В условиях современного строительства, когда в целях облегчения, удешевления конструкций, улучшения качества отделки помещений и сокращения трудозатрат на монтаж все шире используются полимерные материалы, ситуация пожароопасности зданий и сооружений будет усугубляться. Полимеры, благодаря своим положительным механическим и химическим свойствам – малой плотности, высокой прочности, низкой теплопроводности, химической стойкости и сопротивляемости истиранию, – получают все большее распространение в строительстве и дают значительный экономический и технический эффекты. Однако полимерные вещества, обладают пожароопасными свойствами, такими как горючесть, воспламеняемость, дымообразующая способность и токсичность продуктов горения [1]. Кроме того, продукты разложения полимеров являются опасными для здоровья человека.

Возрастающее число пожаров за последнее время во всем мире, приносящих большой материальный ущерб, можно в значительной степени отнести за счет увеличения доли применения полимерных материалов при строительстве зданий и сооружений [5].

Во многих европейских странах приняты специальные постановления, ограничивающие использование горючих полимерных материалов при строительстве промышленных и гражданских сооружений, однако этому в России не уделено должного внимания. Если рассматривать структуру потребления теплоизоляционных материалов в нашей стране, то на данный момент около половины приходится на каменную вату (47 % в 2014 г.), стекловата занимает 29 % рынка, экструдированный пенополистирол – 10 %, вспененный пенополистирол 14 % [2]. В ряде регионов, в том числе и в Красноярском крае, применение органической теплоизоляции значительно превышает приведенные цифры.

Цель исследования. Разработка теплоизоляции на основе неорганических материалов, способной к тому же обеспечить огнезащиту, является актуальной задачей. В условиях пожара, когда температура в зоне горения превышает 1000 °С, строительные конструкции зданий и сооружений, особенно металлические, достаточно быстро нагреваются и утрачивают свои эксплуатационные свойства. Локальная температура элементов конструкций может превысить критический предел огнестойкости, и тогда прилагаемые на них нагрузки интенсивно развивают температурные деформации и деформации ползучести, что приводит к потере несущей способности и быстрому обрушению.

Задача огнезащиты конструкций состоит в выполнении строительных норм и правил, что предопределяет создание на поверхности элементов конструкций теплоизолирующих экранов, выдерживающих высокие температуры и непосредственное действие огня.

В настоящее время существуют конструктивные методы огнезащиты (создание на поверхности элементов теплозащитных экранов) и физико-химические и технологические приемы, направленные на снижение пожарной опасности материалов [3]. При разработке огнезащиты металлических конструкций наметилась тенденция к использованию облегченных минеральных материалов и легких заполнителей – вспученного перлита и вермикулита, минерального волокна, обладающих высокими теплоизоляционными, огнезащитными свойствами, паропроницаемостью (что создает оптимальный режим для жизнедеятельности человека в помещении). Кроме того эти материалы химически нейтральны, инертны, безопасны. Инновационные методы основаны на механизированном нанесении облегченных материалов на основе легких заполнителей.

Материалы и методы исследования

В настоящем исследовании для создания составов огнезащитных покрытий (ОЗП) использовался вспученный вермикулит Татарского и Инаглинского месторождений Сибири и отход при вспучивании татарского вермикулита – циклонная пыль.

Минералогическое изучение пробы щелочных амфиболов из татарского вермикулита проводилось с использованием микроскопа МБС-10 и поляризационного микроскопа Leica DMLP. Их содержание определялось методом визуального подсчета зерен амфибола нескольких проб в иммерсионных препаратах и просматривалось с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOLJSM 7001F. Для достоверности результатов делались усредненные выборки.

Результаты исследования и их обсуждение

Определялся минеральный состав Татарского и инаглинского вспученных вермикулитов и циклонной пыли, образующейся при вспучивании татарского вермикулита. Их исследование показало, что в них присутствуют щелочные амфиболы (ленточные силикаты формулы (Х, Y)7–8 [Al,Si]8[OH, F, Cl]2O22, где Х – Na, К, Ca; Y – Al, Fe3+, Fe2+, Mg) различных разновидностей, количество которых в общей массе проб татарского вермикулита составляет от 10 % и растет с уменьшением фракции.

В исследованных пробах вермикулитов моноклинный амфибол представлен двумя разновидностями: арфведсонитом и актинолитом, входящим в группу амфиболовых асбестов. Суммарное содержание амфиболов в пересчете на вес исследованных вермикулитов составляет от 8,8 до 12,4 об.вес %, из них 0,5–0,53 об.вес % приходится на актинолит, остальное – на арфведсонит.

Концентрированные амфиболы, выделенные из концентрата вермикулита Татарского месторождения и состоящие в основном из арфведсонита ((Na2,5Ca0,5)3 (Mg, Fe2+, Fe3+, Al)5(Al0.5Si7.5)8O23(OH)2, Ca может практически отсутствовать), имеют длиннопризматические кристаллы с ромбовидным поперечным сечением темно-зеленого цвета с отчетливым синим оттенком (рис. 1, 2). Длина кристаллов 0,2–1,0 мм. При раздавливании образуются спайные пластинчатые обломки.

Выделенный с помощью оптического микроскопа актинолит – агрегаты игольчатого строения (длиной не более 5–10 мм), в пробах встречается в виде плохо образованных зеленовато-голубых шестоватых кристаллов с занозистыми краями (рис. 3, табл. 3). При раздавливании актинолит легко разрушается на иголочки и волокна.

Свойствами асбестовых минералов, определяющими их промышленную ценность, являются: длина волокна, эластичность, прочность, способность распадаться на тончайшие волокна, химическая стойкость при воздействии на них кислот и щелочей, способность выдерживать высокие температуры без существенных изменений физических свойств, сорбционная активность. По химическому составу моноклинные амфиболовые асбесты разделяются на щелочные (режикит-асбест, рибекит-асбест, крокидолит-асбест), щелочноземельные (рихтерит-асбест), кальциево-магниевые (актинолит-асбест, тремолит-асбест) и относятся к 3 классу опасности [4]. Хризотил и амфиболы имеют общие области применения в промышленности, но различаются по минеральному строению, физико-химическим свойствам и биологической агрессивности. Температурный интервал выделения кристаллизационной воды актинолит-асбеста – 930–1120 °С (600–800 – для хризотил-асбеста), температура плавления – 1190–1288 °С, твердость по шкале Мооса – 5–6. Волокно актинолит-асбеста жесткое, прочное, его размеры находятся в широком диапазоне – от нескольких мкм до нескольких мм.

а б

Рис. 1. Общий вид микроструктуры кристаллов арфведсонита

Таблица 1

Элементный состав точечных спектров кристаллов арфведсонита (рис. 1), в атомн. %

Рис. 2. Микроструктура общего вида частицы актинолита

Таблица 2

Элементный состав спектров с частицы актинолита

Параметры оптимальной огнезащиты определяются для каждой конкретной конструкции. Для этого осуществляется выбор ОЗП, устанавливается его толщина с учетом величины заданного предела огнестойкости, типа конструкций, состояния поверхности, температурно-влажностных условий эксплуатации, долговечности и степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции.

В зависимости от температурно-влажностных условий выбирали вид вяжущего – жидкое стекло или цемент, наполняя его тонкодисперсной вермикулитовой пылью – отходом при вспучивании вермикулита, ? имеющей в составе активные формы кремнезема и алюминия.

Для композиций, где в качестве вяжущего выбран портландцемент Красноярского цементного завода (Ц), циклонная пыль, образующаяся как отход при производстве вспученного вермикулита Татарского месторождения (ВП), выступала в качестве пуццолановой добавки. Активированную циклонную пыль вводили в количестве 10–40 %. Такая добавка повышает гидравлическую активность цементного вяжущего, что способствует сохранению целостности покрытия, повышению прочности сцепления и трещиностойкости при пожаре [5].

Благодаря упругости частиц, тонким прослойкам воздуха между слюдяными чешуйками, предлагаемые составы характеризуются низкой теплопроводностью и высокой огнестойкостью, а также нетоксичностью, отсутствием дымообразования. В силу высокой отражательной способности самих частиц вермикулита ОЗП частично может способствовать защите помещений от электромагнитного излучения, снижая его интенсивность.

Исследовались следующие композиции – Ц:ВП = 80:20, 70:30, 60:40. Отношения этой смеси к заполнителю были следующими – 1:1,5; 1:2; 1:2,5. Применяемые фракции заполнителя 2,5; 1,25; 0,63.

Таким образом, при изготовлении составов для огнезащитных покрытий в композиции содержится порядка 3,0–3,5 об.вес % актинолита, который при активации и перемешивании в присутствии воды затворения, распадаясь на отдельные иглы и волокна, может выступать в качестве высокодисперсного волокнистого элемента.

Высокодисперсные волокнистые наполнители в цементных композициях на основе вермикулита оказывают положительное влияние на процессы структурообразования. В результате взаимодействия армирующих композиционных элементов и цементной матрицы повышается прочность сцепления ОЗП с основанием (табл. 4) и затрудняется образование трещин на всех уровнях структуры, что способствует повышению долговечности и огнестойкости покрытий.

Таблица 3

Адгезионные свойства ОЗП

Анализируя полученные данные, представленные в табл. 3, отмечаем, что изначально показатели адгезии нарастают с увеличением в составе вермикулитовых фракций и лишь при значительном сокращении расхода цемента в ОЗП начинается падение прочности сцепления. Характер отрыва с увеличением доли вермикулита в ОЗП меняется на когезионный.

Разработанные ОЗП обладают огнезащитной эффективностью свыше 150 мин и относятся к 1 группе (табл. 4, рис. 3).

Эффективность ОЗП зависит от толщины нанесения и крупности заполнителя – вспученного вермикулита. Анализ результатов показал, что максимальная температура нагрева металла под ОЗП достигает 311 °С и далее остается постоянной независимо от времени теплового воздействия. Во всех составах ОЗП, прошедших испытание на огнезащитную эффективность, наблюдается ненарушенная целостность покрытия, прочное сцепление с металлическим основанием. В некоторых составах присутствуют незначительные волосяные трещины, что можно объяснить присутствием высокодисперсного волокнистого композиционного элемента, который затрудняет образование трещин на всех уровнях структуры и способствует повышению огнестойкости композиций.

Таблица 4

Результаты испытаний огнезащитной эффективности

1. До 1. После

2. До 2. После

3. До 3. После

Рис. 3. Составы 1, 2, 3 до и после испытания огнезащитной эффективности

Выводы

Разработанные составы на основе вспученного вермикулита можно применять в качестве огнезащитных покрытий и высокотемпературной теплоизоляции металлических строений промышленного назначения, а также для утепления крыш, стен, полов, потолков, воздуховодов и трубопроводов, систем отопления и водоснабжения, рефрижераторов, ангаров, гаражей.

Присутствие в составе вермикулитов в небольших количествах таких составляющих, как амфиболовые асбесты, дополнительно усиливает огнестойкость композиций на его основе. Распадаясь на отдельные иглы и волокна при активации и перемешивании в присутствии воды затворения, жесткие и прочные волокна актинолита выступают в качестве высокодисперсного волокнистого наполнителя, дополнительно армируя ОЗП и способствуя прочности сцепления его с основанием.