CC BY
165
шш
ОГНЕЗАЩИТА
А. Н. Гаращенко
канд. техн. наук, доцент, заместитель генерального директора ЗАО "Теплоогнезащита"
В. П. Рудзинский
канд. техн. наук, главный специалист ЗАО "Теплоогнезащита"
А. В. Суханов
канд. техн. наук, генеральный директор ООО "Компания "Армопроект"
Н. А. Гаращенко
канд. техн. наук, главный специалист ЗАО "Теплоогнезащита"
С. С. Мараховский
ведущий инженер ООО "Компания "Армопроект"
УДК 641.841.41
ОГНЕЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ОЦЕНКА ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Показаны возможность и варианты обеспечения требуемого уровня пожаробезопасное™ конструкций из полимерных композиционных материалов с помощью огнезащиты, что может содействовать расширению области и увеличению объема применения композитов в строительстве и других сферах. Продемонстрирована перспективность использования программных комплексов серии "Огнезащита" для расчетов температурных полей в конструкциях с различными вариантами и толщинами огнезащиты. С их помощью возможны выбор наиболее приемлемых материалов и определение толщин огнезащиты, обеспечивающих выполнение требований по пределам огнестойкости и классу пожарной опасности композитных конструкций.
Ключевые слова: композиционные материалы (композиты), стеклопластик, базальтопластик, углепластик, пултрузионный профиль, огнезащита, пожаробезопасность, огнестойкость, предел огнестойкости, теплотехнические расчеты, математическое моделирование.
Введение
В последние годы во всем мире отмечается значительный рост производства конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), однако обеспечению требуемого уровня их пожарной безопасности должного внимания не уделяется. ПКМ — это композиции на основе стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, объединяемых полимерной матрицей в монолитную структуру. Конструкции из полимерных композитов давно используются в высокотехнологичных отраслях: ракетно-космической, авиационной, судостроительной и др.
В настоящее время объем применения конструкций из композитов в нашей стране явно не соответствует потребностям различных отраслей и, прежде всего, строительной отрасли. В значительной степени это связано с тем, что конструкции из ПКМ имеют относительно низкую термо- или огнестойкость. Это серьезно затрудняет более масштабное использование таких конструкций, обладаю-
щих целым рядом преимуществ по сравнению с конструкциями из металла и железобетона и применение которых по технико-экономическим показателям становится все более целесообразным. В то же время налицо мировая тенденция резкого увеличения объемов производства конструкций из ПКМ для различных отраслей и, в частности, для строительства и транспортной инфраструктуры. Благодаря таким неоспоримым достоинствам, как большая удельная прочность и низкая масса, легкость транспортировки и удобство монтажа, высокая коррозионная стойкость и эстетичность, композиты находят все большее применение и демонстрируют значительный потенциал для существенного расширения их использования в ближайшей перспективе.
Положительный опыт применения стекло-, органо- и углепластиков при создании ракетной, авиационной и морской техники отражен в работах [1-3]. В области промышленного и гражданского строительства наибольшее распространение получили стеклопластики [4, 5]. В настоящее время они наиболее приемлемы по совокупности технико-
экономических показателей. Объем их потребления увеличивается с каждым годом, как и композитов на углеродных волокнах. Перспективная область их применения — мостостроение [5]. Наряду со стеклопластиками большие возможности открываются для использования базальтопластиков [6]. Внедрение всех этих материалов при строительстве различных объектов (в частности, транспортной инфрастуктуры) сопряжено с необходимостью решения ряда технических задач, одной из которых является обеспечение их приемлемой пожарной безопасности, в частности возможности эксплуатации конструкций из композитов в течение требуемого времени в условиях вероятного пожара.
Для улучшения показателей пожарной безопасности ПКМ и конструкций из них необходимы рациональное использование имеющегося научно-технического задела и проведение дополнительных экспериментальных и теоретических исследований, объем которых до настоящего времени явно недостаточен. Результаты таких исследований, в частности, должны изменить нынешнее предвзятое отношение проектировщиков, строителей и надзорных органов к применению конструкций из ПКМ. Это может способствовать подготовке соответствующих нормативных документов, регламентирующих применение таких конструкций в строительстве и других отраслях.
Состояние вопроса
Общеизвестно, что большая часть ПКМ относится к горючим материалам согласно ГОСТ 12.1.044-89* "ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения". Улучшения показателей пожаробезопасности ПКМ можно достичь двумя путями, рассмотренными в обзоре [7]. Первый путь
— это разработка полимерных материалов пониженной горючести за счет применения замедлителей горения (антипиренов), модификации полимеров, синтеза малогорючих полимеров. Второй путь
— это использование огнезащитных покрытий или конструктивной огнезащиты. Первый путь является традиционным. Его реализации посвящены многочисленные исследования, результаты которых отражены в большом количестве монографий и публикаций в журналах, в авторских свидетельствах (патентах) и пр. [7]. Но снижение горючести полимерных композитов не приводит к обеспечению требуемых показателей пожарной безопасности конструкций из них, главным из которых является их огнестойкость. Кроме того, в большинстве случаев снижение показателей горючести сопровождается снижением физико-механических характеристик материалов и (или) увеличением их стоимости.
Значительного повышения показателей пожарной безопасности как композитов, так и конструкций из них можно добиться другим путем — использованием огнезащитных покрытий. Для этого необходимо решение непростой задачи по обеспечению требуемой адгезии между огнезащитными покрытиями и ПКМ, а также их долговечности при эксплуатации. В качестве иллюстрации реализации высоких показателей по адгезии, эксплуатационной стойкости и долговечности можно привести огнезащитное вспучивающееся покрытие СГК-2 [8]. Это композиция на основе хлорсульфированного полиэтилена и терморасширяющегося графита, применяемая в настоящее время для защиты от пожаров различных элементов военной техники (в том числе из композиционных материалов), а также строительных конструкций. Можно ожидать получения подобных адгезионных характеристик при использовании покрытия "Огракс-М", представляющего собой композицию на основе хлорсульфи-рованного полиэтилена, каучука и терморасширяющегося графита. Однако для "Огракс-М" пока не проведен такой объем исследований, включая огневые испытания, как для покрытия СГК-2.
Следует отметить, что в случае выбора рациональных средств и толщин огнезащиты можно добиться обеспечения требуемых показателей пожарной безопасности конкретных конструкций, при этом улучшение показателей пожарной безопасности самих конструкционных ПКМ будет происходить автоматически. Возможные пути решения задачи рационального проектирования огнезащиты можно рассмотреть на примере строительных конструкций. Это связано с тем, что для строительной отрасли разработан наиболее полный пакет нормативных документов по пожарной безопасности. Кроме того, именно эта отрасль наиболее материа-лоемка и обладает наибольшим потенциалом и перспективами для использования конструкций из ПКМ.
Требования по пожарной безопасности строительных материалов и конструкций содержатся в СНиП 21-01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений". В соответствии с указанными нормами в случае применения ПКМ для них, как и для всех других горючих строительных материалов, регламентируются требования по группам горючести, воспламеняемости, распространения пламени, дымообразующей способности, токсичности продуктов термического разложения. К конструкциям из композитов кроме перечисленных выше предъявляются также требования по огнестойкости и классу конструктивной пожарной опасности. Определение пределов огнестойкости осуществляется в огневых печах по ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции
строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования" и ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции". Подобные огневые испытания для конструкций из стали и железобетона проводятся в большом количестве. Металлоконструкции испытыва-ются, как правило, без их силового нагружения, но с контролем температуры защищаемых элементов, что допускается НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности". Строительные конструкции из композитов с огнезащитой подобным образом практически не испытывались.
Класс пожарной опасности элементов из ПКМ с огнезащитой является важным показателем, определяющим степень их участия в развитии пожара и образовании опасных факторов пожара (распространение пламени, токсичность). Класс пожарной опасности должен оцениваться по ГОСТ 30403-96 "Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности". Но указанные испытания для конструкций из композитов, как и эксперименты по оценке их огнестойкости, до настоящего времени не осуществлялись, что препятствует их использованию в строительстве и других сферах.
В таких условиях целесообразно применение расчетных методик, позволяющих оценивать пределы огнестойкости и класс пожарной опасности конструкций из ПКМ при недостаточном количестве или отсутствии огневых испытаний. Перспективность использования расчетных методик обусловлена опытом их разработки и практического применения при проектировании огнезащиты строительных конструкций из стали, железобетона и древесины [8-12]. Для некоторых строительных конструкций использование расчетных методик — единственный способ установления пределов их огнестойкости и определения требуемых параметров рациональных средств огнезащиты.
Цель и задачи исследования
В рассматриваемом случае выбор рациональных материалов и конструктивного исполнения огнезащиты представляет собой сложную задачу, учитывая, что существенное падение прочности ПКМ происходит при относительно низком уровне температур (для типичных стеклопластиков — в диапазоне 80-150 °С). Не вызывает сомнений возможность снижения температуры защищаемых элементов до указанных значений в течение заданного времени теплового воздействия при использовании достаточно толстой огнезащиты из негорючих плитных или рулонных материалов, а также
обмазок (штукатурок). Но во многих случаях для конструкций из композитов это неприемлемо по различным причинам. Нанесение огнезащитных штукатурок нетехнологично и возможно только при применении арматурных сеток, что приводит к значительному увеличению массы конструкций. Использование плитных и рулонных материалов в каких-то случаях возможно, но, как и предыдущий вариант огнезащиты, снижает такие преимущества конструкций из ПКМ, как эстетичный внешний вид, небольшие габариты, технологичность монтажа, низкая масса и пр.
Очевидна привлекательность применения в качестве огнезащиты лакокрасочных вспучивающихся покрытий, однако большинство из них имеет более высокую, чем требуется, температуру начала вспучивания, что не позволяет избежать относительно быстрого прогрева и существенного снижения несущей способности конструкций из ПКМ при заданном режиме температурного воздействия. Тем не менее, как показали предварительные исследования, использование вспучивающихся покрытий, особенно с относительно низкой температурой начала вспучивания, представляется возможным и перспективным.
Отмеченные выше сложности обеспечения требуемой огнестойкости конструкций из ПКМ свидетельствуют о том, что в определенных случаях требуемый уровень их пожаробезопасности может быть достигнут не только за счет выбора соответствующих огнезащитных материалов, определения их оптимальной конструкции и толщины, но и при соответствующем конструктивном исполнении самих элементов из ПКМ. В настоящее время предстоит осуществить переход от строительных конструкций из композитов, спроектированных без учета влияния температурных воздействий при пожарах, к созданию пожаробезопасных конструкций из ПКМ. Технология обеспечения пожарной безопасности таких конструкций должна включать как изготовление силовых элементов из композитов и их соединение, так и создание рациональной для них огнезащиты. При этом может потребоваться определенное изменение конфигурации самих конструкций, а не только соответствующее исполнение их огнезащиты.
Оценка предела огнестойкости строительных конструкций из ПКМ расчетным путем, как и при экспериментальном подходе, заключается в определении времени от начала теплового воздействия на конструкцию по стандартному температурному режиму до наступления одного из признаков предельного состояния. Расчетные методики содержат решения теплотехнической и статической задач. Методики статических расчетов конструкций из
композитов разработаны на достаточно высоком уровне и получили большое распространение при проектировании и отработке конструкций из ПКМ различного назначения [13-15]. О возможности применения подобных методик при расчетах огнестойкости строительных конструкций из композитов свидетельствуют работы [14-16].
Для определения несущей способности необходима информация по температурным полям в рассматриваемых силовых элементах, которая находится при теплотехнических расчетах. Для проведения таких расчетов в конструкциях из ПКМ с различными средствами огнезащиты можно воспользоваться методиками и программными комплексами серии "Огнезащита", разработанными и применяемыми для теплотехнических расчетов строительных конструкций из стали и железобетона [8-11]. Методики сертифицированы в НИЦ программных средств "КУРС" МГТУ им. Н. Э. Баумана. Они позволяют рассчитывать температурные поля и определять толщины практически всех видов огнезащиты, которые могут применяться для конструкций из композитов. Методики апробированы, для них определены характеристики огнезащитных материалов, необходимые для проведения расчетов. Следует отметить успешное использование указанных методик для теплотехнических расчетов конструкций из другого горючего материала — древесины. В статье [12] представлены результаты сравнительной расчетной оценки влияния различных средств огнезащиты на огнестойкость и конструктивную пожарную опасность деревоклее-ных конструкций. Представляется целесообразным применить подобный подход при обеспечении требуемой пожаробезопасности конструкций из ПКМ.
Как и в работе [12], было проведено математическое моделирование температурных полей в конструкциях из ПКМ с различными средствами огнезащиты с использованием упомянутых выше программных комплексов серии "Огнезащита" [9]. Рассмотрено, как различные средства огнезащиты могут снизить уровень прогрева композитных конструкций в условиях пожара. Моделирование проведено для трех типовых композитных строительных конструкций, имеющих хорошие перспективы. Первая конструкция — это замкнутый профиль из ПКМ, предназначенный для формирования сборных силовых настилов мостовых конструкций, смотровых площадок и т. п. (рис. 1). Такие настилы располагаются на опорных балках, которые также могут быть изготовленными из композитов. Профиль имеет толщину стенок порядка 5 мм и производится методом пултрузии (технология получения непрерывного профиля постоянного сечения из ПКМ) из армирующего стекло- или базальтового
Рис. 1. Участок силового настила из двух профилей
Рис. 2. Поперечное сечение оболочки водоотводного сооружения
волокна и полимерного связующего. Друг с другом профили скрепляются клеемеханическим соединением, с опорными балками — с помощью металлических деталей.
Вторая типовая конструкция — интегральная оболочка с силовым набором из многостеночных пултрузионных профилей [17] (рис. 2). Такую конструктивную схему могут иметь облегченные опоры, обделки подземных коллекторов, водопропускные трубы, кабельные каналы и т. п. Рассматриваемая оболочка состоит из внешней и внутренней обшивок, выполненных намоткой, с размещенным между ними слоем, составленным из секторов в виде многостеночных пултрузионных профилей. Обшивки и профили изготавливаются из базальтового волокна и эпоксидного связующего. Моделируется прогрев оболочки (обделки) водоотводного сооружения, проходящего под эксплуатируемыми железными или автомобильными дорогами (см. рис. 1). Оболочка состоит из двадцати профилей-заполнителей толщиной 35 мм, заключенных между внутренней и наружной обшивками толщиной 3 мм. Суммарная толщина внутренней и наружной стенок оболочки составляет 6 мм, суммарная толщина оболочки — 41 мм.
Третья типовая конструкция — это сплошная силовая оболочка, которая может служить, например, элементом опоры временных (краткосрочных) железнодорожных мостов. Оболочка изготавливается методом намотки из стеклоткани и эпоксидного связующего. Внутренний диаметр моделируемой оболочки составляет 1200 мм, толщина — 26 мм.
Результаты
С использованием программных комплексов [9] проведена большая серия расчетов температурных полей в перечисленных выше конструкциях при стандартном температурном режиме пожара при наличии и отсутствии огнезащиты. Учитывались все основные процессы, происходящие в рассматриваемых конструкционных и других огнезащитных материалах при высокотемпературном воздействии [8-12]: термическое разложение полимерной матрицы с образованием пористого прогретого слоя и фильтрацией через него газообразных продуктов разложения; дегидратация воды и фильтрация пара через пористый каркас водосодержащих материалов; конденсация пара на стенках пористого каркаса и защищаемой конструкции с последующим испарением конденсата; вспучивание прогретого слоя и его поверхностный унос вследствие взаимодействия активных компонентов высокотемпературной газовой среды с углеродом каркаса пористого пенококса.
Перечень характеристик, необходимых для проведения расчетов, приведен в каждой из методик [9], а значения характеристик различных огнезащитных материалов представлены в публикациях, посвященных расчетам по этим методикам. При расчетах использовались определенные авторами теплофи-зические характеристики стекло- и базальтоплас-тиков, а также зависимости потери массы композитов от температуры нагрева.
Осуществлено математическое моделирование температурных полей в рассматриваемых конструкциях при применении типичных представителей всех видов огнезащиты при различной их толщине. Расчеты проводились при стандартном температурном режиме. Оценивалось влияние огнезащиты на уровень прогрева конструкций, т.е. проводилась сравнительная оценка эффективности различных средств огнезащиты для конструкций из ПКМ. В ходе расчетов учитывались особенности прогрева каждой из рассматриваемых конструкций, в частности, сложная теплопередача через воздушные полости, расположенные между стенками конструкций № 1 и 2, а также теплопередача в грунт, прилегающий к конструкции № 2.
Для оценки пределов огнестойкости композитных конструкций целесообразно проведение статических расчетов с использованием полученной информации по температурным полям в огнезащите и конструкциях из ПКМ. Однако предварительная сравнительная оценка огнестойкости конструкций из ПКМ может быть осуществлена и без статических расчетов — по времени достижения характерных температур в контрольных зонах конструкций, определяемому в ходе теплотехнических расчетов.
Одной из таких характерных температур является температура начала интенсивного термического разложения, которая для большинства полимерных связующих составляет порядка 300 °С. Необходимо учитывать, что при такой температуре происходит многократное снижение прочности большинства ПКМ. В качестве характерной может быть принята также температура 100 °С, при которой отмечается заметное снижение пределов прочности большинства рассматриваемых композитов. Результаты расчетов температурных полей представлены в таблице в виде данных по времени прогрева контрольных точек (зон) нагреваемого слоя каждой из рассматриваемых композитных конструкций до температур 300, 100, а также 200 °С (промежуточная величина) при отсутствии огнезащиты и при различных ее вариантах. Такими контрольными зонами являются наружная (нагреваемая) и внутренняя (не-нагреваемая) поверхности всех трех конструкций.
Расчеты проводились для типичных представителей каждого из видов современных средств огнезащиты, которые применяются в настоящее время для строительных конструкций из стали, железобетона и древесины. В перспективе эти и подобные им материалы могут использоваться для конструкций из ПКМ. Перечень данных средств огнезащиты в основном соответствует принятому в статье [12], где представлены результаты подобной серии теплотехнических расчетов, проведенных для дерево-клееных конструкций. В их числе: вспучивающиеся покрытия на органической основе (СГК-2, "Огракс-В-СК", "Феникс ДП"); водосодержащее вспучивающееся покрытие на минеральной основе (ОСП-1); водосодержащие материалы на основе минерального вяжущего (покрытие "Сотерм-1", плиты "Рго-matect-Н"); негорючие волокнистые материалы (плиты негорючие базальтоволокнистые ПНТБ, маты прошивные базальтоволокнистые МПБ и плиты минераловатные "СопШ-150"). Лакокрасочные покрытия СГК-2, "Огракс-В-СК", "Феникс ДП" характеризуются интенсивностью вспучивания кратностью 25,44 и 120 соответственно. Отличаются они также уровнем адгезии, которая достаточно высока у СГК-2, а для других вспучивающихся покрытий необходимо найти пути обеспечения требуемого ее уровня. Материалы на минеральном вяжущем различаются по виду: ОСП-1 —лакокрасочное покрытие, обеспечивающее 13-ти кратное вспучивание, "Сотерм-1" — штукатурка с плотностью 370 кг/м3, "Promatect-Н" — плита с плотностью 870 кг/м3, но все они содержат в своем составе воду. Плиты ПНТБ и "СопШ-150" имеют относительно низкие теплопроводность и плотность (140-150 кг/м3), а также относительно невысокую прочность. Плиты "Рго-matect-Н", ПНТБ, "СопШ-150" могут являться осно-
Данные по времени прогрева нагреваемой и ненагреваемой поверхностей конструкций из ПКМ до температур 100,200 и 300 °С при применении различных средств огнезащиты
Материал огнезащиты Толщина Стеклопластиковый профиль с толщиной стенок 5 мм (см. рис. 1) Базальтопластиковая оболочка с толщиной стенок 6 мм (см. рис. 2) Стеклопластиковая цилиндрическая опора толщиной 26 мм
огнезащиты, мм Время нагрева наружной/внутренней (ненагреваемой) поверхностей конструкции до температуры, °С
100 200 300 100 200 300 100 200 300
Вспучивающееся 1,5 1,5/26,1 11,0/71,0 24,9/> 90 1,4/41,8 12,8/79,0 31,4/> 90 1,4/26,2 20,2/62,5 41,9/86,9
покрытие СГК-2 2,5 1,8/37,9 19,5/96,1 42,4/> 90 1,7/58,1 26,1/> 90 55,7/> 90 1,7/33,1 33,8/86,2 64,6/> 90
3,5 2,3/51,0 30,0/> 90 61,5/> 90 2,1/73,3 43,6/> 90 77,5/> 90 2,2/39,6 49,6/105,1 85,1/> 90
Вспучивающееся 1,0 1,3/27,3 2,7/67,2 33,3/> 90 1,3/48,7 2,8/71,2 44,9/88,9 1,3/15,7 3,4/44,8 44,4/64,2
покрытие "Огракс-В-СК" 1,5 2,0 1,4/34,4 1,5/42,8 3,5/77,9 4,6/86,1 47,9/> 90 60,5/> 90 1,4/57,7 1,5/64,3 3,7/81,3 4,8/89,3 58,3/> 90 68,8/> 90 1,4/16,6 1,5/17,3 5,4/52,6 7,4/59,8 55,7/75,0 65,4/83,5
Вспучивающееся 1,0 4,0/42,0 30,5/53,1 38,7/> 90 4,7/46,9 33,3/59,6 39,4/82,5 11,3/37,3 38,5/48,7 40,6/52,4
покрытие "Феникс ДП" 1,5 5,9/49,7 39,5/61,4 45,6/> 90 8,8/53,6 41,1/68,4 45,7/89,8 18,6/44,1 42,4/55,1 46,2/59,6
2,0 8,3/55,0 46,1/65,9 50,7/> 90 15,7/58,3 47,0/72,9 50,6/> 90 24,5/52,4 48,4/60,1 52,1/64,4
Вспучивающееся 1,0 0,6/23,8 11,4/57,0 21,4/> 90 0,6/36,6 10,7/74,8 15,3/> 90 0,6/20,9 12,9/30,5 18,6/38,9
водосодержащее покрытие ОСП-1 2,0 3,0 0,7/43,5 0,9/77,9 32,0/> 90 64,7/> 90 59,5/> 90 90/> 90 0,7/59,6 0,8/80,1 30,9/> 90 46,7/> 90 36,3/> 90 55,1/> 90 0,7/31,7 0,9/42,7 28,5/47,8 46,3/67,2 37,6/60,3 59,0/83,6
Покрытие "Сотерм-Ш" 10,0 20,0 5,3/29,3 20,0/62,5 18,5/58,1 45,8/126,8 24,1/182,2 60,6/> 180 5,1/59,1 20,8/116,7 29,2/106,8 78,4/168,1 34,1/172,3 88,7/> 180 5,4/39,2 25,6/88,1 32,5/51,3 85,2/107,9 39,3/63,2 99,5/128,2
30,0 36,4/108,3 90,6/> 180 111,2/> 180 38,5/178,7 146,9/> 180 161,7/> 180 47,2/154,3 154,2/179,1 177,0/> 180
Плита цемеитио- 10,0 4,1/23,3 15,1/40,8 17,4/> 240 3,9/40,6 14,9/85,2 17,9/149,2 4,2/25,0 16,8/33,8 20,8/43,1
силикатная "РготгиесЫ Р 20,0 30,0 4,7/52,1 6,6/77,2 33,9/> 180 55,2/> 180 38,0/> 180 60,8/> 180 4,8/43,4 7,0/65,6 34,8/59,4 56,8/86,5 39,8/78,5 64,3/112,6 6,0/47,2 9,9/74,5 41,6/60,7 70,8/92,4 49,1/74,5 82,8/110,9
Плита базальтово- 10,0 6,1/24,4 12,3/60,6 19,3/> 240 5,7/47,1 11,5/106,9 18,4/186,5 7,0/24,4 17,6/39,6 30,6/55,4
локиистая ПНТБ 20,0 11,6/37,7 23,1/127,9 36,6/> 180 11,1/71,8 22,3/160,6 36,8/> 180 15,1/36,3 36,0/61,7 59,1/89,7
30,0 18,2/52,4 35,5/> 180 57,5/> 180 17,6/97,3 35,3/> 180 61,0/> 180 24,9/48,3 55,4/84,2 88,5/125,3
Мат базальтоволок- 30,0 14,3/42,9 2798/128,0 43,1/> 240 13,7/74,4 26,7/152,1 42,6/> 240 19,3/41,2 42,9/68,8 67,0/97,5
иистый МПБ 40,0 19,2/53,8 37,0/176,9 57,9/> 180 18,4/90,8 35,9/> 180 58,5/> 240 26,5/49,8 56,5/84,5 87,1/121,3
30 45 60 Время, мин
Рис. 3. Зависимость от времени температуры газовой среды (1), наружной (2) и внутренней (3) поверхностей стеклопластиковой цилиндрической опоры при толщине огнезащитного покрытия "Сотерм-1", равной 20 мм (а), и толщине вспучивающегося покрытия СГК-2, равной 3,5 мм (б)
1000
800
600
400
200
и О
л 0
3 & 1000
£ 800
а
600
400
200
15 30
Время, мин
Рис. 4. Зависимость от времени температуры газовой среды (1) и базальтопластиковой оболочки при толщине вспучивающихся покрытий "Огракс-В-СК" (а) и "Феникс ДП" (б) толщиной 1,5 мм: 2, 3 — поверхности стенки толщиной 6 мм с обогреваемой стороны; 4,5 — то же с необогреваемой стороны
вой конструктивной огнезащиты. Низкотеплопроводные базальтоволокнистые маты МПБ с плотностью 60 кг/м3 могут применяться в качестве огнезащитных чехлов.
При расчетах (по аналогии с работой [12]) использовались исходные данные по основным характеристикам огнезащитных материалов, приведенные в публикациях разработчиков методик [9]. В таблице представлены результаты расчетов для всех перечисленных материалов огнезащиты при различной ее толщине. Для каждого расчетного варианта получена информация о температурных профилях по толщине силовых слоев конструкций. В качестве иллюстрации на рис. 3 и 4 представлены выборочные результаты расчетов изменения от времени температуры рассматриваемых конструкций для конкретных вариантов и толщин огнезащиты.
Анализ результатов расчетов показал следующее. При отсутствии огнезащиты прогрев конструкций в условиях пожара настолько велик, что практически исключается возможность применения конструкций из ПКМ без огнезащиты. Слои, расположенные со стороны очага пламени, за считанные минуты нагреваются до температуры более 300 °С, в результате чего теряется несущая способность конструкций. Использование огнезащиты, как видно из таблицы, позволяет значительно уве-
личить время прогрева до указанных температур, что обеспечивает повышение пределов огнестойкости конструкций из ПКМ до требуемого в каждом конкретном случае уровня. Расчеты показывают, что зоны конструкций, наиболее удаленные от их нагреваемой поверхности, значительное время защищены от нагрева до температур 100-300 °С.
Использование огнезащитных плит, матов и штукатурок является наиболее наглядным и приемлемым способом обеспечения требуемой огнестойкости композитных конструкций. Полученные результаты свидетельствуют о возможности достижения практически любых пределов огнестойкости при применении базальтоволокнистых плит ПНТБ, матов МПБ и минераловатных плит "Сотерм-1М" соответствующей толщины. Использование водосо-держащих плит или штукатурок вследствие особенностей их прогрева позволяет удерживать длительное время температуру защищаемых конструкций на уровне порядка 100 °С (см. рис. 3, а). Но средства огнезащиты в виде плит и матов имеют значительную толщину и требуют специального крепления, что во многих случаях неприемлемо по технологическим и другим соображениям.
Вспучивающееся водосодержащее покрытие ОСП-1 также позволяет удерживать относительно длительное время температуру защищаемых конст-
рукций на уровне приблизительно 100 °С. При этом его толщина относительно невелика. Но для использования такого покрытия требуются специальная грунтовка и укрывной слой (в этом качестве используется покрытие типа ХП). Результаты, представленные в таблице, свидетельствуют о возможности существенного повышения пределов огнестойкости за счет применения вспучивающихся покрытий, которые наиболее приемлемы для композитных конструкций. Эффективность использования таких покрытий во многом зависит от температуры начала их вспучивания. Для рассматриваемых составов она имеет величину порядка 230 °С для "Огракс-В-СК", 165 °С для СГК-2, 130 °С для "Феникс ДП". Соответствующую роль играет также стойкость пено-кокса этих покрытий, что также учитывается при расчетах. Полученные результаты показывают, насколько увеличивается время прогрева до характерных температур при уменьшении температуры начала вспучивания покрытий. Следует отметить, что в настоящее время проводятся работы по снижению температуры начала вспучивания покрытия СГК-2, что важно для конструкций из ПКМ.
Результаты расчетов температурных полей в конструкциях с различными вариантами огнезащиты могут быть использованы при проведении статических расчетов огнестойкости, на основании которых можно создавать наиболее оптимальные композитные конструкции с точки зрения обеспечения требуемых пределов их огнестойкости. Расчеты продемонстрировали степень зависимости температурных полей от размеров защищаемых конструкций (толщины слоев несущих элементов и величины воздушных полостей) и особенностей теплообмена (теплосъема) на их необогреваемой поверхности. Например, при контакте оболочки подземных коллекторов с грунтом (конструкция № 2) в него передается значительное количество теплоты, что существенно замедляет прогрев слоя оболочки, прилегающего к грунту. Напротив, незначительный теплосъем с внутренней поверхности опоры (конструкция № 3) приводит к существенному прогреву внутренних слоев этой относительно толстой стеклопластиковой оболочки. Подобная информация важна и может использоваться при конструировании несущих элементов из композитов.
Все рассмотренные в статье конструкции являются типовыми. При их проектировании требования по обеспечению огнестойкости не предъявлялись. Однако, как показано в статье, огнестойкость конструкций может быть значительно повышена применением огнезащиты. При наличии указанных требований на стадии проектирования возможно соответствующее конструктивное оформление подобных несущих конструкций из ПКМ, что позволит (в сочетании с огнезащитой) более эффективно
решить задачу обеспечения требуемого уровня их пожаробезопасности. При таком проектировании важное значение имеет наличие результатов расчетов температурных полей в композитных конструкциях, подобных представленным в данной статье. Можно отметить, что наиболее перспективной технологией изготовления конструкций из ПКМ, для которых решается задача обеспечения требуемого уровня их пожаробезопасности, является пултрузи-онная технология. Она позволяет получить профиль нужной конфигурации, оптимальной с точки зрения учета особенностей нагрева и силового на-гружения.
Следует остановиться на рассмотрении еще одного вида конструкций из полимерных композитов, которые в последнее время широко используются при реконструкции строительных объектов. Речь идет об углепластиковых элементах для внешнего армирования (усиления) железобетонных конструкций с недостаточной несущей способностью. Такие элементы имеют толщину порядка 2 мм. Полотно из углеродных волокон выкладывается на выровненную и загрунтованную поверхность усиливаемых железобетонных балок или колонн и приклеивается к ним с помощью специального эпоксидного клея (связующего). После отверждения эпоксидного клея (связующего) несущая способность конструкций возрастает до требуемого уровня. Чаще всего применяются импортные материалы, производимые, в частности, фирмой "Б1ка".
Ввиду высокой ответственности таких элементов и жестких требований к их работоспособности предусмотрены исследования многочисленных физико-механических характеристик применяемых материалов, результаты которых приведены, например, в статье [18]. Наряду с этим отсутствуют данные о работоспособности элементов усиления железобетонных конструкций, для которых требуется нормирование их огнестойкости. Однако при необходимости должна быть обеспечена работоспособность композитных элементов при огневом воздействии. В таких случаях принятые конструктивные решения следует отражать в проекте усиления конструкций либо в другом соответствующем документе.
При решении данной задачи необходимо учитывать, что фирмами — разработчиками систем усиления задается предельная температура эксплуатации этих элементов на уровне 45 °С, что обусловлено свойствами применяемого эпоксидного клея. В случае огневого воздействия такие (незащищенные) элементы прогреваются выше допустимого уровня в первую же минуту. Использование же для них огнезащиты имеет некоторые особенности и ограничения. Наиболее приемлемые по технологическим соображениям тонкослойные вспучиваю-
щиеся покрытия в данном случае не подходят, поскольку температура их вспучивания существенно выше предельно допустимой температуры для эпоксидного клея. Водосодержащие огнезащитные покрытия (штукатурки) типа "Сотерм-1", а также плиты типа "Promatect" также не подходят, поскольку при их высокотемпературном нагреве образуется пар, который поступает к защищаемой конструкции и конденсируется у ее поверхности [11]. Из-за этого температура композитных элементов относительно быстро устанавливается на уровне около 100 °С, что для них недопустимо. Приемлемым вариантом в данном случае является использование низкотеплопроводных волокнистых плит или матов соответствующей толщины. В качестве такой огнезащиты можно применить базальтоволокнистые плиты типа ПНТБ или маты МПБ, минераловатные плиты "СопШ-150" и пр. Требуются, естественно, соответствующие решения по конструктивному оформлению и обеспечению надежного крепления огнезащиты к железобетонным конструкциям. Оценочные расчеты показывают, что, например, для обеспечения предела огнестойкости конструкций Я 90 требуется толщина плит ПНТБ порядка 100 мм, матов МПБ — порядка 130 мм.
Как отмечалось выше, наличие огнезащиты обеспечивает существенное снижение показателей горючести ПКМ. В качестве примера можно упомянуть такой горючий материал, как литьевой полиуретан, состоящий из форполимера уретанового СКУ-ПФЛ-100 и отвердителя диамета. Требуемый показатель (соответствие группе трудногорючих материалов по ГОСТ 12.1.044-89* п. 4.3) был достигнут при использовании покрытия СГК-2 толщиной 0,65 мм, при этом потеря массы исследуемых образцов составила порядка 1,8 %, что свидетельствует о возможности применения для этой цели покрытия меньшей толщины. Обеспечить получение группы трудногорючих материалов возможно для ПКМ и при использовании других покрытий, однако должны быть решены все вопросы, связанные с совместной эксплуатацией огнезащиты и рассматриваемых конструкций. Сказанное в полной мере относится и к конструктивной огнезащите, выполняемой на основе термостойких плитных или рулонных материалов.
Степень горючести полимерных композитов в основном зависит от количества и состава газообразных продуктов их термического разложения.
Можно отметить, что расчеты по используемым методикам позволяют оценивать массовую скорость выхода газообразных продуктов термического разложения, а также влияние на ее уровень различных средств огнезащиты. Это дает возможность проводить косвенную сравнительную оценку степени горючести ПКМ с учетом конкретного исполнения конструкций и их огнезащиты.
Проведенные расчеты и представленные в таблице результаты показывают, при какой толщине огнезащиты температура поверхности конструкций из ПКМ не превышает температуру начала термического разложения (около 300 °С), т.е. будет практически исключено образование горючих газообразных продуктов. Защищенная таким образом конструкция может быть приравнена к строительным конструкциям, выполненным из негорючих материалов, что соответствует классу пожарной опасности строительных конструкций К0 (непожароопасные) по ГОСТ 30403-96. Ранее была доказана возможность получения класса пожарной опасности К0 для деревоклееных конструкций. В результате огневых испытаний по ГОСТ 30403-96, описанных в работе [19], и расчетов [12] показана возможность обеспечения класса пожарной опасности К0 (30) и К0 (45) при защите конструкций из клееной древесины при использовании вспучивающегося покрытия "Феникс ДП" толщиной 0,6 и 1,4 мм соответственно.
Заключение
Представленные результаты свидетельствуют о возможности обеспечения требуемого уровня по-жаробезопасности конструкций из ПКМ с помощью огнезащиты, а также о целесообразности экспериментальных и теоретических исследований в данном направлении. Продемонстрированы возможности методик и программных комплексов серии "Огнезащита" для математического моделирования температурных полей в огнезащите и защищаемых элементах, позволяющих оценить эффективность различных средств огнезащиты и влияние их толщин на показатели пожаробезопасности композитных конструкций. Создание пожаробезопасных конструкций из ПКМ может содействовать, в конечном итоге, расширению области и увеличению объема использования композитов в строительстве и других сферах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев, В. В. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин [и др.]. — М. : Машиностроение, 1990. — 512 с.
2. Зеленский, Э. С. Армированные пластики — современные конструкционные материалы / Э. С. Зеленский [и др.] // Рос. хим. журнал. — 2001. — Т. ХУЦ № 2. — С. 56-74.
3. Соломонов, Ю. С. Композитные материалы в ракетной и аэрокосмической технике / Ю. С. Соломонов, В. В. Васильев, В. П. Георгиевский //Труды МИТ. — 2006. —Т. 8, Ч. 1. — С. 7-25.
4. Суханов, А. В. Полимерные композиты — перспективные строительные материалы XXI века / А. В. Суханов, А. В. Асеев, В. И. Сисаури // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2003. — № 12.—С. 20-22.
5. Шестериков, В. И. Эффективность и перспективы применения полимерных композиционных материалов в элементах мостовых сооружений / В. И. Шестериков, С. Н. Самурский, А. В. Суханов [и др.] //Дороги России XXI века. — 2004. — № 3 — С. 65-69.
6. Sukhanov, А. V. Basaltocomposites as perspective materials for bridge structures / A. V. Sukha-nov, A. A. Dalinkevich, A. V. Asseev, K. Z. Gumargalieva // COBRAE Conference "Bridge engineering with polymer composites", EMPA, Dubendorf, Shwitzerland, 30 March - 1 April, 2005, Рареr № 7.
7. Антонов, А. В. Горение коксообразующих полимерных систем / А. В. Антонов, И. С. Решетников, Н. А. Халтуринский //Успехи химии. — 1999. — Т. 68, № 7. — С. 663-673.
8. Назаренко, В. А. Результаты исследований и перспективы использования вспучивающегося покрытия СГК-2 для защиты от пожаров конструкций и оборудования различного назначения / В. А. Назаренко, А. Н. Гаращенко // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 6. — С. 17-22.
9. Страхов, В. Л. Программные комплексы для расчетов тепломассопереноса в строительных конструкциях с огнезащитой с учетом термического разложения, вспучивания - усадки и испарения - конденсации / В. Л. Страхов, А. Н. Гаращенко, В. П. Рудзинский // Пожаровзрывобезопасность. — 2001. — Т.10,№ 4. — С. 9-11.
10. Гаращенко, А. Н. Экспериментальные и теоретические исследования особенностей тепломассопереноса во вспучивающейся огнезащите на примере покрытия "Протерм Стил"/А. Н. Га-ращенко, В. Л. Страхов, В. П. Рудзинский [и др.] // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. — Т. 6. — М.: Изд-во МЭИ, 2002. — С. 254-257.
11. Гаращенко, А. Н. Методика расчетов толщин огнезащитных покрытий на основе минеральных вяжущих для строительных конструкций из металла (на примере покрытия Сотерм-1М) / А. Н. Гаращенко, В. Л. Страхов, В. П. Рудзинский [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 4. — С. 17-22.
12. Гаращенко, Н. А. Теплотехнические расчеты огнестойкости деревоклееных конструкций с огнезащитой / Н. А. Гаращенко, А. Н. Гаращенко, В. П. Рудзинский // Монтажные и специальные работы в строительстве. — 2006. — № 10.—С. 14-18.
13. Васильев, В. В. Механика конструкций из композиционных материалов / В. В. Васильев. — М. : Машиностроение, 1988. — 272 с.
14. Страхов, В. Л. Влияние локального огневого поражения строительных конструкций на системную статическую и динамическую устойчивость объекта / В. Л. Страхов, В. О. Каледин, Вл. О. Каледин //Сб. докл. науч.-практ. конф. "Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан". — Ч. 1. — М.: Из-во МГСУ, 2005. — С. 235-242.
15. Каледин, В. О. Анализ системной прочности оборудования и сооружений при огневом поражении / В. О. Каледин, Вл. О. Каледин, В. Л. Страхов [и др.] // Математическое моделирование. — 2006. — Т. 18, № 8. — С. 93-100.
16. Кошмаров, Ю. А. Новые методы расчета огнестойкости и огнезащиты современных зданий и сооружений / Ю. А. Кошмаров // Пожарная безопасность. — 2002. — № 2.— С. 91-98.
17. Суханов, А. В. Новый класс трехслойных оболочек с многостеночным пултрузионным заполнителем / А. В. Суханов, С. С. Мараховский // Композит-2007. Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология : сб. тр. конф. — Энгельс, 2007. — С. 198-201.
18. Бейвель, А. С. Исследование свойств материалов системы усиления углепластиковыми элементами железобетонных пролетных строений мостов / А. С. Бейвель, Е. С. Одинцов, А. В. Пор-хунов [и др.] // Дороги России XXI века. — 2007. — № 1. — С. 5-7.
19. Гаращенко, Н. А. Результаты огневых испытаний клеенодеревянных панелей со вспучивающимися покрытиями / Н. А. Гаращенко // Пожаровзрывобезопасность. — 2006. — Т. 15, № 2. — С.12-16.
Материал поступил в редакцию 22.06.09.
© Гаращенко А. Н., Суханов А. В., Гаращенко Н. А., Рудзинский В. П., Мараховский С. С., 2009 г. (e-mail: [email protected], [email protected]).
