Рассмотрены основные закономерности, присущие процедурам стандартных испытаний строительных материалов на токсичность летучих продуктов сгорания, воспламеняемость и распространение пламени. Исследована возможность использования различных динамических характеристик, регистрируемых при проведении вышеуказанных испытаний, для оценки пожарной опасности строительных материалов.
Оценка показателя токсичности летучих продуктов сгорания строительных материалов на основе анализа экспериментальных зависимостей "концентрация токсиканта — время"
Современные перспективы развития отечественного метода экспериментального определения показателя токсичности летучих продуктов горения полимерных материалов заключаются в постепенной замене биологического метода испытания на экспериментально-расчетный, позволяющий рассчитывать показатель на основе определения средних концентраций токсичных газов, выделение которых контролируется при испытаниях.
Ввиду специфики испытаний токсичность среды в замкнутом объеме испытательной установки нарастает постепенно и характеризуется как процессами термического разложения образца, так и диффузионными процессами. Поэтому при применении экспериментально-расчетного метода для количественной оценки токсического эффекта необходима точная регистрация зависимостей "концентрация — время" Ct (т) для каждого из контролируемых токсикантов.
На основе полученной зависимости определяется средняя концентрация за время экспозиции:
Полученная величина для каждого токсиканта сравнивается затем со справочным значением величины концентрации этого же токсиканта, принятой за среднесмертельную в заданном интервале времени. На основании данного сравнения делается вывод о показателе токсичности испытанного материала.
Здесь сразу же возникает несколько вопросов, требующих разрешения:
- необходимость непрерывного измерения концентрации каждого из 5 — 6 основных выделяющихся токсикантов (что порой не всегда возможно из-за отсутствия соответствующего оборудования);
- запись зависимостей и математическая обработка результатов для получения величины;
- оценка корректности сравнения полученных средних величин с величинами концентраций этих токсикантов, принятых за средние смертельные (при постоянной воздействующей концентрации за определенный временной промежуток токсического воздействия), особенно в случае, если в течение небольшого интервала времени концентрация анализируемого токсиканта значительно превышает среднесмертельную.
Необходимо заметить, что наряду с вышеуказанными проблемами всегда остается вопрос, насколько аддитивен вклад каждого из анализируемых токсикантов в показатель токсичности и насколько выбранные для регистрации токсиканты определяют суммарный токсический эффект.
Рис. 4. Характерные зависимости "концентрация — время" для основных токсикантов СО и СО2, полученные в условиях стандартных испытаний (п. 4.20 ГОСТ 12.1.044-89). Материал — полиэтиленовая пленка марки Н по ГОСТ 10354-82; режим — термоокислительное разложение (ТОР); плотность теплового потока — 32,5 кВт/м2; масса образца — 2,0 г; время работы нагревателя — 6 мин
Именно решение вышеперечисленных вопросов позволит эффективно работать экспериментально-расчетному методу и обеспечивать приемлемую сходимость с контрольным (биологическим) экспериментом.
Необходимость непрерывного контроля концентраций токсикантов обусловлена не только процессами термического разложения (горения) образца и диффузии. Во многих случаях образовавшиеся летучие продукты также охлаждаются, частично конденсируются, сорбируются, вступают между собой и с кислородом воздуха в химические реакции. Если образующиеся основные токсиканты СО и СО2 обладают достаточно высокой химической стабильностью (см. рис. 4), то что касается других токсикантов (например, цианистый водород HCN, оксиды азота NxOy хлористый водород HCl, акролеин CH2CHCHO, формальдегид и др.), то здесь могут наблюдаться различные эффекты.
Рис. 5. Изменение концентрации HCl в предкамере установки "ТПГ" (п. 4.20 ГОСТ 12.1.044-89) при термоокислительном разложении образцов ПВХ профиля при различных тепловых потоках (время экспозиции — 30 мин; V = 0,11 м3; тобр = 12,0 + 0,5 г). Значками обозначены точки пробоотбора (по данным Комовой М. А., ФГУ ВНИИПО МЧС России)
В качестве примера можно привести результаты испытаний поливинилхлоридного (ПВХ) профиля (рис. 5). Как видно из результатов испытаний, в течение 30-минутного стандартного опыта концентрация хлористого водорода HCl, выделяющегося из образца ПВХ материала, в замкнутом объеме изменяется очень существенно.
Хотя вариант измерения концентрации HCl с использованием химических газоопределителей (индикаторных трубок) имеет ряд ограничений (дискретность пробоотбора, его длительность по отношению ко времени эксперимента и большая погрешность газового анализа, зависящая к тому же от диапазона измеряемых концентраций), тем не менее в серии опытов при разложении образцов поливинилхлоридного профиля при температурах 600, 650, 700 °С (соответственно при тепловых потоках 38,0; 44,0; 52,5 кВт/м2) в течение 30 мин в стандартизованных условиях были выявлены характерные зависимости.
В результате проведенных измерений установлено, что условия эксперимента существенно уменьшают реально воздействующее на животных количество HCl по сравнению со стехиометрически выделяющимся, а при наличии высокой концентрации HCl в определенном кратковременном диапазоне средняя концентрация газа [НС1]ср за 30-минутный интервал остается значительно ниже среднесмертельной концентрации (CL50hci).
Таким образом, учитывая характер приведенных на рис. 5 временных зависимостей, можно предположить, что в некоторых случаях отягчающее действие НС1 спрогнозировать будет чрезвычайно сложно, особенно в комбинации с другими токсикантами, также образующимися в условиях стандартных испытаний.
При этом даже непрерывная регистрация концентраций токсикантов не позволит с достаточной долей уверенности спрогнозировать влияние эффекта "токсического удара" (кратковременного, но значительного превышения максимального значения концентрации токсиканта над средним). Сравнение рассчитанного среднего значения времени экспозиции животных с соответствующим этому времени значением CL50 при изолированном воздействии может оказаться здесь явно недостаточным, т.к. не исключена ситуация, когда влияние кратковременного "токсического удара" какого-нибудь из токсичных компонентов окажется вполне достаточным для летального исхода, в то время как среднее значение токсической концентрации окажется меньше среднесмертельной CL50.
Можно также предположить, что зависимости, аналогичные представленным на рис. 5, достаточно типичны и могут наблюдаться для других высокореакционных или конденсирующихся токсичных летучих продуктов термического разложения.
Таким образом, основная задача инструментального метода должна состоять не только в выборе наиболее токсичных компонентов и непрерывной регистрации их концентраций, но также и в оценке (на основе анализа набора зарегистрированных зависимостей "концентрация токсиканта -время") их суммарного и, в особенности, динамического влияния.
Решение данной проблемы позволит не только отказаться от использования негуманного метода определения токсичности летучих продуктов сгорания строительных материалов, но и более обосновано прогнозировать на основе уже имеющихся литературных данных возможное влияние на организм многокомпонентной токсичной среды, образующейся в процессе возникновения и развития пожара.