Огнезащита на строителните материали

Огънят може да причини много големи щети на строителните конструкции, които струват скъпо в материален и социален аспект. Затова са разработени различни методи за защита от него с използването на разнообразни материали и технологии. В настоящия материал се спираме на възможността за предпазване от разрушителното въздействие на огъня чрез огнезащитни бои и повърхностни обработки.

Огнезащитните повърхностни покрития, известни в някои среди като антипирени, представляват съединения в течно, твърдо или газообразно състояние, които се нанасят върху конструктивните елементи с цел противопожарна защита. Това са различни химикали, бои и обработки, които намаляват запалимостта на материалите, независимо дали става дума за носеща конструкция или довършителни работи. Най-важната характеристика на тези покрития е устойчивостта на огън, която се оценява на базата на времето (часове и минути), за което материала или конфигурацията остава изложена на пряко огнево въздействие, запазвайки посочените в нормативните документи свойства и параметри.
Огнезащитните покрития имат различно действие и оптималният им подбор зависи от множество фактори. В зависимост от свойствата си те биват различни видове – някои предизвикват подобряване на устойчивостта на продължително огнево въздействие, други са ефикасна мярка за забавяне на възпламеняването, намаляване на скоростта на изгаряне и нивото на освобождаване на запалими вещества от третираните елементи. При всички случаи, обаче, основната цел на нанасянето на такива покрития и обработки е да се забави развитието и се редуцира интензивността на огъня при лесно запалимите материали, за които огнезащитата е задължителна при използването им за отговорни сградни елементи.

Принцип на действие
За да се разбере начина на действие на защитните противопожарни и забавящи разпространението на огъня покрития и обработки е важно да се познава принципът на възпламеняване на твърдите материали, към които се отнасят и голяма част от строителните материали. Те, за разлика от газовете, не се възпламеняват директно, а първо трябва да бъдат разложени от действието на топлината (пиролиза), като при това се отделят запалими газове, които изгарят с помощта на кислорода от въздуха, образувайки пламъци. Ако материалите не генерират такива газове, те могат да се изгорят без пламък (тлеене), но често те се самоизгасяват, особено когато се образува стабилен повърхностен въглероден слой, който предпазва от навлизане на топлина в сърцевината на елемента. И все пак в някои случаи, като например при дървения материал, е възможно активно горене, ако генерираната топлина го разгради пиролизно, генерирайки газове.
Пламъците се поддържат от действието на радикали с висока енергия (водородни йони и хидроксилни групи в газообразна фаза), които разлагат материала и окисляват водорода, образувайки въглероден диоксид, придружено с отделяне на значително количество топлина.
Термичен ефект: Няколко са начините, по които забавителите на горенето намаляват акумулирането на топлина. На първо място те допринасят за увеличаване на термичната проводимост с цел разсейване на топлината, предизвикваща възпламеняване. Увеличава се термопоглъщаемостта, като така се ограничава количеството активна топлинна енергия, освен това забавителите осигуряват изолация на конструктивния елемент, допускайки редуцирана част от топлината до него.
Изолиращ ефект: При полагането на огнезащитни покрития се създава изолиращо покритие между огъня и предпазвания елемент. От една страна покритието не позволява достъпа на необходимия за протичане на горенето кислород до елемента, а от друга, в същото време възпрепятства отделянето на запалими газове.
Ефект на разреждане на газовете: При подлагане на огнево въздействие на повърхности, обработени с огнезащитни покрития, се отделят незапалими газове като водна пара, въглероден диоксид и амоняк които разреждат средата на запалими газове и възпрепятстват процеса на възпламеняване.
Химически ефект: Той се асоциира предимно с продукти на целулозна основа като дървото например. По време на етапа на възпламеняване, запалването на сместа от горими газове, получени при предходния етап на пиролиза става видимо чрез пламъците. Химическите огнезащитни материали вземат участие в реакциите на пиролизата, намалявайки температурата на химично разграждане, като по този начин при него се отделят въглероден диоксид и вода, вместо запалими газове.

Видове огнезащитни покрития
Съществуват различни видове огнезащитни покрития, които действат по различен начин. Сред популярните видове са тези на основата на халогени, фосфор, антимонов триоксид, азот, като не бива да се забравят и набъбващите покрития. Действието на защитните покрития може да е директно или като катализатор, засилвайки действието на други огнезащитни материали.
Огнезащитните покрития на база халоген действат чрез премахване на свободните водородни и хидроксилни радикали от газовата среда. Така се намалява скоростта на процесите и може да се предотврати запалването. Редуцира се акумулирането на топлина и се предотвратява отделянето на запалими газове.
Антимоновият триоксид не притежава забавящи огъня свойства, но е ефективен катализатор на халогенните огнезащитни покрития, улеснявайки тяхното химическо разграждане на активни молекули.

Неорганичните огнезащитни материали (сред които алуминиев трихидрат, магнезиев хидроксид и съединения на бор, цинк и калай) се намесват в процеса на запалване и горене чрез физични процеси като отделянето на вода или незапалими газове, които разреждат запалимата газова среда, или чрез абсорбиране на топлина или създаване на незапалима преграда по повърхността на материала.
Огнезащитните покрития на база фосфор имат най-голям ефект спрямо твърдата фаза на предпазвания от запалване материал. При нагряване фосфорът реагира, създавайки кристалинно покритие, което забавя процесите на пиролиза и отделяне на възпламеними газове, които са необходимо условие за поддържане на пламъците. Следствие на тези процеси се намалява значително количеството отделени горими газове и е възможно овладяването на огъня.
Набъбващите огнезащитни покрития се използват за защита от огън на различни конструктивни материали и сградни елементи, като те предпазват чрез предотвратяване на запалването. Сред популярните им сфери на приложение са дървените и пластмасовите повърхности. Използват се с успех и при стоманени конструктивни елементи, като надеждно предотвратяват или забавят структурните деформации, водещи до загуба на носеща способност по време на пожар. Тези покрития най-често се произвеждат от смес от различни активни компоненти и се предлагат под формата за лесна за нанасяне боя. Произведени са така, че да увеличат дебелината си няколкократно при излагане на огнево въздействие, създавайки по този начин плътен топлоустойчив, негорим изолационен слой между огъня и защитения елемент. Всеки продукт от този тип съдържа няколко ключови компонента, обуславяйки свойствата и ефективната му работа. Един от тях са пенливите вещества, които при висока температура отделят големи количества негорими газове като амоняк, азот и въглероден диоксид.
Друг задължителен компонент е слепващото вещество, което се разтопява от топлината, създавайки като резултат вискозна течност, която отнема свободните газове, чрез включване в обема си на затворени пори, в резултат на което се формира дебел пласт защитна пяна. Сред компонентите на набъбващите огнезащитни покрития често има и източник на киселина, който при висока температура отделя фосфорна, борна или сярна киселина, чието действие е подобно на това на огнезащитните материали на база фосфор.

Методи за обработка с огнезащитни материали
Съществуват четири основни метода за повърхностна обработка с огнезащитни материали, които зависят както от вида на самия материал, така и от характеристиките на обработвания елемент. Един от най-популярните начини за нанасяне на покритията, приложим при голяма част от възможните случаи е повърхностното нанасяне (боядисване). При него се създава негорима преграда непосредствено върху елемента, предпазваща го от действието на огъня. Този начин е особено подходящ за конструктивни материали, които нямат способност да абсорбират течности в обема си и е доста често прилаган, благодарение на лесното и бързо изпълнение.
При абсорбираща повърхност по-добър ефект има импрегнацията или импрегнацията под налягане, които осигуряват по-добра пожарозащита, защото позволяват обработка не само на повърхността, но и в дълбочина на материала. При импрегнацията химическите огнезащитни материали се разтварят, обикновено във вода и елементът се потапя в разтвора. Импрегнация под налягане е подходяща за сравнително плътни и по-слабо абсорбиращи материали като повечето продукти на база дървесина. Процесът протича в автоклавни камери, като въздухът от вътрешните пори на материала се заменя от огнезащитен разтвор. В сравнение с класическото импрегниране, тази технология предлага по-дълбоко проникване и по-добро задържане на импрегниращия разтвор в обема на обработвания елемент.
Четвъртия начин за получаване на огнезащитно покритие е чрез химична обмяна. Той се прилага при полимерни съединения на база синтетични фибри (като например полиуретанова пяна и полистирен), чиято структура се модифицира още по време на производствените процеси, за да се постигнат по-добри пожарозащитни свойства.

Токсичност и влияние върху околната среда
При третираните с огнезащитни материали конструктивни елементи често се отделят известни количества токсични пари като циановодород и азотни оксиди, по време на термичното разлагане, но при различни изследвания се е достигнало до извода, че те не са повече, отколкото при горенето на нетретираната дървесина. Най-голямо внимание от гледна точка на опазването на околната среда се обръща в последните години на халогенните огнезащитни покрития. При температури около 480оC халогенните съединения основно се разграждат на бромоводород и хлороводород. От съображения за опазване на околната среда, употребата на халогенни огнезащитни покрития се ограничава, заради доказаният им разрушителен ефект върху озоновия слой.