CC BY
176
Bednaya Tatyana Alekseevna - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»; e-mail: bednayat@mail.ru; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +7289561532; the department of chemistry and ecology; assistant.
Semenistaya Tatiana Valerievna - e-mail: semenistaya@sfedu.ru; phone: +79185804422; the department of chemistry and ecology; cand. of chem. sc.; associate professor.
Petrov Victor Vladimirovich - e-mail: vvpetrov@sfedu.ru; phone: +78634371635; vice-rector for Engineering Education SFU, dr. of eng. sc.
УДК 678:699.81
А.Н. Гаращенко, В.П. Рудзинский, В. О. Каледин
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОГНЕЗАЩИТЫ
Проведен анализ возможности применения различных видов огнезащиты для существенного снижения показателей пожарной опасности полимерных композиционных материалов и конструкций из них. Рассмотрены особенности применения вспучивающихся покрытий, как наиболее перспективного средства огнезащиты таких конструкций. Представлены результаты, демонстрирующие получение приемлемого уровня показателей для типичных полимерных композитов со вспучивающимися покрытиями. Показана перспективность разработки и использования компьютерных программ для проектирования рациональной огнезащиты, для оценки уровня конструктивной пожарной опасности и пределов огнестойкости, а также для создания оптимальных по форме и структуре конструкций с огнезащитой, обеспечивающих требуемый уровень их пожаробезопасности.
Полимерные композиционные материалы (композиты); стеклопластик; пултрузия; вспучивающиеся огнезащитные покрытия; пожарная опасность; пожаробезопасность, предел огнестойкости; теплотехнические и статические расчеты; математической моделирование.
A.N. Garashchenko, V.P. Rudzinsky, V.O. Kaledin
USE OF FIRE PROTECTION FOR REDUCING FIRE HAZARD OF POLYMER COMPOSITES AND STRUCTURES ON THEIR BASIS
A possibility of using various kinds of fire protection for the substantial reduction of fire hazard indices of polymer composite materials and structures on their basis is analyzed. The features of using intumescent coatings as the most prospective fire-protection means for these structures are considered. The results that demonstrate obtaining the acceptable level of indices for typical polymer composites with intumescent coatings are presented. The potentiality of developing and using software for designing rational fire protection, evaluating a level of constructive fire hazard and fire-resistance limits as well as developing structures, optimal in their form and design, with fire protection providing the required level of their fire safety is shown.
Polymer composite materials (composites); fiberglass plastic, pultrusion; intumescent fire-protective coatings; fire hazard; fire safety; fire-resistance limit; heat-engineering and static calculations; mathematical modeling.
В настоящее время объем применения конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в нашей стране явно не соответствует потребностям различных отраслей и, прежде всего, наиболее материалоемкой строительной отрасли. В значительной степени это связано с тем, что ПКМ являются горючими материалами, а конструкции из них имеют относительно низкую термо- или огнестойкость. Во всем мире применение ПКМ (стекло-, угле-, базальтопластиков) при изготовлении различных конструкций в строительстве, на транспорте и других
сферах растет возрастающими темпами. Существующие технологические приемы, в частности метод пултрузии, позволяют изготавливать конструкции из ПКМ различной конфигурации, что расширяет возможности их использования.
Традиционным путем снижения показателей пожарной опасности ПКМ является использование полимерных связующих с пониженной горючестью. Это достигается применением замедлителей горения (антипиренов), модификацией полимеров, синтезом мало горючих полимеров. С их помощью удается существенно снизить показатели горючести, воспламеняемости, распространения пламени, а также (в определенной степени) снизить дымообразующую способность и токсичность продуктов термического разложения. Но, как правило, снижение указанных показателей сопровождается снижением физико-механических характеристик материалов и (или) увеличением их стоимости. Кроме того, использование подобных связующих практически не приводит к улучшению показателей пожарной безопасности конструкций из ПКМ, главным из которых является их огнестойкость. Она характеризует возможность эксплуатации конструкций из композитов в условиях вероятного пожара в течение требуемого промежутка времени. Важным показателем является также класс их конструктивной пожарной опасности.
Проведенный анализ показал, что важным и рациональным путем существенного повышения пожаробезопасности как полимерных композитов, так и конструкций из них является использование огнезащиты. Если имеется возможность использования средств огнезащиты значительной толщины, то с ее помощью при огневом воздействии установленной продолжительности можно обеспечить температуру защищаемых из ПКМ не выше уровня, при котором не происходит существенное падение прочности материала и не началась их интенсивная термическая деструкция. Для типичных стеклопластиков на эпоксидном связующем это диапазон 80-150 °С. В этом случае решается задача по обеспечению требуемого уровня пожаробезопасности как полимерных композитов, так и самих конструкций из них. Однако во многих случаях при использовании огнезащиты большой толщины, представляющих собой негорючие плитные или рулонные материалы, обмазки (штукатурки) и пр. , возникает вопрос о целесообразности использования самих композитных конструкций, поскольку теряются такие их преимущества как низкая масса, эстетичный внешний вид, технологичность монтажа и пр.
Минимизировать перечисленные недостатки можно в случае использования лакокрасочных вспучивающихся огнезащитных покрытий, которые представляются наиболее приемлемым средством защиты от пожаров конструкций из ПКМ. Но существует ряд ограничений, которые не позволяют применять такие покрытия столь успешно, как, например, для металлоконструкций. К числу таких ограничений относится сложность обеспечения высокой адгезии между покрытиями и ПКМ, а также требуемой эксплуатационной стойкости (например, при воздействии атмосферной влаги). В настоящее время только крайне ограниченное количество вспучивающихся составов обеспечивают подобные характеристики. Тем не менее, как показал проведенный анализ, применение таких материалов является возможным и перспективным. Тем более, что узкие вопросы их применения известны разработчикам новых более эффективных покрытий, и перспективы их решения имеются.
Насколько снижаются показатели пожарной опасности типичного ПКМ можно проследить на примере вспучивающегося покрытия СГК-2 на основе хлор-сульфированного полиэтилена и терморасширяющегося графита, который обеспечивает 25-кратное вспучивание при температуре начала вспучивания порядка 165 оС [1]. Пока этот состав обладает наиболее оптимальным сочетанием свойств, необходимых для материала, используемого для конструкций из ПКМ, а именно
высокой адгезионной прочностью, эксплуатационной стойкостью в различных средах и наибольшей долговечностью по сравнению с другими материалами этого класса. Результаты испытаний, проведенных во ВНИИПО МЧС РФ для образцов стеклопластика на основе эпоксидного связующего и ткани Т-10-14, показали, что при толщине покрытия СГК-2 0,45-0,5 мм обеспечивается перевод стеклопластика из группы горючих материалов средней воспламеняемости в группу трудногорючих (испытания по ГОСТ 12.1.044-89 п.4.3), а также из группы В2 (горючий материал средней воспламеняемости) в группу В1 (горючий материал низкой воспламеняемости по ГОСТ 30402-96). Получены достаточно приемлемые группы по токсичности продуктов разложения и дымообразующей способности: Д2 (материал с умеренной дымообразующей способностью по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.18) и Т2 (умереннопасный материал по ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.20). При толщине покрытия СГК-2 0,65-0,7 мм значительно снизился индекс распространения пламени (ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.19). Материал из группы материалов, быстро распространяющих пламя, перешел в группу материалов практически не распространяющих пламя по поверхности. Полученные результаты [1] свидетельствуют о потенциальной возможности существенного снижения класса пожарной опасности конструкций из полимерных композитов, определяемого по ГОСТ 30403-96 при использовании подобных покрытий.
Наибольшей проблемой при создании конструкций из ПКМ со вспучивающейся огнезащитой является обеспечение нормативных требований по пределам их огнестойкости. Решение этой задачи усугубляется тем, что огневые испытаний по ГОСТ 30247.0-94 для таких конструкций, практически, не проводились. Ожидать изменения такой ситуации в ближайшее время не приходится, поскольку объем использования ПКМ в строительстве и других сферах пока невелик по сравнению с традиционными конструкционными материалами (сталь, железобетон). В свою очередь отсутствие надежных данных по пределам огнестойкости композитных конструкций с огнезащитой сдерживает рост их производства.
В этих условиях следует перенести цент тяжести работ (по выбору материалов, определению толщин огнезащиты и оценке пределов огнестойкости элементов из ПКМ) с проведения огневых испытаний на проведение теплотехнических и статических расчетов по апробированным методикам и компьютерным программам. Использование существующих и создание новых методик целесообразно проводить, базируясь на заделе, созданном для проектирования и отработки пожаробезопасных строительных конструкций из стали и железобетона. В качестве такого задела по теплотехническим расчетам наиболее приемлемы методики и программные комплексы серии «ОГНЕЗАЩИТА», разработанные для различных видов огнезащиты, включая вспучивающиеся покрытия [2]. Но не удается обойтись без разработки новых методик и программ, которые должны учитывать специфику конструкций из полимерных композитов. В частности, требуется разработка программ теплотехнических расчетов двухмерных температурных полей в конструкциях со вспучивающейся огнезащитой. Их отсутствие связано с объективными трудностями численной реализации достаточно сложных математических моделей, учитывающих всю совокупность основных физико-химических процессов, происходящих во вспучивающихся материалах при нагреве, а также со сложной геометрией расчетной области и деформированием этой области при вспучивании.
Конструкции из ПКМ, предназначенные для строительства и других сфер, могут изготавливаться различной формы и размеров. В частности, методом пул-трузии изготавливаются профили в виде двутавров, швеллеров, коробов круглой и прямоугольной формы (с внутренними элементами и без них). Различия в конфигурации и отсутствие общих приемов численной реализации исходных систем
уравнений предопределили необходимость создания нескольких программ теплотехнических расчетов для конструкций различной формы. В данной публикации отражено создание первой из таких программ, разработанной для конструкции круглой формы с внутренними элементами в виде креста. Представлены результаты первой серии расчетов по разработанной программе.
Расчетная схема представлена на рис. 1. Рассматривается конструкция из стеклопластика, представляющая собой стойку, колонну или связь цилиндрической формы с наружной оболочкой (1) и крестообразными внутренними силовыми элементами. Ее диаметр 250 мм, толщина цилиндрической оболочки и перемычек в виде пластин (2) равняется 6 мм. Имеется также центральный элемент в виде цилиндра (стержня) диаметром 20 мм (3). На наружную цилиндрическую поверхность нанесено вспучивающееся покрытие (4).
Исходная система уравнений включает уравнение нестационарной теплопроводности, краевые условия и замыкающие соотношения. Она записана в цилиндрической системе координат г, ф, где г - радиус, ф - угол. Вид зависимостей, используемых для описания физико-химических процессов и процессов тепломассо-переноса в конструкционном и огнезащитном материалах, заимствованы из работы [3], где они были записаны в одномерной постановке. Основные приемы численной реализации, обеспечивающие сходимость и устойчивость расчетного алгоритма, заимствованы у программного комплекса «ОГНЕЗАЩИТА. Версия 2У» [2]. Учет реальной геометрии элементов в виде пластин в новой программе производится путем перестройки ячеек разностной сетки и уточнения значений температуры в ее узлах. Изменение размеров расчетной области при вспучивании учитывается соответствующим увеличением количества элементов разностной сетки. Разностная сетка состоит из сотен ячеек как по радиусу г, так и по углу ф.
Расчеты проводились при огневом воздействии по «стандартному» температурному режиму в течение 60 мин. Использовались справочные данные по теплофизическим характеристикам стеклопластика и данные по свойствам модельного вспучивающегося покрытия типа СКГ-2. Результаты расчетов температурных полей в композитной конструкции представлены на рис. 2-5 в виде зависимостей от времени температуры в характерных точках. Полученные данные демонстрируют неравномерность прогрева внутренних элементов конструкции при огневом воздействии.
На рис. 2 показаны температурные зависимости для характерных зон (контрольных точек) при толщине покрытия 2 мм. Влияние толщины покрытия на уровень прогрева конструкции демонстрируется на рис. 3, 4, а изменение температуры поверхности стеклопластиковой оболочки в зависимости от ориентации контроль-
ных точек - на рис. 5. Кривые на рис. 2-4 свидетельствуют, что уровень прогрева центральной части конструкции при толщине вспучивающегося покрытия 2 мм и более относительно невелик, что должно соответствующим образом сказаться на обеспечении ее несущей способности при пожаре.
г, с
1 /
/ 2 У' < 3
Рис. 2. Зависимости от времени температуры конструкции в зоне перемычки при толщине покрытия 2 мм: 1 - поверхность внутреннего стержня; 2 - центр перемычки;
3, 4 - центр и поверхность оболочки, (г=10; 67,5; 122; 125 мм соответственно); 5 - поверхность покрытия
о 15 30 45 (, МИН
Рис. 3. Зависимости от времени температуры поверхности внутреннего стержня конструкции в зоне перемычки (г =10 мм) при толщине вспучивающегося покрытия, равной 1 мм (1), 2 мм (2), 3 мм (3)
Рис. 4. Зависимости от времени Рис. 5. Зависимости от времени
температуры поверхность внутреннего температуры поверхности оболочки стержня в зоне перемычки (г=67,5 мм), (г=125 мм) при толщине покрытия
при толщине покрытия, равной 1 мм (1), 2 мм и значениях угла ф, равных 45° (1), 2 мм (2), 3 мм (3) 15о(2), 0о(3) - ось перемычки)
Температурные поля в конструкции с огнезащитой, определенные с помощью теплотехничеких расчетов по разработанной программе, являются исходными данными для статических расчетов, в ходе которых определяется предел огнестойкости с учетом эксплуатационных нагрузок и значения механических характеристик (модуля упругости и предела прочности материала). При рациональном выборе формы и структуры конструкций из ПКМ используется подход, изложенный в [4].
Статические расчеты показали, насколько снижается несущая способность конструкции в условиях пожара. Поскольку для условий обычной эксплуатации нагрузки и значения механических характеристик материала принимаются с заданным запасом, потеря несущей способности конструкции в условиях пожара представляет собой протяженный во времени процесс накопления повреждений, происходящих как на уровне материала конструкции, так и в отдельных её элементах. По мере прогрева конструкции принятый запас «выбирается», и конструкция проходит ряд состояний - от эксплуатационного до предельного, после которого её несущая способность исчерпывается. Фактический предел огнестойкости определяется, с одной стороны, резервом несущей способности конструкции при обычной эксплуатации, с другой стороны - скоростью снижения (деградации) несущей способности конструкции при нагреве.
Эффективность рационального проектирования конструкций из ПКМ с требуемым пределом огнестойкости продемонстрирована на примере сопоставления характера изменения во времени несущей способности стеклопластиковой конструкции для вариантов её исполнения. Базовым вариантом может быть традиционная форма, в рассматриваемом в статье случае - это однослойный цилиндр из стеклопластика. Для корректности сопоставления площадь сечения силовой части, а, следовательно, и погонная масса конструкции для традиционного и предлагаемого вариантов исполнения принимается одинаковой. По результатам теплотехнических и статических расчетов строятся соответствующие кривые деградации во времени несущей способности. Предельному состоянию (пределу огнестойкости) соответствует точка пересечения этих кривых со значением предельного (или критического) для конструкции усилия. Расчеты продемонстрировали значительное увеличение предела огнестойкости варианта, показанного на рис. 1, по сравнению с традиционной конструкцией в виде однослойного цилиндра.
Уже первый этап теплотехнических и статических расчетов показал, насколько эффективнее конструкция при изготовлении наружной оболочки с минимальной толщиной и с более массивными внутренними элементами. Поскольку уровень нагрева наружной оболочки особенно велик, а прочностные характеристики стеклопластиков значительно уменьшаются при нагреве, его вклад в несущую способность конструкции относительно быстро обнуляется. Этот слой при рассматриваемом воздействии становится, по существу, «жертвенным» и его можно изготавливать минимально допустимой по технологическим соображениям толщины.
Таким образом, продемонстрированы перспективы снижения показателей пожарной опасности ПКМ и элементов из них за счет огнезащиты, а также рационального проектирования формы и структуры композитных конструкций. Это является предпосылкой для увеличения объема использований конструкций из ПКМ в различных сферах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаращенко А.Н., Суханов А.В., Клоков А.Н., Гаращенко Н.А. Исследование эффективности применения вспучивающихся покрытий для снижения показателей пожарной опасности конструкций из полимерных композитов // Труды IV Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести». - Вологда: Изд-во ВоГТУ, 2011. - С. 139-141.
2. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Программный комплекс для расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с разлагающейся и вспучивающейся или испытывающей усадку огнезащитой (ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВУ.2). - М.: Фонд НИИЦ ПС «КУРС» МГТУ, 2001. - 32 с.
3. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты // Пожаровзры-вобезопасность. - 1997. - Т. 6, № 3. - С. 21-30.
4. Суханов А.В., Каледин В.О., Гаращенко А.Н., Мараховский С.С. Принципы конструирования пожаробезопасных конструкций из полимерных композиционных материалов // Труды IV Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести». - Вологда: Изд-во ВоГТУ, 2011. - С. 157-161.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Л.П. Милешко.
Гаращенко Анатолий Никитович - ОАО «ЦНИИ специального машиностроения»; e-mail: a.n.gar@mail.ru; 141371, г. Хотьково, Московская обл., ул. Заводская; тел.: 89037230568;; д. т. н.; в.н.с.
Каледин Владимир Олегович - e-mail: kaledinvl@mail.ru; к.т.н.; начальник отделения.
Рудзинский Владимир Петрович - НИИ прикладной математики и механики при Национальном исследовательском Томском государственном университете; e-mail: rvp@arto.ru; 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30; к.т.н.; с.н.с.
Garashchenko Anatoly Nikitovich - OAO “Central Research Institute of Special Machinery”; e-mail: a.n.gar@mail.ru; Zavodskaya street, Khotkovo, Moscow Region, 141371, Russia; phone: +79037230568; dr. of eng. sc.; leading research.
Kaledin Vladimir Olegovich - e-mail: kaledinvl@mail.ru; cand. of eng. sc.; chief of department.
Rudzinsky Vladimir Petrovich - Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics attached to National Research Tomsk State University; e-mail: rvp@arto.ru; 30, Prospect Lenina, Tomsk, 634050, Russia; cand. of eng. sc.; senior research.
УДК 614.841.1
Е.Н. Покровская, А.А. Кобелев, Ф.А. Портнов, Д.А. Корольченко
ДЫМООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ МОДИФИЦИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
С целью снижения дымообразующей способности древесины при пожаре изучено влияние различных неорганических и органических кислот фосфора, а также некоторых кремнийорганических соединений на дымообразующую способность древесины. С помощью методов адсорбции воды, ИК-Фурье спектроскопии и элементного анализа исследованы свойства поверхностного карбонизованного слоя и установлено их влияние на количество выделившегося дыма.
В присутствии диэтилфосфита, диметилфосфита и полифосфата аммония (ПФА-1) древесина переходит в группу материалов с умеренным дымообразованием "Д2 " (согласно "Техническому регламенту о требованиях пожарной безопасности").
Показано, что снижение дымообразующей способности древесины связано с изменениями в пористой структуре угля, изменением соотношения карбоксильных и гидроксильных групп, а также содержанием элементных фосфора и кремния в поверхностном карбо-низованном слое.
Древесина; дымообразующая способность; элементоорганические соединения; эфиры фосфористой кислоты; кремнийорганические соединения; поверхностное модифицирование; поверхностный карбонизованный слой; диэтилфосфит; диметилфосфит.
