Полное выгорание конструкций, сквозные прогары

Этот признак экстремально высоких термических поражений конструк­ций прекрасно виден невооруженным глазом. Его надо фиксировать в про­токолах осмотра места пожара и учитывать в поисках очага пожара.

Действительно, если, например, 10 балок перекрытия обуглились, но не обрушились, а 11-ая переуглилась по всему сечению и рухнула, значит, в месте нахожде­ния этой балки имеется зона экстремального термического воздействия на пе­рекрытие. Это может быть след конвективного теплового потока от очага пожара; может быть очаг горения, обусловленный, например, соответствующей пожарной нагрузкой; а может быть, это следствие того, что на выше находящемся этаже в данной зоне на полу забыли включенный элект­роприбор или занесли какой-либо источник зажигания в перекрытие.

В любом случае, природу этого прогара необходимо устанавливать – весьма вероятно, что это очаг пожара.

Особый интерес представляют прогары в полу. Особенно, когда они немногочисленны или прогар один. Выше отмечалось, что полы на пожаре, как правило, сохраняются, поэтому наличие прогара в полу – несомненная «информация к размышлению».

Локальные прогары с четко очерченными границами образуются при длительном низкотемпературном пиролизе (тлении).

Еще один признак зоны экстремальных термических поражений (возможно, очага пожара) для случаев, когда конструкции над очагом не сохранились, приводит в своей книге Б.В.Мегорский. Если уничтоженные огнем сгораемые конструкции (например, деревянные) - крыши, покрытия, перек­рытия - имеют несгораемые металлические детали (крупные гвозди, болты, крепления), то при выгорании конструкции они осыпаются вниз. За предела­ми участка, выгоревшего над очагом, конструкции рушатся, еще полностью не сгорая, вместе с несгораемыми деталями. Таким образом, скопление, например, гвоздей в каком-то одном месте может иногда служить дополнительным признаком очага пожара.

8.2. Инструментальные методы исследования обугленных остатков древесины

Любой пожарно-криминалистический инструментальный метод исследо­вания материала после пожара основан на фиксации с помощью приборов невидимых глазу измене­ний в материале, его структуре, физико-химических свойствах, которые четко взаимосвязаны с условиями теплового воздействия на материал в ходе пожара.

У древесного угля таких свойств достаточно много. Отметим только некоторые из них.

Чем выше температура и длительность горения, тем в древесном угле:

- меньше остаточное содержание водорода, азота и других гетероатомов и, наоборот, больше процентное содержание углерода;

- меньше остаточное содержание летучих веществ;

- ниже электросопротивление проб угля.

Есть и специфические признаки очаговой зоны. Так, например, установлено, что в зонах длительного пиролиза (более 1-1,5 часов) аномально низкой является интенсивность люминесценции экстрактов углей.

Таким образом, по свойствам углей, как и по глубине обугливания, можно оценить степень их термического поражения.

Однако современные методики позволяют добиться большего - определить не просто степень термических поражений, а более информативные параметры – раздельно температуру и длительность го­рения. Ведь одна и та же степень термического поражения может быть следствием разного сочетания этих параметров. Например, если доска обуглилась на 20 мм, то такое могло произойти при 700 ⁰С за 10 мин. или при 400 ⁰С за 40-50 мин. Так сколько времени и при какой температуре происходило горение на самом деле?

Решить эту задачу можно. Соответствующая методика основана на исследовании результатов двух параллельно протекающих процессов – обугливания древесины вглубь и изменений физико-химических свойств поверхностного слоя угля.

В 70-х годах американские ученые Ли, Хайкен и Зингер, изучая процесс пиролиза древесины под воздействием лазерного излучения, пока­зали, что пиролиз древесины происходит под воздействием постепенно продвигающейся внутрь материала температурной зоны - так называемой "волны обугливания" (рис.8.4.). Волна имеет температурные границы:

Тр – температура, при которой материал начинает пиролизоваться со скоростью, поддающейся измерению;

Тс - характерная температура, при которой материал пол­ностью обугливается.

волна обугливания

пиролизный слой

Внутри волны существует несколько зон, показанных на рис.8.4; в некоторых из них происходит поглощение тепла (эндотермические зоны), в других - выделение тепла (экзотермические зоны).

древесина

Рис.8.4. «Волна обугливания» (по Ли, Хайкену, Зингеру).

Общая толщина волны обугливания составляет от десятых долей санти­метра до 1,0-1,5 см - чем больше тепловой поток и температура на поверхности древесины, тем тоньше волна обугливания.

Экспериментами, проведенными в ЛФ ВНИИПО, было установлено, что измеренная методом пенетрации глубина обугливания древесины соответс­твует примерно середине волны - температурной зоне 340-350 ⁰С.

Как продвигается эта волна в зависимости от температуры и, соответственно, как меняется глубина обугливания в зависимости от темпера­туры и длительности нагрева древесины можно видеть на графике, приве­денном на рис.8.5.

Зависимость глубины обугливания Н от температуры и длительности пиролиза древесины, показанная графически на рис.8.5, может быть выражена уравнением Аррениуса для химической реакции нулевого порядка, ко­торое после подстановки определенных экспериментальным путем коэффици­ентов имеет вид:

ln (Н/t_д) = 2,01 - 1730/ T, (3)

где: t_д - длительность пиролиза древесины, мин

Т - температура пиролиза, К.

Рис.8.5.Зависимость глубины обугливания древесины от температуры

и продолжительности пиролиза.

А теперь проследим, как меняются в зависимости от тех же параметров Т и t - свойства угля, например его удельное электросопротивление.

Образцы древесины сжигали в различных условиях, отбирали и анализи­ровали пробы поверхностного слоя угля. Полученные результаты показаны на графике (рис.8.6). Видно, что электросопротивление угля очень резко меняется с увеличением температуры и длительности горения - меняется на порядки. Если при низких температурах пиролиза (у углей тления) оно порядка 1×10⁸ -1×10⁹ Ом×см (десятичный логарифм удельного элект­росопротивления Р равен, соответственно, 8 - 9), то при относительно высоких температурах оно составляет единицы - десятки Ом×см. (Р= 0 - 1).

Данная графическая зависимость логарифма удельного электросопротивления Р от температуры и длительности пиролиза также может быть вы­ражена уравнением Аррениусова типа, но с иными коэффициентами:

ln [(10-Р)/ P×t_д] = 4,16 - 6270/ Т (4)

Рис.8.6. Зависимость удельного электросопротивления угля от температуры

и продолжительности пиролиза (горения).

Экспериментальные точки для опытов со средневременными температурами, ⁰С:

Кривые построены для средних температур (375, 500, 650 °С) по уравнению (4).

- 300-450

- 450-550

- 550-750

Итак, имеются два уравнения: кинетическое уравнение (3) обуглива­ния древесины вглубь и уравнение (4), описывающее изменение электрических свойств угля. И в том, и в другом уравнении два неизвестных - T и t.

Если измерение глубины обугливания Н и отбор пробы для измерения электросопротивления (Р = lg R) проводились в одной точке, то можно считать, что Т и τ в обоих уравнениях совпадают. В этом случае уравнения (3) и (4) можно объединить в систему. Система двух уравнений с двумя неизвестными, как известно, решаема и результатом решения являются уравне­ния для расчета температуры и длительности пиролиза древесины по результатам определения электросопротивления угля и измеренной глубины обугливания в точке от­бора пробы:

Т= 4540/{ln[H × P/(10 – P)] + 2,15}, К (5)

t_д = exp {1,38 lnH + 0,38ln[P/(10 – P)] –1,19}, мин (6)

Аналогичным образом были получены уравнения для расчета темпера­туры и длительности пиролиза на пожаре по результатам определения ос­таточного содержания в угле летучих веществ L и атомного соотношения в угле атомов углерода и водорода F, которое определяется по результатам элементного анализа:

Т= 3540/ [lnH (1/L² - 4×10^-4)] – 4,22, ⁰C (7)

t_д= exp[1,49lnH – 0,49ln(1/L² -4×10^-4) – 4,07], мин (8)

T= 3270/ {ln[H×F/(0,7 – F)] + 0,29}, K (9)

t_д= exp[1,53lnH + 0,53ln[F/(0,7 – F)] - 1,86}, мин. (10),

где F = 12 × H/C (11)

Отметим также, что по существующей методике кроме продолжительности пиролиза древесины (τ_д), по специальным формулам рассчитывается продолжительность индукционного периода, предшествующего пиролизу древесины, а в случае сквозных прогаров еще и продолжительность выгорания угля. Общая продолжительность теплового воздействия на деревянную конструкцию рассчитывается как сумма указанных величин.