Složení hlavních složek dřeva a jejich chování při tepelném ovlivnění.
Spalování pevných paliv obvykle vyžaduje chemický rozklad, při kterém vznikají těkavé produkty (plyny, páry, prachové částice), které se mohou dostat do plamene a hořet v něm. Ke spuštění spalování je nutný účinek vnějšího tepelného toku.
Dřevo začíná ztrácet barvu a zuhelnatělost při teplotách nad 200-250°C a při dostatečně dlouhém ohřevu může k těmto procesům docházet i při teplotách nad 120°C. Při teplotách nad 300°C začíná rychlá fyzická destrukce dřeva. Tento proces začíná na povrchu uhlíkatého zbytku s výskytem slabých trhlin kolmých ke směru vláken, což umožňuje těkavým produktům snadno prosakovat poškozeným povrchem z vrstvy, kde tyto produkty vznikly. S přibývající vrstvou uhlíku se budou trhliny rozšiřovat, což dříve nebo později povede k charakteristickému vzoru štěpení a praskání povrchu.
Dřevo je heterogenní materiál a mnoho jeho vlastností závisí na směru, ve kterém jsou měřeny. Dřevo je ze své podstaty směs přírodních polymerů s vysokou molekulovou hmotností, z nichž nejdůležitější jsou celulóza (asi 50 %), hemicelulóza (asi 25 %) a lignin (asi 25 %). Dřevo navíc obsahuje absorbovanou vlhkost.
Termogravimetrická analýza rozkladu dřeva ukázala, že jeho různé složky se rozkládají za uvolňování těkavých složek při různých charakteristických teplotách: hemicelulóza při 200-260 °C, celulóza při 240-350 °C, lignin při 280-500 °C. Poměr mezi těkavými produkty a výsledným uhlíkatým zbytkem se také mění. Tak se lignin zahřátý na teplotu 400-500 °C přemění na 50 % těkavých produktů a 50 % na uhlíkový zbytek. Na druhou stranu čistá celulóza při zahřátí na 300 °C produkuje pouze 5 % uhlíkového zbytku. Avšak v přítomnosti anorganických nečistot (například různých solí) může výtěžek uhlíkového zbytku v celulóze dosáhnout 40%. To je základem pro zpomalení hoření dřeva, které spočívá v impregnaci roztoky minerálních solí. Obvykle při spalování nebo topení dřeva na 450 °C tvoří uhlíkové zbytky 15-25 % (hlavně kvůli ligninu). Při změně výtěžku uhlíkového zbytku se mění i složení těkavých složek.
Všechny tyto faktory mají významný vliv na proces spalování dřeva, a to na takovou vlastnost dřeva, jako je schopnost doutnavého spalování. Jak je známo, sklon k doutnání mají pouze porézní materiály, které jsou při spalování schopny tvořit pevný uhlíkatý zbytek.
Existují dva možné způsoby, jak doutnající spalování dřeva probíhá. Jedním z nich je doutnání, nahrazující ohnivé spalování. Při zapálení se čelo zuhelnatění postupně posouvá hlouběji do dřeva a uvolňuje nové podíly hořlavých těkavých látek, které hoří ve formě plamene.
Když je dřevo zuhelnatělé do značné hloubky, zuhelnatělá vrstva se stane štítem pro dřevo pod ní, což vyžaduje vyšší povrchové teploty pro zajištění tepelného toku potřebného k tvorbě těkavých produktů. V důsledku toho může nastat situace, kdy není dostatek těkavých látek pro udržení hoření plamene, plamen nad povrchem dřeva vyhasne a nastává druhý stupeň – bezplamenné (heterogenní) spalování uhlí – doutnání. Tento typ spalování se nazývá heterogenní, protože plynná fáze (kyslík ve vzduchu) již neinteraguje s plynnými produkty pyrolýzy, ale přímo s pevnou fází – uhlím.
Uhlí může hořet (doutnat), dokud není úplně spáleno na popel, tzn. dokud úsek konstrukce zcela nevyhoří nebo nedojde k propálení.
Jiným způsobem, při relativně nízké intenzitě tepelného dopadu na dřevěné konstrukce, množství uvolněných těkavých látek nestačí k dosažení spodní koncentrační hranice šíření plamene. Ke spalování plamene nemusí vůbec dojít. Konstrukce bude hořet v doutnajícím režimu až do úplného vyhoření nebo v případě změny vnějších podmínek tepelné expozice nebo výměny vzduchu až do přechodu na plamenné hoření.
Pro účely požárně technického zkoumání je velmi důležité zjistit, zda spalování probíhalo v režimu doutnání nebo v režimu plamenného spalování. Teplota vznícení většiny druhů dřeva je v rozmezí 240-260 °C. Teplota, při které mohou začít procesy, které mohou vést k doutnajícímu spalování s dostatečnou dobou tepelné expozice, jak již bylo uvedeno, může být v rozmezí 120 °C. To může vést k velmi důležitému závěru o zdroji vznícení: pokud by proces spalování začal doutnáním, mohl mít zdroj vznícení nízký výkon.
Vizuální známky tepelného poškození dřevěných konstrukcí.
V důsledku tepelné expozice se vytvářejí stopy tepelného poškození dřeva, které postupně procházejí následujícími fázemi:
1) Tmavnutí dřeva.
2) Zuhelnění do různých hloubek.
3) Úplné prohoření, které lze pozorovat v jednotlivých oblastech dřevěné konstrukce (přes propaly), nebo úplné prohoření celé konstrukce.
Vzhled uhlí při zuhelnatění.
Uhlí je sypké, s velkými trhlinami, které se obvykle tvoří při intenzivním hoření plamenem.
Uhlí je hutné, s nahnědlým odstínem a dokonce zachovanou texturou dřeva (vzor letokruhu) a vzniká při nízkoteplotní pyrolýze (doutnání), kdy proces zuhelnatění probíhá pomalu a těkavé látky se postupně uvolňují, unikají malými prasklinami a uhlí neuvolňují.
Hloubka zuhelnatění
Míru tepelného poškození dřeva lze posoudit měřením hloubky zuhelnatění. V tomto případě jsou vyřešeny následující úkoly:
— posuzuje se změna stupně tepelného poškození podél délky a výšky konstrukce.
— určí se směr tepelného účinku nebo intenzivnějšího tepelného účinku (z výsledků měření hloubky zuhelnatění na různých stranách dřevěné tyče znázorněné na obrázku vyplývá, že byla vystavena nejintenzivnějšímu ohřevu na pravé straně).
Údaje o hloubce zuhelnatění dřevěných konstrukcí v různých požárních zónách musí být uvedeny ve zprávách o kontrole požáru. Obecné fráze jako „dřevěné sloupky jsou ohořelé“ jsou nepřijatelné; Bylo by zvláštní, kdyby nebyly ohořelé ve spalovací zóně.
Jak změřit hloubku zuhelnatění dřeva?
To se provádí pomocí jakéhokoli ostrého kovového předmětu.
– šídlo, hřebík, kovové pravítko – penetrační (propichovací) metodou. Kovový předmět docela snadno prorazí uhlí, ale hůře pronikne hustším dřevem. Těžko se ale takto měří tloušťka uhelné vrstvy při mínusových teplotách po uhašení vodou. Při kladných teplotách nebo po rozmrazení uhlí v místní oblasti to není obtížné.
Nejlepší způsob, jak změřit hloubku zuhelnatění, je columbus, hloubkoměr, který má výsuvnou stopku. Takové posuvné měřítko musí mít u sebe vyšetřovatel nebo IPL inženýr – bude se hodit nejen při měření hloubky zuhelnatění, ale i při dalších měřeních.
Schéma měření hloubky zuhelnatění je na Obr.
Všimněte si, že kromě tloušťky uhelné vrstvy hу, v místě měření by měla být určena hodnota ztráty průřezu konstrukce hп. A hloubka zuhelnatění H se vypočítá jako součet těchto dvou hodnot:
Hodnoty H naměřené na místě požáru mohou a měly by být použity jako kritérium pro stupeň tepelného poškození dřeva v různých požárních zónách.
Je známo, že za zvláštních zkušebních podmínek – při spalování dřeva v ohnivzdorných pecích za standardních teplotních podmínek ohně – je rychlost zuhelnatění do hloubky 0,6-0,8 mm/min. Hořlavost dřeva však samozřejmě závisí na tepelném toku, který na něj působí. V požárně-technické expertize však často používají rychlost vyhoření dřeva 0,6 mm/min, nebo ji pro zjednodušení dokonce zaokrouhlují na 1 mm/min. Někteří IPL specialisté a odborníci uvažovali takto: pokud byla deska zuhelnatělá do hloubky 20 mm a rychlost zuhelnatění byla 1 mm/min, pak deska hořela 20 min. = 1:
Je tento přístup k požární kontrole oprávněný?
D. Drysdale ve své knize „Introduction to Fire Dynamics“ uvádí, že závislost rychlosti zuhelnatění na tepelné síle působící na dřevo je vyjádřena vzorcem:
Rw = 2,2 * 10-2 * I, mm/min,
kde I je tepelný tok působící na povrch dřeva, kW/m2.
Při teplotě 1100 °C, které je dosaženo v určitých prostorách areálu při požáru, je vyzařování černého tělesa 200 kW/m2. V tomto případě je rychlost zuhelnatění Rw bude 4,4 mm/min.
A obecný rozsah oscilací Rw v případě požáru v závislosti na tepelném toku nebo odpovídající pyrolýzní teplotě může být: 0,3-4,5 mm/min, tzn. se liší 15 (!) krát.
Výpočet doby hoření na základě rychlosti zuhelnatění 1 mm/min je tedy nebezpečný – můžete udělat řádovou chybu.
Větší přesnosti stanovení doby hoření bohužel není možné dosáhnout vizuální kontrolou a jednoduchým měřením.