Поведение дерева при горении

Де́рево (лат. árbor) — жизненная форма деревянистых растений с единственной, отчётливо выраженной, многолетней, в разной степени одревесневшей, сохраняющейся в течение всей жизни, разветвлённой или неветвящейся главной осью — стволом. Многолетнее растение с твердым стволом и отходящими от него ветвями, образующими крону.

Классификация:

Деревья делятся  на хвойные и широколиственные.

Хвойные отличаются обычно жёсткими вечнозелёными игловидными или чешуйчатыми листьями, называемыми хвоей или иглами, образуют шишки или можжевеловые ягоды. К этой группе относятся, например, сосны, ели, пихты, лиственницы, кипарисы, секвойи.

Широколиственные деревья имеют широкие и плоские листья — у которых толщина значительно меньше длины и ширины, обычно опадающие раз в год. Широколиственные (или просто лиственные) деревья обычно цветут и плодоносят. К этой группе относятся клёны, буки, ясени, эвкалипты и т. д.

Применение древесины.

Какую-же древесину можно использовать для строительных целей? Главным образом хвойные породы - сосну, ель, лиственницу, секвойю, кедр, а также твердые лиственные - дуб, ясень, клен, граб, акацию, березу, бук, вяз.

Самым древним строительным материалом является дерево. Это обусловлено обилием леса на планете, простотой получения и обработки с помощью самых элементарных инструментов.

Деревянное строительство достигло наивысшего расцвета во времена Римской империи. Этим периодом датируются известные и в наши дниконструкции пролетных строений, с помощью которых римляне « за один раз » перекрывали значительные расстояния между опорами, достигающие 23 м. 
Второй период расцвета - эпоха Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор Палладио предложил ряд новых и оригинальных конструктивных форм из дерева,которые далеко опередили технологические возможности своего времени и, по существу, явились прототипом некоторых современных конструкций. Настоящим « деревянным » бумом, однако, стала первая половина позапрошлого века. Благодаря этому легкому, прочному и упругому материалу строители перекрывали пролеты в 40 - 50 м. при сооружении зданий и в 60 - 70 м. - в случае мостовых конструкций. В строительстве применяют хвойные и лиственные породы. Хвойные чаще всего используют для изготовления конструкций, а также в качестве основы при оклеивании деталей шпоном из ценных пород древесины. Наиболее распространена сосна. Она отличается мягкой древесиной желтовато-розового цвета, высокими строительно-технологическими свойствами. Древесина ели по своим качествам очень похожа на древесину сосны, но содержит меньше смолистых веществ, что делает ее более подверженной гниению и ограничивает использование. Лиственница имеет твердую и прочную древесину с большим содержанием смолистых веществ, однако применяют ее чаще всего в северных районах страны. Из таких лиственных пород, как дуб, ясень и другие, имеющих твердую древесину, изготовляют детали несущих конструкций - нагели, шпонки и тп., из пород с мягкой древесиной - осины, тополя, ольхи, липы - двери, наличники, плинтусы и тд. Древесина дуба крепка и долговечна, имеет светло-коричневый цвет, хорошо поддается обработке, однако при высыхании на ней могут появиться трещины. Из дуба выполняют паркет, фанеру, панели стен, наличники, плинтусы. У вязы также прочная упругая и тяжелая древесина, из нее чаще всего производят фанеру и столярные изделия. Мягкая и легкая древесина осины не коробится и мало растрескивается при высыхании, хороша для обработки. К недостаткам осины следует отнести ее загниваемость в условиях повышенной влажности. Древесина ясеня прочна, вязка, ее трудно обрабатывать вручную, при сушке она мало растрескивается. Ольху напротив, обрабатывать легко, ее древесиной имитируют красное дерево. Береза отличается плотной однородной древесиной бело-розового цвета, ее легко обрабатывать и отделывать. Благодаря высоким декоративным качествам береза подходит для выполнения лицевых элементов мебели и отделки фрагментов помещений.

Достоинства и  недостатки древесины 
как строительного материала.

Главные достоинства дерева обусловлены сочетанием большой  легкости ( дерево почти в 2 раза легче  воды и в 14 раз легче стали ) со сравнительно высокой прочностью. Деревянная конструкция во много раз легче  железобетонной того же назначения, при  тех же нагрузках и одинаковых прочих условиях по относительной прочности ( прочности по отношению к единице  объема ). Кроме того, производство древесины - дело достаточно простое, дешевое  и быстрое. В отличии от бетона и стали дерево - превосходный теплоизолятор, так как дерево обладает низкой теплопроводностью и высокой способностью накапливать тепло.Но, дерево, как естественный продукт, создано природой совсем не для строительных целей, поэтому имеет и свои недостатки. Это, например сучки, внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение и как следствие снижение механических характеристик. Весьма серьезный недостаток древесины - ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями. В этом отношении для строительства хвойные породы подходят больше, чем лиственные по той причине, что имеют более правильную форму ствола и меньше подвержены загниванию. Гниль возникает в результате жизнедеятельности различных грибов, которые разрушают древесину и в большинстве случаев делают ее непригодной для работ. 
Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегнированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое колличество тепла, что способствует быстрому распространению пожара, поэтому следует обрабатывать древесину специальными пропитками, значительно снижающими риск возгорания - антипиренами.

Горение.

Процесс горения  древесины – это изотермический процесс, который сопровождается выделением тепла. Чтобы дерево загорелось, сначала  его нужно нагреть до температуры  воспламенения.

 
Разогрев - это нагрев участка древесины от наружного источника тепла до температуры воспламенения. Источником тепла может послужить поднесенная спичка, соседний горящий участок полена или щепки, либо что-что еще, способное греть и нагревать до требуемой температуры. Когда температура прогреваемого участка достигнет 120-150°С - начинается очень медленное и постепенное обугливание дерева, с образованием самовоспламеняющегося угля. При достижении температуры 250-350°С, начинается активное термическое разложение древесины на составляющие. На поверхности дерева появляется видимый обугливающийся слой, который начинает тлеть ( гореть без пламени). При этом из обуглившегося слоя начинает выделяться белый (бурый) дым. Самого процесса горения еще нет. Если прекратить нагрев, то возгорания не наступит. Наличие дыма говорит лишь том, что поверхность древесины уже достаточно прогрелась и началось ее термическое разложение на газообразные составляющие. Белый  дым - это не что иное, как продукты термического разложения древесины, сдобреные приличной порцией водяного пара.

 
Вспышка пиролизных газов. 
При дальнейшем разогреве и повышении температуры, термическое разложение древесины на газообразные составляющие будет усиливаться. Процесс термического разложения (пиролиз) пойдет вглубь древесной массы. Концентрация пиролизных газов в зоне разогрева достигнет критической отметки и произойдет их возгорание (вспышка). Вспышка состоится на границе с кромкой белого дыма и распространится на весь его объем. Возникнет светло-жёлтое пламя. Температура зоны разогрева может резко увеличиться за счет теплоты от сгорания пиролизных газов.  
Температура вспышки горючих пиролизных газов находится в пределах 250-300°С. Это температура, при которой становится теоретически возможным процесс воспламенения и горения самой древесины.

 
Воспламенение. 
Если и дальше продолжать разогревать древесину, то наступит ее воспламенение. Это начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника, приводит к резкому ускорению термохимической реакции. Практика показывает, что в естественных условиях воспламенение древесины наблюдается при температуре от 450 до 620°С.

 
Воспламеняемость древесины связана  с ее объемным весом, влажностью, мощностью  внешнего источника нагрева, формой сечения деревянного элемента, скоростью  воздушного потока (тяги), положением элемента в тепловом потоке (горизонтальное,, вертикальное) и т, п. Решающее значение для процесса горения имеет плотность  материала. Легкая, пористая древесина  ольхи или тополя воспламеняется быстрее, чем плотная (дуб и т. п.). Мокрая древесина труднее воспламеняется, так как до воспламенения необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим  фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. Круглые и массивные элементы горят хуже, чем с прямоугольным  профилем и с малым сечением, с  острыми ребрами н относительно развитой боковой поверхностью. Не струганная поверхность элементов, подобная рыхлой древесине, воспламеняется быстрее, чем гладкая. 

Принципиально важным и непременным условием для воспламенения  и горения любого вещества является достаточный приток кислорода и  концентрация теплоты горения, которая  не рассеивается, а идет на прогрев  новых смежных участков топлива  до температуры воспламенения.

Горение древесины. 
Если упомянутое выше условие соблюдается, то возникшее при вспышке пламя уже не затухает, а охватывает всю обугленную часть древесины. Это означает, что древесина воспламенилась, и процесс воспламенения перешел в процесс горения. Полено (щепка), если его извлечь из очага, будет гореть на воздухе самостоятельно.  
 
В свою очередь, горение дерева состоит из двух фаз - пламенной фазы и фазы тления.

В режиме тления доминирующим процессом является горение твёрдых продуктов пиролиза (углей). При этом,  пиролизные газы выделяются медленно и не могут воспламениться из-за малой своей концентрации. Газообразные продукты охлаждаются, конденсируются и дают обильный белый дым. При горении в режиме тления происходит движение воздуха в толщу горящей древесины

В режиме пламенного горения ведущим процессом является горение газообразных продуктов пиролиза., которое характеризуется движением горячих газов наружу. 

Обе фазы горения  неразрывно взаимосвязаны и будут  продолжаться до тех пор, пока в зоне горения будут соблюдаться три  условия: наличие топлива, наличие  кислорода и концентрации необходимой  температуры. 

Затухание древесины. 
Если одно из этих условий не соблюдается, то пламя затухает и весь процесс воспламенения и горения, либо прекращается, либо, в точности повторяется с самого начала, в зависимости от стабильности наружного источника тепла.