Кокс_огнепортал

Диагностика качества нанесения и эффективности косообразующих огнезащитных покрытий для металлоконструкций

От качества огнезащитной обработки строительных конструкций, состояния покрытия после нанесения и в процессе эксплуатации зависит пожаробезопасность всего сооружения. Следовательно, контролю качества нанесения и состояния покрытия в процессе эксплуатации необходимо уделять особое внимание.

В настоящее время оценка качества, огнезащитной обработки деревянных конструкций осуществляется на основании ГОСТ Р 53292−2009 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний». Широкое распространение получили в удовлетворительной степени информативные экспресс-методики и соответствующие им портативные приборы. Иначе дело обстоит с контролем качества огнезащитной обработки металлических конструкций. Утвержденная инструкция отсутствует. На строительном объекте оценка качества обработки ограничивается преимущественно контролем общей толщины и целостности покрытия, не учитывая контроля по представленной документации. Этих показателей недостаточно для полного представления о состоянии огнезащищенности металлоконструкций.

Факторы риска
Для обоснования выбора дополнительных критериев, которые могут быть использованы в случае оценки качества огнезащитной обработки металлических конструкций следует разобраться в основных характеристиках материалов, используемых при огнезащите, и особенностях их применения и эксплуатации. Для огнезащиты металлоконструкций широко используются интумесцентные краски. При высыхании они образуют тонкие (до трех миллиметров) покрытия. Для того чтобы при пожаре защитить конструкцию на заданное время, интумесцентные покрытия претерпевают ряд физико-химических превращений, в результате которых должен сформироваться теплоизолирующий вспененный слой. Кроме того, этот слой должен максимально долго сохраниться на поверхности защищаемого субстрата. Существует ряд факторов, возникающих при изготовлении, транспортировке, хранении, нанесении и эксплуатации интумесцентного материала, способных отрицательным образом сказаться на огнезащитной эффективности покрытия. В результате оно либо не вспучится, либо интумесцентный защитный слой – пенококс − быстро рушится под ударами потоков горячих газов в пожаре. В этих случаях огнезащитный материал не сможет выполнить предназначения, невзирая на показатели огнезащитной эффективности, указанные в сертификате.

Механизмы действия
Чтобы понимать, какие факторы могут привести к фатальным последствиям, необходимо представлять механизм огнезащитного действия интумесцентного покрытия. В этом механизме можно выделить несколько основных моментов. Первый заключается в формировании субстратизолирующего слоя благодаря комбинации процессов структурирования, синтеза полимерноолигомерных продуктов в процессе горения − коксообразования, карбонизации и терморасширения поверхности горящего материала. Образовавшийся пенококсовый слой выступает в качестве физического барьера, который снижает теплои массопереносы от газовой фазы к конденсированной. В результате затрудняется попадание газообразного топлива в пламенную зону и ограничивается поступление кислорода воздуха к защищаемому слою. За счет различных физико-химических превращений, претерпеваемых покрытием в процессе термодеструкции, осуществляется поглощение значительной части тепловой энергии. Выделяющиеся при пиролизе покрытия газообразные продукты, диффундируя в окружающую среду, охлаждают нагретые слои материала, дополнительно поглощая еще некоторое количество тепловой энергии. Немаловажное влияние на величины поглощения тепла оказывает состав и количество газообразных продуктов деструкции. Наибольшей теплопоглощающей способностью отличаются летучие продукты, содержащие в составе молекул значительное количество водорода – пары воды, аммиак. Следующий возможный фактор, в результате которого отводится еще некоторая часть тепловой энергии – переизлучение тепла поверхностью интумесцентного слоя. Некоторые авторы указывают, что в случае образования пенистого огнезащитного слоя теплопередача в сторону подложки уменьшается примерно в 100 раз. Устойчивое вспенивание огнезащитных покрытий предполагает выделение газов после расплавления массы пленки, но перед началом ее затвердевания, то есть до образования карбонизированного слоя. В связи с этим при составлении композиции компоненты подбираются с четко заданными температурами плавления и деструкции с таким расчетом, чтобы они реагировали в заданной последовательности, реализуя условия для целенаправленных превращений ингредиентов покрытий при воздействии пламени. Такой сложный и сбалансированный интумесцентный процесс крайне чувствителен к любым нарушениям рецептуры и технологии изготовления и применения композиции. Поэтому неудовлетворительные показатели вспучивания могут косвенно свидетельствовать о неблагополучии собственно огнезащитного материала или системы покрытий, в которой он используется. Кроме того, потеря вспучивания может быть следствием ненадлежащих условий эксплуатации, в результате которых покрытие теряет огнезащитные свойства.

Оценка свойств
Для оценки интумесцентных свойств в лабораторной практике широко применяется определение коэффициента вспучивания, путем термодеструкции покрытия, нанесенного толщиной один миллиметр на металлическую пластину. Вспучивание покрытия проводят в муфельной печи с выдержкой образца при температуре 600 °С в течение пяти минут. Коэффициент вспучивания (Квс.) определяют как отношение толщины интумесцентного слоя (hвс.) к исходному слою покрытия (h0):

Квс. = hвс./ h0

Метод характеризуется удовлетворительной воспроизводимостью и информативностью.

Целесообразно использовать аналогичный экспресс-метод для оценки интумесцентных показателей вспучивающихся покрытий в полевых условиях. В качестве такого метода предлагается использовать определение коэффициента объемного расширения (КОР). Суть его в следующем. Срезается образец вспучивающегося покрытия с обработанной металлоконструкции. С помощью штангенциркуля устанавливается средний объем образца: штангенциркулем осуществляется не менее трех измерений в продольном и поперечном направлении образца покрытия, а также его толщина, среднеарифметические значения длины, ширины и толщины образца перемножаются. Образец размещается на прободержателе устройства для определения коэффициента объемного расширения (рисунки 1−2). Образец подвергается воздействию струи горячего газа горелки (температура струи 600 °С), в результате чего образец покрытия расширяется с образованием пенококса (рисунки 3−4). Через минуту нагрев прекращают и после полного остывания вновь определяют объем расширившегося покрытия с помощью штангенциркуля. КОР определяют по формуле:

Kрас. = V2/V1
V1 – объем исходного образца покрытия;
V2 – объем расширившегося покрытия.

Исследования показали удовлетворительную корреляцию методики определения КОР с методикой определения коэффициента вспучивания. При огнезащите металлоконструкций вспучивающимися составами часто приходится сталкиваться с проблемой сохранности теплоизолирующего пенококса на горячем металле. Под воздействием высоких температур и пламени начинаются преобразования в структуре как огнезащитного покрытия, так и металла. Сформировавшийся теплоизолирующий карбонизированный слой в результате неудовлетворительной адгезии осыпается под действием срывающих его потоков горячих газов, делая бессмысленным применение данного огнезащитного материала. Огнезащитные материалы типа интумесцентных, как правило, отличаются относительно хорошей адгезией покрытия к поверхности защищаемого субстрата.

Диагностика 1-2

 

Диагностика 3-4
Адгезионная прочность
Адгезия интумесцентного слоя к поверхности субстрата при огневом воздействии выступает сложной функцией смачивающей способности исходного покрытия, химической активности металла, энергии образовавшихся межатомных связей. Проблема исследования механизма формирования адгезионной связи на границе раздела металл – пенококс актуальна и сложна, так как необходимо учитывать весь комплекс явлений, возникающих в процессе формирования пенококса на горячем металле.

В случае формирования карбонизированного огнезащитного слоя на горячем металле адгезия пенококса, очевидно, осуществляется благодаря различного рода химическим взаимодействиям. Таким образом, решающее влияние на величину адгезионной прочности оказывают количество и тип функциональных групп огнезащитного материала, которыми он способен «зацепиться» и «удерживаться» на защищаемой поверхности. Из этого следует, что любое изменение состава покрытия (несоблюдение рецептуры, разбавление на объекте, вымывание антипиренов при неправильной эксплуатации) способно привести к фатальным последствиям. К этим же последствиям приведет и плохая подготовка поверхности металла перед огнезащитной обработкой. Ржавчина, грязь, и старые покрытия препятствуют закреплению образующегося в условиях пожара пенококса. Исходя из вышесказанного, представляется целесообразным внедрить практику: контроль адгезионной прочности исходных огнезащитных покрытий. В настоящее время адгезия огнезащитного покрытия к защищаемой поверхности либо не оценивается никак, либо оценивается в соответствии с ГОСТ 15140-78 методом решетчатых надрезов, что недопустимо для огнезащитных покрытий с толщиной сухого слоя более 250 микрометров. В единичных случаях для оценки адгезии интумесцентных покрытий специалисты прибегают к методу Х-образного надреза (ASTM D 3359).

Метод нормального отрыва
Традиционно для определения адгезионной прочности лакокрасочных покрытий используются методы: решетчатых и параллельных надрезов (ISO 2409-2007, ГОСТ 15140-78), Х-образного надреза (ASTM D 3359) и метод нормального отрыва (ISO 4624-2002). Все они имеют недостатки, ограничивающие их применение для контроля качества интумесцентных покрытий. Так, метод решетчатых надрезов, как было упомянуто, не подходит для относительно толстых слоев, а огнезащитные покрытия редко бывают тоньше 300 микрометров. Кроме того, показатели адгезии, определенные методами решетчатых надрезов и Х-образного надреза, не всегда отражают реальное положение вещей. Описаны случаи, когда покрытия после проведения комплекса испытаний в различных условиях, сохранив внешний вид и адгезию методом Х-образного надреза 0−1 баллов, показывают существенное снижение адгезионной прочности методом отрыва со 100% адгезионным характером отрыва и с очагами коррозии металла под покрытием. Метод нормального отрыва наиболее трудоемкий из всех. Для него характерна наибольшая площадь разрушения покрытия, однако, по мнению авторского коллектива, он остается наиболее информативным, так как позволяет получить количественный показатель адгезии. Он также применим для покрытий любой толщины и сводит к минимуму субъективные факторы. Авторские исследования показывают, что этот метод может быть успешно реализован в полевых условиях.

Типы адгезиметров
Метод отрыва (ИСО 4624) позволяет определить количественные показатели адгезионной прочности и основан на определении усилия отрыва приклеенного к поверхности покрытия образца стандартного размера («грибка»). Исходя из величины усилия отрыва и площади «грибка», определяется адгезионная прочность на отрыв. При обработке результатов учитываются как численное значение адгезионной прочности, так и качественный показатель − характер разрушений покрытия при отрыве. При оценке адгезии методом отрыва необходимо учитывать, что значение адгезионной прочности покрытия существенно зависит от типа используемого адгезиметра. Результаты испытаний показывают, что величина адгезии, определенная портативным адгезиметром «Elcometr 106», практически в два раза превышает показатели, полученные с использованием адгезиметра «Константа АЦ». Несмотря на то, что в паспортах на представленные адгезиметры указано, что они соответствуют требованиям ИСО 4624, получаемые результаты не сопоставимы. Кроме того, известно, что значение адгезионной прочности зависит от толщины металлической подложки, с увеличением толщины подложки измеряемый показатель адгезионной прочности увеличивается, при толщине металла четыре миллиметра и более он перестает увеличиваться. Это явление объясняется тем, что с увеличением толщины подложки нивелируется ошибка, возникающая за счет прогиба металла при отрыве «грибка».

Влияние адгезивов
На величину усилия отрыва оказывает влияние и тип используемого адгезива. В полевых условиях целесообразно использовать быстросохнущие цианакрилатные адгезивы, которые в наших испытаниях продемонстрировали удовлетворительные результаты. Однако значения усилия отрыва с ними оказались ниже по сравнению с эпоксидными адгезивами. В то же время авторские опыты показывают, что толщина сухого слоя практически никак не сказывается на значениях адгезионной прочности, а также практически не зависит от всех вышеперечисленных факторов качественный характер отрыва образца. Этот показатель остается наиболее наглядным и информативным. Характер отрыва может быть:
– адгезионным:

  • отрыв от металла;
  • отрыв от грунта;

– когезионным:

  • по слою материала;
  • по слою финишного покрытия;

– смешанным: адгезионно-когезионным;
– по клею.

В начале испытаний
Если отрыв имеет чисто адгезионный характер, усилие отрыва невелико, а на металле или «грибке» видны очаги коррозии и (или) старых покрытий, загрязнений – такой результат следует считать отрицательным. Если, независимо от значения усилия, отрыв происходит по клеевому слою – опыт необходимо повторить. Отсутствие адгезионного или смешанного характера разрушения (когезионный отрыв) покрытия свидетельствует о том, что адгезионная прочность сцепления покрытия с подложкой больше удельного усилия отрыва – это наиболее предпочтительный результат. В ASTM D 4541 и ISO 4624 приведено указание, что показатели адгезии одного и того же покрытия могут различаться в зависимости от типа адгезиметра и подложки, что выступает предметом обсуждения и согласования между заинтересованными сторонами перед началом испытаний. Следовательно, результаты испытаний адгезионной прочности должны сопровождаться информацией о типе адгезиметра, толщине стальной подложки, на которую нанесено покрытие, марке адгезива.

Различные критерии
При оперативном контроле огнезащитного покрытия наиболее информативным показателем следует считать не столько численное значение адгезионной прочности, сколько характер отрыва и состояние поверхности металла в месте отрыва. Основная масса огнезащитных покрытий предназначена для защищиты конструкций от огня внутри помещений, где климатические условия относительно стабильны и наименее агрессивны. Однако часто возникает необходимость эксплуатации интумесцентных покрытий в условиях открытой атмосферы. В настоящее время прогнозирование срока службы огнезащитных покрытий осуществляется, как и в случае с классическими лакокрасочными материалами по ГОСТ 9.40191 «ЕСЗКД. Покрытия лакокрасочные. Общие требования и методы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию климатических факторов». Прогнозируя срок службы огнезащитного покрытия, руководствуясь положениями указанного стандарта, возможно оценивать только барьерные свойства покрытия. Таким образом, с одной стороны, имеются различные критерии оценки стойкости лакокрасочных и огнезащитных покрытий к климатическим факторам, с другой стороны – отсутствуют объективные данные по срокам службы различных видов огнезащитных покрытий, изменениям их огнезащитной эффективности в процессе эксплуатации на объектах в реальных условиях. На сравнении результатов ускоренных испытаний на стойкость к воздействию климатических факторов новых лакокрасочных покрытий с известными аналогичными (для которых есть данные и ускоренных, и климатических испытаний) основывается прогнозирование по ГОСТ 9.401-91. Таким образом, в настоящее время для оценки физико-механических и эксплуатационных свойств огнезащитных составов используют показатели, закрепленные в нормативных документах, предназначенных для продукции лакокрасочной отрасли − лаков, красок, шпатлевок. Авторы считают, что эти требования должны быть расширены с учетом специфики интумесцентных покрытий.

Диагностика 5

Финишные материалы
Интумесцентные огнезащитные составы, как материалы высоконаполненные с небольшим содержанием пленкообразующего компонента, склонны к вымыванию компонентов антипиреновой композиции в условиях воздействия неблагоприятных климатических факторов. Этот фактор со временем приводит к частичной или полной потере интумесцентных свойств системы. Поэтому перед разработчиком стоит задача создания атмосферостойких огнезащитных материалов. На практике для повышения атмосферостойкости или тонирования огнезащитных покрытий прибегают к нанесению на них финишных материалов. Помимо климатических испытаний системы с атмосферостойким покрытием требуется проведение стандартизированных теплофизических испытаний системы «огнезащитное покрытие – финишный материал» и подтверждения огнезащитной эффективности системы пожарным сертификатом.

Исследования показывают, что широкоиспользуемые финишные атмосферостойкие лаки (тем более краски) в существенной степени понижают кратность интумесцентного слоя и снижают огнезащитные характеристики материала из-за несоответствия температур термодеструкции компонентов покрытий. При этом не всегда в этой системе увеличивается атмосферостойкость. Различие коэффициентов температурного расширения интумесцентного покрытия и финишного материала часто выступает причиной разрушения системы покрытий. Следует крайне внимательно, с полной ответственностью подходить к выбору финишного материала для огнезащитного покрытия.

Контроль системы
Интумесцентные свойства также подавляются финишными покрытиями (даже для сертифицированных систем) при несоблюдении рекомендованных толщин последних.

Поэтому необходимо при оценке качества огнезащитной обработки конструкций и материалов вспучивающимися составами контролировать не только общую толщину нанесенных материалов, но и толщину каждого отдельного покрытия в системе соответствующими толщиномерами, и, естественно, контролировать интумесцентные свойства системы с помощью экспресс-методики определения коэффициента объемного расширения. Предлагается разработать нормативный документ, регламентирующий контроль качества огнезащитной обработки металлоконструкций, или внести изменения в ГОСТ Р 53295-2009 «Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Методы определения огнезащитной эффективности». В эти документы предлагается включить методику оценки адгезионных показателей огнезащитных покрытий методом нормального отрыва при помощи портативного адгезиметра, методику и прибор для определения коэффициента объемного расширения, общей толщины сухой пленки и толщины отдельных слоев при наличии финишного покрытия.

Олег Бабкин, д.т.н., профессор, зав. кафедрой материаловедения СПбГУКиТ
Ольга Зыбина, к.т.н., доцент кафедры пожарной безопасности СПбГПУ
Леонид Танклевский, д.т.н., профессор, зав. кафедрой пожарной безопасности СПбГПУ
Сурен Мнацаканов, д.т.н., профессор кафедры материаловедения СПбГУКиТ

Смотрите также

В Индии создано новое огнестойкое покрытие

Любая поверхность, даже бумага, покрытая разработанным в Indian Institute of Science Education and Research Kolkata …

Комментарии

  1. Фаизов Р.Б.

    раздел статьи «Адгезия»
    — неверно указано название стандарта ISO 4624… в данном стандарте нет слова «нормальный отрыв»
    — данный стандарт НЕ предназначен для определения адгезии ОГНЕЗАЩИТНЫХ покрытий….т.к.
    «…Данный международный стандарт распространяется на метод оценки адгезии однослойной или многослойной системы лаков, красок и относящихся к ним продуктов путем измерения мини-мального разрывного напряжения, необходимого для отделения или разрыва покрытия в направлении, перпендикулярном окрашиваемой поверхности….»
    — У Огнезащитных покрытий ВООБЩЕ не проверяют АДГЕЗИЮ в силу огромных величин (мкм) слоев
    — увж. господа теоретики зачем придумывать колесо если уже есть НТД
    …ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОГНЕЗАЩИТЫ И УСТАНОВЛЕНИЕ ВИДА ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОБЪЕКТАХ
    Руководство…УДК 657.052.78..УТВЕРЖДЕНО ФГУ ВНИИПО МЧС России 15.11.2010 г.
    пп. 4.1. Контроль по представленной документации
    в которой указывается следующее: огнезащитная эффективность; условия эксплуатации огнезащищенных объектов; технические требования к огнезащитному покрытию или пропиточному составу (толщина покрытия, цвет, внешний вид, плотность, срок службы, совместимые грунты и т.д.).

    с уважением
    Фаизов Р.Б.
    Технический инспектор по контролю
    качества и нанесения
    противокоррозионных ЛКП покрытий
    сертификат № 02/3879-2012
    Эксперт
    № НСПОБ Ю АБ0.RU. ЭЭ.РУ.1038
    Проведение огнезащиты
    материалов, изделий, конструкций

Добавить комментарий для Фаизов Р.Б. Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Ваше имя

Ваш e-mail

Контактный телефон