Оценка эффективности огнезащитных покрытий в процессе ускоренного климатического старения

Введение

В настоящее время средства огнезащиты для строительных конструкций используются повсеместно в большом объеме с целью обеспечения нормируемых требований пожарной безопасности зданий и сооружений.

В соответствии с ТР ЕАЭС 043/2017 [1] техническая документация на средства огнезащиты должна содержать информацию о технических показателях, характеризующих область их применения, способ подготовки поверхности, виды и марки грунтовок, способ нанесения на защищаемую поверхность, условия сушки, огнезащитную эффективность этих средств, способ защиты от неблагоприятных климатических воздействий, условия и срок эксплуатации огнезащитных покрытий, меры безопасности при проведении огнезащитных работ, а также порядок транспортирования и хранения.

Одним из важнейших параметров при обеспечении пожарной безопасности является гарантийный или прогнозируемый срок эксплуатации огнезащитного покрытия в зависимости от условий службы. 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.

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. Нет и системы подтверждения соответствия покрытий заявленным требованиям пожарной безопасности по истечении срока эксплуатации в зависимости от условий окружающей среды. Это связано также с недостаточностью данных по старению различного рода огнезащитных покрытий и с проведением научно-исследовательских работ в данной области.

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.

Ранее в работе [2] были представлены разработанные методы ускоренных климатических испытаний тонкослойных вспучивающихся и конструктивных огнезащитных покрытий, оценки свойств и их сохранности методами термического анализа и огнезащитной эффективности. На их основе специалистами НЭБ ПБС ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко подготовлен проект национального стандарта «Конструкции стальные строительные с огнезащитными покрытиями. Методы испытаний антикоррозионных свойств и стойкости к воздействию климатических факторов в процессе эксплуатации». Стандарт находится на стадии введения в действие и может быть использован при определении гарантийного срока эксплуатации огнезащитных покрытий стальных строительных конструкций, при этом он не распространяется на определение их пределов огнестойкости.

Данная работа посвящена апробации методики и оценки сохранения огнезащитных свойств при климатическом старении в условиях открытой промышленной атмосферы (ХЛ1, УХЛ1 по ГОСТ 15150-69 [3]) на примере современного огнезащитного покрытия.

Объектом исследования является огнезащитное покрытие в составе:

– антикоррозионная грунтовка «ДЕКОПОКС-ФАСТ» (ТУ 2312-015-12943630-2017) толщиной сухого слоя 80 мкм;

– атмосферостойкая огнезащитная краска «ДЕКОТЕРМ-ХРОМ-Р» (ТУ 2317-005-12943630-2016) толщиной сухого слоя 870 мкм;

– финишное покрытие – двухкомпонентная полиуретановая грунт-эмаль «ДЕКОПУР-ФЛЕКС» (ТУ 2312-014-12943630-2017) толщиной сухого слоя 50 мкм.

В качестве образцов используются стальные пластины из листовой стали марки 08кп и 08пс по ГОСТ 16523-97 [4] и ГОСТ 9045-93 [5] размером 600 × 600 × 5 мм с нанесенным с лицевой стороны огнезащитным покрытием. Допустимые отклонения по ширине и длине стальной пластины не превышают ± 5 мм, а по толщине – ± 0,5 мм. Обратная сторона и кромки пластин окрашены шпатлевкой ЭП-0010 по ГОСТ 28379-89 [6], которая обеспечивает защиту окрашиваемой поверхности в течение всего срока климатических испытаний. Для проведения испытаний использовали четыре образца. Один из них – контрольный, который не подвергался воздействию ускоренных климатических факторов.

Методы испытания

Согласно программе испытаний проводилось циклическое искусственное старение образцов по методу 6 ГОСТ 9.401-2018 [7], после чего осуществлялась оценка стойкости огнезащитных покрытий к воздействию климатических факторов и сохранности огнезащитных свойств в процессе эксплуатации двумя методами: термическим анализом по ГОСТ Р 53293-99 [8] и огнезащитной эффективностью по ГОСТ Р 53295-2009 [9].

Искусственное старение проводили на 5, 15 и 25 лет. На рис. 1 представлен внешний вид образцов в климатической камере перед началом испытаний.

Режим испытаний, последовательность перемещения и время выдержки образцов в аппаратах в одном цикле приведены в табл. 1.

Визуальную оценку состояния покрытия после искусственного старения проводили по п. 9 ГОСТ 9.407-2015 [10]. При визуальном осмотре состояния покрытия оценивались виды разрушений, характеризующие декоративные и защитные свойства: растрескивание, отслаивание, образование пузырей, растворение, сморщивание, коррозия металла, изменение цвета, меление и грязеудержание.

Допустимый уровень ухудшения защитных свойств должен быть не более 3 баллов (АЗ3) по ГОСТ 9.407-2015 [10]. При этом площадь разрушения покрытия не должна превышать 15 % поверхности изделия, площадь коррозионного разрушения – не более 1 %.

Оценку прогнозируемого срока службы выполняли по п. 6.5.9 ГОСТ 9.401-2018 [7]. Коэффициент ускорения, K_y, принимался равным 41 для условий ХЛ1, УХЛ1.

Оценку сохранности огнезащитных свойств методами термического анализа, подготовку образцов и проведение испытаний выполняют согласно ГОСТ Р 53293-99 [8].

Для получения идентификационных характеристик образцов применяли автоматизированный прибор термического анализа, имеющий программное обеспечение для обработки результатов, термоанализатор синхронный модификации STA 449 F5 Jupiter STA, 60486-15, заводской номер STA449F5B-0328-M.

Условия проведения термического анализа представлены в табл. 2.

По результатам термического анализа определяются следующие значимые идентификационные характеристики:

– потеря массы при температурах: 200, 300, 400, 500 °C (по ТГ-кривым);

– зольный остаток при температуре 1000 °C (по ТГ-кривым);

– температура при потере массы: 5, 10, 20, 30, 50 % (по ТГ-кривым);

– температура максимума скорости потери массы (по ДТГ-кривым);

– максимальная скорость потери массы (по ДТГ-кривым).

По результатам термического анализа проводится оценка сохранности огнезащитных свойств по ряду критериев. По характеристикам термоаналитических кривых и расчетным данным покрытие сохраняет свои огнезащитные свойства при соблюдении следующих условий: зависимости термогравиметрические (ТГ), термогравиметрические по производной (ДТГ) имеют подобный вид, соответственно совпадает количество интервалов деструкции и совпадает количество пиков ДТГ.

Оценка огнезащитной эффективности покрытий проводится по п. 6 ГОСТ Р 53295-99 [8]. Сущность метода заключается в одностороннем тепловом воздействии на образец и определении времени от начала теплового воздействия на образец до наступления предельного состояния этого образца. Режим теплового воздействия задается в соответствии с ГОСТ 30247.0-94 [11].

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 исходного без старения менее чем на 20 % в сторону уменьшения.

Результаты ускоренных климатических испытаний

Внешний вид покрытий после ускоренных климатических испытаний представлен на рис. 2–4. Оценку состояния проводят при помощи микроскопа (рис. 5).

Обобщенные результаты ускоренных климатических испытаний приведены в табл. 3.

По результатам оценки декоративных и защитных свойств прогнозируемый срок службы покрытия составляет не менее 25 лет.

Оценка сохранности огнезащитных свойств методами термического анализа

Термоаналитические кривые образцов представлены на рис. 6–9. ТГ-кривая потери массы изображена сплошной линией. ДТГ-кривая скорости потери массы представлена штрихпунктирной линией.

По результатам термического анализа были определены значимые идентификационные характеристики, представленные в табл. 4–7.

Анализ идентификационных термоаналитических характеристик огнезащитного покрытия контрольного образца и состаренных образцов в температурном интервале испытаний показал следующее:

– подобие сравниваемых термоаналитических кривых во всем температурном интервале сравнения (рис. 10);

– при сравнении значимых идентификационных характеристик исследованных огнезащитных покрытий с использованием экспериментально полученных и теоретически рассчитанных статистических критериев существенных расхождений не обнаружено.

На основании вышеизложенного можно заключить, что по термоаналитическим характеристикам огнезащитные свойства покрытия контрольного и состаренных образцов идентичны.

Оценка сохранности огнезащитной эффективности

Зависимости изменения температуры в печи и на образцах при испытаниях по ГОСТ Р 53295-2009 [9] представлены на рис. 11.

Внешний вид образцов после огневых испытаний представлен на рис. 12.

По результатам испытаний установлено, что время достижения критической температуры 500 °C на образцах составило: контрольный без старения – 49 мин; после 45 циклов старения – 47 мин; после 134 циклов старения – 45 мин; после 224 циклов старения – 43 мин.

При анализе полученных данных установлено, что огнезащитная эффективность с увеличением количества циклов искусственного старения несколько снизилась и составила 12 % в сторону уменьшения от контрольного образца при 224 циклах. То есть можно прогнозировать сохранение огнезащитной эффективности в течение 25 лет эксплуатации покрытия.

Заключение

Прогнозируемый срок службы испытанной системы покрытия на основе антикоррозионной грунтовки «ДЕКОПОКС-ФАСТ», атмосферостойкой огнезащитной краски «ДЕКОТЕРМ-ХРОМ-Р» и двухкомпонентной полиуретановой грунт-эмали «ДЕКОПУР-ФЛЕКС» в условиях открытой промышленной атмосферы (ХЛ1, УХЛ1) с сохранением огнезащитной эффективности при условии соблюдения всех требований технологического процесса получения покрытия составляет не менее 25 лет.