Смотрите также
Огнезащитное покрытие «ОВПФ-1М» для металлаАтмосферостойкий огнезащитный лак
Огнезащитная кровельная мастика (ОКМ)
2005 - "Исследование и оценка долговечности эффективности огнезащитных составов." (Еремина Т.Ю., Дмитриева Ю.Н., Крашенинникова М.В.)
версия для печати На протяжении опыта 12 лет успешной работы нашей организации, являющейся одной из лидирующих компаний по производству огнезащитной продукции и оказанию услуг по противопожарной защите сложилась структура, которая определяет не только перспективы развития, но и поддерживает систему качества, созданную на предприятии - отдел перспективных разработок. На основе проводимых исследований готовятся к защите три кандидатские работы, написано и опубликовано около 100 совместных статей. Научный консультант диссертантов - Еремина Татьяна Юрьевна, д.т.н. по специальности «пожарная и промышленная безопасность (строительство)».
Одна из непосредственных задач отдела - контроль качества по всему производственному циклу и, в частности, контроль качества и прогнозирование долговечности и надежности применяемых составов на реальных строительных объектах в течении времени эксплуатации, т.е. контроль сохранения в первую очередь эффективности огнезащитных свойств.
Для прогнозирования эффективности огнезащитных составов на объекте могут быть произведены исследования по определению вспучиваемости, данных дифференциально-термического анализа (ДТА) и рентгено-фазового анализа (РФА), значений эффективного коэффициента теплопроводности (lэфф), а также может быть произведен замер толщины покрытия. Все вышеперечисленные показатели определяются путем отбора некоторого количества огнезащитного состава прямо с объекта (с подложки материала), где была произведена огнезащитная обработка и сравнение их с показателями, полученными при исследовании свойств на моделях (после проведения исследований по методике искусственного старения).
Единого мнения по методике и долговечности оценки исследованию долговечности огнезащитных вспучивающихся покрытий не существует. В большинстве случаев процесс исследования долговечности моделируется приближенно к реальным условиям эксплуатации.
Известно, что в процессе эксплуатации зданий и сооружений происходит разрушение наружных слоев материала конструкций под действием различных внешних факторов. Этот процесс является результатом воздействия сложного комплекса агрессивных атмосферных воздействий. Наиболее разрушительным является действие влаги, замерзающей в порах покрытия, особенно на границе покрытие - стеновой материал. При этом у пористых материалов, к которым относится древесина, наряду с замерзанием материала с одной стороны происходит постоянное поступление влаги с противоположной стороны.
В процессе охлаждения вода перемещается из зоны положительных температур в зону отрицательных температур, причем наибольшая влажность устанавливается не у наружной поверхности, а на некотором расстоянии от нее (приблизительно 2-10 мм). Процесс перемещения влаги к охлаждаемой поверхности протекает достаточно быстро и может давать водонасыщение отдельных зон значительно превышающее критическое, что способствует разрушению материала. Таким образом, многократные увлажнения и высыхания активно воздействуют на все строительные материалы, вызывая в них как конструктивные, так и деструктивные процессы, причем последние в большинстве случаев получают преимущественное развитие, что создает предпосылки к быстрому износу материала.
По существующим представлениям разрушение увлажненных строительных материалов при воздействии мороза может происходить по ряду причин:
1) внутренние напряжения, возникающие из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов;
2) разрушающего действия замерзающей воды, находящейся в порах и капиллярах;
3) попеременное увлажнение и высыхание материала.
Важным условием для всех материалов, в том числе и для огнезащитных покрытий является их стойкость к атмосферным воздействиям в условиях длительной эксплуатации. При моделировании необходимо учитывать возможные процессы, возникающие на границе покрытия с подложкой, которые показаны на рис.1. Из рис. 1 видно, что с внешней стороны покрытие испытывает температурные воздействия (положительные и отрицательные), влажностные (в виде дождя, снега, инея и конденсата, капиллярного подсоса), воздействия ветра (с песком и другими пылеобразующими частицами), аэрозолей, в т.ч. углекислых, сернистых и других газов, образующих с водой сернистую, углекислую и другие кислоты. С внутренней стороны будет оказывать воздействие влага в виде сконденсировавшегося пара из-за перепада температур.
Рис.1. Схема процессов, возникающих в покрытии и на границе покрытия с подложкой металла при внешнем атмосферном воздействии.
R - прочность сцепления покрытия; P - напряжения в конструкции; w, w¢ - атмосферная влага; t - температурные воздействия; SN - агрессивные воздействия (аэрозоли из атмосферы воздуха СО, О); ey, ey¢ - усадочные и температурные деформации покрытия и конструкции; 1 - покрытие; 2 - защищаемая конструкция.
Напряжения, возникающие в плоскости сцепления покрытия с подложкой, являются результатом выше указанных воздействий, а также следствием физико-химических и процессов, происходящих как в материале подложки, так и огнезащитного покрытия. К таким процессам относятся объемные и линейные деформации огнезащитного покрытия и материала подложки вследствие периодических изменений температуры и влажности окружающей среды. В контактном слое появляются два вида напряжений: нормальное напряжение по отношению к поверхности сцепления (характеризуется прочностью сцепления на отрыв) и касательное по отношению к поверхности сцепления (характеризуется прочностью на сдвиг).
Установлено, что для огнезащиты конструкций и изделий от атмосферных воздействий должны применяться более плотные по структуре и более долговечные (атмосферостойкие) покрытия. В пpoцессе эксплуатации зданий происходит разрушение наружных слоев поверхности под действием различных внешних факторов. Скорость и характер разрушения при этом зависят не только от долговечности огнезащитного состава в отдельности, но и от сочетания его свойств, в результате чего необходимо определять адгезию, огнезащитную эффективность и другие показатели.
Необходимость выяснения долговечности покрытия вытекает из того, что в практических условиях покрытие зачастую выдерживает в течение ряда лет сотни и тысячи циклов замораживания и оттаивания, увлажнения и высушивания, не подвергаясь заметному разрушению. В то время как при испытании образцов из такого покрытия 'по стандарту непрерывным замораживанием или оттаиванием или увлажнением и высушиванием регистрируется их относительно умеренная стойкость (50-100) циклов.
Таким образом, основное различие воздействия природных факторов на покрытие состоит в том, что покрытие подвергается в осенне-зимний период активному водонасыщению, а в весенне-летний, летний и осенний периоды, когда температуры положительны, происходит высушивание покрытия, что благоприятно отражается на его атмосферостойкости (долговечности).
В результате в реальных условиях процесс долговечности не всегда является «жестким» по сравнению с моделируемым. Но не все указанные выше внешние процессы моделируются в лабораторных условиях. Поэтому задачей опытов над разрабатываемыми покрытиями являлось моделирование «жестких» условий процессов долговечности.
Для исследования покрытий на долговечность по трем видам подложки, готовили образцы:
• для металлических конструкций - из стали Ст3 размерами 200´200 мм.
• для деревянных конструкций - из прямоугольной воздушно-сухой древесины сосны с влажностью не более 15 % (влажность определяется электровлагомером) и плотностью от 400 до 550 кг/м3. Образцы без видимых пороков по ГОСТ 2140. Боковые поверхности образцов остроганы, торцы опилены и обработаны наждаком. Образцы древесины в виде прямоугольного бруска с поперечным сечением 30´60 мм и длинной 150 мм.
воздушно-сухой древесины сосны с влажностью не более 15 % (влажность определяется электровлагомером) и плотностью от 400 до 550 кг/м3. длинной
• для кабельной продукции - из кабеля длиной 1 м.
Необходимо было также проверить изменение огнезащитной эффективности покрытия после ускоренного старения в результате попеременного воздействия на образцы колебаний влажности в заданной последовательности. Три образца последовательно выдерживают 8 ч в сушильном шкафу при температуре (60±5) °С, 16 ч в эксикаторе относительной влажностью воздуха 100% при нормальной температуре, 8 ч в сушильном шкафу при температуре (60±5) °С, 16 часов в нормальных условиях. Испытания включают семь циклов по указанной схеме. Во время испытания ведется наблюдение за состоянием покрытия. По истечении указанного срока образцы выдерживаются в нормальных условиях не менее 48 часов.
Для металлических конструкций и кабельной продукции испытания проводились по следующей методике: замораживание при t = - 30 °С в течение 5 часов; высушивание при t = +40 °С в течение 4 часов; водонасыщение (в эксикаторе) в течении 16 часов. Один цикл составляет 25 часов. Три цикла равны долговечности сроком в 1 год.
Таблица 1.
Результаты испытаний на долговечность.
| № п/п | Варианты покрытий | Результаты испытаний искусственного старения (ИС) | ||
| Целостность покрытия через 1 год | Долговечность, лет | Внешний вид после испытаний | ||
| Для металлических конструкций | ||||
| 1 | Неатмосфероустойчивое покрытие по металлу | Целостность нарушена по краям | 10 | Миграция солей значительная |
| 2 | Атмосфероустойчивое покрытие по металлу | Целостность не нарушена | 15 | Целост-ность не нарушена |
| Для деревянных конструкций | ||||
| 3 | Неатмосфероустойчивое покрытие по древесине | Целостность нарушена по краям | 10 | Наличие небольших трещин |
| 4 | Атмосфероустойчивое покрытие по древесине | Целостность не нарушена | 15 | Целост-ность не нарушена |
| 5 | Атмосфероустойчивое покрытие по древесине | Целостность не нарушена | 15 | Целост-ность не нарушена |
| 6 | Неатмосфероустойчивое покрытие по древесине | Целостность не нарушена | 15 | Целост-ность не нарушена |
| 7 | Неатмосфероустойчивая пропитка по древесине | Частично вымылась | 2 | Следов пропитки не осталось |
| Для кабелей | ||||
| 8 | Неатмосфероустойчивое покрытие по кабелям | Целостность нарушена по краям | 5 | Наличие небольших трещин |
| 9 | Атмосфероустойчивое покрытие по кабелям | Целостность не нарушена | 15 | Целост-ность не нарушена |
В качестве рассматриваемого примера возьмем известную продукцию ОВПФ-1М для металлических конструкций (ТУ 1523-025-47935838-12003).
Для того чтобы оценить и спрогнозировать поведение огнезащитного состава (применяемого на практике или вновь разрабатываемого) с истечением конкретного срока эксплуатации необходим набор соответствующих показателей (таблица №2).
Таблица 2.
Оценка и прогнозирование по результатам экспериментально-теоретических исследований огнезащитного состава ОВПФ-1М.
№ п/п | Исследуемый параметр | До исследований по методике искусственного старения | После исследований по методике искусственного старения | На основании реальных условий эксплуатации |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1 | Огнезащитная эффективность, мин | 158 | 152 | - |
2 | Толщина покрытия, мм | 30,5 | 30,5 | 30,5 |
3 | Адгезия, МПа | 0,5 | 0,46 | 0,4 |
4 | Кратность вспучивания | 8 | 7,7 | 7,5 |
5 | Влажность покрытия, % | 18 | 21 | 26 |
6 | Стойкость к статическому воздействию жидкости | не устойчиво | не устойчиво | не устойчиво |
7 | Прочность на удар, см | 30 | 26 | 26 |
8 | Прочность на изгиб, мм | 17 | 16 | 16 |
9 | Объемная масса, кг/м3, состава | 1720 | 1670 | 1650 |
10 | Срок эксплуатации, лет | 10 | 10 | 10 |
Для прогнозирования эффективности огнезащитного составаОВПФ-1м проведены исследования дифференциально-термического анализа (ДТА), рентгенофазового анализа (РФА) и высокотемпературной микроскопии (ВТМ) до и после испытаний по методике искусственного старения и на основании данных реальных условий эксплуатации путем отбора некоторого количества огнезащитного состава прямо с объекта (с подложки материала на объектах Пилорама. Санкт-Петербург, пос. Лисий Нос, ул. Аэродромная, д. 17 и Проектный институт НИИТМАШ. Санкт-Петербург, ул. Караванная, д. 1), где была произведена огнезащитная обработка (рис. 1).
Рис. 1. Данные результатов ДТА огнезащитного состава ОВПФ-1м:
а - до испытаний по методике искусственного старения; б - после испытаний по методике искусственного старения (10 лет); в - после реальных условий эксплуатации (10 лет).
Анализируя данные ДТА образцов можно отметить следующие области эндотермических и экзотермических эффектов:
• Эндо область от 20 до 157 ºС
• Экзо область от 157 до 360 ºС
При этом прослеживаются практически одинаковые показатели пиков для образцов в интервале температур около 100, 300 ºС после искусственного старения и после натурных испытаний.
Исследуя полученные данные зафиксировано, что огнезащитная эффективность с увеличением срока эксплуатации увеличивается, что связано с гидрофильностью состава, то есть способностью состава адсорбировать воду на поверхности, а так же с выделением нерастворимого и термостойкого соединения силиката при воздействии углекислого газа.
Далее для прогнозирования эффективности огнезащитного состава ОВПФ-1м были проведены исследования по определению новообразований с помощью рентгено-фазового анализа (РФА) (рис. 2).
Рис. 2. Данные результатов РФА для огнезащитного состава ОВПФ-1м:
а) до испытаний по методике искусственного старения;
б) после испытаний по методике искусственного старения (9 лет);
в) на основании реальных условий эксплуатации (9 лет)
По данным РФА структура покрытия ОВПФ-1М в исходном состоянии представляет преобладание магниевого вермикулита, серпентинита. В покрытии после испытаний на долговечность в соответствии с РФА весьма характерно появление лизардита - алюминатного вермикулит (MgAl)3(SiAl)2O5OH4. Таким образом, у состава ОВПФ-1м новые образованные соединения в виде натриево-магниевых силикатов - лизардита улучшают огнезащитные и другие эксплутационные свойства, материала покрытия.
Для определения стабильности вспучивания покрытия фиксировалось на фотопленку изменение формы образца в зависимости от температуры с помощью ВТМ для огнезащитного состава ОВПФ-1м. Форма образца определяется - высотой h, мм (рис. 3.).
Рис. 3. Данные результатов ВТМ огнезащитного состава ОВПФ-1м:
а - до испытаний по методике искусственного старения; б - после реальных условий эксплуатации (9 лет).
Результаты экспериментально-теоретических исследований на состав ОВПФ-1м представлены в табл.2.
Анализируя физико-химические процессы, происходящие в огнезащитном покрытии ОВПФ-1м при толщине 30,5 мм прослеживается приблизительно одинаковая эндо- и экзо- области температур от 20 до 535 °С и от 480 до 555 °С, где происходят процессы вспучивания с частичным удалением оставшейся воды и появлением одних и тех же новообразований (термоустойчивых безводных алюмосиликатов натрия, натриймагниевых силикатов и оксидов кремнезема) с последующим их разложением, что подтверждается эндотермическими и экзотермическими эффектами при одних и тех же температурах 120-380 ºС и 500-540 ºС и результатами ВТМ.
Рассмотрим также два состава по деревянным конструкциям, разработанных в нашей фирме: лак «Терма» тип А и пропитка «ТП», обеспечивающие 1-ю группу огнезащитной эффективности согласно НПБ 251-98.
Для прогнозирования эффективности огнезащитного лака «Терма», тип А, проведены соответствующие исследования дифференциально-термического анализа (ДТА), рентгено-фазового анализа (РФА) и высокотемпературной микроскопии (ВТМ) до и после испытаний по методике искусственного старения и после реальных условий эксплуатации путем отбора некоторого количества огнезащитного покрытия прямо с объекта (с подложки материала на объекте Санкт-Петербург, Театральная пл., д. 1, Государственный Академический Мариинский театр), где была произведена огнезащитная обработка. Результаты исследований представлены в табл. 3.
Таблица 3.
Оценка и прогнозирование по результатам экспериментально-теоретических исследований огнезащитного лака Терма, тип А
№ п/п | Исследуемый параметр | До исследований по методике искусственного старения | После исследований по методике искусственного старения | На основании реальных условий эксплуатации |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1 | Потеря массы | 7,9 % | 8,2 % | - |
2 | Адгезия | 1 балл | 2 балла | 2 балла |
3 | Кратность вспучивания | 1,8 | 1,7 | 1,6 |
4 | Влажность покрытия | 19 | 21 | 18 |
5 | Стойкость к статическому воздействию жидкости | не устойчиво | не устойчиво | не устойчиво |
6 | Объемная масса грунта | 1350 кг/м3 | 1370 кг/м3 | 1360 кг/м3 |
7 | Объемная масса лака | 1080 кг/м3 | 1070 кг/м3 | 1060 кг/м3 |
8 | Срок эксплуатации | 15 | 15 | 15 |
При анализе физико-химических процессов огнезащитного лака «Терма», тип А, для древесины и материалов на ее основе прослеживается приблизительно одинаковая область температур от 20 до 180 °С, при которых происходит окислительная деструкция пленкообразователя лака и вспучивание грунта с последующей стабилизацией кокса. Это подтверждается эндотермическими и экзотермическими экстремумами при температурах 90, 385, 450, 580 °С и результатами РФА и ВТМ.
Для прогнозирования эффективности огнезащитной пропитки ТП проведены соответствующие исследования дифференциально-термического анализа (ДТА), рентгено-фазового анализа (РФА) и высокотемпературной микроскопии (ВТМ) до и после испытаний по методике искусственного старения и после реальных условий эксплуатации путем отбора некоторого количества стружки прямо с объекта (стружка снята с деревянных конструкций на объекте Санкт-Петербург, 4-ая линия В.О., Собор Андрея Первозванного), где была произведена огнезащитная пропитка чердачных помещений, а результаты исследований представлены в табл. 4.
Таблица 4.
Оценка и прогнозирование по результатам экспериментально-теоретических исследований огнезащитной пропитки ТП
№ п/п | Исследуемый параметр | До исследований по методике искусственного старения | После исследований по методике искусственного старения | На основании реальных условий эксплуатации |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1 | Потеря массы, % | 8,6 | 8,8 | до 25 |
2 | Влажность покрытия, % | 13 | 14 | 15 |
3 | Стойкость к статическому воздействию жидкости | Не устойчива | Не устойчива | Не устойчива |
4 | Объемная масса | 1200 кг/м3 | 1160 кг/м3 | 1140 кг/м3 |
5 | Срок эксплуатации | 3 | 3 | 3 |
При анализе физико-химических процессов огнезащитной пропитки ТП для древесины и материалов на ее основе прослеживается можно увидеть одинаковую область температур, характеризующая поведение пропитки: образование фосфата аммония (NH4)H2PO4 - 44,1 %, гипса CaSO4 · 2H2O - 47,8 % (CaSO4 - следы ангидрида), биллита (K, H3O)Al2Si5AlO10(OH)2 - 8,1 % с последующей деструкцией и дегидратацией, что подтверждается эндотермическими и экзотермическими экстремумами при температурах 110 и 350 °С и результатами РФА и ВТМ.
Аналогичные работы по контролю качества покрытий на уже сданных в эксплуатацию объектах проводятся по всем составам.
Таким образом, на основании оценки реальных и экспериментальных данных (независимо от модели, фрагмента конструкции, подложки материала) с помощью дифференциально-термического анализа, рентгено-фазового анализа, значений эффективного коэффициента теплопроводности подтверждается сходимость значений показателей и возможностью прогнозирования сроков эксплуатации, близким к реальным.
Нами исследуются эксплуатационные свойства составов на различных пленкообразователях с соответствующими вспучивающимися добавками и модификаторами свойств, проводятся физико-химические исследований (ДТА, РФА, ВТМ), анализируются и оцениваются результаты исследований по методике искусственного старения, сравниваются с данными реальных условий эксплуатации. Для всех составов наблюдается стабильное поведение структур покрытий огнезащитных материалов и характерная тенденция новообразований. Это подтверждается незначительным изменением эффективного коэффициента теплопроводности до 5 %. Соответственно, на основании этих данных существует возможность прогнозирования надежности огнезащитных составов через несколько лет и, таким образом, подтверждать заданный интервал времени сроков действия огнезащиты.
Еремина Т.Ю, .д.т.н.,
Дмитриева Ю.Н., Крашенинникова М.В.( ООО «НИЦ С и ПБ»).