Эффективность конструктивной огнезащиты на основе минераловатных плит при ускоренном климатическом старении

Введение

В настоящее время средства конструктивной огнезащиты строительных конструкций находят широкое применение с целью обеспечения нормируемых требований пожарной безопасности зданий и сооружений. Облицовка конструкций такими средствами огнезащиты является наиболее эффективным способом достижения высоких пределов огнестойкости и обладает большей механической прочностью по сравнению с покрытиями на основе красок, которые в последнее время наиболее популярны. К наиболее распространенным сегодня средствам и методам конструктивной огнезащиты относится облицовка различными негорючими и теплоизолирующими материалами, такими как панельные и плитные материалы, в том числе на основе минеральной ваты.

В соответствии с ТР ЕАЭС 043/2017 [1] техническая документация на средства огнезащиты должна содержать сведения о технических характеристиках, определяющих область их применения, способ подготовки поверхности, применяемые материалы и составы, технологию нанесения на защищаемую поверхность, условия сушки, огнезащитную эффективность, методы защиты от климатических воздействий, условия и срок эксплуатации, меры безопасности при проведении работ, а также порядок транспортирования и хранения.

Одним из важнейших параметров, определяющих эффективность применения огнезащитных материалов, является прогнозируемый срок эксплуатации в зависимости от условий службы. Под сроком эксплуатации понимается способность огнезащитной системы сохранять свои свойства при воздействии внешних факторов и обеспечивать заявленные показатели огнестойкости.

На сегодняшний день единственным нормативным документом, дающим методические основы определения сохранения эффективности огнезащитных конструктивных покрытий металлических строительных конструкций при ускоренных климатических испытаниях, является ГОСТ Р 71618-2024 [2], разработанный специалистами НЭБ ПБС ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

В работах [3][4] описаны проведенные ранее исследования эффективности вспучивающихся тонкослойных огнезащитных покрытий в процессе ускоренных климатических испытаний. Конструктивные покрытия ранее не были исследованы по данным методикам.

Настоящая работа посвящена исследованию сохранения эффективности конструктивной огнезащиты на основе минераловатных плит при климатическом старении в условиях эксплуатации УХЛ2 и УХЛ3 по ГОСТ 15150-69 [5] на примере современного покрытия.

Объектом исследования является конструктивная огнезащитная система «ЕТ-МЕТАЛЛ» в составе:

– минераловатные теплоизоляционные плиты «EURO-ЛИТ» (ТУ 5762-011-0862-1635-2009 [6]) толщиной 30 мм;

– состав термостойкий клеящий «ПЛАЗАС» (ТУ 23.99.19-013-08621635-2020 [7]) толщиной 2 мм.

В качестве образцов использовались стальные пластины из листовой стали марок 08кп и 08пс по ГОСТ 16523-97 [8] и ГОСТ 9045-93 [9] размером 600 × 600 × 5 мм. 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 [10], обеспечивающей защиту металлической поверхности в течение всего срока климатических испытаний.

Для проведения испытаний использовались образцы из расчета два образца на каждые пять лет срока службы огнезащитного покрытия и один контрольный, который не подвергался воздействию ускоренных климатических факторов. Таким образом, для проведения 125 циклов ускоренных климатических испытаний, соответствующих 25 годам эксплуатации огнезащитного покрытия, испытывалось 10 образцов и 1 контрольный образец огнезащитной системы.

Материалы и методы

Согласно программе исследований проводилось циклическое искусственное старение образцов, включающее многократное воздействие чередующихся климатических факторов (увлажнение, замораживание, нагрев, охлаждение), что обеспечивает моделирование длительной эксплуатации покрытия.

После завершения циклов старения осуществлялась оценка стойкости огнезащитной системы к воздействию климатических факторов и сохранность ее свойств. Для этого применялись:

– контроль теплопроводности, проводимый в соответствии с разделом 7 ГОСТ 7076-99 [11].

– термический анализ по ГОСТ Р 53293-2009 [12];

– оценка огнезащитной эффективности по ГОСТ Р 53295-2009 [13].

Искусственное старение проводили в климатической камере ТН-225 С (заводской номер LP 202209TH008) в эквиваленте сроков эксплуатации 5, 10, 15, 20 и 25 лет. На рис. 1 представлен внешний вид образцов в климатической камере перед началом испытаний.

Согласно ГОСТ Р 71618-2024 [2] (Приложение А, Таблица А.2), режим испытаний, последовательность перемещения и время выдержки образцов в аппаратах в одном цикле для условий эксплуатации УХЛ2 и УХЛ3 представлены в табл. 1.

После каждого цикла испытаний проводили визуальную оценку повреждений огнезащитной системы и оценивали изменение цвета, появление трещин, сколов, отслоение материала.

С целью уточнения фактических теплотехнических характеристик материала, применяемого в составе конструктивной системы, проводили измерение коэффициента теплопроводности минераловатной плиты. Несмотря на наличие паспортных данных, представленных производителем, реальные значения теплопроводности могут существенно зависеть от условий хранения и эксплуатации, а также от влажности, плотности и технологических особенностей производства.

Определение теплопроводности выполнялось в соответствии с требованиями ГОСТ 7076-99 [11] с использованием стационарного прибора ИТП-МГ4 «250», реализующего метод плоской одноосной теплопередачи в установившемся режиме. Принцип работы установки основан на передаче теплового потока от нагреваемой пластины через образец к охлаждаемой поверхности, при этом регистрируется величина теплового потока и разность температуры на границах контакта.

Перед проведением измерений минераловатная плита выдерживалась в климатической камере в течение 72 часов для стабилизации влажности и температуры. Для испытаний подготавливали образцы размером 100 × 100 мм и толщиной 10 мм.

Поверхности образца были выровнены, а отклонения от параллельности не превышали 1 мм, что обеспечивало корректность соприкосновения с измерительными пластинами. Приборная схема предусматривала размещение образца между нагревательной и охлаждающей пластинами с обеспечением плотного контакта. Температура нагревательной пластины поддерживалась в пределах 35–40 °С, а охлаждающей – около 20 °С, создавая необходимый температурный градиент в направлении теплового потока. Внешний вид образца в приборе перед измерением теплопроводности представлен на рис. 2.

Измерение проводилось после выхода системы на установившийся тепловой режим, что подтверждалось стабилизацией температурных показателей и величины теплового потока в течение не менее 60 минут.

Оценку сохранности огнезащитных свойств методами термического анализа, подготовку образцов и проведение испытаний выполняли согласно ГОСТ Р 53293-2009 [12].

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 температуре 200, 300, 400 и 500 °C (по ТГ-кривым);

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

– температура при потере массы 5, 10, 20, 30 и 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 53295-2009 [13]. 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 [14].

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

Внешний вид системы после ускоренных климатических испытаний представлен на рис. 3–7. Оценку состояния проводят методом визуального осмотра с применением инструментального контроля и тактильной проверки.

Обобщенные результаты ускоренных климатических испытаний приведены в табл. 3.

В результате проведенных ускоренных климатических испытаний установлено, что с увеличением времени выдержки и свыше 50 циклов минераловатная плита начинает отслаиваться от металлической пластины. При этом ее внешний вид сохраняется, растрескивания не наблюдаются.

Результаты измерения теплопроводности по ГОСТ 7076-99 [11] представлены в табл. 4.

Исследования показали, что теплопроводность минераловатной плиты при различных сроках эксплуатации меняется в рамках погрешности измерения прибора.

Термический анализ минераловатной плиты показал, что при ее нагреве до 1000 °C не происходит деструктивных изменений как в контрольном образце, так и в образцах, прошедших ускоренное старение.

Результаты оценки сохранности огнезащитной эффективности, а именно зависимости изменения температуры в печи и на образцах при испытаниях по ГОСТ Р 53295-2009 [13], представлены на рис. 8.

Внешний вид образцов после огневых испытаний представлен на рис. 9.

Результаты времени достижения критической температуры 500 °С на образцах представлены в табл. 5.

При анализе полученных данных установлено, что огнезащитная эффективность с увеличением количества циклов искусственного старения несколько снизилась и составила 16,7 % в сторону уменьшения от контрольного образца при 125 циклах.

В соответствии с ГОСТ Р 71618-2024 [2] за положительный результат испытаний принимается время достижения предельного состояния металлом опытного образца после ускоренных климатических испытаний менее чем на 20 % в сторону уменьшения. То есть можно подтвердить сохранение огнезащитной эффективности в течение 25 лет эксплуатации покрытия.

Заключение

На основании проведенных исследований предполагаемый срок эффективной эксплуатации огнезащитной системы «ЕТ-МЕТАЛЛ» в условиях открытых объектов, находящихся под навесом либо в зонах, защищенных от прямого атмосферного воздействия (категория размещения УХЛ2 по ГОСТ 15150-69 [5]), а также внутри зданий и сооружений с естественной вентиляцией и без специального температурного контроля (категория УХЛ3) с сохранением огнезащитной эффективности при условии соблюдения всех требований технологического процесса получения покрытия составляет не менее 25 лет.