Композиционная огнезащита (варианты)

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, прежде всего в высотных зданиях. Согласно первому варианту предложенная слоистая огнезащитная конструкция на основе композиционных плит выполнена с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта и последовательно содержит прилегающий к указанной поверхности слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку и термостойкую защитно-декоративную плиту. Толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя и клеевой прослойке, диффундирование образующегося водяного пара во внутренний базальтоволокнистый слой и при дальнейшем прогреве испарение сконденсировавшейся на поверхности волокон влаги. Согласно второму варианту предложенная слоистая огнезащитная конструкция выполнена с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта с образованием воздушной прослойки. Клеевая прослойка выполняется из терморасширяющегося материала, обладающего свойством сажеобразования при нагреве. При этом толщины и материалы слоев конструкции в данном варианте выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило осаждение частиц углерода на поверхности волокон внутреннего слоя в результате крекинга углеводородов, входящих в состав продуктов термического разложения органической или полимерной части клеевой прослойки, и образование дополнительного слоя пенококса вследствие термического разложения и вспучивания клеевой прослойки, содержащей термический расширяющийся графит. Технический результат заключается в выполнении слоев огнезащитной конструкции с учетом возникающих при нагреве физических эффектов, приводящих к изменению состава граничащих слоев, что позволяет блокировать лучисто-конвективный тепловой поток, поступающий от пламени к поверхности защищаемого объекта. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, прежде всего в высотных зданиях.

К строительным конструкциям и инженерным коммуникациям современных зданий и сооружений предъявляются повышенные требования по огнестойкости - способности сохранять свою несущую и ограждающую способность при огневом воздействии в течение заданного времени, необходимого для принятия мер по эвакуации людей, активного противодействия распространению пожара и его ликвидации.

Так, например, согласно МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» строительные конструкции высотных зданий должны иметь предел огнестойкости не менее 4-х часов.

При огневом воздействии на строительные конструкции высотных зданий возможно их разрушение (потеря огнестойкости), сопровождающееся прогрессирующим разрушением всего здания (даже если огневому воздействию подвергаются только конструкции в пределах одного из помещений или этажей). Вследствие этого потеря огнестойкости конструкций высотных зданий при пожаре приводит к гораздо более серьезным последствиям по сравнению с обычными зданиями.

Для повышения фактических пределов огнестойкости строительных конструкций до требуемого уровня используется огнезащита.

К огнезащите строительных конструкций и элементов инженерных коммуникаций предъявляют следующие требования:

а) малая масса;

б) минимальная стоимость;

в) технологичность изготовления и монтажа на объекте;

г) устойчивость к внешним воздействиям при монтаже и эксплуатации (случайным ударам, колебаниям температуры и влажности атмосферы и т.п.);

д) отсутствие токсичных выделений при эксплуатации, а также бактериологического, аллергического и эндокринологического действия на людей;

е) достаточный гарантийный срок эксплуатации;

ж) возможность замены и восстановления в зависимости от условий эксплуатации;

з) наличие надлежащих защитно-декоративных качеств.

Первое из перечисленных основных требований в случае высотных зданий в силу очевидных причин становится определяющим.

В качестве наиболее близкого принимается разборная защитная конструкция и способ хранения резервуаров с огнеопасными веществами (заявка RU №2004134118, опубл. 10.05.2006).

Разборная огнезащитная конструкция для хранения резервуаров с огнеопасными веществами содержит несущий каркас, термостойкий теплоизолирующий слой и защитно-декоративную облицовку. При этом несущий каркас состоит из продольных и кольцевых элементов и замыкается тросами, соединенными с полюсными кольцами. Термостойкий теплоизолирующий слой выполнен в виде закрепленных в каркасе плоских матов, изготавливаемых по швейной технологии. Он состоит из наружных тканых слоев, на поверхности одного из которых, обращенного к огневому воздействию, нанесен слой вспучивающегося материала, и промежуточного теплостойкого слоя.

Характерной особенностью данного известного способа является то, что в конструктивной композиционной огнезащите имеется зазор между наружной защитно-декоративной облицовкой и внутренним термостойким теплоизолирующим слоем. Причем в условиях пожара этот зазор заполняется пенококсом вспучивающегося покрытия, нанесенного на поверхность термостойкого теплоизолирующего слоя. Наружная облицовка защищает пенококс, являющийся идеальным высокотемпературным теплоизолятором, от выгорания и осыпания при продолжительном огневом воздействии. Благодаря удачному сочетанию свойств отдельных слоев данной композиции удается значительно повысить ее эффективность.

Однако данная разборная огнезащитная конструкция не предназначена для использования в зданиях и сооружениях ввиду очевидной сложности изготовления и трудоемкости монтажа на объекте, приводящих к повышенной стоимости, особенно при больших площадях защищаемой поверхности, характерных для современных высотных зданий, подземных сооружений и многофункциональных комплексов.

Известно техническое решение (US 4351870 от 28.09.1982), которое раскрывает защитную панель, имеющую как декоративную, так и конструкционную функцию, которая согласно данному изобретению может быть использована для защиты высотных зданий. Данная известная огнезащитная конструкция состоит из нескольких наложенных друг на друга слоев и имеет большую амплитуду отношения предела прочности к массе за счет использования легких теплоизолирующих слоев.

Однако недостатком данного решения является недостаточный предел огнестойкости по времени вследствие того, что в нем не предусмотрена возможность использования при длительном огневом воздействии физически изменяющихся свойств материалов слоев и взаимного влияния для усиления сопротивляемости конструкции.

Таким образом, основной технической задачей предложенного изобретения, а также достигаемым техническим результатом является выполнение слоев огнезащитной конструкции с учетом возникающих при нагреве физических эффектов, приводящих к изменению состава граничащих слоев, что позволяет блокировать лучисто-конвективный тепловой поток, поступающий от пламени к поверхности защищаемого объекта.

Согласно первому варианту предложенного изобретения указанный технический результат достигается в слоистой огнезащитной конструкции на основе композиционных плит, выполненной с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта и последовательно содержащей прилегающий к указанной поверхности слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку и термостойкую защитно-декоративную плиту, при этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя и клеевой прослойке, диффундирование образующегося водяного пара во внутренний базальтоволокнистый слой и при дальнейшем прогреве испарение сконденсировавшейся на поверхности волокон влаги.

Предпочтительно в качестве клеевой прослойки использован состав на минеральной основе, например модифицированный силикатный клей Conlit Glue, выпускаемый фирмой Rockwool.

Кроме того, предпочтительно, в качестве термостойкой защитно-декоративной плиты использована термостойкая огнезащитная плита на основе цемента с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей добавкой из рубленного базальтового волокна, например плита Promatect.

Согласно второму варианту предложенного изобретения технический результат достигается в слоистой огнезащитной конструкции на основе композиционных плит, выполненной с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта с образованием воздушной прослойки и последовательно содержащей слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку из терморасширяющегося материала, обладающего свойством сажеобразования при нагреве, и термостойкую защитно-декоративную плиту, при этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило осаждение частиц углерода на поверхности волокон внутреннего слоя в результате крекинга углеводородов, входящих в состав продуктов термического разложения органической или полимерной части клеевой прослойки и образование дополнительного слоя пенококса вследствие термического разложения и вспучивания клеевой прослойки, содержащей термический расширяющийся графит.

Предпочтительно в качестве клеевой прослойки использован состав на органической (полимерной) основе, например, содержащий терморасширенный графит (ТРГ).

Кроме того, в данном варианте также может быть использована плита Promatect.

Предлагаемые варианты изобретения объединены общей идеей, заключающейся в использовании выделяемых связующим слоем при его нагреве материалов, проникающих в соседний слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, для повышения огнезащитной способности данного слоя и всей конструкции в целом.

Ниже предложенное решение раскрывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где на фиг.1 и 2а, 2б показаны схемы конструктивного исполнения указанных двух вариантов огнезащитной конструкции.

На Фиг.1 показан первый вариант выполнения предложенного изобретения, согласно которому слоистая огнезащитная конструкция на основе изготовленных в заводских условиях композиционных плит, выполненная с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта 1 (элемент строительной конструкции или инженерной коммуникации), включает прилегающий к указанной поверхности слой 2 низкоплотного дешевого базальтоволокнистого (минераловатного) материала, клеевую прослойку 3 на минеральной основе и термостойкую защитно-декоративную плиту 4. Крепление слоистой огнезащитной конструкции к защищаемому объекту осуществляется элементами механического крепления 5.

В первом варианте исполнения огнезащитной конструкции (фиг.1) при огневом воздействии на поверхность ее наружного слоя и нестационарном прогреве происходит испарение воды, содержащейся как в материале этого слоя, так и (в большем количестве) в клеевой прослойке. Водяной пар диффундирует во внутренний базальтоволокнистый слой композиционной огнезащиты и конденсируется на поверхности волокон. При дальнейшем прогреве огнезащиты сконденсировавшаяся влага испаряется. Следствием указанных физических процессов является существенное замедление прогрева композиционной огнезащиты: на кривой «температура защищаемой конструкции - время» образуется так называемая полка (участок постоянной температуры).

На Фиг.2 показан второй вариант выполнения предложенного изобретения, согласно которому слоистая огнезащитная конструкция выполнена на основе изготовленных в заводских условиях композиционных плит, при этом на Фиг.2а показана конструкция до огневого воздействия, а на Фиг.2б - после огневого воздействия.

Согласно данному варианту слоистая огнезащитная конструкция, выполненная с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта (элемент строительной конструкции или инженерной коммуникации) с образованием воздушной прослойки В и последовательно содержащая слой 2 низкоплотного дешевого базальтоволокнистого (минераловатного) материала, клеевую прослойку 3 из терморасширяющегося материала, обладающего свойством сажеобразования при нагреве, и термостойкую защитно-декоративную плиту 4. Крепление слоистой огнезащитной конструкции к защищаемому объекту также осуществляется элементами механического крепления 5.

При работе композиционной огнезащиты согласно второму варианту (см. фиг.2а) появляются следующие благоприятные физические эффекты:

- осаждение частиц углерода (сажи) на поверхности волокон внутреннего слоя в результате крекинга углеводородов, входящих в состав продуктов термического разложения органической (полимерной) части клеевой прослойки;

- образование дополнительного слоя пенококса вследствие термического разложения и вспучивания клеевой прослойки, содержащей терморасширенный графит ТРГ.

Первый из названных физических эффектов приводит к увеличению поглощательной способности внутреннего базальтоволокнистого слоя композиционной огнезащиты и, соответственно, к уменьшению его теплопроводности при повышенных температурах.

Образование слоя пенококса (второй физический эффект) сопровождается увеличением суммарной толщины огнезащитной конструкции (фиг.2б), что приводит к существенному повышению теплоизолирующей способности композиции, так как пенококс обладает достаточной термостойкостью и пониженной теплопроводностью при высоких температурах.

При этом наружный термостойкий слой композиционной огнезащиты из материала на минеральной основе предотвращает выгорание и механическое разрушение пенококса под действием турбулентных пульсаций пламени.

Следует отметить, что в случае большой продолжительности огневого воздействия (до 4-х часов) по стандартному температурному режиму поверхность огнезащитной конструкции подвергается воздействию высоких температур (до 1100°С). Это требует от материала подповерхностного слоя повышенной термостойкости. Вместе с тем, применение для наружного защитно-декоративного слоя термостойких сталей в случае объектов рассматриваемого типа в силу очевидных причин нецелесообразно.

Большинству из перечисленных выше требований удовлетворяют термостойкие огнезащитные плиты на основе специального цемента с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей добавкой из рубленного базальтового волокна, например плиты типа Promatect. Они обладают достаточной термостойкостью, т.е. сохраняют прочность и исходную форму при нагреве до температур, характерных для условий развитого пожара, устойчивы к действию атмосферы при обычной эксплуатации и обладают удовлетворительными защитно-декоративными качествами.

Однако плиты данного типа относительно дороги и имеют повышенную плотность. Кроме того, при высоких температурах их материал пропускает тепловое излучение, что является причиной повышенной его теплопроводности и приводит к необходимости неоправданного увеличения толщины огнезащиты из этих плит при большой продолжительности огневого воздействия (повышенных требованиях к огнестойкости защищаемых конструкций). Поэтому применение плит этого типа становится нецелесообразным для огнезащиты конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по огнестойкости (до 4 часов), и особенно при наличии ограничения по массе конструкций (например, в случае высотных зданий).

Получение огнезащиты минимальной массы и стоимости в этих условиях возможно при использовании слоистой композиции, наружным слоем которой являются термостойкие плиты типа Promatect, а внутренним - низкоплотные и относительно дешевые базальтоволокнистые плиты, например плиты ПНТБ, Rockwool Conlit, Paroc и т.п., обладающие при этом хорошей теплоизолирующей способностью в области температур от 20 до 700°С (при температурах, превышающих 700°С, плиты этого типа начинают испытывать значительную усадку, что резко снижает их огнезащитную способность).

Для соединения между собой плит наружного и внутреннего слоя целесообразно использовать два типа клеевых или связующих прослоек:

а) составы на минеральной основе типа модифицированного силикатного клея Conlit Glue - для первого варианта конструкции;

б) составы на органической (полимерной) основе, содержащие терморасширенный (термический расширяющийся) графит ТРГ - для второго варианта конструкции.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при правильном выборе толщины этих клеевых прослоек в процессе работы данной огнезащитной конструкции появляются дополнительные физические эффекты, повышающие ее огнезащитную способность.

Крепление композиционной огнезащиты осуществляется с помощью штатного крепежа, отработанного применительно к огнезащите плитами типа Promatect (к защищаемой конструкции прикрепляются механически плиты Promatect, a базальтоволокнистые плиты внутреннего слоя соединяются с ними клеевой прослойкой). При этом в случае композиции второго варианта ее механическое крепление к конструкции осуществляется с учетом возможности свободного проскальзывания плит внутреннего слоя по крепежным элементам в процессе вспучивания клеевой прослойки. Крепление композиционной огнезащиты к защищаемой конструкции в этом случае производится с зазором, который заполняется огнезащитным материалом в процессе работы конструкции.

Таким образом, реализация описанных физических эффектов приводит к существенному повышению огнезащитной способности композиционной огнезащиты. Расчеты показали, что при этом суммарная толщина композиционной огнезащиты получается меньше толщины однослойного огнезащитного материала, выполненного из плит типа Promatect или из базальтоволокнистых плит.

Уменьшение в составе композиционной огнезащиты толщины наружного слоя из относительно дорогого материала повышенной плотности позволяет значительно уменьшить ее стоимость и массу по сравнению с огнезащитой из плит только одного этого типа.

Важно подчеркнуть, что оптимальное соотношение между толщинами слоев предлагаемой композиционной огнезащиты определяется в результате численных расчетов с использованием математической модели, предложенной в принадлежащем заявителю патенте RU №2284202, содержание которого полностью включается сюда в качестве ссылки. Только в случае получения указанного оптимального соотношения можно удовлетворить перечисленным в начале описания требованиям к огнезащите строительных конструкций во всей их совокупности, это возможно с использованием математической модели согласно данному патенту. Раскрытый в нем способ заключается в формировании покрывающей защищаемый объект слоистой композиционной огнезащиты и определении ее оптимального состава и структуры за счет адекватного натуре математического моделирования процессов тепломассопереноса, происходящих в огнезащите и защищаемом объекте при огневом воздействии различной интенсивности и продолжительности.

Таким образом, соотношения между толщинами предложенной огнезащитной конструкции для первого варианта: δ:δ₁:δ₂ и для второго варианта: δ₁:δ₂:δ₃ могут быть получены путем оптимизационного расчета. В случае второго варианта толщина δ наружного дорогостоящего слоя Promatect предпочтительно выбирается в диапазоне 8-10 мм.

Предлагаемое конструктивное исполнение композиционной огнезащиты дает возможность организовать промышленное производство композиционных огнезащитных плит в заводских условиях. Причем средства данной огнезащиты могут изготавливаться в заводских условиях в виде плит, пригодных для удобного монтажа на защищаемых конструкциях с использованием стандартного крепежа. Это снижает трудоемкость монтажа огнезащиты на объекте по сравнению с известными решениями.

1. Слоистая огнезащитная конструкция на основе композиционных плит, выполненная с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта и последовательно содержащая прилегающий к указанной поверхности слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку и термостойкую защитно-декоративную плиту, при этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило испарение воды, содержащейся в материале наружного слоя и клеевой прослойке, диффундирование образующегося водяного пара во внутренний базальтоволокнистый слой и при дальнейшем прогреве испарение сконденсировавшейся на поверхности волокон влаги.

2. Огнезащитная конструкция по п.1, в которой в качестве клеевой прослойки использован состав на минеральной основе, например модифицированный силикатный клей Conlit Glue.

3. Огнезащитная конструкция по п.1, в которой в качестве термостойкой защитно-декоративной плиты использована термостойкая огнезащитная плита на основе цемента с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей добавкой из рубленного базальтового волокна, например плита Promatect.

4. Слоистая огнезащитная конструкция на основе композиционных плит, выполненная с возможностью закрепления на поверхности защищаемого объекта с образованием воздушной прослойки и последовательно содержащая слой низкоплотного базальтоволокнистого материала, клеевую прослойку из терморасширяющегося материала, обладающего свойством сажеобразования при нагреве, и термостойкую защитно-декоративную плиту, при этом толщины и материалы слоев конструкции выбраны из условия, чтобы при огневом воздействии или нестационарном прогреве поверхности ее наружного слоя происходило осаждение частиц углерода на поверхности волокон внутреннего слоя в результате крекинга углеводородов, входящих в состав продуктов термического разложения органической или полимерной части клеевой прослойки, и образование дополнительного слоя пенококса вследствие термического разложения и вспучивания клеевой прослойки, содержащей термический расширяющийся графит.

5. Огнезащитная конструкция по п.4, в которой в качестве клеевой прослойки использован состав на органической (полимерной) основе, например содержащий терморасширенный графит (ТРГ).

6. Огнезащитная конструкция по п.4, в которой в качестве термостойкой защитно-декоративной плиты использована термостойкая огнезащитная плита на основе цемента с наполнителем из вермикулита или перлита и упрочняющей добавкой из рубленного базальтового волокна, например плита Promatect.