Существенную долю по массе среди наземных лесных горючих материалов, первостепенными компонентами содержания которых являются клетчатка и лигнин, на территории Беларуси занимают мохово-лишайниковый ярус и лесная подстилка, которые должны служить основным объектом огнезащиты при профилактике и ликвидации лесных пожаров. В химическом составе этого яруса и подстилки преобладают углеводы гемицеллюлозной и целлюлозной групп при отсутствии или небольшом содержании лигнина (таблица 5.1). В то же время лишайники из-за отсутствия в них смолистой фракции и наличия тонковолокнистой структуры обладают, по сравнению с древесиной, более высокой сорбционной способностью по отношению к воде и водным растворам неорганических солей.
Таблица 5.1 − Химический состав основных компонентов мохово-лишайникового яруса и древостоя, масс %
| Растения и растительные остатки | Воск, жиры, смолы | Водорастворимые органические вещества | Гемицеллюлоза | Целлюлоза | Лигнин | Протеин |
| Сфагнум | 9,5 | 17,1 | 28,1 | 32,2 | 9,2 | 3,1 |
| Лишайник: | ||||||
| исландский | – | 52,8 | 25,8 | 3,9 | – | 5,5 |
| лесной | – | 2,7 | 73,8 | 7,3 | – | 5,8 |
| Зеленые мхи | 14,2 | 12,1 | 55,8 | 11,4 | 6,2 | – |
| Хвоя сосны | 24,5 | – | 12,7 | 27,6 | 15,1 | 6,9 |
| Лесная подстилка (степень разложения 15 %) | 12,9 | 19,2 | 28,2 | 20,5 | 13,6 | 1,5 |
| Древесина сосны | 1,6 | 0,6 | 17,8 | 51,9 | 28,2 | – |
В состав древесины входит 40–50 % целлюлозы, 25 % гемицеллюлозы, имеется повышенное содержание лигнина (до 25 %) и ароматических веществ и при ее нагревании выделяется больше горючих газов. В результате терморазложения составляющие компоненты древесины распадаются с выделением летучих продуктов при различных температурах: гемицеллюлоза – 200–260 °С, целлюлоза – 240–300 °С, лигнин – 280–500 °С, поэтому различные группы лесных горючих материалов отличаются по процессам горения. Целлюлоза горит не как компактный материал, а разлагается на летучие фрагменты, которые, сгорая, способствуют ее дальнейшему термолизу, поддерживая процесс пламенного горения.
Тление – беспламенное горение – основной фактор повторного воспламенения материалов, имеющих пористую структуру и высокое содержание кислорода в своем составе. К таким материалам относятся целлюлозосодержащие продукты. Для целлюлозных материалов выделено три зоны горения: I – зона пиролиза, в которой имеет место быстрое повышение температуры и выход в газовую фазу летучих продуктов; II – облегченная зона, где температура достигает максимума, выделение летучих продуктов прекращается и имеет место свечение; III – зона пористого угля или золы, которые уже не светятся и их температура медленно падает. Идеальная схема разложения целлюлозы, при которой невозможно пламенное горение, – полная дегидратация макромолекул:
(С6Н10О5) → СО2+Н2О +С.
Такое направление реакции возможно при использовании кислых катализаторов и соединений. При этом катализатор не должен улетучиваться при температурах активного тления 300–500 °С.
После прекращения диффузионного пламенного горения продуктов пиролиза твердых горючих материалов над их поверхностью вновь может возникнуть пламенное горение. Этот процесс может повторяться неоднократно, пока не будут достигнуты условия, необходимые для прекращения беспламенного горения.
Прекращение горения может быть достигнуто при следующих условиях:
1) прекращении доступа кислорода к материалам горения (засыпка грунтом, заливка пеной);
2) охлаждении горящих материалов (водой, химикатами, грунтом) до прекращения горения;
3) лишении огня «пищи» (ликвидация горючих материалов перед фронтом пожара отжигом, минерализацией почвы);
4) отрыве пламени от горючих материалов захлестыванием и струей воды;
5) применении комбинированного воздействия – изоляция и охлаждение грунтом, химическими растворами, водой.
Из существующих теорий огнезащитного действия наибольшее распространение получили физическая и химическая.
Согласно общей теории огнезащиты антипирены подавляют процессы пиролиза древесины за счет образования большего количества горючих газов, снижают температуру разложения исходных материалов и способствуют снижению тепла, выделяемого горящими материалами при незначительном количестве выделяющихся газов.
По физической теории одной из причин огнезащитного действия является то, что выделяющиеся негорючие газы разбавляют кислород у поверхности горения и уменьшают тем самым экзотермическую регрессию. Кроме того, антипирены под действием теплоты развивающегося пожара образовывают поверхностные пленки, в результате чего затрудняется доступ кислорода к горящему материалу, что способствует подавлению пламенного горения.
В соответствии с химической теорией огнезащитного действия, которую разработал I. Schuyten, все антипирены являются или кислотами, или основаниями Льюиса и при температурах, близких к температурам горения, например целлюлозы, катализируют ее дегидратацию до тех пор, пока не образуется остаток с высоким содержанием углерода (обугленный остаток).
При исследовании химических веществ, применяемых для борьбы с лесными пожарами, Э. В. Коневым предложен механизм огнегасящих воздействий неорганических солей на целлюлозный материал и пламенную фазу горения, который может быть принят за основу поиска новых огнезащитных веществ и расчета их эффективности. При пиролизе целлюлозы, обработанной кислотами или основными антипиренами, существенно увеличивается количество выделяемой воды по сравнению с необработанной целлюлозой, что согласуется с объяснением огнезащитного действия за счет каталитической дегидратации.
Основной механизм огнетушащего действия химических веществ на лесном горючем материале, как и снижение массы образцов целлюлозы под воздействием химических веществ в тепловом поле, наиболее полно объясняется явлением каталитической дегидратации целлюлозы и ее дериватов, то есть разложением целлюлозного материала до углерода и воды при более «мягких» температурных условиях по сравнению с пламенным гетерогенным горением. При этом неорганические соли выступают как катализаторы, увеличивающие скорость реакции. Пламенная фаза горения незащищенного материала служит лишь источником теплового поля, ускоряющего этот процесс. Когда к лесным горючим материалам, обработанным химическими веществами-катализаторами, подходит кромка огня, последний наталкивается на полосу сгоревшего (обугливавшегося) горючего материала, который не может воспламениться, и пламенное горение прекращается. Пожар как бы тушит сам себя, вызывая своим тепловым полем обугливание горючего материала. Благодаря катализатору, температура обугливания значительно ниже температуры воспламенения газообразных веществ, выделяющихся при нагревании мохово-лишайникового яруса и подстилки – целлюлозных материалов.
Таким образом, с точки зрения теории дегидратационного катализа тушение лесного пожара с помощью химических веществ сводится к достижению их контакта с ЛГМ в зоне теплового поля. При этом агрегатное состояние вещества и способ его подачи не имеют принципиального значения в случае обеспечения вышеуказанного условия. Эта теория показывает нерациональность применения химикатов для непосредственного тушения кромки лесного пожара, так как в этом случае используется их теплофизическая активность. Более эффективна обработка ими горючего материала перед кромкой пожара, позволяющая использовать каталитическую активность химического состава, которая в данных условиях в 10–25 раз выше его теплофизической активности. Согласно этой теории, эффективным способом борьбы с огнем является прокладка с помощью огнегасящих химических веществ заградительных полос не только перед кромкой пожара, а и на различном от нее расстоянии, что дает возможность сократить периметр обрабатываемого участка и исключить работу участников тушения в задымленной зоне, а это особенно важно при ликвидации пожаров в зоне отселения и отчуждения ЧАЭС.