Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

Capitolul 3

COMPORTAREA ŞI PROTECŢIA LEMNULUI LA ACŢIUNEA FOCULUI

3.1. Rezistenţa la foc a elementelor de construcţie din lemn

3.1.1. Noţiuni despre rezistenţa la foc şi principalii indici

În cazul unui incendiu, elementele de lemn se carbonizează la suprafaţa lor; în decursul timpului, grosimea stratului de lemn carbonizat creşte cu viteza medie de 0,6-7,0 mm/min.În urma carbonizarii lemnulului, secţiunea utilă a elementelor se micşorează; în acelaşi timp, datorită încălzirii se reduce şi rezistenţa părţilor de lemn din secţiunea care nu a fost afectată de incendiu. În concluzie, în timpul unui incendiu elementele de rezistenţă ale construcţiilor din lemn îşi pierd treptat capacitatea lor de rezistenţă. Pereţii structurali, pereţii despărţitori şi planşeele, se degradează, fie din cauza arderii în toată grosimea, fie datorită încălzirii lor prea mari.

Gradul de rezistenţă la foc al elementelor de construcţie se caracterizează prin intervalul de timp, în decursul căruia, în cazul unui incendiu, ele işi mai păstrează calităţile principale necesare exploatării. De exemplu, s-a stabilit în mod experimental că foile de uşi din panel cu grosimea de 54 mm în cazul acţiunii dintr-o singura parte a flăcării şi a unei temperaturi până la 9000C, au o limită de rezistenţă la foc, egală cu o ora, după trecerea căreia se constătă arderea în toată masa lemnoasă. Grinzile de lemn din esenţa de răşinoase, cu secţiunea iniţială de 18 x 18 cm, încărcate până la efortul unitar din încovoiere de 10 N/mm2, sunt distruse în cuptor sub acţiunea unui incendiu standard, după un interval de 40 minute. Stâlpii de lemn cu secţiunea de 290 x 290 mm, supuşi la un efort unitar din compresiune Nc / A de 6,6 N/mm2, işi pierd capacitatea de rezistenţă după 50 minute.

Indicii limitei de rezistenţă la foc a elementelor masive de lemn neprotejate, depăşesc, de regulă, cu mult indicii corespunzători ai elementelor de oţel neprotejate şi ai elementelor de beton armat, insuficient protejate.

3.1.2 Procesul de ardere a lemnului

În cazul construcţiilor din lemn pericolul de incendiu depinde de gradul de combustibilitate al lemnului şi de alcătuirea construcţiei, care poate favoriza sau, dimpotrivă, întârzia extinderea incendiului.

Prima fază, de ardere cu flacără, este caracterizată prin deplasarea în exterior a gazelor combustibile volatile (CO2, CO, C2H2, C3H8CH4), care se formează ca rezultat al descompunerii termice a lemnului, şi prin arderea lor cu flacără (dacă sunt încălzite până la temperatura de 225-2500C) în oxigenul din aerul înconjurator.

Cărbunele rămas după separarea gazelor este capabil de asemenea, să se combine cu oxigenul; totuşi, în principiu, el se poate oxida numai în urma pătrunderii oxigenului din exterior. Acest proces constituie faza a II-a a arderii lemnului – mocnirea (arderea fără flacără) cărbunelui, care se caracterizează prin deplasarea din exterior în grosimea lemnului a oxigenului din aer.

Ingineria clădirilor 3.1

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

Arderea fără flacără în masa cărbunelui este caracteristică îndeosebi pentru lemnul speciilor de foioase, bogat în vase lungi şi, relativ largi, care conduc aerul în grosimea lemnului. Speciile de răşinoase, care au celule mici şi aproape complet închise, mocnesc numai la suprafaţă. În condiţiile unui incendiu arderea fără flacără a elementelor mari din lemn de răşinoase se întrerupe de obicei repede, din care cauză, după incendiu, de la elementele de construcţie masive executate din lemn de răşinoase cu umiditate iniţială de 10-12%, rămâne de obicei un cărbune nears în cantitate de 18-20% din greutatea iniţială a lemnului.

Rumeguşul de orice esenţă arde complet, fără flacără, deoarece fiind necoeziv, aerul pătrunde prin toate elementele sale.

Lemnul absolut uscat se caracterizează printr-o putere calorică totală de cca. 4400 kcal/kg. Cantitatea cea mai mare de căldură, degajată de elementele de construcţii din lemn de răşinoase în timpul unui incendiu corespunde fazei de ardere cu flacără care reprezintă ceva mai puţin decât 2/3 din puterea calorică totală a acestor elemente. Arderea lemnului începe cu faza pregătitoare în care acesta se încălzeşte de la o sursă exterioară (lemnul adsoarbe căldura – proces endotermic). Pentru diferite specii de lemn, la o încălzire rapidă această temperatură este de 260-2900C.

Observaţie: La temperatura de cca. 1000C începe descompunerea termică a lemnului cu degajare de gaze combustibile (proces exotermic); dacă încălzirea se face repede, temperatura la care începe degajarea gazelor este mai înaltă. Aprinderea gazelor se face în contact cu o flacără la 215-2600C, iar la 350-4500C gazele se autoaprind.

Pentru ridicarea temperaturii necesare aprinderii, un lemn mai umed şi mai dens are nevoie de un consum mai mare de căldură, deoarece căldura preluată de suprafaţa unui lemn umed mai bun conducător de căldură, este condusă mai rapid în toată masa lui. Un lemn umed se aprinde mai dificil decât unul uscat, capetele se aprind mai greu decât mijlocul lemnului, lemnul geluit – mai greu decât lemnul negeluit care are o suprafaţă mai mare; elementele masive – cu mai multă greutate decât cele cu dimensiuni mici; feţele elementelor – mai greu decât muchiile acestora.

În cazul unei încălziri îndelungate, faza exotermică debutează la o temperatura mai puţin înaltă. S-au stabilit experimental caracteristicile de ardere a epruvetelor de lemn, până la formarea cărbunelui şi a cenuşii, după menţinerea lor timp de 20 de ore la temperatura de 1660C. Pericolul de aprindere a elementelor de lemn, care vin în contact direct cu sobele sau cu coşurile de fum, este mult mai mare deoarece aceste elemente sunt în permanenţă încălzite.

După îndepărtarea sursei exterioare de aprindere, aprinderea elementelor din lemn se dezvoltă doar în acele sectoare care continuă să se încălzeasca între ele, sau la care pierderea de căldură este foarte mult limitată. Suprafaţa orizontală a duşumelelor din esenţe tari, fără crăpături, nu poate fi adusa în stare de ardere continuă chiar şi în cazul în care sursa de aprindere o constituie încărcături, care dezvolta temperaturi de aproximativ 25000C.

Dimpotrivă, în crăpăturile, interspaţiile şi golurile mici dintre suprafeţele lemnoase care ard, pierderile de căldură prin radiaţie sunt atât de mici încât chiar cea mai mică ardere este întretinuta cu o stabilitate mare, iar lichidarea unui focar de incendiu ascuns, necesita măsuri active de stingere.

În cazul unui flux suficient de aer, arderea între spaţiile dintre căptuşeala exterioară şi cea interioară a pereţilor de lemn, dintre podină şi tavanele planşeelor de lemn obişnuite etc, se dezvoltă foarte repede.

Lemnul se poate aprinde şi fără flacără, prin autoaprindere, dacă este supus unei încălziri de durată (la 165-1700C) sau, dacă este încălzit la temperaturi mai înalte (360-4700C).

3.2. Măsuri de protecţie a elementelor de construcţie din material lemnos împotriva focului

În vederea evitării sau a limitării pericolului izbucnirii unui incendiu, trebuie luate măsuri de protecţie a elementelor de construcţie din lemn natural sau din produse derivate pe bază de lemn.

Măsurile de protecţie pot fi: constructive;

Ingineria clădirilor 3.2

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului chimice.

3.2.1 Măsuri constructive de protecţie împotriva acţiunii focului

Lemnul care arde într-un exces de aer de patru ori mai mare decât cel necesar procesului de combustie dezvoltă temperaturi de aproximativ 8000C; această temperatură se dezvoltă, cel mai frecvent, în timpul incendiilor clădirilor mici. În cazul în care sunt cuprinse de incendiu, simultan, suprafeţe mari, pierderile de căldură micşorându-se, sau când suprafeţele care ard se încălzesc reciproc, în condiţiile unui tiraj de aer puternic, temperatura incendiului poate depaşi 10000C.

Creşterea vitezei de deplasare a aerului şi a gazelor arse contribuie, de obicei, la accelerarea aprinderii succesive a elementelor de lemn. Impiedicarea accesului de aer micşorează intensitatea incendiului şi limitează zonele lui de răspândire.

Durata incendiului depinde de numărul elementelor din lemn, de dimensiunile secţiunilor, precum şi de succesiunea în care sunt incluse în procesul de carbonizare. Arderea simultană a acestor elemente depinde de un număr mare de condiţii:

caracteristicile constructive ale elementelor şi ale construcţiei în ansamblul ei; poziţia reciprocă a elementelor care ard; straturile de protecţie care există pe elementele de construcţie din lemn; direcţia de deplasare a flăcării, ş.a.Din cele expuse mai sus, în scopul protejării construcţiilor de lemn împotriva pericolului de

incendiu, rezultă necesitatea de a respecta, în primul rând, urmatoarele principii de proiectare:1. Construcţiile de lemn trebuie să aibă planşee şi pereţi, pe cât posibil, fără goluri.2. În cazul în care structura construcţiei nu permite evitarea golurilor interioare, se

recomandă împărţirea acesteia în compartimente, care să nu comunice între ele.3. Întrebuinţarea izolaţiilor termice combustibile, la elementele de lemn ale construcţiilor

definitive, trebuie să fie limitată la minimum; răspândirea cea mai largă trebuie să o capete elementele incombustibile de tipul vatei minerale, care dau posibilitatea unei umpleri etanşe a golurilor.

4. La clădirile de locuit de lemn, cu parter şi etaj, este obligatorie folosirea straturilor de finisaj interioare ignifuge (tencuială uscată de ipsos, tencuială pe şipci, ş.a.), care impiedică flacăra să vină în contact cu suprafeţele de lemn şi să pătrundă în grosimea peretelui sau a tavanului.

5. La folosirea elementelor de lemn portante trebuie utilizate cu preponderenţă cele cu secţiune plină, cu secţiuni mari; se recomandă totodată ca muchiile acestor elemente să fie rotunjite sau teşite, iar feţele să fie geluite.

6. La elementele suprastructurilor de lemn alcătuite din piese suprapuse, trebuie evitată întrebuinţarea lemnului umed, care în momentul uscării, poate să crape. Crăpăturile sunt periculoase, deoarece permit acumularea prafului organic (uşor inflamabil) şi arderea ascunsă mocnită; la construcţiile definitive trebuie să se tindă spre trecerea de la construcţiile din piese prinse cu tije elastice (cuie) la construcţii monolite încleiate.

7. La construcţiile situate în centrele oraşelor extinderea incendiilor la construcţiile învecinate realizate din material lemnos trebuie să fie preîntâmpinată prin respectarea intervalelor între ele prevăzute de normele în vigoare; se recomandă stabilirea unor zone de protecţie contra incendiului, ocupate cu clădiri din zidărie. O mare importanţă o are de asemenea şi întrebuinţarea învelitorilor şi a cornişelor incombustibile. Clădirile cu mare întindere în plan trebuie să fie împărţite în compartimente izolate, prin executarea de calcane rezistente la foc. Pentru învelitori de lemn se recomandă întrebuinţarea vopselelor ignifuge şi rezistente la apă.

8. Trebuie dezvoltată pe scară mai mare tratarea elementelor de lemn cu soluţii ignifuge. Îmbibarea cu aceste soluţii trebuie folosită, în primul rând, la părţile exterioare ale clădirilor şi la elementele de lemn cu secţiuni mici. Acestea se aprind uşor de la sursa

Ingineria clădirilor 3.3

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

îmtâmplătoare de incendiu şi prin arderea lor violentă provoacă aprinderea celorlalte elemente ale clădirii. Se recomandă să se efectueze, în primul rând, o îmbibare ignifugă în adâncime a următoarelor obiecte şi elemente: mobila de lemn, căptuşeala de scânduri şi de placaj la pereţi şi tavane, panourile de învelitori, pervazurile ferestrelor şi cornişele exterioare ale caselor de locuit şi ale clădirilor industriale de lemn.

3.2.2 Măsuri chimice de protecţie

Acţiunea ignifugă a sărurilor Acţiunea ignifugă a sărurilor de amoniu constă în următoarele: la descompunerea termică a

acestor săruri (la t 155 3880C) se degajă acizi puternici (acid fosforic, sulfuric, clorhidric, s.a.); aceştia deshidratează lemnul îmbibat, absorbind din compoziţia lui oxigenul şi hidrogenul. Carbonul rămas are o capacitate de volatilizare mică.

Calculul consumului suplimentar de căldură pentru evaporarea apei din masa lemnoasă, ca şi pentru descompunerea sării ignifuge, conduce la concluzia că în timpul arderii , un lemn corect impregnat, practic nu degajă căldură; cu alte cuvinte, îşi pierde capacitatea de a participa activ la dezvoltarea incendiului.

Pentru elementele de construcţie de lemn de răşinoase a cărui ardere fără flacără este limitată de particularităţile microstructurale, este suficientă utilizarea sărurilor care asigură numai deshidratarea lemnului. Pentru protecţia lemnului de foioase, precum şi a lemnului de răşinoase în stare fărâmiţată (rumeguş, talaş) trebuie luate măsuri suplimentare în vederea excluderii arderii fără flacără (mocnirii) a cărbunelui format. Acest lucru se realizează prin întrebuinţarea suplimentară a unor astfel de subtanţe, care în urma descompunerii lor termice, formează o peliculă care are rolul de a împiedica apoi accesul oxigenului din aer la pereţii celulelor carbonizate. În caz contrar, se produce ardere fără flacără a întregului cărbune, şi în bilanţ final, lemnul degajă, deşi într-un ritm încet, aceeaşi cantitate de căldură ca şi în cazul arderii până la cenuşă a lemnului neprotejat.

Multe dintre substanţele ignifuge, luate izolat, sunt eficace doar pentru o singură fază de ardere a lemnului; de aici rezidă necesitatea unei întrebuinţări combinate a mijloacelor de ignifugare.

La temperaturi a căror valoare depăşeşte temperatura flăcării incendiilor obişnuite, cu alte cuvinte pentru t > 800 9000C, solubilitatea cărbunelui creşte şi conduce la arderea lui cu flacără. Lupta contra participării active a lemnului la extinderea incendiului, conduce, în linii generale, la măsuri constructive de impiedicare a încălzirii acestuia, cu ajutorul unor căptuşeli ignifuge, tencuieli, s.a.

În condiţii curente, o protecţie chimică împotriva incendiului, se realizează prin tratarea cu bifosfat acid de amoniu (NH4)2HPO4 într-o cantitate de cca. 9% (sare uscată) din greutatea lemnului care se impregnează (la o umiditate a lemnului de cca. 10-12%). În cazul în care este introdus în masa lemnoasă în cantitate de cca. 15%, sulfatul de amoniu (NH4)2SO4 creează aproximativ acelaşi grad de protecţie împotriva incendiului. Bromura de amoniu (NH4Br) şi boraxul, după greutatea anhidra (Na2B4O7), se introduc în lemn în cantitate de 12%; la 1 m3 lemn, cantitatea necesară de săruri ignifuge este destul de mare: 45-75 kg şi uneori chiar mai mult.

O întrebuinţare practică mai largă o are metoda simplă de protecţie împotriva incendiului prin aplicarea superficială pe materialul lemnos ecarisat a unei soluţii ignifuge, cu ajutorul pensulelor sau al pulverizatoarelor. O astfel de tratare superficială protejează împotriva acţiunii flăcărilor elementele de lemn pentru o perioada de 10-15 minute. Aceasta are rolul de a uşura în mare măsură stingerea incendiilor.

Fenomene secundare ce apar în urma impregnării ignifuge a lemnului Toate sărurile de amoniu care sunt întrebuinţate în mod obişnuit pentru impregnarea

ignifugă a lemnului, la o valoare crescută a umidităţii aerului, se dizolvă în umezeala absorbită de ele higroscopic şi au rolul de a umezi suplimentar lemnul impregnat.

Ingineria clădirilor 3.4

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

Umiditatea relativă critică a aerului, la care începe dizolvarea acestor săruri, la temperatura de 200C, este pentru fosfatul acid de amoniu de aproximativ 92%, pentru sulfatul acid de amoniu de 81% (pentru sarea de bucătărie de cca. 74%).

Prin impregnarea ignifugă lemnul devine mai casant: rezilienţa se micşorează cu 20-40%; indicii celorlalte rezistenţe mecanice, variază puţin cu impregnarea, dacă lemnul este protejat împotriva umezirii higroscopice cu lac, vopsea (“aramol”) sau cu alte mijloace. Într-un aer umed (80%, şi chiar mai mult), lemnul impregnat, neprotejat împotriva umezirii, “prinde umezeală”, mărindu-şi astfel greutatea specifică, respectiv micşorându-şi rezistenţa şi rigiditatea.

Soluţiile de bifosfat acid de amoniu, în amestec cu sulfat acid de amoniu, într-o proportie de cel puţin 3:7, nu provoacă o coroziune prea mare a metalelor feroase.

La soluţiile acelor săruri ignifuge care nu au ele însele proprietăţi antiseptice, trebuie adăugate întotdeauna subtanţele antiseptice corespunzătoare. Prin aceasta se asigură protecţia combinată a lemnului împotriva focului şi a putrezirii.

Îmbibarea ignifugă a elementelor de construcţie din lemn trebuie executată după terminarea prelucrării mecanice. O astfel de ordine a lucrărilor asigură cea mai mare eficacitate în protejarea lemnului, deoarece în acest fel se păstrează straturile superficiale care sunt cel mai bine îmbibate. Prelucrarea mecanică a lemnului deja îmbibat, care contine după uscare o mare cantitate de cristale de săruri, nu este recomandabilă şi datorită faptului că provoacă o uzura rapidă a mijloacelor de prelucrare.

3.2.3 Vopsele ignifuge

Vopselele ignifuge se împart în două grupe principale: sub acţiunea temperaturilor înalte unele formează o spumă măruntă, cu rol de izolator termic, iar altele formează o peliculă plastică, cu “băşici” care îndepărtează acţiunea flăcării, de la suprafaţa elementului vopsit.

Din prima grupă de vopsele ignifuge fac parte: extractul sulfo-ligninic; melasa; zahărul din celuloza; amidonul, ş.a.

Dacă sunt aplicate pe elementul din lemn într-un strat cu grosimea de 1 mm, acestea formează sub acţiunea focului, o spumă cu bule mici, groasă de cca. 30-40 mm. Sub acţiunea unui foc puternic, pe o perioadă de 30 minute, pe suprafaţa lemnului acoperit cu aceasta spumă, nu începe încă distilarea uscată. Aceste vopsele sunt solubile în apă şi sunt higroscopice până la un anumit grad; ele pot fi întrebuinţate doar în încăperi uscate cu φ < 90%.

Din grupa a doua de vopsele ignifuge fac parte cele pe bază de silicaţi, şi anume: sticla solubilă şi un filer; ca filer se întrebuinţează:

cretă; talc; praf de cărămidă; nisip de cuarţ măcinat, ş.a.

Aceste subtanţe nu prezintă, de regulă, nici ele rezistenţă crescută la apă. În legătura cu descompunerea chimică treptată a sticlei solubile, de către bioxidul de carbon din aer, apar cu timpul pe suprafaţa vopsită a lemnului, pete prăfoase albe de sodă care produc o cojire locală a vopselei. Pentru mărirea rezistenţei vopselelor ignifuge, se recomandă adăugarea în sticla solubilă a glicerinei, a albului de var şi a emulsiei de cloroparafină.

3.2.4 Paste şi tencuieli ignifuge

Ingineria clădirilor 3.5

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

Caracteristica principală a pastelor şi a tencuielilor ignifuge constă în grosimea mare a stratului în care acestea sunt aplicate pe elementul realizat din material lemnos. Efectul ignifug al pastelor se bazează în primul rând pe acţiunea lor de izolant termic.

Rolul de pastă ignifugă de mare eficacitate îl îndeplineşte tencuiala obişnuită. Rezultate mai bune dau tencuielile de:

var; var cu ipsos; var prăfos curat.

Pe baza rezultatelor numeroaselor experiente, au fost stabiliţi următorii indici ignifugi pentru tencuiala de var: sub stratul de var temperatura suprafeţei protejate rămâne sub 160 0C, atât timp cât nu se produce deteriorarea tencuielii. Durata acestui proces, în cazul acţiunii pe suprafaţa tencuielii a unei temperaturi de 950 - 11000C, depinde de condiţiile de răcire ale suprafeţei opuse a elementului ; dacă această suprafaţă aderă bine la materialul protejat, procesul de calcinare durează, la grosimea stratului de 20 şi de 30 mm, respectiv 20 şi 43 minute.

Din momentul în care calcinarea varului s-a terminat, temperatura creşte repede şi stratul de tencuială crapă şi cade de pe suprafaţa elementului din material lemnos. Prin căderea tencuielii, care se produce atunci când nu are adeziune permanentă cu suprafaţa protejată, încetează de asemenea acţiunea ignifugă. O adeziune mai bună este asigurată în cazul în care tencuiala este aplicată pe şipci de lemn, cu secţiunea trapezoidală sau cu secţiunea T, pe rogojini confectionate din aceste şipci sau pe o plasă de sârmă. În afară de tencuielile obişnuite (var şi ipsos), sunt întrebuinţate şi alte tipuri de tencuieli şi de paste:

argilă; argilă şi var; argilă cu var şi ipsos; ipsos cu zgură, ş.a.

În tabelul 3.1 sunt prezentate produse ce pot fi aplicate în diverse tipuri de tratamente (preventive sau combative), în funcţie de compatibilitate şi în funcţie de efectul de protecţie care se doreşte să se obţină.

Produse ignifuge utilizate în România

Tabelul 3.1Nr. crt.

Produs Tip Domeniul de aplicare

Mod de aplicare

1 IGNIFUGANT ILSoluţie omogenă, verzuie

La interior pe lemn de răşinoase

Impregnare prin imersie

2 IGNIFUG FC

Soluţie incoloră, limpede, miros de amoniac

Lemn pentru construcţii şi amenajări interioare

Impregnare prin imersie sau prin vid-presiune

3 I 107Vopsea pe bază de silicaţi, maro deschis

Lemn şi produse pe bază de lemn, la interiorul construcţiilor

Pensulare

4 DIASIL Vopsea pe bază de silicaţi

Lemn şi produse pe bază de lemn, la interiorul construcţiilor

Pensulare cu două componente în straturi succesive

5ROSILTASIL

Vopsea pe bază de silicaţi

La interiorul clădirilor, nu se aplică pe fag

Pensulare, pulverizare

6 VITAL RO Vopsea pe La interiorul Pensulare,

Ingineria clădirilor 3.6

Capitolul 3 Comportarea şi protecţia lemnului la acţiunea focului

bază de silicaţi; lichid alb sau colorat

clădirilor, pe lemn şi produse pe bază de lemn

pulverizare

7 UNITHERM

Produse peliculogene, ignifuge, termospumante

La interior pe lemn masiv şi pe suprafeţe furniruite

Pensulare, cu perie sau rulou, pulverizare

8 UNIFLAMME

Vopsea ignifugă, termospumantă

La interior, pe orice suport de lemn

Pensulare, cu perie sau rulou, pulverizare

9LACURI INTUMESCENTE

Lac ignifugant, termospumant

La interior, pe orice suport lemnos

Pensulare, cu perie sau rulou, pulverizare

Ingineria clădirilor 3.7