CC BY
58
D01:10.12845/bitp.36.4.2014.6
канд. техн. наук ЯКОВЧУК Р.С. / YAKOVCHUK R.S., Ph.D.1 канд. техн. наук ВЕСЕЛИВСКИЙ Р.Б. / VESELIVSKIY R.B., Ph.D.1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 14.02.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 15.07.2014; Opublikowany/Published/Опубликована: 31.12.2014;
ИССЛЕДОВАНИЕ ОГНЕЗАЩИТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАПОЛНЕННЫХ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
ДЛЯ БЕТОНА2
Effectiveness Testing of Filled Silicon Organic Coatings for Concrete
Badania skutecznosci pozarowej powlok krzemoorganicznych z wypelniaczem stosowanych do betonu
Аннотация
Цель: Целью работы является исследование огнезащитной эффективности разработанного вещества для защиты бетонных конструкций от воздействия высоких температур и открытого пламени при пожаре.
Введение: Огнезащитная способность наполненных кремнийорганических покрытий основывается на создании вспученного термоизоляционного слоя, который образуется на поверхности бетонной конструкции при температуре 473-773 К. Этот слой не позволяет огню повредить строительные конструкции, а высокой температуре, возникающей при пожаре, нагревать их до критических значений, при которых они будут терять свою несущую способность и разрушатся.
Методы: Огнезащитную способность покрытия для бетона определяли по стандартизированной методике, которая базируется на определении линейного коэффициента вспучивания материала покрытия, согласно ДСТУ-Н-П Б В.1.1-29-2010 Огнезащитная обработка строительных конструкций. Общие требования и методы контроля. Настоящий стандарт устанавливает общие требования и методы контроля огнезащитной способности средств огнезащиты при приеме выполненных работ по огнезащитной обработке строительных конструкций, идентификации и последующей эксплуатации. Результаты: Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность выбора компонентного состава наполненных кремнийорганических покрытий для бетона. Предложенное огнезащитное вещество при нагревании имеет высокую защитную эффективность благодаря образованию вспученного термоизоляционного слоя с низкими показателями теплопроводности и высоким линейным коэффициентом вспучивания. Определено, что составы огнезащитных веществ № 3 и № 4 характеризуются высокими линейными коэффициентами вспучивания и низкими характеристиками коэффициентов теплопроводности, что, в свою очередь является важными показателями эффективности огнезащиты для бетонных строительных конструкций. Лучшие характеристики имеет огнезащитное вещество состава № 3, для которого X = 0,058 Вт / м-К и К = 12,3.
л 7
Выводы: Целесообразность использования вспучивающихся огнезащитных покрытий обусловлена тем, что они тонкослойные, при нагревании не выделяют токсичных веществ, имеют высокую огнезащитную эффективность, а их приготовления и нанесения на поверхность позволяет применять общепринятую в лакокрасочной промышленности технологию. Образование слоя с оптимальными защитными свойствами определяется в значительной степени составом разработанного огнезащитного вещества, количественным соотношением между компонентами и химическими процессами, протекающими при его формировании.
Ключевые слова: огнестойкость, трещиностойкость, огнезащитное вещество, огнезащита, адгезия, теплопроводность Вид статьи: оригинальная научная статья
Abstract
Aim: The purpose of this research is to study the fire retardant effectiveness of developed substances for use in protection of concrete structures against high temperatures and open fire flames.
1 Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности, Украина, 79000, Львов, ул. Клепаровская, 35; e-mail: [email protected] / Lviv State University of Life Safety;
2 Авторы внесли одинаковый вклад в создание статьи / The authors contributed equally to this article;
D01:10.12845/bitp.36.4.2014.6
Introduction: Fire-retardant capability of filled silicon organic coatings is based on the creation of an expanded thermal insulation layer, which is formed on the surface of concrete structures at a temperature of 473-773 K. This layer protects construction structures from fire damage, and high temperatures which occur during a fire incident. The structures heat up to a critical temperature level, at which point they lose their load bearing capacity and collapse.
Methods: Fire retardant capability of coatings for concrete was determined by a standardized method based on identifying the linear coefficient of coating expansion, in accordance with the Ukraine Fire Protection "State Standard -N-P B V. 11-29-2010 - Fire Retardant Treatment of Building Structures, General Requirements and Methods of Control". This Standard specifies general requirements and fire retardant capability control methods during commissioning of completed building structures, which were exposed to fire-retardant treatment, identification and subsequent use.
Results: Results from experimental studies confirmed that the selected composition components of filled silicon organic coatings for concrete was appropriate. The proposed fire retardant substance has high protective efficiency properties during heating, due to the formation of an expanded insulation layer with a low thermal conductivity index and high coefficient of linear expansion. It was determined that the composition of fire retardant substances, number 3 and 4, are characterized by the highest linear coefficient of swelling and the lowest thermal conductivity index. These are important indicators of fire protection effectiveness for concrete structures. The best specifications are revealed by fire retardant substance number 3, for which X = 0,058 Wt / m • K and Kl= 12.3. Conclusions: The use of expanding fire protective coatings is appropriate because the substances are thin-layered, do not emit toxic elements when heated and are very effective in fire-retardant performance. Their preparation and application to the surface enables the use of current conventional technology in the paint and varnish industry. The formation of a layer with optimum protective properties, when coating is exposed to high temperatures, is determined largely by the developed fire retardant composition of elements making up the substance and quantitative relationship between components, and ultimately the chemical process which occurs during production.
Keywords: fire resistance, crack resistance, fire-retardant coating, fire protection, adhesion, thermal conductivity Type of article: original scientific article
Abstrakt
Wprowadzenie: Powloki krzemoorganiczne z wypelniaczem wykazuje zdolnosc ogniochronnq poprzez tworzenie sp^cznialej warstwy termoizolacyjnej na powierzchni konstrukcji betonowej przy temperaturze 473-773 K. Warstwa ta nie pozwala na uszkodzenie przez ogien konstrukcji budowlanych, a przy wysokiej temperaturze podczas pozaru zatrzymuje nagrzewanie si^ konstrukcji do punktu krytycznego, przy ktorym konstrukcje tracq swojq nosnosc i ulegajq zniszczeniu. Celem pracy jest zbadanie skutecznosci ogniochronnej opracowanej substancji przeznaczonej do ochrony konstrukcji betonowych przed oddzialywaniem wysokich temperatur i otwartym ogniem w warunkach pozaru.
Metody: Zdolnosc ogniochronna powloki do betonu byla obliczana wedlug normatywnej metodologii, bazujqcej na okresleniu wspolczynnika liniowego p^cznienia materialu powloki, zgodnie z normq „^CTy-H-n E B.1.1-29-2010. Obrobka ogniochronna konstrukcji budowlanych. Ogolne wymagania i metody kontroli". Dana norma okresla ogolne wymagania i metody kontroli wlasciwosci ogniochronnych srodkow ogniochronnych podczas odbioru wykonanych prac zwiqzanych z obrobkq ogniochronnq konstrukcji budowlanych, identyfikacji i pozniejszej eksploatacji.
Wyniki: Wyniki badan eksperymentalnych potwierdzily slusznosc wyboru elementow skladowych krzemoorganicznych powlok z wypelniaczem do betonu. Zaproponowana substancja ogniochronna podczas nagrzewania wykazuje wysokq skutecznosc ogniochronnq dzi^ki wytworzeniu sp^czniajqcej si^ warstwy termoizolacyjnej o niskim wspolczynniku przewodzenia ciepla i wysokim wspolczynniku liniowym p^cznienia. Ustalono, iz sklad substancji chemicznych nr 3 i nr 4 charakteryzuje wysoki liniowy wspolczynnik p^cznienia i niskie wartosci wspolczynnikow przewodzenia ciepla, ktore z kolei s§ waznymi charakterystykami decydujqcymi
0 skutecznosci ogniochronnej betonowych konstrukcji budowlanych. Najlepsze wlasciwosci wykazuje substancja ogniochronna nr 3, dla ktorej wartosci wynoszq X = 0,058 W / m-K h K = 12,3.
Wnioski: Slusznosc zastosowania p^czniejqcych powlok ogniochronnych jest uzasadniona tym, ze s§ one cienkowarstwowe, przy nagrzewaniu nie wydzielajq substancji toksycznych oraz charakteryzuje si^ wysokq skutecznosci^ ogniochronna, a ich przygotowanie
1 naniesienie na powierzchni^ moze odbywac si^ przy uzyciu powszechnie stosowanej w przemysle lakierniczym technologii. Tworzenie warstwy o optymalnych wlasciwosciach ochronnych w duzym stopniu zalezy od opracowania skladu substancji ogniochronnej oraz stosunku ilosciowego pomi^dzy elementami i procesami chemicznymi zachodzqcymi podczas jej formowania.
SJowa kluczowe: odpornosc ogniowa, odpornosc na p^kanie, srodek ogniochronny, ochrona ogniowa, adhezja, przewodzenie ciepla Typ artykuJu: oryginalny artykul naukowy
1. Введение
Строительные конструкции в обычных условиях эксплуатации могут хранить необходимые рабочие свойства в течение десятков лет. В условиях пожара эти же конструкции очень быстро теряют свои эксплуатационные качества, разрушаются или теряют способность препятствовать распространению огня. Одной из основных опасностей во время пожара в здании является снижение прочности и обрушение несущих конструкций (металлических, железобетонных) под воздействием открытого пламени и высоких температур. Как показывает практика, люди при
пожаре гибнут в основном не от ожогов, а от травм, связанных с разрушением строительных конструкций и отравлением токсичными продуктами горения.
Во время пожара температура в зоне горения может превышать 1273 К [1]. В этих условиях элементы несущих конструкций испытывают значительные термические напряжения, а локальная температура элементов конструкций может превысить критическую черту. Разрушение конструкций происходит через высокое давления пара в порах бетона под воздействием термических напряжений, а также через разницы
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
в коэффициентах температурного расширения различных заполнителей бетона.
Таким образом, при воздействии на бетон высоких температур во время пожара в его структуре происходят необратимые деструкционные изменения. Учитывая недостаточную долговечность бетона и изделий на его основе, связанную с деструктивными процессами в поверхностных слоях при эксплуатации и действии огня, целесообразным является защита их поверхности от воздействия агрессивных факторов путем нанесения огнезащитных веществ.
Использование огнезащитных веществ на основе кремнийорганических композиций, которые при нагревании переходят в керамический материал, позволяет значительно расширить температурный интервал использования указанных изделий. Разработка составов таких веществ основывается на использовании связки и наполнителя с высокой температуростойко-стю, а также их способности при нагревании взаимодействовать между собой с образованием керами-ко-матричного композиционного материала, который не окисляется и устойчив к воздействию огня. Рациональный подбор компонентов способствует обеспечению высоких теплозащитных свойств покрытия, что в свою очередь позволит длительное время защищать бетонные строительные конструкции от воздействия теплового излучения и открытого пламени, предотвратит трещинообразование и обеспечит надежную эксплуатацию конструкций в течение длительного времени.
Огнезащитная эффективность таких покрытий основывается на создании вспученного термоизоляционного слоя, который образуется на поверхности бетонной конструкции при температуре 473-773 К. Благодаря низкой теплопроводности, пористый термоизоляционный слой покрытия предотвращает быстрый прогрев защищенной строительной конструкции. Поэтому исследования огнезащитной эффективности покрытия является важной технической задачей.
2. Анализ последних исследований и публикаций
Огнезащита бетонных строительных конструкций играет важную роль в системе обеспечения пожарной безопасности различных объектов. В настоящее время в практике огнезащиты широко используют метод обработки огнезащитными покрытиями различного компонентного состава [2]. Тонкослойные покрытия, которые обладают способностью вспучиваться, занимают значительное место среди средств огнезащиты, применяемых сегодня [3]. Для термозащиты применяют многослойные кремниевые покрытия, число слоев которых достигает 6...8. Внешнее покрытие состоит из следующих элементов ^203 ^Ю2; 2R2O3•3SiO2; Я203 ^Ю2, где R - Sс, Тт, Yb, Gd, ТИ или их комбинации) [4]. В качестве промежуточного слоя использованы слои муллита, алюмосиликатов магния, кальция, бария и антикоррозионные составы - гафния оксид и силикат, скандия и иттербия силикаты. Внутренний
ЕЮЫ0Л2845Мр.36.4.2014.6
слой - оксиды и силикаты гафния и циркония. Температурный коэффициент линейного расширения слоев изменяется в пределах (40...60) 10-7 К-1 и обеспечивает прочное сцепление с поверхностью подкладок.
О разработке новых составов огнестойких покрытий для защиты бетонных конструкций на основе наполненных компонентами оксидов кремнийорганиче-ских полимеров, описано в [5].
3. Методы
Огнезащитную способность покрытия для бетона определяли по методике [6], которая базируется на определении линейного коэффициента вспучивания огнезащитного материала.
Сущность метода определения линейного коэффициента вспучивания заключается в определении соотношения толщины огнезащитного материала, нанесенного на стальную пластину, до и после воздействия температуры 613 К. Для испытаний по методу определения линейного коэффициента вспучивания огнезащитные вещества (краски, лаки) наносят по технологии предприятия-производителя на две стальные квадратные пластины со стороной (50 ± 1) мм и толщиной (2,0 ± 0,2) мм.
Толщина слоя покрытия после высыхания должна составлять (1,0 ± 0,5) мм. Допускается нанесение слоя другой толщины, если это предусмотрено технологией предприятия-изготовителя. С огнезащитных материалов, поставляемых в виде лент, пластин и т.п., вырезают образцы длиной (50 ± 1) мм и фактической шириной, но не более (50 ± 1) мм, которые накладывают или наклеивают на стальные пластины согласно технологии предприятия-изготовителя.
Подготовленные образцы высушивают при температуре (20 ± 5) °С в течение 48 часов и при температуре (70 ± 5) °С в течение 3 часов. После охлаждения до температуры окружающей среды измеряют толщину слоя покрытия из огнезащитного материала по формуле:
h = h + h
(1)
где h - толщина образца (вместе со стальной пластиной), мм;
hm - толщина стальной пластины, мм.
Устройством регулирования, поддержания и контроля температуры в печи задают температуру (340 ± 5) °С и доводят ее до постоянной температуры в течение не менее 1 часа.
Два образца вносят в печь за время не более 20 секунд. После закрытия печи включается секундомер. Через 20 минут пластины вынимают из печи и устанавливают на поверхность из негорючего материала для охлаждения. Через 30 минут штангенциркулем определяется средняя высота вспученного слоя материала И, на каждой пластине.
Для определения среднего значения высоты измеряют высоту в пяти точках в центре пластины
п
z
m
D01:10.12845/bitp.36.4.2014.6
и в средних точках между центром и углами пластины.
По результатам испытаний по методу определения линейного коэффициента вспучивания рассчитывается коэффициент вспучивания на пластинах К по формуле:
К = 0,5 (h / h i + h / h )
л 7 v cl ni с2 n2
(2)
где И , кс2 - средние значения толщины вспученного слоя материала на первой и второй пластинах, мм; кпР кп2 - средние значения толщины начального слоя материала на первой и второй пластинах, мм.
Экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности исследуемых составов покрытий и бетона было проведено с помощью динамического измерителя теплопроводности ИТ-Л-400, методом монотонного теплового нагрева.
4. Результаты
Огнезащитное средство считается выдержавшим испытания, если значение коэффициента вспучивания составляет не менее 80% от значения коэффициента вспучивания, представленного компанией-производи-
телем в технологическом регламенте на соответствующее огнезащитное средство.
Проведенными исследованиями установлено линейные коэффициенты вспучивания и теплопроводности для четырех составов огнезащитных покрытий, которые приведены в табл. 1.
На рис. 1 и табл. 2 представлены зависимости коэффициента теплопроводности огнезащищенного бетона при нагревании.
Уменьшение коэффициента теплопроводности ог-незащищенного бетона подтверждается образованием на его поверхности теплоизоляционного поризова-ного слоя. Исходное покрытие (рис. 2 а) представлено плотно соединенными между собой частицами оксидного наполнителя полиметилфенилсилоксановой связкой. Нагревание до 623 К благодаря термоокислительной деструкции связки приводит к образованию округлых пор с частичным разрывом связей между отдельными частицами наполнителя (рис. 2 б). При температуре нагрева 873 К (рис. 2 в) в структуре покрытия появляется значительное количество пор различной конфигурации, а частицы наполнителя частично оплавляются. Нагревание до 1273 К (рис. 2 г) приводит к образованию на поверхности бетона сильно по-ризованого огнезащитного слоя.
Таблица 1.
Линейные коэффициенты вспучивания и теплопроводности исследуемых составов покрытий
Table 1.
Linear coefficients of thermal conductivity and expansion of the investigated coating compositions
№ состава Покрытия Number of coating composition Линейный коэффициент вспучивания, Кл Linear coefficients of expansion Коэффициент теплопроводности, мК Coefficient of thermal conductivity
1 11,9 0,075
2 12,1 0,068
3 12,2 0,063
4 12,3 0,058
Источник: Собственное исследование. Source: Own elaboration.
Таблица 2.
Коэффициенты теплопроводности огнезащищенного бетона при нагревании
Table 2.
Coefficients of thermal conductivity of fire resistant concrete during heating
№ состава Покрытия Number of coating composition , Bm л, Коэффициент теплопроводности, м ' К Coefficient of thermal conductivity
293 К 623 К 873 К 1273 К
Без покрытия Without coating 0,95 0,78 0,59 0,50
1 0,92 0,62 0,50 0,44
2 0,92 0,51 0,48 0,42
3 0,91 0,46 0,43 0,40
4 0,91 0,43 0,40 0,38
Источник: Собственное исследование. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности
огнезащищенного бетона от температуры:1-незащищенный бетон; 2- бетон защищен покрытием состава № 1; 3- бетон защищен покрытием состава № 2; 4-бетон защищен покрытием состава № 3;
5- бетон защищен покрытием состава № 4 Fig. 1. The dependence of thermal conductivity coefficient of the fire-protected concrete on the temperature: unprotected concrete; 2- concrete protected by coating composition No. 1; 3- concrete protected by coating composition No. 2; 4-concrete protected by coating composition No. 3; 5- concrete protected by coating composition No. 4 Источник: Собственное исследование.
Source: Own elaboration.
Рис. 2. Изменение микроструктуры защитного покрытия при нагревании: а- исходное; б- 623 К; в- 873 К; г- 1273 К Fig. 2. Changes in the microstructure of the protective coating during heating a- origin; б- 623 K; в- 873 K; г - 1273 K Источник: Собственное исследование. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.36.4.2014.6
Формирование качественного защитного покрытия на поверхности бетона зависит от состава исходных композиций, физико-химического состава бетона и условий твердения. Лабораторными исследованиями установлено текучесть исходной композиции (30-34 с по ВЗ- 4) и сухого остатка (84-79 масс. %). Определены микротвердость (217,1-260,5 МПа), что достигается при его выдерживании 24 ч при температуре 20 °С и покровную способность (240-270 г/м2) при толщине нанесения 0,4-0,6 мм.
Все разработанные составы защитных покрытий обладают высокой прочностью на удар (4,5-5,0 Дж) и прочностью на изгиб (1-2 мм).
Ускоренными исследованиями определения ат-мосфероустойчивости защитных покрытий доказано их высокую изолирующую способность. Краевой угол смачивания покрытий составляет больше 90 градусов, а водопоглощение защищенного бетона находится в пределах 0,18-0,58 масс.%, что в 10-25 раза меньше исходного.
5. Выводы
Таким образом, путем экспериментальных исследований определено огнезащитную способность наполненных кремнийорганических покрытий для бетона, подтверждена правильность выбора составов огнезащитных покрытий, которые характеризуются отличными показателями эффективности огнезащиты для бетонных строительных конструкций, а именно:
Огнезащитная эффективность разработанного вещества на основе кремнийорганической связки, на-полненой алюминия, кремния и магния оксидами, основывается на создании вспученного термоизоляционного слоя. Огнезащитный слой образуется на поверхности бетонной конструкции при температуре 473-773 К. Благодаря низкой теплопроводности пористый термоизоляционный слой покрытия предотвращает быстрое прогревание защищенной строительной конструкции, тем самым повышает ее огнестойкость.
Составы огнезащитных покрытий № 3 и № 4 характеризуются наиболее высокими линейными коэффициентами вспучивания и наиболее низкими значениями коэффициентов теплопроводности, что, в свою очередь является важным показателем эффективности огнезащиты для бетонных строительных конструкций. Лучшие характеристики имеет огнезащитное вещество состава № 3, для которого X = 0,058 Вт / м-К та К = 12,3.
л 7
Литература
1. Milovanov A.F., Stoykost' zhelezobetonnykh konstruktsiy pripozhare, Stroyizdat, Moscow 1998, p. 304.
2. Orlovs'kij Yu.T., Shnal' T.M., Pidvishhennja vognestijkosti konstrukcij budivel' ta sporud vognezahisnimi pokrittjami, „Pozhezhna Bezpeka", Issue 2, 2002, pp. 50-55.
3. Krivtsov Yu.V., Lamkin O.B., Rubtsov V.V., Gabdulin R.SH., Tonkosloynaya ognezashchita betona, „Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitel'stvo", Issue 6, 2006, pp. 42-44.
4. Yemchenko I.V., M.M. Givljud, Shljahi reguljuvannja vlastivostej oksidnoi keramiki, oderzhanoi iz napovnenih
б
a
в
г
silicijorganichnih kompozicij, „Visnik Donec'kogo derzhavnogo universitetu ekonomiki i torgivli im. M. Tugaj - Baranovs'kogo, Issue 1, 2006, pp. 148-152.
5. Yakovchuk R.S., Parkhomenko R.V., Kotsiyy Ya.Y., Kor-diyeritovyi vognetrivkiy zakhisniy pokrittya dlya beton-nikh konstruktsiyy, „Pozhezhna bezpeka", Issue 21, 2012, pp. 195-200.
6. Zahyst vid pozhezhi. Vognezahysne obrobljannja budivel'nyh konstrukcij. Zagal'ni vymogy ta metody kontroljuvannja: DSTU-N-P B V.1.1-29:2010, [Chynnyy vid 2011-11-01], Minregionbud Ukrayiny, 2011, p. 9 (Nacional'nyj standart Ukrayiny).
Б01:10.12845Мр.36.4.2014.6
Яковчук Роман Святославович - старший преподаватель кафедры надзорно-профилактической деятельности, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.
Веселивский Роман Богданович - доцент кафедры гражданской защиты и компьютерного моделирования екогеофизических процессов, кандидат технических наук, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.
