Огнестойкость материалов и конструкций для строительства складских комплексов

А. Рикошинский

Пожарная безопасность – та характеристика склада, которая имеет большое значение, но которой зачастую уделяют недостаточно внимания. Вообще понятие «пожарная безопасность» включает и угрозу человеческой жизни, и многомиллиардные убытки. Так, за 5 месяцев 2006 г. в Российской Федерации было зарегистрировано 96 082 пожара, в которых погибли 8424 человека и получили травмы 6166 человек. Прямой материальный ущерб от пожаров составил 2692,7 млн. руб. В Москве только за январь–апрель этого года зафиксировано 59 случаев крупных пожаров на складах.

Очевидно, что пожарная безопасность склада во многом зависит от принципов организации складского хозяйства и обеспечивается следующими системами и мероприятиями: системой предотвращения пожара, системой противопожарной защиты, организационно-техническими мероприятиями. В статье мы остановимся только на одной составляющей пожарной безопасности – огнестойкости строительных материалов и конструкций.

Основные огнезащитные свойства строительных материалов определяются СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» (с изм. от 03.06.1999 г.).

Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций, помещений, зданий, элементов и частей зданий основывается на их разделении по свойствам, способствующим возникновению опасных факторов пожара и его развитию, – по пожарной опасности и по свойствам сопротивляемости воздействию пожара и распространению его опасных факторов – по огнестойкости.

Строительные материалы характеризуются только пожарной опасностью, которая определяется горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по пoвepxности, дымooбpaзующeй способностью и токсичностью.

Горючесть – это способность строительного материала выдерживать воздействие высоких температур и открытого пламени без разрушения.

Горючесть и группы строительных материалов по горючести устанавливаются по ГОСТ 30244–94 «Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть».

Ряд органических материалов при действии огня не дают открытого пламени, но спекаются, оплавляются и могут выделять при этом дым с целым «букетом» вредных для здоровья человека газов. Если, например, древесина, пенополистирол при горении выделяют практически только два вида газов (СО – угарный газ, СО2 – углекислый газ), то ряд пластмасс выделяет фенол, оксиды серы, фосфора и другие вредные вещества.

Воспламеняемость и группы строительных материалов по воспламеняемости устанавливаются по ГОСТ 30402–96 «Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость».
Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасно-стью. Например, предел огнестойкости элементов деревянного дома – 15...20 мин, стального каркаса – примерно 30 мин.

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или нескольких нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний: потеря несущей способности (R), потеря целостности (Е), потеря теплоизолирующей способности (J). Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливает ГОСТ 30247.0–94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на горючесть», ГОСТ 30247.1–94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции», ГОСТ 30247.2–97 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Двери и ворота» и др. При этом предел огнестойкости окон устанавливается только по времени наступления признака Е.

Класс пожарной опасности строительных конструкций устанавливает ГОСТ 30403–96 «Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности».

Противопожарные преграды предназначены для предотвращения распространения пожара и продуктов горения из помещения или пожарного отсека с очагом пожара в другие помещения. К ним относятся противопожарные стены, перегородки и перекрытия, характеризуемые собственной огнестойкостью и пожарной опасностью. Огнестойкость противопожарной преграды определяется огнестойкостью ее элементов: ограждающей части, конструкций, обеспечивающих устойчивость преграды, конструкций, на которые она опирается, узлов крепления между ними. Пределы огнестойкости конструкций, обеспечивающих устойчивость преграды, конструкций, на которые она опирается, и узлов крепления между ними по признаку R должны быть не менее требуемого предела огнестойкости ограждающей части противопожарной преграды. Свойства противопожарных преград регламентируют СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений».

Перспективным и важным направлением в борьбе с пожарами является огнезащитная изоляция строительных конструкций, в частности огнезащитные составы. За рубежом широкое распространение получили наносимые набрызгом огнезащитные составы, изготовляемые на неорганических вяжущих и заполнителях из минеральных волокон, а также заполнителях из вспученного перлита или вермикулита. В качестве примера можно привести следующие огнезащитные составы, изготовленные во Франции:

• Newspray – на неорганическом вяжущем и заполнителе из вспученного вермикулита со специальными добавками. Предназначен для огнезащиты стальных, бетонных и железобетонных конструкций в промышленных зданиях и сооружениях, помещениях складов, торговых предприятий и проч., не находящихся на открытом воздухе. Предел огнестойкости железобетонной плиты толщиной 140 мм при толщине огнезащитного покрытия 10 мм составляет 2 ч, а при толщине огнезащитного покрытия 25 мм – 6 ч.

• Fibrofeu – изготовлен на основе вторичной минеральной ваты и гидравлического вяжущего. Обладает наряду с огнезащитной теплоизоляционной и звукопоглощающей способностью. Предназначен для нанесения на поверхность железобетонных, стальных и деревянных конструкций любой конфигурации, образует сплошное бездефектное покрытие. Предел огнестойкости железобетонной плиты толщиной 140 мм при толщине огнезащитного слоя 10...30 мм – 1...6 ч, стальных конструкций при толщине огнезащитного слоя 10...48 мм – 0,5...2 ч, деревянных конструкций при толщине защитного слоя 55 мм – 2 ч;

• Fibrexpan – изготавливается из вторичной минеральной ваты, гидравлического вяжущего и добавок, не содержит асбеста и кристаллического кремнезема. Обладает огнезащитными, теплоизоляционными, акустическими свойствами. Огнестойкость плит толщиной 140 или 100 мм с нанесенным на них огнезащитным слоем толщиной 10...65 мм составляет 1...4 ч.

Наиболее прогрессивным направлением в развитии огнезащитных материалов является разработка и применение вспучивающихся покрытий, используемых для защиты металлических, деревянных и других конструкций. Огнезащитные вспучивающиеся покрытия получили распространение в США, Великобритании, ФРГ и других промышленно развитых странах. В частности, в Великобритании их широко применяют для огнезащиты стальных конструкций: огнезащита с применением вспучивающихся покрытий охватывает в стране примерно 15% стальных конструкций многоэтажных зданий.

Обычно огнезащитное покрытие содержит следующие основные компоненты: катализатор, разлагающийся при повышении температуры с образованием неорганической кислоты; углевод, при взаимодействии которого с указанной кислотой образуется углеродистый обугленный слой; связующее, которое при повышении температуры расплавляется, что способствует образованию обугленного изоляционного слоя; вспучивающий агент, который разлагается одновременно с расплавлением связующего, выделяя значительное количество невозгораемых газов, что сопровождается вспениванием и многократным (до 40 раз) увеличением толщины покрытия, преобразовавшегося в изоляционный обугленный слой, защищающий сталь от дальнейшего воздействия повышенных температур. Чаще всего процесс начинается при температуре примерно 200 °С, когда сталь еще остается неповрежденной.

Покрытие применяется в сочетании с грунтовкой, предназначенной для защиты поверхности стали и повышения прочности сцепления огнезащитного покрытия с ее поверхностью, а также гидроизоляционным составом.

Различают тонкослойные и толстослойные вспучивающиеся покрытия. Для тонко-слойных покрытий, толщина которых не превышает 5 мм, используют составы, содержащие органические растворители, или водоразбавляемые составы. Предел огнестойкости стальных конструкций с тонкослойными вспучивающимися покрытиями составляет от 30 до 120 мин, но, как правило, не превышает 60 мин. Толщина толстослойных покрытий составляет до 50 мм. Составы для них обычно изготавливают на основе эпоксидных смол.

Одной из современных тенденций в области вспучивающихся покрытий, предназначенных для огнезащиты стальных конструкций, является применение элементов конструкций с предварительно нанесенным покрытием. Предварительное нанесение покрытий дает ряд преимуществ, включающих сокращение сроков строительства зданий, повышение качества и надежности огнезащитных покрытий, повышение безопасности строительных работ.

На поверхность стальных элементов огнезащитные вспучивающиеся покрытия наносят разными методами. Так, фирма Herberts GmbH (Германия), специализирующаяся на производстве огнезащитных вспучивающихся составов для защиты различных конструкций в условиях пожара, предлагает для огнезащиты стальных конструкций декоративные составы Unithenn. Составы являются водоразбавляемыми или содержат органические растворители. В условиях пожара покрытия Unithenn вспучиваются, образуя на поверхности стали изоляционный слой, при наличии которого предел огнестойкости конструкций составляет 2 ч. Составы применяют в помещениях и на открытом воздухе. Herberts GmbH выпускает также вспучивающиеся составы для защиты конструкций из древесины и полимерных материалов, трубопроводов, кабелей, электропроводки. Продукция фирмы включает герметизирующие вспучивающиеся прокладки для огнезащиты стыков в различных конструкциях.

Для таких материалов, как полимеры, материалы на основе древесины, клеи, за рубежом находят применение специальные добавки, снижающие их возгораемость. В числе наиболее распространенных добавок – гидроксид алюминия, применяемый в наиболее значительном объеме и отличающийся рядом преимуществ (снижение выделения дыма при горении полимерных материалов, нетоксичность, невысокая стоимость); соединения бора, применяемые в основном для обработки материалов на основе целлюлозы, особенно теплоизоляционных материалов; гидроксид магния; неорганические соединения фосфора; соединения брома; бромированные ароматические соединения; хлорированные органические соединения.

В России в области огнезащитных материалов могут быть выявлены аналогичные направления: разработка и применение минеральных составов и материалов, а также вспучивающихся покрытий. Так, например, в СибЗНИИЭП разработаны составы огнезащитных обмазок, которые получают на основе портландцемента, песка или пористых заполнителей (керамзитового песка, вспученного вермикулитового песка), бутадиенстирольного латекса и отходов асбеста. Составы предназначены для огнезащиты конструкций различных типов. НИИМосстрой предложено огнезащитное покрытие, в состав которого входят портландцемент (БТЦ М500), жидкое стекло, вспученный перлитовый песок, вермикулит, хризотиловый асбест. Огнестойкость стальных конструкций с таким покрытием в зависимости от его толщины составляет 0,5...4 ч. Состав для огнезащитного покрытия изготовляет Московский завод строительных красок. В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко создано фосфатное покрытие, включающее огнеупорную глину, шамот и алюмохромфосфатную связку (АХФС).

Разработано также огнезащитное фосфатное покрытие ОФП-10, которое предназначено для повышения предела огнестойкости металлических конструкций, состоит из фосфатного связующего и минеральных наполнителей и применяется в помещениях при относительной влажности воздуха до 75%. Для устройства огнезащитных подвесных потолков, огнезащиты металлических и других конструкций предложены плиты на основе вспученного вермикулита и неорганических вяжущих (фосфаты, жидкое стекло). Плиты нетоксичны и водостойки, их предел огнестойкости при толщине 20 мм (без облицовки) – не менее 2 ч.

Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) разработал вспучивающееся покрытие ВИМ-2 для стальных конструкций. Огнестойкость стальных конструкций с этим покрытием составляет до 0,75 ч. Его применяют в сухих отапливаемых помещениях с неагрессивной средой. Для стальных конструкций предложено еще одно вспучивающееся огнезащитное покрытие ВПМ-2 (ГОСТ 25131–82). Огнестойкость стальных колонн при расходе состава ВПМ-2, составляющем 4,5 кг/м2, повышается до 70 мин, при расходе 5,5 кг/м2 – до 86 мин. Покрытие ВПМ-2 может применяться также для защиты древесины. Производство состава освоили Загорский лакокрасочный завод и химический завод в Черновцах.

ЦНИИпромзданий для огнезащиты деревянных конструкций предлагает вспучивающееся бесцветное лаковое покрытие ЛНД-83, применяемое в зданиях различного назначения при относительной влажности воздуха в помещениях до 80%, температуре +5...35 °С и отсутствии агрессивных воздействий.

Ряд материалов предлагает фирма «КрилаК»: покрытие ОФП для повышения предела огнестойкости металлических конструкций; покрытие «Файрекс-100» для защиты от возгорания и распространения пламени по электрокабелям; покрытие «Файрекс-200» для древесных материалов, придающее им качество трудносгораемых материалов; покрытие «Файрекс-300» для металлических воздуховодов, повышающее предел их огнестойкости до 0,5 ч; пропиточный состав «Клод-1» для древесных материалов, придающий им свойство трудносгораемости; пропиточный состав «Крилак-1» для синтетических ковровых материалов; покрытие ОФП-МВ на основе минеральных волокон для металлических конструкций, повышающее предел их огнестойкости до 3 ч.

Фирма «Адрем» реализует на отечественном рынке огнезащитные материалы фирмы E Wood, Ltd., соответствующие требованиям евростандарта ISO 9002 и сертифицированные для применения в России, странах СНГ и странах Балтии. Однокомпонентное вспучивающееся (при этом оно увеличивается в объеме в 30...35 раз) огнезащитное покрытие на водной основе Pyro-Tech L.S., предназначенное для защиты древесины и материалов на ее основе, сочетает высокую пожаростойкость с хорошей адгезией. Готовое к употреблению экологически чистое покрытие поставляется в пластмассовых упаковках 5 и 20 л.

Толщина покрытия – 150 мкм, причем желательно двукратное нанесение – за один раз наносят покрытие толщиной 75 мкм. Базовый цвет состава – белый, но путем пигментирования можно получить покрытие любого цвета. Двухкомпонентное бесцветное лаковое огнезащитное покрытие Pyro-Tech C.S. состоит из базового состава и поверхностного слоя. Толщина базового состава – 100 мкм, поверхностного слоя – 50 мкм. Оба покрытия превращают древесину из сгораемого в трудносгораемый материал (1-я группа огнезащитной эффективно-сти) и соответствуют требованиям СНиП 2.01.02-85 и ГОСТ 16363–76 (НПБ 251-98). Для защиты металлоконструкций предлагается однокомпонентное вспучивающееся покрытие на водной основе Pyro-Tech S.P. Требуемый предел огнестойкости конструкции достигается путем нанесения на нее слоя состава толщиной 800 мкм, что соответствует 4-й группе огнезащитной эффективности (НПБ 2.36-97). Для достижения часового предела огнестойкости необходимо нанести слой толщиной 1,7 мм. При наружном применении на покрытие слоем толщиной 50 мкм наносят погодоустойчивый состав – однокомпонентное лаковое покрытие Pyro-Tech S.P. Top Coat, которое защищает его от воздействия влаги и химических веществ. Огнезащитные составы Pyro-Tech с успехом применены в ходе выполнения реставрационных работ в Большом Кремлевском Дворце, здании Государственной Думы РФ, на спортивных сооружениях и различных объектах в Москве, С.-Петербурге.

Для огнезащиты электрокабельной продукции в кабельных туннелях, метрополитенах, электростанциях, подстанциях, имеющей в основном горючие оболочки, хороший эффект дает также применение двухкомпонентного вспучивающегося огнезащитного покрытия на эпоксидной основе Copon LS 3000, которое наносят слоем толщиной 250 мкм.

Большинство вышеперечисленных составов изготавливают на водной основе, что способствует экологической безопасности их применения и утилизации, но наносятся только при положительных температурах. Уже нанесенные покрытия выдерживают температуры свыше –50 °С.

Другим популярным направлением в борьбе
с пожарами являются сборные листовые и плиточные материалы. Например, фирма Fireguard Ply, Ltd. (Великобритания) для огнезащиты стальных конструкций зданий предлагает невозгораемые плиты Vicuclad, изготовляемые на основе вермикулита и силикатного вяжущего. При толщине плит более 45 мм предел огнестойкости защищенных ими стальных конструкций составляет до 4 ч.

Эффективным огнезащитным материалом является гипс – еще и наиболее экономичный материал для огнезащиты железобетона: по эффективности слой гипса толщиной 1 см соответствует слою бетона толщиной 2 см. Применение гипса для огнезащиты снижает возможность разрушения защитного слоя бетона; после пожара восстановлению подлежит только защитный гипсовый слой. Существуют следующие способы устройства огнезащиты: нанесение на поверхность защищаемой конструкции слоя гипсовой штукатурки по заанкеренной в бетон стальной сетке; заключение конструкции в короб или устройство экранов из гипсовых плит. Гипс применяется в чистом виде, а также в сочетании с минеральным волокном и керамическими материалами. В Великобритании для повышения огнестойкости не несущих перегородок с металлическим каркасом, перекрытий с деревянными балками, наружных стен со стальным каркасом, а также для огнезащиты стальных несущих элементов и в конструкциях подвесных потолков применяют гипсокартонные обшивочные листы, изготовленные с наружными слоями из картона и внутренним слоем из гипса с добавками стекловолокна и вспученного перлита, что обу-словливает повышенные огнезащитные свойства листов, соответствующие требованиям стандарта Великобритании BS 1230:170 «Гипсовые обшивочные листы».

В Германии производят огнезащитные плиты Knauf Fireboard из стеклофиброгипса с добавками, повышающими огнестойкость. Толщина плит – 10...25 мм, ширина – 1250 мм, длина – 2400 или 2500 мм, плотность – 780 кг/м3. Модуль упругости плит колеблется от 2200 до 2500 МПа. Подвесные потолки, устроенные с использованием плит Knauf Fireboard, по принятой в ФРГ классификации относят по огнестойкости к классу F90.

Фирма Placoplatre (Франция), выпускает огнестойкие гипсовые листы Stucal М, армированные двумя слоями стеклоткани. Толщина листов – 10...12 мм. При воздействии огня они длительное время сохраняют механические свойства. Листы предназначены для устройства подвесных потолков, межкомнатных и межквартирных перегородок, огнезащиты несущих конструкций, трубопроводов, вентиляционных коробов. На поверхность листов без предварительной подготовки можно наносить любые лакокрасочные материалы.

Фирма United States Gypsum Co. (США) разработала конструкции противопожарных перегородок с применением гипсокартонных листов для зданий высотой 1...4 этажа с деревянным каркасом. Предел огнестойкости перегородок, включающих два гипсокартонных листа, составляет 2 ч, а при введении в конструкцию перегородки звукоизоляционных матов Thermafiber толщиной 25 мм предел огнестойкости перегородок увеличивается до 3 ч.

В отечественной практике строительства для огнезащиты применяют так называемые облегченные облицовочные элементы (на основе минераловатных, вермикулит-перлитосодержащих, асбестовых, гипсоволокнистых и других материалов) – так называемые защитные облицовки. Минераловатные волокна способны, не плавясь, выдерживать температуру свыше 1000 °С, тогда как связующие при температурном воздействии свыше 250 °С испаряются. Волокна остаются неповрежденными и, в силу хаотического сцепления, обеспечивают связность и достаточную прочность, создавая защиту от огня.

Наряду с достаточно широкой номенклатурой отечественных огнезащитных изделий на основе минеральной ваты на российском рынке представлена и продукция ведущих мировых производителей – фирм Paroc и Rоkwol, предлагающих пожарозащитные плиты, маты и цилиндры для конструкций трубчатого сечения. Благодаря высокой температурной стойкости минераловатных изделий, особенно содержащих небольшое количество связующих (менее 2%), их с успехом можно применять в качестве огнезащиты. Производятся специальные виды минераловатных жестких огнезащитных плит, в том числе с односторонним покрытием фольгой.

Срок службы огнезащитных изделий без ремонта не менее 10 лет. Все минераловатные огнезащитные изделия повышают предел огнестойкости изолируемых конструкций от 30 мин до 2 ч.

Минераловатные плиты используются в качестве противопожарной защиты различных стальных конструкций, их можно применять и при огнезащитной обработке тонкостенных (армоцементных) конструкций с пониженной огнестойкостью. Плиты крепятся с помощью силикатного клея (толщина слоя примерно 2 мм). Минераловатные маты с сетчатой оплеткой или с покрытием стекловолокнистой тканью либо алюминиевой фольгой содержат минимальное количество синтетической связки, менее 1%, и рекомендуются для устройства огнестойкой изоляции вентиляционных каналов трубчатого сечения, труднодоступных участков и криволинейных поверхностей.

Применяются и огнезащитные изделия на основе вермикулита, материала из группы гидрослюд. Основным свойством, определяющим его промышленную ценность, является способность значительно увеличиваться в объеме, т. е. вспучиваться при обжиге в интервале температур 400...1000 °С. Вспученный вермикулит представляет собой сыпучий пористый материал в виде чешуйчатых частиц серебристого и золотистого цветов, получаемых ускоренным обжигом до вспучивания вермикулита – гидрослюды, содержащей между элементарными слоями связанную воду. Пар, образующийся из этой воды, действует перпендикулярно плоскостям спайности и раздвигает пластинки слюды, увеличивая первоначальный объем зерен в 15...20 раз и более. Вспученный вермикулит обладает высокими тепло- и шумоизоляционными свойствами, не токсичен, не подвержен гниению и препятствует распространению плесени, имеет высокую температурную стойкость, огнестойкость, отражающую способность. Огнезащита из этого материала хорошо сохраняет целостность защищаемых конструкций, отличается высокой трещиностойкостью при пожаре (во время тушения трещины не образуются). Вспученный вермикулит выпускает, например, ЗАО «Слюдяная фабрика» (г. Колпино) на базе вермикулитового концентрата крупнейшего в Европе Ковдорского месторождения (Мурманская обл.).

Еще одно направление – огнезащитные изделия на основе каолиновой ваты и вспученного перлита, которые применяют при температуре 1100...1250 °С (известны высокоглиноземистые и циркониевые волокна с температурой применения 1400 и 1600 °С соответственно).

Каолиновая вата и изделия на ее основе относятся к высокотемпературной теплоизоляции, сырьем для ее производства служат технический глинозем, содержащий 99% Al2O3 и чистый кварцевый песок. Теплопроводность каолиновой ваты зависит от температуры и уплотнения волокна при его монтаже. С уплотнением ваты, т. е. с уменьшением размера пор, теплопроводность при высоких температурах снижается за счет уменьшения теплопередачи лучеиспусканием и конвекцией. В качестве связующих применяют силикатное (жидкое) стекло, глиноземистый цемент, огнеупорные глины, кремнийорганические связующие. Каолиновая вата достаточно устойчива к вибрации, инертна к воде, водяному пару, маcлам и кислотам, обладает высокими электроизоляционными показателями, мало изменяющимися с повышением температуры до 700...800 °С, не смачивается жидкими металлами. На основе каолиновой ваты выпускают рулонный материал и штучные изделия в виде плит и других изделий сложной формы. В США освоено изготовление волокна на основе циркония с добавкой оксида иттрия, повышающего стабильность волокна при высокой температуре. Температура применения такого волокна достигает 2700 °С.

Вспученный перлит (ГОСТ 10832–91) получают путем измельчения и обжига перлита, обсидана и других вулканических горных пород стекловидного строения, содержащих небольшое количество гидратной воды (3...5%). При быстром нагреве до температуры 900...1200 °С вода переходит в пар и вспучивает размягченную породу; та в свою очередь распадается на шарообразные зерна с увеличением в объеме в 5...10 раз и более (пористость зерен 80...90 %). Насыпная плотность перлитового песка колеблется от 75 до 200 кг/м3, щебня – 500 кг/м3. Тепло-проводность при температуре 25 °С составляет 0,046...0,08 Вт/(м·К).

Вспученный перлит используют в виде теплоизоляционной засыпки. На основе его смеси с вяжущим веществом получают растворные и бетонные смеси, из которых формируют теплоизоляционные изделия (плиты, скорлупы, сегменты, кирпич) или выполняют теплоизоляционные, звукопо-глощающие и декоративные штукатурки. На основе перлитового песка и щебня изготовляют конструктивно-теплоизоляционные конструкции.