалов на основе пенополистирола с применением бесконтактных методов ИК диагностики в узких спектральных диапазонах инфракрасных длин волн. В инфракрасной области излучение поверхности образцов регистрировались с помощью тепловизора JADE J530SB с применением оптического фильтра 2.5 – 2.7 мкм, который позволял измерять температуру в интервале 310 – 1500 K. Для интерпретации зарегистрированного излучения от исследуемого образца были использованы калибровки, поставляемые изготовителем узкополосного оптического фильтра. Характерные скорости плавления исследуемых образцов составили: для пенополистирола 1.68 мм/с (при воздействии тепловым потоком 30 кВт/м^2), 0.81 мм/с (при воздействии тепловым потоком 20 кВт/м^2), 0.48 мм/с (при воздействии тепловым потоком 10 кВт/м^2); для экструдированного пенополистирола 1.24 мм/с (при воздействии тепловым потоком 30 кВт/м^2), 0.77 мм/с (при воздействии тепловым потоком 20 кВт/м^2), 0.61 мм/с (при воздействии тепловым потоком 10 кВт/м^2). 2. Подготовлена лабораторная база для проведения экспериментальных исследований по изучения вертикального горения по поверхности строительных материалов на основе древесины, а также теплоизоляционных материалов (на примере сэндвич-панели из полистирола). Проведены эксперименты по изучению характеристик вертикального горения по поверхности трехлслойной сэндвич-панели из полистирола с помощью линейного источника зажигания. С использованием оригинальных методик обработки данных с инфракрасной камеры и вычислений было получено, что средняя скорость движения фронта для образца теплоизоляции, состоящего из экструдированного пенополистирола составила 13.65 мм/с, пенополистирола 12.1 мм/с, а сэндвич панели, состоящей из полистирола, 4.17 мм/с. При это максимальная температура, зафиксированная на поверхности исследуемых образцов, составила: для экструдированного пенополистирола 680 °C, пенополистирола 640 °C, а сэндвич панели 710 °C. 3. Исследованы некоторые условия взаимодействия горящих и тлеющих частиц природного происхождения с моделями строительных конструкций и фрагментов из древесины в лабораторном и полунатурном масштабе. В лабораторных условиях моделировалось два случая: взаимодействие горящих и тлеющих частиц, которые аккумулируются с наружной части придомовой территории, а также случай проникновения и дальнейшей аккумуляции частиц от природного пожара в конструкционных элементах стен, крыши или вентиляционных отверстий. Предварительные результаты показывают, что вероятность воспламенения в случае накопления частиц вблизи модельной угловой конструкции на подстилающей поверхности из древесного материала возрастает более чем на 50 % при одинаковом количестве частиц. Сравнительный анализ показал, что при увеличении скорости ветра фаза тления частиц достаточно быстро переходит в фазу пламенного горения, кроме того, по бокам стенок образуются завихрения воздуха вследствие геометрии образца. В Большой аэрозольной камере ИОА СО РАН проведены предварительные эксперименты по воздействию модельного «огненного дождя», представляющего собой горящие и тлеющие частицы природного происхождения с некоторыми видами конструкционных материалов (древесные плиты). Воздействие на образцы потоком горящих частиц было обеспечено с помощью генератора горящих частиц собственной оригинальной разработки. В эксперименте моделировался случай накопления частиц на придомовой территории, а также в элементах крыши, когда реализуется сценарий повального верхового пожара, происходящего вблизи жилой застройки на природно-урбанизированной территории. По результатам проведения экспериментов была получена серия тепловизионных файлов, на которых запечатлен процесс генерации и взаимодействия с настеленными на полу древесными плитами, дальнейшая обработка которых осуществлялась с использование программного обеспечения «Altair». По результатам анализа полученных термограмм температура частиц в момент падения находится в интервале 490 – 650 °C. При этом температура в момент вылета из генератора горящих частиц составляет 750 – 800 °C. Так же было замечено, что минимальный запас частиц, необходимый для зажигания древесного строительного материала, упавших в пламенном режиме в области 50х50 мм, составляет 6 – 10 шт. 4. Проанализировано влияние пропитывающего раствора огнезащиты на характеристики зажигания и горения образцов березовой фанеры ФК при тепловом воздействии в условиях вакуумной пропитки. Определены скорости обугливания, а также величина глубины обугливания образцов в случае объемной пропитки. Применение вакуумной пропитки способствовало высокой огнестойкости образцов во всем диапазоне теплового потока 10 – 50 кВт/м^2 от эталонного излучателя, что выражается в уменьшении глубины обугливания более чем в два раза по сравнению с аналогичным материалом с поверхностной обработкой. Было установлено, что при нанесении на материал огнезащиты происходил сдвиг границы температурного интервала стадии активного пиролиза без появления пламенного горения 5. По результатам выполнения проекта предложена методика оценки теплоизолирующей способности и целостности строительных конструкций с помощью инфракрасной термографии. Апробация производилась на примере строительных и теплоизоляционных материалов широкого класса применения, активно использующихся в строительстве. Предложенная методика оценки пределов огнестойкости строительных конструкций из древесины позволяет оценить изменение во времени площади двухмерной проекции обугленной области на плоскость, совпадающей с плоскостью наблюдения тепловизора. Для сокращения времени вычисления было использовано прореживание кадров, используемых в расчете. Предложена оригинальная методика постановки эксперимента с регистрацией ИК-изображения температурного поля торца исследуемого образца при воздействии на его фронтальную поверхность теплового потока. 6. Экспериментально подтверждено, что непосредственное воздействие низового пожара слабой интенсивности на элементы конструкций из древесины, особенно при их обработке огнезащитными составами, не приводит к значительным повреждениям, а возгорание наблюдается лишь в некоторых случаях. Однако если на территории частного дома, в непосредственной близости от строения, есть мусор, он может воспламениться от падающих горящих частиц, и огонь переметнется на саму постройку. Противостоять такой проблеме поможет покос травы как на участке, так и за его пределами, причем необходимо производить окашивание периметра объекта шириной не менее 5 м, с удалением скошенных растительных материалов. Важным является и организация пространства на участке (территории), где расположены потенциально горючие материалы в соответствии с правилами пожарной безопасности, а именно их хранение в специально отведенных для этого местах, обработка элементов конструкций специальными огнезащитными составами и др. Для снижения риска воспламенения заборов от пожара, стоит выбирать ограждения продуваемого типа, а также использовать поверхностную огнезащитную обработку. 7. В рамках выполнения второго этапа проекта опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи, индексируемые Web of Science, Scopus. Результаты проекта докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе на XXV Международном Cимпозиуме “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (г. Томск, Россия), XIV Всероссийской школе-конференции для молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (г. Новосибирск, п. Шерегеш, Россия), IX Всероссийской научной конференции с международным участием "Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики" (г. Томск, Россия), IV Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, Россия) и других.