УДК 624.014:699.812.2
О.Н. Гвоздева
Отряд государственной пожарной службы № 2 пожарная часть №20
К.М. Воронин
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Предотвращение распространения пожара достигается мероприятиями, ограничивающими площадь, интенсивность и продолжительность горения.
К ним относятся:
- Конструктивные и объемно-планировочные решения, препятствующие распространению опасных факторов пожара по помещению, между помещениями, между группами помещений различной функциональной пожарной опасности, между этажами и секциями, между пожарными отсеками, а также между зданиями.
- Ограничение пожарной опасности строительных материалов, используемых в поверхностных слоях конструкций зданий, в том числе кровель, отделок и облицовок фасадов, помещений и путей эвакуации.
СНиП 21 – 01 – 97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» устанавливает пределы огнестойкости основных строительных конструкций и пределы распространения огня по ним. Предел огнестойкости конструкций характеризуется временем в часах от начала теплового воздействия до возникновения одного из признаков наступления предельного состояния по огнестойкости и устанавливается экспериментально по стандарту СЭВ 1000 – 78 или расчетным путем в соответствии с рекомендациями по расчету огнестойкости строительных конструкций.
Повышение огнестойкости конструкций осуществляется путем их огнезащиты. Как известно, металлы несгораемые материалы, поэтому предел распространения огня равен нулю. Необходимость огнезащиты металлических конструкций обусловлена высокой чувствительностью металлов к высоким температурам и воздействию огня. В результате высокой теплопроводности они быстро прогреваются и снижают свои механические качества, что ограничивает область применения незащищенных металлических конструкций по огнестойкости. Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов сечения и величины действующих напряжений колеблется от 0,1 до 0,4 ч.
Задача огнезащиты металлических конструкций заключается в создании на их поверхности теплоизолирующих экранов, выдерживающих воздействие высокой температуры «до 1100оС» и непосредственное воздействие огня. Такие экраны замедляют прогревание металла и сохраняют конструкциям их функции при пожаре в течение заданного нормативного периода времени.
Из вновь возводимых промышленных зданий площадью порядка 50 млн. м2, 20 млн. м2 приходятся на многоэтажные, 3,5 млн. м2 составляют здания со смешанным каркасом и 1,9 млн. м2 – здания с металлическим каркасом. В соответствии с противопожарными нормами в огнезащите нуждаются стальные конструкции многоэтажных промышленных зданий с размещаемыми в них производствами категории А, Б и В. Их площадь составляет около 2,5 млн. м2. Из них по 1,2 млн. м2 защищается конструктивными способами и облегченными покрытиями, включая «вспучивающиеся краски». Около 0.7млн. м2 поверхности конструкций защищают с применением автоматических систем пожаротушения.
Существуют следующие конструктивные способы огнезащиты: обетонирование, обкладка кирпичом и др. каменными изделиями; облицовка гипсокартонными, гипсоволокнистыми и асбестоцементными листами, цементно-стружечными и перлитофосфогелевыми плитами, облицовка стальными листами в сочетании с минеральной ватой и минераловатными плитами; оштукатуривание цементно-песчаной штукатуркой, легких штукатурок на основе пористых заполнителей; нанесение фосфатных составов и вспучивающихся красок.
При выборе оптимального способа огнезащиты необходимо учитывать показатели трудозатрат на производство работ. Самые дешевые способы облицовки имеют самые высокие трудозатраты при производстве работ «цементно-песчаные штукатурки», в то время как материалы, требующие наименьших трудозатрат, самые дорогие «вспучивающаяся краска ВПМ – 2»
Сравнительно часто в отечественном строительстве применяется такой вид огнезащиты стальных конструкций, как обетонирование. Такой вид защиты рационален в том случае, когда одновременно производится усиление колонн или стоек, например, при реконструкции зданий и сооружений.
Обкладку кирпичом применяют для защиты колонн и стоек. Ригели, балки и связи в этом случае рационально защищать другими способами, например, оштукатуривание или облицовка гипсокартонными листами.
Для огнезащиты несущих металлических конструкций производственных зданий широко применяют облицовку гипсокартонными листами. Листовые облицовочные материалы для огнезащиты металлических конструкций получили широкое распространение за рубежом. Выпускают листы на основе гипса, цемента, вермикулита, перлита, минеральных волокон и др. материалов.
В России и за рубежом для повышения огнестойкости конструкций широко применяют огнезащитные цементно-песчаные и цементно-перлитовые штукатурки, облегченные покрытия и вспучивающиеся краски.
Огнезащитное действие цементно-песчаной штукатурки основано на большой удельной теплоемкости материала (средняя плотность – 1800 кг/м2) В случае пожара тепло тратится на удаление из цементного камня физически и химически связанной воды, что предотвращает быстрый прогрев защищаемой поверхности. При толщине штукатурного слоя от 25 до 60мм предел огнестойкости металлических элементов и конструкций составляет от 0,75 до 2,5ч. Использование цементно-песчаной штукатурки обусловлено такими достоинствами, как недефицитность материалов для приготовления состава, простота его изготовления, возможность механизированного нанесения, обеспечение практически любого предела огнестойкости защищаемой конструкции. Но этот вид огнезащиты имеет ряд недостатков, ограничивающих широкое применение: большая трудоемкость работ по нанесению покрытия из-за необходимости армирования стальной сеткой, большие нагрузки на фундаменты зданий и сооружений в результате утяжеления каркаса; необходимость применения антикоррозийных составов; невозможность применения для защиты конструкций сложной конфигурации.
Нанесение огнезащитных легких штукатурок на основе пористых заполнителей: вспученных перлита, вермикулита и других делают их пригодными за счет высокой температуры плавления заполнителей (около 14000С). В случае пожара они не выделяют дыма, токсичных газов, а только – водяной пар. В качестве вяжущих для приготовления огнезащитных штукатурок используют обычный и быстротвердеющий портландцементы, гипс, известь, жидкое стекло. Наиболее эффективными считаются составы на быстротвердеющем портландцементе, т.к. другие используют для штукатурок в помещениях с относительной влажностью не более 60%. Для улучшения физико-механических, технологических свойств, повышения огнезащитной способности в состав легких штукатурок вводят минеральное волокно (асбест, стекловолокно и стекловату, шлаковолокно, шлаковату, базальтовое волокно и др.)
За последние 30 лет создано множество огнезащитных составов на основе легких заполнителей, чаще всего их применяют в виде цементно-перлитовых, гипсо-вермикулитовых штукатурок. Легкие огнезащитные штукатурки более эффективны по сравнению с цементно-песчаными штукатурками, так как, обеспечивая одинаковый предел огнестойкости конструкции, они в меньшей степени утяжеляют каркас зданий и сооружений, не увеличивая нагрузок на фундамент. Они получили широкое применение за рубежом в таких странах, как Болгария — Sofsterm (вспученный перлит, диатомит, цемент и жидкое стекло); Австрия – Mandoseal и Mandolite; США – цементно-вермикулитовый состав (при толщине слоя штукатурки 65мм повышает огнестойкость стальных конструкций до 4 часов) и т.д.
В то же время этому виду покрытий свойственны недостатки. Материал покрытий мягкий и имеет небольшую прочность, легко отслаивается от поверхности металла. Такие покрытия нельзя использовать для открытых поверхностей, не запущенных от механических повреждений, а также для поверхностей, которые подвергаются атмосферному воздействию. Огнезащитные штукатурки не являются антикоррозионными, поэтому перед их нанесением металлические поверхности должны быть защищены антикоррозионным составом, они не отвечают эстетическим требованиям и не могут быть нанесены на конструкции сложной конфигурации. Необходимость применения арматурных сеток, наличие асбеста в подавляющем большинстве составов увеличивает трудоемкость и ухудшает условия труда.
Большой интерес представляют огнезащитные фосфатные составы. Фосфаты используются как связующие и отвердители жидкого стекла. В настоящее время наиболее распространенными являются составы ОФП-МВ и ОПВ-180. В ОФП-МВ асбест заменен гранулированной минеральной ватой. Состав приготовляют на строительной площадке путем смешивания различных компонентов, входящих в рецептуру: сухой смеси заводского изготовления и жидкого стекла.
При взаимодействии жидкого стекла и нефелинового антипирена образуется большое количество стеклообразующих комплексных соединений сложного состава и ряд фосфатных солей: фосфатов аммония, алюминия и железа. Волокнистый наполнитель не только механически армирует покрытие, повышая его прочность, но и участвует в процессах твердения. Он адсорбирует воду, ускоряя процессы коагуляции жидкого стекла, способствует его кристаллизации.
Огнезащитное фосфатное покрытие ОФП-МВ имеет высокую адгезию к поверхности стальных конструкций, очищенной от продуктов коррозии, окалины, жировых пятен, а также к поверхности, огрунтованной железным суриком или составом на основе глифталевых лаков.
В случае пожара при нагревании поверхности до 200—300оС разупрочнения покрытия не происходит, а наблюдается даже некоторое повышение его прочности. После нагревания до 600оС прочность покрытия несколько падает, однако трещин или разрушений покрытия не наблюдается. Морозоустойчив, применение фосфатного покрытия вместо бетонирования значительно снижает трудовые затраты, экономит дефицитные материалы (цемент, сталь, древесину).
Эффективным огнезащитным материалом являются вспучивающиеся краски – композиционные материалы, включающие полимерное связующее и наполнители (антипирены, газообразователи, жаростойкие вещества и стабилизаторы вспененного угольного слоя).
При вспучивании и одновременном обугливании покрытия происходит образование мелкоячеистого слоя, обладающего низкой теплопроводностью, в результате чего резко замедляется прогрев металлических конструкций до критических температур, определяющих наступление предела огнестойкости.
В условиях эксплуатации огнезащитные вспучивающиеся покрытия в сочетании с покровными эмалями могут выполнять функции отделочных материалов. Вспучивающиеся краски позволяют отказаться от значительного количества ручных работ в строительстве, сэкономить дефицитные материалы – сталь, цемент, песок, известь; осуществлять работы по огнезащите механизированными средствами; сократить удельный расход материалов для огнезащиты более чем в 10 раз. Указанные преимущества огнезащитных вспучивающихся красок дают возможность проектировать здания с облегченным фундаментом, что позволяет уменьшить сроки строительства и создает значительный экономический эффект. В нашей стране наиболее распространенными вспучивающими красками являются такие, как ВПМ-2 и ВПМ-3. Среди зарубежных аналогов наиболее приемлемы Vnitenm (Австрия), Bydatern (Венгрия), Pezenoks (Германия), Fireflex (Финляндия) и другие.
Выбор конкретного типа огнезащитного состава или материала, установление области применения производят технико-экономическим расчетом с учетом: требуемого предела огнестойкости конструкций; типа защищаемой конструкции и ориентации защищаемых поверхностей в пространстве; вида нагрузки, действующей на конструкцию; температурно-влажностных условий эксплуатации и производства монтажных работ; степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции, а также степени агрессивности материала огнезащиты по отношению к стали; увеличения нагрузки на конструкцию за счет массы огнезащиты; периода монтажа огнезащиты; эстетических требований к конструкции; технико-экономических показателей и др.
Необходимо также учитывать долговечность материалов при определенных условиях эксплуатации, возможность восстановления огнезащитных облицовок и другие специфические особенности конкретного объекта.
На основании анализа и сопоставления эффективности отечественных и зарубежных строительных огнезащитных материалов и составов можно сделать следующие выводы.
- Огнезащита металлических конструкций направлена на повышение предела огнестойкости, который в соответствии со СНиП 21.-01.-97 должен составлять от 0,25 до 3ч. Металлические конструкции для обеспечения предела огнестойкости от 0,25 до 3 часов нуждаются в огнезащите. Ежегодный требуемый объем огнезащитных работ составляет до 2,5 млн. м3.
- Отечественные огнезащитные материалы и составы для металлических конструкций существенно уступают применяемым в зарубежном строительстве.
Не полностью удовлетворяется потребность строительства в эффективных материалах и составах, обеспечивающих индустриализацию работ по огнезащите металлических конструкций. - Необходимо расширить номенклатуру отечественных огнезащитных облицовочных материалов, понизить их стоимость и исключить дефицитные материалы, заменив их наиболее простыми материалами в изготовлении, дающими возможность механизированного нанесения, особенно на конструкции сложной конфигурации и в труднодоступных местах, отвечающих эстетическим требованиям, исключающих выделение токсичных компонентов.
- При разработке новых конструктивных решений огнезащиты металлических конструкций целесообразно использовать листовые и рулонные материалы, обладающие способностью вспучиваться при нагревании и тем самым образовывать теплозащитные экраны по поверхности конструкции.
- Необходимо создать огнезащитные материалы и составы для металлических конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и на открытом воздухе.
- При разработке новых составов уделять особое внимание на адгезионные свойства составов, прочность и долговечность самих составов, на материалы, которые уменьшают теплопроводность металлических конструкций за счет теплоотдачи.
- В целях расширения объема работ по огнезащите металлических конструкций необходимо расширить научно-технические разработки по созданию эффективных огнезащитных составов, обладающих надежностью, долговечностью и технологичностью.
