2 Июнь 2016

 

В.Л. СТРАХОВ, д-р техн. наук, А.Н. ГАРАЩЕНКО,
канд. техн. наук (ЗАО «Теплоогнезащита» г Сергиев Посад Московской обл.)

 

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 рисунке представлены различные температурные режимы пожара.

 

На практике при оценке эффективности огнезащиты и огнестойкости конструкций наиболее часто используется так называемый стандартный температурный режим (кривая II на рисунке). Несмотря на то, что изменение температуры среды, воздействующей на конструкции при реальном пожаре, как правило, существенно отличается от стандартной температурно-временной 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 REI 15 до REI 1501.

 

В зависимости от степени огнестойкости зданий для его несущих элементов устанавливаются пределы огнестойкости от R 15 (III 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 металла2. 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 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.

 

Зависимость от времени температуры газовой среды, воздействующей на объекты в условиях пожара: I — температурный режим горения углеводородных топлив Tf = Т0 +1100-[1 — 0,325exp(-0,167f) — 0,204exp(-1,417f) -0,472-exp(-1,583-f)]; II — стандартный температурный режим Tf = Т0 + 345 — lg(8-f + 1); III — температурный режим реального пожара в помещении площадью S = 35 м2 с горючей нагрузкой F = 60 кг/м2; IV — то же при S = 9,5 м2 с горючей нагрузкой F = 50 кг/м2

 

При использовании деревянных конструкций в большинстве случаев должны приниматься меры по снижению горючести и пределов распространения огня. Это достигается применением огнезащитных пропиток или специальных покрытий.

 

Кроме этого к несущим и ограждающим конструкциям из дерева могут предъявляться требования по огнестойкости. Деревянные конструкции обладают низким уровнем огнестойкости. Например, деревянные клееные балки прямоугольного сечения 31—72×12—21 см, применяемые в покрытиях производственных задний, имеют предел огнестойкости 30 мин. Деревянные клееные колонны прямоугольного сечения 19×30 см, нагруженные с эксцентриситетом 6 см, при нагрузке 274 кН имеют предел огнестойкости 45 мин [1].

 

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.

 

Конструкции из бетона и железобетона. 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 плитными 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 винилиденхлори-дом, 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.

 

При нагреве бетон 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.

 

Название способа Преимущества Недостатки
Бетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом Относительно низкая стоимость материалов Большая масса (дополнительная нагрузка на конструкции и фундамент). Необходимость применения стальной сетки и (или) анкеров.
Большая трудоемкость работ.
Сложность восстановления и ремонта
Установка облицовок или экранов из плитных или листовых материалов Повышенная вибростойкость и долговечность за счет механического крепления к конструкциям. Возможность демонтажа и ремонтопригодность. Высокая производительность работ по установке огнезащиты.
Хорошие защитно-декоративные качества
Большие толщины огнезащитных материалов (в случае волокнистых материалов).
Высокий уровень паропроницаемости.
Перерасход материала при низком уровне требуемых пределов огнестойкости защищаемых конструкций
Нанесение методами набрызга или полусухого торкретирования составов на минеральном вяжущем Относительно низкая трудоемкость.
Возможность эксплуатации в атмосферных условиях (для составов на основе портландцемента)
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
Нанесение напылением вспучивающихся покрытий Относительно низкая трудоемкость. Малая толщина покрытия Низкий уровень достигаемых пределов огнестойкости (до 45-60 мин).
Трудность обеспечения и контроля заданных толщин

 

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.

 

Подробная характеристика типичных средств огнезащиты строительных конструкций дана в книге [4]. Основные преимущества и недостатки способов огнезащиты, которыми реализуются эти средства, приведены в таблице.

 

Листовые, плитные и рулонные облицовки или экраны. Использование материалов этого вида относится к числу конструктивных способов огнезащиты. Этот способ огнезащиты находит все более широкое применение в практике.

 

К числу его преимуществ относится то, что плитные и рулонные материалы 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.

 

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. Характеристика типичных цементно-вермикулитовых изделий дана в таблице 2.15 [3], а характеристика плит вермикулитовых на основе жидкого стекла ПВТН (ТУ 5767-00100281967—96) — в таблице 2.16.

 

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 жидко стекольных огнезащитных составов: ОФП-10, ОПВ-180, ОФП-МВ, ОФПМ-12, Пенокс, ЭСМА и др. Некоторые из них (ОФП-МВ, ОФПМ-12) 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.

 

Составы на основе жидкого стекла за рубежом в качестве огнезащиты не используются. Из материалов данной группы значительное внимание уделялось созданию составов на цементной и полимерцементной основе, лишенных перечисленных выше недостатков. В России из их числа представлены ZIGNULAN-3000, DAVIS PREY, FIBROGAIN и др. Имеется ряд отечественных рецептур, из которых в настоящее время сертифицирован состав СОШ-1.

 

Вспучивающиеся покрытия (ВП) занимают особое место среди применяемых в настоящее время средств огнезащиты СК. Достаточно высокая огнезащитная эффективность ВП 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.

 

Несколько позднее первого отечественного огнезащитного состава ОФП-ММ во ВНИИПО было создано первое вспучивающееся покрытие ВПМ-2, повышающее предел огнестойкости до 45 мин. В настоящее время это покрытие устарело и не применяется.

 

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 составы этой группы: S-607, Протерм Стил, Uniterm-38091, FIERFLEX, PYRO-SAFE FLAMMOPLAST SP-A2 и др. Создан ряд отечественных покрытий такого вида (ОГРАКС-В, ОГРАКС-В-СК, ОЗК-45 и др.).

 

Разработаны также отечественные вспучивающиеся покрытия на основе хлорсульфированного полиэтилена и терморасширяю-щегося 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, ТОЗ-В1). Им присущи преимущества и недостатки материалов приведенных выше групп. Разработчикам состава ОСП-1 удалось исключить недостатки, присущие жидкостекольным композициям, за счет применения специального грунта и укрывного слоя. Покрытие ОСП-1 обеспечивает адгезию к грунтам, а также достаточную влаго- и атмосферостойкость.

 

Проведенные нами 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.

 

Следует отметить, что средства огнезащиты подлежат обязательной сертификации, которая должна быть проведена в специализированных и аккредитованных Госстандартом центрах. По результатам испытаний, проведенным по стандартным для каждого вида огнезащиты методикам, выдаются сертификаты пожарной безопасности на материалы и конструкции с огнезащитой.

 

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.

 

Список литературы

  1. Строительные нормы и правила. Пожарная безопасность зданий и сооружений. СНиП 21-01—97*. М.: Госстрой России, 1997. 15 с.
  2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1991. 320 с.
  3. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов. М.: Стройиздат, 1985. 56 с.
  4. Страхов В.Л., Крутов А.М., Давыдкин Н.Ф. Огнезащита строительных конструкций / Под ред. Ю.А. Кошмарова. М.: ТиМр, 2000. 433 с.
  5. Страхов В.Л., Давыдкин Н.Ф, Гаращенко А.Н., Крутов А.М., Девлишев В.П. Повышение огнестойкости воздухо- и газоводов системы пожарной безопасности объектов с помощью композиционной огнезащиты // Подземное пространство мира, 1998. № 2. С. 59—66.
1 Здесь цифры обозначают нормируемый для конструкций данного типа предел огнестойкости в минутах.
2 Под приведенной толщиной металла понимается отношение площади сечения элемента к обогреваемой части параметра сечения.

 

Статья взята из журнала «Строительные материала»