КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-79-00232

НазваниеРазработка методики оценки теплоизолирующей способности и целостности строительных конструкций и фрагментов с помощью инфракрасной термографии

РуководительКасымов Денис Петрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2018 - 06.2020

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-202 - Теплофизические свойства веществ и материалов, в том числе в экстремальных состояниях

Ключевые словаПриродные пожары, пожарная безопасность, деревянные конструкции, ИК-диагностика, воспламенение, тепловой поток, оптико-физические свойства материалов, эксперимент

Код ГРНТИ81.92.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проблема природных пожаров с каждым годом становится все актуальнее. С ней столкнулись все страны мира, в особенности Бразилия, Австралия, Китай, Греция, Португалия, США, Россия. Общеизвестно, что природные пожары являются мощным природным и антропогенным фактором, существенно изменяющим функционирование и состояние лесов. Выгорают десятки тысяч гектаров лесных массивов и угодий. Нередко пожары возникают и развиваются вблизи населенных пунктов и городов. Для России, где леса занимают большую территорию, лесные пожары являются национальной проблемой, а ущерб, наносимый реальному сектору экономики, исчисляется десятками и сотнями миллионов долларов в год. При распространении лесных низовых и верховых пожаров выделяется большое количество тепла, которое может стать причиной воспламенения деревянных строений в населенных пунктах, расположенных близко к границе леса. Причина увеличения числа природных пожаров с одной стороны, связана с предпочтениями людей жить на лесных территориях и повышением рисков появления пожаров, с другой, в недостаточном понимании физики природных пожаров, и в частности перехода их на населенные пункты. Для обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности нашей страны ведутся непрерывные и многоплановые работы: подготовка кадров, разработка методов и способов тушения пожаров; мониторинг и прогнозирование; совершенствование экспериментальной и учебно-материальной базы научно-исследовательских учреждений и другие. Не смотря на большой объем выполняемых работ по профилактике пожароопасных ситуаций ежегодные показатели возникновения пожаров остаются достаточно высокими. Наиболее крупные лесные пожары возникают в периоды аномальных климатических явлений (высокая температура воздуха, длительное отсутствие осадков и ветреность). В случае возникновения очага возгорания главной задачей пожарной безопасности становится не допустить переход огня на населенные пункты и объекты экономики. Для выполнения данной задачи необходимо проводить как теоретические, так и экспериментальные исследования, а прежде всего, понимать процесс распространения огня. В строительстве в качестве несущих конструкций, как правило, используют древесину хвойных пород, а как отделочные материалы применяется древесина лиственных пород. В качестве теплоизоляционного материала при строительстве используется минеральная вата, пенополиуретан, пенополистирол и др. Они также являются горючим материалом, что в целом повышает пожарную опасность всего строения. В литературе имеется 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.). Можно выделить работы Babrauskas V., Torero J., Wieczorek C., Серкова Б.Б., Сивенкова А.Б., Асеевой Р.М., Леонович А.А. и других. Исследованы особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины, определены теплофизические характеристики, получены значения скоростей обугливания при различных температурных режимах. На основе этих данных в настоящее время можно судить о показателях огнестойкости деревянных конструкций, однако большинство методов, используемых для оценки пожарной опасности древесины, относятся к классу контактных методов (микротермопарная техника, метод молекулярно-пучковой зондовой масс-спектрометрии, методы термического анализа и т.д.). При моделировании процессов горения в лабораторных условиях зачастую достаточно использовать контактные методы для регистрации полей температуры, теплового потока, скорости обугливания, задержек зажигания и т.д., однако в натурных и полунатурных условиях необходимо большое количество термопар для регистрации полей температур, что вызывает трудности при обработке результатов. Следует отметить, что в настоящее время применение тепловизионного оборудования при исследовании природных пожаров не сильно распространено, поскольку данное явление зависит от большого числа параметров и требует детального изучения таких свойств как коэффициент излучения. Кроме того сложность исследуемого объекта предполагает использование специальных научных тепловизоров, что связано с большими денежными затратами. Не смотря на это, ввиду перспективности данного способа в исследовании характеристик фронта горения и установлении теплонапряженных участков материалов, на которые воздействует фронт пожара, можно отметить работы P. Boulet, F. Rinieri, G. Rein, Лободы Е.Л., в которых исследуются характеристики лесного пожара в среднем ИК-диапазоне длин волн, а в работах Dupuy J., Tadashi K. приводятся результаты для спектральных интервалов 7,5-13 мкм. Следует учесть тот факт, что до сих пор в литературе имеется достаточно мало сведений по результатам применения бесконтактных методов при огневых испытаниях фрагментов зданий и строительных конструкций (Мельников В.С. с соавт. Пожарная безопасность, 2015 г). Традиционными же методами измерения температуры при проведении пожарно-технических испытаний строительных конструкций остаются контактные методы (с помощью термопар). Для противопожарной защиты различных построек необходимы научные разработки, основанные на экспериментальных исследованиях для определения закономерностей воспламенения и горения при воздействии на них тепловых потоков от модельных природных пожаров. Таким образом, в настоящем проекте планируется проведение серии экспериментальных исследований пожароопасных свойств древесных материалов, используемых в строительстве, с применением методов ИК-диагностики, что позволит на более высоком уровне оценить вероятность их воспламенения в зависимости от интенсивности пожара, моделируемого растительным горючи материалом. Кроме того будут исследованы наиболее распространенные огнезащитные составы, используемые при подготовке строительных материалов. В результате планируется разработка методики экспресс-анализа антипиренов на пожароопасность в зависимости от его расхода, типа древесины и источника пожара (слой растительных горючих материалов, горящие частицы коры сосны и веточек сосны). Наработанная таким образом база данных об основных пожароопасных характеристиках строительных материалов станет ключевым фактором при прогнозировании пожарной опасности в условиях пожара на природно-урбанизированной территории. Кроме того результаты будут использованы для разработки новых и уточнения существующих строительных норм для жилых и производственных объектов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта предполагается получить следующие результаты: 1. Результаты исследований на восприимчивость к зажиганию образцов древесины, применяемых в строительстве, при воздействии на них модельного очага горения различной интенсивности. Применение бесконтактного метода измерения поля температуры на поверхности древесины позволит на более высоком уровне оценить вероятность воспламенения строительных материалов и уточнить существующие способы повышения огнестойкости деревянных конструкций. 2. Полученные экспериментальным путем зависимости изменения времен задержки зажигания древесины от ее влагосодержания, типа и срока эксплуатации в широком диапазоне воздействия теплового потока. Будет дана количественная оценка времен задержки зажигания основных сортов древесины, используемых в строительстве, в том числе в зависимости от срока их эксплуатации, в результате воздействия модельного природного пожара различной интенсивности (низовой лесной пожар, степной пожар, влияние горящих частиц), что позволит уточнить рекомендации по жилой и производственной застройке в лесной зоне. 3. Пожароопасные характеристики основных теплоизоляционных материалов, используемых в строительстве, а также системы: образец древесного материала + теплоизоляционный материал + образец древесного материала (деревянные сэндвич-панели и т.д.). Пополнение базы данных об основных теплофизических параметрах современных строительных материалов является важным элементом при их проектировании, а также прогнозировании пожарной опасности в условиях пожара на природно-урбанизированной территории. 4. Характеристики воспламенения и горения древесины при ее обработке антипиренами. Планируется проведение сравнительного анализа наиболее популярных огнезащитных составов, используемых для повышения огнестойкости древесных материалов, используемых в строительстве, с применением тепловизионной техники. В результате будет создан алгоритм экспресс-анализа антипирена на пожароопасность в зависимости от его расхода, типа древесины и источника пожара (слой растительных горючих материалов, горящие частицы коры сосны и веточек сосны). 5. Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в базы цитирования Web of science и Scopus, выступление участников проекта на Всероссийских и Международных конференциях по тематике проекта с целью обсуждения полученных результатов. Полученные результаты позволят разработать математические модели распространения природных пожаров нового поколения, а также будут использованы при создании методик прогнозирования предотвращения чрезвычайных ситуаций, связанных с природными пожарами, новых строительных норм, правил и стандартов для строительства объектов на природно-урбанизированных территориях. Для выполнения задач проекта (1. Подготовка и проведение экспериментов по определению времен задержки зажигания и скорости обугливания образцов древесины в зависимости от вида горючего материала, инициирующего фронт пожара. 2. Изучение влияния антипиренов на пожароопасные свойства строительных материалов из древесины методом ИК-диагностики. 3. Обработка экспериментальных данных, обсуждение результатов, подготовка информации для отчета) планируется привлечение двух соисполнителей: 1. Агафонцев Михаил Владимирович, аспирант механико-математического факультета, Томский государственный университет; 2. Герасимова Александра Александровна, бакалавр механико-математического факультета, Томский государственный университет.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. - В ТГУ изучают, как защитить строительные материалы от возгорания сайт ТГУ, - (год публикации - ).

2. - Подкаст Томск.ру: в ТГУ проверяют стройматериалы на пожароопасность Городской портал Томск.Ру, - (год публикации - ).

3. Д.П. Касымов, М.В. Агафонцев, В.В. Перминов, А.Ю. Чечеков, В.А. Тараканова, П.С. Мартынов Laboratory investigation of the ignition of wood structural materials under the influence of spot fires Book of abstracts 9th European Combustion Meeting 2019, Book of abstracts 9th European Combustion Meeting 2019 (14 - 17 April, 2019, Lisboa, Portugal), pp. 220–221. (год публикации - 2019).

4. Д.П. Касымов, М.В. Агафонцев, В.В. Перминов, А.Ю. Чечеков, В.А. Тараканова, П.С. Мартынов Laboratory Investigation of the Ignition of Wood Structural Materials Under the Influence of Spot Fires Proceedings of 9th European Combustion Meeting 2019, Proceedings of 9th European Combustion Meeting 2019 (14 - 17 April, 2019, Lisboa, Portugal), pp. 1–4 (год публикации - 2019).

5. Д.П. Касымов, М.В. Агафонцев, В.В. Перминов, В.В. Рейно, П.С. Мартынов Исследование влияния мощности теплового потока на характеристики воспламенения и обугливания древесных строительных материалов с применением методов ИК диагностики Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, - (год публикации - 2019).

6. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Мартынов П.С., Перминов В.В. Детектирование методом ИК-диагностики теплонапряженных участков на поверхности древесных строительных материалов, подверженных тепловому воздействию от модельных источников зажигания Всероссийская конференция по математике и механике, посвященная 140-летию Томского государственного университета и 70-летию механико-математического факультета : сборник тезисов, c. 107 (год публикации - 2018).

7. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Перминов В.В., Мартынов В.В. Investigation of the ignition of wood structural materials (with and without fire retardant treatment) under the influence of a model fire of irregular intensity EPJ Web of Conferences, Volume 196, 2019 XV All-Russian School-Conference of Young Scientists with International Participation “Actual Problems of Thermal Physics and Physical Hydrodynamics”, Article Number 00038, Pp. 1-8 (год публикации - 2019).

8. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Перминов В.В., Мартынов П.С, Studying the Heat Flux Effect on the Fire Resistance of Wood Building Materials Using Infrared Thermography Book of Abstracts of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards, Book of Abstracts of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards 21-26 April 2019, St. Petersburg, Russia, p. 290 (год публикации - 2019).

9. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Перминов В.В., Мартынов П.С., Рейно В.В. Влияние мощности теплового потока на характеристики тления и горения некоторых видов древесных строительных материалов Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : тезисы докладов XIII Всероссийской конференции молодых ученых, 15-22 марта 2019 г., 2019. С. 73-74. (год публикации - 2019).