Реферат: Сравнительный анализ материалов для конструктивной огнезащиты объектов высотного строительства. Рубинов М. М

Сравнительный анализ материалов для конструктивной огнезащиты объектов высотного строительства.


Рубинов М.М., генеральный директор,

В.П.Филимонов, к.т.н., заместитель генерального директора.

Производственно-технологическая компания «КРОЗ», г. Москва.


При проектировании зданий и сооружений требуемая огнестойкость строительных конструкций достигается за счет выбора соответствующих материалов, конструктивных решений и применением огнезащиты. Практика показывает, что применение огнезащиты является наиболее экономичным способом достижения требуемой огнестойкости, причем применение тех или иных технологических решений и материалов для огнезащиты определяется типами материалов, из которых выполнены те или иные строительные конструкции.

Традиционно основными материалами в высотном строительстве являются металлические, бетонные и железобетонные конструкции.

Бетонные и железобетонные конструкции, благодаря сравнительно небольшой теплопроводности бетона, достаточно хорошо сопротивляются воздействию пожара, однако ввиду того, что современные конструкции, как правило, выполняются тонкостенными и пустотными без монолитной связи с другими элементами здания, их способность выполнять свои функции ограничена одним часом, а иногда и менее того.

Для того чтобы определить предпочтительные материалы и технологии огнезащиты бетона и железобетона рассмотрим более подробно теплофизические свойства бетонов.

Для нас практически важными являются такие параметры, как плотность, паро- и водопроницаемость, удельная теплоемкость и теплопроводность бетона, а также зависимости изменения этих параметров от температуры. Паро- и водопроницаемость бетона существенным образом зависит от марки бетона и тем ниже, чем выше марка бетона. Так как бетон всегда содержит некоторое количество ассоциированной и связанной воды, то при нагреве бетона начинается диффузия воды и водяных паров через поры. При этом если паропроницаемость бетона оказывается недостаточно высокой, то в бетоне с ростом температуры возникают значительные внутренние напряжения, способные привести к взрывному разрушению бетона. Действительно, если рассмотреть диаграмму состояния воды и водяного пара, то можно увидеть, что при нагреве бетона до критической температуры воды 374,15оС давление воды и водяного пара в замкнутых порах бетона может повыситься до 21,8 МПа. С учетом того, что прочность бетона на сжатие падает на 20-30% с ростом температуры до 250-350оС и далее происходит практически линейное падение прочности бетона до 20% от начальной при температуре 800оС, то даже высокопрочные марки бетона подвержены взрывному разрушению.[4]

Какие же огнезащитные материалы могут быть наиболее эффективными для огнезащиты бетона? Отметим такую важную особенность бетона, что его удельная теплоемкость очень сильно зависит от влажности и при температурах ниже 100оС составляет величины: 840; 1875; 2750 и 5600 Дж/кг*К соответственно при влажностях 0%; 2%; 4% и 10%. Однако при высокой теплоемкости бетон имеет относительно невысокую теплопроводность. Теплопроводность тяжелого бетона , составляющая величину около 2 Вт/м*К при температуре 20оС падает до 0,8 Вт/м*К при температуре 1000оС. Бетон имеет высокую теплоемкость и для равномерного прогрева массивных бетонных конструкций до критической температуры потребовался бы подвод очень большого количества тепла, однако ввиду того, что бетон имеет низкую теплопроводность, прогрев защитного слоя происходит достаточно быстро, притом, что внутренние слои бетона могут оставаться холодными. Следовательно, для огнезащиты бетона целесообразно применение материалов с низкой теплопроводностью и высокой паро- и газопроницаемостью, для того, чтобы обеспечить медленный прогрев конструкций при котором диффузия паров воды, а также продуктов термической деструкции материала не вызывала значительных внутренних напряжений.

Для расширения пределов огнестойкости бетона и железобетона могут быть использованы огнезащитные плиты на основе минеральных волокон, керамзита, вермикулита и перлита, обмазки, штукатурки и вспучивающиеся краски.

Металлические конструкции, то есть конструкции из стали, чугуна и алюминиевых сплавов значительно легче и удобнее в монтаже, чем равные им по несущей способности железобетонные конструкции, однако ввиду высокой теплопроводности металла и относительно невысокой критической температуре они имеют предел огнестойкости не более 15 минут. [2]

Металл при прогреве ведет себя совершенно иначе, чем бетон. Действительно, теплопроводность стали в 30-40 раз выше, чем у бетона, а массивность конструкций примерно во столько же раз ниже. Стальная конструкция, имеющая теплоизолирующее покрытие во время пожара прогревается практически как единое целое. Оказалось, что скорость прогрева металлоконструкций с изолирующим покрытием зависит не только от приведенной толщины металла, то есть теплоемкости металла, но в еще большей степени от теплоотражающих свойств изолирующего материала (степени черноты) и его объемной теплоемкости , но мало зависит или не зависит совсем от его теплопроводности. Эти результаты позволяют по-новому подойти к вопросу огнезащиты металлоконструкций и в перспективе можно ожидать появления тонкослойных и прочных обмазок и штукатурок с лучшими эстетическими свойствами.

Технологии огнезащиты по способу применения условно можно разделить на сухие и мокрые. Каждая из технологий имеет свои достоинства и недостатки. Материалы для сухой технологии нанесения могут иметь аналоги среди материалов для мокрого нанесения. Например, перлитовые плиты, вермикулитовые плиты и перлито-цементные и вермикулито-цементные штукатурки, минераловатные плиты и штукатурки на основе минеральной ваты, с точки зрения их защитных свойств являются аналогами. К достоинствам сухих технологий огнезащиты можно отнести возможность выполнения работ в любое время года, а также в условиях, когда по каким либо технологическим или иным причинам применение мокрых технологий является недопустимым. Вместе с тем сухие технологии являются более трудоемкими, а выполнение огнезащиты на конструкциях сложной пространственной формы, например, балках и фермах является трудно решаемой технологической задачей.

Обкладка кирпичом, бетонирование и оштукатуривание широко используются для огнезащиты в строительстве. Вместе с тем следует отметить, что эти конструктивные способы огнезащиты являются мокрыми и могут выполняться, как правило, в теплое время года. Обкладка кирпичом является трудоемким и медленным процессом и может быть рекомендована только при выполнении малых объемов огнезащитных работ.

Высокотехнологичным и широко применяемым производственным процессом является оштукатуривание защищаемых конструкций методом торкретирования. Торкретирование позволяет создавать огнезащитные покрытия, точно повторяющие форму защищаемой строительной конструкции. В Европе для мокрого торкретирования хорошо зарекомендовали штукатурные машины непрерывного действия производства фирм: M-Tec (M3, Duo-Mix), Германия; PFT, (модели G4, G4, G5), Германия; Putzmeister (модели M25, M35), Германия. Следует отметить, что в нашей стране более широкое распространение имеют агрегаты циклического действия типа СО-150, СО-154, СО-159 и им аналогичные. Их также можно применять для нанесения огнезащитных штукатурок.

Опыт показывает, что качество выполнения работы по нанесению огнезащитных штукатурок агрегатами циклического действия, как правило, оказывается выше, чем при использовании агрегатов непрерывного действия ввиду того, что затворение и вымешивание раствора происходит в растворосмесителе более длительное время, как правило, не менее 10 минут и за это время все активные добавки, влияющие на реологию раствора успевают раствориться и равномерно распределится по раствору. В машинах непрерывного действия полимерные добавки не успевают раствориться в процессе затворения, так как смесь в камере затворения находится всего несколько секунд. Наиболее неприятным следствием этого является схватывание раствора в растворных рукавах при перерывах в работе более 5-15 минут. При работе с агрегатами циклического действия перерывы в работе могут достигать 1-2 и более часов. Еще одним достоинством агрегатов циклического действия является удобство применения, связанное с их значительно меньшим весом. Агрегаты непрерывного действия весят 220-250 кг, в то время как вес агрегатов циклического действия СО-169, СО-150 составляет 60-80 килограмм.

В настоящее время в Европе и Северной Америке в качестве конструктивного способа огнезащиты металлических конструкций, а также бетона и железобетона наиболее широко используются плиты и штукатурки на основе вермикулита, перлита и минеральных волокон. Они позволяют достигать пределов огнестойкости до трех и более часов, недороги и технологичны в применении.

Вспученный вермикулит представляет собой пористый материал, получаемый при высокотемпературном нагреве гидратированных биотитовых и флогопитовых слюд. Насыпная плотность вермикулита фракции 1мм или 2 мм, применяемого в производстве огнезащитных материалов, составляет величину 100-150 кг/м3, а его теплопроводность 0,05-0,07 Вт/(м∙К). Вермикулит является наиболее термостойким из всех широко применяемых наполнителей. Его огнестойкость составляет величину1270-1430оС.

Перлит – материал, получаемый вспучиванием природных водосодержащих стекол. Для производства огнезащитных штукатурок применяют перлитовый песок фракций до 2 мм с насыпной плотностью 70-150 кг/м3. Теплопроводность перлита в сухом состоянии составляет величину 0,05-0,07 Вт/(м∙К). Огнестойкость перлита 900-1000оС.

Сравнение теплофизических свойств вермикулита и перлита, казалось бы, позволяет сделать вывод об однозначном преимуществе вермикулита в качестве наполнителя для огнезащитных материалов, так как вермикулит имеет более высокую рабочую температуру, однако это совершенно не соответствует действительности. Вермикулит является более стойким в химическом отношении минералом и не практически не гидратируется в цементном геле, то есть является пассивным наполнителем. Частицы перлита частично гидратируются в растворе и участвуют в образовании цементного камня, и как следствие, сцепление частиц перлита между собой оказывается выше. Кроме того, насыпная плотность перлита ниже, что позволяет уменьшить его количество для получения той же плотности. Как следствие, даже если при комнатных температурах материалы из перлита и вермикулита имеют приблизительно одинаковые прочностные характеристики, с ростом температур до 800-1000оС преимущества перлитовых продуктов становятся все более явными и разница в прочностных характеристиках может достигать десятков и даже сотен процентов. Перлитовые материалы не имеют выраженной склонности к трещинообразованию при высоких температурах.

Огнезащитные штукатурки и плиты на основе перлита или вермикулита и цементного вяжущего имеют плотность от 350 кг/м3 до 1200 кг/м3, теплопроводность 0,06-0,3 Вт/(м∙К) и являются наиболее универсальными материалами. Область их применения наиболее широка. Это не только огнезащита гражданских объектов, но и объектов энергетики, морских судов и нефте- и газодобывающих платформ. В Европе известны такие марки огнезащитного материала этого типа, как «Newspray», «Mandolite-550», «Mandolite-CP2».

Компания «КРОЗ» подготовила к производству новый огнезащитный плитный материал на основе перлита и алюминатного цемента «СИЛКАЛИТ». Плита предназначена для огнезащиты металлоконструкций до 150 минут. Плиты имеют размер 1х0,5 м и толщину 20; 30; 40; и 50 мм. Плита крепится на защищаемых конструкциях механическим способом (бандажные ленты) и термоклеем.

Материалы на основе минеральных волокон представлены на рынке плитными и рулонными материалами из базальта и муллито-кремнезема, а также огнезащитными штукатурками с гранулированным минераловатным наполнителем.

Наша компания разработала новый плитный материал «БАРК», на основе штапельного базальтового армированного картона. Материал предназначен для огнезащиты бетона. Плита крепится к бетону механическим способом и может применяться для комбинированной тепло- и огнезащиты помещений с большими колебаниями температуры и влажности, например, подземных автостоянок и гаражей.

Для огнезащиты металлоконструкций до 150 минут мы предлагаем новый материал – «ФОРАМ». Этот рулонный материал представляет собой муллито-кремнеземистый войлок, кашированный фольгой. Материал крепится на защищаемых конструкциях механическим способом – бандажной лентой или проволокой.

В штукатурках на основе минерального волокна в качестве огнестойкого наполнителя используется минеральная вата в виде гранул с характерным размером 3-7 мм. Штукатурки на основе минеральных волокон при комнатных температурах имеют лучшие теплофизические и акустические характеристики, чем вермикулитовые или перлитовые штукатурки, что и определило их широкое применение в качестве материала для тепло- и огнезащиты, звукоизоляции, а также для предупреждения появления конденсата в помещениях с большими суточными колебаниями температуры и влажности воздуха. В России огнезащитные покрытия на основе минеральных волокон представлены марками «Девиспрей», «Фиброгейн», «Зигнулан-3000», «Монолит» и некоторыми другими.

Вспучивающиеся покрытия на основе минеральных вяжущих. Типичным примером такого материала является композиция ОФП-ММ на основе жидкого натриевого стекла с асбестовым наполнителем, разработанная в ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко еще в 1978 году. Составы на основе жидкого стекла в России до сих пор составляют самую многочисленную группу. Основным достоинством этих материалов является их низкая стоимость, однако жидкостекольные составы имеют ряд существенных недостатков, а именно, они разрушающе воздействуют из-за высокой щелочности на алкидные грунты типа ГФ-021 и аналогичные. Следует отметить, что появление эффективных полимерных модификаторов жидкого стекла позволило создать на их основе термостойкие клеи, атмосферостойкие фасадные и даже дорожные разметочные покрытия. Введение в состав этих материалов щелочестойкого полимера позволяет повысить их эластичность, кардинально улучшить адгезию с различными подложками и сделать их однокомпонентными. Эксперименты, выполненные в нашей производственной лаборатории, позволяют сделать вывод о возможности кардинального улучшения качества огнезащитных составов на основе жидкого стекла, и даже расширение сферы их применения.

Огнезащитные вспучивающиеся краски. Относительно новый класс материалов, интерес к которым вызван как их достаточно высокой огнезащитной эффективностью, так и удобством применения. Краски наносятся тонким слоем на поверхность конструкций и в процессе эксплуатации выполняют функции декоративно-отделочного материала. При огневом воздействии образовывается пенококс, который имеет объем во много раз больше первоначального объема покрытия. Хорошо известны такие краски этой группы, как «ОЗК-1» «Протерм Стил», «ОГРАКС-В», «S-607», и др.

Следует обратить особое внимание на подготовку поверхностей перед нанесением любых типов огнезащитных штукатурок на основе минеральных вяжущих. Для того чтобы огнезащитные штукатурки на основе цементных, гипсовых и других типов вяжущих имели удовлетворительную адгезию с различными типами подложек, то есть с грунтованным или негрунтованным металлом, бетоном и деревом, в них вводятся специальные полимерные добавки. Введение полимерных добавок может на порядок повысить адгезию с подложкой, однако максимально допустимое количество вводимых в состав полимерных латексов значительно ниже той величины, при которой возможно получение высокой адгезии.

В большинстве случаев высокая адгезия с подложкой может быть обеспечена при применении специальных защитно-активирующих грунтов, которые наносятся перед нанесением штукатурок и обмазок. Защитно-активирующие грунты создают промежуточный слой между подложкой и огнезащитным покрытием, в котором концентрация полимера приближается к оптимальной величине. Защитно-активирующие грунты создают буферный слой, в котором pH находится в пределах 7-10, что является безопасным для алкидных грунтов. Использование защитно-активирующих грунтов является общепринятой и, как правило, обязательной практикой в развитых странах. Наша компания разработала и предлагает для использования с жидкостекольными и цементными составами грунт-адгезив защитный для металлоконструкций - «ГАЗ-М».

В настоящее время в Москве реализуется городская комплексная инвестиционная программа «Новое кольцо Москвы». Программа подготовлена на основе концепции размещения зданий в условиях дефицита свободных территорий для нового жилищного строительства многофункциональных высотных зданий и комплексов в срединном и периферийном поясах столицы. Планируется возвести 60 высотных объектов. Каждый из объектов будет представлять собой многофункциональный комплекс с жилой, общественно-деловой, гостиничной и торгово-развлекательной функциями.

Для успешной реализации этой программы разрабатывается новая нормативная база по высотному строительству. В числе разработанных проектов можно назвать МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» и дополнение к МГСН 1.01-99. Данные нормы дополняют, детализируют и ужесточают действующие нормативные документы в области пожарной безопасности применительно высотному строительству. В то же время следует отметить, что сих пор отсутствуют нормы пожарной безопасности по наиболее широко применяемому в высотном строительстве материалу - железобетону. Это приводит к тому, что заложенные в строительные нормы требования по огнестойкости железобетонных конструкций не подтверждаются испытаниями конструкций, а работы по доведению конструктивной огнестойкости конструкций либо не выполняются вообще, либо выполняются без должного экспериментального и расчетного подтверждения. Вместе с тем

Соответствующие нормативные документы в ЕС существуют и действуют, например EC4-1-2/57 и другие. В связи с принятием решения о гармонизации российских строительных норм с европейскими нормами целесообразно решить вопрос об их переводе на русский язык и введении в действие.

Выводы.

Основным критерием при выборе материала для огнезащиты бетона является его низкая теплопроводность при температурах выше 500оС. Этому критерию отвечают составы, в которых в качестве наполнителя могут применяться перлит, вермикулит и минеральные волокна.

Основными критериями при выборе материала для огнезащиты металла являются его высокая теплоотражающая способность в диапазоне тепловых волн и высокая объемная теплоемкость. Этому критерию в наибольшей степени удовлетворяют материалы на цементном вяжущем и перлитом или вермикулитом в качестве наполнителя.

Применение защитных грунт-адгезивов позволяет избежать отслоения и обрушения штукатурок и обмазок на основе жидкого стекла и цементного вяжущего.