CC BY
49
Пожаровзрывоопасность
веществ и материалов
УДК 614.841.41
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРЮЧЕСТИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА
Трушкин Дмитрий Владимирович
Д. В. Трушкин
доцент кафедры пожарной безопасности
Московского государственного строительного университета
Рассмотрена проблема экспериментального определения горючести полистирольного пенопласта (пенополистирола) по стандартному методу II ГОСТ 30244-94 [1]. Проанализированы основные недостатки стандартного метода определения горючести строительных материалов, проявляющиеся при проведении испытаний образцов пенополистирола, и предложены корректирующие мероприятия, позволяющие проводить более адекватную оценку горючести указанного материала.
Введение
Пенополистирол — один из наиболее распространенных полимерных материалов, использующихся в строительстве. Пенополистирол получают в результате вспенивания полистирола — продукта полимеризации ненасыщенного углеводорода — стирола (С6Н5-СН=СН2). В зависимости от используемого метода полимеризации молекулярная масса полистирола может колебаться в пределах от 50 000 до 200 000.
В строительстве полистирол применяется в основном в виде пенопластов (пенополистирола), облицовочных плиток для стен и потолков, а также сантехнических изделий.
Наряду с известными преимуществами пенопо-листирола, какими являются низкая теплопроводность, высокая влагостойкость и легкость механической обработки, позволяющие широко использовать его в качестве теплоизоляционного материала, имеются также и недостатки, ограничивающие применение пенополистирола в строительстве. К основным таким недостаткам относятся: низкая теплостойкость, хрупкость и повышенная пожарная опасность.
Согласно данным, приведенным в справочной литературе [2], большинство марок пенополисти-рола являются легковоспламеняемыми горючими материалами. Температура воспламенения нахо-
дится в пределах 210-310°С и меняется в зависимости от химического состава материала, температура самовоспламенения лежит в пределах 420-440°С. Теплота сгорания пенополистирола очень высокая и находится в интервале от 31 000 до 42 000 кДж/кг. В процессе горения пенополистирол образует расплав, который горит с обильным выделением дыма и сажи.
Несмотря на сложившиеся представления о высокой пожарной опасности пенополистирола, в настоящее время некоторые фирмы-производители антипирированного пенополистирола (ПСБ-С) ввели в обозначение своей продукции термин "самозатухающий пенополистирол". Использование этого термина не должно вводить в заблуждение потребителей, так как самозатухающих видов пе-нополистирола в природе не существует. Явление самозатухания, на которое ссылаются такие производители, наблюдается только при кратковременном воздействии в течение 4 с на образец пенополи-стирола размером 140 х 30 х 10 мм пламенем газовой или спиртовой горелки высотой 50 мм согласно методу, изложенному в п. 4.13 [3]. При этом действительно при отводе источника зажигания от воспламенившегося материала может наблюдаться его самозатухание (самопроизвольное прекращение горения), но это явление вряд ли может иметь отношение к способности пенополистирола самозатухать в условиях реального пожара. Если, на-
пример, создать условия аккумуляции образующегося расплава, а также увеличить время огневого воздействия и тепловую мощность источника зажигания, то тот же пенополистирол вряд ли можно будет назвать самозатухающим, так как в данных условиях он способен разгораться и самопроизвольно, без дополнительных тепловых источников или внешних тепловых потоков, поддерживать горение.
Ряд крупных пожаров с катастрофическими последствиями, в которых основным виновником быстрого и интенсивного развития горения являлся пенополистирол, привели к запрету на использование пенополистирола (в том числе и с различными огнезащитными добавками) в качестве утеплителя кровель на объектах, имеющих важное народнохозяйственное значение. Это было связано с тем, что все известные способы огнезащиты, например [4], недостаточно эффективно влияли на снижение пожарной опасности материала, в частности на такой пожарно-технический показатель, как горючесть.
Несмотря на то, что практически все попытки какого-либо заметного снижения пожарной опасности пенополистирола заканчивались неудачно, в последнее время в сертификатах пожарной безопасности стали появляться поистине революционные пожарно-технические показатели, относящие некоторые строительные материалы на основе пе-нополистиролапо результатам испытаний по ГОСТ 30244-94 (метод II) [1] к группе Г2 (умеренногорю-чих) и даже Г1 (слабогорючих материалов), в терминологии СНиП 21-01-97* [5].
В связи с этим возникает резонный вопрос, так ли это на самом деле? Т.е. действительно ли возможно получение практически негорючего пенопо-листирола, так как группа Г1 в действующей нормативной пожарно-технической классификации граничит с группой НГ (негорючих) материалов, или на самом деле это всего лишь физическая абстракция, обусловленная недостатком экспериментального испытательного метода, не позволяющего адекватно определять пожарную опасность материалов данного типа.
Проблемы экспериментального определения горючести пенополистирола по ГОСТ [1]
Описание сути проблемы определения горючести пенополистирола целесообразно начать с обсуждения, что такое горючесть вообще и что такое горючесть пенополистирола в условиях стандартных испытаний в частности.
Согласно терминологии ГОСТ 12.1.044-89 [6], горючесть — это способность веществ и материалов к горению. Горючесть является качественной пожарно-технической характеристикой материала,
так как способность материала к горению в конкретных условиях зависит от большого количества параметров, основными из которых можно назвать ориентацию материала в пространстве, внешний тепловой поток и содержание кислорода в зоне горения. Таким образом, представляет достаточную трудность выбор универсального критерия, количественно характеризующего горючесть материалов. Вместе с тем в настоящее время в мировой практике критериями горючести общепризнанны:
а) суммарное тепловыделение, в частности низшая теплота сгорания материала, определяемая по методу кислородной бомбы (Bomb Calorimeter) ISO [7];
б) скорость тепловыделения, т.е. способность материала с той или иной скоростью выделять потенциальное тепло, определяемое низшей теплотой сгорания.
Последняя характеристика определяется на испытательной установке, получившей название конический калориметр (Cone Calorimeter), метод ISO [8].
Одним из существенных недостатков ГОСТ [1] является то, что в отличие от зарубежных экспериментальных методов тепловыделение оценивается в нем лишь по максимальной температуре образующихся дымовых газов, при этом абсолютно не учитывается то, насколько быстро было достигнуто данное экстремальное значение, насколько долго поддерживалась температура, близкая к максимальной, а также какая часть образца при этом реально принимала участие в процессе горения. Вместе с тем модель пожара с источником зажигания постоянной тепловой мощности, постоянными временем воздействия (10 мин) и расходом приточного воздуха (10 м3/мин) также вряд ли можно считать универсальной. Именно с учетом вышесказанного деление строительных материалов по результатам испытаний по ГОСТ [1] на группы горючести (классификационные характеристики способности материалов к горению) Г1 (слабогорючие), Г2 (уме-ренногорючие), Г3 (нормальногорючие) и Г4 (сильногорючие) является абсолютно не физич-ным, чисто условным и ничем не обоснованным. В то же время очевидно, что граничные значения групп Г1 и Г4 в какой-то мере должны отражать сравнительную оценку материалов по горючести, так как группа Г1 граничит с НГ (негорючих материалов), в которую попадают, например, минерало-ватные утеплители с содержанием органической, т.е. способной к горению, составляющей менее 5% масс., а Г4 является максимально возможной группой горючести, в которую, например, попадают стеновые панели на основе древесных материалов, которые согласно сложившимся представлениям являются одними из наиболее пожароопасных
Пожаровзрывоопасность веществ и материалов
материалов. Очевидно, что при такой сравнительной классификации отнесение образцов пенополи-стирола в группе Г1 является, по меньшей мере, нелогичным.
Толщина пенополистирольных плит, предусмотренных номенклатурой ГОСТ [2], достаточно обширна, поэтому на испытания, в принципе, может быть представлен образец любой толщины, но непревышающей 70 мм, что является максимально возможной толщиной, предусмотренной стандартом. Таким образом, здесь возникает проблема выбора типового образца для испытаний, по которому можно было бы сделать обобщенный вывод о горючести всей номенклатуры материала, так как практический опыт работы показывает, что образцы материала различной толщины по-разному ведут себя в условиях стандартных испытаний.
Рассмотрим особенности поведения образцов пенополистирольных плит при стандартных испытаниях на горючесть. При зажигании газовой горелки, моделирующей очаг загорания, материал, оказывающийся непосредственно в высокотемпературной зоне пламени горелки, практически мгновенно термически усаживается, оплавляется и, таким образом, "уходит" из зоны наиболее интенсивного термического воздействия. При этом устойчивого воспламенения материала за время его нахождения в зоне действия пламени горелки не наблюдается, но в некоторых случаях возникает кратковременная пробежка фронта пламени по всей поверхности образца. Характерной особенностью при этом является то, что на поверхности пенопо-листирола после пробежки фронта пламени остаются следы оплавления, которые согласно действующей классификации [8, п. 7.6.1] не являются повреждением по длине. Таким образом, возникает парадокс: фронт пламени способен распространяться по поверхности, а при классификации на пожарную опасность эта способность материала не учитывается, так как степень повреждения по длине в этом случае принимается равной 0 (5£ = 0%).
В последующем тепловое воздействие на материал осуществляется:
• на поверхности образца в зоне, непосредственно примыкающей к факелу горелки, в основном в результате воздействия лучистого излучения от факела горелки;
• на поверхности образца выше зоны факела горелки, в основном в результате воздействия конвективных потоков газовой смеси продуктов горения и воздушных потоков, поступающих в держатель.
Если толщина материала незначительна (не более 20 мм), то за время работы горелки, равное 10 мин, в результате оплавления образуется сквозное отверстие, через которое способен поступать воздух. Если толщина материала больше (от 20 до
От 20 до 70 мм
■2
До 20 мм
От 20 до 70 мм
Поступление холодного воздуха
, в зону хк г°рения^^
До 20 мм
ч
1 3
1 г
ь.
1 у 1 з
Образцы пенополистирола Образцы пенополистирола без негорючей основы с негорючей основой
Рис. 1. Поведение образцов пенополистирола при стандартных испытаниях на горючесть по ГОСТ [1]: 1 —держатель; 2 — образец пенополистирола; 3 — сегмент газовой горелки; 4 — асбестоцементные плиты
70 мм), то в нижней части образца из-за значительной толщины материала в результате воздействия источника зажигания сквозное отверстие не образуется, а при локальном оплавлении образуется ниша (рис. 1). Как в первом, так и во втором случае, в результате "ухода" материала из зоны пламени он не разгорается.
В последнее время среди сотрудников различных испытательных лабораторий ведется интенсивная дискуссия о том, как испытывать пенополи-стирол: как "чистый" материал или как материал на негорючей основе, моделируемой асбестоцемент-ными плитами?
Аргументы в пользу использования последнего способа подготовки образцов для испытаний состоят в следующем. Пенополистирол и изделия из него, как правило, в реальных условиях эксплуатации всегда сочетаются с негорючими строительными конструкциями (перекрытиями, стенами, перегородками). Так, облицовочные пенополистироль-ные потолочные плитки наклеиваются на перекрытия помещений, пенополистирольные плиты, используемые в качестве утеплителя, замоноличи-ваются в стены помещений и т.д.
Существенным достоинством проведения испытаний пенополистирола как материала, сочетающегося с негорючей основой, является то, что использующаяся асбоцементная плита ограничивает усадку материала и позволяет образцу задержаться в зоне действия пламени горелки, нагреться до температуры плавления, образовать расплав и воспламениться, при этом образующиеся горящие капли автоматически, согласно требованиям классификации по ГОСТ [1], переводят материал в группу горючести Г4.
Несмотря на то, что данный способ подготовки образцов позволяет классифицировать материал как относящийся к наиболее пожароопасной груп-
2
4
4
пе горючести Г4, такая классификация является все-таки скорей искусственной и вряд ли отражает реальное поведение материала на пожаре. В частности, в условиях стандартных испытаний по ГОСТ [1] даже при использовании асбестоцемент-ных плит образцы пенополистирола не проявляют свое высокое тепловыделение.
В качестве аргументации вышесказанного можно привести результаты простого качественного эксперимента по оценке горючести антипириро-ванного пенополистирола, показавшего себя при испытаниях по ГОСТ [1] как материал группы Г1 (слабогорючий).
Суть эксперимента состояла в следующем. В середину горизонтально ориентированного образца пенополистирола со стандартным размером 1000 х 190 х 70 мм, размещенного в металлическом поддоне, помещался ватный шарик диаметром порядка 1 см, смоченный в ацетоне, и поджигался (рис. 2). Через некоторое время индукции, составлявшее не более 2 мин, "слабогорючий" пенополи-стирол разгорался и был способен самостоятельно
Стандартный образец Фронт распространения пенополистирола
самоподдерживающегося (1000 х 190 х 70 мм)
Рис. 2. Схема проведения качественного эксперимента, подтверждающего неадекватность определения горючести пенополистирола по стандартному методу II ГОСТ [1]
Дымовая термопара _—— Вытяжной зонд
Камера сгорания
Образец
Газовая горелка
Рис. 3. Схема огневого воздействия на образец пенополистирола в испытательной установке "ОТМ" по ГОСТ [6, п. 4.3]
поддерживать горение с выделением обильного количества черного дыма.
Более адекватно, чем в условиях стандартных испытаний по ГОСТ [1], антипирированный пено-полистирол проявляет свою горючесть при испытаниях по ГОСТ [6, п. 4.3] на испытательной установке, известной под названием "ОТМ" (схема испытательной установки представлена на рис. 3). Здесь указанный материал всегда классифицируется как горючий средней воспламеняемости, даже учитывая то, что испытания пенополистирола, как термопластичного материала, согласно требованиям стандарта предписывается проводить в мешочках из стеклоткани, обладающей низкой теплопроводностью и создающей дополнительный теплоизоляционный и огнезащитный барьеры между испытываемым материалом и пламенем газовой горелки.
Не вдаваясь в подробности сравнительной оценки этих двух методов определения горючести твердых материалов, которая была проведена в работе [9], отметим, что основная причина такого значительного расхождения результатов состоит в возможности в методе по ГОСТ [6, п. 4.3] задержать образующийся расплав в зоне действия источника зажигания, который после нагрева до температуры воспламенения будет способен самоподдерживать горение. В стандартном методе по ГОСТ [1] такая возможность для испытываемого образца отсутствует.
Заключение
Изложенные в статье проблемы экспериментального определения горючести пенополистирола позволяют сделать вывод, что стандартный метод по ГОСТ 30244-94 (метод II) [1] недостаточно адекватно определяет способность указанного материала к горению в условиях пожара и отнесение его по результатам испытаний к группе Г2, тем более к группе Г1, является неправомерным.
Модификация метода с использованием при испытаниях образцов пенополистирола негорючей основы (асбестоцементных плит) хотя и позволяет в большинстве случаев перевести материал при испытаниях в группу горючести Г4, также не в полной мере отражает его потенциальную пожарную опасность, в частности возможное высокое тепловыделение с единицы массы.
Учитывая принятое в настоящее время противопожарное нормирование применения строительных материалов, основывающееся на классификации по группам горючести, определяемым по ГОСТ [1] (НГ,Г1,Г2,Г3,Г4), на данном этапе решение описанной в статье проблемы с целью минимизации возможных последствий недооценки пожарной опасности пенополистирола может идти двумя путями.
1
Пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Первый возможный путь — это введение необходимых дополнений в стандартный метод по ГОСТ [1], предписывающих проводить испытания образцов пенополистирола фиксированной толщины, например 20 мм, и с обязательным использованием негорючей основы в виде асбестоцементных плит.
Второй путь — использование для оценки горючести пенополистирола действующего стандарт-
ного метода по ГОСТ [6, п. 4.3], введя следующую корреляцию с группами горючести по СНиП [5]:
• материалы, относящиеся к группе горючих лег-ковоспламеняемых и горючих средней воспламеняемости по ГОСТ [6], относить к материалам группы горючести Г4;
• материалы, относящиеся к группе горючих трудновоспламеняемых по ГОСТ [6], относить к материалам группы горючести Г3.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть. — ИПК: Изд-во стандартов, 1996.
2. Справочник. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов и средства их тушения / Под ред. А. Н. Баратова и А. Я. Корольченко. В 2-х кн. — М.: Химия, 1990.
3 ГОСТ 15588-86. Плиты пенополистирольные.
4. Пожарная опасность строительных материалов / Под ред. А. Н. Баратова. — М.: Стройиздат, 1988.
5. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений. — М.: Госстрой России, 1997.
6. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — М.: Изд-во стандартов, 1985.
7. ISO 1716:1973. Building materials — Determination of calorific potential.
8. ISO 5660-1:1993. Fire tests — Reaction to fire. Part 1: Rate of heat release from building products — (Cone calorimeter method).
9 Трушкин Д. В., Аксенов И. М. Сравнительная оценка методов испытаний на горючесть твердых материалов // Пожаровзрывобезопасность. — 2001. — Т. 10, № 5. — С. 24-30.
Поступила в редакцию 15.07.05.
