Оптимизация огнезащиты металлических конструкций

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 № 1 ОГНЕЗАЩИТА

О. Н. ТРИФОНОВА,канд. хим. наук, доцент кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26)

Рассмотрены пенообразующие свойства огнезащитных вспенивающихся композиций на базе водно-дисперсионных материалов (ВДМ). Представлены результаты испытаний на огнестойкость стальных образцов, защищенных огнезащитными составами, а также данные по влагопроницаемости и эксплуатационные свойства огнезащитных композиций. Установлено, что углекислый аммоний, сульфокислый кальций и хлорид аммония перспективны как присадки к составу ВДМ, используемому для огнезащиты металлических конструкций.

Ключевые слова:огнезащита; вспенивающиеся огнезащитные покрытия; огнестойкость; металлические конструкции.

Металл является наиболее широко применяемым материалом, особенно в строительстве. Наряду с достоинствами (способность к пластической деформации, прочность, жесткость, распространенность в природе, надежность), выгодно отличающими его от других материалов, при пожаре металл деформируется, теряет устойчивость и несущую способность, что может вызвать обрушение конструкций.

Металл - негорючий материал (однако порошки некоторых металлов являются горючими и взрывоопасными), но, как и все другие материалы, используемые в строительстве, не может в течение длительного времени выдерживать воздействие высоких температур, возникающих внутри здания при пожаре [1]. В условиях пожара температура открытого пламени может достигать 500 °С. При этом металлическая конструкция теряет свою прочность в течение 0,1-0,4 ч, что приводит к ее разрушению.

Для защиты металлоконструкций от воздействия повышенных температур часто применяют вспучивающиеся покрытия [2]. В связи с этим были исследованы композиты на основе водно-дисперсионных материалов (ВДМ) с улучшенным комплексом свойств, который достигается подбором компонентов вспучивающейся системы и проявлением ими синергического эффекта при контакте с фронтом пламени.

В качестве наполнителей в рецептуре использовали:

- углекислый аммоний (NH4 ) 2CO3 - вещество в виде бесцветных кристаллов. Хорошо растворим в воде. Крайне неустойчив не только на воздухе, но и в растворе, так как уже при комнатной температуре выделяет аммиак, превращаясь в бикарбонат аммония NH 4HCO3. При 60 °C быстро распадается на NH3,CO2иH2 O;

- сульфокислый гидратированный кальций CaSO 4 · ·2H 2 O - минерал, очень медленно присоединяющий воду. Растворим в воде, но растворимость падает с повышением температуры. Позволяет повысить термостойкость и химическую стойкость покрытия, улучшить его огнестойкие характеристики;  хлорид аммония NH4

- Cl (техническое название нашатырь) - соль, бесцветный кристаллический порошок плотностью 1526 кг
м 3 . При нагревании до 338 °С полностью распадается на NH3и HCl. Хорошо растворим в воде (37,2гв100г H2 O при 20 °С); раствор имеет слабокислую реакцию.

В качестве основы использован состав ВДМ - однокомпонентная вспенивающаяся водно-дисперсионная композиция, предназначенная для повышения огнестойкости металлических и железобетонных конструкций. ВДМ обеспечивает 4-ю группу огнезащитной эффективности с приведенной толщиной более 3,4 мм при толщине сухого слоя 1,8 мм [3]. Огнезащитный состав ВДМ не содержит органических растворителей, нетоксичен, пожаровзрывобезопасен.

Оценка эффективности огнезащитных составов проводилась на стальных образцах из углеродистой стали марки Ст3 на испытательном оборудовании по ГОСТ 30247.0-94 "Методы испытаний на огнестойкость" путем определения времени с момента начала теплового воздействия до достижения предельной температуры 500 °С на необогреваемой поверхности образца металлической пластины [4, 5]. Для некоторых распространенных марок углеродистых и низколегированных сталей она примерно соответствует температуре, при которой происходит потеря прочности или устойчивости, т. е. наступает предел огнестойкости металлоконструкций.

Результаты исследований образцов без огнезащиты и с покрытием на базе ВДМ без добавок и с добавкой углекислого аммония представлены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что по сравнению с составом ВДМ предложенное покрытие (ВДМ + 30 % масс. (NH 4 ) 2CO3) обеспечивает лучшую защиту металлоконструкций в условиях воздействия высоких температур. Основной огнезащитный эффект достигается в результате превращения тонкого адсорбционного слоя антипирена в высокопористый теплоизолирующий слой. Процесс сопровождается интенсивным газовыделением негорючих низкомолекулярных соединений - преимущественно диоксида углерода и воды, что усиливает вспенивание и тем самым снижает коэффициент теплопередачи нанесенного покрытия.

При замене добавки углекислого аммония на сульфокислый гидратированный кальций в испытаниях наблюдался эффект, аналогичный эффекту, полученному при испытании покрытия на основе ВДМ + + 30 % масс. (NH4 ) 2CO3, т. е. покрытие ВДМ + 20 % масс. CaSO4·2H 2 O обеспечивает хорошую защиту в условиях воздействия высоких температур (рис. 2). Испытания покрытий с добавкой хлорида аммония показали, что они обеспечивают защиту стальных образцов в условиях высоких температур (рис. 3). Особое внимание заслуживает оценка пенообразующих свойств огнезащитных композиций [6]. Исследования показали, что огнезащитное покрытие на основе ВДМ + 10 % масс. углекислого аммония (NH4 ) 2CO3

загоралось на 15-й минуте, интенсивно вспенивалось и стекало с поверхности образца, почти полностью оголив его на 27-й минуте. Увеличение содержания углекислого аммония до 30 % масс. исключало загорание и позволило получить равномерное вспенивание с незначительным сползанием сверху (рис. 4,а). При замене углекислого аммония на сульфокислый гидратированный кальций CaSО4·2H2 O покрытие вспучивалось, не стекало с поверхности образца, но стягивалось, оголяя его углы, что приводило к быстрому прогреву образца.

Увеличение концентрации сульфокислого кальция до 20 % масс. исключало стягивание, но приводило к растрескиванию покрытия в процессе испытания (рис. 4,б). При использовании в качестве добавки хлорида аммония (NH4 Cl) в количестве 10 % масс. после 10 мин испытаний вспенивающийся слой на-чинал стягиваться к центру и выгорать, так что к 25-й минуте металл полностью освободился от покрытия. Однако увеличение его концентрации до 30 % масс. позволило получить равномерное вспенивание и исключить горение покрытия (рис. 4,в).

Влагопроницаемость защитных составов - существенный показатель, характеризующий защитные составы на основе ВДМ [7], но достаточно спорный.

Изучение кинетики массопереноса воды через барьерную пленку огнезащитных композиций проводили в герметичных эксикаторах, относительная влажность воздуха (70; 80; 90 и 100 %) в которых обеспечивалась использованием дистиллированной воды. В эксикаторы помещали бюксы, заполненные влагопоглотителем Р 2О5, имеющим одинаковую массу в параллельных опытах, и закрытые притертыми перфорированными крышками. На каждую крышку наносили барьерный слой огнезащитной композиции, толщину которого контролировали гравиметрически. Через 1; 2;4и6чпоразнице масс бюксов с влагопоглотителем до и после опыта оценивали количество поглощенной воды, прошедшей через барьерный слой. При этом учитывали нали-чие в бюксах влаги из воздуха до опыта, массу которой рассчитывали по формуле mPVM RT  HO ист HO 22(), гдеPHO ист 2 - истинное давление паров, Па, при температуре помещенияТ, где проводился эксперимент, К; V- объем ячейки, л; MHO2 - молярная масса воды, моль
г; R- универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К).

Рис. 1.График прогрева стальных образцов:1- без огнезащитного покрытия;2- с покрытием ВДМ;3- с покрытием ВДМ + 30 % масс. (NH 4 ) 2CO3

Рис. 2.График прогрева стальных образцов:1- без огнезащитного покрытия;2- с покрытием ВДМ;3- с покрытием ВДМ + 20 % масс. CaSO 4·2H 2O Рис. 3.График прогрева стальных образцов:1- без огнезащитного покрытия;2- с покрытием ВДМ;3- с покрытием ВДМ + 30 % масс. NH 4 Cl

В таблице приведены значения коэффициента торможения массопереноса водыZчерез барьерный слой как функции концентрации углекислого аммония, сульфокислого кальция и хлорида аммония в ВДМ в зависимости от продолжительности процесса и концентрации присадок. Коэффициент Z рассчитывали по формуле Z=(m0,i -mi)
m0,i · 100, где m0,i иmi - масса воды, поглощенная Р2О5 за i-й промежуток времени соответственно в отсутствие барьерного слоя и при наличии его.

Эксплуатационные свойства покрытия, нанесенного на стальные образцы, проверялись по методу ускоренного старения. В результате испытаний было установлено, что время прогрева образца за счет снижения вспенивающей способности сократилось до 30 мин для композиции с углекислым аммонием, и наблюдалось возгорание покрытия (рис. 5).

При замене углекислого аммония на сульфокислый кальций в композиции время прогрева сократилось так же, как и в случае с композицией на основе ВДМ и углекислого аммония, за счет снижения ее способности к вспениванию до 28 мин (см. рис. 5).

Испытания композиции на основе ВДМ с хлоридом аммония показали, что данный состав также не отличался достаточным вспениванием, что сократило время прогрева до 37 мин (см. рис. 5).

Снижение способности покрытия к вспучиванию можно объяснить перераспределением водорастворимого компонента в структуре покрытия [8].

В результате исследований различных огнезащитных композиций было установлено, что оптимизация их эксплуатационных характеристик может быть достигнута при наличии в составе ингредиентов, взятых в определенном соотношении. Так, защитная эффективность покрытия на основе ВДМ

Рис. 4.Вспучивающееся покрытие на основе ВДМ с добавкой:а- (NH4 ) 2CO3 (30 % масс.);б- CaSO4·2H 2 O (20 % масс.); в-NH4 Cl (30 % масс.)

Рис. 5.График прогрева стальных образцов с огнезащитным покрытием при испытании по методу ускоренного старения: 1- ВДМ;2- ВДМ + 20 % масс. CaSO4·2H 2 O;3- ВДМ + + 30 % масс. (NH4 ) 2CO3 ;4- ВДМ + 30 % масс. NH4 Cl

Присадка Содержание присадки, % масс. ЗначениеZ,%, через интервал времени от начала эксперимента, ч 1234

(NH 4 ) 2CO3 0 53504645 10 59 51 49 48 20 66 61 58 53 30 72 70 69 61

CaSO4·2H 2O 0 53 50 46 45 10 59 51 49 48 20 66 61 58 53 30 72 70 69 61 NH4Cl 0 58535149 10 67 56 56 53 20 79 65 65 61 30 82 79 76 72

Значения коэффициента торможенияZ(%) массопереноса через барьерный слой в зависимости от концентраций присадок в композиции с ВДМ возрастает по мере увеличения концентраций присадок углекислого аммония и хлорида аммония. Оптимальное огнезащитное действие показывают составы, содержащие 20-30 % масс. углекислого аммония или хлорида аммония либо 10-20 % масc. сульфокислого кальция.

Композиции на базе ВДМ и углекислого аммония легко вспениваются и, как следствие, обладают хорошей огнезащитной способностью. Вспучиванию составов с хлоридом аммония и ВДМ способствует увеличение концентрации присадок. Отверждение протекает достаточно быстро за счет формирования различных по природе структур, обладающих неодинаковой термической устойчивостью и склонностью к вспучиванию при огневом воздействии.

Массоперенос воды через барьерный слой при 100 %-ной относительной влажности воздуха существенно замедляется при увеличении концентраций углекислого аммония, сульфокислого кальция и хлорида аммония в составе ВДМ. Снижение относительной влажности воздуха до 70 % в большинстве случаев качественно не изменяет характер этой зависимости. Эффект торможения массопереноса воды (после 4 ч опыта) наблюдается для композиций с содержанием (% масс.): углекислого аммония - 30 и ВДМ - 61; сульфокислого кальция - 20 и ВДМ - 49; хлорида аммония - 30 и ВДМ - 72.

При оценке эксплуатационных свойств по методу ускоренного старения, при котором огнезащитное покрытие попеременно подвергается испытанию при воздействии повышенной температуры, при 100 %-ной относительной влажности воздуха и комнатных условиях, было установлено, что время прогрева образца, обработанного композицией с углекислым аммонием и ВДМ, за счет снижения способности к вспучиванию сократилось до 30 мин. Замена присадки на сульфокислый кальций не изменило картины. При добавке хлорида аммония время прогрева образца за счет снижения способности к вспучиванию сократилось до 37 мин. Снижение способности покрытия к вспучиванию можно объяснить перераспределением водорастворимого компонента в структуре покрытия.

Таким образом, показано, что углекислый аммоний, сульфокислый кальций и хлорид аммония перспективны как присадки к составу ВДМ, используемому в качестве огнезащиты металлических конструкций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Страхов В. Л., Крутов А. М., Давыдкин П. Ф.Огнезащита строительных конструкций. -Т. 2. - М. : Информ. изд-во "Центр", 2000. - 435 с.

2.Халтуринский Н. А., Крупкин В. Г.О механизме образования огнезащитных вспучивающихся покрытий

Пожаровзрывобезопасность. - 2011. - Т. 20, № 10. - С. 33-36.

3.Корольченко А. Я., Корольченко О. Н.Средства огнезащиты : справочник. - М. : Пожнаука, 2006. - 258 с.

4. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности. -Введ. 01.01.2010 г. -М. : Стандартинформ, 2009.

5. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования. - Введ. 01.01.96 г. - М. : Изд-во стандартов, 1996.

6.Щукин Е. Д., Петров А. В. и др.Коллоидная химия. - М. : Высшая школа, 2004. - 445 с.

7.Сидоров В. И.Химия в строительстве. - М. : Асс. строительных вузов, 2007. - 310 с.

8.Романенков И. Г., Левитес Ф. А.Огнезащита строительных конструкций. - М. : Стройиздат, 1991. - 19 с.

огнезащита айсберг, огнезащитная краска, огнезащитный состав, огнезащита углеводородное горение, углеводородный пожар, огнезащита металла, огнезащита кабеля, огнезащита углепластика, повышение предела огнестойкости, огнезащитная эффективность, огнезащита карбона, огнезащита композитных материалов, конструктивная огнезащита, степень огнестойкости