Разработка методов испытаний огнезащитных покрытий стальных строительных конструкций в процессе эксплуатации

Введение

Одной из важнейших проблем в области применения огнезащитных покрытий стальных строительных конструкций является прогнозирование их срока эксплуатации или сохранение эффективности во времени. Срок эксплуатации или долговечность можно определить как способность огнезащитного покрытия противостоять внешним воздействиям, т. е. оставаться неизменным и сохранять эффективность при воздействии окружающей среды и различных неблагоприятных факторов.

Наибольшее распространение для повышения пределов огнестойкости стальных строительных конструкций получили тонкослойные вспучивающиеся краски и штукатурные покрытия [1–8]. В настоящее время отсутствует нормативная база, регламентирующая сроки эксплуатации и замены (реконструкции) огнезащитных покрытий. Нет и системы подтверждения соответствия покрытий заявленным требованиям пожарной безопасности по истечении срока эксплуатации в зависимости от условий окружающей среды. Это связано также и с недостаточностью данных по старению различного рода огнезащитных покрытий и научно-исследовательских работ в этой области. При этом проводятся исследования, посвященные этому вопросу. Например, в работах [9–15] приводятся результаты исследований по разработке научно-методических подходов к выявлению дефектов огнезащитных покрытий и оценки состояния при эксплуатации, а также результаты исследований огнезащитных покрытий после ускоренного старения по таким показателям, как внешний вид, адгезия, коэффициент вспучивания, химический состав, термоаналитические характеристики и др. В этих работах также описываются методики, по которым происходило ускоренное старение покрытий, но ввиду отсутствия единых методов полученные данные сложно сопоставлять и делать обоснованные заключения по механизмам старения огнезащитных покрытий и давать прогнозы по их срокам службы.

Таким образом, можно отметить, что в настоящее время ощущается недостаточность информации о процессах старения огнезащитных покрытий, а имеющиеся литературные источники зачастую противоречат друг другу либо их данные устарели.

При старении изменяются все свойства покрытий: огнезащитные, физико-химические, механические и др. На определенной стадии эксплуатации покрытие перестает выполнять свои защитные функции и требуется его реновация или замена. Поэтому проблема долговечности имеет не только научно-технический интерес, но и большое экономическое значение [16].

Атмосферное старение огнезащитных покрытий обусловлено комплексным воздействием многих факторов: влажности, кислорода воздуха, переменных температур, солнечной радиации и т. д. Скорость разрушения покрытий в атмосферных условиях примерно в 50 раз больше, чем в помещении. Основной вклад в разрушение огнезащитных покрытий вносят процессы окислительной и гидролитической деструкции, происходящие под влиянием кислорода и содержащейся в воздухе воды, а также фотохимические процессы, инициируемые солнечным светом. Чем выше интенсивность этих факторов, тем с большей разрушительной силой происходит процесс старения.

Наиболее часто встречающийся вид химического разрушения покрытий – окислительная деструкция. Особенно эффективно она протекает в атмосферных условиях. Диффузия и растворимость кислорода в покрытии, наличие в нем реакционноспособных групп – основные факторы, обусловливающие старение покрытий под действием кислорода [17].

Так как натурные испытания занимают длительное время, наиболее целесообразно проводить испытания по ускоренным методикам. Старение покрытий в лабораторных условиях проводят в установках искусственной погоды (климатических камерах) с имитацией воздействия знакопеременных температур и влажности, солнечной радиации и при необходимости химически агрессивной атмосферы.

Также существуют и действуют нормативные документы по ускоренному старению лакокрасочных материалов, такие как национальные и международные стандарты. На взгляд авторов статьи, оптимальными методиками для наиболее точного воспроизведения условий эксплуатации огнезащитных покрытий, из представленных в литературных источниках, являются методики проведения ускоренных климатических испытаний, приведенные в ГОСТ 9.401-2018 [18].

В настоящее время отсутствуют нормативные документы в области пожарной безопасности, регламентирующие подтверждение сохранения свойств огнезащитных покрытий в процессе эксплуатации, а также определение гарантийного срока их эксплуатации, который, за редкими исключениями, не проверяется производителями, а предполагается исходя из опыта применения такого рода покрытий.

Целью представленной работы является разработка методов испытаний для определения стойкости к воздействию климатических факторов, сохранности огнезащитных и антикоррозионных свойств огнезащитных покрытий стальных строительных конструкций в процессе эксплуатации.

В основу разрабатываемых методов испытаний легли результаты многолетнего опыта проведения научно-исследовательских работ специалистами НЭБ ПБС ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко в области экспертной оценки несоответствий эксплуатируемых огнезащитных покрытий требованиям нормативных документов, обследований их технического состояния, обоснования остаточного ресурса и продления сроков эксплуатации на различных объектах. Также учитывался опыт различных исследований [9–11][14], существующие методики, как отечественные [19], так и зарубежные [20], и нормативные документы единой системы защиты от коррозии и старения.

Метод проведения ускоренных климатических испытаний

Сущность метода заключается в проведении ускоренных климатических испытаний образцов стальных пластин с нанесенными огнезащитными покрытиями, после чего проводится оценка стойкости огнезащитных покрытий к воздействию климатических факторов, сохранности огнезащитных и антикоррозионных свойств в процессе эксплуатации.

Для проведения испытаний изготавливаются образцы из расчета 1 образец (2 образца для конструктивной огнезащиты) на каждые 5 лет гарантийного срока эксплуатации огнезащитного покрытия и плюс 1 контрольный образец.

В качестве образцов используется стальная пластина из листовой стали марки 08кп и 08пс по ГОСТ 16523-97 [21] и ГОСТ 9045-93 [22] размером 600 × 600 × 5 мм с нанесенным на нее с лицевой стороны средством огнезащиты (огнезащитным покрытием). Допустимые отклонения по ширине и длине стальной пластины не должны превышать ±5 мм, а по толщине – ±0,5 мм. Обратная сторона и кромки пластин должны быть окрашены шпатлевкой ЭП-0010 (или другим согласованным лакокрасочным материалом), которая обеспечивает защиту окрашиваемой поверхности в течение всего срока климатических испытаний. Сушку лакокрасочных материалов для защиты обратной стороны и кромок пластин проводят в естественных условиях.

Методика проведения испытаний, оценка результатов ускоренных климатических испытаний образцов стальных пластин с тонкослойным вспучивающимся огнезащитным покрытием (огнезащитной краской) соответствует ГОСТ 9.401-2018 [18], так как они по своей сути являются высоконаполненными лакокрасочными материалами, и старение этих покрытий проходит зачастую по общеизвестным закономерностям. Метод испытаний для них выбирается в зависимости от условий эксплуатации и категорий атмосфер с коррозионной активностью по ГОСТ 9.104-2018 [23] и типов атмосферы по ГОСТ 15150-69 [24].

Визуальный осмотр поверхности тонкослойного вспучивающегося огнезащитного покрытия контрольных образцов на предмет наличия дефектов (вздутий, растрескивания, отслоений и др. дефектов) проводится до и после ускоренных климатических испытаний. При визуальном осмотре оценивается внешний вид огнезащитного покрытия по п. 9 ГОСТ 9.407-2015 [25], допустимый уровень снижения защитных свойств должен быть АЗ3.

Методика проведения испытаний, оценка результатов ускоренных климатических испытаний образцов стальных пластин с конструктивной огнезащитой (толстослойные напыляемые составы, штукатурки, облицовка плитными, листовыми и другими огнезащитными материалами) соответствует ГОСТ Р 51372-99 [26]. Ускоренное старение таких образцов проводится циклическим методом, подвергая образцы воздействию температуры и влажности. Исходя из эксплуатационных свойств исследуемого материала в качестве контрольного проводится цикличное испытание 207-1 по ГОСТ Р 51369-99 [27].

Режим испытаний, последовательность перемещения и время выдержки образцов в аппаратах в одном цикле для условий эксплуатации УХЛ4 по ГОСТ 9.104-2018 [23] приведены в табл. 1, для условий эксплуатации УХЛ3, УХЛ2 – в табл. 2, УХЛ 1 – в табл. 3. Пять циклов испытаний соответствуют одному году эксплуатации конструктивной огнезащиты.

Перед началом испытаний измеряется теплопроводность конструктивной огнезащиты согласно ГОСТ 7076-99 [28]. Контрольное измерение теплопроводности проводится через 25, 50 и 75 циклов. Допускается увеличение теплопроводности состаренных образцов не более чем на 5 % относительно результатов испытаний до старения.

После каждого цикла испытаний проводится оценка повреждений конструктивной огнезащиты и оценивается возможность продолжения испытания на климатические воздействия. Допускается изменение цвета, волосяные трещины, сколы материала на глубину не более 2 мм, наличие единичных нитевидных трещин длиной менее 15 см.

Старение всех огнезащитных покрытий и тонкослойных вспучивающихся и конструктивных проводят до достижения предполагаемого срока службы (гарантийного срока эксплуатации) с интервалом 5 лет (5, 10, 15 и т. д. лет). При проведении испытаний следует использовать климатические камеры с рабочими объемами, позволяющими разместить исследуемые образцы.

Метод оценки огнезащитной эффективности

Оценка огнезащитной эффективности покрытий контрольных образцов проводится по п. 6 ГОСТ Р 53295-2009 [29]. Испытания проводятся на одном образце без ускоренных климатических испытаний и на образцах после проведенных ускоренных климатических испытаний по пп. 4.2–4.4 ГОСТ Р 53295-2009 [29].

В процессе проведения испытаний регистрируются следующие показатели:

• время достижения металлом опытного образца предельного состояния – температуры, равной 500 °C (среднее значение по показаниям трех термопар);
• изменение температуры в печи;
• поведение огнезащитного покрытия (вспучивание, обугливание, отслоение, выделение дыма, продуктов горения и т. д.);
• изменение температуры на необогреваемой поверхности опытного образца.

За положительный результат испытаний принимается время достижения предельного состояния металлом опытного образца после ускоренных климатических испытаний, отличающееся от результатов испытаний образца без ускоренных климатических испытаний менее чем на 20 % в сторону уменьшения.

Оценка сохранности огнезащитных свойств средств огнезащиты методами термического анализа

Подготовку образцов и проведение испытаний выполняют согласно ГОСТ Р 53293-2009 [30]. Для оценки сохранности свойств огнезащитных покрытий после ускоренных испытаний по п. 4 ГОСТ Р 53293-2009 [30] или в процессе эксплуатации проводится анализ, при котором сравниваются результаты термического анализа (ТА), характеристики и графические зависимости для исходного огнезащитного покрытия (эталона, идентификатора) и исследуемого образца после ускоренных испытаний. Подлежат сравнению характеристики и параметры, полученные только при полностью одинаковых условиях эксперимента (отклонение должно быть не более 3 %) на приборах одного класса.

При анализе устанавливают следующие данные:

• наличие или отсутствие подобия сравниваемых ТА кривых во всем температурном диапазоне сравнения;
• наличие или отсутствие совпадения количества значимых максимумов термогравиметрической по производной (ДТГ) кривой в диапазоне 120–550 °C;
• величины отклонений при сравнении значимых идентификационных характеристик (параметров) образцов исследуемого материала и эталона при использовании экспериментально полученных среднеарифметических величин;
• значения потери массы при фиксированных температурах (в интервале 300–550 °C) для огнезащитных покрытий на неорганической основе;
• значения температур фиксированных потерь массы для огнезащитных покрытий на органической основе (в интервале 150–400 °C) и для огнезащитного покрытия на неорганической основе (в интервале 150–300 °C);
• температуры максимумов ДТГ кривой;
• зольный или коксовый остаток, %, при температуре окончания процесса деструкции;
• величины амплитуды максимумов ДТГ кривой;
• температуры максимумов пиков дифференциально-термического анализа (ДТА).

По результатам термического анализа проводится оценка сохранности огнезащитных свойств по ряду критериев.

По характеристикам ТА кривых и расчетным данным материалы сохраняют свои огнезащитные свойства при соблюдении следующих условий: зависимости термогравиметрические (ТГ), термогравиметрические по производной (ДТГ), а в оговоренных случаях дифференциально-термического анализа (ДТА) или дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) имеют подобный вид: соответственно совпадает количество интервалов деструкции и совпадает количество пиков ДТГ, ДТА или ДСК.

Для тонкослойных вспучивающихся огнезащитных покрытий сохранение огнезащитных свойств дополнительно оценивается по коэффициенту вспучивания. Образец покрытия помещают в термошкаф при температуре 600 °C и выдерживают в течение 5 мин для получения вспученного слоя. Коэффициент вспучивания определяется как отношение толщины вспученного слоя к исходной толщине покрытия. Измерение толщин проводится в сечениях пяти образцов. Коэффициент вспучивания определяется как среднее арифметическое пяти измерений. Внешний вид образцов до и после испытания фиксируется на фотографиях.

Потеря огнезащитных свойств определяется при сравнительной оценке коэффициента вспучивания эталонного и исследуемого (после ускоренных испытаний) образцов. Допускается уменьшение среднеарифметического значения коэффициента вспучивания не более чем на 30 % от исходного. При этом покрытие считается полностью утратившим огнезащитные свойства, если среднеарифметическое значение коэффициента вспучивания составляет менее 10.

В результате проведенного исследования разработаны методы ускоренных климатических испытаний тонкослойных вспучивающихся и конструктивных огнезащитных покрытий, оценки огнезащитных свойств и их сохранности методами термического анализа.

Заключение

Разработанные методы использованы при подготовке проекта национального стандарта «Конструкции стальные строительные с огнезащитными покрытиями. Методы испытаний антикоррозионных свойств и стойкости к воздействию климатических факторов в процессе эксплуатации» для обеспечения нормативных требований пожарной безопасности для данных конструкций. Стандарт может быть использован при определении гарантийного срока эксплуатации огнезащитных покрытий стальных строительных конструкций, при этом он не распространяется на определение их пределов огнестойкости.