Исследование эффективности огнезащитных покрытий для пенополистирола

Автор: Палатинская Ирина Петровна, Боровик Светлана Ивановна, Синтяева Виктория Андреевна, Редькина Надежда Евгеньевна, Дементьева Елена Сергеевна

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура @vestnik-susu-building

Рубрика: Строительные материалы и изделия

Статья в выпуске: 4 т.17, 2017 года.

Бесплатный доступ

Пенополистирол - теплоизоляционный полимерный материал, пользующийся широкой популярностью в строительстве малоэтажных зданий эконом-класса (дачные и садовые дома, павильоны, бытовки и т. п.). Но недостатком пенополистирола (ППС) является его высокая пожароопасность. Ранее проведенные исследования показали, что ППС является легковоспламеняемым и горючим строительным материалом. Поэтому разработка огнезащитных покрытий, обеспечивающих снижение горючести пенополистирола, сохранение его теплоизоляционных свойств и не повышающих существенно стоимость материала, остается актуальной проблемой. Как один из способов снижения горючести в работе рассмотрен метод поверхностного нанесения огнезащитных покрытий, который является наиболее дешевым и доступным. В работе исследуются негорючие стойкие к горению покрытия для ППС. В результате экспериментов были отобраны наиболее эффективные огнезащитные составы.

Еще

Пенополистирол, огнезащитные составы, негорючие добавки, эффективность покрытий, степень сцепления с поверхностью, огневые испытания, степень выгорания, плавление ппс

Короткий адрес: https://sciup.org/147154507

IDR: 147154507 | DOI: 10.14529/build170407

Текст научной статьи Исследование эффективности огнезащитных покрытий для пенополистирола

Строительная отрасль с каждым годом развивается, внедряя новые технологии и изменяя требования к строительным материалам. В последнее время возрастают требования к повышению комфортного микроклимата зданий и сооружений с помощью энергоэффективных пенополистирольных теплозащитных ограждающих покрытий.

Широкое распространение пенополистирольных плит обуславливается сочетанием прочностных и теплоизоляционных свойств, низким водо-поглощением, легкостью в обработке и переработке, отсутствием угрозы пыления [1]. Конструкции с применением ППС имеют в несколько раз меньшую массу, что позволяет снизить расход на основные несущие элементы (колонны, балки, фермы и т. д.) и уменьшить общую стоимость строительства. Кроме того, использование плит дает возможность сократить энергозатратность строительства малоэтажных зданий [2]. Но в ходе эксплуатации данного материала выявлены ограничения по применению из-за его высокой пожароопасности, высокого дымообразования и токсичности. Полимерные утеплители из пенополистирольных плит имеют низкую температуру воспламенения и высокую скорость распространения пламени. При пожаре плиты плавятся, высокотемпературный плав растекается, что приводит к возникновению новых очагов горения [3, 4]. Поэтому остаются актуальными исследования по снижению пожароопасности пенополистирола с учетом сохранения его высоких теплофизических свойств.

Данная работа посвящена изучению возможности применения доступных огнезащитных композиций для ППС, повышающих его огнестойкость, сохраняющих теплофизические свойства и не существенно влияющих на стоимость материала.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Пожаровзрывобезопасность» кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ЮУрГУ на образцах беспрессового самозатухаю-щего пенополистирола плотностью 20 кг/м3 и 28 кг/м3 как одного из самых широко используемых теплоизоляционных материалов. Для испытаний использовали образцы в соответствии с ГОСТ 15588-2014 [5].

Образцы обрабатывались огнезащитными покрытиями поверхностным методом нанесения покрытий (как наиболее дешевый и технологичный способ огнезащиты) с помощью малярной кисти или окунанием образца в подготовленные растворы.

По результатам патентного поиска [6] за период с 1978 по 2015 годы установлено, что наиболее эффективными являются неорганические огнезащитные средства. Поэтому первоначально в качестве базовых огнезащитных веществ были выбраны жидкое стекло, ортофосфорная кислота, натрий кремнефтористый. На основании проведенных ранее экспериментальных исследований [7–10] по отбору огнезащитных покрытий был выбран лучший состав – водный раствор жидкого стекла. Дополнительно было предложено исследовать составы на основе водных растворов негорючих дешевых и доступных материалов – жаропрочного и плиточного высокопрочного клея (рис. 1).

Базовые вещества обладают следующими характеристиками.

Жидкое стекло – вещество неорганического происхождения, используют как связующий ком- понент для изготовления жаропрочных, химически стойких материалов, а также для склеивания и связки строительных материалов. В ходе экспериментальных исследований [7–10] было установлено, что водный раствор жидкого стекла создает на поверхности ППС негорючую пленку, которая ограничивает доступ кислорода, а также понижает горючесть защищаемого образца.

Клей жаростойкий «Гарантсервис». Состав – глина, порошок шамотный, пластификатор, цемент, минеральные и модифицированные добавки. Клеевая смесь обладает высокой силой сцепления с поверхностью и пластичностью. Не стекает с поверхности. Имеет высокую стойкость к воздействию влаги и повышенных температур.

Клей плиточный высокопрочный «Гарант» – полимерный композит из цемента, мрамора, песка, минеральных полимерных добавок, обеспечивающих высокую прочность, водостойкость, адгезию.

Экспериментальные исследования проводились по следующим этапам.

1. Подготовка огнезащитных составов. Были подготовлены три водных состава: на основе жидкого стекла (№ 1), жаропрочного клея (№ 2) и плиточного высокопрочного клея (№ 3). Составы смешивались в соотношении 50 % воды и 50 % основного вещества.
2. Нанесение на поверхность образцов ППС плотностью 20 кг/м³ и 28 кг/м³ подготовленных составов и композиций.
3. Сушка образцов при комнатной температуре (21 °C) в течение суток.
4. Визуальная оценка адгезионных свойств покрытий (качество прилипания покрытия) – степени сцепления с поверхностью ППС.
5. Огневое испытание образцов на пламени

а)

б)

в)
6. Оценка результатов огневых испытаний: визуальная оценка устойчивости покрытия при
7. Анализ полученных результатов.

Для замедления скорости распространения пламени по поверхности образца ППС в основные составы дополнительно вводились добавки негорючих веществ, представленные в табл. 1.

Рис. 1. Огнезащитные вещества: а) жидкое стекло; б) жаропрочный клей; в) плиточный клей

Негорючие вещества, используемые в качестве добавки

Таблица 1

Наименование Применение в строительстве Состав 1. Шпаклевка финишная белая полимерная «Ве-тонит» Финишное выравнивание стен и потолков, пластичная и белая, идеальное сведение слоев Известняк, полимерный клей 2. Пескобетон М200 Универсальный недорогой материал, используется в строительных и монтажных работах – изготовление фундаментов, стяжка для пола, и т. д. Мелкозернистый плотный заполнитель – кварцевый песок и портландцемент 3. Смесь кладочная глино-шамотная жаростойкая «Терракот» Экологически чистая, высокопластичная смесь для кладки кирпичей в топочных и иных горячих зонах нагреваемых объектов. Обладает высокой силой сцепления (адгезией) с поверхностью Глина каолиновая высшей очистки, шамот каолиновый, песок 4. Смесь штукатурная высокопрочная жаростойкая «Терракот» Экологически чистая, высокопластичная смесь; обладает высокой силой сцепления (адгезией) с поверхностью Глина каолиновая, пыль шамотная каолиновая, связующее жаростойкое 5. Огнеупорная кладочная смесь Стойкая к высоким температурам до 1600 ºС и выше, используется как раствор для кладочных работ Порошок огнеупорной глины, песок для строительных работ, песок формовочный 6.Побелка садовая «Гарантсервис» Негорючий порошок, для побелки стволов садовых деревьев от вредителей и солнечных ожогов Известь, медный купорос 7.Финишная шпатлевка латексная «Лакра» На основе водной дисперсии акрилового сополимера (латекса), имеет высокую адгезию к основанию и малую усадку Дисперсия акрилового, микромрамор, пластификатор, функциональные добавки 8. Глина для лепки Экологичный продукт, безопасный, не содержит химических добавок Кембрийская глина Чекаловского месторождения Ленинградской области. 9. Глина каолиновая Высокая огнеупорность, низкая пластичность и связующая способность. Используют для производства шамота, огнеупорного кирпича, и т. д. Глина с каолинового карьера недалеко от г. Кыштым Челябинской обл. спиртовой горелки по ГОСТ 15588-2014 [5]: высота пламени горелки от конца фитиля около 50 мм и расстояние от образца до фитиля горелки около 10 мм; время горения 10 с (по ГОСТ 30244-94 [11] требуется 4 с).

огневом испытании, оценка степени выгорания и наличия плавления у образцов ППС.

Визуальная оценка сцепления покрытия с поверхностью образца после сушки показала (рис. 2, табл. 2), что покрытия № 1(2), № 2 (2, 3, 4, 10) и № 3 (2, 3, 4, 10) отслаивались и осыпались с по-

а)

б)

в)

Рис. 2. Обработанные образцы ППС после сушки: а – покрытие на основе жидкого стекла; б – покрытие на основе жаропрочного клея; в – покрытие на основе высокопрочного плиточного клея

Оценка эффективности огнезащитных покрытий для ППС

Таблица 2

Добавки	Жидкое стекло + H₂O + добавка		Клей жаропрочный + H₂O+добавка		Клей плиточный + H₂O + добавка
Добавки	20 кг/м³	28 кг/м³	20 кг/м³	28 кг/м³	20 кг/м³	28 кг/м³
1	2		3		4
1.Vetonit	25 %+25 %+50 %		35 %+35 %+30 %		40 %+40 %+20 %
Степень сцепления	высокая		высокая		высокая
Степень выгорания, %	5	5	55	35	25	25
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет
2. Пескобетон М200	30 %+30 %+40 %		45 %+45 %+10 %		45 %+45 %+10 %
Результат сушки	низкая		низкая		низкая
Степень выгорания, %	15	10	40	20	75	80
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет
3. Смесь кладочная «Терракот»	30 %+30 %+40 %		35 %+35 %+30 %		40 %+40 %+20 %
Степень сцепления	высокая		низкая		низкая
Степень выгорания, %	2	25	30	60	50	55
Плавление	нет	нет	нет	да	нет	нет
4. Смесь штукатурная «Терракот»	30 %+30 %+40 %		40 %+40%+20 %		45 %+45 %+10 %
Степень сцепления	высокая		низкая		низкая
Степень выгорания	5	12	15	30	55	50
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет
5. Смесь огнеупорная	35 %+35 %+30 %		40 %+40 %+20 %		40 %+40 %+20 %
Степень сцепления	высокая		высокая		высокая
Степень выгорания, %	5	5	80	55	40	40
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет
6. Побелка садовая	30 %+30 %+40 %		40 %+40 %+20 %		45 %+45 %+10 %
Степень сцепления, %	высокая		высокая		высокая
Степень выгорания	12	10	60	65	55	55
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет
7. Шпатлевка «Лакра»	30 %+30 %+40 %		35 %+35 %+30 %		40 %+40 %+20 %
Степень сцепления	высокая		высокая		высокая
Степень выгорания, %	5	5	40	10	65	5
Плавление	нет	нет	нет	нет	да	нет
8. Глина для лепки	35 %+35 %+30 %		40 %+40 %+20 %		45 %+45 %+10 %
Степень сцепления	высокая		высокая		высокая
Степень выгорания, %	10	2	20	20	5	5
Плавление	нет	нет	нет	нет	нет	нет

Окончание табл. 2

1 2 3 4 9. Глина каолиновая 35 %+35 %+30 % 40 %+40 %+20 % 35 %+35 %+30 % Степень сцепления высокая высокая высокая Степень выгорания, % 2 5 15 10 10 10 Плавление нет нет нет нет нет нет 10. Без добавок 50 %+50 % 50 %+50 % 50 %+50 % Степень сцепления высокая высокая высокая Степень выгорания, % 20 12 35 35 15 15 Плавление нет нет да нет нет нет верхности пенополистирола при прикосновении. Остальные покрытия характеризовались прочной силой сцепления, т. е. обладали высокой адгезией к поверхности материала.

При огневых испытаниях образцов ППС (рис. 3), покрытых составами на основе водных растворов жаропрочного и плиточного клея, наблюдалось отслоение и осыпание покрытия практически на всех образцах. На основании этого был сделан вывод, что составы № 2, 3 не эффективны в качестве огнезащитных.

Результаты огневых испытаний образцов огнезащитных составов был применен показатель степени выгорания образцов σ, % (в сравнении с первоначальной площадью образца), для качественной оценки – визуальное наблюдение за плавлением образцов при огневом испытании [7–9]. Результаты оценок представлены в табл. 2.

Из анализа полученных результатов огневых испытаний установлено, что низкая степень выгорания и отсутствие плавления отмечено у образцов, покрытых композициями на основе состава № 1, рис. 4, табл. 2.

Покрытия на основе составов № 2 и № 3, в

Рис. 3. Сжигание образцов ППС плотностью 28 кг/м3 на открытом пламени спиртовки с добавкой 5: а – водного раствора жидкого стекла; б – водного раствора жаропрочного клея; в – водного раствора плиточного клея

Рис. 4. Обработанные образцы ППС после сжигания: а – покрытие на основе состава № 1;

б – покрытие на основе состава № 2; в – покрытие на основе состава № 3

решено изменить основные составы № 2 и № 3, путем добавления в них жидкого стекла, табл. 3.

Результаты сушки образцов ППС разной плотности, покрытых измененными составами (табл. 3), представлены на рис. 5.

После сушки у покрытий на основе водного раствора жаропрочного клея и жидкого стекла с добавками 2, 4 и 8 и водного раствора плиточно- го клея и жидкого стекла с добавкой 2 отмечена низкая адгезия покрытия к поверхности материала.

Однако, несмотря на низкую адгезию покрытий, степень выгорания образцов снизилась (рис. 6, табл. 4). Также при сжигании отмечено отсутствие воспламеняемости и плавления пенополистирола.

Таблица 3

Добавки	Клей жаропрочный	Клей плиточный
Добавки	+ Жидкое стекло + H₂O + добавка
1.Vetonit	20 % + 20 % + 5 % + 55 %	20 % + 20 % + 5 % + 55 %
2. Пескобетон М200	35 % + 35 % + 5 % + 25 %	30 % + 35 % + 10 % + 25 %
3. Смесь кладочная «Терракот»	20 % + 20 % + 5 % + 55 %	20 % + 20 % + 5 % + 55 %
4. Смесь штукатурная «Терракот»	30 % + 30 % + 5 % + 35 %	30 % + 35 % + 10 % + 35 %
5. Смесь огнеупорная	20 % + 20 % + 5 % + 55 %	20 % + 20 % + 5 % +55 %
6. Побелка садовая	30 % + 30 % + 5 % + 35 %	30 % + 30 % + 5 % + 35 %
7. Шпатлевка «Лакра»	25 % + 25 % + 5 % + 45 %	30 % + 30 % + 5 % + 35 %
8. Глина для лепки	35 % + 35 % + 5 % + 25 %	30 % + 35 % + 10 % + 25 %
9. Глина каолиновая	30 % + 30 % + 5 % + 35 %	30 % + 35 % + 10 % + 25 %
10. Без добавок	45 % + 45 % + 10 %	40 % + 45 % + 15 %

Составы водных растворов № 2 и № 3 с добавлением жидкого стекла

№2 № 3

а) б)

Рис. 5. Образцы ППС после сушки: а – на основе жаропрочного клея с добавлением жидкого стекла; б – на основе высокопрочного плиточного клея с добавлением жидкого стекла

Рис. 6. Обработанные образцы ППС после сжигания: а – покрытие на основе жаропрочного клея; б – на основе высокопрочного плиточного клея

Таблица 4

Степень выгорания образцов ППС, покрытых составами на основе водных растворов № 2 и № 3 с добавлением жидкого стекла

Добавки	Степень выгорания σ, %
	Клей жаропрочный		Клей плиточный
	+ Жидкое стекло + H₂O + добавка
	20 кг/м³	28 кг/м³	20 кг/м³	28 кг/м³
1.Vetonit	35	25	5	5
2. Пескобетон М200	25	25	10	10
3. Смесь кладочная «Терракот»	30	30	15	10
4. Смесь штукатурная «Терракот»	30	25	10	10
5. Смесь огнеупорная	20	10	5	5
6. Побелка садовая	20	25	5	5
7. Шпатлевка «Лакра»	10	5	10	5
8. Глина для лепки	15	15	10	10
9. Глина каолиновая	10	10	15	10
10. Без добавок	20	20	15	10

Заключение

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить наиболее эффективные огнезащитные составы независимо от плотности пенополистирола, обеспечивающие устойчивость покрытия при огневом испытании (высокую степень сцепления покрытия с поверхностью материала), низкую степень выгорания и отсутствие плавления.

Высокие огнезащитные свойства показал водный раствор на основе жидкого стекла. Использование дополнительно негорючих добавок, таких как Vetonit, смесь огнеупорная, шпатлевка «Лакра», глина каолиновая, усиливает огнезащиту ППС.

Покрытия на основе водных растворов жаропрочного клея и плиточного высокопрочного клея без добавления жидкого стекла оказались не эффективны, а с добавлением жидкого стекла – сопоставимы с результатами покрытий на основе водного раствора жидкого стекла.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для разработки рекомендаций по снижению пожароопасности строительного теплоизоляционного материала из пенополистирола.

Список литературы Исследование эффективности огнезащитных покрытий для пенополистирола

Официальный сайт «Ассоциация производителей и поставщиков пенополистирола» . -http://epsrussia.ru/sites/.
Абдюжанов, Р. Пенополистирол и его свойства/Р. Абдюжанов//Строительный эксперт. -2010. -№ 09-10 (306). -С. 13-15.
Огнестойкость и пожарная опасность сэндвич-панелей и предложении по внесению изменений в нормативные правовые акты по пожарной безопасности в части их применения в зданиях и сооружениях различного функционального назначения/В.В. Ушанов, В.Е. Фадеев, В.С. Харитонов и др.//Пожарная безопасность. -Балашиха: Изд-во ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, 2016. -№ 4. -С. 119-121.
Анализ требований нормативной документации по пожарно-техническим показателям пенополистиролов/И.П. Палатинская, С.И. Боровик, Е.С. Дементьева и др.//Сервис технических систем -агропромышленному комплексу России: материалы межд. науч.-практ. конф. -Челябинск: Изд-во ЮУрГАУ, 2017. -С. 159-165.
ГОСТ 15588-2014. Плиты пенополистирольные теплоизоляционные. Технические условия.
Experimental study on proportioning of flame retardant material for reducing the flammability of expanded polystyrene/I.P. Palatinskaya, S.I. Borovik, N.E. Vladimirova et al.//Modern Science. -2016. -No. 10. -P. 22-26.
Экспериментальные исследования уменьшения горючести и дымообразования при обработке пенополистирола составами с натрием кремнефтористым/В.А. Качур, И.П. Палатинская, С.И. Боровик, Р.Т. Аскаров//Наука ЮУрГУ. Материалы 68-й научной конференции. -2016. -С. 381-387.
Экспериментальные исследования уменьшения горючести и дымообразования при обработке пенополистирола составами с жидким стеклом/Н.Е. Владимирова, И.П. Палатинская, С.И. Боровик, Р.Т. Аскаров//Наука ЮУрГУ: материал 68-й научной конференции. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2016. -С. 374-380.
Экспериментальные исследования умень¬шения горючести и дымообразования при обработке пенополистирола составами с натрием кремнефтористым/В.А. Качур, И.П. Палатинская, С.И. Боровик, Р.Т. Аскаров//Наука ЮУрГУ. Материалы 68-й научной конференции. -2016. -С. 395-403.
Палатинская, И.П. Экспериментальные исследования дымообразования при сжигании пенополистирола/И.П. Палатинская, С.И. Боровик, Е.С. Дементьева и др.//БЖД глазами молодежи: материалы IV Всероссийской студ. конф. -2017. -С. 251-255.
ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть.

Еще

Статья научная