Методическое пособие 679

ных блоков [10], которые приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Взаимосвязь основных структурных блоков огнезащиты и системы контроля [10]

Основные блоки огнезащиты – это средства огнезащиты, а именно огнезащитный состав или материал, обладающий огнезащитной эффективностью и предназначенный для огнезащиты различных объектов [26], технологии огнезащитной обработки и объект огнезащиты с огнезащитной обработкой (рис. 1.1).

Из схемы, приведенной на рис. 1.1, видно, что основной целью огнезащиты является объект с огнезащитной обработкой, пожарная безопасность которого должна соответствовать требуемому уровню защиты.

Различают следующие способы огнезащиты [10]:

1)конструктивный способ огнезащиты – облицовка объекта огнезащиты материалами или аналогичные конструктивные решения по его огнезащите

[26].К данному способу относятся – покрытие объекта легкими эффективными штукатурками на основе термостойких минеральных материалов, облицовка строительных конструкций теплоизоляционными материалами, устройство теплоотражающих экранов, увеличение поперечного сечения конструкций и т.д.;

2)комбинированный способ огнезащиты – сочетание различных способов огнезащитной обработки, которая выполняется с применением специальных огнезащитных средств путем нанесения их на поверхности конструкций [26]. К данному способу относятся пропитки, а также различные вспучивающиеся краски, лаки и эмали.

Основными инструментами для достижения поставленной цели (рис. 1.1) являются применение качественных средств огнезащиты и полное соблюдение необходимого уровня технологии огнезащитной обработки, которые обеспечиваются контролем со стороны отдела государственного пожарного надзора Главного управления МЧС России (ОГПН ГУ ГПС МЧС России) при сертификации средств огнезащиты с лицензированием деятельности в области огнезащиты.

11

Как отмечалось ранее, железобетонные конструкции могут разрушаться не только вследствие прогрева сечений до критических температур и снижения прочности и устойчивости [27], но и вследствие взрывообразного разрушения бетона, приводящего к преждевременному наступлению предела огнестойкости строительной конструкции вследствие уменьшения размера бетонного сечения конструкции, уменьшения толщины или полной ликвидации защитного слоя рабочей арматуры [28]. Явление взрывообразного разрушения бетона встречается при интенсивном прогреве влажных конструкций, например, в подземных зданиях и сооружениях бетон может иметь повышенную влажность в условиях пожара, испытаний на огнестойкость и в других случаях. [4]. При этом взрывообразное разрушение бетона начинается, как правило, через 5 – 20 мин от начала огневого воздействия и проявляется с сильными звуковыми эффектами (хлопки, треск). Наблюдается откол от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона в виде пластин площадью примерно от 1 см2 до 0,5 – 1 м2 и толщиной от 1 мм до 5 см на расстояние до 10 – 15 м. Отколы распространяются на глубину от 5 до 10 см от нагреваемой поверхности бетона. Разрушение продолжается в течение всего огневого воздействия, в результате чего происходит уменьшение рабочего сечения конструкции, разрушение защитного слоя бетона, оголение рабочей арматуры конструкции, возникновение сквозных трещин

иотверстий, резкое снижение предела огнестойкости всей конструкции, повышение риска обрушения объекта в целом [28].

Взрывообразное разрушение бетона в условиях пожара представляет собой значительную опасность для строительных конструкций и зданий в целом,

идля обеспечения стойкости конструкций к этому явлению требуется разработка специальных мер [4, 29, 30].

Вероятность взрывообразного разрушения возрастает с увеличением влажности [11]. Описание данного явления подробное приведено в работах [31 – 33]. При пожаре взрывообразное разрушение бетона наиболее опасно для несущих конструкций, особенно для конструкций с небольшим поперечным сечением, например несущих колонн, панелей нижних этажей подземных сооружений, которые воспринимают большие нагрузки. Их преждевременное разрушение может вызвать обрушение других конструкций, а как следствие и здания (сооружения) в целом [11].

Возможность взрывообразного «хрупкого» разрушения бетона при пожаре оценивается по величине критерия хрупкого разрушения (F) [28], который рассчитывается исходя из физических параметров бетона: температурной деформации, модуля упругости, плотности, пористости, теплопроводности, эксплуатационной влажности и определяется по формуле:

где ασt – коэффициент линейной температурной деформации бетона, 1/град;

12

Eσt – модуль упругости нагретого бетона, Мн/м2; ρ – плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3; а – коэффициент пропорциональности, равный 1,16 10-2 Вт·м5/2/кг; К΄1 – коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала, Мн·м-3/2; П – общая пористость, м3/м3; λ – коэффициент теплопроводности бетона, Вт/(м·0С); Wэо – объемная эксплуатационная влажность бетона, м3/м3.

По значению величины F устанавливается возможность взрывообразного разрушения бетона при пожаре [28]:

-при F ≤ 4 бетон не разрушается; никаких дополнительных проверок или мероприятий по защите конструкций из него не требуется;

-при 4 < F < 6 бетон может разрушаться в конструкциях, имеющих напряжения сжатия от длительной нормативной нагрузки в крайнем сжатом волокне бетона или в элементах толщиной менее 4 см; необходима дальнейшая проверка возможности разрушения бетона в конструкции;

-при F ≥ 6 бетон будет разрушаться; необходимо применение специальных мероприятий.

Мероприятия по защите бетонных и железобетонных конструкций от взрывообразного разрушения при пожаре подразделяют на 3 группы [28]:

I – ликвидирующие хрупкое разрушение бетона при пожаре; II – снижающие вероятность хрупкого разрушения;

III – профилактические.

К I группе мероприятий относятся:

1) противопожарные мероприятия в виде водяных завес, спринклерных и других устройств, обеспечивающих защиту бетонных и железобетонных конструкций от воздействия огня;

2) снижение влажности в помещении до величины, при которой в случае пожара хрупкого разрушения бетона не произойдет;

3) установка в поверхностном нагреваемом слое конструкции проволоч-

ной сетки с ячейками размером от 3 до 15 мм и диаметром проволоки от 0,7 до1 мм;

4)нанесение теплоизоляционной штукатурки толщиной от 1 до 2 см из легкого бетона по поверхности конструкции;

5)применение жаростойких бетонов с шамотным заполнителем;

6)дисперсное армирование бетона у нагреваемой поверхности конструкции на глубину от 1 до 2 см асбестом, стекловолокном или металлическим волокном (5 – 7 % от массы вяжущего).

К II группе мероприятий относятся:

1)установка в балках или плитах (в защитном слое) арматурной сетки с ячейками 10 × 10 см из арматуры диаметром 3 мм на расстоянии от нагреваемой поверхности не более 0,5 – 1 см;

2)применение в поверхностном нагреваемом слое бетона полимерной добавки в количестве от 5 до 10 % массы вяжущего;

13

3)применение крупных заполнителей с низкими коэффициентами линейного температурного расширения (известняка, базальта, диабаза, доменного шлака вместо гранита);

4)замена части (не менее 1/3) или полностью природного песка песком из известняка, базальта, диабаза, сиенита или диорита;

5)использование составов бетонов с ограниченным расходом вяжущего (портландцемента не более 400 кг на 1 м3 бетонной смеси) и повышенными значениями В/Ц - отношения (не менее 0,5);

6)использование бетонов с легкими заполнителями;

7)поризация цементного камня;

8)применение шлакопортландцемента;

9)использование тонкомолотых добавок из доменных и литых шлаков. Эти мероприятия применяются для бетонов с F больше 4, но при этом

требуется выборочная проверка посредством огневых испытаний для выявления соответствия предела огнестойкости конструкции требованиям стандартов.

К III группе мероприятий относятся:

1)применение в железобетонных конструкциях арматуры той же площади, но из стержней меньшего диаметра;

2)применение поперечных сечений конструкций без выступающих углов, например, колонн круглого поперечного сечения или со срезанными углами вместо колонн прямоугольного или квадратного поперечного сечения.

Таким образом, согласно пунктам 4, 6 первой группы рассмотренных выше рекомендаций, предусмотренные нами мероприятия по созданию защитного слоя из бетона повышенной термостойкости, исключают возможность его взрывообразного разрушения, что было подтверждено результатами экспериментальных исследований, приведенных в главе 3.

Огнезащита является одним из основных мероприятий, направленных на обеспечение пожарной безопасности и огнестойкости зданий и сооружений, снижение пожарной опасности конструкций, числа жертв и материального ущерба. Применение того или иного способа огнезащиты определяется особенностями различных видов конструкций, областями их использования, значениями требуемых пределов огнестойкости и пределов распространения огня и др. Известно, что стоимость огнезащиты, обеспечивающей предел огнестойкости стальных конструкции равный 45 мин, составляет около 15 % стоимости конструкций, а предел огнестойкости равный 120 мин – около 30 % их стоимости [34, 35]. В связи с этим еще одной важнейшей задачей становится создание эффективных средств огнезащиты, позволяющих существенно снизить стоимость огнезащитной обработки конструкций.

Анализ литературных данных [17, 36 – 39] показал, что объектами в общем строительстве, требующими применения огнезащиты, являются главным образом тонкостенные несущие железобетонные конструкции, а также сборные многослойные, пустотные, ребристые, тонкослойные панели и плиты, конструкции с внешним армированием [35]. По данным [17] предел огнестойкости

14

Исследования [36] показали, что увеличение размеров поперечного сечения элемента или толщины защитного слоя бетона арматуры приводит к незначительному увеличению огнестойкости конструкций. Кроме того, такому способу повышения огнестойкости характерно увеличение массы строительных конструкций, удорожание строительства, возникновение сложностей при проектировании супервысотных зданий и снижения преимущества тонкостенных конструкций, а в ряде случаев данный способ и вовсе является неэффективным и неприемлемым.

Способ повышения огнестойкости конструкции, при котором применяется рабочая арматура с более высокой критической температурой прогрева при пожаре, в настоящее время признан неэкономичным [44].

Огнестойкость строительных конструкций можно повысить за счет применения подвесных потолков [45], которые являются конструктивно-функцио- нальными элементами и применяются главным образом для конструкций покрытий и перекрытий со стальными балками, прогонами, структурами и фермами. Их применяют в виде облицовки из плитных, листовых, штучных изделий.

Облицовочные плитные элементы применяются со средней плотностью от 300 до 1500 кг/м3 на основе пористых искусственных заполнителей (вспученный вермикулит, перлит, керамзит), минеральной ваты, асбеста, стекловолокна, базальтового волокна и других видов наполнителей, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами [37, 46].

В Великобритании для огнезащиты строительных конструкций зданий фирма Fireguard Ply, Ltd выпускает плиты Vicuclad, изготовляемые на основе вермикулита и силикатного вяжущего. Предел огнестойкости защищенных ими конструкций составляет до 4 ч при толщине плит более 45 мм [47].

Эффективность применения подвесных потолков определяется тем, что они выполняют одновременно декоративные и акустические несколько функции, а также служат для установки воздухораспределителей, встроенных светильников и т.п. Подвесные потолки изготовляют с закрытыми и открытыми каркасами. Типовой проект подвесных потолков состоит из металлического каркаса, облицовки и крепежных элементов. Толщина экранов подвесных потолков может составлять от 40 до 100 мм, а максимальное расстояние от экранов до плоскости защищаемой поверхности конструкций от 80 до 350 мм. Подвесные потолки облицовывают защитными экранами, в качестве которых используются гипсокартонные листы, утяжеленные и облегченные перфорированные плиты с заполнением минеральной ватой и наклейкой алюминиевой фольги, минераловатные плиты плотностью 350 – 450 кг/м3 и др. [11, 35, 48].

Облицовка плитами, листами может значительно повысить стоимость конструкции и трудозатраты, что подтверждается исследованиями огнестойкости армоцементных конструкций различными теплоизоляционными материалами [17, 49]. Огнезащита железобетонных конструкций подвесными потолками нецелесообразна, так как связана с высокой трудоемкостью и стоимостью.

16

Одним из способов повышения и более полного использования огнестойкости железобетонных конструкций является защита от взрывообразного разрушения бетона при пожаре [28].

Одни мероприятия по защите от взрывообразного разрушения бетона позволяют лишь более рационально использовать огнестойкость конструкций, а другие – существенно ее повысить, например, оштукатуривание огнезащитными штукатурками посредством напыления позволяет добиться предела огнестойкости конструкции в диапазоне от 0,75 до 2,5 ч. Огнезащитные напыляемые минеральные материалы с неорганическим вяжущим, обладая высокой адгезионной способностью к поверхностям, чаще всего применяют в виде це- ментно-перлитовых, цементно-вермикулитовых, гипсо-перлитовых и гипсовермикулитовых составов. Толщина получаемого покрытия составляет от 10 до 60 мм, плотность от 240 до 400 кг/м3 в зависимости от требуемой огнестойкости защищаемой конструкции [11, 48]. Различные штукатурки на пористых заполнителях с перлитом и вермикулитом плотностью от 400 до 1000 кг/м3 обладают хорошими огнезащитными свойствами. В состав таких штукатурок могут входить вяжущие, пористые заполнители, волокнистые материалы, пластификаторы и др. [11, 35, 48]. Их эффективность повышается с уменьшением плотности, а нанесение осуществляется двумя методами: полусухим торкретированием практически любой толщины или набрызгом, при толщине одного слоя не более 15 мм [50].

Вспучивающиеся огнезащитные покрытия применяются для максимального снижения массы средства огнезащиты [51]. Механизм работы вспучивающихся покрытий [48] заключается в образовании на защищаемой поверхности слоя толщиной до 2 мм, который при одностороннем нагреве при температуре от 170 до 200 ° С многократно увеличивается в объеме (в 10 – 40 раз), образуя пористый угольный слой за счет выделяющихся при нагревании газообразных веществ. Благодаря низкой теплопроводности пористый слой предотвращает быстрый нагрев защищаемых элементов.

Вспучивающиеся покрытия представляют собой сложные композиции, состоящие из связующего, вспучивающих добавок, углеродосодержащих наполнителей – добавок стабилизаторов, пигментов и др.

Во ВНИИПО было впервые создано вспучивающееся покрытие ВПМ-2 в виде густой пасты, повышающее предел огнестойкости до 45 мин [52]. В настоящее время это покрытие устарело и не применяется.

Разработаны вспучивающиеся огнезащитные краски на водной основе или растворителях для использования внутри помещений. Наиболее эффективные из них обеспечивают повышение предела огнестойкости металлоконструкций до 45 – 60 мин, приблизительно характеризуясь при этом пятидесятикратным вспучиванием. К составам этой группы, известным в России, относятся S- 607, Протерм Стил, Uniterm-38091, FIERFLEX, PYRO-SAFE FLAMMOPLAST SP-A2 и др. Отечественными покрытиями такого типа являются ОГРАКС-В,

ОГРАКС-В-СК, ОЗК-45 и др. [35, 48, 53].

17

Известны вспучивающиеся покрытия на основе хлорсульфированного полиэтилена и терморасширяющегося графита (ОГРАКС-М, МПВО, СГК-1), отличающиеся высокой влаго- и атмосферостойкостью, прочностью сцепления с защищаемыми конструкциями и долговечностью и повышающие предел огнестойкости металлоконструкций до 30 мин [53]. Разработаны вспучивающееся огнезащитное покрытие «Экран - М» [54], содержащее в качестве связующего жидкое стекло и мочевиноформальдегидную смолу, а также вспучивающиеся покрытия на минеральных вяжущих на основе жидкого стекла (Антигор, ОСП- 1, ОЭС-МВ, ТОЗ-В1, Файрекс-400) [48]. Внедрены вспучивающиеся огнезащитные покрытия на основе вермикулита для огнезащиты строительных металлических конструкций [55]. На основе композиции «вспученный вермикулит – гидравлическое вяжущее» разработано покрытие «Вермивол» (ТУ 5767- 005-21628872-00), НППП «Техсервисвермикулит» [56].

Для обеспечения высоких пределов огнестойкости (более 30 мин) предпочтительными являются вспучивающиеся краски и покрытия на неорганической основе. Применение таких вспучивающихся покрытий обеспечивает повышение предела огнестойкости стальных конструкций до 0,75 – 1,0 ч [11, 48].

Таким образом, защита железобетонных конструкций от огневого воздействия вспучивающимися огнезащитными покрытиями на основе полимерных и минеральных вяжущих, которые получили широкое применение для огнезащиты металлических конструкций, не представляется эффективной из-за высокой стоимости и трудоемкости нанесения, недостаточной долговечности, а также из-за пористости и влажности бетона. Кроме того, вспучивающиеся покрытия не могут обеспечить повышенный предел огнестойкости железобетонных конструкций.

Наиболее эффективной мерой, повышающей огнестойкость железобетонных конструкций, является устройство или нанесение покрытий на основе теплоизоляционных материалов повышенной термостойкости. Основными компонентами таких покрытий [53] являются:

а) термостойкие заполнители:

-вермикулит вспученный и невспученный (сырье);

-перлит вспученный и невспученный (сырье);

-керамзит;

-минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые

икварцевые волокна;

б) неорганические минеральные 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);

18

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 к защищаемой поверхности и долговечность огнезащиты.

Из перечисленных компонентов можно спроектировать различные средства огнезащиты, удовлетворяющие предъявляемым к ним требованиям. В 1978г. в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко было разработано первое отечественное огнезащитное покрытие ОФП-ММ со средней плотностью не более 300 кг/м3 на основе жидкого стекла с длинноволокнистым асбестом в качестве наполнителя, которое обеспечивало предел огнестойкости металлоконструкций внутри помещения от 0,3 до 3 ч при толщине огнезащитного слоя от 10 до 50 мм [49, 53].

Позже были созданы многочисленные модификации жидкостекольных огнезащитных составов: ОФП-10, ОПВ-180, ОФП-МВ, ОФПМ-12, Пенокс, ЭСМА и др. Обладая известными преимуществами (низкой стоимостью, доступностью и др.), жидкостекольные композиции имеют ряд существенных недостатков:

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

-чувствительность к повышенной относительной влажности воздуха, исключающая эксплуатацию покрытий вне помещений;

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

Составы на основе жидкого стекла за рубежом в качестве огнезащиты не используются [53]. Находят применение в строительстве огнезащитные штукатурки на основе вермикулита и перлита плотностью от 400 до1000 кг/м3. Эффективность штукатурных составов повышается с уменьшением их плотности.

Всостав штукатурок этого вида входят вяжущие, пористые заполнители, волокнистые материалы, пластификаторы и др.

К.Д. Некрасовым, М.Г. Масленниковой в НИИЖБе проводились работы по исследованию жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле с использованием в составах в качестве заполнителей керамзита, вермикулита, перлита [57 – 59]. Получением жаростойких бетонов на портландцементе с высокими физико-механическими свойствами занимались и многие другие исследователи [60 – 66]. Результаты этих исследований были использованы для создания бетонов повышенной термостойкости. При

19

изучении свойств различных составов жаростойких бетонов на основе портландцемента с различными заполнителями, быстротвердеющего портландцемента или шлакопортландцемента [27, 28, 58, 67] было установлено следующее. С маркой по прочности М 25 – М 500 бетоны имели плотность готовых изделий от 950 до 2000 кг/м3 [27, 58, 68]. В работе [69] показана эффективность применения в таких бетонах перлита, портландцемента, жидкого стекла.

Исследован и разработан бетон на основе доменных шлаков [63]. На возможность использования доменных гранулированных шлаков в бетонах указывают работы многих авторов [61, 67, 70 – 77]. Доменный гранулированный шлак характеризуется способностью к пластическим деформациям, которая начинает проявляться при температуре около 700 0С и исчезает примерно при 860 0С, при этом это свойство необратимо [78].

Результаты исследований по жаростойким и теплоизоляционным бетонам легли в основу разработки огнезащитных покрытий для строительных конструкций на основе вермикулита, перлита, асбеста и других материалов [79 – 82].

Проводились исследования огнезащитной эффективности асбестовермикулитовых покрытий на жидком стекле и портландцементе. Под воздействием высокой температуры асбесто-вермикулитовое покрытие толщиной 63 мм со средней плотностью 660 кг/м3 на портландцементе марки 500 с добавлением 10 % от массы цемента жидкого калиевого стекла обеспечивает предел огнестойкости металлических колонн до 3,5 ч, оставаясь при этом практически неповрежденным [83].

Еще одно направление – огнезащитные покрытия на основе вспученного вермикулита и перлита. На основе вспученного вермикулита и перлита разработаны огнезащитные штукатурки с добавкой волокнистых материалов (асбеста хризолитового, минеральной ваты) [84]. Минеральную вату вводят в виде гранул размером от 6 до 8 мм с насыпной плотностью не более 150 кг/м3.

Разработаны в НИИМосстрое огнезащитые покрытия на быстротвердеющем портладцементе марки БТЦ М500, перлитовом песке, вермикулите, асбесте хризотиловом и жидком стекле со средней плотностью от 650 до 700 кг/м3, прочностью на изгиб 1,0 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,14

Вт/(м·0С) [84].

Были проведены исследования по изучению огнезащитных свойств вермикулитовых растворов на пуццолановом портландцементе и жидком стекле с добавкой асбеста и пенообразователя, и экспериментально доказана высокая огнезащитная эффективность этих растворов [79, 85].

За рубежом разработаны огнезащитные составы на портландцементе, жидком стекле, гипсе, глиноземистом цементе с различными добавками, где в качестве пористых заполнителей используется вспученный вермикулит и пер-

лит [86].

20