КОМПОЗИЦИОННАЯ ОГНЕЗАЩИТА

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, предельное состояние (предел по несущей способности) которых регламентируется элементами, имеющими теплостойкость существенно меньшую 100°C. К таким конструкциям относятся, в том числе, строительные конструкции, усиленные системами внешнего армирования на основе армированных пластиков, например, углепластиков.
К строительным конструкциям и инженерным коммуникациям современных зданий и сооружений предъявляются повышенные требования по огнестойкости - способности сохранять свою несущую и ограждающую способность при огневом воздействии в течение заданного времени, необходимого для принятия мер по эвакуации людей, активного противодействия распространению пожара и его ликвидации.
Так, например, согласно Федеральному закону от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» строительные конструкции зданий и сооружений должны иметь предел огнестойкости до 2-х часов, а в ряде случаев, согласно специальным требованиям и более высокие пределы огнестойкости.
Эти требования распространяются и на конструкции, усиленные системами внешнего армирования на основе армированных пластиков, которые получают все более широкое применение, как при ремонтах и реконструкциях ветхих зданий и сооружений, так и в новом строительстве.
При огневом воздействии на строительные конструкции, усиленные системами внешнего армирования на основе армированных пластиков, возможно их разрушение (потеря несущей способности), сопровождающееся прогрессирующим разрушением всего здания (даже если огневому воздействию подвергаются только конструкции в пределах одного из помещений или этажей).
Для повышения фактических пределов огнестойкости строительных конструкций до требуемого уровня используется огнезащита.
К огнезащите строительных конструкций и элементов инженерных коммуникаций предъявляют следующие требования:
а) малая масса;
б) минимальная стоимость;
в) технологичность изготовления и монтажа на объекте;
г) устойчивость к внешним воздействиям при монтаже и эксплуатации (случайным ударам, колебаниям температуры и влажности атмосферы и т.п.);
д) отсутствие токсичных выделений при эксплуатации, а также бактериологического, аллергического и эндокринологического действия на людей;
е) достаточный гарантийный срок эксплуатации;
ж) возможность замены и восстановления в зависимости от условий эксплуатации;
з) наличие надлежащих защитно-декоративных качеств.
Первые три из перечисленных основных требований в силу очевидных причин становится определяющими.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) принимается первый вариант композиционной огнезащиты (варианты) (патент №2342964, опубл. 10.01.2009).
Согласно этому варианту предложенная слоистая огнезащитная конструкция на основе композиционных плит выполнена с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта и последовательно содержит прилегающий к указанной поверхности слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку и термостойкую защитно-декоративную плиту. Толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя и клеевой прослойке, диффундирование образующегося водяного пара во внутренний базальто-волокнистый слой и при дальнейшем прогреве испарение сконденсировавшейся на поверхности волокон влаги.
Характерной особенностью данного технического решения является то, что в слоистой огнезащитной конструкции присутствуют термостойкая защитно-декоративная плита и клеевая прослойка, являющиеся в условиях пожара источниками водяного пара и плита из низкоплотного базальтоволокнистого материала, которая позволяет блокировать лучисто-конвективный тепловой поток, поступающий от пламени к поверхности защищаемого объекта, благодаря чему удается значительно повысить эффективность рассматриваемой композиции.
Однако данная огнезащитная система не предназначена для огнезащиты строительных конструкций, предельная несущая способность которых определяется армирующими элементами с теплостойкостью ниже 100°C, так как водяной пар проходящий через базальто-волокнистый материал и конденсирующийся на защищаемой поверхности имеет температуру близкую к 100°C.
Известны устройства огнезащитных противопожарных средств, представляющие собой композиционную огнезащиту, содержащую слои, из которых, внешний, выполнен в виде композиционной плиты, закрепляемой на защищаемой поверхности через прослойку, представляющую собой клеящий состав на силикатной основе, посредством механического крепежа. (Изовент-УП, катлог ООО «КРОЗ», http://www.croz.ru).
Известные устройства при прочих равных условиях имеют большую толщину (от 50 до 80 мм, в зависимости от требуемой огнезащитной эффективности) и высокую стоимость.
Известно техническое решение, представляющее собой разборную защитную конструкцию и способ хранения резервуаров с огнеопасными веществами (заявка RU №2004134118, опубл. 10.05.2006).
Разборная огнезащитная конструкция для хранения резервуаров с огнеопасными веществами содержит несущий каркас, термостойкий теплоизолирующий слой и защитно-декоративную облицовку. При этом несущий каркас состоит из продольных и кольцевых элементов и замыкается тросами, соединенными с полюсными кольцами. Термостойкий теплоизолирующий слой выполнен в виде закрепленных в каркасе плоских матов, изготавливаемых по швейной технологии. Он состоит из наружных тканых слоев, на поверхности одного из которых, обращенного к огневому воздействию, нанесен слой вспучивающегося материала, и промежуточного теплостойкого слоя.
Характерной особенностью данного известного способа является то, что в конструктивной композиционной огнезащите имеется зазор между наружной защитно-декоративной облицовкой и внутренним термостойким теплоизолирующим слоем. Причем в условиях пожара этот зазор заполняется пенококсом вспучивающегося покрытия, нанесенного на поверхность термостойкого теплоизолирующего слоя. Наружная облицовка защищает пенококс, являющийся идеальным высокотемпературным теплоизолятором, от выгорания и осыпания при продолжительном огневом воздействии. Благодаря удачному сочетанию свойств отдельных слоев данной композиции удается значительно повысить ее эффективность.
Однако данная разборная огнезащитная конструкция не предназначена для использования в зданиях и сооружениях ввиду очевидной сложности изготовления и трудоемкости монтажа на объекте, приводящих к повышенной стоимости, особенно при больших площадях защищаемой поверхности, характерных для современных высотных зданий, подземных сооружений и многофункциональных комплексов. В дополнение к этому, пенококс, как было отмечено выше, обеспечивающий огнезащитную эффективность этого технического решения, образуется при температурах существенно превышающих 100°C, что, для рассматриваемого случая неприемлемо.
Известно техническое решение (US 4351870 от 28.09.1982), которое раскрывает защитную панель, имеющую как декоративную, так и огнезащитную функцию. При этом, известная огнезащитная конструкция состоит из нескольких наложенных друг на друга слоев и имеет большую амплитуду отношения предела прочности к массе за счет использования легких теплоизолирующих слоев.
Однако недостатком данного решения является низкая огнезащитная эффективность вследствие того, что в нем не предусмотрена возможность использования при длительном огневом воздействии физически изменяющихся свойств материалов слоев и взаимного влияния для усиления сопротивляемости конструкции.
Таким образом, задачей предложенного изобретения, а также достигаемым техническим результатом является выполнение слоев огнезащитной конструкции с учетом возникающих при нагреве физических эффектов, приводящих к обеспечению на границе между внешним и внутренним слоями в течение требуемого периода времени постоянной температуры, равной температуре кипения воды, блокированию на поверхности внутреннего слоя паро-влажностного фронта, поступающего из внешнего слоя, и как следствие, обеспечение на поверхности защищаемого объекта температуры существенно меньшей 100°C.
Указанный технический результат достигается в слоистой огнезащитной конструкции на основе композиционных плит, выполненной с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта и последовательно содержащей прилегающий к указанной поверхности слой низкоплотной паронепроницаемой теплоизоляции и термостойкую защитно-декоративную плиту, при этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя, диффундирование образующегося водяного пара с блокированием образующегося конденсата на поверхности внутреннего слоя и при дальнейшем прогреве его испарение, приводящее к поддержанию на поверхности слоя низкоплотной паронепроницаемой теплоизоляции температуры кипения воды, а под ним температуры, существенно меньшей 100°C.
Предпочтительно в качестве низкоплотного слоя паронепроницаемой теплоизоляции использован вспененный состав на полимерной основе, например, вспененный полиэтилен «Пенофол» производства отечественной компании ЛИТ.
Кроме того, предпочтительно, в качестве термостойкой защитно-декоративной плиты использована термостойкая огнезащитная плита на основе гидравлического вяжущего с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей волокнистой добавки, образующаяся непосредственно на строительной площадке в результате нанесения на защищаемые поверхности огнезащитного штукатурного состава, например, штукатурного состава «Сотерм» производства компании Технотерм Групп или заводского изготовления, например, «Promatect» производства компании Promat GmbH.
На Фиг.1 представлена схема композиционной огнезащиты.
Предложенное устройство представляет собой слоистую огнезащитную конструкцию на основе композиционных плит, выполненное с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта 1 (элемент строительной конструкции или инженерной коммуникации) с нанесенным слоем внешнего армирования на основе углепластика 2, включает прилегающий к указанной поверхности слой 3 дешевого низкоплотного паронепроницаемого теплоизолирующего материала и термостойкую защитно-декоративную плиту 4.
2·
При этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны таким образом, что при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходит испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя, и ее диффундирование в виде водяного пара в сторону внутреннего слоя. И при дальнейшем прогреве происходит испарение сконденсировавшейся на поверхности внутреннего слоя, граничащего с наружным слоем, влаги. Следствием указанных физических процессов является существенное замедление прогрева композиционной огнезащиты: на кривой «температура поверхности внутреннего слоя - время» образуется так называемая полка (участок постоянной температуры, равный температуре кипения воды). Таким образом, внешний слой выполняет роль «парогенератора», обеспечивая в течение заданного времени на пограничной между слоями поверхности температуру порядка 100°C. В свою очередь, низкоплотный паронепроницаемый внутренний слой небольшой толщины, от 5 до 10 мм, обладая очень низким коэффициентом теплопроводности в пределах от 0,030 до 050 Вт/м°C имеющий теплостойкость не ниже 100°С, обеспечивает на том же временном промежутке температуру на защищаемой поверхности меньшую предельной, соответствующей теплостойкости полимерной матрицы армированного пластика (как правило от 50 до 60°C).
Следует отметить, что в случае большой продолжительности огневого воздействия (до 2-х часов и более) по стандартному температурному режиму, поверхность огнезащитной конструкции подвергается воздействию высоких температур (выше 1000°C). Это требует от материала поверхностного слоя повышенной термостойкости. Вместе с тем, применение для наружного защитно-декоративного слоя термостойких сталей в случае объектов рассматриваемого типа в силу очевидных причин нецелесообразно.
Большинству из перечисленных выше требований удовлетворяют термостойкие огнезащитные плиты на основе гидравлического вяжущего с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей волокнистой добавки, например, производящиеся непосредственно на строительной площадке в процессе нанесения на защищаемые поверхности огнезащитного штукатурного состава типа «Сотерм» или уже готовые плиты типа «Promatect». Они обладают достаточной термостойкостью, т.е. сохраняют прочность и исходную форму при нагреве до температур, характерных для условий развитого пожара, устойчивы к действию атмосферных факторов при обычной эксплуатации и обладают удовлетворительными защитно-декоративными качествами.
Однако плиты данного типа относительно дороги и имеют повышенную плотность. Кроме того, в условиях пожара их материал достаточно быстро прогревается до температуры 100°C, что приводит к необходимости неоправданного увеличения толщины огнезащиты для обеспечения на защищаемых поверхностях температур порядка 50…60°C. Поэтому применение плит этого типа становится нецелесообразным для огнезащиты конструкций, предельное состояние (потеря несущей способности) которых регламентируется элементами, имеющими теплостойкость существенно меньшую 100°C. К таким конструкциям относятся, в том числе, строительные конструкции, усиленные системами внешнего армирования на основе армированных пластиков, например, углепластиков.
Получение огнезащиты минимальной массы и стоимости в этих условиях возможно при использовании слоистой композиции, наружным слоем которой являются термостойкие плиты на основе огнезащитных штукатурок типа «Сотерм» или уже готовых типа Promatect, а внутренним - низкоплотные и относительно дешевые паронепроницаемые теплоизоляционные плиты, например, на основе рулонной теплоизоляции типа «Пенофол», «Адгилин» и т.п., обладающей при этом хорошей теплоизолирующей способностью в области температур на их поверхности со стороны обогрева, не превышающих 120°C.
Монтаж композиционной огнезащиты осуществляется креплением на защищаемую поверхность паронепроницаемой теплоизоляции и нанесением поверх нее плиты на основе штукатурного состава типа «Сотерм» по металлической сетке или уже готовых плит типа «Promatect».
Таким образом, реализация описанных физических эффектов приводит к существенному повышению огнезащитной способности композиционной огнезащиты. Эксперименты показали, что при этом суммарная толщина композиционной огнезащиты получается вдвое меньшей толщины однослойного огнезащитного материала, выполненного на основе штукатурного состава типа «Сотерм» или плит типа «Promatect».
Уменьшение в составе композиционной огнезащиты толщины наружного слоя из относительно дорогого материала повышенной плотности позволяет значительно уменьшить ее стоимость и массу по сравнению с огнезащитой из плит только одного этого типа.
Толщины слоев предложенной огнезащитной конструкции могут быть получены путем расчета каждого из них по отдельности т.к. на заданном временном интервале детерминированы граничные условия для каждого из них. Также упрощается и экспериментальная отработка, предшествующая сертификационным испытаниям.
Предлагаемое конструктивное исполнение композиционной огнезащиты снижает трудоемкость монтажа огнезащиты на объекте по сравнению с известными решениями, т.к. обеспечивает существенно меньшую суммарную толщину покрытия.