В условиях современного строительства, когда в целях облегчения, удешевления конструкций, улучшения качества отделки помещений и сокращения трудозатрат на монтаж все шире используются полимерные материалы, ситуация пожароопасности зданий и сооружений будет усугубляться. Полимеры, благодаря своим положительным механическим и химическим свойствам – малой плотности, высокой прочности, низкой теплопроводности, химической стойкости и сопротивляемости истиранию, – получают все большее распространение в строительстве и дают значительный экономический и технический эффекты. Однако полимерные вещества, обладают пожароопасными свойствами, такими как горючесть, воспламеняемость, дымообразующая способность и токсичность продуктов горения [1]. Кроме того, продукты разложения полимеров являются опасными для здоровья человека.
Возрастающее число пожаров за последнее время во всем мире, приносящих большой материальный ущерб, можно в значительной степени отнести за счет увеличения доли применения полимерных материалов при строительстве зданий и сооружений [5].
Во многих европейских странах приняты специальные постановления, ограничивающие использование горючих полимерных материалов при строительстве промышленных и гражданских сооружений, однако этому в России не уделено должного внимания. Если рассматривать структуру потребления теплоизоляционных материалов в нашей стране, то на данный момент около половины приходится на каменную вату (47 % в 2014 г.), стекловата занимает 29 % рынка, экструдированный пенополистирол – 10 %, вспененный пенополистирол 14 % [2]. В ряде регионов, в том числе и в Красноярском крае, применение органической теплоизоляции значительно превышает приведенные цифры.
Цель исследования. Разработка теплоизоляции на основе неорганических материалов, способной к тому же обеспечить огнезащиту, является актуальной задачей. В условиях пожара, когда температура в зоне горения превышает 1000 °С, строительные конструкции зданий и сооружений, особенно металлические, достаточно быстро нагреваются и утрачивают свои эксплуатационные свойства. Локальная температура элементов конструкций может превысить критический предел огнестойкости, и тогда прилагаемые на них нагрузки интенсивно развивают температурные деформации и деформации ползучести, что приводит к потере несущей способности и быстрому обрушению.
Задача огнезащиты конструкций состоит в выполнении строительных норм и правил, что предопределяет создание на поверхности элементов конструкций теплоизолирующих экранов, выдерживающих высокие температуры и непосредственное действие огня.
В настоящее время существуют конструктивные методы огнезащиты (создание на поверхности элементов теплозащитных экранов) и физико-химические и технологические приемы, направленные на снижение пожарной опасности материалов [3]. При разработке огнезащиты металлических конструкций наметилась тенденция к использованию облегченных минеральных материалов и легких заполнителей – вспученного перлита и вермикулита, минерального волокна, обладающих высокими теплоизоляционными, огнезащитными свойствами, паропроницаемостью (что создает оптимальный режим для жизнедеятельности человека в помещении). Кроме того эти материалы химически нейтральны, инертны, безопасны. Инновационные методы основаны на механизированном нанесении облегченных материалов на основе легких заполнителей.
Материалы и методы исследования
В настоящем исследовании для создания составов огнезащитных покрытий (ОЗП) использовался вспученный вермикулит Татарского и Инаглинского месторождений Сибири и отход при вспучивании татарского вермикулита – циклонная пыль.
Минералогическое изучение пробы щелочных амфиболов из татарского вермикулита проводилось с использованием микроскопа МБС-10 и поляризационного микроскопа Leica DMLP. Их содержание определялось методом визуального подсчета зерен амфибола нескольких проб в иммерсионных препаратах и просматривалось с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOLJSM 7001F. Для достоверности результатов делались усредненные выборки.
Результаты исследования и их обсуждение
Определялся минеральный состав Татарского и инаглинского вспученных вермикулитов и циклонной пыли, образующейся при вспучивании татарского вермикулита. Их исследование показало, что в них присутствуют щелочные амфиболы (ленточные силикаты формулы (Х, Y)7–8 [Al,Si]8[OH, F, Cl]2O22, где Х – Na, К, Ca; Y – Al, Fe3+, Fe2+, Mg) различных разновидностей, количество которых в общей массе проб татарского вермикулита составляет от 10 % и растет с уменьшением фракции.
В исследованных пробах вермикулитов моноклинный амфибол представлен двумя разновидностями: арфведсонитом и актинолитом, входящим в группу амфиболовых асбестов. Суммарное содержание амфиболов в пересчете на вес исследованных вермикулитов составляет от 8,8 до 12,4 об.вес %, из них 0,5–0,53 об.вес % приходится на актинолит, остальное – на арфведсонит.
Концентрированные амфиболы, выделенные из концентрата вермикулита Татарского месторождения и состоящие в основном из арфведсонита ((Na2,5Ca0,5)3 (Mg, Fe2+, Fe3+, Al)5(Al0.5Si7.5)8O23(OH)2, Ca может практически отсутствовать), имеют длиннопризматические кристаллы с ромбовидным поперечным сечением темно-зеленого цвета с отчетливым синим оттенком (рис. 1, 2). Длина кристаллов 0,2–1,0 мм. При раздавливании образуются спайные пластинчатые обломки.
Выделенный с помощью оптического микроскопа актинолит – агрегаты игольчатого строения (длиной не более 5–10 мм), в пробах встречается в виде плохо образованных зеленовато-голубых шестоватых кристаллов с занозистыми краями (рис. 3, табл. 3). При раздавливании актинолит легко разрушается на иголочки и волокна.
Свойствами асбестовых минералов, определяющими их промышленную ценность, являются: длина волокна, эластичность, прочность, способность распадаться на тончайшие волокна, химическая стойкость при воздействии на них кислот и щелочей, способность выдерживать высокие температуры без существенных изменений физических свойств, сорбционная активность. По химическому составу моноклинные амфиболовые асбесты разделяются на щелочные (режикит-асбест, рибекит-асбест, крокидолит-асбест), щелочноземельные (рихтерит-асбест), кальциево-магниевые (актинолит-асбест, тремолит-асбест) и относятся к 3 классу опасности [4]. Хризотил и амфиболы имеют общие области применения в промышленности, но различаются по минеральному строению, физико-химическим свойствам и биологической агрессивности. Температурный интервал выделения кристаллизационной воды актинолит-асбеста – 930–1120 °С (600–800 – для хризотил-асбеста), температура плавления – 1190–1288 °С, твердость по шкале Мооса – 5–6. Волокно актинолит-асбеста жесткое, прочное, его размеры находятся в широком диапазоне – от нескольких мкм до нескольких мм.
а б
Рис. 1. Общий вид микроструктуры кристаллов арфведсонита
Таблица 1
Элементный состав точечных спектров кристаллов арфведсонита (рис. 1), в атомн. %
|
Spectrum |
Элементный состав, All results in atomic, %, site 10 |
|||||||
|
O |
Na |
Mg |
Al |
Si |
Ca |
Fe |
||
|
а |
Spectrum 1 |
55,97 |
5,71 |
11,83 |
22,88 |
3,61 |
||
|
Spectrum 2 |
52,94 |
6,70 |
12,32 |
24,35 |
3,70 |
|||
|
Spectrum 3 |
38,20 |
6,43 |
11,03 |
27,71 |
16,63 |
|||
|
Spectrum 4 |
45,35 |
5,64 |
8,57 |
0,53 |
17,90 |
0,60 |
21,42 |
|
|
б |
Spectrum 2 |
4,56 |
9,31 |
1,00 |
20,97 |
24,63 |
39,54 |
|
|
Spectrum 3 |
5,56 |
8,82 |
0,52 |
17,98 |
29,87 |
37,24 |
||
|
Spectrum 4 |
5,11 |
8,26 |
0,70 |
17,62 |
0,74 |
30,60 |
36,97 |
|
|
Spectrum 5 |
5,03 |
9,08 |
0,82 |
21,75 |
23,39 |
39,93 |
||
Рис. 2. Микроструктура общего вида частицы актинолита
Таблица 2
Элементный состав спектров с частицы актинолита
|
Spectrum |
Элементный состав спектров, All results in weight % |
||||||
|
К |
Na |
Mg |
Si |
Са |
Fe |
Total |
|
|
Spectrum 1 |
45,40 |
1,74 |
10,93 |
28,80 |
8,31 |
4,84 |
100,00 |
Параметры оптимальной огнезащиты определяются для каждой конкретной конструкции. Для этого осуществляется выбор ОЗП, устанавливается его толщина с учетом величины заданного предела огнестойкости, типа конструкций, состояния поверхности, температурно-влажностных условий эксплуатации, долговечности и степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции.
В зависимости от температурно-влажностных условий выбирали вид вяжущего – жидкое стекло или цемент, наполняя его тонкодисперсной вермикулитовой пылью – отходом при вспучивании вермикулита, ? имеющей в составе активные формы кремнезема и алюминия.
Для композиций, где в качестве вяжущего выбран портландцемент Красноярского цементного завода (Ц), циклонная пыль, образующаяся как отход при производстве вспученного вермикулита Татарского месторождения (ВП), выступала в качестве пуццолановой добавки. Активированную циклонную пыль вводили в количестве 10–40 %. Такая добавка повышает гидравлическую активность цементного вяжущего, что способствует сохранению целостности покрытия, повышению прочности сцепления и трещиностойкости при пожаре [5].
Благодаря упругости частиц, тонким прослойкам воздуха между слюдяными чешуйками, предлагаемые составы характеризуются низкой теплопроводностью и высокой огнестойкостью, а также нетоксичностью, отсутствием дымообразования. В силу высокой отражательной способности самих частиц вермикулита ОЗП частично может способствовать защите помещений от электромагнитного излучения, снижая его интенсивность.
Исследовались следующие композиции – Ц:ВП = 80:20, 70:30, 60:40. Отношения этой смеси к заполнителю были следующими – 1:1,5; 1:2; 1:2,5. Применяемые фракции заполнителя 2,5; 1,25; 0,63.
Таким образом, при изготовлении составов для огнезащитных покрытий в композиции содержится порядка 3,0–3,5 об.вес % актинолита, который при активации и перемешивании в присутствии воды затворения, распадаясь на отдельные иглы и волокна, может выступать в качестве высокодисперсного волокнистого элемента.
Высокодисперсные волокнистые наполнители в цементных композициях на основе вермикулита оказывают положительное влияние на процессы структурообразования. В результате взаимодействия армирующих композиционных элементов и цементной матрицы повышается прочность сцепления ОЗП с основанием (табл. 4) и затрудняется образование трещин на всех уровнях структуры, что способствует повышению долговечности и огнестойкости покрытий.
Таблица 3
Адгезионные свойства ОЗП
|
Состав и свойства |
Номер состава |
||||||||
|
3 |
2 |
1 |
|||||||
|
Расход цемента, объем, % |
80 |
80 |
80 |
70 |
70 |
70 |
60 |
60 |
60 |
|
Расход вермикулитовой пыли, объем, % |
20 |
20 |
20 |
30 |
30 |
30 |
40 |
40 |
40 |
|
Соотношение композиции к цементу |
1/1,5 |
1/2 |
1/2,5 |
1/1,5 |
1/2 |
1/2,5 |
1/1,5 |
1/2 |
1/2,5 |
|
Прочность сцепления ОЗП с металлическим основанием, МПа |
0,29 |
0,35 |
0,40 |
0,63 |
0,84 |
0,91 |
0,33 |
0,39 |
0,45 |
|
Характер отрыва раствора от основания: АТ-1 – адгезионный, АТ-2 – когезионный |
АТ-1 |
АТ-1 |
АТ-2 |
АТ-2 |
АТ-2 |
АТ-2 |
АТ-2 |
АТ-2 |
АТ-2 |
Анализируя полученные данные, представленные в табл. 3, отмечаем, что изначально показатели адгезии нарастают с увеличением в составе вермикулитовых фракций и лишь при значительном сокращении расхода цемента в ОЗП начинается падение прочности сцепления. Характер отрыва с увеличением доли вермикулита в ОЗП меняется на когезионный.
Разработанные ОЗП обладают огнезащитной эффективностью свыше 150 мин и относятся к 1 группе (табл. 4, рис. 3).
Эффективность ОЗП зависит от толщины нанесения и крупности заполнителя – вспученного вермикулита. Анализ результатов показал, что максимальная температура нагрева металла под ОЗП достигает 311 °С и далее остается постоянной независимо от времени теплового воздействия. Во всех составах ОЗП, прошедших испытание на огнезащитную эффективность, наблюдается ненарушенная целостность покрытия, прочное сцепление с металлическим основанием. В некоторых составах присутствуют незначительные волосяные трещины, что можно объяснить присутствием высокодисперсного волокнистого композиционного элемента, который затрудняет образование трещин на всех уровнях структуры и способствует повышению огнестойкости композиций.
Таблица 4
Результаты испытаний огнезащитной эффективности
|
Номер состава |
Фракция заполнителя ВВТ, мм |
Толщина покрытия, см |
Температура на поверхности металла, °С |
Время проведения испытания, мин |
|
1 |
1,25 |
0,5 |
311 |
150 |
|
2 |
1,25 |
1 |
291 |
150 |
|
3 |
1,25 |
1,5 |
253 |
150 |
|
4 |
2,5 |
1 |
286 |
150 |
|
5 |
2,5 |
1,5 |
223 |
150 |
1. До 1. После
2. До 2. После
3. До 3. После
Рис. 3. Составы 1, 2, 3 до и после испытания огнезащитной эффективности
Выводы
Разработанные составы на основе вспученного вермикулита можно применять в качестве огнезащитных покрытий и высокотемпературной теплоизоляции металлических строений промышленного назначения, а также для утепления крыш, стен, полов, потолков, воздуховодов и трубопроводов, систем отопления и водоснабжения, рефрижераторов, ангаров, гаражей.
Присутствие в составе вермикулитов в небольших количествах таких составляющих, как амфиболовые асбесты, дополнительно усиливает огнестойкость композиций на его основе. Распадаясь на отдельные иглы и волокна при активации и перемешивании в присутствии воды затворения, жесткие и прочные волокна актинолита выступают в качестве высокодисперсного волокнистого наполнителя, дополнительно армируя ОЗП и способствуя прочности сцепления его с основанием.