Исследование и перспективы использования композиционной огнезащиты на основе термостойких базальтоволокнистых материалов

УДК 614.841:620.197.6

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОЙ ОГНЕЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОСТОЙКИХ БАЗАЛЬТОВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

В. Л. Страхов, А. Н. Гаращенко

ЗАО "Теплоогнезащита"

Представлены новые результаты исследований композиционной огнезащиты на основе плит и матов из супертонкого базальтового волокна. Рассмотрены особенности поведения базальтоволокнистых материалов при нагреве и получены данные, подтвердившие их достаточно высокую термостойкость. Представлены результаты огневых испытаний образца железобетонной плиты с конструктивной огнезащитой на основе базальтоволокнистых плит и матов с наружным слоем из гипсоволокнистого листа, а также испытаний огнестойких воздуховодов с конструктивной огнезащитой на основе базальтоволокнистых прошивных матов. Полученные данные свидетельствуют о существенно более высокой огнезащитной эффективности данного варианта по сравнению с огнезащитой на основе минераловатных материалов. Приведенные результаты и положительный опыт применения варианта огнезащиты на основе базальтоволокнистых материалов, а также наличие разработанных авторами методов его оптимального проектирования свидетельствуют о хороших перспективах его дальнейшего практического использования.

В многочисленных публикациях, подготовленных авторами [1 -5], представлены результаты исследований и проектирования конструктивной (композиционной) огнезащиты на основе термостойких плитных и рулонных материалов. Полученные результаты, принятый подход к проектированию такой огнезащиты, ее отличительные черты, а также преимущества по сравнению с другими видами огнезащиты обобщены в монографии [6]. Было показано, что наиболее перспективным по технико-экономическим показателям является вариант композиционной огнезащиты на основе термостойких базальтоволокнистых материалов.

Как известно, для производства минераловат-ных материалов используются в основном минеральные, базальтовые, каолиновые или кремнеземные волокна. В части возрастания термостойкости эти материалы располагаются именно в таком порядке. Наибольшей термостойкостью (порядка 1200°С) обладают материалы из каолиновых и кремнеземных волокон. Однако из-за высокой стоимости (особенно кремнеземных материалов) они не нашли широкого применения в качестве огнезащиты строительных конструкций.

Наименьшую стоимость из перечисленных имеют минераловатные материалы, которые широко используются в качестве теплозащиты (теплоизоляции) ограждающих конструкций зданий и оборудования. Некоторые из таких материалов используются для огнезащиты несущих конструкций и воздуховодов, например плиты ППЖ-200, ПТЭ-150, маты МТОП, ТехМат и др. Однако, как

показали результаты испытаний и проектных расчетов, для обеспечения больших пределов огнестойкости конструкций (1,5-3 ч) требуются существенно большие толщины огнезащиты из минераловатных материалов по сравнению с базаль-товолокнистыми. Это может быть объяснено, в частности, более высокой термостойкостью базальто-волокнистых материалов по сравнению с минера-ловатными.

В данной статье представлены результаты дополнительных исследований композиционной огнезащиты на основе базальтоволокнистых плит и матов и рассмотрены дальнейшие перспективы ее применения. Приведены результаты испытаний образцов рассматриваемых материалов на стенде лучистого нагрева, а также конструкций с конструктивной огнезащитой в огневых печах по стандартным методикам.

Объектом исследований на стенде лучистого нагрева являлись плиты марки ПНТБ, изготавливаемые из базальтового супертонкого волокна (БСТВ) с толщиной волокон 1-3 мкм и бентонитового (глинистого) связующего, и маты прошивные из БСТВ марки МНТБ. Для сопоставления их характеристик с показателями материалов зарубежного производства испытывались плиты марок Con-lit-150 и PAL из тонкого базальтового волокна (толщина волокон 6-8 мкм), которые также являются базальтоволокнистыми, поскольку не содержат в отличие от многочисленных отечественных и зарубежных минераловатных материалов добавки в виде шлаков, мела, извести и пр. Именно эти

плиты рекомендованы фирмами-изготовителями (ROOKWOOL и Рагок) для защиты конструкций от пожара. Для сравнения испытывались также мине-раловатные плиты ПТЭ-150.

Конструкция стенда лучистого нагрева описана в работах [1 - 3]. Целью исследований являлась сравнительная оценка огнезащитной эффективности материалов, а также их термостойкости, т.е. уровня температур, до которых материалы сохраняли свою целостность и могли использоваться в качестве огнезащиты. Испытывались стальные пластины с размерами в плане 200 х 200 мм и толщиной 4 мм с огнезащитой в виде плит и матов толщиной от 30 до 50 мм. Для сравнительной оценки огнезащитной эффективности материалов, а также последующего определения их теплофизических характеристик при высоких температурах использовались показания термопар, установленных в пластинах. Испытываемые фрагменты помещались в квадратный проем соответствующих размеров, выполненный в перлитоцементной плите вровень с ее нагреваемой поверхностью. В ходе визуальных наблюдений при испытаниях отмечались особенности поведения образцов при нагреве.

Термостойкость материалов оценивалась по показаниям термопар, закрепленных на поверхности исследуемых образцов. В ходе нагрева фиксировались момент времени, при котором происходили значительные изменения состояния поверхностного слоя материала (плавление или спекание волокон, образование щелей или пустот), а также соответствующее этому моменту времени значение температуры.

Данные термопарных измерений, а также результаты их математической обработки показали, что базальтоволокнистые материалы обладают более высокой огнезащитной эффективностью по сравнению с минераловатными, что можно объяснить более высокой термостойкостью, а также более низким уровнем их коэффициента теплопроводности. В ходе визуальных наблюдений было установлено, что у материалов на основе БСТВ начиная с температур 700 - 750°С происходило изменение цвета с исходного серого на красно-бурый. При температурах порядка 1150°С у плит ПНТБ и 1130°С у матов МНТБ поверхность "съеживалась", на ней образовывались щели и пустоты и происходило значительное уменьшение толщины. Эти температуры можно принять в качестве пределатермо-стойкости указанных материалов.

Органолептические исследования образцов после испытаний показали, что в плоскости поперечного сечения в зоне изменения цвета видимых нарушений целостности и структуры материала не происходило, а его прочность повышалась. В то же время волокна испытанного материала в отличие от исходного после нагрева становились хрупкими и

при воздействии соответствующей нагрузки разрушались.

Анализ, проведенный с использованием результатов расчетов изменения температуры по толщине образцов, показал, что изменение цвета наблюдалось в диапазоне температур 750 - 900°С. Сопоставление толщины образцов до и после испытаний позволило сделать вывод, что в зоне изменения цвета происходила усадка материала на величину 5 - 8%.

Объяснение отмеченных особенностей поведения исследуемых материалов удалось получить с учетом данных по физико-химическим и термомеханическим процессам, происходящим в базальто-волокнистых материалах при нагреве [7]. Установлено, что причиной усадки является перекристаллизации волокна. Повышение хрупкости и снижение прочности волокна связано с процессом его перекристаллизации при нагреве, сопровождающимся уменьшением количества аморфной и увеличением доли кристаллической (более хрупкой и менее прочной) фаз. На кривых ДТА базальтовых волокон имеются экзотермические пики, свидетельствующие о появлении кристаллических фаз. Максимумы этих пиков для БСТВ соответствуют температуре 860°С, при которой кристаллизация проходит особенно быстро [7]; прочность волокон БСТВ при 850°С составляет 60% от исходной.

Определенное увеличение прочности базальто-волокнистых плит при нагреве происходит также вследствие спекания волокна и глинистой (бентонитовой) связки. По данным [7] температура спекания базальтовой ваты при нагрузке 20 Г/см2 составляет 1050 - 1075°С, что не противоречит приведенным выше результатам исследований. При объяснении причин усадки следует учитывать и то, что при температурах порядка 1100°С волокна размягчаются и возможно изменение геометрических размеров плит под действием собственного веса. Изменение цвета материалов с серого на красно-бурый является следствием превращения в процессе кристаллизации FeO, входящего в состав волокна, в Fe2O3.

Оценка минераловатных плит ПТЭ-150 показала, что их термостойкость была на уровне « 950°С, а усадка — около 3%. Термостойкость базальтово-локнистых плит СопШ-150 и PAL приблизительно соответствовала уровню этого показателя для плит ПНТБ, но их усадка была несколько ниже и не превышала 4%.

Выбор оптимальной конструкции огнезащиты проводился с использованием результатов испытаний в огневых печах. Ранее нами была проведена серия испытаний композиционной огнезащиты на основе плит ПНТБ и состава ЭСМА для различных строительных конструкций [1, 3-5]. Для крепления плит к защищаемым конструкциям использо-

вались стальные шпильки и шайбы. Состав ЭСМА предназначался для заполнения зазоров между плитами и создания наружного слоя огнезащиты, который благодаря эффекту влагопереноса-конденса-ции-испарения содержащейся в материале воды позволял уменьшить уровень нагрева защищаемых конструкций. Эффективность такого способа огнезащиты впервые была доказана для стальных балок и железобетонных плит перекрытий [1, 3]. При этом была показана возможность достижения пределов огнестойкости защищаемых строительных конструкций до 240 мин. В дальнейшем были получены данные, подтверждающие эффективность использования такой огнезащиты для стальных колонн [4] и воздуховодов [5]. Проведенные испытания показали, что композиционная огнезащита на основе базальтоволокнистых материалов может с успехом использоваться и обеспечивать получение высоких пределов огнестойкости до 240 мин для несущих и ограждающих конструкций, а также до 180 мин — для воздуховодов.

Кроме выявленной высокой эффективности данного варианта огнезащиты ее применение на многочисленных строительных объектах стало возможным во многом благодаря разработанной авторами методики оптимального проектирования [1,3,6]. Эта методика, а также сертифицированные по ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93, ГОСТ Р ИСО/ МЭК ТО 9294-93 программные комплексы серии "ОГНЕЗАЩИТА" [8] выполняют роль "инструментов" такого проектирования. Согласно этому подходу алгоритм и программа расчета огнезащиты конкретного типа вначале уточняются по результатам огневых испытаний по ГОСТ 30247.1-94, НПБ 236-97 и НПБ 239-97. Затем по программе рассчитываются требуемые толщины огнезащиты для всего многообразия встречающихся на практике типов конструкций, которые отличаются от испытанного образца формой и размерами, а также временем нагрева.

В ходе проектных расчетов толщины огнезащиты широко использовался "Программный комплекс для расчетов нестационарных двумерных температурных полей в конструкциях с огнезащитой из пористых или волокнистых материалов (ОГНЕЗАЩИТА. Версия 2Т)". В случае использования в составе композиционной огнезащиты слоев из содержащих воду материалов применялся "Программный комплекс для расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с водосодер-жащей огнезащитой на неорганической основе (ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВН.1)". Разработанная методика дала возможность реализовать на практике дифференцированный (индивидуальный) подход к определению требуемых толщин огнезащиты

строительных конструкций для многих уникальных строительных объектов.

Опыт практического использования рассматриваемого способа конструктивной огнезащиты на основе базальтоволокнистых материалов выявил наряду с преимуществами ряд недостатков. Одним из таких немногочисленных недостатков является сложность обеспечения эстетического внешнего вида и заданных геометрических размеров конструкций с огнезащитой. Для его устранения могут быть использованы варианты огнезащиты на основе базальтоволокнистых плит и матов с наружными слоями из гипсоволокнистых (ГВЛ) или термостойких силикатных плит типа Promatect-H.

Плиты Promatect-H, которые широко применяются за рубежом для огнезащиты различных конструкций и объектов, позволяют получить наиболее эффективную композиционную огнезащиту. Однако стоимость такой огнезащиты велика из-за высокой цены плит Promatect-H. Применяется указанный вариант огнезащиты, как правило, только на уникальных объектах и в случае повышенных требований по стойкости огнезащиты к воздействию влаги, агрессивных сред, механических воздействий при эксплуатации, а также по эстетическому внешнему виду конструкций.

Варианты огнезащиты на основе базальтово-локнистых материалов с наружным слоем из гипсо-волокнистых плит могут отличаться толщиной слоев применяемых материалов, способом их крепления к защищаемым конструкциям, а также самими крепежными элементами. Нами начата серия огневых испытаний, конечной целью которой является подтверждение высокой эффективности и возможности использования такой огнезащиты применительно к различным строительным конструкциям.

Первыми были проведены исследования опытного образца железобетонной плиты размером 1200 х 1200 х 220 мм с конструктивной огнезащитой с целью определения ее огнезащитной эффективности в соответствие с [9]. Испытания образца, схема которого представлена на рисунке, проводились во ВНИИПО на установке для теплофизиче-ских исследований и испытаний на огнестойкость малогабаритных фрагментов плоских конструкций. Образец был изготовлен из бетона класса В22,5 с рабочей арматурой класса В-1 диаметром 4 мм. На половине образца огнезащита выполнялась из базальтоволокнистых плит ПНТБ (ТУ 576940-024-5042022414-91) толщиной 50 мм, а на другой — из базальтоволокнистых матов на сетке МПБб (ТУ 5761-001-00111283-00) толщиной 50 мм. Маты МПБб являются аналогом матов МНТБ, упоминавшихся выше. Для крепления плит и матов к железобетонной плите использовались шпильки и шайбы. Плита ПНТБ состояла из двух

Фрагмент железобетонной

Дюбеля 0 6 мм

Базальтоволокнистые маты на сетке МПБб ТУ 5761-001-00111283-00, толщина 50 мм

I Термостойкий клей "Голиаф" ТУ 2262-003-50631177-2000

толщина 2x25 мм

А

ВИДА

1200

Шпилька 0 6 мм т7 с шайбой 4x40 мм

Самонарезающие стальные шурупы 0 3,5 мм с шагом 150 мм

60

прямой 60/27

Потолочный

профиль 60/27_

ТУ 111-004-04001508-95

плиты

Эскиз опытного образца и схема расстановки термопар: 1 - 3 — термопары; 'Xtc — направление теплового воздействия на опытный образец

половин, которые были состыкованы с помощью термостойкого клея "Голиаф" (2262-003-506311772000). На одном из участков фрагмента клей "Голиаф" использовался для приклейки базальто-волокнистой плиты к железобетонной.

В качестве наружного слоя огнезащиты использовался гипсоволокнистый лист (ГВЛ) толщиной 12,5 мм. Крепление ГВЛ осуществлялось к потолочному профилю с помощью самонарезающих стальных шурупов диаметром 3,5 мм с шагом 150 мм. В полости потолочного профиля размещалась плита ПНТБ. Как видно из рисунка, отогнутые края профиля фиксируют плиту или мат в нужном положении. На опытном образце до монтажа огнезащиты устанавливались термопары в количестве трех штук: одна — в центре под потолочным профилем, две другие — в середине прямых, соединяющих центр и углы образца, т.е. в центре участка фрагментов с плитой ПНТБ и матом МПБб.

Визуальные наблюдения за состоянием образца в ходе испытания показали следующее. Через 10 мин отмечено образование трещин на поверхности ГВЛ в центре опытного образца, а через 18 мин — частичное обрушение ГВЛ в этой зоне. Полное обрушение гипсоволокнистых листов по всей по-

верхности опытного образца отмечено через 60 мин. Наблюдения подтвердили надежность крепления плиты и мата с помощью шпилек с шайбами, а также отогнутых частей потолочного профиля. У мата отмечено провисание на 10 - 20 мм в зонах между крепежными элементами.

Термопарные измерения показали, что на момент окончания опыта (180 мин) средняя температура на поверхности бетона опытного образца с обогреваемой стороны под слоем конструктивной огнезащиты составила 149°С. Самый низкий уровень прогрева зафиксировала термопара, расположенная под слоем базальтоволокнистой плиты ПНТБ, максимальное значение температуры под ней на момент окончания опыта составило только 107°С. Максимальная температуры под слоем мата МПБб была 176°С, под потолочным профилем — 165°С.

Экспериментальные исследования и расчеты огнестойкости конструкций из железобетона свидетельствуют о том, что для них в качестве предельного состояния в первом приближении может быть принят нагрев поверхности конструкции до температуры 350 - 450°С, арматуры — до 300°С [9].

Столь низкий уровень прогрева железобетонной плиты, зафиксированный в ходе огневого испытания, свидетельствует о том, что рассматриваемый вариант конструктивной огнезащиты обеспечивает с большим запасом получение предела огнестойкости порядка 180 мин. Расчеты показали, что данный вариант огнезащиты может обеспечить предел огнестойкости железобетонных конструкций до 240 мин. В дальнейшем планируется проведение подобных огневых испытаний для получения предела огнестойкости порядка 180 мин для стальных конструкций.

Кроме этого были проведены испытания огнестойких воздуховодов с конструктивной огнезащитой на основе базальтоволокнистых прошивных матов МПБ. Испытывались образцы фальцевых воздуховодов на фланцевых соединениях с поперечным сечением 600 х 900 мм, выполненные из оцинкованной листовой стали толщиной 0,9 мм с уплотнением из асбестового шнура ШАИ-1 диаметром 6 мм.

Огнезащита состояла из базальтоволокнистого мата, стеклоткани и стальной сетки. Монтаж огнезащиты производился согласно технологическому регламенту № В-МБП-01. Воздуховод по периметру оборачивался матом с нахлестом 50 ± 10 мм, который закреплялся на воздуховоде вязальной стальной проволокой. Закрепленные таким образом на воздуховоде маты обматывались вначале стеклотканью, а затем стальной сеткой. Положение стальной сетки фиксировалось вязальной проволокой.

Для обеспечения огнестойкости подвесок воздуховодов в соответствии с технологическим регламентом [10] они защищались термостойкими базальтоволокнистыми плитами ПНТБ толщиной 60 мм. Из плиты ПНТБ вырезался брусок размером 60 х 60 мм, вдоль оси одной из его сторон на всю длину делался надрез глубиной 30 ± 5 мм. Брусок плотно насаживался на подвеску, охватывая ее, обматывался по периметру стеклотканью и закреплялся стальной проволокой.

Фактические пределы огнестойкости воздуховодов с данным вариантом огнезащиты были полу-

чены в ходе проведения огневых испытаний образцов во ВНИИПО по НПБ 239-97. На основании полученных результатов выдан сертификат пожарной безопасности, в котором отмечено, что для обеспечения предела огнестойкости воздуховодов, равного 3 ч, толщина огнезащиты должна составлять 60 ± 5 мм, 2 ч — 50 ± 5 мм, 1ч — 40 ± 5 мм.

Следует отметить более высокую огнезащитную эффективность указанного варианта конструктивной огнезащиты по сравнению с другими сертифицированными средствами, выполняемыми в большинстве случаев на основе минераловатных матов. Об этом свидетельствует меньшая толщина огнезащиты, обеспечивающая получение заданных пределов огнестойкости воздуховодов, по сравнению с другими известными способами. Можно также отметить технологичность такой огнезащиты, возможность и удобство ее монтажа при различных вариантах размещения воздуховодов, включая их расположение в коробах и шахтах. Кроме того, огнезащита на основе базальтоволокнистых материалов обладает наибольшей долговечностью по сравнению с другими средствами, что особенно важно для случаев ее монтажа на конструкциях, доступ к которым невозможен или затруднен.

Таким образом, проведенные исследования и огневые испытания подтвердили высокую эффективность композиционной огнезащиты на основе базальтоволокнистых плит и матов. Использование разработанных авторами методов оптимального проектирования огнезащиты с учетом исполнения каждой конкретной строительной конструкции позволило получить значительную экономию средств при проведении работ по огнезащите ряда ответственных объектов. Положительный опыт применения данного варианта огнезащиты в Москве и других регионах страны, а также наличие совершенных методов проектирования огнезащиты свидетельствуют о хороших перспективах его дальнейшего использования для защиты несущих и ограждающих строительных конструкций, а также коммуникаций, емкостей, оборудования и других объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Кругов А. М. Оптимизация огнезащиты строительных конструкций // Пожаровзрывобезопасность. 1997. Т. 6.№ 1. С. 26-35.

2. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Кругов А. М. Некоторые результаты исследований легкой огнезащиты из термостойких базальтоволокнистых материалов на повышенные пределы огнестойкости // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1997. № 1. С. 51-58.

3. Кирюханцев Е. Е., Гаращенко А. Н., Давыдкин Н. Ф. Прогрессивный метод огнезащиты строительных конструкций // Монтажные и специальные работы в строительстве. 1998. № 1. С. 18-25.

4. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Кругов А. М. Разработка композиционной огнезащиты повышенной эффективности из термостойких базапьтоволокнистых материалов и водосодержа-щих составов // Пожаровзрывобезопасность. 1999. Т. 8. № 2. С. 13-24.

5. Страхов В. Л., Давыдкин Н. Ф., Гаращенко А. Н. Повышение огнестойкости воздухо- и газоходов системы пожарной безопасности объектов с помощью композиционной огнезащиты // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1997. № 1. С. 59-66.

6. Страхов В. Л., Крутов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций — М.: ТИМР, 2000.

7. Дубовский В. А., Махова М. Ф., Рычко В. А. Свойства расплавов основных магматических горных пород Украины и волокон на их основе. — Киев: Техника, 1971.

8. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П. Программные комплексы для расчетовтеп-ломассопереноса в строительных конструкциях с огнезащитой с учетом термического разложения, вспучивания-усадки и испарения-конденсации // Пожаровзрывобезопасность. 2001. Т. 10. № 4. С. 9-11.

9. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

10. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций (МДС 21-2.2000) — М.: ГУП "НИИЖБ", 2000.

Поступила в редакцию 16.07.04.