Исследования [36] показали, что увеличение размеров поперечного сечения элемента или толщины защитного слоя бетона арматуры приводит к незначительному увеличению огнестойкости конструкций. Кроме того, такому способу повышения огнестойкости характерно увеличение массы строительных конструкций, удорожание строительства, возникновение сложностей при проектировании супервысотных зданий и снижения преимущества тонкостенных конструкций, а в ряде случаев данный способ и вовсе является неэффективным и неприемлемым.
Способ повышения огнестойкости конструкции, при котором применяется рабочая арматура с более высокой критической температурой прогрева при пожаре, в настоящее время признан неэкономичным [44].
Огнестойкость строительных конструкций можно повысить за счет применения подвесных потолков [45], которые являются конструктивно-функцио- нальными элементами и применяются главным образом для конструкций покрытий и перекрытий со стальными балками, прогонами, структурами и фермами. Их применяют в виде облицовки из плитных, листовых, штучных изделий.
Облицовочные плитные элементы применяются со средней плотностью от 300 до 1500 кг/м3 на основе пористых искусственных заполнителей (вспученный вермикулит, перлит, керамзит), минеральной ваты, асбеста, стекловолокна, базальтового волокна и других видов наполнителей, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами [37, 46].
В Великобритании для огнезащиты строительных конструкций зданий фирма Fireguard Ply, Ltd выпускает плиты Vicuclad, изготовляемые на основе вермикулита и силикатного вяжущего. Предел огнестойкости защищенных ими конструкций составляет до 4 ч при толщине плит более 45 мм [47].
Эффективность применения подвесных потолков определяется тем, что они выполняют одновременно декоративные и акустические несколько функции, а также служат для установки воздухораспределителей, встроенных светильников и т.п. Подвесные потолки изготовляют с закрытыми и открытыми каркасами. Типовой проект подвесных потолков состоит из металлического каркаса, облицовки и крепежных элементов. Толщина экранов подвесных потолков может составлять от 40 до 100 мм, а максимальное расстояние от экранов до плоскости защищаемой поверхности конструкций от 80 до 350 мм. Подвесные потолки облицовывают защитными экранами, в качестве которых используются гипсокартонные листы, утяжеленные и облегченные перфорированные плиты с заполнением минеральной ватой и наклейкой алюминиевой фольги, минераловатные плиты плотностью 350 – 450 кг/м3 и др. [11, 35, 48].
Облицовка плитами, листами может значительно повысить стоимость конструкции и трудозатраты, что подтверждается исследованиями огнестойкости армоцементных конструкций различными теплоизоляционными материалами [17, 49]. Огнезащита железобетонных конструкций подвесными потолками нецелесообразна, так как связана с высокой трудоемкостью и стоимостью.
16
Одним из способов повышения и более полного использования огнестойкости железобетонных конструкций является защита от взрывообразного разрушения бетона при пожаре [28].
Одни мероприятия по защите от взрывообразного разрушения бетона позволяют лишь более рационально использовать огнестойкость конструкций, а другие – существенно ее повысить, например, оштукатуривание огнезащитными штукатурками посредством напыления позволяет добиться предела огнестойкости конструкции в диапазоне от 0,75 до 2,5 ч. Огнезащитные напыляемые минеральные материалы с неорганическим вяжущим, обладая высокой адгезионной способностью к поверхностям, чаще всего применяют в виде це- ментно-перлитовых, цементно-вермикулитовых, гипсо-перлитовых и гипсовермикулитовых составов. Толщина получаемого покрытия составляет от 10 до 60 мм, плотность от 240 до 400 кг/м3 в зависимости от требуемой огнестойкости защищаемой конструкции [11, 48]. Различные штукатурки на пористых заполнителях с перлитом и вермикулитом плотностью от 400 до 1000 кг/м3 обладают хорошими огнезащитными свойствами. В состав таких штукатурок могут входить вяжущие, пористые заполнители, волокнистые материалы, пластификаторы и др. [11, 35, 48]. Их эффективность повышается с уменьшением плотности, а нанесение осуществляется двумя методами: полусухим торкретированием практически любой толщины или набрызгом, при толщине одного слоя не более 15 мм [50].
Вспучивающиеся огнезащитные покрытия применяются для максимального снижения массы средства огнезащиты [51]. Механизм работы вспучивающихся покрытий [48] заключается в образовании на защищаемой поверхности слоя толщиной до 2 мм, который при одностороннем нагреве при температуре от 170 до 200 ° С многократно увеличивается в объеме (в 10 – 40 раз), образуя пористый угольный слой за счет выделяющихся при нагревании газообразных веществ. Благодаря низкой теплопроводности пористый слой предотвращает быстрый нагрев защищаемых элементов.
Вспучивающиеся покрытия представляют собой сложные композиции, состоящие из связующего, вспучивающих добавок, углеродосодержащих наполнителей – добавок стабилизаторов, пигментов и др.
Во ВНИИПО было впервые создано вспучивающееся покрытие ВПМ-2 в виде густой пасты, повышающее предел огнестойкости до 45 мин [52]. В настоящее время это покрытие устарело и не применяется.
Разработаны вспучивающиеся огнезащитные краски на водной основе или растворителях для использования внутри помещений. Наиболее эффективные из них обеспечивают повышение предела огнестойкости металлоконструкций до 45 – 60 мин, приблизительно характеризуясь при этом пятидесятикратным вспучиванием. К составам этой группы, известным в России, относятся S- 607, Протерм Стил, Uniterm-38091, FIERFLEX, PYRO-SAFE FLAMMOPLAST SP-A2 и др. Отечественными покрытиями такого типа являются ОГРАКС-В,
ОГРАКС-В-СК, ОЗК-45 и др. [35, 48, 53].
17
Известны вспучивающиеся покрытия на основе хлорсульфированного полиэтилена и терморасширяющегося графита (ОГРАКС-М, МПВО, СГК-1), отличающиеся высокой влаго- и атмосферостойкостью, прочностью сцепления с защищаемыми конструкциями и долговечностью и повышающие предел огнестойкости металлоконструкций до 30 мин [53]. Разработаны вспучивающееся огнезащитное покрытие «Экран - М» [54], содержащее в качестве связующего жидкое стекло и мочевиноформальдегидную смолу, а также вспучивающиеся покрытия на минеральных вяжущих на основе жидкого стекла (Антигор, ОСП- 1, ОЭС-МВ, ТОЗ-В1, Файрекс-400) [48]. Внедрены вспучивающиеся огнезащитные покрытия на основе вермикулита для огнезащиты строительных металлических конструкций [55]. На основе композиции «вспученный вермикулит – гидравлическое вяжущее» разработано покрытие «Вермивол» (ТУ 5767- 005-21628872-00), НППП «Техсервисвермикулит» [56].
Для обеспечения высоких пределов огнестойкости (более 30 мин) предпочтительными являются вспучивающиеся краски и покрытия на неорганической основе. Применение таких вспучивающихся покрытий обеспечивает повышение предела огнестойкости стальных конструкций до 0,75 – 1,0 ч [11, 48].
Таким образом, защита железобетонных конструкций от огневого воздействия вспучивающимися огнезащитными покрытиями на основе полимерных и минеральных вяжущих, которые получили широкое применение для огнезащиты металлических конструкций, не представляется эффективной из-за высокой стоимости и трудоемкости нанесения, недостаточной долговечности, а также из-за пористости и влажности бетона. Кроме того, вспучивающиеся покрытия не могут обеспечить повышенный предел огнестойкости железобетонных конструкций.
Наиболее эффективной мерой, повышающей огнестойкость железобетонных конструкций, является устройство или нанесение покрытий на основе теплоизоляционных материалов повышенной термостойкости. Основными компонентами таких покрытий [53] являются:
а) термостойкие заполнители:
-вермикулит вспученный и невспученный (сырье);
-перлит вспученный и невспученный (сырье);
-керамзит;
-минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые
икварцевые волокна;
б) неорганические минеральные вяжущие вещества (воздушные, гидравлические и кислотоупорные):
-жидкое стекло натриевое;
-природный двуводный гипс и природный ангидрит;
-портландцемент;
-глиноземистый цемент;
-фосфатные вяжущие (растворы фосфатов и фосфорных кислот);
18
в) органические (полимерные) связующие:
-меламиноформальдегидная смола;
-аминосмолы;
-эпоксидные смолы в смеси с аминосмолами и др.;
-латексы сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом, бутадиена со стиролом и др.;
г) специальные добавки, усиливающие огнезащитную способность композиции, повышающие технологичность огнезащитного состава, увеличивающие прочность, адгезию к защищаемой поверхности и долговечность огнезащиты.
Из перечисленных компонентов можно спроектировать различные средства огнезащиты, удовлетворяющие предъявляемым к ним требованиям. В 1978г. в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко было разработано первое отечественное огнезащитное покрытие ОФП-ММ со средней плотностью не более 300 кг/м3 на основе жидкого стекла с длинноволокнистым асбестом в качестве наполнителя, которое обеспечивало предел огнестойкости металлоконструкций внутри помещения от 0,3 до 3 ч при толщине огнезащитного слоя от 10 до 50 мм [49, 53].
Позже были созданы многочисленные модификации жидкостекольных огнезащитных составов: ОФП-10, ОПВ-180, ОФП-МВ, ОФПМ-12, Пенокс, ЭСМА и др. Обладая известными преимуществами (низкой стоимостью, доступностью и др.), жидкостекольные композиции имеют ряд существенных недостатков:
-разрушающее воздействие на глифталевые грунты из-за высокой щелочности жидкого стекла;
-чувствительность к повышенной относительной влажности воздуха, исключающая эксплуатацию покрытий вне помещений;
-появление высолов на поверхности за счет кристаллизации жидкого стекла, ухудшающее внешний вид покрытий и снижающее со временем их огнезащитную эффективность.
Составы на основе жидкого стекла за рубежом в качестве огнезащиты не используются [53]. Находят применение в строительстве огнезащитные штукатурки на основе вермикулита и перлита плотностью от 400 до1000 кг/м3. Эффективность штукатурных составов повышается с уменьшением их плотности.
Всостав штукатурок этого вида входят вяжущие, пористые заполнители, волокнистые материалы, пластификаторы и др.
К.Д. Некрасовым, М.Г. Масленниковой в НИИЖБе проводились работы по исследованию жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле с использованием в составах в качестве заполнителей керамзита, вермикулита, перлита [57 – 59]. Получением жаростойких бетонов на портландцементе с высокими физико-механическими свойствами занимались и многие другие исследователи [60 – 66]. Результаты этих исследований были использованы для создания бетонов повышенной термостойкости. При
19
изучении свойств различных составов жаростойких бетонов на основе портландцемента с различными заполнителями, быстротвердеющего портландцемента или шлакопортландцемента [27, 28, 58, 67] было установлено следующее. С маркой по прочности М 25 – М 500 бетоны имели плотность готовых изделий от 950 до 2000 кг/м3 [27, 58, 68]. В работе [69] показана эффективность применения в таких бетонах перлита, портландцемента, жидкого стекла.
Исследован и разработан бетон на основе доменных шлаков [63]. На возможность использования доменных гранулированных шлаков в бетонах указывают работы многих авторов [61, 67, 70 – 77]. Доменный гранулированный шлак характеризуется способностью к пластическим деформациям, которая начинает проявляться при температуре около 700 0С и исчезает примерно при 860 0С, при этом это свойство необратимо [78].
Результаты исследований по жаростойким и теплоизоляционным бетонам легли в основу разработки огнезащитных покрытий для строительных конструкций на основе вермикулита, перлита, асбеста и других материалов [79 – 82].
Проводились исследования огнезащитной эффективности асбестовермикулитовых покрытий на жидком стекле и портландцементе. Под воздействием высокой температуры асбесто-вермикулитовое покрытие толщиной 63 мм со средней плотностью 660 кг/м3 на портландцементе марки 500 с добавлением 10 % от массы цемента жидкого калиевого стекла обеспечивает предел огнестойкости металлических колонн до 3,5 ч, оставаясь при этом практически неповрежденным [83].
Еще одно направление – огнезащитные покрытия на основе вспученного вермикулита и перлита. На основе вспученного вермикулита и перлита разработаны огнезащитные штукатурки с добавкой волокнистых материалов (асбеста хризолитового, минеральной ваты) [84]. Минеральную вату вводят в виде гранул размером от 6 до 8 мм с насыпной плотностью не более 150 кг/м3.
Разработаны в НИИМосстрое огнезащитые покрытия на быстротвердеющем портладцементе марки БТЦ М500, перлитовом песке, вермикулите, асбесте хризотиловом и жидком стекле со средней плотностью от 650 до 700 кг/м3, прочностью на изгиб 1,0 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,14
Вт/(м·0С) [84].
Были проведены исследования по изучению огнезащитных свойств вермикулитовых растворов на пуццолановом портландцементе и жидком стекле с добавкой асбеста и пенообразователя, и экспериментально доказана высокая огнезащитная эффективность этих растворов [79, 85].
За рубежом разработаны огнезащитные составы на портландцементе, жидком стекле, гипсе, глиноземистом цементе с различными добавками, где в качестве пористых заполнителей используется вспученный вермикулит и пер-
лит [86].
20