Огнестойкая профильная конструкция
FIRE-RESISTANT PROFILE STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении огнестойких заполнений проемов в противопожарных преградах, например, при изготовлении огнестойких светопрозрачных профильных дверных и оконных блоков, светопрозрачных огнестойких профильных перегородок, огнестойких профильных конструкций сплошного сечения, витражей и атриумов.
В современном строительстве, при возведении зданий свободных планировок используются различные технические решения, направленные на разделение больших площадей на секции посредством использования огнестойких противопожарных преград, изготовленных из бетонных или железобетонных плит, кирпича, шлакоблоков и т.д. Огнестойкие профильные конструкции, как правило, применяются в качестве заполнения проемов в противопожарных преградах.
Основной проблемой в данном случае является решение технического противоречия, заключающегося в создании противопожарных преград и их заполнений, обладающих высокими характеристиками по огнестойкости, архитектурному разнообразию, цветовому решению и имеющих при этом не большой вес, что особенно важно при многоэтажном строительстве. Кроме того, эти конструкции должны быть надежны, технологичны, изготовлены из не дорогих материалов и комплектующих. Эта проблема решалась различными путями. Повышения огнестойкости производители добивались, например, путем заполнения полостей профилей различными огнестойкими материалами.
В патенте Великобритании (GB 2291094, МПК Е06В 5/16, 17.01.1996) предлагается в качестве огнестойкого заполнителя профильных конструкций использовать силикат кальция, - негорючий неорганический материал. Однако, при высокой температуре силикат кальция спекается, растрескивается, высыпается и теряет огнестойкие свойства.
Известна огнестойкая строительная конструкция и способ ее изготовления из унифицированного полого профиля, внутри которого расположена, по меньшей мере, одна стальная труба.
При этом стенки стальной трубы выполнены с огнезащитным покрытием и между стенками унифицированного полого профиля и стальной трубой размещен поглощающий тепло заполнитель в виде водосодержащего геля на основе щелочных металлов или органических полимеров или гипса, а во внутренней части трубы размещен огнестойкий заполнитель из бетона или железобетона (патент RU 2217570, МПК Е06В 5/16, 27.11.2003).
Главным недостатком описанной конструкции является ее значительный вес, обусловленный применением стальной трубы, наполненной бетоном, которая расположена внутри профиля, что значительно сужает область применения подобных конструкций при многоэтажном строительстве.
Следующим, и не менее важным недостатком описанной конструкции является размещение водосодержащего геля в пространстве между внутренними стенками унифицированного профиля и металлической трубой, так как оно требует дополнительной герметизации, предотвращающей вытекание геля из указанной полости, что значительно повышает себестоимость таких конструкций.
В патенте Японии (JB 2011057503, МПК Е06В 5/16, 24.03.2011) в качестве огнестойкого заполнителя профильных конструкций предлагается использование цемента и газонаполненных полимерных микросфер и вспененных неорганических материалов в виде микрогранул. Данный материал является хорошим теплоизолятором, но при нагревании до температуря свыше 100°C происходит его спекание и последующее растрескивание.
Также известна международная заявка (WO 2011/050954 А1, МПК Е06В 3/263), в которой описан составной композитный профиль для изготовления светопрозрачных огнестойких оконных и дверных конструкций, состоящий из двух внешних профильных элементов, соединенных между собой двумя соединительными вставками, содержащими термоизолирующие полосы и дополнительный внутренний усилитель для увеличения статической прочности изготавливаемых конструкций. Соединение дополнительного внутреннего усилителя с наружными профилями производят посредством двух соединительных элементов сложной геометрической формы, включающими в себя, по меньшей мере, четыре зацепные детали, соединяющие внутренний усилитель с внешними элементами профиля. Наружные профили системы могут быть выполнены как из алюминия, так и из термостойкого синтетического материала.
Недостатком предлагаемой конструкции является низкая технологичность и высокая себестоимость ее изготовления, обусловленная наличием большого количества соединительных элементов, зацепных частей и терморазрывных вставок, а также сложность сборки отдельных узлов в целое изделия, что значительно снижает качество его изготовления и надежность при эксплуатации. Кроме того, внутри профилей, которые предполагается, в том числе, изготавливать из термостойкого синтетического материала, не предусмотрено ни термоизолирующих, ни термокомпенсирующих наполнителей, что, в принципе, ставит под сомнение использование предлагаемого синтетического профиля в качестве огнестойкого.
Наиболее близкой к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является огнестойкая профильная конструкция, изготовленная на основе любых типов полых металлических профилей, внутренние полости которых содержат огнестойкое термокомпенсирующее заполнение, и включающая, по меньшей мере, один огнезащитный блок. Огнестойкое термокомпенсирующее заполнение, представляет собой материал, содержащий наполнитель в виде частиц или гранул предварительно обезвоженного кремнезема, приведенный диаметр которых составляет 2-5 мм, насыпная плотность - 0,2-0,5 кг/л, исходная влажность по массе 0,5-1%, и связующее на основе водорастворимых силикатов. Указанные частицы (гранулы) пропитаны связующим на основе водорастворимых силикатов до плотности 0,8-0,9 кг/л и покрыты оболочкой, состоящей из минерального порошка (патент RU 167086, МПК Е06В 5/16, 24.06.2016).
Недостатком данного технического решения является высокая стоимость конструкции, обусловленная высокой ценой используемого металлического профиля, чаще всего выполненного из алюминия, сложностью сборки элементов профиля, состоящего из двух алюминиевых «фасонных труб» с размещенными между ними полиамидными вставками, а также сложным и дорогим процессом сборки готовых профилей в изделие с использованием вклеиваемых внутрь угловых и торцовых соединений в виде алюминиевых технологических сухарей с их последующей фиксацией с помощью фитингов и дальнейшей опрессовкой. Кроме того, природа конструкционного материала профиля - алюминия с полиамидными вставками, имеющими отличные от алюминия механические характеристики, значительно осложняет процесс изготовления криволинейных элементов конструкций. Однотонный серый цвет алюминиевых профилей значительно сужает спектр дизайнерских решений, требуя дополнительной дорогостоящей операции ламинирования поверхностей профилей специальной термоусадочной пленкой для придания готовым конструкциям разнообразных цветовых решений.
Технической задачей настоящего изобретения является создание профильной конструкции, обладающей высокой огнестойкостью, низкой себестоимостью, технологичностью, имеющей не большой вес по сравнению с известными аналогами и обеспечивающей разнообразие цветовых решений.
Поставленная задача решается за счет того, что в огнестойкой профильной конструкции, изготовленной на основе полых профилей, внутренние полости которых содержат термокомпенсирующее заполнение, и включающей, по меньшей мере, один огнезащитный блок, в качестве полых профилей используют профили, выполненные из поливинилхлорида (ПВХ), при этом толщина внешних стенок полостей профилей составляет не менее 2 мм, ширина внешних полостей профилей, измеряемая перпендикулярно к плоскости конструкции, равна не более 12 мм, а в качестве термокомпенсирующего заполнения используют материал, содержащий гранулы обезвоженного кремнезема, пропитанные связующим на основе водорастворимых силикатов и покрытые оболочкой из минерального порошка, приведенный диаметр которых составляет от 1 до 3 мм, и связующее на основе водорастворимых силикатов.
В качестве указанных профилей могут быть использованы профили типа «Veka», «Brusbox», «Salamander» и им подобные.
В качестве гранул обезвоженного кремнезема (наполнителя) могут быть использованы гранулы вермикулита, термолита (обезвоженного диатомита) или трепела, приведенный диаметр которых равен от 1 до 3 мм. Кроме указанных материалов возможно использование и других гранулированных материалов, на основе кремнезема, имеющих аналогичные характеристики. Так как гранулы указанных материалов являются макропористыми, то при их пропитывании связующим на основе водорастворимых силикатов последнее заполняет и запечатывает открытые поры на поверхности гранул, что позволяет удерживать внутри гранул максимальное количество свободной и химически связанной воды, что приводит к повышению огнезащитных свойств материала в целом.
3
В качестве связующего могут быть использованы растворимые силикаты натрия и/или калия, например водорастворимый силикат натрия (жидкое стекло) с максимальной, промышленно изготавливаемой плотностью 1,47 г/см. Связующее с указанной плотностью производится в больших объемах и обладает всеми необходимыми для производства огнестойкого заполнения свойствами - негорючее, в составе жидкого стекла обязательно содержится вода. В указанном материале связующее на основе водорастворимых силикатов может составлять до 50% от массы пропитанных гранул кремнезема (наполнителя).
В качестве минерального порошка используют вспученный перлит, каолиновую, диатомитовую или вермикулитовую пудру. Слой из минеральной пудры предотвращает растрескивание обработанных гранул при температурах выше 100°C.
Преимущественно огнестойкий термокомпенсирующий материал может содержать на 100 вес. % указанных гранул, 50 вес. % связующего и 100 вес. % минерального порошка. Минеральный порошок может содержать на 100 вес. % не менее 20% алита и 10% белита. Оптимальное соотношение и количество компонентов для получения огнестойкого термокомпенсирующего материала определено в результате серии натурных сертификационных испытаний и является оптимальным с точки зрения соотношения цена - качество состава по теплофизическим и химическим свойствам.
Огнестойкий термокомпенсирующий материал может быть размещен во внутренних полостях любых типов профилей, выполненных из поливинилхлорида (ПВХ). Конструкции, изготовленные на основе профилей ПВХ с указанным огнестойким термокомпенсирующим материалом, дешевы, обладают высокой огнестойкостью и технологичностью при изготовлении.
Выбор приведенного диаметра гранул в диапазоне 1-3 мм обусловлен необходимостью получения термокомпенсирующего материала высокой плотности, которая, как показали испытания, напрямую влияет на огнестойкость заполненного профиля.
В результате лабораторных исследований установлено, что оптимальная толщина внешних стенок полостей профилей ПВХ должна составлять не менее 2 мм, при ширине полости 12 мм. Это обусловлено тем, что при меньшей толщине расплавленная масса стенки, образующаяся в процессе горения профиля ПВХ, не способна удержать в себе большое количество гранул термокомпенсирующего материала, высвобождающихся после выгорания связующего, и образовать монолитный карбонизированный слой по всей длине профиля. В противном случае, образующийся карбонизированный слой не монолитен и начинает послойно разваливаться, повышая теплопроводность системы в целом.
Сущность изобретения поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - противопожарное окно, выполненное согласно изобретению, вид спереди.
Фиг. 2 - то же, продольный разрез 1-1.
Фиг. 3 - то же, поперечный разрез 2-2.
Фиг. 4 - профиль ПВХ, разрез, увеличено;
Фиг. 5 - гранула термокомпенсирующего материала, разрез.
Фиг. 6 - образец огнестойкой профильной конструкции, 5-я минута испытания, обильное паровыделение химически связанной воды со стороны обогреваемой поверхности.
Фиг. 7 - то же, 8-я минута испытания, прекращение паровыделения со стороны обогреваемой поверхности, образование карбонизированного слоя.
Фиг. 8 - увеличенное изображение, армированного карбонизированного слоя, образующегося в процессе испытаний на обогреваемой поверхности конструкции.
Фиг. 9 - образец огнестойкой профильной конструкции, 62-я минута испытания, разрушение карбонизированного слоя со стороны обогреваемой поверхности и обильное выделение химически связанной воды из центральных полостей профилей на противоположной стороне.
В качестве примера огнестойкой профильной конструкции был изготовлен светопрозрачный противопожарный оконный блок (окно) (габаритные размеры: высота - 1586 мм, ширина - 1176 мм), на основе профилей ПВХ (Профиль поливинилхлоридный белый не ламинированный «VEKA EVROLINE», артикул 101.086., изготовитель ООО «ВЕКА Рус»).
Окно включает раму 1, вертикальную стойку 2, два импоста 3 и четыре огнестойких стекла 4. Рама 1, стойка 2 и импосты 3 выполнены из профиля ПВХ 5. Стекла 4 закреплены при помощи штапиков 6 и Г-образных скоб 7 к металлическому усилителю 8, находящемуся внутри каждого профиля ПВХ 5, при помощи саморезов с бурами 9. Конструкция окна через раму 1 прикреплена к проему испытательного стенда 10 при помощи нагелей 11. Между огнестойким стеклом 4 и штапиком 6 установлен уплотнитель 12. Между торцами огнестойкого стекла 4 и профилем ПВХ 5 расположены огнеупорные подкладки 13. Между огнестойким стеклом 4 и огнеупорными прокладками 13 размещена терморасширяющаяся лента 14. Внутренние полости 15 профиля ПВХ 5 ограничены стенками 16, при этом толщина "а" наружных стенок полостей 15 равна 2 мм, а ширина "b" внешних полостей 15 равна 12 мм. Внешние полости 15 заполнены огнестойким термокомпенсирующим материалом 17.
Огнестойкий термокомпенсирующий материал 17 включает в себя наполнитель в виде гранул 18, содержащих ядро 19, на поверхность которого нанесены слои 20, 21, и связующее (не показано). Ядро 19 представляет собой гранулу предварительно обезвоженного и пропитанного связующим на основе водорастворимых силикатов термолита до плотности 0,9 кг/л.
3
Приведенный диаметр гранул 18 составляет 1-3 мм, что позволяет получить необходимую плотность термокомпенсирующего материала 17. Слой 20 состоит из водорастворимого силиката натрия с плотностью 1,47 г/см в количестве 50 весовых частей к 100 частям гранул ядра. Слой 21 состоит из каолиновой пудры, в количестве 80 весовых частей к 100 частям частиц термолита.
3
Связующее представляет собой водорастворимый силикат натрия с плотностью 1,47 г/см.
Изготовление огнестойких окон согласно заявляемому изобретению, производится в следующей последовательности:
- гранулы 18 пропитывают связующим до указанной плотности и покрывают минеральным порошком;
- подготовленные гранулы 18 засыпают во внутренние полости 15 профиля ПВХ 5, проливают связующим и выдерживают до схватывания связующего;
- нарезают заполненные профили ПВХ 5 в размер, в соответствие со спецификацией на изделие;
- соединяют (сваривают) нарезанные профили ПВХ 5 в изделие (окно);
- в проемы окна устанавливают огнестойкие стекла 4, штапиковый уплотнитель 12, огнеупорные прокладки 13, терморасширяющуюся ленту 14 и закрепляют их при помощи штапиков 6.
Серийное производство огнестойких профильных конструкций на основе профилей ПВХ с применением предлагаемого термокомпенсирующего заполнения не требует дополнительного дорогостоящего оборудования, специальной оснастки и приспособлений, высокой квалификации исполнителя, а также дополнительных производственных и складских площадей. Кроме того, могут быть использованы профили ПВХ любого цвета, что обеспечивает широкий спектр дизайнерских решений.
Испытания противопожарного окна проводились в испытательном центре ЗАО ЦСИ «Огнестойкость» в соответствие с ГОСТ Р 53308-2009, -«Конструкции строительные. Светопрозрачные ограждающие конструкции и разделу 10 ГОСТ 30247.0 - 94, составляет EIW 60 (Протокол сертификационных испытаний №13 ск/и-2020 от 19.02.2020 г). Полученный предел огнестойкости (EIW 60) профиля ПВХ, заполненного термокомпенсирующим материалам, соответствует группе горючести Г-1, при этом известно, что профиль ПВХ без заполнения имеет группу горючести Г-4.
2
Эффект значительного повышения огнестойкости противопожарного окна, изготовленного на основе профилей ПВХ достигается в результате первичного выделения химически связанной воды из гранул термокомпенсирующего материала, деструкции поверхности профиля ПВХ на его обогреваемой стороне, с образованием карбонизированного слоя и его дальнейшего армирования гранулами, в результате чего происходит резкое снижение теплопроводности конструкции до значения 0,032-0,0046 Вт/мС. Таким образом повышение огнестойкости противопожарного окна происходит непосредственно в процессе горения конструкции.
Проведенные испытания противопожарного окна, изготовленного на основе профильной системы «Veka Evroline» (ООО «ВЕКА Рус»), показали, что термокомпенсирующий материал, размещенный во внутренних полостях профилей ПВХ противопожарного окна, и образующийся в процессе горения карбонизированный наружный слой предохраняют конструкцию от воздействия внешних температур до 990°C, сохраняя целостность и предотвращая изделие от статического разрушения в течении 60 минут. Конструкции, изготовленные согласно настоящему изобретению на основе профилей ПВХ, по сравнению с ближайшим аналогом (патент RU 167086, МПК Е06В 5/16, 24.06.2016) обладают низкой себестоимостью, повышенной огнестойкостью, а также технологическими и эксплуатационными преимуществами.
Из вышеизложенного следует, что огнестойкие профильные конструкции, на основе профилей ПВХ, выполненные согласно настоящему изобретению, обладают повышенной огнестойкостью, низкой себестоимостью, технологичностью, сравнительно низким весом и обеспечивают разнообразие цветовых решений.