Выразить среднюю квадратичную скорость υкв через максимальную скорость υ max электронов в металле при температуре 0 К, Физика

Содержание

Выразить среднюю квадратичную скорость υкв через максимальную скорость υ max электронов в металле при температуре 0 К

Выдержка из текста работы

Метамллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Сплав — макроскопически однородный металлический материал.

Химический состав сплава состоит из основного металла, специально вводимых в сплав легирующих элементов (система легирования)и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных). Компоненты сплава смешивают в определенном количестве и расплавляют.

Общеизвестно, что свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность.

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Огнестойкость конструкции — способность строительной конструкции сопротивляться огневому воздействию и ограничивать распространение огня, а также сохранять необходимые эксплуатационные качества при высоких температурах в условиях пожара. Характеризуется пределами огнестойкости и распространения огня. Огнезащита строительных конструкций является основной задачей при проектировании и строительстве зданий и сооружений. Повышение предела огнестойкости строительных конструкций, прямо пропорционально повышает пожарную безопасность людей, находящихся на данном объекте, и людей, тушащих пожар в случае его возникновения.

1. Огнестойкость металлических конструкций

Предел огнестойкости — время в минутах (часах) с момента начала пожара до выхода конструкции из строя (до потери несущей способности, обрушения, достижения необратимых деформаций или до образования сквозных трещин), или прогрева до повышения температуры на противоположной от огня поверхности порядка 220 оС, выше которой возможно самовоспламенение органических материалов. Другими словами предел огнестойкости — время в минутах (часах), в течение которого строительная конструкция сохраняет свою огнестойкость.

Предельное состояние конструкции по огнестойкости — состояние конструкции, при котором она утрачивает способность сохранять одну из своих противопожарных функций.

Пределы Огнестойкости строительных конструкций определяются путем их огневых испытаний по стандартной методике и выражаются временем (ч. или мин.) действия на конструкцию так называемого стандартного пожара (см. ниже) до достижения ею одного из следующих предельных состояний:

1. потери несущей способности (обрушение или прогиб) при проектной схеме опирания и действии нормативной нагрузки — постоянной от собств. веса конструкции и временной, длительной, от веса, напр., стационарного оборудования (станков, аппаратов и машин, электродвигателей и др.);

2. повышения температуры не обогреваемой поверхности в среднем более чем на 160 °С или в любой ее точке более чем на 190 °С в .сравнении с начальной т-рой либо более 220°С независимо от температуры конструкции до испытаний;

3. образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя;

4. достижения при испытаниях ненагруженной конструкции критической температуры (т.е. температуры, при которой происходят необратимые изменения физико-механических свойств) ее несущих элементов или частей, защищенных огнезащитными покрытиями и облицовками; характеризует потерю несущей способности.

Пределы распространения огня определяются размерами (см) их повреждений вследствие горения или обугливания вне зоны воздействия стандартного пожара.

Для нормирования пределов огнестойкости несущих и ограждающих конструкций используются следующие предельные состояния:

-для колонн, балок, ферм, арок и рам — только потеря несущей способности конструкции и узлов — R;

-для наружных несущих стен и покрытий — потеря несущей способности и целостности -R, Е, для наружных ненесущих стен — Е.

-для ненесущих внутренних стен и перегородок — потеря теплоизолирующей способности и целостности — Е, I;

— для несущих внутренних стен и противопожарных преград — потеря несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности — R, Е, I. — обозначения предела.

Обозначение предела огнестойкости строительных конструкций состоит из условных обозначений, нормируемых для данной конструкции предельных состояний, цифры, соответствующей времени достижения одного из предельных состояний (первого по времени) в минутах.

Например:

R 120 — предел огнестойкости 120 минут — по потере несущей способности;

RE 60 — предел огнестойкости 60 минут — по потере несущей способности и потере целостности, независимо от того, какое из двух предельных состояний наступит ранее;

REI 30 — предел огнестойкости 30 минут — по потере несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности независимо от того, какое из них наступит ранее.

Если для конструкции нормируются различные пределы огнестойкости по различным предельным состояниям, обозначение предела огнестойкости состоит из двух или трех частей, разделенных между собой наклонной чертой.

Каков фактический предел огнестойкости стальных конструкций?

Металлы обладают высокой чувствительностью к высоким температурам и к действию огня. Они быстро нагреваются, что заметно снижает их прочностные свойства. Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов сечения и действующих напряжений составляет от 0,1 до 0,4 часа. В то время как минимальные значения требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляют от 0,25 до 2,5 часа в зависимости от степени огнестойкости зданий и типа конструкций. Для обеспечения данных требований необходимо проведение мероприятий по огнезащите металлических поверхностей.

Алюминиевые сплавы применяются для специальной арматуры малых размеров, работающей при температурах до 100 0С. Алюминий обладает малой плотностью, что делает арматуру из него очень легкой. Это пластичный металл, хорошо отливается, легко подвергается пластической обработке. Температура плавления алюминия 650 0С, однако он теряет прочность при значительно меньших температурах. При температурах около 600 0С алюминий и его сплавы становятся хрупкими, и их можно истолочь в порошок.

Наиболее распространёнными сплавами железа являются чугун и сталь.

>Сталь не горит, не способствуют повышению температуры в очаге горения и усилению интенсивности пламени.

>Сталь является пожаробезопасным материалом. Сталь снижает риск возникновения пожаров из-за попадания искр или ударов молнии.

>Рамные стальные конструкции обеспечивают высокую защиту от гроз, т.к. они позволяют направлять электрический заряд в землю, снижая риск возникновения взрывов, вторичных пожаров и телесных повреждений.

Пожаростойкость — это показатель, определяющий, сколько времени несущая конструкция сохраняет свои свойства при пожаре

Таблица плавления металлов и сплавов

Металл или сплав	t пл.0 С
Алюминий	660,4
Вольфрам	3420
Германий	937
Дуралюмин	650
Железо	1539
Золото	1064?4
Инвар	1425
Иридий	2447
Калий	63,6
Латунь	1000
Медь	1084,5
Никель	1455
Олово	231,9
Сталь	1300-1500
Чугун	1100-1300

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, несмотря на дефицитность и высокую стоимость, являются основными проводниковыми материалами в электровакуумной промышленности. Они находят широкое применения в различных областях, их используют и самостоятельно, и в виде добавок в стали, работающие при высоких температурах, а также в различных сплавах, в частности, в качестве жаропрочных материалов (в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике). Применяются сплавы тугоплавких металлов, такие, как сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением, вольфрама с рением, тантала с вольфрамом и др. Изменением содержания компонентов удается получать необходимые механические свойства и пластичность при заданных электрических и термических свойствах. Тугоплавкие металлы и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники.

Все характеристики металла, длительное время пребывающего при высокой температуре, ухудшаются в большей или меньшей степени независимо от того, находится он под напряжением или нет. При высокой температуре происходит изменение его структуры, и он постепенно теряет свою прочность. Говорят, что металл «старится».

Физическая причина старения состоит в зернистой структуре металла и образовании пор по границам зерен. Анализ изменения структуры металла по мере срока службы оборудования показывает, что после достаточно длительного времени по границам соседних зерен металла возникают отдельные микропоры, видимые при 500-кратном увеличении. Их число растет, и постепенно появляются цепочки микропор. В свою очередь цепочки микропор при дальнейшем развитии процесса ползучести превращаются в микротрещины, длина которых достигает одного-двух зерен. Микроповрежденность металла оценивается по бальной системе (от 1 до 5 баллов). Отсутствие микропор, выявляемых оптическими методами, соответствует 1 баллу, наличие по границам зерен микротрещин длиной 0,2—0,3 мм и появление макротрещин — 6 баллам. Промежуточные оценки соответствуют разной длине микропор и их числу в поле микроскопа с 800—1000-кратным увеличением.

На рис. 1 показана зависимость разрушающих напряжений в детали а от так называемого параметра Ларсона-Миллера

где Т — абсолютная температура; p — время пребывания материала при этой температуре. Параметр Р характеризует требование к материалу детали проработать число часов p при температуре Т, и тогда кривая (Р)дает то напряжение, которое способна выдержать деталь. Наоборот, если деталь работает при напряжении и температуре Т, то кривая (Р) определяет значение параметра Р, а из последнего можно получить возможное время работы детали. Если, например, в детали действует напряжение = 100 МПа (примерно такие напряжения действуют на расточке цельнокованого ротора), а прочность материала отражается областью для исходного (в состоянии поставки) материала, то при работе детали параметр Р = 21,8 и из формулы (12.1) легко получить, что материал может проработать p = 33,8 млн ч, после чего в нем появится трещина. В действительности уже после 130—150 тыс. ч работы вследствие пребывания при высокой температуре прочность материала изменится, параметр Р станет равным 20 и его возможная долговечность составит примерно 750 000 ч, т.е. уменьшится в 45 раз. С учетом естественного разброса свойств материала, значительной чувствительности p к отклонениям в напряжениях и температуре долговечность в 750 000 ч не является чрезмерной.

Точно также уменьшается твердость металла (рис. 12.3), отражающая его прочность: пребывание при высокой температуре снижает и эту характеристику металла.

Для того, чтобы понять суть явления, рассмотрим результаты анализа влияния температуры и времени пребывания материала при высокой температуре (времени старения) на время до разрушения p, полученное в испытаниях образцов после старения. Эти результаты показаны на рис. 2(анализ докт. техн. наук В.Ф. Резинских).

Параметр Р1 зависящий от температуры и времени старения, определяет структуру металла: если, например, материал работает короткое время при высокой температуре или длительно, но при малой температуре, а параметр Р1 для этих двух случаев одинаков, то считается, что и структура металла в этих двух случаях также одинакова. Если из различных зон, например ротора, прослужившего достаточно длительное время, изготовить образцы, то их структура будет различной и ее можно характеризовать соответствующими значениями параметра Р1. Если теперь все эти образцы нагрузить одинаковым напряжением , например = 160 МПа и поместить в среду с одинаковой температурой, то через некоторое время p, отложенное по оси ординат, произойдет разрушение этих образцов, причем время пребывания под нагрузкой p зависит от параметра Р1. Для всех значений напряжений характер зависимости долговечности p от Р1 оказывается одинаковым: на первом этапе эксплуатации (20—40 тыс. ч) прочность стали уменьшается и затем стабилизируется, а при значении параметра Р1 в пределах 19,5—20,0 катастрофически падает. Температура металла в наиболее горячих зонах турбины находится на уровне 500 °С и тогда из соотношения легко получить, что при приведенных значениях параметра Р1 необходимо достигнуть наработки в 1—2 млн ч, что в 2—5 раз меньше, чем наработка, достигнутая в настоящее время.

Опасности внезапного хрупкого разрушения после длительной эксплуатации подвергаются паропроводы, особенно их тройники и гибы паропроводов, в которых возникают повышенные напряжения; арматура (корпуса задвижек, предохранительных и стационарных клапанов), корпуса стопорных и регулирующих клапанов свежего пара и пара промежуточного перегрева, корпуса и цельнокованые роторы высокотемпературных цилиндров паровых турбин.

Особенно опасны по своим последствиям разрушения роторов. В качестве примера на рис. 3 показано разрушение ротора вала низкого давления (частота вращения 3600 об/мин), произошедшего в 1974 г. при пуске из холодного состояния на американской станции. В результате аварии образовались 23 куска массой более 40 кг и один массой 800 кг. Причиной разрушения явились мелкие трещины, появившиеся возле неметаллических включений внутри ротора под действием малоцикловой усталости и ползучести, которые в процессе пусков (турбина прослужила 106 000 ч при 145 пусках из холодного состояния и 150 пусках из горячего состояния) объединились в магистральную трещину, достигшую критического размера, после чего и произошло разрушение.

Хрупкие разрушения роторов, как правило, приводят к механическому разрушению всего турбоагрегата (и турбины, и генератора), к возникновению пожара вследствие горения масла, поступающего из системы маслоснабжения подшипников, приводящего в считанные минуты к обрушению кровли, повреждению соседствующего вспомогательного оборудования и даже устройств, находящихся вне машинного зала (например, блочных трансформаторов). На многие месяцы из эксплуатации выводятся не только турбоагрегат, претерпевший аварию, но и соседние турбоагрегаты.

При длительной работе трещины образуются в зонах максимальной температуры: на внутренней поверхности осевых каналов под дисками первых ступеней ЦВД и ЦСД. Считается, что в общем случае они имеют плоскую полуэллиптическую форму с короткой полуосью, равной глубине трещины, и длинной осью 2с. Чем больше эллиптичность /2с, тем опаснее трещина: при одинаковой глубине трещина с /2с = 0,1 примерно вдвое опаснее, чем трещина с /2с = 0,5. Трещина располагается в плоскости, проходящей через ось ротора, так как при вращении центробежные силы стремятся разорвать ротор по радиальным плоскостям.

Расчеты показывают, что для хрупкого разрушения типичного цельнокованого ротора достаточно на его расточке иметь осевую трещину глубиной 25—40 мм (при диаметре бочки ротора примерно 500—550 мм).

Таким образом, главная опасность эксплуатации оборудования, отработавшего свой расчетный ресурс, состоит в возможности тяжелых массовых аварий элементов энергоблока с выводом из эксплуатации на длительный срок значительной части генерирующих мощностей вследствие возникновения и роста трещин.

Чугун представляет из себя железо с повышенным содержанием углерода. Чугун — тяжелый металл серого цвета. Как конструкционный материал используется очень широко, обладает высокой твердостью, достаточно низкой стоимостью и хорошими литейными свойствами. В отличие от низкоуглеродистой стали обладает высокой коррозионной стойкостью, что резко повышает долговечность изделий, работающих в контакте с водой. Основным недостатком чугуна как корпусного материала является его хрупкость — он колется при приложении ударной или растягивающей нагрузки. С арматурой из чугуна следует обращаться достаточно аккуратно: не подвергать ее ударам, при навертывании резьбы не прилагать чрезмерных усилий, не допускать замерзания воды в корпусе арматуры в зимнее время.

Существует несколько видов чугуна, используемых для изготовления корпусов арматуры: серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун. Серый чугун наиболее хрупкий. Ковкий чугун хотя и не может коваться, однако его вязкость и прочность выше, а хрупкость меньше. Высокопрочный чугун занимает промежуточное место между сталью и серым чугуном, из всех чугунов он наименее хрупкий.

Чугунная арматура для повышения коррозионной стойкости может изготавливаться с внутренним защитным покрытием из различных материалов — эмали, пластмассы, резина.

несколько видов чугуна, используемых для изготовления корпусов арматуры: серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун.

Сталь представляет из себя железо с низким содержанием углерода. Это очень распространенный конструкционный материал, благодаря хорошим литейным качествам, пластичности, легкости обработки. Твердость стали меньше, чем у чугуна. Сталь не обладает хрупкостью, то есть не колется. Сталь хорошо подвергается механической обработке — точению, сверлению, фрезерованию, шлифованию. Стоимость стальной арматуры достаточно низкая.

Необходимые пределы огнестойкости строительных конструкций определяются исходя из требуемой степени огнестойкости зданий (сооружений). СНиП 21-01-97 и в соответствии со статьей 87 Федерального закона Российской Федерации от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»

Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций можно установить двумя способами: огневыми испытаниями и расчетным методом.

В соответствии с методикой расчета, изложенной в «Пособии по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов» (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР, Москва, 1985 г.), следует считать, что металлические конструкции не распространяют огонь (предел распространения огня здесь нужно приравнивать к нулю).

Предел огнестойкости несущих металлоконструкций зависит от приведенной толщины металла (6пр, мм) и собственного предела огнестойкости. Приведенная толщина металла вычисляется по формуле:

?пр = F/P,

где F — площадь сечения (мм2), значение которой для проката фасонной стали берется по сортаменту (ГОСТу), а для составных (сварных) сечений определяется из расчета суммы площадей составляющих элементов конструкций;

Р — периметр обогреваемой поверхности конструкции (мм).

Обогреваемый периметр металлоконструкций определяется без учета поверхностей, примыкающих к плитам, настилам перекрытий и стенам при условии, что предел огнестойкости этих конструкций не ниже предела огнестойкости обогреваемой конструкции.

Для ферм и других статически определимых конструкций, состоящих из элементов различного сечения, приведенная толщина металла определяется по наименьшему значению для всех нагруженных элементов. При установлении предела огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой по IV предельному состоянию (для конструкций, защищенных огнезащитными покрытиями и испытываемых без нагрузок, предельным состоянием будет достижение критической температуры материала конструкции) в качестве критической температуры следует принимать параметр 500 °С (Пособие по определению пределов огнестойкости пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов, п. 2.34).

2. Определение огнестойкости металлических конструкций

Сущность метода испытания конструкций на огнестойкость сводится к тому, что образец конструкции, выполненный в натуральную величину, нагревают в специальной печи и одновременно подвергают воздействию нормативных нагрузок. При этом определяют время от начала испытания до появления одного из признаков, характеризующих наступление предела огнестойкости конструкции.

Наилучшей арматурной сталью с точки зрения огнестойкости является сталь класса A-III марки 25Г2С. Критическая температура этой стали в момент наступления предела огнестойкости конструкции, загруженной нормативной нагрузкой, составляет 570°С

По признаку прогрева предел огнестойкости конструкции находится путем теплотехнического расчета.

Таким образом, задача определения предела огнестойкости сводится к нахождению времени, когда в результате уменьшения площади поперечного сечения напряжения станут равными нормативным. Эту задачу можно решать путём определения величины напряжений в конструкции через произвольные промежутки времени (15,30,45 мин), построения на графике кривой изменения напряжения во времени и значения нормативного напряжения в виде прямой линии. Нормаль из точки пересечения этих линий к ординате времени дает значение передела огнестойкости конструкции.

Двери выходов из номеров гостиниц должны иметь уплотнения в притворах и иметь предел огнестойкости не менее 0.5 часа, а двери лестничных клеток — 1 час по признаку потери целостности. Двери в ограждающих конструкциях с нормируемым пределом огнестойкости 1,5 часа и более должны быть противопожарными с пределом огнестойкости не менее 60% нормируемого предела огнестойкости конструкции.

Этажерки аппаратуры, содержащей жидкие углеводороды, которые при аварийном разливе могут находиться в жидком состоянии в количестве свыше 5 м3 на каждом этаже, должны иметь пределы огнестойкости: конструкции, поддерживающие оборудование — не менее 2 ч; балки, регеля, связи — не менее 1 ч; промежуточные площадки этажерок и связи по колоннам, расположенные между площадками, несущими аппараты или емкости, — не менее 0,25 ч.

3. Способы увеличения огнестойкости металлических конструкций

Эффективным способом увеличения огнестойкости металлических конструкций является охлаждение их водой, которая может подаваться как непосредственно на поверхность конструкции от спринклерных или дренчерных систем, так и внутрь ее. Во втором случае защищаемая конструкция изготавливается пустотело д и герметичной из стойких к коррозии сталей, либо к воде добавляются антикоррозионные добавки.

Центр пожарных исследований Великобритании в период с 28 сентября по 1 октября 1976 г. демонстрировал результаты пожарно-технических исследований и разработок в области снижения пожароопасности зданий различных типов и назначения, особенно высотных зданий. Исследования центра в основном направлены на определение огнестойкости металлических несущих конструкций, предотвращение распространения огня по трубопроводам и полостям, выбор лучших огнепреградителей, оценка прочности и огнестойкости стен, дверей, потолочных перекрытий и т.д. В исследованиях широко используются ЭВМ и маломасштабные модели [ 96 ] .

При решении проблемы огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений в отечественных и зарубежных публикациях последних лет внимание уделяется изучению поведения различных типов конструкций при огневом воздействии. Наряду с изучением огнестойкости новых форм конструкций с применением металла, асбестоцемента, пластмасс, клееной древесины и других рассматриваются также железобетонные конструкции, особенно на основе легких и ячеистых бетонов. Авторы предлагают разнообразные мероприятия по повышению огнестойкости конструкций, в том числе применение огнезащитных покрытий и составов. Следует отметить, увеличение числа исследований по разработке расчетных методов определения огнестойкости металлических, деревянных и железобетонных конструкций.

Расчет огнестойкости металлических конструкций основывается на определении критической температуры, обусловливающей потерю несущей способности, при этом рассматриваются статическая схема работы конструкции с точки зрения образования пластических шарниров и перераспределения усилий в элементах.

В настоящее время накоплен опыт по определению огнестойкости традиционных металлических конструкций. Устанавливались пределы огнестойкости различных типов колонн, ферм с учетом применения разнообразных огнезащитных составов и материалов. Разработан метод расчета огнестойкости металлических конструкций, в котором определяется критическая температура для изгибаемых и растянутых стержней на основе теории предельного состояния. В последующие годы внимание специалистов привлекла разработка методов оценки огнестойкости структурных и тонколистовых металлических конструкций.

Огнезащита строительных конструкций (СК) играет важную роль в системе обеспечения пожарной безопасности различных объектов. Она предназначена для снижения пожарной опасности объектов и обеспечения их требуемой огнестойкости. К числу объектов, для которых проблема оптимальной огнезащиты имеет особенно большое значение, относятся:

— СК с нормируемыми пределами огнестойкости (колонны, балки, ригели, плиты перекрытий, рамные конструкции);

— огнестойкие воздухо- и газоводы систем противодымной защиты зданий и сооружений;

— кабельные коммуникации различных типов (силовые, осветительные, контрольные) и кабельные проходки через огнестойкие строительные конструкции;

— резервуары с нефтепродуктами и сжиженными газами и другие элементы нефтегазодобывающего и нефтехимического комплекса. В условиях пожара перечисленные объекты подвергаются совместному действию силовых нагрузок и высокотемпературного нагрева. Температура воздействующей на них газовой среды может изменяться во времени как по режимам реального пожара, так и по стандартным режимам. Продолжительность огневого воздействия может достигать 2,5 ч и более. Характерные значения плотности теплового потока, падающего на поверхность объектов в условиях развитого пожара, составляют около 50 кВт/м2. На рисунке представлены различные температурные режимы пожара.

Показателем огнестойкости СК является предел огнестойкости, который определяется по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний:

» потери несущей способности (R);

» потери целостности (Е);

» потери теплоизолирующей способности (I).

В зависимости от степени огнестойкости зданий для его несущих элементов устанавливаются пределы огнестойкости от R 15 (III степень) до R 120 (I степень). Для наружных стен здания устанавливаются пределы огнестойкости от RE 15 (III степень) до RE 30 (I степень); для перекрытий междуэтажных, в том числе чердачных и над подвалами, » от REI 15 до REI 60; для внутренних стен лестничных клеток — от REI 45 до REI 120, а для маршей и площадок лестниц — от R 30 до R 60.

Проведенный анализ фактических пределов огнестойкости СК различных типов показал, что наименьшую огнестойкость имеют металлические конструкции. Предел их огнестойкости зависит в первую очередь от приведенной толщины металла. Так например, стальные балки, прогоны, ригели, колонны, стойки и др. с приведенной толщиной металла 3, 5, 10, 15, 20, 30 мм имеют пределы огнестойкости 5, 9, 15, 18, 21, 27 мин соответственно. СНиП 21-01-97* допускает применение незащищенных стальных конструкций в тех случаях, когда минимальный требуемый предел огнестойкости конструкции указан R 15 (RE 15, REI 15), за исключением случаев, когда предел огнестойкости несущих элементов здания составляет менее R 8. В этих случаях, а также во всех остальных, когда требуемый предел огнестойкости конструкций превышает R 15 (RE 15, REI 15), повышение их огнестойкости до требуемого уровня производится с помощью огнезащиты.

Таким образом, проблема обеспечения огнестойкости СК особенно актуальна для металлических и деревянных конструкций, а также легких ограждений зданий и сооружений различного назначения. В некоторых случаях, в частности для подземных сооружений, она становится важной и для железобетонных конструкций.

В тех случаях, когда принятое в соответствии с рекомендациями расстояние до оси арматуры железобетонного элемента не обеспечивает требуемого предела огнестойкости или принятое конструктивное исполнение элемента не удовлетворяет ограничениям по массе, материалоемкости и стоимости, применяют огнезащиту.

Исследования показали, что в огнезащите нуждаются главным образом сборные многослойные, пустотные, ребристые, тонкослойные панели и плиты, конструкции с внешним армированием, конструкции из полимербетона. Причем для конструкций из полимербетона помимо огнестойкости актуально снижение горючести материала.

В случае подземных сооружений, в которых бетон несущих конструкций может иметь повышенную влажность, увеличение толщины защитного слоя бетона как средство обеспечения требуемых пределов огнестойкости не эффективно из-за опасности его взрывообразного разрушения в условиях пожара.

Согласно действующим нормативам пожарной безопасности, например НПБ 236-97 [4], понятие «огнезащита» предполагает использование различных средств огнезащиты » огнезащитных составов или материалов. За рубежом в случае использования средств огнезащиты иногда применяют термин «пассивная огнезащита». При этом под активной огнезащитой понимается использование систем пожарной сигнализации, автоматического пожаротушения (спринклерных и дренчерных установок) и др.

Защита объектов от огневого воздействия осуществляется следующими способами:

а) бетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом (конструктивный способ);

б) облицовка объекта огнезащиты штатными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

в) нанесение непосредственно на поверхность объекта огнезащитных покрытий (окраска, обмазка, напыление и др.);

г) пропитка подповерхностных слоев конструкций огнезащитным составом;

д) комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов. Первый из них традиционно используется для строительных конструкций, к которым не предъявляется требование пониженной массы. Остальные способы могут применяться для всех перечисленных выше объектов.

Основными компонентами средств огнезащиты являются:

а) термостойкие заполнители:

» вермикулит вспученный и невспученный (сырье);

— перлит вспученный и невспученный (сырье);

» керамзит;

» минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые и кварцевые волокна;

б) неорганические вяжущие вещества (воздушные, гидравлические и кислотоупорные):

» жидкое стекло натриевое;

» природный двуводный гипс и природный ангидрит;

» портландцемент;

» глиноземистый цемент;

» фосфатные вяжущие (растворы фосфатов и фосфорных кислот)

в) органические (полимерные) связующие:

» меламиноформальдегидная смола;

» аминосмолы;

» эпоксидные смолы в смеси с аминосмолами и др.;

» латексы сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом, бутадиена со стиролом и др.

г) специальные добавки, усиливающие огнезащитную способность композиции, повышающие технологичность огнезащитного состава, увеличивающие прочность, адгезию и долговечность огнезащиты. В некоторых случаях применяется однокомпонентная огнезащита (без связующего) в виде засыпок в полости или минеральной ваты из волокон, скрепленных силами естественного сцепления.

Из перечисленных компонентов можно спроектировать много различных средств огнезащиты, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям.

В условиях пожара для стали характерно снижение жесткости и прочности с последующим переходом в пластичное состояние.

Конструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под действием напряжений от внешних нагрузок и температуры. Огнезащита, блокирующая тепловой поток от огня к поверхности конструкций, позволяет сохранить их работоспособность в течение заданного времени.

Вспучивающиеся покрытия на органических связующих увеличивают толщину вследствие образования пенококса, который постепенно выгорает и в конце огневого воздействия может механически отрываться от конструкции.

Для покрытий на минеральных вяжущих, содержащих в своем составе связанную воду, характерно выделение и перенос массы пара, что приводит к блокированию теплового потока в защищаемую конструкцию и замедляет рост ее температуры. Для вспучивающихся покрытий на минеральных вяжущих характерно как увеличение толщины при нагреве, так и блокирование теплового потока в защищаемую конструкцию за счет выделения и переноса массы пара.

Для огнезащиты из термостойких волокнистых или пористых материалов характерно поглощение и низкая интенсивность переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением при сохранении исходной формы.

Композиционная огнезащита позволяет усилить физические эффекты блокирования теплового потока в защищаемую конструкцию, реализуемые при использовании простых способов огнезащиты.

Зависимость предела огнестойкости статически определимых металлоконструкций без огнезащиты от приведенной толщины при нормативной нагрузке

Приведенная толщина металла, мм Предел огнестойкости, мин.

10 15

15 18

20 21

30 27

40 34

60 43

Примечание. Промежуточные значения пределов огнестойкости определяются методом линейной интерполяции. Для приведенной толщины менее 3 мм собственный предел огнестойкости принимается равным 5 мин.

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций при так называемом стандартном пожаре в зависимости от толщины элементов и величины действующих напряжений равен 6-15 минутам. Значение требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляет от 15 минут до 4 часов в зависимости от степени огнестойкости здания и типа конструкций. Однако большинство незащищенных стальных конструкций может удовлетворять минимальным требованиям по пределу огнестойкости лишь до 15 минут.

Необходимые пределы огнестойкости строительных конструкций определяются исходя из требуемой степени огнестойкости зданий (сооружений) по таблице 4* СНиП 21-01-97″.

Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций можно установить двумя способами: огневыми испытаниями (REI) и расчетным методом (RI).

В соответствии с методикой расчета, изложенной в»Пособии по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов» (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР, Москва, 1985 г.), следует считать, что металлические конструкции не распространяют огонь (предел распространения огня здесь нужно приравнивать к нулю).

Для ферм и других статически определимых конструкций, состоящих из элементов различного сечения, приведенная толщина металла определяется по наименьшему значению для всех нагруженных элементов. При установлении предела огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой по IV предельному состоянию (для конструкций, защищенных огнезащитными покрытиями и испытываемых без нагрузок, предельным состоянием будет достижение критической температуры материала конструкции) в качестве критической температуры следует принимать параметр 500 °С (Пособие по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов, п. 2.34).

Продлить время сохранения свойств металлов в условиях пожара (когда это необходимо и экономически оправдано) можно, используя следующие способы:

выбор изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара. Здесь преимущество отдается сталям (вместо алюминиевых сплавов), причем низколегированным, а не углеродистым. При выборе арматурных изделий следует предпочесть арматуру, не упрочненную наклепом и термообработкой;

изготовление специальных металлических изделий, более стойких к нагреву;

огнезащита металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев

4. Основы огнезащиты металлов

огнестойкость металлический конструкция

Металлы, которые применяются в строительстве (сталь, алюминий), являются негорючими материалами, но их предел огнестойкости в естественном виде, в зависимости от толщины элементов пересечения и величины действующих напряжений, составляет от 0,1 до 0,4 час. Исключение составляют стальные оболочки, мембранные покрытия, у которых предел огнестойкости без огнезащиты может достигать 0,75…1 час.

Основная опасность при прогревании металлических конструкций заключается в том, что они очень быстро теряют прочность, при этом становятся более пластичными, а линейные температурные деформации вызывают большие изменения размеров, коробление и даже разрушение конструкций. Строительные металлы имеют высокую теплопроводность и невысокую температурную прочность (стали — до 350 оС, а алюминиевые сплавы — до 200 оС), потому их огнезащита заключается в повышении жаропрочности, а также в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, которые способны выдержать действие огня или высоких температур.

Для строительных металлов существует три направления повышения огнестойкости:

-легирование;

-применение защитных покрытий;

— экранирование.

Легирование металлов

Один из путей повышения температурной прочности металлических сплавов — легирование. Его цель — повысить температуру предела текучести, температуру рекристаллизации, коррозионную стойкость и сохранить оптимальный размер зерен сплава.

Например, в то время, когда обычные углеродные стали уже при незначительном прогревании становятся менее твердыми и более пластичными, низколегированные стали до температуры 600 оС не только не теряют своей прочности, но в интервале температур 200…500оС значительно упрочняются. Повышению жаропрочности сталей способствуют, в основном, добавки молибдена (который повышает температуру рекристаллизации) и хрома (который повышает коррозионную стойкость). Также полезными добавками являются присадки вольфрама и ванадия, которые стабилизируют зерно, и кремния, который добавляет окалиностойкость. Распространенными марками низколегированных жаропрочных сталей являются 12МХ, 12ХМ, 12ХМФ, 12Х2МФБ, Х5ВФ. У них длительная прочность сохраняется на уровне 500 кГ/см2 до температур 500…600 оС.

В алюминиевых сплавах не следует ожидать большого влияния легирующих примесей на повышение температурной прочности, потому для них следует использовать огнезащиту покрытиями и экранами.

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций при «стандартном» режиме пожара, в зависимости от толщины элементов сечения и величины действующих напряжений, составляет от 0,1 до 0,4 час. Исключение составляют стальные оболочки, мембранные покрытия, у которых предел огнестойкости без огнезащиты может достигать 0,75…1 час. При проектировании зданий и сооружений предел огнестойкости незащищенных стальных конструкций с приведенной толщиной металла в 1 см допускается принимать равным 0,25 час. Значение же необходимых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в частности металлических, составляет от 0,25 до 2,5 час., в зависимости от степени огнестойкости здания и типа конструкций.

Выбор конкретного типа огнезащитного состава и материала, установление их областей использования проводится на основе технико-экономического анализа с учетом:

-величины необходимой предела огнестойкости конструкции;

-типа защищаемой конструкции;

-вида нагрузки;

-температурно-влажностных условий эксплуатации и проведения монтажных работ;

— степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащитному материалу и материалу конструкции;

-увеличение нагрузки на конструкцию за счет массы огнезащиты;

— трудоемкости монтажа огнезащиты;

— эстетичных требований к конструкции, технико-экономическим показателям.

Наиболее надежными способами огнезащиты:

— облицовка из негорючих материалов;

-огнезащитные покрытия;

-подвесные потолки.

Как облицовочные материалы для огнезащиты металлических конструкций используются бетон, кирпич, гипсокартонные листы (ГКЛ) и другие плиточные и листовые изделия, а также разные типы штукатурки

Обетонирование. Огнезащита металлических конструкций с помощью бетона используется часто, особенно, когда одновременно проводится усиление ригелей, колонн, стоек. Обетонирование выполняют после прикрепления к изделию армирующей сетки (см. рис. 1, а). Толщина слоя бетона 5 см обеспечивает предел огнестойкости 2 час.

Рисунок. 1. Облицовка стальных колонн:

а — бетоном или штукатуркой по сетке; б — кирпичом; в — плиточным материалом.

Облицовка. Облицовки из бетона и кирпича (рис. 1, б) не боятся влажности, могут применяться практически при любых температурно-влажностных условиях, при наличии агрессивной среды, они стойки к атмосферным действиям и динамическим нагрузкам. Толщина слоя кирпича 6,5 см обеспечивает предел огнестойкости 2 час.

Облицовка из теплоизоляционных плит. Наиболее перспективны облицовки из теплоизоляционных плит на основе перлита, вермикулита и цемента, азбестоперлитоцементных и полужестких минераловатных плит (рис.1, в) и (рис. 2). Заводская толщина плит составляет около 5 см, что обеспечивает предел огнестойкости до 2 часов при условии надежного крепления плит к конструкции.

Облицовка гипсокартонными листами (ГКЛ). Огнезащитная облицовка из гипсокартонных листов выполняется преимущественно для многоэтажных зданий и сооружений со стальным несущим каркасом, с междуэтажными перекрытиями из сборных железобетонных плит или монолита. Эти конструкции значительно более легки, чем кирпичные или с бетонной облицовкой, более эффективны с точки зрения огнестойкости. При использовании ГКЛ допускается демонтаж огнезащитной облицовки и выполнение разных работ по усилению несущих конструкций, а также повторное нанесение антикоррозийного покрытия несущих конструкций здания. Внутреннюю полость между огнезащитой и элементами несущей конструкции можно использовать для монтажа разных инженерных конструкций.

Рис. 2. Облицовка металлических конструкций теплоизоляционными плитами:

а-в — перлитофосфогелевыими; г — перлитными и алюминиевыми листами; д — полужесткими минераловатными. 1 — колонна; 2 — перлитофосфогелевая плита; 3 — стеклополотно; 4 — перлитофосфогелевая пробка; 5 — булавка; 6 — уголок; 7 — сетка; 8 — цементно-песчаный раствор; 9 — перлитная плита; 10 — профилируемый алюминиевый лист; 11- стальные пластины; 12 — самонарезной винт; 13 — полужесткая минераловатная плита; 14 — стальной профилируемый лист; 15 — заклепка; 16 — балка.

Один слой толщиной 16 мм может обеспечить предел огнестойкости колонн и ригелей 1 час. Однако, учитывая возможность преждевременного разрушения гипсокартонных листов при пожаре из-за технологических дефектов, рекомендуется устраивать огнезащиту не в один, а в два слоя.

Для устройства огнезащиты из ГКЛ (рис. 3) используются дополнительные крепежные элементы из холоднотянутых профилей, которые создают каркас. В местах опирания ребристых плит перекрытия на ригеле устраивают дополнительную теплоизоляцию в виде пояса из минеральной ваты (рис. 3, а, б).

Штукатурка. Цементно-песчаная штукатурка является традиционным видом огнезащитного покрытия. Она рекомендуется для защиты стальных колонн, ригелей, стоек, связей, узлов соединения (рис. 4).

Использование цементно-песчаной штукатурки обусловлено такими преимуществами, как недефицитность материалов, простота изготовления, возможность механизированного нанесения, обеспечения значительного предела огнестойкости защищаемой конструкции. Эффективность использования цементно-песчаной штукатурки как огнезащитного материала представлена в табл. 1.

Рисунок 3. Фрагменты стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из гипсокартонных плит (ГКЛ): а — защита узла соединения рядовой колонны с ригелем; б — защита ригеля, расположенного у стены здания; в — защита колонны, расположенной у стены здания;

1 — колонна; 2 — ригель; 3 — плита перекрытия; 4- монолитный бетон; 5 — обшивка; 6 — теплоизоляционный пояс; 7 — стойка фахверка; 8 — стена здания.

В то же время этот вид огнезащиты имеет ряд недостатков, которые ограничивают его использование, к ним относятся: большая трудоемкость работ по нанесению покрытия из-за необходимости армирования стальной сеткой; большие нагрузки на фундаменты зданий за счет увеличения массы каркаса; необходимость использования антикоррозийных составов.

Стремление понизить массу огнезащитной облицовки привело к разработке в последнее время легких штукатурок и покрытий на основе асбеста, перлита, вермикулита, фосфатных составов и других эффективных материалов. Эти облицовки имеют малую плотность (200…600 кг/м3) и потому низкую теплопроводность. В случае пожара они не выделяют дыма и токсичных продуктов. Исходя из вида конструкции, ее толщины и необходимого предела огнестойкости, значения толщины перлитной штукатурки поданы в табл. 2.

Легкие огнезащитные штукатурки более эффективны по сравнению с цементно-песчаными, поскольку, обеспечивая одинаковый предел огнестойкости конструкции, они гораздо меньше утяжеляют каркас здания. В то же время этому виду покрытий свойственны недостатки: материал покрытий мягок, имеет небольшую конструктивную прочность, легко отслаивается от поверхности металла. Такое покрытие нельзя использовать для открытых поверхностей, незащищенных от механических повреждений, а также для внешних работ. Эти покрытия не защищают от коррозии и не отвечают эстетичным требованиям. Необходимость использования арматурных сеток увеличивает трудоемкость работ.

Рисунок 39.4. Фрагменты стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из штукатурок разного состава: а — защита узла соединения рядовой колонны с ригелем; б — защита ригеля, расположенного у стены здания; в — защита колонны, расположенной у стены здания;

1- колонна; 2 — ригель; 3 — плита перекрытия; 4 — монолитный бетон; 5 — арматурная сетка; 6 — штукатурка; 7 — стена здания; 8 — стойка фахверка.

Таблица 1. Огнезащитный эффект цементно-песчаной штукатурки

Элемент конструкции Толщина защитного слоя штукатурки, мм, при необходимых пределх огнестойкости, час.

0,75 1,50 2,00 2,50
Колонна 25 38 50 60
Ригель 10 20 25 30

Таблица 2. Толщина слоя перлитной штукатурки

Конструкции	Минимальная толщина конструкции, мм	Минимальная толщина покрытия, мм, при пределах огнестойкости, час
1,00	0,75
Сварная балка и колонна двутаврового пересечения	14	20	15
16	29	15
20	15	10
30	10	10
50	10	5
Балки и колонна в виде прокатных двутавров
№10-14	4,54,9	30	25
№16-18а	5,0 — 5,1	30	25
№20-24а	5,2 — 5,6	30	25
№27-30а	6,0 — 6,5	30	25
№33-40а	7,0 — 8,3	25	20

Огнезащитные покрытия. Одним из перспективных способов огнезащиты металлических конструкций являются, высокоэффективные покрытия, которые наносятся на поверхность конструкции сравнительно тонким слоем. Эти покрытия могут быть не вспучивающимися и вспучивающимися.

Среди огнезащитных не вспучивающихся покрытий, типа ОФП применяется состав ОФП-ММ (ГОСТ 23791-79 «Покрытие по стали фосфатное огнезащитное. Технические требования»). Однако, из-за наличия асбеста в рецептуре этого покрытия оно было запрещено к использованию. Вместо него используется состав ОФП-МВ (ГОСТ 25665-83 «Покрытие по стали фосфатное огнезащитное на основе минеральных волокон. Технические требования»), в котором асбест заменен на гранулированную минеральную вату. По своим огнезащитным и физико-механическим свойствам, способом нанесения, используемыми механизмами для нанесения, эти составы идентичны. Отличие есть лишь в подготовке рабочего состава.

Широко применяется и облегченное покрытие марки ОПВ-180 (ТУ 5760-001-32254682-96), в состав которого входят гипсоцементное пуццолановое вяжущее, муллитокремнеземное волокно, пластификатор и шлам флотации фосфоритных руд.

Огнезащитные вспучивающиеся покрытия являются композиционными материалами, которые включают полимерное вяжущее и наполнители (антипирены, газообразователи, жаростойкие вещества и стабилизаторы вспененного угольного слоя). При вспучивании и одновременном обугливании происходит образование мелкопористого по структуре слоя, имеющего низкую теплопроводность, в результате чего резко замедляется прогревание металлических конструкций.

Огнезащитный состав ОЗС-МВ на основе жидкого стекла, неорганических наполнителей и выгорающих добавок предназначен для образования на поверхности металла вспученного огнезащитного покрытия, с целью повышения огнестойкости стальных металлических конструкций, эксплуатируемых внутри помещений зданий, сооружений промышленного и гражданского назначения с относительной влажностью не более 80 %. Используются также огнезащитные покрытия типа ОВПФ-Л, «ЭКРАН-М». Эффективность перечисленных видов огнезащиты дана в табл. 3.

Таблица 3. Виды огнезащиты и их эффективность

№ п/п	Вид огнезащиты	Средняя плотность, кг/м3	Толщина огнезащиты, мм, при необходимых пределах огнестойкости, час.
0,75	1	1,5	2,0	2,5
1	Огнезащитные облицовки:
кирпич;	1800	65	65	65	65	65
гипсокартонные листы (ГКЛ	850	16	16	32	32	—
2	Обетонирование	2500	—	—	—	50	60
3	Огнезащитные покрытия:
цементно-песчаная штукатурка;	1800	25	30	40	50	60
перлитная штукатурка;	500	15	20	30	40	50
фосфатные покрытия (ОФП-ММ, ОФП-МВ);	300	15	20	30	40	45
4	ОЗС-МВ	1230	8,1	—	—	—	—

Огнестойкие подвесные потолки являются эффективным средством повышения огнестойкости металлических конструкций покрытий и перекрытий. Особенно целесообразны подвесные потолки для огнезащиты ферм и структур. Непосредственная защита каждого элемента этих конструкций облицовками или вспучивающимися покрытиями трудоемка и недостаточно надежна, поскольку трудно осуществляется в узловых соединениях элементов конструкций. Устройство подвесного огнезащитного потолка надежнее, поскольку между потолком и защищаемой конструкцией создается воздушный зазор, который дополнительно повышает ее предел огнестойкости.

Наиболее простым и дешевым подвесным потолком является потолок из минераловатных плит, уложенных на стальную сетку или разные штукатурки по сетке. При толщине плит 50…80 мм подвесной потолок повышает предел огнестойкости ферм и структур до 0,75…1 час. Конструктивное решение подвесного потолка с применением ГКЛ показано на рис. 39.5. Конструкция потолка состоит из металлического каркаса, облицовки и крепежных элементов. В качестве облицовки защитных экранов подвесных потолков используются:

гипсобетонные плиты толщиной 14 мм;

гипсокартонные перфорированные плиты с заполнением минеральной ватой и наклейкой алюминиевой фольги;

декоративные гипсовые плиты толщиной 20 мм;

минераловатные плиты;

минераловатные плиты на синтетическом вяжущем 30 мм.

Использование таких подвесных потолков позволяет обеспечить предел огнестойкости металлической конструкции 0,75…2,5 час. Устройство в подвесном потолке отверстий снижает его огнезащитную способность

Водяное охлаждение. Зарубежная и отечественная практика предусматривают в качестве огнезащиты металлических конструкций применять водяное охлаждение этих конструкций. Вода для охлаждения может подаваться непосредственно на поверхность конструкции от спринклерных, дренчерных и других систем.

Рисунок 5. Конструкция огнезащитного подвесного потолка:

1 — швеллер из листовой стали; 2 — гипсокартонный лист 3 — хомут; 4 — самонарезной винт; 5 — подвеска; 6 — пружина подвески; 7 — защищаемая стальная конструкция

Водонаполненные конструкции. Конструкции, выполненные из элементов полого сечения, например труб, могут заполняться водой для их охлаждения при пожаре.

Такие конструкции называются водонаполненными. Водонаполненные конструкции сверху и снизу соединены в замкнутую сеть. Уровень воды поддерживается с помощью расположенного више резервуара (рис. 6, а, б), который одновременно является компенсатором при увеличении объема воды и источником испарения. Когда во время пожара такие колонны нагреваются, в системе, за счет подъема нагретой в отдельных местах воды, устанавливается естественная циркуляция, которая удаляет приток тепла и способствует охлаждению конструкции, которая находится в очаге пожара.

Рисунок 6. Водонаполненные конструкции с питанием водой:

а — из резервуара большой емкости; б — из внешнего источника

Огнезащита строительных изделий из материалов на полимерной основе

Полимерные материалы в строительстве почти не используют в качестве несущих конструктивных элементов. Они, в основном, применяются как отделочные, облицовочные, и потому нет смысла защищать их экранами или покрытиями.

Полимеры и пластмассы имеют низкую стойкость к температурному влиянию. Изменение физико-механических свойств при нагревании связано с необратимыми процессами и в первую очередь — с термоокислительной деструкцией. А т.к. деструкция происходит при относительно невысоких температурах, то даже при незначительном нагревании наблюдается существенное снижение прочности. Особенностью пластмасс является интенсивное образование газообразных продуктов распада при горении. Дымообразование их в 10…250 раз больше в сравнении с древесиной.

При оценке горючести полимерных материалов учитываются следующие показатели: воспламеняемость, способность к распространению пламени, сопротивление кратковременному влиянию пламени, плавкость и каплеобразование, плотность дыма при нормальных условиях горения (в условиях большого количества воздуха), токсичность газообразных продуктов сгорания.

Снижения пожарной опасности полимерных строительных материалов (ПСМ), с учетом многостадийного характера их диффузионного горения, можно добиться, активно влияя физическими и химическими средствами на каждую стадию волны горения.

Среди физических средств влияния можно выделить такие:

1. Снижение тепло- и массопереноса между пламенем и конденсируемой фазой. Например, теплоизолирующее экранирование поверхности вспученным слоем того же (основного) материала.

2. Охлаждение зоны горения в результате увеличения отведения тепла во внешнюю среду:

-отток тепла от покрытия через теплопроводное основание;

-флегматизация пламени негорючими газами;

— потери тепла на испарение и пиролиз полимерной матрицы;

— разложение наполнителей, которые удерживают химически связанную воду;

-унос тепла стекающим расплавом полимера

3 Ухудшение условий переноса реагентов (горючей пары, газов и кислорода) к фронту горения (образования физического барьера между материалом и окисляющей середой).

Химические средства влияния включают:

— целенаправленные изменения химического строения и структуры полимеров;

— изменение состава и соотношения компонентов ПСМ;

— влияние химических реагентов — ингибиторов газофазных реакций горения;

-влияние химических реагентов на твердофазные процессы пиролиза.

Пожарную опасность ПСМ, учитывая перечисленные физические и химические средства, пытаются снизить несколькими распространенными методами:

-химической модификацией полимеров;

— введением наполнителей;

— введением антипирена, дымоподавителей или других целевых добавок;

-нанесением огнезащитных покрытий;

— комбинацией разных методов.

Снижение горючести полимерных материалов может приводить к увеличению дымообразования и токсичности продуктов горения при его торможении. Снижения выхода токсичных продуктов осуществляют:

— путем простого разбавления;

— изменением хода реакций пиролиза и горения, в результате чего увеличивается выход инертных веществ;

-путем поглощения и связывания токсичных компонентов.

Особенности огнезащиты полимерных материалов определяются их разнообразием и многокомпонентностью составов. Поскольку горючесть полимерных материалов зависит от соотношения теплоты, которая выделяется при сгорании продуктов пиролиза, и теплоты, необходимой для их образования и газификации, то снижение горючести можно обеспечить за счет уменьшения скорости газификации и снижения количества образовавшихся горючих продуктов следующими методами:

-введением инертных наполнителей;

-введением антипиренов;

— нанесением огнезащитных покрытий.

Введение наполнителей. Наполнители используют для получения материалов с заданными свойствами и для снижения их стоимости. Минеральные наполнители также снижают содержание горючих компонентов, влияют на процесс пиролиза полимеров и изменяют условия тепло- и массообмена при горении.

Введение антипиренов. Антипирены делят на два класса: которые механически соединяются с полимерами и создают с ними однородную смесь, и реакционноспособные соединения, которые включаются (в процессе синтеза или переработки полимерных материалов) в молекулярную структуру полимера.

К инертным антипиренам относятся группы:

1. Неорганические вещества — элементарный фосфор, фосфат или полифосфат аммония, гидроокись алюминия, сульфиды фосфора, бура борат цинка со слабой ступенью гидратации, фторобораты щелочных металлов, сульфаты, нитраты, хлориды алюминия, калия.

2. Низкомолекулярные галоидосодержащие органические соединения ациклического (хлорированные парафины, пентаброметан, тетрабромбутан), алициклического (гексабромциклогексан, производные гексахлорциклопентадиена) или ароматического (пентабром- и гексабромбензол, гексабром- и тетрабромбисфенол) строения.

3. Низкомолекулярные фосфорорганические соединения — эфиры фосфорной, фосфоновой или фосфиновой кислот.

4. Высокомолекулярные галоид- и фосфоросодержащие соединения.

5. Органические азотосодержащие вещества, соединения бора, сурьмы и олова.

К реакционноспособным антипиренам относятся низко- и высокомолекулярные соединения, которые содержат вместе с пламегасящими группами атомов разные функциональные группы, способные к реакциям полимеризации, поликонденсации и полиприсоединение (ненасыщенные двойные связи, гидроксильные, карбоксильные, изоцианатные группы). Такие антипирены используют в качестве сомономера и сшивающих агентов при синтезе полимеров или модификаторов это галоидосодержащие сомономери (винилбромид, винилхлорид, монохлорстирол), хлорэндиковый, тетрахлор- и тетрабромфталевый ангидрид; хлокетил; Н-бромвинилфосфонат.

По механизму их действия антипирены можно условно разделить на группы:

разлагающиеся с выделением негорючих газов; при этом горение замедляется в результате повышения нижнего концентрационного предела воспламенения и снижения температуры пламени вследствие разбавления горючих продуктов пиролиза негорючими;

галоидосодержащие, действие которых основано на ингибировании радикальных цепных процессов в газовой фазе;

антипирен, который создает защитные пленки и способствует повышению коксообразования — фосфоро- и боросодержащие соединения; горючесть ПСМ снижается вследствие замедления тепло- и массообмена между пламенем и поверхностью полимерных материалов.

Особое место занимают вещества, которые сами не являются антипиренами, однако усиливают их действие. Это так называемые синергисты. Типичный представитель этой группы — соединения триокиси сурьмы.

Антипирен должен отвечать следующим требованиям: обладать высокой эффективностью пламегасящего действия, хорошо соединяться с полимерами, создавать минимальное влияние на физико-механические свойства ПСМ, а также быть нетоксичными, доступными и относительно дешевыми. В настоящее время нет индивидуальных составов, удовлетворяющих все эти требования. Поэтому для снижения горючести полимерных материалов применяют комбинацию антипиренов перечисленных выше групп.

Огнезащитные покрытия, которые наносятся на полимерные материалы, имеют ограниченное использование. Чаще всего такие покрытия используют для снижения пожарной опасности пенопластов и стеклопластиков, полимерных строительных материалов с содержанием древесины, древесностружечных и деревноволокнистих плит.

Для каждого типа полимера присущи свои методы повышения теплостойкости и огнестойкости.

Полиолефиновые ПСМ. К ним относят полиэтилен, полипропилен и их сополимеры. В строительстве из них изготовляют гидроизоляционные пленки, водопроводные и канализационные трубы, погонажные изделия, фитинги. При использовании полиолефиновых ПСМ нужно учитывать, что вместе с полезными свойствами: прочностью, химической стойкостью, морозоустойчивостью, влагонепроницаемостью, они имеют низкую термостойкость, легкую воспламеняемость и повышенную пожарную опасность. Их горение проходит с плавлением и распрыскиванием горючих капель, без сильного дымообразования. Для повышения прочности, жесткости, твердости полиолефинов к ним добавляют наполнители: асбест, тальк, карбонат кальция, слюду. Эти наполнители практически не снижают горючесть композиций. Несколько повысить пожароопасность полиолефиновых ПСМ позволяет добавление мелкодисперсного порошка алюмосиликатов (цеолита), гидроксидов алюминия и магния. Это повышает температуру самовоспламенения на 50…700С, снижает время самозатухания и потери массы при горении. Снизить горючесть также можно методом модификации основы галогенами.

Поливинилхлоридные ПСМ, из которых производят трубы, линолеум, пенопласты, материалы для лицовки, кровли и электроизоляции, относятся, в основном, к трудновоспламеняемым материалам. Но их пожароопасные характеристики имеют очень большую зависимость от состава и количества наполнителей, пластификатора.

Все пластификаторы, кроме галоид- и фосфоросодержащих повышают пожарную опасность ПВХ. Потому из них чаще используют хлорпарафины. Но введение пластификаторов повышает дымообразующую способность пластмасс. Уменьшения дымовыделения и пожарной опасности добиваются добавлением в композицию наполнителей, таких как каолин, талькомагнезит, Mg(OH)2, Al(OH)3, Sb2O3. Комплекс мероприятий позволяет значительно снизить для ПВХ-материалов дымообразующую способность на 25 %, повысить кислородный индекс на 15…19 % (до КІ=60 %), температуру воспламенения — до 6200С при сохранении удовлетворительных эксплуатационных характеристик.

Полистирольные ПСМ очень распространены в строительстве. Чаще из них производят стенные облицовочные плитки, сантехнические изделия и пенопласты. Способ снижения горючести для полистирольных ПСМ зависит от их назначения. Перспективным методом считают химическую модификацию стирола галоид- и фосфоросодержащими мономерами (например, это может быть винилхлорид, винилбромид, хлорирование полимера). При этом для повышения эффективности огнетушительного действия антипирена дополнительно используют вещества-синергисты (например Sb2O3, органические перекиси, ароматические амины и др.). Пенополистирольные изделия в некоторых случаях защищают от действия огня с помощью огнезащитных покрытий на основе жидкого стекла, армированного наполнителем: волокнистым (асбестом) или порошковым (диатомитом, кварцевой мукой).

Эпоксидные ПСМ отличаются большим многообразием. Для улучшения огнезащиты в их составе пытаются использовать бром-, галоген-, фосфоросодержащие олигомеры или отверддители. Также очень популярным является введение синергистов (Sb2O3, ZnO SnO2), которые способствуют сохранению свойств ПСМ и препятствуют выделению пластификатора при старении. Выбор антипирена определяется требованиями к технологическим, эксплуатационным, санитарно-гигиеническим свойствам эпоксидных ПСМ. Здесь, как правило, используют галоидосодержащие антипирен (хлорируемый парафин, гексабромбензол, хлорэндиковый ангидрид и др.). Среди неорганических наполнителей наибольшее использование для снижения горючести эпоксидных полимеров получили Al(OH)3, борат цинка, ортофосфат аммония, микрокапсулированные хладоны, CCl4.

Фенолформальдегидные и карбамидные ПСМ применяются очень широко. На их основе производят ДСП, ДВП, бумажно-слоистые и стеклопластики, пено- и сотопласты. Фенолформальдегидные полимеры — трудновоспламеняемые материалы, а карбамидные (мочевино-формальдегидные) — еще менее горючи. При высокотемпературном разложении карбамидные полимеры испаряют токсичные газы, вспучиваются, разрушаются, образуют обугленный слой, который постепенно выгорает. Фенолформальдегидные полимеры, хотя и более горючи, образовывая обугленный слой, меньше разрушаются.

Горючесть этих материалов определяется горючестью наполнителей. Если они минеральные (асбест, мраморное крошево, жидкое стекло), фенольные пенопласты относят к огнезащищенным материалам. Но эти наполнители ухудшают механические и теплофизические свойства пенопластов. Прочностные характеристики удается улучшить при добавлении стекловолокна, перлитного песка. Органические наполнители повышают горючесть фенольных и карбамидных пластмасс, и тогда для уменьшения пожарной опасности к их составу вводят антипирен. Например, слоистый пластик на основе бумаги и фенолформальдегидных полимеров — гетинакс, который относят к горючим материалам (tзайм = 3350С, tс/з = 4950С, tрозклад = 2500С, Кі= 25.7), при добавлении антипирена (тетрабромдифенилолпропана) переходит в группу трудногорючих материалов.

6 Библиографический список

1«Основы общей химии». Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва «Просвещение» 1980 г.

2. «Общая химия». Н.Л.Глинка. Издательство «Химия», Ленинградское отделение 1972 г.

3. «Отчего и как разрушаются металлы». С.А.Балезин. Москва «Просвещение» 1976 г

Размещено на