Пасивний вогнезахист

Вогнезахист проходок кабелів та труб через протипожежні перешкоди та огороджувальні конструкції критично важливий для забезпечення пожежної безпеки. Для забезпечення необхідної ступені вогнестійкості використовуються сертифіковані вогнестійкі матеріали чи штучні вироби, які зазвичай називають елементами пасивного протипожежного захисту або вогнестійкими проходками. Більшість таких виробів виконують вогнезахисну функцію завдяки спученню активної речовини під дією тепла. Нижче ви познайомитесь з деякими аспектами цієї технології, та дізнаєтесь чому пасивний вогнезахист є важливим елементом пожежної безпеки сучасної будови.

Загальновідомо, що для горіння необхідна наявність трьох складових: палива, окиснювача (кисню) та джерела тепла. Після початку горіння в оточуюче середовище виділяється тепло та газоподібні продукти горіння (дим). Логічно, що заходи з гасіння пожежі мають бути націлені на пригнічення виділення тепла та взаємну ізоляцію окиснювача та палива.

З огляду на це, матеріали що спучуються виконують дві основні функції у випадку пожежі: по-перше утворюють теплоізолюючий шар, і таким чином обмежують потік тепла, а по-друге обмежують поширення пожежі перекриваючи щілини та отвори у протипожежних перешкодах. Очевидно, що у другому випадку спучування має створювати додатковий тиск, який необхідний для того щоб перекрити нещільність у протипожежній перешкоді, наприклад вичавити залишки пластику з отвору, який утворився після вигорання пластикової труби.

Як це працює: декілька слів про хімію

Матеріали, що спучуються можливо назвати “розумними”, адже вони реагують на зміну температури навколишнього середовища, наприклад на підвищення температури у випадку пожежі. При підвищенні температури вище визначеної межі, матеріал спучується та утворює об’ємний шар, що захищає нижні шари конструкції від нагріву. У якості первинної речовини зазвичай використовується графіт, подальше спучення забезпечується вермікулітом або силікатом натрію. Температура спучення може сягати від 150°C до 350-400°C. Коефіцієнт спучення залежить від багатьох факторів і може сягати 700% та більше.

Спучення протипожежної піни Хілті після 1 та 2 годин пожежі

Приклад облаштування вогнестійкої кабельної проходки через протипожежну перешкоду

Спучення залежить від перебігу визначених хімічних реакцій, тому вогнезахисні матеріали являють собою складну суміш різноманітних складових: полімерних наповнювачів та зв’язуючих, газовиділяючих компонентів, джерел вуглецю, а також каталізаторів, які прискорюють реакцію інших компонентів. Матеріали, що спучуються, входять у склад поверхневого слою, чи рівномірно розподілені по всьому обсягу протипожежного пристрою. Зазвичай, у рецептурі можливо виділити три основних компонента: каталізатор, обвуглюючий агент та газовиділяючий агент. Одним з основних сировинних компонентів багатьох пасивних вогнезахисних пристроїв є вермікуліт, який застосовується у якості газовиділяючого розпушуючого компоненту у багатьох протипожежних манжетах, герметиках, блоках, чи інших протипожежних системах.

Вермікуліт є одним з основних компонентів пасивних протипожежних систем

Графіт після спучення (фотографія з мікроскопу)

При підвищені температури відбувається серія послідовних хімічних реакцій: по-перше, підвищення температури звільняє кислотні компоненти, які, в свою чергу шляхом каталітичної дегідрації звільнюють вуглець. Одночасно відбувається термічна дегідрація зв’язуючих речовин, яка призводить до вивільнення газів, розпушування вуглецю та появи піноподібної структури. Утворений шар піни працює у якості ізолятора, захищаючи розташовані нижче шари. Ознакою вдалої рецептури є відповідність часу перебігу реакції до потреб застосування. Також необхідно брати до уваги складну природу хімічної та фізичної взаємодії компонентів системи, у тому числі різну швидкість хімічних реакцій, адже це відіграє визначну роль у формуванні експлуатаційних властивостей вогнестійкого засобу.

Схема реакції покриття з матеріалу, що спучується на дію вогню (1) ситуація до пожежі (2) під дією підвищеної температури відбувається формування захисного ізолюючого шару

Якщо процес виділення газу відбувається зарано, то піноподібна структура не утворюється і ізолюючі функції не виконуються. Якщо ж навпаки, газ виділяється запізно, матеріал встигає обвуглитись та затвердіти до появи газу і піноподібна структура також не буде утворена. Саме тому, синхронізація декількох хімічних реакцій у часі критично важлива для досягнення мети.

Переваги використання матеріалів, що спучуються очевидні: такі матеріали не потребують багато місця, їх встановлення у будівлі відбувається швидко та просто, негативний вплив на архітектуру та інтер’єр будівлі мінімальний, що робить пасивний вогнезахист на основі матеріалів що спучуються логічним вибором для проєктувальників та власників будівлі.

Протипожежна манжета з матеріалу, що спучується, під час сертифікаційних випробувань

Спучений матеріал після випробувань

Застосування матеріалів що спучуються для забезпечення пасивної пожежної безпеки

Діючі в Україні норми, а саме ДБН В.1.1-7:2016 висувають вимоги щодо архітектурно-планувальних рішень, а саме вимагають розділення будівлі на протипожежні відсіки, які призначені для обмеження поширення пожежі та диму протягом визначеного часу. Тим не менш, навіть у такому випадку, існує ризик неконтрольованого поширення пожежі в місцях перетину протипожежної перешкоди інженерними мережами, наприклад пластиковими трубами чи кабелями. Реакція пластикових труб чи кабелів на дію вогню обумовлюється властивостями матеріалу, з якого вони виготовлені. В більшості випадків ці матеріали пом’якшуються, плавляться та вигорають, залишаючи незакритий отвір у стіні чи міжповерховому перекритті.

Наявність надлишкового атмосферного тиску в осередку пожежі вносить додатковий чинник небезпеки, адже потік гарячих газів може призводити до подальшого руйнування вогнестійкого матеріалу проходки. Вплив цього ефекту залежить від розміру труб, товщини стінки труби, розміру отвору у протипожежній перешкоді а також відстані між проходками та відстані до краю отвору у протипожежній перешкоді.

Плавлення пластикової труби призводить до появи отвору, крізь який рухається потік продуктів горіння. Це може призвести до ефекту видування матеріалів, що спучуються, з проходки

Тобто, існує потреба швидко обмежити розвиток цього процесу за допомогою системи пасивного протипожежного захисту. Ця система є однією зі складових протипожежного облаштування будівлі і допомагає обмежити розповсюдження пожежі з одного протипожежного відсіку до іншого. Спучення матеріалів, які застосовуються при облаштуванні проходок інженерних мереж допомагає зупинити процеси руйнування протипожежної перешкоди внаслідок плавлення чи вигорання інженерних мереж у місцях перетину стін чи міжповерхових перекритів.

Труднощі практичного застосування

Багато продуктів, призначених для протипожежного облаштування проходок інженерних мереж, побудовані з використанням матеріалів що спучуються. У випадку пожежі, ці продукти спучуються та перекривають отвори у протипожежній перешкоді. Також спучені продукти виконують теплоізоляційну роль, запобігаючи самозайманню матеріалів на холодній стороні протипожежної перешкоди. Проте різноманіття матеріалів, які використовуються при виробництві труб та кабелів обумовлює їх різну поведінку під час пожежі. Тобто реакція на вогонь залежить від матеріалу труби, її діаметру та товщини стінки.

Розглянемо два приклади:

1. Невелика труба з поліпропілену, яка зазвичай використовується для опалення та водопостачання, з товщиною стінки 1,8 – 2,4 мм. Так труба зазвичай вигорає досить швидко, протягом декількох хвилин. Відповідно, вогнезахисний матеріал має спучитись дуже швидко.

Приклад 1: зміна температури на «холодній» стороні проходки малої поліпропіленової труби. Швидкий підйом температури обумовлений вигоранням труби до спучення вогнезахисного матеріалу

2. В другому прикладі розглянемо проходку магістральної ПВХ труби у системі водопостачання діаметром 6” (160 мм). Товщина стінки труби може складати більше ніж 6 мм. Завдяки товстим стінкам процес плавлення та вигорання труби відбувається досить повільно, і відповідно, спучення вогнезахисного матеріалу не має відбуватися занадто швидко. Також спучення має бути достатнім щоб перекрити доволі великий отвір і створювати достатній тиск щоб вичавити з отвору залишки пластику після вигорання труби. Тобто на відміну від першого випадку, використання вогнезахисного матеріалу з швидким спученням буде не виправданим.

Приклад 2: повільне плавлення обумовлює повільне збільшення температури на «холодній» стороні проходки ПВХ труби великого діаметра

Виходячи з цього, основною складністю при виробництві протипожежних рішень є розробка матеріалів, які були б здатні ефективно працювати з різноманітними матеріалами, розмірами, та типами проходок (труби, кабелі, повітропроводи). Для досягнення цієї мети необхідно детальне розуміння характеристик типових проходок інженерних мереж що застосовуються у будівництві та проведення багатьох сертифікаційних випробувань на вогнестійкість. Ще одним важливим аспектом є простота встановлення вогнезахисних матеріалів, адже помилки при облаштуванні проходки можуть призвести до непрацездатності протипожежного захисту. В більшості випадків розробка універсального матеріалу для вогнезахисту на сучасному рівні розвитку технологій неможлива, і проектувальники вимушені підбирати різні матеріали для різних типів протипожежних перешкод та інженерних мереж. Виходячи з цього, основною складністю при виробництві протипожежних рішень є розробка матеріалів, які були б здатні ефективно працювати з різноманітними матеріалами, розмірами, та типами проходок (труби, кабелі, повітропроводи). Для досягнення цієї мети необхідно детальне розуміння характеристик типових проходок інженерних мереж що застосовуються у будівництві та проведення багатьох сертифікаційних випробувань на вогнестійкість. Ще одним важливим аспектом є простота встановлення вогнезахисних матеріалів, адже помилки при облаштуванні проходки можуть призвести до непрацездатності протипожежного захисту. В більшості випадків розробка універсального матеріалу для вогнезахисту на сучасному рівні розвитку технологій неможлива, і проектувальники вимушені підбирати різні матеріали для різних типів протипожежних перешкод та інженерних мереж.

Проходка пластикових після вогневих випробувань (справа труба з вогнезахисною манжетою, зліва – без). Тривалість тесту – 5 хвилин. Фото зроблено з «холодної» сторони проходки.

Іншим важливим аспектом є конструкція вогнезахисного засобу на основі матеріалу, що спучується. Наприклад рішення для протипожежного облаштування проходок пластикових труб може поставлятись у металевому корпусі (обоймі) або ж у вигляді стрічки. Металева обойма виконує роль корпусу та направляє спучення матеріалу у бік центру пластикової труби. У разі використання манжети стрічкового типу, роль металевої обойми виконує внутрішня поверхня отвору у стіні чи у міжповерховому перекритті. Манжета стрічкового типу наразі менш розповсюджена ніж манжета з металевою обоймою, проте має ряд переваг: немає ризику крадіжки чи помилкового зняття манжети при проведення косметичного ремонту, манжета дозволяє влаштовувати чистову стелю впритул до міжповерхового перекриття, немає необхідності у застосування вогнестійких анкерів для кріплення манжети. Крім того, виробництво стрічкової манжети дещо дешевше за рахунок економії вартості металу.

Протипожежна манжета з металевою обоймою.

Протипожежна манжета стрічкового типу

Компанія Hilti є одним з лідерів всесвітнього ринку протипожежних рішень. Ми виробляємо широкий спектр матеріалів для облаштування вогнестійких проходок інженерних мереж та вогнестійких деформаційних швів. Крім того, ми активно співпрацюємо з проектувальниками, нормотворчими органами та забудовниками, намагаючись зробити експлуатацію будівель більш безпечною та економічно виправданою.

Під час підготовки статті були використані наступні джерела:

• Sebastian Simon, „Untersuchungen zur systematischen Entwicklung von intumeszierenden Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen“, Fakultät für Lebenswissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina

• Heinrich Horacek and Stefan Pieh, “The importance of intumescent systems for fire protection of plastic materials”, article first published online: October 2000.

• M.Lewin, “Physical and chemical mechanisms of flame retarding of polymers”, Polymer Research Institute, Polytechnic University, New York

Фотографії надані компанією Hilti Aktiengesellschaft, Schaan, Liechtenstein