Полная версия

Главная arrow БЖД

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ПОВЕДЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА

Действие высоких температур на природные каменные материалы.

Все применяемые в строительстве природные каменные материалы являются негорючими, в силу чего может сложиться представление, что выполненные из них строительные конструкции будут безукоризненно вести себя в условиях пожара. Однако это не так. Под воздействием высоких температур в каменных материалах происходят различные процессы, приводящие к снижению прочности и разрушению. Наиболее характерные из них рассмотрим на примерах поведения в условиях высоких температур трех широко применяемых в строительстве материалов [7].

Гранит. Одна из самых распространенных в земной коре горных пород, является полиминеральной: она состоит из кварца (20—40%), ортоклаза (40—70% ) и слюды (5—20%). Входящие в гранит минералы имеют различные коэффициенты температурного расширения, что приводит к возникновению при нагревании внутренних напряжений в камне и появлению дефектов его внутренней структуры. Входящий в ее состав минерал кварц Si02 при температуре 575 °С претерпевает кодификационное превращение структуры кристаллической решетки, связанное со скачкообразным увеличением объема. Этот процесс приводит к растрескиванию монолита и падению прочности камня.

Известняк. В отличие от гранита является мономинеральной породой, состоящей в основном из кальцита СаСОэ. По сравнению с полиминеральными породами и породами, содержащими кварц, в диапазоне температур до 800 °С известняк характеризуется равномерным и незначительным температурным расширением и сохраняет свою прочность. При дальнейшем повышении температуры происходит термическая диссоциация (разложение) минерала по реакции

При длительном прогреве этот процесс будет протекать с поверхности конструкции в ее глубину. Следует отметить, что образующийся на поверхности конструкции слой СаО является пористым, обладает пониженной теплопроводностью и может, таким образом, выполнять функции своего рода термоизолирующей одежды, замедляющей прогрев конструкции вглубь. В этом случае при попадании на конструкцию воды оксид кальция, который представляет собой воздушную известь, гасится, переходит в гидратную известь (пушонку) и осыпается.

В условиях пожара недопустим полив водой любых нагретых каменных конструкций, так как это всегда приводит к мгновенному их разрушению если не по причине, описанной выше, то из-за больших температурных деформаций, возникающих в результате резкого охлаждения.

Асбест. Основной характерной особенностью этой горной породы является то, что она имеет волокнистую структуру и обладает способностью расщепляться на тонкие эластичные гибкие волокна, что обусловило специфику ее применения в различных областях техники в качестве теплоизолирующего негорючего материала. Наибольшее значение из нескольких разновидностей асбеста имеет хризотил- асбест, так как его запасы превышают в несколько раз запасы всех других видов вместе взятых, а также потому, что его волокна более прочны и эластичны, чем у других видов асбеста. Минералогический состав хризотил-асбеста 3Mg02Si02-2H20. Входящая в состав асбеста химически связанная вода при температуре 400—500 °С начинает отщепляться, а при температуре 700 °С она удаляется полностью, что приводит к потере эластичности и разрушению структуры материала. Такая особенность поведения асбеста под воздействием высоких температур вызывает необходимость проверки подвергшихся воздействию пожара огнезащитных конструктивных элементов, в которых асбест применен не в виде засыпки, а в виде ткани, картона, жгутов, так как они превратятся в порошок и не смогут повторно выполнить свои функции.

Следует подчеркнуть, что все каменные материалы под воздействием высоких температур теряют свои свойства необратимо, поэтому выполненные из них конструкции (особенно несущие), хотя они и не обрушились, подлежат проверке на прочность или замене.

Поведение керамических материалов и изделий при пожаре. Поскольку все керамические материалы и изделия в процессе их получения подвергаются обжигу при высоких температурах, то вполне понятно, что повторное действие высоких температур в условиях пожара не оказывает существенного влияния на их физико-механические свойства в том случае, разумеется, если эти температуры не достигают температур размягчения (плавления) материалов. Пористые керамические материалы (кирпич глиняный обыкновенный и др.), получаемые обжигом, не доводимым до спекания, могут поддаваться воздействию умеренно высоких температур, вследствие чего возможна некоторая усадка выполненных из них конструкций. Воздействие высоких температур при пожаре на плотные керамические изделия, обжиг которых ведется при температурах около 1300 °С, практически не оказывает какого-либо вредного влияния, так как температура на пожаре не превышает температуры обжига. Красный глиняный кирпич является наилучшим материалом для устройства противопожарных стен [7].

Поведение металлов при пожаре. Одна из самых характерных особенностей всех металлов — способность размягчаться при нагревании и восстанавливать свои физико-механические свойства после охлаждения. Если бы металлы не обладали этим удивительным свойством, они бы не смогли получить такого широкого применения во всех областях техники, так как возможности холодной обработки ограниченны. Однако это достоинство металлов становится недостатком в том случае, когда тепло воздействует на выполненные из них конструкции. При пожаре металлические конструкции очень быстро прогреваются, теряют прочность, деформируются и обрушаются.

Хуже всего в условиях пожара будут вести себя арматурные стали, которые получили дополнительное упрочнение методами термической обработки или холодной протяжки (наклепа). Причина этого явления заключается в том, что дополнительную прочность стали получают за счет искажения кристаллической решетки, а под воздействием нагревания кристаллическая решетка возвращается в равновесное состояние и прибавка прочности теряется. Следует учитывать то обстоятельство, что потеря прочности имеет необратимый характер, поэтому существует опасность того, что даже если конструкция не обрушится и не деформируется, она не будет обеспечивать расчетный запас прочности.

При нагревании алюминиевых сплавов также происходит резкое снижение их физико-механических показателей. Предел прочности и предел текучести алюминиевых сплавов, используемых в строительстве, снижаются примерно в 2 раза при температуре 235—325 °С. В условиях пожара температура в объеме помещения может достичь этих значений менее чем через одну минуту, поэтому рассчитывать на существенную огнестойкость несущих конструкций из алюминиевых сплавов, очевидно, не следует [7].

Поведете материалов и изделий из минеральных расплавов в условиях высоких температур. Материалы и изделия из минеральных расплавов являются негорючими и не способствуют развитию пожара. Исключение составляют материалы, изготовленные на основе минеральных волокон с содержанием некоторого количества органического связующего, такие как теплоизоляционные минеральные

плиты, кремнеземные плиты, плиты и рулонные маты из базальтового волокна. Горючесть таких материалов зависит от количества введенного связующего. Кроме того, материалы, полученные из минеральных расплавов, могут входить в состав композиционных материалов в смеси с полимерами, например стеклопластики, ситал- лопласты. В этом случае композиционный материал может быть весьма пожароопасным, причем его пожароопасность будет определяться главным образом свойствами и количеством полимера, находящегося в композиции.

В случае, когда применяются материалы и изделия из минеральных расплавов в чистом виде, без органических примесей, поведение их в условиях пожара следует рассматривать в основном с точки зрения сохранения их рабочих функций под воздействием высоких температур.

Один из самых распространенных материалов — оконное стекло — не выдерживает при пожаре длительных тепловых нагрузок, но момент времени, в который происходит разрушение оконного стекла, невозможно предсказать заранее. Если стекло подвергается нагреву лучистым и конвективным теплом, но не подвержено прямому воздействию пламени, оно нагревается медленно и может выдерживать нагрев, не разрушаясь, довольно долго (рис. 2.11).

Сравнительные температуры пламени

Рис. 2.11. Сравнительные температуры пламени1

1 Пламя — явление, вызванное свечением раскаленной газообразной среды, содержащей диспергированные твердые вещества, в которой происходят физико-химические превращения реагентов, приводящие к свечению, тепловыделению и саморазогреву.

Разрушение стекла в световых проемах начинается почти сразу после того, как пламя начинает касаться его поверхности, и это связано с возникновением мгновенных напряжений в толще стекла, а вовсе не с температурой.

Поведение армированного стекла почти не отличается от обычного: оно разрушается вскоре после начала пожара. Однако после растрескивания стекла его отдельные куски удерживаются металлической сеткой и продолжают обеспечивать довольно эффективное препятствие притоку свежего воздуха к очагу пожара и выходу продуктов горения. Следует отметить, что разрушение стекол приводит к важному моменту в ходе развития пожара. До тех пор пока оконное остекление невредимо, развитие пожара происходит в основном за счет кислорода, находящегося в объеме помещения, и по мере его расходования интенсивность горения начинает снижаться. Вскрытие оконных проемов при разрушении стекол полностью изменяет картину газообмена в помещении. Происходит удаление продуктов горения, и обеспечивается приток свежего воздуха снаружи, в результате чего процесс горения интенсифицируется [14].

Конструкции из плиток, камней, блоков, полученных на основе минеральных расплавов, имеют значительно большую огнестойкость, чем листовое стекло, так как, даже растрескавшись, они продолжают нести нагрузку и оставаться достаточно непроницаемыми для продуктов горения. Фактический предел огнестойкости каждой отдельно взятой конструкции будет зависеть от температуры, при которой происходит растрескивание или размягчение конкретного вида материала, из которого она выполнена. Особый случай представляют собой ограждающие конструкции, выполненные из прозрачных элементов (например, стеклоблоков). Огнестойкость таких конструкций из-за растрескивания, быстрого прогрева, а также способности пропускать через свою толщу лучистый тепловой поток, невелика. Происходит это, как правило, в пределах четверти часа, т.е. задолго до полного разрушения конструкции.

Пористые материалы из минеральных расплавов сохраняют свою структуру почти до температуры плавления (для пеностекла 850 °С) и в течение продолжительного времени выполняют теплозащитные функции. Поскольку пористые материалы имеют весьма незначительный коэффициент теплопроводности, то даже в тот момент, когда сторона, обращенная к огню, будет оплавляться, более глубокие слои могут выполнять теплозащитные функции.

Характер поведения в условиях пожара теплоизоляционных материалов, изготовленных на основе волокон, полученных из минеральных расплавов, в значительной степени определяется количеством и видом связующего материала [7].

Экспериментальные исследования показали, что теплоизоляционные плиты, изготовленные из кремнеземных волокон, при воздействии на них высокой температуры растрескиваются, и поэтому применение их в качестве огнезащитной одежды для металлических конструкций нецелесообразно. В то же время плиты и рулонные маты из базальтового волокна в течение длительного времени сохраняли свою целостность, обеспечивая надежную изоляцию от огня металлических поверхностей, на которых они были укреплены.

Следует отметить, что многие материалы из минеральных расплавов по способности сопротивляться воздействию высоких температур не уступают таким традиционным строительным материалам, как природные камни или искусственные камни на основе минеральных вяжущих. Они находят широкое применение в огнезащитной технике в качестве эффективных термоизолирующих одежд [7].

Поведение силикатных материалов в условиях пожара. В условиях пожара при температуре свыше 500 °С происходит дегидратация гидросиликатов кальция, а также гидрата оксида кальция. Эти процессы приводят к разрушению структуры камня и уменьшению прочности.

При температуре 575 °С происходит модификационное превращение кварца, связанное со скачкообразным увеличением объема, что также ведет к существенному снижению прочности.

Кроме того, как показали исследования, силикатобетон при воздействии высоких температур в большей степени, чем цементный тяжелый бетон, склонен к взрывообразному разрушению [7].

Поведение древесины в условиях пожара. Реакция древесины на повышенную температуру при пожаре, объясняется ее составом: 45—60% целлюлозы, 15—35% лигнина и 15—25% гемицеллюлоз, а также пектаты кальция и магния, смолы, камеди, жиры, танины, пигменты и минеральные вещества. Сухое вещество древесины содержит ~50% углерода, -6% водорода, -44% кислорода, около 0,2% азота и не более 1% серы. Под действием потока теплоты от пламени на горящую поверхность происходит пиролиз древесных материалов (рис. 2.12). При температуре несколько выше 100 °С благодаря наличию воды в древесине протекает в основном гидролиз полисахаридов. При температуре свыше 150 °С процесс разложения ускоряется. При температуре от 270 до 350 °С выделяется большое количество С02, СО (в соотношении 2 : 1) и жидкого дистиллята, содержащего уксусную кислоту, ее гомологи и метанол. При температуре свыше 280 °С количество С02 и СО снижается, образуются водород и углеводороды. При температуре 350—500 °С разложение лигнина и экстрактивных веществ сопровождается образованием незначительного количества жидких продуктов, главным образом тяжелой смолы, С02, СО и углеводородов.

Таким образом, процесс термического разложения древесины протекает в две фазы: первая фаза распада наблюдается при нагреве до 250 °С (до температуры воспламенения) и идет с поглощением тепла, вторая — собственно процесс горения, идет с выделением тепла. Вторая фаза, в свою очередь, подразделяется на два периода: сгорание газов, образующихся при термическом разложении древесины (пламенная фаза горения), и сгорание образовавшегося древесного угля (фаза тления).

Поперечный разрез бруса древесины, подвергающийся тепловому воздействию [7]

Рис. 2.12. Поперечный разрез бруса древесины, подвергающийся тепловому воздействию [7]:

  • 7 — зона растрескивания и образования трещин; 2 — ненарушенная зона;
  • 3 — углистый слой; 4 — зона пиролиза; 5 — зона, не охваченная пиролизом; стрелками указаны возможные направления движения летучих продуктов

Пожарная опасность полимерных строительных материалов. Полимерные строительные материалы являются в большей или меньшей степени пожароопасными. Если сравнивать полимерные строительные материалы с таким традиционным горючим строительным материалом, как древесина, то окажется, что у большинства из них выше теплота сгорания, дымообразующая способность, интенсивность горения. Они воспламеняются под воздействием источника тепла малой мощности, имеют меньшие температуры воспламенения. Многие виды полимеров под воздействием огня расплавляются и растекаются горящими потоками, что в значительной степени усложняет обстановку пожара.

Еще одним существенным недостатком полимерных строительных материалов является то, что при термическом разложении и горении они выделяют токсичные продукты, способные вызывать раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, нарушение ритма дыхания и паралич его, тяжелое отравление и смерть. Так, при пиролизе полиэтилена и пропилена выделяются сложные смеси летучих продуктов, содержащие такие соединения, как формальдегид, ацетальдегид и др. При разложении фторопластов выделяются фторфосген и фторхлорфосген. Особую опасность представляют продукты разложения полиуретановых полимеров, в составе которых имеется большое количество чрезвычайно токсичного цианистого водорода. Полиуретановые полимеры нашли широкое распространение в виде пенополиуретана (поролона), применяющегося при изготовлении мягкой мебели.

Необходимо учитывать, что в начальной фазе пожара, когда полимерные строительные материалы еще не горят, а только разлагаются под воздействием высокой температуры, выделяющиеся из них продукты разложения значительно токсичнее, чем продукты горения [7].

Пожарная опасность теплоизоляционных материалов. Теплоизоляционные материалы, подлежащие сертификации в области пожарной безопасности, можно разделить на пять групп. Первая из них — пенополистиролы. Благодаря сравнительно низкой стоимости они получили широкое распространение в современном строительстве. Наряду с хорошими теплоизолирующими свойствами эта продукция обладает рядом серьезных недостатков, в числе которых недолговечность, недостаточная влагостойкость и паропроницаемость, низкая стойкость к воздействию ультрафиолетовых лучей и углеводородных жидкостей, а главное — высокая горючесть и выделение при горении токсичных веществ.

Одной из разновидностей пенополистиролов является экструдированный пенополистирол. Он имеет более упорядоченную структуру из мелких закрытых пор. Такая технология производства повышает влагостойкость материала, но не снижает его пожарную опасность, которая остается столь же высокой. Воспламенение пенополистиролов происходит при температуре от 220 до 380 °С, а самовоспламенение соответствует температуре 460—480 °С. При горении пенополистиролы выделяют большое количество тепла, а также токсичные продукты. Вне зависимости от вида все материалы данной категории относятся к группе горючести Г4.

В качестве теплоизоляции в составе штукатурных фасадных систем пенополистирол рекомендуется устанавливать с обязательным устройством противопожарных рассечек из каменной ваты — негорючего материала. Из-за высокой пожарной опасности применение материалов этой группы недопустимо в вентилируемых фасадных системах, так как они могут существенно повысить скорость распространения пламени по фасаду здания. При использовании комбинированных кровельных покрытий пенополистирол укладывается на негорючее основание из каменной ваты.

Следующий вид теплоизоляционного материала — пенополиуретан представляет собой неплавкую термореактивную пластмассу с ячеистой структурой, пустоты и поры которой заполнены газом с низкой теплопроводностью. Из-за невысокой температуры воспламенения (от 325 °С), высокой дымообразующей способности, а также токсичности продуктов горения, в число которых входит цианистый водород (синильная кислота), пенополиуретан обладает повышенной пожарной опасностью. При производстве пенополиуретана активно применяются антипирены, которые позволяют снизить воспламеняемость, но вместе с тем повышают токсичность продуктов горения. В целом использование пенополиуретана в зданиях с повышенными требованиями к пожарной безопасности сильно ограничено. При необходимости его можно заменить двухкомпонентным материалом — пенополиизоциануратом, который обладает более низкой воспламеняемостью и горючестью [7].

Резольные пенопласты, изготовленные из резольных фенолформальдегидных смол, относятся к группе трудногорючих. В виде плит средней плотности они применяются для теплоизоляции наружных ограждений, фундаментов и перегородок при температуре поверхности не выше 130 °С. Под воздействием пламени резольные пенопласты обугливаются, сохраняя в целом свою форму, и обладают малой дымообразующей способностью по сравнению с пенополистиролом. Одним из главных недостатков данной категории материалов является то, что при деструкции они выделяют набор высокотоксичных соединений, в который помимо угарного газа входят формальдегид, фенол, аммиак и другие вещества, представляющие непосредственную угрозу жизни и здоровью людей [7].

Еще один вид теплоизоляции — стекловата, для производства которой используется те же материалы, что и при изготовлении стекла, а также отходы стекольной промышленности. Стекловата обладает хорошими теплотехническими характеристиками, а температура ее плавления составляет порядка 500 °С. Однако в силу некоторых особенностей к группе НГ относится теплоизоляция плотностью менее 40 кг/м3.

В перечень теплоизоляционных материалов входит каменная вата, которая состоит из волокон, получаемых их каменной породы базальтовой группы. Каменная вата обладает высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, стойкостью к нагрузкам и различным видам воздействия и долговечностью. Материалы данной группы не выделяют вредных веществ и не оказывают негативного воздействия на окружающую среду. Каменная вата — наиболее надежный материал с точки зрения пожарной безопасности: она является негорючей и имеет класс пожарной опасности КМО. Волокна каменной ваты способны выдерживать температуру до 1000 °С, благодаря чему материал эффективно препятствует распространению пламени. Теплоизоляция из каменной ваты может применяться без ограничения в этажности и назначении здания [7].

Пожарная опасность кабельной продукции. Проблема пожарной безопасности электропроводок и кабельных линий является самой острой среди всех видов электроустановок. Наибольшее количество пожаров происходит из-за аварийных режимов в кабельных изделиях. Разветвленные кабельные коммуникации выступают не только носителями пожарной нагрузки, но и направляющими системами, по которым огонь может распространиться в зданиях и сооружениях Горение электрических кабелей сопровождается выделением значительного количества тепла, которое зависит от материала изоляции, защитных оболочек и их массы. Температура в зоне горения кабелей может достигать 1000—1200 °С. При этом наблюдается выделение значительного объема черного дыма и других газообразных продуктов, что затрудняет тушение пожара и эвакуацию людей. Кроме того, при горении полимерных материалов образуются удушающие и токсичные вещества. Оболочка кабеля может состоять из одного и более герметизирующих и армирующих слоев, в качестве этих слоев могут применяться различные материалы: ткань, бумага, пластмассы, металл, резина и т.д.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>