Методика оценки огнезащитных свойств покрытий в условиях воздействия внешних факторов

Крупные пожары последних лет указывают на проблему в обеспечении пожарной безопасности зданий. Для каркаса зданий используют металлоконструкции, они имеют значительное преимущество, например, перед конструкциями из бетона, поскольку имеют меньшие габариты и простоту в монтировании. Но такие конструкции при воз­действии температуры свыше 500 °C начинают терять несущую способность и деформи­роваться. При этом температура открытого пламени может достигать 1000 °C.

Предел огнестойкости несущих металлических конструкций в зависимости от толщины металлических конструкций составляет от 7 до 27 мин, в то время как мини­мальные значения составляют от 15 и до 120 мин в зависимости от степени огнестой­кости зданий [1].

Использование огнезащиты стальных конструкций экономически выгоднее, чем применение металлоконструкций с большей толщиной только для обеспечения требу­емой огнестойкости. 

В области огнезащиты существует проблема сохранения свойств огнезащитных покрытий в течение процесса эксплуатации на объектах.  В связи с этим так важно проверять, как поведет себя огне­защитный состав в реальных условиях при длительной эксплуатации. Поэтому цель настоящего исследования — разработать методику, позволяющую провести оценку адгезии огнезащитного покрытия в условиях эксплуатации с течением времени

Для повышения огнестойкости зданий наибольшее распространение получили тонкослойные покрытия, к которым относятся огнезащитные краски, лаки, эмали. Они подразделяются на две группы:

1) невспучивающиеся;

2) вспучивающиеся. 

Невспучиваю­щиеся краски при нагревании не увеличивают толщину своего слоя и представляют собой огнезащитный экран для материала. Вспучивающиеся краски при нагревании разла­гаются вокруг защищаемой конструкции с поглощением тепла, происходит выде­ление инертных газов и паров, которые замещают атмосферный кислород и блокируют конвективный перенос тепла к защищаемой поверхности, подавляя пламя вблизи слоя покрытия, уменьшают поток тепла и замедляют процесс горения.

Существующая проблема сохранения огнезащитных свойств покрытий с течением времени особенно остро касается вспучивающихся покрытий, большинство из которых имеют полимерную основу, подверженную старению.

Как было экспериментально установлено ранее [2]:

1) огнезащитные покрытия на эпоксидной основе или с добавлением графита наиболее устойчивы к воздействию условий эксплуатации и с течением времени их огне­защитная эффективность практически не снижается;

2) однокомпонентные составы на водной или органической основе не способны выдержать циклы старения и при пожаре они не смогут защитить металлические конструкции от высоких температур. Поэтому поверх них следует наносить защитное покрытие, которое убережет их от воздействия неблагоприятных факторов среды.

Необходимо после искусственного старения провести для огнеза­щитных покрытий на эпоксидной основе или с добавлением графита анализ адгезии, а для однокомпонентных составов на водной или органической основе нанести защитное покрытие, оценить адгезию.

На сегодняшний день прочность адгезионного взаимодействия двух веществ можно определить, используя следующие методы:

• метод решетчатых надрезов;
• метод Х-образных надрезов;
• метод отрыва.

Метод решетчатых надрезов заключается в нанесении на покрытие перпендику­лярных надрезов специальным ножом и дальнейшей визуальной оценке состояния покрытия по четырехбалльной системе. Однако метод неприменим при толщине покры­тия более 250 мкм и для текстурированных (шероховатых) покрытий. Для метода Х-образного надреза делают два надреза под углом друг к другу в форме буквы X. На место надреза накладывают липкую ленту и пальцем плотно прижимают ее к покрытию, а затем удаляют под определенным углом вместе с отслоившимися участками покрытия. При использовании метода отрыва на пластинки для испытаний одинаковой толщины и текстуры окрашиваемой поверхности наносят испытуемый лакокрасочный материал. Цилиндрические заготовки приклеивают непосредственно к поверхности лако­красочного покрытия с помощью клея. Склеенные образцы после затвердевания клея испытывают на отрыв (растяжение), измеряя усилие, необхо­димое для отрыва покрытия от окрашиваемой поверхности. Результатом испытания является усилие отрыва, необходимое для нарушения адгезии или когезии в испытуемом покрытии.

Поскольку толщина нанесенных покрытий будет превышать 250 мкм, для качественной и количественной оценки адгезии будут использованы методы X-образного надреза и отрыва.

На практике для установления срока службы огнезащитных покрытий используются два независимых подхода: ускоренные климатические испытания и натурные испытания (в реальных условиях эксплуатации). В качестве образцов могут выступать как небольшие пластинки (140×80×0,8 мм) из стали [3], так и колонны двутаврового сечения длиной 1700 мм [4]. В связи с трудоемкостью и большими временными затратами проведения натурных испытаний чаще используются ускоренные испытания в климатических камерах, моделирующих температурно-влажностные условия, приближенные к реальным условиям эксплуатации. Существующий метод испытаний в ускоренных климатических условиях [5] использует широкий спектр оборудования, что является материально затратным. Поэтому предлагается усовершенствованная методика ускоренного старения огнезащитного покрытия, основные моменты которой излагаются ниже. 

В рамках разрабатываемой методики предполагается проводить испытания на шести образцах, из которых выбирают три основных и три контрольных. Для испытаний используют пластинки из стали марки Ст3 длиной 140 мм, шириной 80 мм и толщиной 1,0 мм, на которые наносят огнезащитное покрытие и защитное покрытия (эмаль ПФ-115). Перед испытаниями контрольные образцы кондиционируют в эксикат­оре с насыщенным раствором цинка азотнокислого 6-водного при температуре 23 ± 5 °С. Один цикл испытаний (48 ч) включает следующие операции:

• 8 ч образцы последова­тельно выдерживают в сушильном шкафу при температуре 60 ± 5 °С;
• 16 ч — в эксика­торе, заполненном водой, с относительной влажностью воздуха над ней 100 % и при температуре 23 ± 5 °С;
• 8 ч — в сушильном шкафу при температуре 60 ± 5 °С;
• 16 ч — в эксика­торе при температуре 23 ± 5 °С и влажности воздуха 65 ± 5 %.

Всего необходимо провести семь циклов по описанной выше схеме. По истечении указанного срока образцы кондиционируют. Далее проводится оценка коэффициента вспучивания и адгезии покрытия указанными выше методами.