Bierne zabezpieczenia przeciwpożarowe konstrukcji

Bardzo często brak rozważenia sytuacji wyjątkowej, jaką jest pożar (drugie wymaganie podstawowe [1]), we wczesnej fazie projektowania prowadzi do znacznych ograniczeń w optymalnym zaprojektowaniu konstrukcji, wykorzystaniu zarówno jej potencjału, jak i zalet współczesnych izolacji ogniochronnych.

Oczywiście zawsze można dobrać izolację ogniochronną w taki sposób, żeby zabezpieczony nią element spełniał wymagane kryteria odporności ogniowej, jednakże należy również wziąć pod uwagę jej zachowanie w trakcie "życia" budynku, a więc trwałość zastosowanych rozwiązań, co nie zawsze jest w sposób należyty uwzględniane i często prowadzi do problemów eksploatacyjnych (FOT. 1).

Dlatego niezwykle istotne jest prawidłowe uwzględnienie potencjału zastosowanych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych we wszystkich wymaganych sytuacjach we wstępnej fazie projektowania, a nie dobieranie rozwiązań post factum, na zasadzie naprawiania problemów zaistniałych na już wybudowanej konstrukcji. Oczywiście dotyczy to nowo wznoszonych budynków, a nie obiektów istniejących, gdzie możliwości dostosowania do wymagań [2] są znacznie zawężone.

Warto przypomnieć podstawowe właściwości materiałów konstrukcyjnych w sytuacji ogniowej:

• Wśród materiałów powszechnie stosowanych w budownictwie, tylko nieliczne potrafią "bronić się" samodzielnie, a więc bez udziału specjalistycznych zabezpieczeń ogniochronnych, w temperaturach pożarowych przez określony czas, przy czym zarówno czas oddziaływań termicznych, jak i wartość temperatury (jej przyrost w czasie i wartość maksymalna) odgrywają tu decydującą rolę.
• Dla większości z powszechnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych już 400°C w przypadku właściwości wytrzymałościowych, oraz 150-200°C w przypadku modułu Younga oznacza redukcję parametrów, a jedynie wybrane materiały murowe w tym przede wszystkim beton komórkowy i silikaty notują znaczące wzmocnienie wytrzymałości w przedziale temperatur 250÷650°C (RYS. 1).

• Spośród wymienionych na RYS. 1 materiałów jedynie drewno jest materiałem palnym, według kryteriów reakcji na ogień [3]. Wszystkie pozostałe materiały według tychże kryteriów są niepalne i klasyfikowane jako A1 lub A2, co jednak nie zawsze przekłada się na ich odporność na działanie temperatur pożarowych.
• Wbrew pozorom, drewno jako materiał palny, który klasyfikuje się najczęściej jako klasa D, a po uniepalnieniu, czyli zabezpieczeniu/nasączeniu odpowiednimi impregnatami, które mają spowolnić rozkład termiczny drewna w pożarze, jako najwyżej klasa B, czyli materiał palny, ale niezapalny (FOT. 2), podczas spalania wytwarza mechanizm ochronny, w postaci warstwy zwęglonej działającej jak izolator, która bardzo spowalnia proces spalania wnętrza (średnio prędkość zwęglania dla najpowszechniej spotykanego drewna konstrukcyjnego wynosi 0,65-0,8 mm/min) i w ten sposób broni rdzeń przekroju, a co za tym idzie - całą konstrukcję nośną przed zniszczeniem (FOT. 3).
• Zupełnie inaczej zachowuje się nieosłonięta ogniochronnie, niepalna (klasa A1) stal (FOT. 4), która jest dobrym przewodnikiem, bardzo szybko się uplastycznia i deformuje.
• Jeszcze większe problemy w ogniu dotyczą konstrukcji aluminiowych, które w temperaturze około 660°C topią się, przechodząc w stan ciekły.

Konstrukcje wykonane z dobrze przewodzących materiałów, a więc szybko nagrzewających się w sytuacji ogniowej, należy więc izolować ogniochronnie. W zależności od czasu, w jakim element ma pełnić swoją funkcję podczas pożaru [im dłuższy czas, tym większa destrukcja elementu oraz wyższe tempo narastania temperatury i jej wartości maksymalnej (RYS. 2)], stosuje się we współczesnym budownictwie specjalnie zaprojektowane bierne izolacje ogniochronne, pozwalające chronionym elementom zachować oczekiwane wybrane kryteria odporności ogniowej, a więc nośność R, szczelność E i izolacyjność I ogniową [4, 5].

Wśród biernych izolacji ogniochronnych, które ochraniają konstrukcje przed działaniem ognia, rozróżnia się dwa podstawowe typy z uwagi na wykorzystywany mechanizm ochrony. Są to:

• izolacje reaktywne aktywowane temperaturą (np. farba czy lakier pęczniejący)
• oraz izolacje pasywne (np. płyty silikatowo-cementowe).

Obydwa typy zapewniają ochronę konstrukcji poprzez zapewnienie izolacji przed działaniem temperatury, a więc utrudniają nagrzewanie się jej [5].

Podstawowy podział biernych izolacji ogniowych wynika jednak z formy występowania (farby, zaprawy, płyty) oraz sposobu aplikacji (malowanie, natrysk, klejenie, montaż łącznikami).

Ponadto rozwiązania pasywne izolacji ogniochronnych można podzielić na zabezpieczenia indywidualne (np. belki, słupy) lub też grupowe (np. rząd słupów, specjalnie wykonaną w tym celu ścianą o odporności ogniowej).

Izolacje powłokowe

Wśród izolacji powłokowych najczęściej stosuje się

• powłoki pęczniejące pod wpływem temperatury (farby, rzadziej lakiery)
• lub substancje opóźniające rozprzestrzenianie się ognia i dymu w przypadku materiałów palnych (impregnaty służące np. do zabezpieczania drewna i materiałów drewnopochodnych) [6].

Są to od wielu lat znane i rozwijane rozwiązania ogniochronne [7], które charakteryzują się przede wszystkim prostotą aplikacji, niewielką masą powłoki oraz estetyką. Służą do zabezpieczania elementów przed działaniem ognia, najczęściej wykonanych z drewna, tworzyw sztucznych, tekstyliów, ale i kabli elektrycznych, pianek czy kompozytów polimerowych.

Tego typu zabezpieczenia nie przyczyniają się do zmiany chemicznej chronionego elementu, a tworzą powłokę zabezpieczającą, która zmniejsza przepływ ciepła do zabezpieczanego elementu i hamuje jego degradację termiczną, opóźnia zapłon czy spowalnia spalanie [8].

Powłoki opóźniające rozprzestrzenianie ognia zazwyczaj występują w formie farb, lakierów a najczęściej impregnatów.

Inny mechanizm dotyczy powłok pęczniejących, które w kontakcie z temperaturą pożarową (zazwyczaj > 200°C) zwiększają znacząco swoją grubość, przybierając postać wielokomórkowej warstwy (FOT. 5-7), izolującej element, która wraz z upływem czasu oddziaływania temperatury pożarowej ulega stopniowemu zwęgleniu.

Współczesne materiały pozwalają na zwiększenie grubości warstwy pęczniejącej o ponad 50 razy, co znacznie zwiększa skuteczność w zabezpieczaniu przed działaniem temperatury tego rozwiązania. Grubość warstwy pęczniejącej zazwyczaj waha się od 1 do 3 mm i mamy wtedy do czynienia z cienką powłoką lub od 3 do 30 mm i wtedy mówimy o grubej powłoce lub mastyksie.

Powłoka pęczniejąca zazwyczaj występuje jako wodorozcieńczalna lub rozpuszczalnikowa zawiesina i nanoszona jest na elementy metodami malarskimi (malowanie, pistolet malarski).

Farby pęczniejące najpowszechniej występują w formie zestawu trzech produktów, w skład którego wchodzi:

• warstwa gruntująca zapewniająca właściwą przyczepność warstwy zasadniczej, a dodatkowo zabezpieczająca np. stalowy element przed korozją,
• warstwa zasadnicza - pęczniejąca,
• warstwa wierzchnia, która zapewnia walory dekoracyjne (kolor), ale również chroni przed wpływem czynników zewnętrznych.

Właściwa powłoka pęczniejąca zazwyczaj składa się z kilku kluczowych komponentów zapewniających jej zdolności do zwiększania i utrzymania swojej grubości pod wpływem temperatury [9]. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się:

• nieorganiczne kwasy lub złożone związki, które pod wpływem temperatury z przedziału 100-250°C wytwarzają kwas mineralny,
• wielowodorotlenkowe związki, np. takie, które w wyniku rozkładu tworzą większą objętość węgla niż w oryginalnym związku,
• organiczne aminy lub amidy, które przy rozkładzie wytwarzają duże ilości gazu, tworząc pianę,
• chlorowcowane (fluorowcowane) materiały organiczne jako środek porotwórczy,
• żywica syntetyczna jako spoiwo,
• różnego rodzaju dodatki w formie rozpuszczalników, wypełniaczy mineralnych, kontrolerów lepkości, włókien, zagęszczaczy, barwników itp. [10].

Typowy mechanizm zwiększania grubości powłoki pęczniejącej wygląda w ten sposób, że pod wpływem temperatury, po przekroczeniu pewnego progu rozpoczyna się reakcja chemiczna, która powoduje pęcznienie powłoki.

• Woda powstała w wyniku reakcji rozkładu związków organicznych w obecności kwasu, np. fosforowego, ulega odparowaniu, a powstałe pęcherzyki formują pianę o właściwościach termoizolacyjnych.
• Piana ulega dalszemu spęcznieniu w wyniku wydzielania gazów ze środków pęczniejących.
  Wielkość powstałych pęcherzyków jest kontrolowana przez spoiwo wiążące pianę (np. żywica akrylowa lub epoksydowa) i nadaje jej odpowiednią sztywność.
  Obecność np. kwasu fosforowego zapobiega utlenieniu węglowego szkieletu i erozji powłoki pod wpływem wysokiej temperatury.

Skuteczność ogniochronnych powłok pęczniejących wynika z właściwości termoizolacyjnych, grubości warstwy zasadniczej oraz izolowanego elementu konstrukcyjnego.

W przypadku konstrukcji stalowych istnieje pewna graniczna wartość współczynnika masywności (obwód do pola przekroju), której przekroczenie uniemożliwia zastosowanie farby [11].

Zaletą tego typu izolacji jest łatwość aplikacji, stosunkowo niewielka grubość i waga, a także duża estetyka. Wśród wad można wymienić niewielką odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Generalnie stosowanie farb pęczniejących potrafi zabezpieczyć konstrukcję stalową w klasach odporności ogniowej R15 do R60, a wyjątkowo do R120, jak to miało miejsce np. na Stadionie Narodowym, gdzie zabezpieczono stalowe wzmocnienia schodów zewnętrznych (FOT. 8).

Masy natryskowe

Masy natryskowe z uwagi na prostotę aplikacji (natrysk można aplikować na dowolny kształt) i bardzo dobre właściwości izolacyjne stosowane są zarówno na konstrukcjach narażonych na oddziaływanie standardowe ognia (N), ale i węglowodorowe (H, HCM) (FOT. 9-10) czy tunelowe (RABT, RWS), gdzie mamy do czynienia z dużo wyższymi i szybciej przyrastającymi temperaturami [12].

Masy natryskowe występują w postaci suchej mieszanki, w skład której wchodzi:

• spoiwo (najczęściej cement lub gips),
• wypełniacz będący izolatorem (wermikulit, wełna mineralna w postaci włókien lub granulatu)
• oraz różnego rodzaju związki modyfikujące.

Masy natryskowe aplikuje się poprzez natrysk (podobnie jak torkretowanie), przy czym występują dwie technologie.

• Bardziej popularna i generująca mniej strat materiałowych jest tzw. technologia sucha, gdzie fabrycznie wyprodukowana sucha mieszanka jest transportowana i dopiero u wylotu dyszy pistoletu agregatu natryskowego jest mieszana z wodą lub ciekłym spoiwem.
• Druga metoda, tzw. mokra, polega na zarobieniu suchej mieszanki z wodą i podobnie jak ma to miejsce w przypadku mechanicznych prac tynkarskich przy użyciu agregatów pompowo-natryskowych naniesiona jest na element.

Grubości mas natryskowych wahają się od 10 do 100 mm, przy czym większe grubości uzyskiwane są w kilku warstwach.

Właściwą przyczepność do podłoża uzyskuje się poprzez odpowiednie jego przygotowanie, stosowanie odpowiednich podkładów, a w wybranych przypadkach siatek stalowych i/lub łączników stalowych, zgrzewanych lub klejonych do konstrukcji (FOT. 11).

Powszechnie stosowane są dwie gęstości natrysków, lekkie o gęstości 250-400 kg/m3 i ciężkie o gęstości 700-800 kg/m3. Te pierwsze zazwyczaj bardzo dobrze radzą sobie z oddziaływaniami standardowymi (N), te drugie przeznaczone są do bardziej ekstremalnych warunków, jakie panują w zakładach chemicznych czy tunelach.

Zaletą natrysków ogniochronnych jest łatwa aplikacja i bardzo dobra izolacyjność oraz prostota naprawy.

Wadą jest nierówna faktura powierzchni (FOT. 12 i FOT. 13), a w przypadku chęci uzyskania równej powierzchni duża pracochłonność (FOT. 14), możliwość zabrudzenia sąsiednich elementów podczas aplikacji oraz nie zawsze wystarczająca odporność na działanie czynników atmosferycznych.

Stosowanie natrysków ogniochronnych potrafi zabezpieczyć konstrukcję w klasach R15 do R240, co pozwala na pełne spełnienie wymagań rozporządzenia [4]. 

Zabezpieczenia płytowe

Najbardziej estetycznym, a do tego bardzo skutecznym i popularnym sposobem uzyskania wymaganej klasy odporności ogniowej przez zabezpieczany element jest stosowanie specjalnych płyt ogniochronnych. Najczęściej w tym celu wykorzystuje się różnego rodzaju płyty na spoiwie cementowym (FOT. 15), gipsowym, cementowo-wapiennym itp. (płyty krzemianowo-wapniowe, płyty silikatowo-cementowe - FOT. 16 i FOT. 17), ze zbrojeniem w postaci włókien szklanych oraz różnego rodzaju wypełniaczami, płyty gipsowo-kartonowe lub płyty gipsowo-włóknowe oraz okładziny z wełny mineralnej, przy czym należy zauważyć, że te ostatnie powinny mieć gęstość powyżej 100 kg/m³, przy czym najpopularniejsze rozwiązanie ma gęstość 150 kg/m³.

Płyty na budowę dostarcza się w formie gotowych formatek i po przycięciu składa się z nich szczelne obudowy skrzynkowe lub konturowe ewentualnie wykonuje okładziny (FOT. 18). W tym celu wykorzystuje się łączniki mechaniczne (szpilki, wkręty, klamry) i/lub klejenie przy użyciu specjalnych klejów/zapraw odpornych na działanie wysokich temperatur.

W zależności od rodzaju płyty stosuje się jedną określoną grubość ewentualnie składa się płyty o mniejszych standardowych grubościach, np. płyty g-k DF 12,5 mm, w większą całość. W zależności od rodzaju płyt spotyka się gęstości od ok. 100 kg/m3 (płyty z wełny mineralnej) do 900 kg/m3 w przypadku płyt silikatowo-cementowych.

Największą zaletą płyt ogniochronnych jest ich powtarzalność wynikająca ze sposobu produkcji, czystość prowadzenia prac oraz zazwyczaj bardzo estetyczny wygląd konstrukcji po zabezpieczeniu. Największą wadą jest długi czas montażu. Należy jednak pamiętać, że część płyt może występować jako elementy samonośne, co jest wykorzystywane przy budowie kanałów do odprowadzania gazów pożarowych (FOT. 19).

Stosowanie płyt ogniochronnych potrafi zabezpieczyć konstrukcję w klasach R15 do R240, co pozwala na spełnienie w pełnym zakresie wymagań rozporządzenia [2]. Przykład zastosowania płyt na konstrukcji stalowej i żelbetowej przedstawiono na FOT. 20 i FOT. 21.

Wprowadzanie biernych izolacji ogniochronnych na rynek

Dla biernych izolacji ogniochronnych ustanowiono dokumenty odniesienia, na podstawie których można je badać i wprowadzać na rynek. Są to wytyczne do europejskich aprobat technicznych obecnie zastąpione przez europejskie oceny techniczne, w których opisano wszelkie niezbędne wymagania, badania odwołując się do konkretnych norm badawczych oraz metody oceny.

W dokumentach tych odniesiono się do obowiązujących wymagań podstawowych [1], w kontekście zamierzonego zastosowania, uwzględniając nie tylko najistotniejszy parametr, jakim jest odporność ogniowa, ale i inne istotne cechy, np. ekspozycję na czynniki środowiskowe i atmosferyczne, od której zależy sposób badania i narażenia. Szczegóły można odszukać w poniżej wymienionych dokumentach:

• ETAG 018-1 - Fire protective products. Part 1: General (dokument ogólny),
• ETAG 018-2 - Fire protective products. Part 2: Reactive coating for fire protection of steel elements (farby pęczniejące),
• ETAG 018-3 - Fire protective products. Part 3: Renderings and rendering kits intended for fire resistance applications (natryski ogniochronne),
• ETAG 018-4 - Fire protective products. Part 4: Fire protective board, slab and mat products and kits (płyty ogniochronne).

W wymienionych dokumentach przywołano szereg norm badawczych, wśród których najważniejsze są te przeznaczone do weryfikacji odporności ogniowej. Norma EN 13381, z uwagi na swoją obszerność, została podzielona na poszczególne arkusze, wśród których można wyszczególnić:

• EN 13381-1 - membrany poziome,
• EN 13381-2 - membrany pionowe,
• EN 13381-3 - beton (ekwiwalentna grubość betonu),
• EN 13381-4 - stal, materiały pasywne (natryski, płyty) - (FOT. 22-23).
• EN 13381-5 - stropy betonowe na blachach stalowych,
• EN 13381-6 - słupy stalowe wypełnione betonem,
• EN 13381-7 - drewno,
• EN 13381-8 - stal, materiały reaktywne (farby itp.), (FOT. 24 i FOT. 25),
• EN 13381-9 - stal, elementy z otworami w środniku.

Wybierając na budowie wyrób do zabezpieczenia ogniochronnego, należy dokładnie sprawdzić nie tylko deklarację stałości właściwości użytkowych, ale i certyfikat, klasyfikację ogniową oraz, o ile jest to możliwe, raporty z badań, w szczególności ogniowych, w których precyzyjnie opisano wszystkie niezbędne informacje, badane układy i zestawy. Pozwoli to na uniknięcie błędów i niewłaściwe stosowanie na zasadzie analogii, np. skoro do konstrukcji drewnianych to znaczy, że do wszystkich, co nie zawsze jest prawdą.

Podsumowanie

Bierne izolacje ogniochronne są powszechnie stosowane w budownictwie do zabezpieczania elementów przed oddziaływaniem ognia.

• Przy obecnej konstrukcji Warunków Technicznych [2], kiedy pomimo zastosowania czynnych zabezpieczeń przeciwpożarowych, np. w postaci tryskaczy, zakłada się, że konstrukcja budynku mimo wszystko ma bronić się sama, ich stosowanie w wielu przypadkach jest niezbędne, co wpływa na rozwój tychże technologii ochrony.
• Największą zaletą tego typu rozwiązań dla właściciela lub użytkownika budynku, oprócz podstawowej funkcji izolacyjnej, zapewniającej przez określony czas bezpieczeństwo konstrukcji, jest niski koszt ich utrzymania, w odróżnieniu od czynnych zabezpieczeń przeciwpożarowych, które wymagają sukcesywnych przeglądów oraz serwisowania.
• Bierne zabezpieczenia ogniochronne to bardzo często proste wyprawy tynkarskie, np. tynk cementowo-wapienny lub wapienny lub obrzutka betonowa, które stosuje się w przypadku ścian, poprzez bardziej zaawansowane i skuteczniejsze w działaniu natryski, specjalistyczne płyty czy farby i lakiery. Należy jednak pamiętać, że tak jak w przypadku innych rozwiązań charakteryzujących się klasą odporności ogniowej [13, 14], w wielu przypadkach jedynym wiarygodnym sprawdzeniem deklarowanych cech jest niszczące badanie ogniowe, ewentualnie pożar budynku, w którym zabudowano dany element.

Zachodzi zatem pytanie, czy dla tak odpowiedzialnych zabezpieczeń jak bierne izolacje ogniochronne, wszak ich brak skuteczności działania może przyczynić się do bezpośredniego zagrożenia życia i mienia, istnieje metoda oceny, która da bardziej wiarygodny wynik sprawdzenia niż jedynie ocena wizualna?

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (EU) nr 305/2011 z 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 nr 75 poz. 690 z późn. zm.).
3. PN-EN 13501-1:2008 A1:2010, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień".
4. PN-EN 13501-2:2016-07, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnych".
5. P. Mather, "Saving lives with coatings", Eur Coating J, 48/2006, p. 50-52.
6. G.B. Verburg, E.T. Rayner, D.A. Yeadon, "Water-resistant, oil-based, intumescing fire-retandant coating", I. Developmental formulations. J Am Oil Chem Soc; 41/1964, p. 670-674.
7. H. Tramm, C. Clar, P. Kuhnel, "Fire proofing of wood”, Patent 2106938, USA, 1938.
8. M. Jimenez, S. Duquense, S. Bourbigot, "Multiscale experimental approach for developing high-performance intumescent coatings", Ind Eng Chem Res; 45/2006, p. 4500-4508.
9. H.L. Vandersall, "Intumescent coating systems, their development and chemistry", J. Fire Flammability, 2/1971, p. 97-140;
10. T. Mariappan, "Recent developments of intumescent fire protection coating for structural steel: A review", Journal of Fire Sciences, vol. 34(2)/2016, p. 120-163.
11. P. Turkowski, P. Sulik, "Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 3", ITB, Warszawa 2015.
12. P. Sulik, P. Turkowski, "Wymagania dotyczące odporności ogniowej konstrukcji tuneli w kontekście nowelizacji przepisów", "Materiały Budowlane" 7/2015, s. 62-63.
13. D. Izydorczyk, B. Sędłak, P. Sulik, "Problematyka prawidłowego odbioru wybranych oddzieleń przeciwpożarowych", "Materiały Budowlane" 11/2014, s. 62-64.
14. P. Sulik, D. Izydorczyk, B. Sędłak, "Elementy decydujące o awariach wybranych oddzieleń przeciwpożarowych", XXVII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin–Międzyzdroje 20–23.05.2015, s. 771-778.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!