Теплоизоляционные материалы сэндвич-панелей и пожарно-технические характеристики быстровозводимых зданий

25-26 мая 2015 г., в Москве, состоялся международный конгресс — СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ 2015. Мероприятие стало знаковым событием отрасли изоляционных материалов и технологий, так как собрало ведущих ученых, практиков и экспертов рынка строительных изоляционных материалов.

Компания ООО «Международный противопожарный центр» выступила в качестве участника данного мероприятия с докладом, подготовленным совместно с ЗАО «АРИАДА» и ЗАО «Торговый дом «АРИАДА».

На этой странице мы публикуем данный доклад. Использование материалов доклада (текста и рисунков) без письменного разрешения ООО «МПЦ» и ЗАО «АРИАДА» и без ссылки на источник запрещено.

Ранее мы сообщали о том, что при активном участии Международного противопожарного центра был разработан новый ГОСТ 56076-2014 «Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность», за что компания была награждена соответствующим отзывом от ВНИИПО МЧС России. Представленный ниже доклад основан на новой научно-исследовательской работе, выполненной ООО «МПЦ» с применением подходов нового ГОСТа.

Тема доклада:

«Теплоизоляционные материалы сэндвич-панелей и пожарно-технические характеристики быстровозводимых зданий»

Авторы доклада:

ООО «Международный противопожарный центр»:
Мельников Владимир Семенович
Кириллов Сергей Владимирович
Потемкин Сергей Александрович

ЗАО «АРИАДА»:
Васильев Виктор Григорьевич
Ванин Сергей Александрович

Тезисы доклада:

С 1 января 2015 года введён в действие новый ГОСТ Р 56076-2014 «Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность».

Методики предлагаемого нормативного документа позволили провести сравнительные испытания разного масштаба. Лабораторные испытания (на печах) и натурные огневые испытания выявили не только различия, но и подобие многих реакций на огневое воздействие, как фрагментов зданий, так и строительных конструкций с теплоизоляционными материалами из групп горючести Г1 (минеральная вата) и Г3 (пенополиизоцианурат — ПИР).

В соответствии с Таблицами 21, 22 Федерального Закона №123-ФЗ «Технического регламента о требованиях пожарной безопасности» для испытанных фрагментов из сэндвич-панелей следует установить II степень огнестойкости независимо от горючести теплоизоляционного материала. Класс конструктивной пожарной опасности — С1, если применяется минеральная вата, и С2 – для ПИР. Однако оценка соответствия показывает также, что некоторые конструктивные решения обеспечивают реакцию на огневое воздействие этих объектов, как у зданий класса конструктивной пожарной опасности С0. То есть имеется существенный потенциал для расширения применения сэндвич-панелей.

Сочетание физического и математического моделирования обеспечивает достоверность прогноза динамики опасных факторов, рисков и последствий пожаров. В связи с этим показана возможность адекватного математического моделирования, что позволит пользоваться расчётным методом при проектировании ограждающих конструкций из сэндвич-панелей, прошедших огневые испытания, и существенно сократить расходы на подтверждение соответствия требованиям пожарной безопасности.

Многие производители заинтересованы в производстве и реализации инновационных продуктов с улучшенными характеристиками, однако, оценивая финансовые вложения в разработку и подтверждение соответствия, а также риск получения отрицательного результата, отказываются от работ. Для снижения издержек путь новой продукции может быть проложен через планирование экспериментов с целью улучшения пожарно-технических характеристик при оптимизации себестоимости. Некоторые полученные таким образом новые органические теплоизоляционные материалы уже в настоящее время прошли сертификацию серийного выпуска в ФГБУ ВНИИПО МЧС России и отнесены к группе горючести Г1.

Дальнейшие улучшения сегодня реализуются путём сравнительных испытаний на пожарную опасность и огнестойкость строительных конструкций из сэндвич-панелей с теплоизоляционными материалами уже из одной группы горючести (Г1): минеральной ваты и модифицированных ПИР.

Содержание доклада:

Минеральная вата и пенополиизоцианурат – два конкурирующих материала. В Европе органика при производстве сэндвич-панелей победила. Отечественные производители также стремятся к уровню соответствующему потребностям строительной отрасли. Новый стандарт (ГОСТ Р 56076-2014) как раз создавался для объективной оценки безопасности увеличения доли рассматриваемой продукции.

Потенциальную опасность применения разных материалов рассмотрим на простом примере строительства склада. Пусть его параметры полностью соответствуют требованиям пожарной безопасности. Такое здание без нарушений можно построить с ограждающими конструкциями из сэндвич-панелей с минеральной ватой (вариант 1) или с пенополиизоциануратом (вариант 2).

Теперь мы теоретически допустим пожар, при котором оба варианта зданий (из ПИР и минеральной ваты) полностью сгорели. Оказывается, что последствия пожара для ПИР и Минваты отличаются незначительно, поскольку наибольшая часть продуктов горения образуется за счёт функциональной пожарной нагрузки, т.е. товаров, материалов, оборудования, которые хранятся в складе.

Тем не менее, технический регламент (ФЗ №123-ФЗ) устанавливает требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций. Они не должны стать причиной нарастания опасных факторов пожара и распространения пожара. Важно, что оценка соответствия проводится в формах исследований и испытаний.

Перейдём к испытаниям. В первую очередь для сравнения конкурентов обычно используют испытание на горючесть. Здесь показаны результаты огневого воздействия на образцы минеральной ваты (слева) и качественной модификации пенополиизоцианурата (ПИР) (справа). Сегодня можно считать доказанным факт, что оба продукта могут относиться к одной группе горючести — Г1.

Однако, это не гарантирует одинаковых пожарно-технических показателей строительных конструкций. Оказывается, что пожарная опасность стен и покрытий при одинаковой горючести теплоизоляционного материала может отличаться. В этом примере (на рисунке ниже) стена с минеральной ватой имеет класс пожарной опасности К1, а с органикой — К2, хотя оба материала взяты из группы горючести Г1.

Такое поведение объясняется отличием процессов горения. Если для теплофизика (с точки зрения теплофизики) минеральная вата всегда является теплоизоляционным материалом, который не может быть сухим, то для пожарного (с точки зрения пожарной безопасности) минеральная вата является хорошим «карбюратором», т.к. в ней по всему объёму содержится достаточно кислорода (воздуха), способствующего горению органических связующих веществ и праймера на поверхности.

При существенном огневом воздействии наблюдаются повреждения не только связующих веществ, но и самого минерального волокна. На приведённой фотографии (ниже) видно, что в результате испытания толщина минерального волокна уменьшилась со 100 до 50 мм.

До испытаний в минеральной вате связующие вещества распределены между волокнами, они также висят на волокнах в виде застывших капель. При огневом воздействии происходит выгорание: сначала на поверхности, а затем обугливание происходит по всей толщине. Ещё быстрее горит праймер, который сосредоточен у поверхности. Наблюдается главный признак горения — обугливание теплоизоляционного материала. Вот как это выглядит под микроскопом.

Механизмы горения пенополиизоцианурата (ПИР) более разнообразны (они насчитывают более 20 вариантов физико-механического и физико-химического реагирования на огневое воздействие). Например, при огневом воздействии возможна усадка материала, вспучивание и растрескивание.

Очень важно отметить, что горение ПИР-изоляции всегда протекает при недостатке кислорода, это происходит благодаря газонепроницаемой структуре самого пенопласта, а также из-за обшивок, если рассматривается горение в составе сэндвич-панелей. Недостаток кислорода в значительной степени и спасает от горения теплоизоляционный материал ПИР.

Ещё раз возвращаясь к испытаниям на пожарную опасность, отметим, что эти экспериментальные данные показывают отсутствие прямой корреляции между горючестью теплоизоляционного материала и классом пожарной опасности строительной конструкции, в которой он используется.

На рисунке ниже — образец покрытия, которое имеет класс пожарной опасности — К1 при горючести теплоизоляционного материала — Г2. Этот пример доказывает, что показатель пожарной опасности можно улучшить не за счёт горючести, а за счёт изменения физико-механического и физико-химического механизмов реакции на огневое воздействие.

Теперь перейдём к методам испытаний.

По известному всем стандарту ГОСТ 30403-2012 класс пожарной опасности определялся как размерами повреждений образцов, так и пожарно-техническими характеристиками материалов. Кроме того, без испытаний допускалось устанавливать класс пожарной опасности К0, если материалы конструкции негорючие.

Однако экспериментально установлены следующие особенности строительных конструкций из сэндвич-панелей:

• все применяемые теплоизоляционные материалы, включая материалы на основе минеральной ваты, являются горючими;
• отсутствует корреляция между горючестью теплоизоляционного материала и классом пожарной опасности строительной конструкции.

Новый стандарт ГОСТ Р 56076-2014 полностью учитывает указанные выше факты. Поэтому теперь все конструкции надлежит испытывать (если мы хотим получить классы пожарной опасности выше К3) и учитывать свойства повреждаемых материалов только по их реакции на огневое воздействие в составе конструкций.

Инновация стандарта ГОСТ Р 56076-2014 заключается в существенном усилении средств объективного контроля. Впервые в практике отечественных испытаний на огнестойкость и пожарную опасность появилась запись термограмм. Установлены требования к термографам (тепловизорам) и видеорегистраторам.

Пример на рисунке ниже показывает момент записи термограмм и видеоряда при натурном испытании. Цветные термограммы позволяют анализировать течение тепломассообменных процессов и получать зависимости температур от времени для любой наблюдаемой точки. Они хранятся в цифровом виде и в любое время могут быть использованы для анализа и в качестве доказательства проведения испытаний.

Применение методов нового стандарта рассмотрим в самом простом случае: точечного огневого воздействия паяльной лампой на стык стены из сэндвич-панелей. Первое средство объективного контроля дает нам видеоряд изменений во времени. Удобный метод сравнения показывает очень похожие результаты для Минеральной ваты и ПИР.

Второе средство объективного контроля – термограф, направленный на необогреваемую сторону, выявляет различные механизмы горения и теплопередачи. Заметно то, что в минеральной вате зона прогрева значительно больше и смещена вверх из-за газопроницаемости волокон.

Вскрытие и обследование конструкций (по новому стандарту) традиционно нацелены на определение размеров повреждений. Как видно, для минеральной ваты, в случае точечного источника, повреждения оказались больше, чем для пенополиизоцианурата.

Теперь посмотрим, как можно использовать ГОСТ Р 56076-2014 при разработке новой продукции. Для сэндвич-панелей тут рекомендуется начинать с испытаний на пожарную опасность. В сочетании с термографией за 5-8 спланированных экспериментов по подбору материалов, технологии и параметров конструкции выходим на требуемый класс пожарной опасности. Очень важно то, что одновременно можно оценивать огнестойкость, так как температурный режим в огневой камере печи совпадает с температурным режимом при испытании на огнестойкость.

Выбор в качестве функции цели огнестойкости также позволяет за 5-8 спланированных экспериментов подобрать материалы, технологию и параметры конструкции панелей. Ниже на рисунке показан пример сочетания испытаний на огнестойкость с термографией для перекрытия.

Косвенно использование нового стандарта позволяет сделать более рациональным алгоритм разработки новых теплоизоляционных материалов. Результаты этих испытаний теперь не надо учитывать при определении пожарной опасности конструкций. Рекомендуется в качестве основных выбирать сочетание испытаний на горючесть и санитарно-химических исследований. Последние обязательно проводить при температуре экспозиции, равной температуре эксплуатации на кровлях и стенах зданий.

Средства объективного контроля дают информацию, которую удобно использовать при сравнении натурных огневых испытаний. Например, сравнение видеоряда горения локального модельного очага показывает, что модель с теплоизоляционным материалом из группы горючести Г3 ничем не хуже реагирует на огневое воздействие относительно модели с минераловатным утеплителем (Г1). После завершения испытаний самостоятельное горение ПИР-панелей отсутствовало. Также не было распространения горения внутри этих панелей.

Испытания в условиях объёмного пожара показали, что предел огнестойкости по несущей способности у ПИР-панелей выше!

Испытания моделей, состоящих из двухэтажной огневой секции и приставного модуля показали, что распространения горение от очага пожара по строительным конструкциям из ПИР-панелей не происходит.

Термограммы натурных испытаний позволяют выявить момент потери целостности ограждающих конструкций. Оказалось, что для двухмерных и трёхмерных стыков они практически одинаковые для ПИР-панелей и панелей с минеральной ватой.

Вскрытие конструкций также показало, что пенополиизоцианурат не распространяет горение за пределы огневой зоны (зоны прямого огневого воздействия).

Результаты испытаний трёхмерных моделей были использованы при настройке математических моделей. В приведённом примере ниже показаны расчётные тепловые поля для двухэтажной огневой секции.

Результаты расчёта удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными. Во-первых, теперь при подготовке новых испытаний трёхмерных моделей можно рекомендовать проведение предварительного расчёта тепломассообменных процессов, это существенно оптимизирует испытания и снизит расходы на их проведение. Во-вторых, важно, что адекватные математические модели, настроенные с учётом экспериментальных данных, можно использовать при рассмотрении сценариев возможных пожаров реальных объектов.

Выводы:

ГОСТ Р 56076-2014 «Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность»

1. Позволяет использовать пожарно-технические показатели строительных материалов и строительных конструкций, как независимые функции цели при разработке новой продукции.
2. Вводит средства объективного контроля в лабораторные и натурные методы испытаний на пожарную опасность и огнестойкость.
3. Устанавливает методы стандартных испытаний трёхмерных строительных конструкций с целью оценки пожарной опасности и пределов огнестойкости, в том числе, узлов крепления и сочленения, а также с целью получения информации для настройки адекватных математических моделей.
4. Соответствует принципу добровольного применения, обеспечивает соблюдение подходов к обеспечению безопасности на альтернативной основе, способствует разработке и использованию новых технологий материалов и конструкций.

Строительные конструкции из сэндвич-панелей с представленными модификациями пенополиизоцианурата

1. Не являются причиной распространения горения, как открытого, так и скрытого.
2. По ограничивающему показателю применения (пределу огнестойкости стыков) практически совпадают с конкурирующими конструкциями из панелей с минеральной ватой.

Все замечания, пожелания и предложения просим направлять на info@firecenter.ru.