Что такое огнезащита строительных конструкций?

Принципы огнезащиты различных материалов

Огнезащита строительных конструкций (СК) играет важную роль в системе обеспечения пожарной безопасности различных объектов. Она предназначена для снижения пожарной опасности объектов и обеспечения их требуемой огнестойкости.

К числу объектов, для которых проблема оптимальной огнезащиты имеет особенно большое значение, относятся:

- СК с нормируемыми пределами огнестойкости (колонны, балки, ригели, плиты перекрытий, рамные конструкции);

- огнестойкие воздухо- и газоводы систем противодымной защиты зданий и сооружений;

- кабельные коммуникации различных типов (силовые, осветительные, контрольные) и кабельные проходки через огнестойкие строительные конструкции;

- резервуары с нефтепродуктами и сжиженными газами и другие элементы нефтегазодобывающего и нефтехимического комплекса.

В условиях пожара перечисленные объекты подвергаются совместному действию силовых нагрузок и высокотемпературного нагрева. Температура воздействующей на них газовой среды может изменяться во времени как по режимам реального пожара, так и по стандартным режимам. Продолжительность огневого воздействия может достигать 2,5 ч и более. Характерные значения плотности теплового потока, падающего на поверхность объектов в условиях развитого пожара, составляют около 50 кВт/м2. На практике при оценке эффективности огнезащиты и огнестойкости конструкций наиболее часто используется так называемый стандартный температурный режим.

Несмотря на то, что изменение температуры среды, воздействующей на конструкции при реальном пожаре, как правило, существенно отличается от стандартной температурно-времен-ной зависимости, этот режим был рекомендован международной организацией по стандартизации (ИСО) в качестве общепринятого температурного режима пожара.

Согласно СНиП 21-01-97* [1] одной из основных характеристик пожарной безопасности зданий и сооружений является степень их огнестойкости.

Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его строительных конструкций.

Показателем огнестойкости СК является предел огнестойкости, который определяется по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний: — потери несущей способности (R); — потери целостности (Е); — потери теплоизолирующей способности (I).

В таблицах СНиП 21-01-97* приведены значения требуемых пределов огнестойкости различных строительных конструкций зданий. Для противопожарных преград (стен, перегородок, перекрытий) в зависимости от их типа устанавливаются пределы огнестойкости от КЕІ 15 до КЕІ 1501.

В зависимости от степени огнестойкости зданий для его несущих элементов устанавливаются пределы огнестойкости от R 15 (IV степень) до R 120 (I степень).

Для наружных стен здания устанавливаются пределы огнестойкости от RE 15 (III степень) до RE 30 (I степень); для перекрытий междуэтажных, в том числе чердачных и над подвалами, — от REI 15 до REI 60; для внутренних стен лестничных клеток - от REI 45 до REI 120, а для маршей и площадок лестниц - от R 30 до R 60.

Для некоторых уникальных зданий и сооружений, опасных производств устанавливают более жесткие показатели огнестойкости. Например, для СК подземных сооружений задают более высокие значения требуемых пределов огнестойкости по сравнению с наземными зданиями (180 мин и более).

Проведенный анализ фактических пределов огнестойкости СК различных типов показал, что наименьшую огнестойкость имеют металлические конструкции [2].

Предел их огнестойкости зависит в первую очередь от приведенной толщины металла. Так например, стальные балки, прогоны, ригели, колонны, стойки и др. с приведенной толщиной металла 3, 5, 10, 15, 20, 30 мм имеют пределы огнестойкости 5, 9, 15, 18, 21, 27 мин соответственно.

СНиП 21-01-97* допускает применение незащищенных стальных конструкций в тех случаях, когда минимальный требуемый предел огнестойкости конструкции указан R 15 (RE 15, REI 15), за исключением случаев, когда предел огнестойкости несущих элементов здания по результатам испытаний составляет менее R 8.

В этих случаях, а также во всех остальных, когда требуемый предел огнестойкости конструкций превышает R 15 (RE 15, REI 15), повышение их огнестойкости до требуемого уровня производится с помощью огнезащиты.

Это достигается применением огнезащитных материалов или специальных конструктивных элементов.

для обеспечения требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций, в зависимости от выбранного огнезащитного материала, рассчитывается своя толщина огнезащитного покрытия, которая определяется на основании расчетов для каждой конструкции в зависимости от «приведенной толщины металла».

Показатель «приведенная толщина металла» характеризует конкретные стальные профили по скорости нарастания температуры при одинаковой плотности тепловой энергии на поверхности профиля, т.е. характеризует соотношение тепловой энергии, поступающей через единицу боковой поверхности профиля и теплоемкость единицы длины профиля.

Таким образом, чем меньше приведенная толщина, тем быстрее нагревается балка при одинаковой плотности тепловой энергии на поверхности балки. Так как температура металла зависит от количества поступившей через поверхность энергии и от теплоемкости единицы длины балки, то для более массивных профилей (с большим значением приведенной толщины) допустимо пропустить к балке большую тепловую энергию, чем для менее массивной.

Граничной температурой для стали принята температура 500 С. Для достижения этой температуры за одинаковое время на поверхности более массивной балки температура должна быть выше. При одинаковой температуре за пределами теплоизолирующего слоя, образующегося в результате нагревания огнезащитного материала, можно допустить менее эффективную теплозащиту для более массивных профилей и, следовательно, меньший слой огнезащитного материала.

Приведенная толщина металла рассчитывается по формуле:

d_пр = (F / П) х10 (1)

где:

d_пр - приведенная толщина металла, см:

F - площадь поперечного сечения стержня, см²;

П - обогреваемый периметр сечения стержня, см.

Деревянные конструкции обладают низким уровнем огнестойкости. Например, деревянные клееные балки прямоугольного сечения 31—72 x 12—21 см, применяемые в покрытиях производственных задний, имеют предел огнестойкости 30 мин. Деревянные клееные колонны прямоугольного сечения 19 x 30 см, нагруженные с эксцентриситетом 6 см, при нагрузке 274 кН имеют предел огнестойкости 45 мин [1].

При использовании деревянных конструкций в большинстве случаев должны приниматься меры по снижению горючести и пределов распространения огня.

Согласно пособию по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов [3], пределы огнестойкости конструкций из древесины определяются с учетом скорости ее обугливания. При этом учитывается, что огнезащитная обработка практически не уменьшает скорости обугливания древесины.

Повышение огнестойкости этих конструкций до требуемого уровня производится с помощью огнезащиты требуемой толщины.

Таким образом, проблема обеспечения огнестойкости СК особенно актуальна для металлических и деревянных конструкций, а также легких ограждений зданий и сооружений различного назначения.

В некоторых случаях, в частности для подземных сооружений, она становится важной и для железобетонных конструкций. В пособии [3] даны рекомендации по установлению размеров железобетонного элемента и толщины защитного слоя бетона в зависимости от его вида, класса арматуры, типа конструкции, формы поперечного сечения и других факторов для обеспечения требуемого предела огнестойкости.

В тех случаях, когда принятое в соответствии с рекомендациями расстояние до оси арматуры железобетонного элемента не обеспечивает требуемого предела огнестойкости или принятое конструктивное исполнение элемента не удовлетворяет ограничениям по массе, материалоемкости и стоимости, применяют огнезащиту.

Исследования показали, что в огнезащите нуждаются главным образом сборные многослойные, пустотные, ребристые, тонкослойные панели и плиты, конструкции с внешним армированием, конструкции из полимербетона [2]. Причем для конструкций из полимербетона помимо огнестойкости актуально снижение горючести материала.

В случае подземных сооружений, в которых бетон несущих конструкций может иметь повышенную влажность, увеличение толщины защитного слоя бетона как средство обеспечения требуемых пределов огнестойкости не эффективно из-за опасности его взрывообразного разрушения в условиях пожара. Повышение огнестойкости перечисленных конструкций до требуемого уровня осуществляется с помощью соответствующей огнезащиты.

Согласно действующим нормативам пожарной безопасности, например НПБ 236-97 [4], понятие «огнезащита» предполагает использование различных средств огнезащиты — огнезащитных составов или материалов.

За рубежом в случае использования средств огнезащиты иногда применяют термин «пассивная огнезащита». При этом под активной огнезащитой понимается использование систем пожарной сигнализации, автоматического пожаротушения (спринклерных и дренчерных установок) и др.

Защита объектов от огневого воздействия осуществляется следующими способами:

а) бетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом (конструктивный способ);

б) облицовка объекта огнезащиты штатными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

в) нанесение непосредственно на поверхность объекта огнезащитных покрытий (окраска, обмазка, напыление и др.);

г) пропитка подповерхностных слоев конструкций огнезащитным составом;

д) комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов.

Первый из них традиционно используется для строительных конструкций, к которым не предъявляется требование пониженной массы. Остальные способы могут применяться для всех перечисленных выше объектов.

Основными компонентами средств огнезащиты являются: а) термостойкие заполнители: — вермикулит вспученный и невспученный (сырье); - перлит вспученный и невспученный (сырье); — керамзит; — минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые и кварцевые волокна; б) неорганические вяжущие вещества (воздушные, гидравлические и кислотоупорные): — жидкое стекло натриевое; — природный двуводный гипс и природный ангидрит; — портландцемент; — глиноземистый цемент; — фосфатные вяжущие (растворы фосфатов и фосфорных кислот) в) органические (полимерные) связующие: — меламиноформальдегидная смола; — аминосмолы; — эпоксидные смолы в смеси с аминосмолами и др.; — латексы сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом, бутадиена со стиролом и др. г) специальные добавки, усиливающие огнезащитную способность композиции, повышающие технологичность огнезащитного состава, увеличивающие прочность, адгезию и долговечность огнезащиты.

В некоторых случаях применяется однокомпонентная огнезащита (без связующего) в виде засыпок в полости или минеральной ваты из волокон, скрепленных силами естественного сцепления.

Из перечисленных компонентов можно спроектировать много различных средств огнезащиты, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям.

Поведение материалов и конструкций в условиях пожара имеет следующие особенности. В условиях пожара дерево, а также композиционные полимерные материалы подвергаются термическому разложению с выделением парогазовой смеси сложного состава и образованием пористого кокса. Это приводит к потере их прочности и жесткости.

Для стали, характерно снижение жесткости и прочности с последующим переходом в пластичное состояние.

Бетон при нагреве уменьшает свою жесткость и прочность. Кроме того, происходит его дегидратация, сопровождающаяся переносом массы пара. Бетон повышенной влажности испытывает взрывообразное разрушение при огневом воздействии.

Конструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под действием напряжений от внешних нагрузок и температуры. Огнезащита, блокирующая тепловой поток от огня к поверхности конструкций, позволяет сохранить их работоспособность в течение заданного времени.

Вспучивающиеся покрытия на органических связующих увеличивают толщину вследствие образования пенококса, который постепенно выгорает и в конце огневого воздействия может механически отрываться от конструкции.

Для покрытий на минеральных вяжущих, содержащих в своем составе связанную воду, характерно выделение и перенос массы пара, что приводит к блокированию теплового потока в защищаемую конструкцию и замедляет рост ее температуры.

Для вспучивающихся покрытий на минеральных вяжущих характерно как увеличение толщины при нагреве, так и блокирование теплового потока в защищаемую конструкцию за счет выделения и переноса массы пара.

Для огнезащиты из термостойких волокнистых или пористых материалов характерно поглощение и низкая интенсивность переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением при сохранении исходной формы.

Композиционная огнезащита позволяет усилить физические эффекты блокирования теплового потока в защищаемую конструкцию, реализуемые при использовании простых способов огнезащиты.

Основные преимущества и недостатки способов огнезащиты, которыми реализуются эти средства:

1. Бетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом:

Преимущества - Относительно низкая стоимость материалов

Недостатки - Большая масса (дополнительная нагрузка на конструкции и фундамент). Необходимость применения стальной сетки и (или) анкеров. Большая трудоемкость работ. Сложность восстановления и ремонта.

2. Установка облицовок или экранов из плитных или листовых материалов:

Преимущества - Повышенная вибростойкость и долговечность за счет механического крепления к конструкциям. Возможность демонтажа и ремонтопригодность. Высокая производительность работ по установке огнезащиты. Хорошие защитно- декоративные качества.

Недостатки - Большие толщины огнезащитных материалов (в случае волокнистых материалов). Высокий уровень паропроницаемости. Перерасход материала при низком уровне требуемых пределов огнестойкости защищаемых конструкций.

3. Нанесение методами набрызга или полусухого торкретирования составов на минеральном вяжущем:

Преимущества - Относительно низкая трудоемкость. Возможность эксплуатации в атмосферных условиях (для составов на основе портландцемента)

Недостатки - Низкая вибростойкость и долговечность покрытия при больших толщинах слоев. Большая продолжительность нанесения и невозможность параллельного проведения других работ. Сложность восстановления и ремонта. Трудность обеспечения и контроля заданных толщин покрытия.

4. Нанесение напылением вспучивающихся покрытий(красок):

Преимущества - Относительно низкая трудоемкость. Малая толщина покрытия. Хорошие декоративные свойства.

Недостатки - Низкий уровень достигаемых пределов огнестойкости (до 45-60 мин).

4. Листовые, плитные и рулонные облицовки или экраны:

Преимущества - можно применять для облицовки конструкций вновь возводимых зданий после введения его в эксплуатацию, а при реконструкции их проведение огнезащитных работ возможно без прекращения эксплуатации. Кроме того, возможен демонтаж огнезащиты этого типа при выполнении работ по усилению несущих конструкций и нанесении антикоррозионных покрытий на металлические конструкции. Внутренние полости между облицовкой и защищаемой конструкцией можно использовать для монтажа коммуникаций. Применение данного способа огнезащиты позволяет избежать мокрых процессов при производстве работ и вести монтаж не только при положительной, но и при отрицательной температуре воздуха.

К числу наиболее дешевых и достаточно широко выпускаемых промышленностью средств огнезащиты данного типа относятся гипсокартонные (ГКЛ) и гипсоволокнистые (ГВЛ) листы. Они состоят из слоя гипса плотностью 800-1150 кг/м3, покрытого с обеих сторон картоном толщиной 0,5-0,7 мм. ГВЛ армированы целлюлозным волокном. Их целесообразно применять в тех случаях, когда существуют повышенные требования к внешнему виду несущих конструкций. Огнезащита из ГКЛ может выполняться в один и более слоев в зависимости от величины требуемого предела огнестойкости стальных конструкций.

Для наружных облицовок рекомендуется использовать листы толщиной не менее 14 мм.

Однако, для конструктивной огнезащиты с использованием ГКЛ, надо иметь в виду, что основной проблемой такого метода огнезащиты является надёжная изоляция от воздействия огня элементов крепления ГКЛ (шурупов) и стыков между отдельными листами, являющимися наиболее уязвимым местом в этом методе.

К числу наиболее эффективных средств огнезащиты следует отнести плиты на основе вспученного вермикулита, наиболее термостойкого из легких заполнителей, и минеральных вяжущих. Причем, вермикулитовые плиты на цементе можно использовать для наружных огнезащитных облицовок.

Составы на минеральных вяжущих:

В 1978 г. в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко было разработано первое в СССР огнезащитное покрытие для металлоконструкций ОФП-ММ, повышающее предел огнестойкости до 2 ч.

Оно представляет собой композицию на основе жидкого стекла с длинноволокнистым асбестом в качестве наполнителя.

В последующие годы были созданы многочисленные модификации жидкостекольных огнезащитных составов: ОФП-10, ОПВ-180, ОФП-МВ, ОФПМ-12, ОЗС-МВ, ЭСМА, ОЗС-ТТ и др. Некоторые из них (ОФП-МВ, ОФПМ-12, ОЗС-МВ, ОЗС-ТТ) применяются до настоящего времени.

Такие составы образовали самую многочисленную группу из всех существующих видов огнезащиты.

Однако наряду с известными преимуществами (низкая стоимость, доступность и др.) жидкостекольные композиции имеют ряд существенных недостатков. В их числе:

— разрушающее воздействие на глифталевые грунты из-за высокой щелочности жидкого стекла;

— чувствительность к повышенной относительной влажности воздуха, исключающей эксплуатацию покрытий вне помещений;

— появление высолов на поверхности за счет кристаллизации жидкого стекла, ухудшающее внешний вид покрытий и снижающее со временем их огнезащитную эффективность.

Из материалов данной группы значительное внимание уделялось созданию составов на цементной и полимер-цементной основе, лишенных перечисленных выше недостатков.

В России из их числа представлены импортные материалы, такие как - DOSSOLAN HOECO I/II, ZIGNULAN-3000, DAVISPREY, FIBROGAIN, ARMOTHERM и др.

Имеется ряд отечественных рецептур, так называемых огнезащитных штукатурок, из которых в настоящее время известны СОТЕРМ-1, СОШ-1, ОП 2100 и др. Они представляют собой сухие смеси на основе вспученного вермикулита, перлита, цементного вяжущего и волокнистых

наполнителей, которые затворяются водой на месте производства работ и наносятся методом мокрого набрызга.

Вспучивающиеся огнезащитные покрытия (краски, мастики) занимают особое место среди применяемых в настоящее время средств огнезащиты СК.

Достаточно высокая огнезащитная эффективность таких покрытий в сочетании с широкими возможностями использования механизированных методов нанесения составов на поверхность конструкций обусловливает повышенный интерес к ним.

Они наносятся тонким слоем на поверхность конструкций и выполняют в процессе эксплуатации функции лакокрасочного декоративно-отделочного материала. При действии высокой температуры покрытие вспучивается, многократно увеличиваясь в объеме с образованием пористого слоя, обладающего хорошими теплоизоляционными свойствами. Вспучивающиеся покрытия являются многокомпонентными системами, состоящими из связующего, антипирена и пенообразователей — вспучивающих добавок. В качестве связующих в основном используют полимеры, проявляющие склонность к реакциям циклизации, конденсации, сшивания и образования нелетучих карбонизированных продуктов: аминоальдегидных полимеров, латексов на основе сополимеров винилиденхлорида с винилхлоридом, галоидированных синтетических и натуральных каучуков, эпоксидных полимеров, полиуретанов и др.

Кроме того, применяют комбинированные связующие, состоящие из полимера и минерального вяжущего (жидкое стекло).

В настоящее время на рынке присутствует большое количество отечественных и зарубежных средств огнезащиты. Разработано большое количество вспучивающихся огнезащитных красок на водной основе или растворителях, предназначенных для использования внутри помещений.

Наиболее эффективные из них характеризуются приблизительно пятидесятикратным вспучиванием и обеспечивают повышение предела огнестойкости металлоконструкций до 45—60 мин.

В России хорошо известны импортные материалы этой группы: Nullifire S-607, Uniterm ASR, Pyroplast ST, Hensotherm и др.

Создан ряд отечественных покрытий такого вида, не уступающих по качеству импортным материалам: ( ВД-АК-502ОВ NEO, ОГРАКС, ОЗК-45, и др.).

Разработаны также отечественные вспучивающиеся покрытия на основе хлорсульфированного полиэтилена и терморасширяющегося графита (ОГРАКС-М, МПВО, СГК-1).

Они отличаются высокой влаго- и атмосферостойкостью, прочностью сцепления с защищаемыми конструкциями и долговечностью.

Имея меньшую кратность вспучивания и менее стойкий вспученный слой, чем у перечисленных выше покрытий, они могут повышать предел огнестойкости металлоконструкций до 30 мин.

Вспучивающиеся покрытия на минеральных вяжущих разработаны на основе жидкого стекла (ОСП-1, Файрэкс-400, Антигор, ОЗС-МВ, ОЗС-ТТ). Им присущи преимущества и недостатки материалов приведенных выше групп.

Проведенные исследования показали, что получить оптимальные решения по огнезащите во многих случаях удается при использовании композиционной (комбинированной) огнезащиты.

В качестве примера рациональных вариантов композиционной огнезащиты можно предложить следующие конструкции:

а) сочетание термостойких волокнистых или пористых плит с покрытиями на минеральных вяжущих, выделяющих при нагреве водяной пар;

б) сочетание термостойких волокнистых или пористых материалов пониженной плотности со вспучивающимся покрытием;

в) сочетание волокнистых теплоизоляционных материалов с гипсокартонными листами;

г) сочетание волокнистых теплоизоляционных материалов с плитами вермикулитовыми на основе минеральных вяжущих.

Выбор конкретного вида огнезащиты и определение ее толщины должен осуществляться в соответствии с проектом.

Это предусмотрено НПБ 236—97. Такой выбор должен проводиться на основе технико-экономического анализа с учетом: величин заданного предела огнестойкости для конструкций - их типа, геометрических размеров защищаемых конструкций и состояния поверхности; вида и величины нагрузки на конструкции; температурно-влажностных условий эксплуатации и производства строительно-монтажных работ; степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции; увеличения нагрузки на конструкцию за счет массы огнезащиты; трудоемкости нанесения (монтажа) огнезащиты; эстетических требований; долговечности; технико-экономических показателей.

Параметры оптимальной огнезащиты определяются для каждой конкретной конструкции путем математического моделирования.