Композиция для приготовления огнезащитного строительного раствора
COMPOSITION FOR MAKING FIREPROOF MORTAR

Техническое решение относится к составам строительных растворов, в частности, к композиции для изготовления огнезащитного строительного раствора и его применению для противопожарной защиты.
Для строительных составов, используемых для противопожарной защиты, важное значение имеет время, в течение которого он выдерживает высокие температуры во время пожара без разрушения, и максимальные температуры, под действием которых конструкция, выполненная с использованием таких составов, сохраняет свою целостность.
Как правило, строительные составы, изготовленные с использованием обычных цементов, в частности, портландцемента, выдерживают температурное воздействие до 900°С, после чего цемент становится хрупким, начинается разрушение покрытия, выполненного из этого состава. Однако, для зданий и сооружений I и II степени огнестойкости, согласно действующему Техническому регламенту о требованиях пожарной безопасности, установлены пределы огнестойкости для несущих стен, колонн и других несущих элементов R120 и R90 соответственно. Это означает, что, в соответствии с ГОСТ 30247.0-94, данные конструкции должны сохранять свою несущую способность без разрушения в течение 120 и 90 минут соответственно. При этом температурный режим «углеводородного пожара», установленный для испытаний сооружений на огнестойкость, предусмотренный ГОСТ 30247.0-94, характеризуется достижением температуры в 986°С через 90 минут и 1029°С через 120 минут после начала испытаний. Более того, как показывают реальные испытания, при пожаре, например, в туннеле при горении грузовика с цистерной горючего, стандартная кривая горения достигает температуры около 1200°С уже примерно за 5 мин, затем постепенно возрастает до 1350°С в течение 60 мин, после чего медленно снижается до 1200°С к 120 мин. При таких температурах использование обычных строительных составов может привести к серьезным разрушениям бетона и соответственно к нарушению стабильности конструкций туннеля. Подобный состав раскрыт, в частности в патенте ЕР0986525 «POROUS MATERIAL AND CEMENTITIOUS COMPOSITIONS PREPARED THEREFROM» (МПК C04B14/28; C04B18/04; C04B28/02, опубликован 22-03-2000). Известный состав содержит в основном цементное вяжущее вещество, термически обработанный раковинный песок и добавки, необходимые для работы с составом и способен обеспечить требуемые характеристики по пожаростойкости только при толщине нанесения от 40 до 50 мм, что затрудняет работу, особенно если им необходимо покрыть сложные профили, например, стальные каркасы.
Для повышения показателей составов по устойчивости к воздействию высоких температур используют высокоглиноземистые цементы, способные выдерживать воздействие до 1200-1400°С. Например, способы изготовления таких составов раскрыты в следующих документах: «ОГНЕУПОРНАЯ БЕТОННАЯ СМЕСЬ (ВАРИАНТЫ)» по патенту на изобретение RU2437862 (МПК C04B 35/66, C04B 28/06, C04B 111/20, опубликован 27.12.2011), «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОГО ЦЕМЕНТА» по патенту на изобретение RU2368578 (МПК C04B 7/36, опубликован 27.09.2009). Известны также огнеупорные составы с использование высокоглиноземистых цементов, в частности, «ОГНЕСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ» по патенту на изобретение RU2269564 (МПК C09K 21/02, C04B 28/06, C04B 111/28, опубликован 10.02.2006). Однако технология производства высокоглиноземистых цементов ресурсоемкая и, как следствие, составы, получаемые с использование такого сырья, дорогие.
В качестве ближайшего аналога выбран «ОГНЕЗАЩИТНЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ РАСТВОР» по патенту ЕА026204 (МПК C04B 28/00, C04B 38/08, C04B 38/10, C04B 16/00, C04B 111/28, опубликован 31.03.2017). В известном решении композиция для приготовления огнезащитного строительного раствора содержит 45-70 вес.% цементного вяжущего вещества, 8-20 вес.% кальцита, 8-20 вес.% слюды, 0-5 вес.% ксонотлита, 0,1-20 вес.% вспученного перлита, 0,1-10 вес.% волокон, 0,01-2 вес.% воздухововлекающей добавки и вспенивающей добавки, 0,01-4 вес.% технологических добавок. После воздействия температуры свыше 1250°С цемент, слюда и кальцит реагируют друг с другом с образованием огнеупорных кристаллических фаз, которые являются стабильными в диапазоне 1250-1400°С и способны обеспечить пассивную защиту от огня. В известном решении образование огнеупорных кристаллических форм происходит только при достижении составом температуры 1250-1400°С, что является слишком высокой температурой для портландцемента и иных гидравлически схватывающихся цементов, таких как, например, кальциево-алюминатный цемент и серно-алюминатный цемент, так как они становятся хрупкими уже при температурах около 900°С. Недостатком известного решения является низкая огнестойкость.
Задача заявляемого решения состоит в создании композиции для приготовления огнезащитного строительного раствора, для защиты сооружений I и II степени огнестойкости, характеризующегося высокими показателями огнестойкости при температурах выше 900°С, производство которого, при этом не требует значительных энергетических и сырьевых затрат. Технический результат заключается в повышении показателей огнестойкости и снижении энергоемкости при производстве композиции для приготовления огнезащитных растворов.
Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигается тем, что композиция для приготовления огнезащитного строительного раствора характеризуется следующим содержанием компонентов: портландцемент 35-55 вес.%, вспученный вермикулит 15-50 вес.%, гидроксид алюминия 5-25 вес.%, функциональные добавки – остальное. Композиция для приготовления огнезащитного строительного раствора может дополнительно содержать полимерные микросферы в количестве 1-5 вес.%. и/ или фибру базальтовую в количестве 0,5-2 вес.%. Функциональные добавки включают водоудерживающую добавку и/или пластификатор и/или редиспергируемый органический полимер и/или воздухововлекающую добавку и/или вспенивающую добавку.
Портландцемент и гидроксид алюминия в композиции для приготовления огнезащитного раствора начинают взаимодействовать уже при температурах около 500°С, образуя высокотемпературные фазы, выдерживающие температуры до 1100°С. В сравнении с композициями, в которых изначально используют высокоглиноземистый цемент, заявляемая композиция требует меньше сырьевых, временных и энергетических затрат на производство. А в сравнении с композициями на основе только портландцемента заявленная композиция характеризуется более высокими показателями огнестойкости.
В качестве функциональных добавок в состав композиции включают водоудерживающую добавку и/или пластификатор и/или редиспергируемый органический полимер и/или воздухововлекающую добавку и/или вспенивающую добавку, которые широко используются в данной области для придания раствору хороших потребительских свойств в процессе нанесения.
В состав композиции могут быть также включены полимерные микросферы. Для однозначного понимания заявляемого решения под полимерными микросферами понимают термопластичные частицы сферической формы, состоящие из полимерной оболочки с заключенным в неё газом. Полимерная оболочка может быть выполнена из полиакрилата или кремнийорганического полимера. Полимерные микросферы обеспечивают не только уменьшение плотности готового покрытия, но и, в отличие от широко используемых стеклянных или керамических микросфер, позволяют использовать покрытие при умеренных вибронагрузках, неизбежных при эксплуатации любого защищаемого объекта. Также в начале пожара, когда выгорает редиспергируемый порошок (ответственный за адгезию покрытия к защищаемой поверхности), полимерные микросферы только начинают плавиться и обеспечивают дополнительную клеевую адгезию раствора к защищаемой поверхности, повышая, таким образом огнестойкость раствора, так как конструкция продолжает сохранять целостность. Кроме того, вводимые в заявляемую композицию полимерные микросферы гидрофобны. Это придает покрытию из раствора водоотталкивающие свойства в процессе эксплуатации – покрытие становится значительно более атмосферостойким.
В состав композиции может быть также включена базальтовая микрофибра, которая, в отличие от традиционно используемой полипропиленовой, выдерживает температуры до 1200°С, что позволяет сохранять её армирующие свойства на всем протяжении пожара.
Под портландцементом понимают гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного помола цементного клинкера, гипса и добавок, в составе которого преобладают силикаты кальция.
Вспученный вермикулит – это минерал из группы гидрослюд, имеющих слоистую структуру. Продукт вторичного изменения тёмных слюд биотита и флогопита. Представляет собой крупные пластинчатые кристаллы от серебристого до золотисто-жёлтого или бурого цвета.
Гидроксид алюминия - бесцветное твердое вещество, нерастворимое в воде, в заявленной композиции используют в виде тонко помолотого белого порошка. При температурах выше 180°С начинается процесс дегидратации гидроксида алюминия, в результате которой происходит его взаимодействие с цементом.
В качестве пластификатора могут быть использованы в частности, суперпластификатор для строительных растворов «Полипласт Р», технический лигносульфонат, пластификатор С-3. Редиспергируемые порошки выбираются, например, из следующих известных веществ: Dairen, Dairen DA 1130, Dairen DA 1200, производства Dairen Chemical Co., (Тайвань), Acronal S 695 P, производства Acronal, BASF (Германия), Полипласт РПП 45.0Н, производства «Полипласт-Уралсиб» (Россия). Водоудерживающие добавки представлены, например, Bermocoll, производства Akzo Nobel (Швеция) или Эфир крахмала Starpol 136, производства Staley (США). Воздухововлекающие добавки представлены, например, Bermodoll AEA 2800, производства Akzo Nobel, Швеция или Peramin AB, Швеция.
Заявленную композицию изготавливают следующим способом: композиционные ингредиенты в заявленном соотношении засыпают в бункера, дозируют в смесители, перемешивают и подают на фасовку.
Для приготовления строительного раствора композицию разводят водой до консистенции удобной для нанесения. Наносят штукатурными аппаратами типа СО-150А, СО-150Б, СО-154. Также возможно нанесение шпателем.
3
3
После затвердевания объемная плотность составляет менее 1100 кг/ми предпочтительно от 400 до 900 кг/м.
Заявленные огнезащитные показатели композиции проверены и подтверждены в ходе испытаний, результаты которых приведены в Таблице 1.
Для испытаний было изготовлено 6 образцов в виде стальных пластин с защитным покрытием толщиной 30 мм из раствора, образцы 1 и 3 содержат покрытие, изготовленное согласно заявленной композиции, образцы 2, 4, 5 и 6 – с изменением процентного соотношения компонентов, выходящим за заявленные диапазоны композиции. Образцы подвергались воздействию температуры согласно стандартной кривой углеводородного пожара (ГОСТ Р 30247.0). Результаты испытаний оценивались по целостности защитного  покрытия.
Заявленную композицию изготавливают следующим способом: композиционные ингредиенты в заявленном соотношении засыпают в бункера, дозируют в смесители, перемешивают и подают на фасовку.
Для приготовления строительного раствора композицию разводят водой до консистенции удобной для нанесения. Наносят штукатурными аппаратами типа СО-150А, СО-150Б, СО-154. Также возможно нанесение шпателем.
3
3
После затвердевания объемная плотность составляет менее 1100 кг/ми предпочтительно от 400 до 900 кг/м.
Таблица 1
Компонент
% сод-ие согласно формуле
<b>№1</b>
<b>№2</b>
<b>№3</b>
<b>№4</b>
<b>№5</b>
<b>№6</b>
Портландцемент
35-55
45
35
45
56
60
30
Вспученный вермикулит
15-50
33
53
38
14
10
55
Гидроксид алюминия
5-25
15
5
10
23
23
8
Полимерные микросферы
1-5
1
1
1
1
1
1
Фибра базальтовая
0,5-2
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
Водоудерживающия добавка
0,1-1,0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
Пластификатор/Диспергатор
0,2-0,5
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
Редиспергируемый органический полимер
2-6
4,75
4,75
4,75
4,75
4,75
4,75
Воздухововлекающие добавки и вспенивающие добавки
0,01-0,05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
Время огнезащиты, минут
120
120
130
120
80
50
130
Целостность образца после испытаний
Да
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
В ходе испытаний получены следующие результаты:
Образец 1 выполнен с защитным покрытием согласно заявленной композиции, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 120 минут, покрытие после завершения испытания сохраняет целостность.
Образец 2 выполнен с защитным покрытием с изменением процентного соотношения компонентов, выходящим за заявленные диапазоны композиции в сторону увеличения содержания вермикулита, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 130 минут, защитное покрытие после завершения испытания крошится и отстает от защищаемой поверхности. В случае реального пожара высокий риск отрыва защитного покрытия от защищаемой конструкции и нарушение целостности конструкции.
Образец 3 выполнен с защитным покрытием согласно заявленной композиции, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 120 минут, покрытие после завершения испытания сохраняет целостность.
Образец 4 выполнен с защитным покрытием с изменением процентного соотношения компонентов, выходящим за заявленные диапазоны композиции в сторону увеличения содержания портландцемента и уменьшения содержания вермикулита, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 80 минут, покрытие после завершения испытания сохраняет целостность, но нагрев защищаемой конструкции произошел ранее, чем установленные пределы огнестойкости.
Образец 5 выполнен с защитным покрытием с изменением процентного соотношения компонентов, выходящим за заявленные диапазоны композиции в сторону увеличения содержания портландцемента и уменьшения содержания вермикулита, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 50 минут, защитное покрытие сохранило целостность, но температура защищаемой конструкции достигла критических показателей за период времени значительно короче установленных пределов огнестойкости.
Образец 6 выполнен с защитным покрытием с изменением процентного соотношения компонентов, выходящим за заявленные диапазоны композиции в сторону уменьшения содержания портландцемента и увеличения содержания вермикулита, при нагреве образца температура защищаемой пластины достигла 500°С через 130 минут, защитное покрытие после завершения испытания крошится и отстает от защищаемой поверхности. В случае реального пожара высокий риск отрыва защитного покрытия от защищаемой конструкции и нарушение целостности конструкции.
Как показывают испытания заявленные диапазоны содержания компонентов композиции позволяют получить строительные растворы с высокой степенью огнезащиты, выдерживающие температуры до 1100°С в течение не менее 120 минут. При этом производство таких растворов требует значительно меньше ресурсов, временных и энергетических затрат в сравнении с растворами со сходными показателями огнестойкости, выполненными из высокоглиноземистых цементов.