ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ЛЕКЦИЯ По теме №1 «Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара» Дисциплина «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» Объем времени, отводимого на занятие 2 ч. Автор лекции _____________________ Д.В. Седов Цели лекции: Познавательная: Обучающиеся должны знать: - виды строительных материалов; - основные физические свойства материалов; - основные механические свойства материалов; - свойства, характеризующие отношение материалов к воздействию тепла; - свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара. Развивающая: Обучающиеся должны уметь: - конспектировать лекционный материал; - выделять основной материал лекции, структурировать полученный материал. Воспитательная: - прививать способность понимать значимость, область применения в практике и жизни полученных знаний и умений. - научить анализировать, сравнивать, делать выводы и умозаключения по различным направлениям их деятельности, учитывать, что от правильности их выводов будет зависеть судьба человека; - прививать умение придерживаться делового стиля поведения, выражающегося в самодисциплине, организованности, внимательности, в умении ценить свое и чужое время. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Введение 2. Основные вопросы 1) Классификация строительных материалов. 2) Физические свойства материалов. 3) Механические свойства материалов. 4) Теплофизические свойства материалов. 5) Свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара. 3. Заключение 4. Задание на самоподготовку 5. Список рекомендуемой литературы 6. Учебное оборудование и ТСО 2 ВВЕДЕНИЕ Потенциальная пожарная опасность зданий и сооружений определяется: - количеством и свойствами материалов, находящихся в здании или сооружении. - пожарной опасностью строительных конструкций, зависящей от горючести строительных материалов, из которых они изготовлены. - способностью конструкций сопротивляться воздействию пожара в течение определенного времени, т.е. от ее огнестойкости. Цель изучения дисциплины – приобрести знания и навыки по проверке соответствия зданий, строительных конструкций, материалов требованиям пожарной безопасности и прогнозированию их поведения в условиях пожара. Структура дисциплины «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» предполагает изучение двух разделов. Раздел 1 «Строительные материалы и их поведение в условиях пожара» включает в себя: основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара; неорганические строительные материалы, процессы и параметры, характеризующие поведение их в условиях пожара; органические строительные материалы, процессы и параметры, характеризующие их поведение в условиях пожара. нормирование пожаробезопасного применения материалов в строительстве. Раздел 2 «Строительные конструкции, здания и их устойчивость в условиях пожара» включает в себя: классификация, конструктивные решения, пожарная безопасность зданий и сооружений; строительные конструкции и расчет их огнестойкости; влияние строительных конструкций на устойчивость зданий при пожаре. 3 ВОПРОС 1. Классификация строительных материалов Классификация строительных материалов по технологическому признаку Природные каменные материалы Неорганические вяжущие Металлы Полимеры и пластмассы Искусственные каменные материалы Древесина Теплоизоляционные Лакокрасочные и оклеечные Классификация свойств строительных материалов Первая группа свойств – физические свойства: средняя и истинная плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, воздухостойкость Вторая группа свойств – механические свойства: прочность, твердость, пластичность, упругость, хрупкость Третья группа свойств – свойства, характеризующие отношение материалов к действию тепла: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, огнеупорность, морозостойкость, термическая стойкость, линейное и объемное температурное расширение, огнестойкость, огнеупорность Четвертая группа свойств – свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара: горючесть, воспламеняемость, распространение пламени, дымообразующая способность, токсичность продуктов горения; снижение прочности материала при нагревании 4 ВОПРОС 2. Физические свойства материалов Под истинной плотностью понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала: m /Va , где m - масса материала, кг; Va - объем материала в плотном состоянии, м3 Под средней плотностью понимают массу единицы материала в естественном состоянии (с пустотами и порами): объема 0 m / V Пористотью порами (%). материала называют степень заполнения его объема (1 0 / )100 Плотность и пористость некоторых строительных материалов Материал Пенополистирол Древесина: Сосна Дуб Бетоны: Ячеистые Легкие Тяжелые Асбестоцемент Красный кирпич Гранит Кирпич керамический Стекло оконное Металлы: Сталь Ст3 Алюминиевые сплавы Средняя плотность 0, кг/м3 15…20 400…600 700…900 500…1200 500…1800 1800…2500 1400…2200 1600…1900 2600...2800 Истинная плотность , кг/м3 1050 1550 - Пористость П, % не более 3000 84…60 84…40 40…17 25…40 36…24 2750 2500 2700...2800 86…81 74…61 55…42 1600...1800 2500...2800 2500 до 2500 0 7800…7850 7800…7900 0 не более 2850 не более 2850 0 5 Гигроскопичность - свойство материала поглощать водяные пары и воздуха и удерживать их. Она зависит от температуры воздуха, его относительной влажности, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества. Водопоглащение - способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы. Влажность материала - величина, равная количеству воды (во всех фазах), выраженному в единицах массы или объема, содержащейся в порах материала и приходящейся на единицу его массы или объема. Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости является коэффициент размягчения. Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности. Химическая стойкость - способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов. Долговечность способность материала сопротивляться комплексному воздействию атмосферных и других факторов и в условиях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находящихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. ВОПРОС 3. Механические свойства материалов Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки - сжатие, растяжение, изгиб, удар. Прочность материала оценивают пределом прочности (Па), который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала: R = F/S, где F — разрушающая сила, Н; S — площадь сечения образца, м2. Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. От твердости материалов зависит их истираемость. Это свойство важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий. Пластичность – свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. Хрупкие 6 разрушаются внезапно без значительной деформации. Хорошо сопротивляются только сжатию и плохо сопротивляются растяжению, изгибу, удару. Хрупкость — свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации. Упругость – свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал). Прочность некоторых строительных материалов Материал Торфоплаты Бетон обыкновенный Бетон высокопрочный Кирпич глиняный Древесина (усредненные данные) Вдоль волокон Поперек волокон Стеклопластик СВАМ Гранит Сталь Предел прочности, МПа при сжатии при растяжении при изгибе Rc Rt Rw 0,5 0,25...0,28 5…30 0,6…2 40…80 2,5…7 7,5…30 1,5…3,5 50 6,5 420 100…120 380…450 130 6,5 450…470 2…4,4 380…450 100 75 410…460 - ВОПРОС 4. Теплофизические свойства материалов Теплопроводность – способность материала пропускать тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхности образца (изделия). T1 > T2 T1 Q – количество тепла Q T2 A Q Q A(T1 T2 ) A(T1 T2 ) , Дж Дж м Вт , 2 с м К м К 7 Коэффициент теплопроводности однородного материала равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку из данного материла толщиной в 1 м, площадью в 1 м2 за время 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях стены в 1 К. 1 зависит от многих факторов: - химического состава; - структуры (пористости); - температуры; - влажности материала. ккал Вт 1,1630 м ч С мК Теплопроводность некоторых строительных материалов Наименование Теплопроводность материала Вт / (м С) Сталь 58 Гранит 2,9...3,3 Бетон 1,0...1,6 тяжелый Кирпич 0,8...0,9 керамический Наименование материала Вода Бетон легкий Бетон теплоизоляционный Теплопроводность Вт / (м С) 0,59 0,35...0,8 Газостекло 0,06...0,08 0,08...0,3 Влияние температуры и влажности на коэффициент теплопроводности С ростом температуры изменяется (для большинства материалов). t = 0 t 0 - при 0С; t – температура материала, С Для тяжелого бетона на гранитном щебне: плотность 0 = 2300 кг/м3, влажность w = 1,2 … 2,5 % = 1,2 – 0,0003t Вт/(мС) Теплопроводность возрастает с увлажнением материала воды в 25 раз больше воздуха Теплоемкость С – способность материала поглощать при нагревании определенное количество тепла. Q = Cm(T1 – T2), Дж С Q Дж , m (T1 T2 ) кг К 8 где С – удельная теплоемкость (коэффициент теплоемкости) – это количество теплоты в Дж, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 К. При увеличении температуры (для большинства материалов) Сt = C0 + Ct С0 – при 0 С, t – температура материала, С Для тяжелого бетона на гранитном щебне: 0 = 2300 кг/м3 и влажность w = 1,2 … 2,5 % С = 0,72+ 0,002t, кДж/кгК Теплоемкость возрастает с увеличением влажности, т.к. Своды = 4,2 > Своздуха = 0,97 Коэффициент температуропроводности а. Важным теплофизическим свойством материалов является коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в материале. м2 a , C 0 с Т.к. , С – зависят от температуры, то a также изменяется с увеличением температуры. Для тяжелого бетона a с ростом температуры уменьшается. Для тяжелого бетона класса В55 при температуре t = 450 С коэффициент температуропроводности составляет a = 1,3 10-3 м2/с. Для упрощения расчета прогрева бетона, используют постоянный приведенный коэффициент температуропроводности ared, вычисленный при t = 450С и учитывающий влияние влажности на скорость прогрева. ared t (C 0,012 w) 0 Теплоемкость некоторых строительных материалов Материал Воздух Дерево Кирпич Вода Тяжелый бетон Сталь Гранит С, кДж/кгК 0,97 2,51 0,8 4,2 0,8 0,42 0,8 Морозостойкость - способность материала насыщенного водой выдерживать многократное попеременнное замораживание и оттаивание без 9 признаков разрушения и значительного снижения прочности. Определение степени морозостойкости материала производят путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре от -15 до -17°С и последующего их оттаивания. Морозостойкость материала зависит от плотности и степени насыщения водой их пор. Плотные материалы морозостойки. Материал считают морозостойким, если после установленного числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15%, а потери в массе не превышали 5%. Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного расширения характеризует удлинение 1 м материала при нагревании его на 1°С. Коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С. Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т. е. большое количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру более 1580°С, называют огнеупорными, от 1350 до 1580°С — тугоплавкими, ниже 1350°С — легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать воздействие температур до 1000°С без потери или с незначительной потерей прочности, относят к жаростойким (жаростойкие бетон, кирпич и др.). 5. Свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ ФАКТОРЫ ПОЖАРА ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ СТРОЕНИЕ СОСТАВ СВОЙСТВА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ 10 Факторы пожара: 1. Температурный режим и продолжительность пожара. 2. Средства пожаротушения. 3. Агрессивная среда (токсичность продуктов горения, разрушающая материалы). Эксплуатационные факторы: 1. Область применения материала. 2. Внешняя нагрузка. 3. Условия эксплуатации. «Внутренние» факторы Строение 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Состав Свойства: Критическая температура. Долговечность в условиях пожара. Горючесть. Воспламеняемость. Способность распространять пламя. Дымовыделение. Токсичность. Процессы в неорганических материалах в условиях пожара физические: 1. 2. 3. 4. влагоперенос; температурные деформации; изменения структуры; пластичность (размягчение); плавление. химические: дегидратация диссоциация Процессы в органических материалах в условиях пожара: Удаление физически связанной воды1 и капиллярной воды2. Межмолекулярная дегидратация3 и диссоциация4. Деполимеризация5. Термоокислительная деструкция6. Вода физически связанная — удерживаемая в материале силами молекулярного взаимодействия. Капиллярная вода – удерживаемая в порах и пустотах материала силами поверхностного натяжения. 3 Дегидрата́ция — реакция отщепления воды от молекул органических соединений. 4 Диссоциация — разделение молекулярных комплексов на два или больше молекулярных элементов 5 Деполимеризация — превращение полимера в мономер или смесь мономеров. 6 Термоокислительная деструкция – беспламенное высокотемпературное разложение материалов в присутствии кислорода или атмосферного воздуха; пиролиз – разложение материалов без доступа воздуха или в атмосфере инертных газов 1 2 11 КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ Ст. 13 ФЗ №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Строительные материалы подразделяются на горючие (Г) и негорючие (НГ). Определение горючести производится по ГОСТ 30244-94. Негорючие строительные материалы являются пожаробезопасными. Горючие строительные материалы представляют пожарную опасность. Их пожарная опасность характеризуется свойствами: 1) горючесть; 2) воспламеняемость; 3) способность распространения пламени по поверхности; 4) дымообразующая способность; 5) токсичность продуктов горения. По горючести горючие строительные материалы подразделяются на группы: 1) слабогорючие (Г1); 2) умеренногорючие (Г2); 3) нормальногорючие (Г3); 4) сильногорючие (Г4). Горючесть и группы строительных материалов по горючести устанавливают по ГОСТ 30244. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. По воспламеняемости горючие строительные материалы подразделяются на группы: 1) трудновоспламеняемые (В1); 2) умеренновоспламеняемые (В2); 3) легковоспламеняемые (В3). Группы строительных материалов по воспламеняемости устанавливают по ГОСТ 30402. По скорости распространения пламени горючие строительные материалы подразделяются на группы: 1) нераспространяющие (РП1); 2) слабораспространяющие (РП2); 3) умереннораспространяющие (РП3); 4) сильнораспространяющие (РП4). Группы строительных материалов по распространению пламени устанавливают для поверхностных слоев кровли и полов, в том числе ковровых покрытий, по ГОСТ 30444 (ГОСТ Р 51032-97). Для других строительных материалов группа распространения пламени по поверхности не определяется и не нормируется. По дымообразующей способности горючие строительные материалы подразделяются на группы: 1) с малой дымообразующей способностью (Д1); 2) с умеренной дымообразующей способностью (Д2); 3) с высокой дымообразующей способностью (Д3). 12 Группы строительных материалов по дымообразующей способности устанавливают по 2.14.2 и п. 4.18 ГОСТ 12.1.044. По токсичности продуктов горения горючие строительные материалы подразделяются на группы: 1) малоопасные (Т1); 2) умеренноопасные (Т2); 3) высокоопасные (Т3); 4) чрезвычайно опасные (Т4). Группы строительных материалов по токсичности продуктов горения устанавливают по 2.16.2 и 4.20 ГОСТ 12.1.044. В зависимости от групп пожарной опасности строительных материалов определяются классы пожарной опасности (таблица 3 ФЗ №123-ФЗ). Таблица 3 Классы пожарной опасности строительных материалов Свойства пожарной опасности строительных материалов Класс пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп КМ0 КМ1 КМ2 КМ3 КМ4 КМ5 НГ Г1 Г1 Г2 Г3 Г4 Воспламеняемость - В1 В2 В2 В2 В3 Дымообразующая способность - Д2 Д2 Д3 Д3 Д3 Токсичность - Т2 Т2 Т2 Т3 Т4 Распространение пламени - РП1 РП1 РП2 РП2 РП4 Горючесть Примечание. Перечень показателей пожарной опасности строительных материалов, достаточных для присвоения классов пожарной опасности КМ0 - КМ5, определяется в соответствии с таблицей 27 настоящего приложения. Таблица 27 Перечень показателей, необходимых для оценки пожарной опасности строительных материалов Назначение строительных материалов Перечень необходимых показателей в зависимости от назначения строительных материалов группа горючести группа группа группа по распространен воспламеняемос дымообразующе ия пламени ти й способности группа по токсичности продуктов горения Материалы для отделки стен и потолков, в том числе покрытия из красок, эмалей, лаков + - + + + Материалы для покрытия полов, в том числе ковровые - + + + + Кровельные материалы + + + - - Гидроизоляционные и пароизоляционные материалы толщиной более 0,2 миллиметра + - + - - Теплоизоляционные материалы + - + + + Примечания: 1. Знак "+" обозначает, что показатель необходимо применять. 2. Знак "-" обозначает, что показатель не применяется. 3. При применении гидроизоляционных материалов для поверхностного слоя кровли показатели их пожарной опасности следует определять по позиции "Кровельные материалы". 13 Строительные материалы Негорючие (НГ) Горючие (Г) Пожарная опасность отсутствует Имеется пожарная опасность Группа горючести Г1, Г2, Г3, Г4 Группа воспламеняемости В1, В2, В3 Группа распространения пламени РП1, РП2, РП3, РП4 Группа по дымообразующей способности Д1, Д2, Д3 Группа по токсичности продуктов горения Т1, Т2, Т3, Т4 Класс пожарной опасности КМ0 Класс пожарной опасности КМ1, КМ2, КМ3, КМ4 14 Заключение Таким образом, в лекции рассмотрены виды строительных материалов, основные физические свойства материалов, основные механические свойства материалов, свойства, характеризующие отношение материалов к воздействию тепла, свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара. 15 Задание на самоподготовку 1. Привести в конспекте краткий пример определения (самостоятельного, из литературы или интернета) физического свойства материала (истинной плотности, средней плотности, пористости). 2. Привести в конспекте краткий пример определения (самостоятельного, из литературы или интернета) теплофизического свойства материала (коэффициент теплопроводности, теплоемкость, коэффициент температуропроводности). 3. Определить показатели пожарной опасности строительных материалов (по вариантам): 1) Кровельный материал марки «Бикапол» 2) Кровельное композиционное покрытие с огнезащитным покрывным слоем марки СГК-2 3) Кровельный материал (резиновая черепица) 4) Кровельный материал «Эластокров» 5) Полимергипсовые листы с декоративным лаковым покрытием PXO толщиной 0,3 мм 6) Панель гипсофибробетонная 7) Лист гипсокартонный 8) Стеклопластик на фенолформальдегидном связующем 9) Покрытия стен и полов эпоксидные фирмы «Перматекс» Германия 10) Напольное покрытие «TARKETT ANTISTAT BRILAND» 11) Плиты резиновые для полов 12) Плиты декоративные на основе полистирола 13) Экструзионный полистирол «Styrofoam» 14) Полистирол ударопрочный 15) Отделочно декоративный пеноласт «Пенолизин» 16) Плитный материал «Древопласт» 17) Фанера огнезащитная 18) Эластоисткожа-Т 19) Теплоизоляционный материл «Салаир» 20) Телоизоляционный углеродный материал «УТМ-200» Использовать справочник: Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Асс. “Пожнаука”, 2004. —Ч. I. — 713 с; Ч. 2. — 774 с. 4. Читать главы 1 и 2 учебного пособия: Тимофеева С.С., Малов В.В., В.Г. Шелегов. Нормирование применения строительных материалов в зданиях и сооружениях для обеспечения безопасности людей при пожаре: учебное пособие для магистран-тов / С.С. Тимофеева, Шелегов В.В., Малов А.В. – Иркутск: Изд-во ИРНИ-ТУ, 2019. – 95 с. 5. Читать главу 3 Федерального закона 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» 16 Рекомендуемая литература 1. Федеральный закон 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» 2. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Асс. “Пожнаука”, 2004. —Ч. I. — 713 с; Ч. 2. — 774 с. 3. Тимофеева С.С., Малов В.В., В.Г. Шелегов. Нормирование применения строительных материалов в зданиях и сооружениях для обеспе-чения безопасности людей при пожаре: учебное пособие для магистран-тов / С.С. Тимофеева, Шелегов В.В., Малов А.В. – Иркутск: Изд-во ИРНИ-ТУ, 2019. – 95 с. Учебное оборудование и ТСО 1. Мультимедийное оборудование. 2. Ноутбук. 3. Презентации. 4. Учебная доска. 17