Что такое огнестойкость и огнеупорность
Огнеупорность и огнестойкость материалов. Пути их повышения.
Огнеупорность-свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Определяется с помощью конусов Зегера.
По огнеупорности делятся на : высокоогнеупорные (деформируются при температуре 1800°) ; огнеупорные (1580°-1800°) ; тугоплавкие (1350°-1580°) ; легкоплавкие(˃1350°)
Огнестойкость-свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть.
По огнестойкости: трудносгораемые(композиты, некоторые полимеры) ; несгораемые( керамика, бетон, металлы) ; сгораемые (древесина).
Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.
Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества-антипирены.
Антипирены — химические препараты, предохраняющие древесину и материалы на ее основе от воздействия огня.
Существуют следующие общедоступные методы повышения огнестойкости строительных конструкций и материалов:
1.Пропитка материалов и конструкций антипиренами.
2.Покрытие поверхности специальными огнезащитными красками (толщина слоя защитного покрытия до 200 мкм).
3.Обмазка огнезащитными пастами (огнестойкой мастикой и герметиками) и огнезащитной штукатуркой слоем, толщиной до 2-х см.
4.Облицовка огнестойкими обоями
5.Защита строительных конструкций жесткими экранами: огнестойкими плитами, панелями, щитами и др
Очень популярны метод повышения огнеупорности – обработка конструкций и материалов специальными веществами, которые называются антипирены. Антипирены должны иметь дующие свойства:
1.Препятствовать горению и тлению защищаемого материала;
2.Не вызывать коррозию металлических конструкций;
3.Не влиять (не повышать) на гигроскопичные свойства деревянных конструкций;
4.Не являться ядовитыми для людей и животных;
5.Не влиять на финишные покрытия, нанесенные на обработанный ими (антипиренами) материал;
6.Обеспечивать биостойкость пропитанного ими материала (самостоятельно или в комплексе с растворами антисептиков);
7.Не затруднять механическую обработку материала;
8.Не влиять на другие свойства пропитываемого материала;
9.Сохранять защитные свойства в течение длительного срока.
Огнеупорный, огнестойкий и огнезащитный – есть ли разница?
Понятия «огнеупорный», «огнестойкий» и «огнезащитный» настолько близки по смыслу, что в бытовом общении употребляются как синонимы. Однако нюансы их значений для профессионала очень серьезны. На этих тонких различиях построены терминология и нормативная документация, поэтому важно их понять для правильного подхода к обеспечению безопасности людей.
«Огнеупорный»
Это одно из немногих слов русского языка, для которого известны автор и дата появления. Его изобрел академик В.П. Соколов в 1788 году при переводе труда Й.Х.П. Эркслебена «Начальные основания химии», и ввел в обиход в значении «упорствующий силе огня; способный противостоять высокой температуре без воспламенения или изменения формы и состояния».
От этого слова берет начало термин «огнеупорность», которую ГОСТ 28874-2004 расшифровывает как способность материалов выдерживать воздействие высокой температуры, не расплавляясь. Огнеупорность выражается температурой размягчения стандартизированного образца в виде усеченной пирамиды до степени, при которой его верхняя часть касается поверхности основы.
По степени огнеупорности материалы и изделия бывают:
«Огнестойкий»
«Толковый словарь русского языка» под редакцией С.И Ожегова трактует его как «способный выдержать сильный жар, не поддающийся действию огня, несгораемый». СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» конкретизирует огнестойкость как способность строительных конструкций, зданий, элементов и частей зданий сопротивляться воздействию и распространению опасных факторов пожара. Таким образом, огнестойкость – один из главных эксплуатационных параметров сооружения или его части, который выражается в следующих показателях:
Эти показатели обязательны для проектирования строений, коммуникаций, инженерных систем и учитываются при определении их назначения. Так, детские учреждения могут располагаться только в зданиях I степени огнестойкости.
«Огнезащитный»
Огнезащитными называются действия и мероприятия по увеличению огнестойкости и снижению пожарной опасности отдельных элементов и сооружения в целом. Их задача – увеличить стабильность и несущую способность, либо вообще исключить разрушение при пожаре.
Результаты могут быть весьма впечатляющими: так, незащищенные стальные конструкции теряют несущую способность при «стандартном» пожаре с температурой +500°С за 30 минут, а с защитой базальтовыми матами Basfiber это время увеличивается в 8 раз – до 240 минут! И каждая минута бесценна для спасения жизней людей, дорогостоящего оборудования и работы пожарных бригад.
Таким образом, огнеупорными могут быть материалы, огнестойкими – здания и их элементы, огнезащитными – мероприятия и работы. Понимание этого важно для изучения нормативных документов, проектирования и эксплуатации сооружений. Также это поможет найти общий язык с контролирующим органами.
Огнеупорность и огнестойкость материалов. Пути их повышения.
Огнеупорность-свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Определяется с помощью конусов Зегера.
По огнеупорности делятся на : высокоогнеупорные (деформируются при температуре 1800°) ; огнеупорные (1580°-1800°) ; тугоплавкие (1350°-1580°) ; легкоплавкие(˃1350°)
Огнестойкость-свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть.
По огнестойкости: трудносгораемые(композиты, некоторые полимеры) ; несгораемые( керамика, бетон, металлы) ; сгораемые (древесина).
Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.
Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества-антипирены.
Антипирены — химические препараты, предохраняющие древесину и материалы на ее основе от воздействия огня.
Существуют следующие общедоступные методы повышения огнестойкости строительных конструкций и материалов:
1.Пропитка материалов и конструкций антипиренами.
2.Покрытие поверхности специальными огнезащитными красками (толщина слоя защитного покрытия до 200 мкм).
3.Обмазка огнезащитными пастами (огнестойкой мастикой и герметиками) и огнезащитной штукатуркой слоем, толщиной до 2-х см.
4.Облицовка огнестойкими обоями
5.Защита строительных конструкций жесткими экранами: огнестойкими плитами, панелями, щитами и др
Очень популярны метод повышения огнеупорности – обработка конструкций и материалов специальными веществами, которые называются антипирены. Антипирены должны иметь дующие свойства:
1.Препятствовать горению и тлению защищаемого материала;
2.Не вызывать коррозию металлических конструкций;
3.Не влиять (не повышать) на гигроскопичные свойства деревянных конструкций;
4.Не являться ядовитыми для людей и животных;
5.Не влиять на финишные покрытия, нанесенные на обработанный ими (антипиренами) материал;
6.Обеспечивать биостойкость пропитанного ими материала (самостоятельно или в комплексе с растворами антисептиков);
7.Не затруднять механическую обработку материала;
8.Не влиять на другие свойства пропитываемого материала;
9.Сохранять защитные свойства в течение длительного срока.
Вопрос 21.
Теплопроводность материалов. Способы определения.
Теплопроводность-способность материала пропускать через свою толщу тепло.
Количественно оценивается коэффициентом теплопроводности(лямбда).
Лямбда-количество тепла в ккал проходящих через стену толщиной в 1 м, площадью 1 м^2, при перепаде температур на противоположных сторонах стены в 1 градус и за единицу времени в 1 час( ккал/(мм^2*градус*час)=Вт/(м*градус) )
На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала. Известна формула Некрасова, связывающая теплопроводность(лямбда) с относительной плотностью каменного материала d:
Лямбда=1,16*(на корень квадратный из(0,0196+0,22*d^2))-0,16
Вопрос 22.
Звукопроницаемость и звукопоглащаемость материалов. Влияние структуры.
Звукопроницаемость строительных материалов – способность материалов пропускать через свою толщу звуковую волну. Характеризуется звукопроницаемость строительных материалов коэффициентом звукопроницаемости, который показывает относительное уменьшение силы звука при прохождении его через толщу строительного материала. Звукопроницаемость практически является отрицательным свойством строительных материалов. Например, коэффициент звукопроницаемости деревянной перегородки толщиной 2,5 см равен 0,65, а бетонной стены такой же толщины – 0,11.
Звукопоглощение строительных материалов – способность материала поглощать звук или снижать его уровень при прохождении через материал. Эта способность строительных материалов в первую очередь зависит от толщины, пористости материала и многослойности материала. Чем больше пор в материале, тем выше его способность поглощать звук. Звукопоглощение строительных материалов принято оценивать коэффициентом звукопоглощения т. е. отношением энергии, поглощенной материалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени. За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м 2 открытого окна. Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. Если звукопоглощение равно 0, то звук полностью отражается от строительного материала. Если же этот коэффициент приближается к 1 то звук полностью поглощается материалом. Согласно нормативным показателям СНиП стройматериалы, имеющие коэффициент звукопоглощения не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, могут относиться к звукопоглощающим материалам. Коэффициент звукопоглощения определяется практическим способом в акустической трубе и подсчитывается по формуле: А(зв)=Е(погл)/Е(пад)
А(зв) — коэффициент звукопоглощения;
Е(погл) — поглощённая звуковая волна;
Е(пад) — падающая звуковая волна;
Вопрос 23.
Водостойкость и воздухостойкость: сущность явления, способы оценки.
Водостойкость — способность материала сопротивляться агрессивному воздействию на него воды. Результатом такого воздействия может быть снижение прочности материала, связанное с частичным разрушением структуры вследствие разрыва наиболее слабых химических связей.
Причинами частичного разрушения структуры могут быть следующие:
— адсорбционно-активное воздействие тонких водных пленок на микротрещины, имеющиеся в пористой структуре материала;
— химическое воздействие воды на метастабильные контакты различных фаз;
— деформация структуры в результате процессов набухания и усадки гидрофильных составляющих материала.
Критерием водостойкости принято считать 20%-ное снижение прочности в результате водонасыщения материала. Количественно водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения Кразм, который определяется по формуле
где Rсух и Rнас пределы прочности при сжатии соответственно сухих и водонасыщенньхх образцов материала, МПа.
Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.Многократное гигроскопическое увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.
Вопрос 24. Морозостойкость материалов: сущность явления, способы оценки. Влияние структуры.
Морозостойкость-способность материала сохранять структуру и первоначальные свойства при переменном при переменном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии.
Термическая стойкость, огнестойкость и огнеупорность
Термическая стойкость– это свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры. Она зависит от степени однородности материала и от способности каждого компонента к тепловому расширению, что оценивается температурным коэффициентом линейного расширения.
Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С. Чем меньше величина этого коэффициента и выше однородность материала, тем выше температуростойкость, большее количество циклов резких смен температуры материал способен выдержать без нарушения своей сплошности.
Термическая стойкость материала тем выше, чем меньше коэффициент его температурного расширения. Природные каменные материалы из мономинеральных горных пород (например, мрамор) более терморстойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит).
Огнестойкость – это способность материала не гореть. По степени огнестойкости – способности противостоять действию высоких температур, развивающихся в условиях пожара (до 1000 °С) материалы могут быть:
— несгораемые (бетон, кирпич при пожаре деформируется незначительно, гранит растрескивается, сталь значительно деформируется при температуре, начиная с 600 °С;
— трудносгораемые (тлеют, но не горят: асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит);
— сгораемые (дерево, пластмассы), которые необходимо защищать от возгорания, применять антипирены.
Огнеупорность – способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Огнеупорность материала характеризуется температурой, при которой образец стандартных форм и размеров при нагревании в печи по заданному режиму размягчается и, оседая, коснется своей вершиной подставки, на которой он стоит. Материалы с огнеупорностью более 1580 °С называются огнеупорными (динасовые, шамотные, хромомагнезитовые и др.). Огнеупорность шамотных материалов составляет 1610-1730 °С, динасовых – 1700 °С и хромомагнезитовых (обожженных) – не ниже 2000 °С.
Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.
Акустические свойства материалов – свойство материалов поглощать или проводить звук сквозь свою толщу. Знание этих свойств востребовано при проектировании промышленно-гражданских зданий, залов театров, кинотеатров, звукоограждающих конструкций на участках улиц и загородных автомобильных дорог.
При попадании звуковой волны на ограждающую поверхность, звуковая энергия отражается, поглощается и частично проходит сквозь ограждение.
Звукоотражение. Отражение звуковой волны от поверхности материала зависит от ее состояния (гладкая, шероховатая) и пористости самого материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающей звуковой волны.
Звукопоглощение. Если поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом и не отражаются.
Физика «гашения» звука пористым телом состоит в следующем. Звуковые волны, проникая в поры материала, создают колебания содержащегося в них воздуха, при этом значительная часть звуковой энергии растрачивается. Сжатие воздуха в порах и его трение об их стенки вызывает разогрев. Таким образом, кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеивается в среде.
Значительному гашению звука способствует деформирование пористого скелета звукопоглощающего материала. Этот вклад в звукопоглощение особенно заметен в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.
Характеристикой поглощения звуковой энергии является коэффициент звукопоглощения Кпогл:
(2.31)
где Епогл – количество поглощенной звуковой энергии;
Епад – количество падающей на ограждение звуковой энергии.
Звукопроводность. Звукоограждающая конструкция тем меньше проводит звук, чем больше его толщина и масса: энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь нее.
Качество звукоизоляционных ограждений оценивают с помощью коэффициента звукопроводности Кпров.
(2.32)
где Епрош. – количество звуковой энергии, прошедшей через материал ограждения;
Епад – количество падающей на ограждение звуковой энергии.
Создание качественных звукоограждающих конструкций основано на двух физических явлениях: отражении звуковых волн от поверхности ограждения и поглощении звуковых волн материалом ограждения.
В качестве звукоизоляционных материалов применяют стекловату, древесные волокна, засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.), иногда используют штучные активные звукопоглотители: пластины, цилиндры и т.п.
Плиты (или рулоны) из звукопоглощающих материалов покрывают снаружи гидрофобной стеклотканью.
Эффективны также звукопоглощающие газонаполненные пластмассы (пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.) или штучные плитки из губчатой резины.
Химические свойства
Химические свойства материалов характеризуют способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды, а также способность сохранять постоянство состава и структуру материала в эксплуатационный период.
Некоторые материалы склонны к самопроизвольным химическим изменениям даже в условиях инертной внешней среды, что объясняется неустановившимся равновесием внутренних химических связей. Химические превращения протекают также во время технологических процессов производства и применения материалов.
Большинство строительных материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами.
Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электрохимических процессов в материале называют коррозией.
К основным химическим свойствам материалов относятся: растворимость, кристаллизация, коррозионная стойкость, атмосферостойкость.
Растворимость – способность вещества в смеси с одним или несколькими другими веществами образовывать однородные устойчивые системы – растворы (например, раствор солей в воде). В растворах все компоненты находятся в микродисперсном состоянии: они равномерно распределены в объеме в виде отдельных молекул, атомов, ионов. Растворимость материала изменяется в зависимости от температуры и состава растворяемых компонентов.
Мерой растворимости является концентрация раствора при данной температуре и давлении. Растворение одного компонента в другом происходит в некоторых пределах изменения концентраций. По концентрации растворимого вещества растворы подразделяются на насыщенные, перенасыщенные и ненасыщенные. Различные материалы обладают разной растворимостью. Так, например, растворимость двуводного гипса (CaSO4·2H2O) составляет 2 г/л, а гидросиликата кальция (CaO·SiO2·nH2O) всего лишь 0,07 г/л.
Стойкость бетонных конструкций, находящихся в воде (например, гидротехнических сооружений), зависит от растворимости компонентов цементного камня.
Кристаллизация – процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, т.е. переход из одного состояния (в основном, газообразного, жидкого) в другое – твердое.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости, ее перенасыщения другим химическим веществом, иногда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или парообразной смеси. В процессе кристаллизации неизбежно возникают микродефекты в образующейся структуре. Кристаллизация по-разному влияет на прочность образующихся структур материала. Например, кристаллизация затворенного водой цемента обеспечивает рост прочности образующегося цементного камня. Кристаллизация воды, замерзающей в капиллярах цементного камня, вызывает разрушение его структуры.
Коррозионная (химическая) стойкость – свойство материала сопротивляться коррозионному воздействию химически активной жидкости, газообразной среды или физических воздействий в виде облучения, электромагнитных полей.
При воздействии указанных факторов в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции.
Снижение коррозионной стойкости вяжущих материалов (цемент, известь, гипс) зависит не только от их состава и структуры, но и от тонкости измельчения, т.е. их удельной поверхности.
Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы массы порошкообразного материала (см 2 /г). Удельная поверхность тонкоизмельченных материалов достигает больших значений (например, для портландцемента она составляет 2500…3000 см 2 /г). Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.
Основными агрессивными факторами, вызывающими коррозию строительных материалов являются: пресная и минерализованная вода, растворенные в воде газы (CO2, NO2, SO2, SO3) – от промышленных предприятий и автомобилей (на дорогах). На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные реагенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.
Металлы и сплавы подвергаются коррозии под действием сред, не проводящих электрический ток, например, некоторых газов при высокой температуре; веществ, содержащих органические кислоты. Такую коррозию металлов называют химической.
Чаще металлы (в том числе стальная арматура железобетонных конструкций) корродируют в средах, проводящих электрический ток – водных растворах солей, кислот, щелочей. В этом случае возникает электрохимическая коррозия.
Особым видом коррозии является биокоррозия – разрушение материалов под действием живых организмов (грибов, микробов). Биокоррозия – это не только гниение органических материалов (например, древесины), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на них микроорганизмов.
Атмосферостойкость. Способность органических вяжущих (битумов, дегтей, смол) и материалов на их основе (например, пластмасс, мастик, асфальтобетона, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов) не разрушаться под действием атмосферных факторов внешней среды: температуры и влажности воздуха, солнечной радиации, осадков, различных газов.
Изменение структуры и химического состава органических материалов под воздействием атмосферных факторов называется старением. При этом уменьшается пластичность материалов, увеличивается их хрупкость.
Комплексной (универсальной) характеристикой способности материалов сопротивляться одновременному или поочередному (в разной последовательности) воздействию механических, физических и химических факторов является их долговечность при работе в конструкции.
Долговечность – свойство материала конструкции сохранять свою структуру и свойства в течение нормативного времени работы этой конструкции. Долговечность характеризуется сроком службы конструкции.
О долговечности материалов судят по ухудшению их качества до определенного уровня (критического предела).
Технологические свойства
Технологические свойства выражают способность материала к восприятию технологических операций (переделов), выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др. Эти свойства определяются числовыми значениями или визуальным осмотром с оценкой способности материала к формуемости (жесткие, пластичные и литые смеси), раскалываемости, шлифуемости, полируемости, дробимости, гвоздимости (удерживанию гвоздя при силовых воздействиях) и другим показателям технологических качеств. Для оценки этих специфических свойств разработаны и, как правило, стандартизированы методы и приборы, обусловлены определенные температурные параметры и режимы для испытаний, скорости нагружения образцов и т.п.
Оценка свойств материалов производится на основе нормативных документов с использованием определенных оценочных критериев, связанных с математической обработкой результатов испытаний.
К таким наиболее распространенным критериям относятся: среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение и коэффициент вариации.