Научный Инновационый Центр Строительства и Пожарной Безопасности

1992 - "Два подхода к рассмотрению механизма вспучивания при разработке огнезащитных вспучивающихся покрытий для металлоконструкций." (В.М. Лукинский, Т.Ю. Бибихина, С.А. Шароварников)

       Актуальность проблемы пожарной безопасности в строительстве при применении огнезащитных покрытий основывается на минимизации вероятности возникновения пожара, а если он все-таки случиться, то на предотвращение его распространения.
       В наибольшей мере проблема огнезащиты проявляется для металлических конструкций и для железобетонных конструкций с внешним армированием, которые при пожаре быстро прогреваются и теряют несущую способность в среднем через 8-15 минут.
       Новые современные методы огнезащиты металлических конструкций включают использование: теплоизоляционных штукатурок, состоящих из цемента или гипса, перлитового песка или вермикулита, жидкого стекла, огнезащитных покрытий, вспучивающихся красок, обмазок, представляющих сложные системы органических и неорганических компонентов.
       Номенклатура современных огнезащитных составов для обмазок, красок, покрытий расширяется. Однако, в большинстве своем составы огнезащитных покрытий многокомпоненны, недолговечны, нетехнологичны и содержат дефицитные составляющие. В связи с этим важное значение имеет разработка новых огнезащитных покрытий, более тонкослойных, долговечных, нетоксичных, с большей кратностью вспучивания, которая происходит за счет различных фазовых превращений.
       Целесообразность использования вспучивающихся огнезащитных покрытий состоит в том, что они тонкослойны, т.е. имеют исходную толщину покрытия около 4-15 мм. При высокотемпературном воздействии за счет различных фазовых физико-химических процессов в структуре покрытия толщина вспучивающегося слоя увеличивается до 70-93 мм, т.е. образуется «шуба» с низкой температуропроводностью, которая замедляет быстрый прогрев стальных конструкций в течение 0,75 часа и более.
       Поэтому в настоящее время перспективным направлением в разработке новых огнезащитных материалов является разработка вспучивающихся покрытий. Механизм вспучивания огнезащитных вспучивающихся покрытий до сих пор не имеет четких объяснений, так как это связано с тем, что в теплоизолирующем слое происходят различные физико-химические процессы.
       При разработке огнезащитных вспучивающихся покрытий наиболее важным показателем является максимальная толщина вспучивающегося слоя.
       Авторы предлагают два подхода по определению механизма вспучивания: математический и экспериментальный.
       С целью сокращения экспериментальных исследований принято количественное решение по зависимости изменения температуры металлического образца, защищенного вспучивающимся покрытием, от времени. Замедление темпов нагрева связано с постепенным увеличением толщины вспученного покрытия, которое сильно снижает величину теплового потока, поступающего к металлической пластине.
       Сложность количественного анализа процесса огнезащиты связана с необходимостью учета снижения теплового потока, поступающего к пластине из-за роста толщины вспучивающегося покрытия.
       Баланс тепла, поступающего к пластине, можно представить уравнением:

где q - величина теплового потока, Вm; τ - время, с; с, m - теплоемкость и масса металлической пластины,  Дж/кг·К, кг соответственно; Тх - температура пластины, К.
      Величина теплового потока снижается по мере увеличения защитного слоя - h, в соответствии с формулой Фурье. Для определения толщины слоя в каждой момент времени запишем уравнение теплового и массового баланса процесса вспучивания:

где m - удельная массовая скорость газообразования , кг*м-2*с-1; Qн - удельная теплота газообразования, Дж*кг-1; Тn, Тр - температура печи и разложения, К; h - толщина слоя, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт*м-1*К-1.
      Массовую скорость газообразования представим формулой:

где: m - масса покрытия на единице поверхности, кг*м-2; ρ - плотность,   кг*м-3; V - объем, м-3; S - площадь поверхности, равная единице, м2.
      Подставим выражение (3) в формулу (2), получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными:

где:  Т=Тп - То.
       Интегрируем уравнение (4) с учетом начального условия:
τ=0; h=hо

       Из формулы (5) получим выражение для определения толщины вспученного слоя:

где:

      Зная зависимость (6) от времени, можно решить исходное уравнение (1). Подставим выражение (6) в (1), получим уравнение:

     Разделив переменные и интегрируя дифференциальное уравнение с учетом начальных условий:

τ=0; Tx=То,
где: То - температура исходного образца, К,
получим:

      Преобразуя формулу (9) для определения зависимости металлического образца от времени:

где:

      Проведем анализ формулы (10).
      В начальный момент времени при τ =0 выражение показателя экспоненты также равны нулю, поэтому Тх=То. При длительном воздействии температуры, т.е.  τ→∞ , величина экспоненты в пределе равна нулю, поэтому Тх=Тп.
      Итак, в соответствии с полученной формулой (10) температура защищенного образца должна экспоненциально увеличиваться, стремясь к предельному значению, равному температуре печи.
      Сравнение с пробными результатами экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о правомерности предполагаемого подхода к рассмотрению механизма действия разработанного вспучивающегося покрытия.
      Одним из авторов предложена композиция ОВПФ-1 - огнезащитное вспучивающееся фосфатное покрытие.
      Подбор компонентов для этого покрытия осуществляется по схеме: вяжущее - вспучивающиеся добавки - наполнители (модификаторы свойств).
      Были отобраны три вспучивающихся добавки, отвердитель, один наполнитель (модификатор свойств). Выбор исходных компонентов в  определенных соотношениях составов позволяет сформулировать следующий механизм вспучивания: под действием температуры в интервале 80-700оС вода в двух компонентах - природных минералов - выделяется и распаривает силикат натрия, увеличивая его  пиропластические свойства. Из отходов газообразующего компонента, начиная с 80оС, выделяется газообразная составляющая, отвердитель начинает разлагаться со 106оС до 338оС. Наибольшее максимальное значение вспучивания происходит в интервале 200оС-400оС. При этом происходит параллельное протекание процессов: интенсивный переход воды в парообразное состояние и процессы газообразования, структурообразования. Таким образом, экспериментально подобранные вспучивающиеся компоненты вызывают максимальное вспучивание, а следовательно, и высокую огнезащитную способность, а отвердители и наполнители не позволяют стекать покрытию при высокотемпературном воздействии. Такой экспериментальный подход по определению механизма вспучивания подтверждается вышеизложенным математическим анализом.

Сборник научных трудов // Проблемы пожарной безопасности. - СПб.: СПбВПТШ МВД РФ, 1992. с.52-56.