Пожарная опасность алюминиевых композитных панелей и преимущества ALUCOBOND
Представлены результаты исследований пожарной опасности алюминиевых композитных панелей (АКП). В работе рассмотрен вопрос влияния различного по уровню пожароопасности материала наполнителя на пожарную опасность панели и конструкции в целом. Проведены исследования по определению теплоты сгорания материалов наполнителей АКП, исследованы процессы термодеструкции и термоокисления методами ТГА и ДТА, позволившие получить информацию о сравнительном уровне пожароопасности АКП, а также представлены результаты исследований характеристик пожарной опасности. Показано, что использование АКП с материалом наполнителя на основе полиэтилена в зданиях и сооружениях представляет серьезную пожарную опасность.
В последнее время все более широкое применение в современном строительстве для облицовки фасадов и внутренних интерьеров находят алюминиевые композитные панели (АКП). Благодаря высокой пластичности такого типа панели легко поддаются трансформации в любую форму, и в тоже время жесткость алюминиевого сплава в сочетании с композитным материалом наполнителя обеспечивают устойчивость динамического воздействия. Высокое качество поверхности, широкая цветовая гамма ее покрытия позволяет расширять возможности архитектурных решений, в частности, «вентилируемых» фасадов зданий.
Выводы об уровне пожарной опасности проводятся на основании проверки конкретных конструкций вентилируемых фасадов по их пожарной опасности согласно существующим нормативным требованиям [1] или по результатам натурных экспериментов на фрагментах зданий в соответствии с п. 5.20 [ 2 ].
При одинаковом конструктивном решении и использовании в составе конструкции фасада негорючей теплоизоляции результаты таких испытаний во многом зависят от типа наружного материала фасада.
Как правило, АКП – многослойный материал, состоящий из двух слоев алюминиевого сплава и внутреннего полимерного слоя. Наружный алюминиевый слой защищает многослойное покрытие (в частности, во многих случаях на основе ПВДФ), обеспечивающее стойкость материала к атмосферным осадкам и ультрафиолетовому излучению на протяжении ряда лет. Внутренний полимерный слой панелей представляет собой композиционный полимерный материал, различающийся по своему составу и свойствам.
Использование различного по уровню пожароопасности композиционного материала влияет на пожарную опасность панели в целом, а сами алюминиевые листы с нанесенным тонкослойным покрытием имеют наименее опасные параметры пожарной опасности по группе горючести, воспламеняемости, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения (соответственно, Г1, В1, Д1,Т1). Однако, следует учитывать, что алюминиевое покрытие при пожаре может плавиться, а «плав» загорается с образованием горящих капель.
В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований параметров пожарной опасности, полученных во ВНИИПО, некоторых АКП отечественных и зарубежных производителей с различными по составу наполнителями, находящих в настоящее время широкое применение для фасадов и внутренней отделки зданий. Следует отметить, что наиболее опасными являются композитные материалы, содержащие в составе наполнителя полиэтиленовую основу.
Рассмотрим поведение АКП материала, имеющего во внутреннем слое полиэтилен, при воздействии пламени на его поверхность в условиях испытаний по методу [3].
Согласно методике испытаний источник зажигания воздействует на алюминиевое покрытие образца панели, и не имеет прямого контакта с внутренним слоем. Время воздействия источника зажигания составляет 10 минут. Как правило, на первых минутах происходит разогрев алюминиевого покрытия образца панели и увеличение пластичности его внутреннего слоя. На 6-8 минутах наблюдается весьма интенсивное выделение газообразных продуктов горения с последующим их воспламенением и загоранием внутреннего слоя. Материал горит с дальнейшим обильным появлением горящих падающих капель расплава. Температура газообразных продуктов горения достигает 700-800 °С, наблюдается 100% повреждение по длине образца и более чем 50% повреждение по массе, продолжительность самостоятельного горения составляет более 300с. Следует отметить, что подобные испытания зачастую приводят к выходу из строя основных узлов испытательного оборудования из-за интенсивного на них теплового воздействия горящего материала.
И только использование в качестве наполнителя в определенном соотношении материалов органической природы (например, минеральный наполнитель на основе гидроокиси алюминия с полимерным связывающим средством и т.д.), антипиренов и полимерной составляющей позволяет получить композитную панель группы горючести Г1 или Г2 по методу [3]. При этом расплавления (с образованием горящих капель) и горения внутреннего слоя при проведении испытаний не наблюдается.
Сравнительные исследования одних из основных опасных факторов пожара - дымообразующей способности и токсичности продуктов горения согласно методикам ГОСТ 12.1.044-89 материалов наполнителей различных по группе горючести АКП показали существенные различия. Как следует из табл. 1, коэффициент дымообразования (Dср) образца материала наполнителя АКП на основе полиэтилена составляет более 1300 м?/кг, в то время как для материала наполнителя слабогорючей АКП - (Dср) не превышает 60 м?/кг. Это обстоятельство, свидетельствует о том, что материалы наполнителей сравниваемых АКП имеют различные классы опасности по дымообразующей способности, соответственно, Д2 (умеренноопасный) и Д3 (высокоопасный), что в свою очередь влияет на их пожароопасность в целом. Такая же закономерность наблюдается и для показателя токсичности газообразных продуктов горения (Hcl50). Численное значение показателя токсичности продуктов горения образца материала наполнителя АКП на основе полиэтилена близко к предельному Hcl50 = 40 -44 г/м? - высокоопасному, в то время как материал наполнителя слабогорючей АКП имеет Hcl50 более 120 г/м? и классифицируется как малоопасный.
С целью подтверждения различий пожароопасных свойств АКП, были проведены исследования по определению теплоты сгорания материалов наполнителей методом аналогичным [4]. Для этого использовалось калориметрическое оборудование фирмы «Parr Instruments 1356».
Полученные экспериментальные данные позволили проследить существенные различия в численных значениях теплоты сгорания материалов наполнителей (табл. 1). В таблице приведены наименования АКП согласно сопроводительной на них документации.
Таблица 1. Экспериментальные данные по оценке значений высшей теплоты сгорания материала наполнителя композитных панелей.
Как видно из данных табл. 1 и 2 материал наполнителя, имеющий теплоту сгорания меньшую или равную 14 мДж/кг относится к слабогорючим материалам (группа горючести Г1), а материал наполнителя, с теплотой сгорания большей 30 мДж/кг - к наиболее пожароопасным - сильногорючим материалам (группа горючести Г4).
С помощью оценки такой физической величиной, как теплота сгорания можно достаточно объективно и точно в данном случае оценить степень пожароопасности материала наполнителя и дать прогноз поведения АКП в условиях испытаний по методу [1]. Кроме того, во многом исключается имеющаяся в ряде случаев субъективность оценки оператором, которую показал проведенный нами анализ экспериментальных данных отчетов об испытаниях некоторых лаборатории. В частности, иногда имеет место отступление от методологии испытаний стандарта, заключающееся в дополнительной защите негорючим материалом торцевой поверхности образца АКП или изменении его размера и конфигурации. Данный «прием» при подготовке к испытаниям образцов АКП исключает возможность непосредственного контакта пламени с горючими газами, выделяющимися при горении внутреннего слоя что, безусловно, приводит к искажению результатов испытаний.
Различия в составе и структуре внутреннего слоя композитного материала были выявлены и при исследовании процессов термодеструкции и термоокисления методами ТГА и ДТА [5],. позволившие получить информацию о диапазонах и скоростях разложения материала, о динамике тепловыделения или поглощения тепла (в процессах термоокисления, пиролиза, плавления и других); определить характерные температурные точки тепловых процессов.
Анализ характеристик термодеструкции, полученных по кривым термического анализа позволяет проследить, что слабогорючие материалы (группы горючести Г1) с малой теплотой сгорания отличают величины коксового остатка до 50%, и невысокая скорость терморазложения (до 15 %/мин), Для материалов, относящихся к классу сильногорючих (группа горючести Г4), характерны высокие значения скорости терморазложения (до 60 %/мин), а также незначительное количество (в несколько процентов) коксового остатка.
Такие характеристики как интенсивность тепловыделения (°С/мг) и величина суммарного тепловыделения (°С•мин/мг) наряду с другими значимыми характеристиками термоаналитических испытаний можно использовать при проведении сравнительной идентификации.
Следует отметить, что при проведении крупномасштабных испытаний конструкций наружных стен зданий с сильногорючими АКП, имитирующих тепловое воздействие на фасад здания факела пламени из окна помещения с очагом пожара и учитывающее возможное влияние конструкции стены или отделки, а также системы утепления на распространение опасных факторов пожара,. наблюдались максимальные значения тепловых эффектов, распространения пламени, повреждения и разрушения поверхности. В большинстве случаев класс конструктивной пожарной опасности здания с конструкциями из сильногорючих АКП не был ниже, чем К3, что ограничивает их применение.
Помимо экспериментальной оценки степени пожарной опасности материала не исключена предварительная оценка его свойств органолептическим методом, часто используемым при идентификации.
У АКП серийного производства на обратной поверхности панели имеется маркировка, как правило, включающая кроме производственных кодов с информацией о дате выпуска, номере партии и ее общем количестве,. данные по композитному составу материала и: типу панели. По этим данным можно сделать предварительный вывод о пожароопасности. Отсутствии маркировки или каких-либо информационных данных такой возможности не дает.
В основном, если используется в качестве материала наполнителя АКП полиэтиленовая составляющая, как правило, она имеет черный или темно-серый цвет и представляет собой достаточно пластичный материал; а вес 1 м 2 АКП составляет не более 4,8-5,5 кг.
АКП группы горючести Г1 имеют разнообразные светлые цвета материала наполнителя, в составе которого присутствует достаточно большое количество неорганического наполнителя и вес АКП превышает - 7,2-7,6 кг/м2.
Также можно использовать ТА метод, и осуществлять идентификацию АКП путем сравнения значимых термоаналитических характеристик идентификатора и исследуемого материала.
Следует заметить, что окончательное решение о возможности применения указанных материалов в конструктивных системах и область их применения можно сформулировать только после проведения испытаний по [1,6] и если необходимо, то после проведения испытаний по методике [7].
Результаты представленных научных исследований могут представлять интерес для практического использования при оценке уровня пожарной безопасности объектов представителям органов надзора и контроля за пожарной опасностью зданий и сооружений различного назначения, а также проектировщикам и архитекторам.
Список использованных источников:
1. ГОСТ 31251-2003 «Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности. Стены наружные с внешней стороны» .- М., 2003.
2. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.- М., 1997.
3. ГОСТ 30244-94 «Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть».- М., 1996.
4. EN ISO 1716:2002 «Reaction to fire test for building products – Determination of the heat of combustion».- М., Brussels, 2002.
5. Инструкция “Идентификация твердых веществ, материалов и средств огнезащиты при испытаниях на пожарную опасность. Определение идентификационных термоаналитических показателей».- М., 2004.
6. ГОСТ 30403-96 «Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности».- М., 1996.
7. Молчадский И.С. Пожар в помещении.- М., 2005.
О.И. Молчадский, ведущий науч. сотр., канд. техн. наук,
Н.И. Константинова, нач. сектора, д-р техн. наук,
А.С. Етумян, ст. науч. сотр. (ФГУ ВНИИПО МЧС России)
Источник: Журнал «Пожарная Безопасность» №5 2006г.
В последнее время все более широкое применение в современном строительстве для облицовки фасадов и внутренних интерьеров находят алюминиевые композитные панели (АКП). Благодаря высокой пластичности такого типа панели легко поддаются трансформации в любую форму, и в тоже время жесткость алюминиевого сплава в сочетании с композитным материалом наполнителя обеспечивают устойчивость динамического воздействия. Высокое качество поверхности, широкая цветовая гамма ее покрытия позволяет расширять возможности архитектурных решений, в частности, «вентилируемых» фасадов зданий.
Выводы об уровне пожарной опасности проводятся на основании проверки конкретных конструкций вентилируемых фасадов по их пожарной опасности согласно существующим нормативным требованиям [1] или по результатам натурных экспериментов на фрагментах зданий в соответствии с п. 5.20 [ 2 ].
При одинаковом конструктивном решении и использовании в составе конструкции фасада негорючей теплоизоляции результаты таких испытаний во многом зависят от типа наружного материала фасада.
Как правило, АКП – многослойный материал, состоящий из двух слоев алюминиевого сплава и внутреннего полимерного слоя. Наружный алюминиевый слой защищает многослойное покрытие (в частности, во многих случаях на основе ПВДФ), обеспечивающее стойкость материала к атмосферным осадкам и ультрафиолетовому излучению на протяжении ряда лет. Внутренний полимерный слой панелей представляет собой композиционный полимерный материал, различающийся по своему составу и свойствам.
Использование различного по уровню пожароопасности композиционного материала влияет на пожарную опасность панели в целом, а сами алюминиевые листы с нанесенным тонкослойным покрытием имеют наименее опасные параметры пожарной опасности по группе горючести, воспламеняемости, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения (соответственно, Г1, В1, Д1,Т1). Однако, следует учитывать, что алюминиевое покрытие при пожаре может плавиться, а «плав» загорается с образованием горящих капель.
В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований параметров пожарной опасности, полученных во ВНИИПО, некоторых АКП отечественных и зарубежных производителей с различными по составу наполнителями, находящих в настоящее время широкое применение для фасадов и внутренней отделки зданий. Следует отметить, что наиболее опасными являются композитные материалы, содержащие в составе наполнителя полиэтиленовую основу.
Рассмотрим поведение АКП материала, имеющего во внутреннем слое полиэтилен, при воздействии пламени на его поверхность в условиях испытаний по методу [3].
Согласно методике испытаний источник зажигания воздействует на алюминиевое покрытие образца панели, и не имеет прямого контакта с внутренним слоем. Время воздействия источника зажигания составляет 10 минут. Как правило, на первых минутах происходит разогрев алюминиевого покрытия образца панели и увеличение пластичности его внутреннего слоя. На 6-8 минутах наблюдается весьма интенсивное выделение газообразных продуктов горения с последующим их воспламенением и загоранием внутреннего слоя. Материал горит с дальнейшим обильным появлением горящих падающих капель расплава. Температура газообразных продуктов горения достигает 700-800 °С, наблюдается 100% повреждение по длине образца и более чем 50% повреждение по массе, продолжительность самостоятельного горения составляет более 300с. Следует отметить, что подобные испытания зачастую приводят к выходу из строя основных узлов испытательного оборудования из-за интенсивного на них теплового воздействия горящего материала.
И только использование в качестве наполнителя в определенном соотношении материалов органической природы (например, минеральный наполнитель на основе гидроокиси алюминия с полимерным связывающим средством и т.д.), антипиренов и полимерной составляющей позволяет получить композитную панель группы горючести Г1 или Г2 по методу [3]. При этом расплавления (с образованием горящих капель) и горения внутреннего слоя при проведении испытаний не наблюдается.
Сравнительные исследования одних из основных опасных факторов пожара - дымообразующей способности и токсичности продуктов горения согласно методикам ГОСТ 12.1.044-89 материалов наполнителей различных по группе горючести АКП показали существенные различия. Как следует из табл. 1, коэффициент дымообразования (Dср) образца материала наполнителя АКП на основе полиэтилена составляет более 1300 м?/кг, в то время как для материала наполнителя слабогорючей АКП - (Dср) не превышает 60 м?/кг. Это обстоятельство, свидетельствует о том, что материалы наполнителей сравниваемых АКП имеют различные классы опасности по дымообразующей способности, соответственно, Д2 (умеренноопасный) и Д3 (высокоопасный), что в свою очередь влияет на их пожароопасность в целом. Такая же закономерность наблюдается и для показателя токсичности газообразных продуктов горения (Hcl50). Численное значение показателя токсичности продуктов горения образца материала наполнителя АКП на основе полиэтилена близко к предельному Hcl50 = 40 -44 г/м? - высокоопасному, в то время как материал наполнителя слабогорючей АКП имеет Hcl50 более 120 г/м? и классифицируется как малоопасный.
С целью подтверждения различий пожароопасных свойств АКП, были проведены исследования по определению теплоты сгорания материалов наполнителей методом аналогичным [4]. Для этого использовалось калориметрическое оборудование фирмы «Parr Instruments 1356».
Полученные экспериментальные данные позволили проследить существенные различия в численных значениях теплоты сгорания материалов наполнителей (табл. 1). В таблице приведены наименования АКП согласно сопроводительной на них документации.
Таблица 1. Экспериментальные данные по оценке значений высшей теплоты сгорания материала наполнителя композитных панелей.
| № п/п | Наименование АКП | Цвет материала наполнителя АКП |
Высшая теплота сгорания, мДж/кг |
| 1 | ALUCOBOND А2 | серый | 2,93 |
| 2 | ALUCOBOND PLUS | белый | 10,74 |
| 3 | A-BOND FR | белый | 12,40 |
| 4 | REYNOBOND FR | светло-серый | 13,80 |
| 5 | ALCOPANEL FR | белый | 14,50 |
| 6 | ALYBOND | светло-серый | 20,70 |
| 7 | HAIDA FR | светло-серый | 23,10 |
| 8 | ALUBANG | светло-серый | 28,60 |
| 9 | ALCOTEK | темно-серый | 33,47 |
| 10 | ALCOMEX | черный | 40,70 |
| 11 | АЛЮКОТЕСТ | черный | 44,00 |
| 12 | ALUCOBOND В2 | черный | 44,50 |
| 13 | DIBOND | черный | 44,79 |
С помощью оценки такой физической величиной, как теплота сгорания можно достаточно объективно и точно в данном случае оценить степень пожароопасности материала наполнителя и дать прогноз поведения АКП в условиях испытаний по методу [1]. Кроме того, во многом исключается имеющаяся в ряде случаев субъективность оценки оператором, которую показал проведенный нами анализ экспериментальных данных отчетов об испытаниях некоторых лаборатории. В частности, иногда имеет место отступление от методологии испытаний стандарта, заключающееся в дополнительной защите негорючим материалом торцевой поверхности образца АКП или изменении его размера и конфигурации. Данный «прием» при подготовке к испытаниям образцов АКП исключает возможность непосредственного контакта пламени с горючими газами, выделяющимися при горении внутреннего слоя что, безусловно, приводит к искажению результатов испытаний.
Различия в составе и структуре внутреннего слоя композитного материала были выявлены и при исследовании процессов термодеструкции и термоокисления методами ТГА и ДТА [5],. позволившие получить информацию о диапазонах и скоростях разложения материала, о динамике тепловыделения или поглощения тепла (в процессах термоокисления, пиролиза, плавления и других); определить характерные температурные точки тепловых процессов.
Анализ характеристик термодеструкции, полученных по кривым термического анализа позволяет проследить, что слабогорючие материалы (группы горючести Г1) с малой теплотой сгорания отличают величины коксового остатка до 50%, и невысокая скорость терморазложения (до 15 %/мин), Для материалов, относящихся к классу сильногорючих (группа горючести Г4), характерны высокие значения скорости терморазложения (до 60 %/мин), а также незначительное количество (в несколько процентов) коксового остатка.
Такие характеристики как интенсивность тепловыделения (°С/мг) и величина суммарного тепловыделения (°С•мин/мг) наряду с другими значимыми характеристиками термоаналитических испытаний можно использовать при проведении сравнительной идентификации.
Следует отметить, что при проведении крупномасштабных испытаний конструкций наружных стен зданий с сильногорючими АКП, имитирующих тепловое воздействие на фасад здания факела пламени из окна помещения с очагом пожара и учитывающее возможное влияние конструкции стены или отделки, а также системы утепления на распространение опасных факторов пожара,. наблюдались максимальные значения тепловых эффектов, распространения пламени, повреждения и разрушения поверхности. В большинстве случаев класс конструктивной пожарной опасности здания с конструкциями из сильногорючих АКП не был ниже, чем К3, что ограничивает их применение.
Помимо экспериментальной оценки степени пожарной опасности материала не исключена предварительная оценка его свойств органолептическим методом, часто используемым при идентификации.
У АКП серийного производства на обратной поверхности панели имеется маркировка, как правило, включающая кроме производственных кодов с информацией о дате выпуска, номере партии и ее общем количестве,. данные по композитному составу материала и: типу панели. По этим данным можно сделать предварительный вывод о пожароопасности. Отсутствии маркировки или каких-либо информационных данных такой возможности не дает.
В основном, если используется в качестве материала наполнителя АКП полиэтиленовая составляющая, как правило, она имеет черный или темно-серый цвет и представляет собой достаточно пластичный материал; а вес 1 м 2 АКП составляет не более 4,8-5,5 кг.
АКП группы горючести Г1 имеют разнообразные светлые цвета материала наполнителя, в составе которого присутствует достаточно большое количество неорганического наполнителя и вес АКП превышает - 7,2-7,6 кг/м2.
Также можно использовать ТА метод, и осуществлять идентификацию АКП путем сравнения значимых термоаналитических характеристик идентификатора и исследуемого материала.
Следует заметить, что окончательное решение о возможности применения указанных материалов в конструктивных системах и область их применения можно сформулировать только после проведения испытаний по [1,6] и если необходимо, то после проведения испытаний по методике [7].
Результаты представленных научных исследований могут представлять интерес для практического использования при оценке уровня пожарной безопасности объектов представителям органов надзора и контроля за пожарной опасностью зданий и сооружений различного назначения, а также проектировщикам и архитекторам.
Список использованных источников:
1. ГОСТ 31251-2003 «Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности. Стены наружные с внешней стороны» .- М., 2003.
2. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.- М., 1997.
3. ГОСТ 30244-94 «Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть».- М., 1996.
4. EN ISO 1716:2002 «Reaction to fire test for building products – Determination of the heat of combustion».- М., Brussels, 2002.
5. Инструкция “Идентификация твердых веществ, материалов и средств огнезащиты при испытаниях на пожарную опасность. Определение идентификационных термоаналитических показателей».- М., 2004.
6. ГОСТ 30403-96 «Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности».- М., 1996.
7. Молчадский И.С. Пожар в помещении.- М., 2005.
О.И. Молчадский, ведущий науч. сотр., канд. техн. наук,
Н.И. Константинова, нач. сектора, д-р техн. наук,
А.С. Етумян, ст. науч. сотр. (ФГУ ВНИИПО МЧС России)
Источник: Журнал «Пожарная Безопасность» №5 2006г.