1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Классификация неорганических строительных материалов для целей пожарно-технической экспертизы
Важнейшей группой неорганических конструкционных и отделочных материалов являются искусственные каменные материалы, широко использующиеся в строительстве. Наиболее распространенные на месте пожара неорганические неметаллические строительные материалы можно для целей пожарно-технической экспертизы разделить на две большие группы [24]:
- материалы, при изготовлении которых используются высокие температуры обжига или плавления;
- материалы, изготовленные без использования высоких температур (не выше температуры перегретого водяного пара).
Материалы, прошедшие высокотемпературную обработку в процессе изготовления на заводе, при вторичном нагреве в ходе пожара практически не меняют своего состава, структуры и свойств. Получить путем их исследования какую-либо информацию о пожаре довольно сложно. Поэтому материалы этой группы после пожара экспертно-криминалистическому исследованию обычно не подвергаются. К материалам и изделиям этой группы относятся [29]:
1. Материалы, полученные путем обжига:
- красный кирпич (применяется для кладки наружных и внутренних стен и фундаментов);
- кровельная черепица (применяется для кладки крыш жилых и производственных помещений),
- плитка кафельная (применяется для облицовки стен, полов и перегородок внутри помещений),
- тонкая керамика (различные изделия хозяйственно-бытового назначения),
- огнеупоры (применяются для футеровки промышленных и бытовых печей)
2. Материалы, полученные путем плавления: стекла, шлакостекла, петростекла [14,11].
Материалы, изготовленные с использованием температур, не превышающих температуру перегретого пара (при производстве некоторых из них используется пропарка) могут быть объектами пожарно-технической экспертизы. Среди них различают:
1. Изделия на основе неорганических вяжущих материалов:
с применением воздушных вяжущих материалов - гипса, извести (способны после смешивания с водой затвердевать и сохранять довольно долго свою прочность на воздухе);
с применением гидравлических вяжущих материалов – различных цементов (при смешивании с водой застывают на воздухе и сохраняют свою прочность на воздухе и в воде).
2. Силикатные строительные материалы:
силикатный кирпич, газосиликат, пеносиликат (изготавливаются из смеси негашеной извести и кварцевого песка).
Таким образом, можно констатировать, что цемент, известь, гипс - три главных минеральных связующих, составляющие основу мировой промышленности искусственных каменных строительных материалов.
Для того чтобы понять, какие изменения могут происходить в этих материалах и изделиях из них при нагревании в ходе пожара, как их фиксировать и как использовать полученную информацию при поисках очага, рассмотрим, что собой представляют указанные связующие.
Цементы [11-14].
Под названием «цементы» объединяют вещества, которые совместно с песком образуют раствор, затвердевающий при взаимодействии с водой. Самым распространенным и наилучшим в настоящее время цементом является «портланд-цемент», получающийся прокаливанием известняка с глиной, содержащей определенные соотношения силикатов кальция, алюмината кальция, феррита кальция. Тонко размолотые и хорошо перемешанные составные части обжигают в специальных трубчатых печах при 1400-1450 оС. Полученный материал (клинкер) подвергают очень тонкому размолу.
Основные компоненты цементного клинкера:
- силикат кальция – (3СаО•SiO2составляет 40-60 %; 2СаО•SiO2составляет 15-35 %);
- алюминат кальция (3СаО•Аl2O3составляет 5-15%);
- алюмоферрит кальция (4СаО•Аl2O3•Fe2O3составляет 10-15%).
- Затвердевание цемента при смешивании с водой происходит в результате гидратации, с образованием кристаллических:
- гидроокиси кальция (Са(ОН)2);
- гидроалюмината кальция;
- гидроферрита кальция.
В то же время силикаты превращаются в коллоидные гидросиликаты кальция, за счет которых осуществляется сцепление массы.
Известь [11]
Гашеная известь представляет из себя гидроокись кальция Са(ОН)2и является продуктом взаимодействия окиси кальция (СаО – негашеная известь) с водой. Гашеная известь, приготовленная с определенным количеством воды представляет из себя коллоидную пасту, содержащую значительно больше воды, чем это соответствует формуле Са(ОН)2. Эта паста в смеси с песком образует штукатурный раствор, который схватывается сначала за счет потери воды в пористый кирпич и испарения. Через годы раствор затвердевает, взаимодействуя с углекислым газом воздуха, происходит реакция с образованием карбоната кальция.
Са(ОН)2 +СО2? СаСО3
При производстве силикатного (белого) кирпичанегашеная известь смешивается с песком (SiO2) и прессуется в атмосфере насыщенного водяного пара. В результате образуется кальциевый гидросиликат:
mCaO nSiO2 рН2Оочень близкий к цементному камню.
Гипс [11,16,17].
Гипс представляет собой сульфат кальция, встречающийся в природе в виде ангидритаСаSO4а также в огромных количествах в виде собственно гипса -СаSO4•2Н2О.
При нагревании до 100-125 оС гипс частично теряет кристаллизационную воду, образуя неустойчивый полугидрат сульфата кальция – алебастр2СаSO4•H2O.
Порошок алебастра при смешении с водой быстро схватывается, образуя плотную массу с небольшим увеличением объема. При нагревании выше 200 оС гипс полностью теряет кристаллизационную воду. Безводный сульфат кальция, как и алебастр взаимодействует с водой, образуя гипс.
Поведение строительных материалов с различными видами неорганических связующих на пожаре.
При нагревании в ходе пожара кальциевый гидросиликат, основной компонент цементного и известкового камня, начинает постепенно терять воду, причем тем больше, чем больше температура и длительность нагрева:
mCaOnSiO2pH2O?mCaOnSiO2
Процесс дегидратации происходит в интервале температур от 120-150 до 600-700 оС.
Химические процессы потери кристаллизационной воды сопровождаются физическими изменениями структуры и свойств материалов. Цементный и известковый камень разрушаются, в них появляются микро- а затем и макротрещины. В бетоне и железобетоне ситуация осложняется возникающими дополнительными напряжениями из-за разных коэффициентов теплового расширения самого цементного камня и крупного заполнителя (щебня), а также стальной арматуры. Завершаются указанные физико-механические изменения полным отслоением штукатурки и защитного слоя бетона, разрушением конструкций.
Гипс, как уже указывалось, при температуре 100-125 оС переходит в полугидрат, а при температуре выше 200 оС и до температуры около 280 оС существует в виде растворимого ангидрита (гамма-ангидрит). При последующем нагреве в диапазоне от 300-500оС до 1000-1200оС гипс существует в виде нерастворимого ангидрита (бета-ангидрит), а выше 1000-1200 оС образуется альфа-ангидрит и выделяется некоторое количество СаО.
Таким образом, изменения в результате нагрева изделий из неорганических строительных материалов сводятся, в основном, к потере кристаллизационной воды и переходу в различные кристаллические модификации.
1.2. Гипсокартон, как объект пожарно-технической экспертизы
1.2.1. Общие сведения о гипсокартоне
Гипсокартон, как отделочный материал, известен давно. Гипс в строительстве используется с самых древнейших времён. Но прорыв в технологиях производства гипсокартонных плит произошёл сравнительно недавно. По своим физическим и гигиеническим свойствам гипсокартон идеально подходит для жилых помещений. Он экологически чист, не содержит токсических компонентов и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду, что подтверждают гигиенические и радиационные сертификаты. Гипсокартон - энергосберегающий материал, обладающий ещё и хорошими звукоизоляционными свойствами. Негорючий и огнестойкий. Следует отметить, что гипсокартон «дышит», то есть поглощает влагу при её избытке в воздухе и отдает её, если воздух слишком сухой. Это очень важное, можно сказать, неоценимое качество материала, применяемого внутри помещения. С такими стенами легче дышится. Плюс - гипсокартон имеет кислотность, аналогичную кислотности человеческой кожи. Последние два свойства позволяют гипсокартону регулировать микроклимат помещений естественным путем и в значительной степени способствовать созданию гармоничной атмосферы [11.18].
Промышленность выпускает кроме стандартных гипсокартонных листов (ГКЛ) огнестойкие (ГКЛО) и водостойкие (ГКЛВ). В последние вводятся вещества, уничтожающие грибки, они применяются для отделки кухонь, санузлов и ванных комнат. Огнестойкие применяют для отделки всякого рода воздуховодов и коммуникационных шахт. Есть ещё так называемые пазогребневые плиты, в которых гипс подвергнут обжигу. Их прочность настолько возрастает, что их можно использовать в качестве межкомнатных перегородок, без всякой подготовки окрашивать, оклеивать обоями или облицовывать керамической плиткой. Такие перегородки бывают одно-, двух- и трёхслойными. Последние применимы в сейсмически опасных районах, для жилых, гражданских и промышленных зданий всех степеней огнестойкости. В их полостях можно прокладывать электрические и телефонные кабели, системы пылеудаления, отопительные и водопроводные коммуникации.
Специалисты ценят этот материал ещё и за великолепные технологические свойства. Гипсокартон имеет малый вес. При его использовании исключаются неудобные «мокрые» процессы, создающие на объекте некомфортные условия, значительно возрастает производительность труда, а значит, экономится время уборки. Проводя в квартире или офисе ремонт значительно сокращается количество строительного мусора [26].
Гипсокартон изобретён не сегодня, в виде плоских листов он давно применяется для внутренней отделки и выравнивания стен, иногда его называют «сухой штукатуркой». Речь идёт о новой технологии его использования. Когда в моду вошёл так называемый «евроремонт» с его повышенными требованиями к геометрии помещений и качеству поверхностей, произошло второе рождение этого материала. Архитекторы обнаружили, что листам можно придавать, по желанию, любую форму. Купольные покрытия, колонны, арки всех видов, сложнейшие переходы от одной плоскости к другой, криволинейные поверхности — все эти конструкции могут быть выполнены из гипсокартона. Система металлических каркасов, набираемых из стандартных профилей заводского изготовления, разработана так, чтобы можно было создать стены любой сложной формы. Появился новый метод «сухого строительства», где нет ни «мокрой» штукатурки, ни обязательных обоев [11].
При возведении стен и межкомнатных перегородок широко применяются комплектные системы. Главное их достоинство – исключение из процесса строительства работ, связанных с применением жидких кладочных и штукатурных растворов. Поэтому можно охарактеризовать такой метод как «сухое» строительство.
Гипсокартонные листы (ГКЛ), которые также можно назвать сухой штукатуркой или гипсовыми панелями (в обиходе - гипрок) — это строительно-отделочный материал для выполнения внутренних перегородок, подвесных потолков, облицовки стен и пр. Особые свойства гипсокартонных листов, позволяющие изгибать их, придавая различную конфигурацию, дают возможность создавать криволинейные поверхности. Гипсокартонный лист состоит из гипсового сердечника, облицованного с двух сторон картоном [18].
Для изготовления сердечника применяется гипс Г-4, обладающий необходимыми для использования в строительстве качествами. Выполненный на его основе гипсокартон обладает свойством поглощать из окружающей среды излишнюю влагу, а при изменении условий – наоборот, выделять ее. Можно сказать, что гипсокартонный лист обладает способностью «дышать». Кроме того, гипс огнестоек и нетоксичен [11].
Для повышения плотности и прочности гипсового сердечника в него добавляют специальные компоненты, а поверхности покрывают облицовочным картоном. Сцепление картона с гипсовым массивом сердцевины осуществляется с помощью клеящих добавок. Картон служит армирующим каркасом гипсокартонного листа, являясь при этом основой для последующих отделочных работ. Кроме того, он обладает всеми необходимыми для использования в жилых помещениях гигиеническими и экологическими качествами.
Гипсокартонные панели имеют три разновидности продольных кромок. Для выполнения отделочных работ используются ГКЛ с утонением на лицевой стороне продольных кромок. Это необходимо для получения незаметного и надежного шва в местах стыка гипсокартонных листов [18].
Различаются два вида кромки, причем в обоих случаях утолщение начинается на расстоянии 50 мм от продольного торца с лицевой стороны гипсокартонного листа. Но если в одном случае продольная кромка имеет прямолинейную форму — «УК» , то в другом она несколько закруглена с лицевой стороны — «ПУК». Закругленная кромка позволяет заделывать стыки между листами без применения специальной армирующей ленты, только при помощи шпатлевки. Тип листа с прямыми кромками – «ПК»— применяется в основном для выполнения внутренних слоев или для заполнения полостей перегородок. Для устройства швов в местах стыков ГКЛ с прямыми кромками с их торца необходимо снять фаску под углом 45 градусов толщиной в одну треть листа [11].
Гипсокартон выпускается в нескольких модификациях, которые соответствуют различным условиям эксплуатации (рисунок 1). Для помещений с повышенной влажностью используются влагостойкие гипсокартонные листы – «ГКЛВ». Слои картона в таких гипсокартонных листах подвергаются специальной обработке антисептиками (для предотвращения образования плесени и грибков) и гидроизоляционными составами. В помещениях, где существует опасность возгорания, необходимо применять огнестойкий гипсокартон – «ГКЛО». Для его изготовления используются особые добавки, повышающие огнестойкость материала. Помимо этого, выпускаются гипсокартонные листы повышенной огнестойкости — «ГЛО» и различные виды комбинированных панелей – «ГКП» [11].
Рисунок 1. Виды гипсокартона
Технологический процесс изготовления гипсокартона включает формирование на конвейере непрерывной плоской полосы с сечением заданной формы (требуемой толщины и типа боковых кромок), шириной 1200 мм, состоящей из двух слоев специального картона с прослойкой из гипсового теста с армирующими добавками, при этом боковые кромки полосы завальцовываются краями картона (лицевого слоя). Далее, после "схватывания" гипса, происходит резка полосы на отдельные листы, а также сушка, маркировка штабелирование и упаковка готовой продукции [11].
Для формирования сердечника применяется гипс, который обладает в качестве стройматериала исключительными физическими и техническими свойствами. Материалы на основе гипса обладают способностью дышать, то есть поглощать избыточную влагу и выделять ее в окружающую среду при недостатке. Гипс — это негорючий, огнестойкий материал, он не содержит токсичных компонентов и имеет кислотность, аналогичную кислотности человеческой кожи, его производство и использование не оказывает вредного влияния на окружающую среду. Для достижения необходимых показателей гипсового сердечника, характеризующих его прочность, плотность и т. д., в него добавляются специальные компоненты, повышающие его эксплуатационные свойства [18].
Другим важнейшим компонентом гипсокартона является облицовочный картон, сцепление которого с сердечником обеспечивается за счет применения клеящих добавок. Картон играет роль армирующей оболочки, и наряду с этим является прекрасной основой для нанесения любого отделочного материала (штукатурка, обои, краска, керамическая плитка и др.). По своим физическим и гигиеническим свойствам картон идеально подходит для жилого помещения [11].
Противопожарные свойства гипсокартонных листов
Гипсовый средний слой. Средний слой гипсокартонных листов состоит главным образом из гипса и кристаллически связанной воды в соответствии с формулой CaSO4*2H2О. Гипсокартонный лист содержит примерно 20% химически связанной кристаллизационной воды (что соответствует примерно 2 л воды на стандартный лист). Под воздействием высокой температуры кристаллизационная вода высвобождается из гипсокартонного листа в виде пара. До тех пор пока из среднего слоя гипсокартонного листа не испарится вся вода, температура обратной стороны листа не превысит точки кипения воды, т. е. 100 °С (рисунок 2).
1 — температура на стороне огня -1038 °С;
2 — температура на глубине 25 мм от огня ~510°С;
3 — температура на глубине 50 мм от огня -104 °С;
4 — температура на глубине 100 мм от огня -82 °С;
5 — температура на другой стороне стены -54 °С;
6 — после двухчасового испытания произошла кальцинация гипса на глубину 50 мм
Рисунок 2. Температуры после двухчасового пожара, измеренные на образце гипса.
Поскольку гипс задерживает огонь при помощи химически связанной кристаллизационной воды, можно сказать, что гипсокартонные листы обеспечивают пассивную защиту от пожара, которая активизируется под воздействием огня [18].
Противопожарные гипсокартонные листы (ГКЛО). Листы специально разработаны для конструкций, к которым предъявляются высокие противопожарные требования. В состав листов добавлены глина и стекловолокно, за счет чего листы подвергаются меньшей усадке под воздействием огня и сохраняют структуру конструкции в течение большего периода времени. ГКЛО могут применяться для крепления изоляционных материалов (в том числе гранулированных) как в горизонтальных, так и в вертикальных конструкциях.
Листы ГКЛО применяются для обшивки несущих стен с деревянным каркасом в многоэтажных домах, междуэтажных перекрытий, стен шахт, внутренних стен, для огнезащитной облицовки несущих стальных конструкций и для обшивки внутренней стороны наружных стен.
ГКЛО сохраняют противопожарные свойства в течение 25 мин и не разрушаются под воздействием огня в течение 45-55 мин.
Стандартные ГКЛ сохраняют противопожарные свойства в течение 20 мин и затем разрушаются.
Картонное покрытие. Между картоном и гипсовым средним слоем отсутствует воздушная прослойка, поэтому покрытие не горит, а только обугливается. Таким образом, картон не играет существенной роли в распространении огня.
Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций, помещений, зданий, элементов и частей зданий основывается на их разделении по свойствам, способствующим возникновению опасных факторов пожара и его развитию, — пожарной опасности — и по свойствам сопротивляемости воздействию пожара и распространению его опасных факторов — огнестойкости.
Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью (СНиП 21-01—97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений»).
Показателем огнестойкости является предел огнестойкости, пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности.
Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний: – потери несущей способности (R); – потери целостности (Е); – потери теплоизолирующей способности (I).
Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247—94.
Класс пожарной опасности строительных конструкций устанавливают по ГОСТ 30403—96.
Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его строительных конструкций.
Стеновые ЛВОК из гипсокартонных листов и металлического каркаса по пожарной опасности относятся к классу КО — непожароопасные, ГОСТ 30403—96.
Противопожарные преграды предназначены для предотвращения распространения пожара и продуктов горения из помещения или пожарного отсека с очагом пожара в другие помещения. К противопожарным преградам относятся противопожарные стены, перегородки и перекрытия. Гипсокартонные конструкции могут служить противопожарными преградами (СНиП 21-01—97*). При проектировании противопожарных преград необходимо учитывать что применение гипсокартона ГКЛО (GF 15), а также негорючих минераловатных плит позволяет увеличить огнестойкость конструкций.
Заполнения подвесных потолков допускается выполнять из горючих материалов, за исключением заполнений подвесных потолков в общих коридорах, на лестницах, лестничных клетках, в вестибюлях, холлах и фойе зданий I-IVa степеней огнестойкости.
В пространстве за подвесным потолком не допускается предусматривать размещение каналов и трубопроводов для транспортирования горючих газов, пылевоздушных смесей, жидкостей и материалов
Подвесные потолки не должны иметь проемов, а коммуникации, расположенные над подвесными потолками, следует выполнять из негорючих материалов.
В зданиях I и II степеней огнестойкости допускается применять перегородки из гип-сокартонных листов с каркасом из негорючих материалов с пределами огнестойкости не менее соответственно 1 и 0,5 ч. При этом в общих коридорах, на лестничных клетках, в вестибюлях, холлах и фойе гипсокартонные листы не допускается окрашивать горючими красками [11].
Свойства гипсокартона
Теплоизоляция. Даже при контакте, гипсокартон излучает тепло. Листы этого материала отличаются достаточно низкой теплопроводностью за счет гипса, основного компонента гипрока. Помимо этого в листах используется крахмал, картон и различные вещества органического происхождения.
Экологичность. Гипсокартон не содержит опасных и вредных для человека веществ. Не обладает запахом и не выделяет в окружающую среду аллергенов.
Звукоизоляция. Листы гипсокартона способны гасить практически любые звуковые колебания и задерживать звуковые волны. Полости в перегородках или между гипроком и стеной можно заполнить дополнительным материалом, например минеральной ватой, что еще больше повысит звукоизоляционные свойства гипсокартона.
