Повышение огнестойкости клеевых соединений

Категория:
Производство конструкций из дерева


Повышение огнестойкости клеевых соединений

Клеевые соединения относят к элементам конструкций, поэтому их поведение при пожарах оценивается огнестойкостью, т. е. временем, в течение которого соединение способно выдерживать расчетную нагрузку. При нагревании клеи в соединении ведут себя по-разному, в зависимости от свойств основного полимерного компонента. Клеи на основе термопластичных полимеров начинают размягчаться еще задолго до термического разложения, и соединение теряет несущую способность. Например, поливинилацетатные клеи (соединения) могут выйти из строя до загорания конструкции — только лишь под влиянием повышенной до 70… 80 °С температуры окружающего воздуха. В то же время известны термопластичные полимеры, температура размягчения которых близка к температуре их термического разложения. Клеи на основе таких полимеров (по-ливинилхлорид, политетрафторэтилен и др.) имеют более высокий температурный уровень работы— 140… 180 °С.

Клеи на основе термореактивных олигомеров (фенольных, карба-мидных, эпоксидных и др.) в соединениях не плавятся, но прочность их при нагревании снижается еще до термической деструкции полимера. Основная потеря несущей способности клеевых соединений наступает при термодеструкции. Однако деструкция, например, кар-бамидных клеев начинается при 70… 80 °С, а фенольных — при 200 °С и выше. Как установлено опытом, клеевые соединения древесины на фенольных клеях сохраняют несущую способность и достаточно прочны при нагревании до 150 °С, т. е. почти до температуры термического разложения самой древесины.

Определение четких границ термостойкости соединений затруднено еще и потому, что в состав многих клеев входят и термореактивные, и термопластичные полимеры. При нагревании фенольные, карбамидные, резорциновые и другие термореактивные клеи теряют постепенно массу, что связано с выходом газообразных продуктов. Значительных изменений в структуре клеев при этом не наблюдается.

Наименее термостойки карбамидные клеи холодного отверждения. Хотя потеря их массы при нагревании до 200ЛС невелика (3… 4%), однако прочность соединения снижается значительно из-за потери внутриструктурных связей. Термостойкость этих клеев повышают, модифицируя карбамидный полимер мела-мином или резорцином. Клеевые соединения древесины на модифицированном карбамидном клее сохраняют свою прочность при длительном нагревании до 100 °С, в то время как соединения на обычном карбамидном клее не выдерживают такой температуры. Эпоксидный клей при нагревании до 200 °С теряет вдвое больше массы, чем карбамидные клеи, но его прочность при этом сохраняется достаточно высокой.

При 300 °С карбамидный клей теряет 47% массы, а фенольный только 8%. При этой же температуре масса резорцинового клея уменьшается на 16%. а эпоксидного на 19%. Таким образом, из числа конструкционных клеев для древесины наиболее термоустойчивы фенольные клеи. В них можно добавлять фосфорсодержащие соли, обладающие высокой термостойкостью — для склеивания антипирированной древесины.

Достаточно термостойки резорциновый (ФР-12) и алкилрезор-циновые клеи ФРФ-50 и ФР-100, а также композиции резорциновых клеев с антипирирующими добавками. Потеря массы этих клеев при температуре 300°С составляет 17…20%. Интенсивная термодеструкция резорциновых клеев происходит при температуре 400 °С. Ограничить ее можно добавлением антипиренов. По данным термогравиметрических и механических испытаний, термостойкость и прочность клеев с добавками антипиренов сохраняется в широком интервале температур.

Поведение клеевых соединений при нагревании, изучаемое на малых, образцах, в лабораторных условиях, несколько отличается от поведения в реальных сооружениях, где интенсивность термического воздействия на клей при пожаре зависит от формы, размеров и теплофизических свойств материала конструкции. Так, при нагревании фанеры тепло быстро передается клеевым швам и прочность их быстро снижается. Еще до сквозного прогорания фанера может расслоиться на отдельные листы шпона, что еще более ускоряет горение.

Рис. 1. График потери массы отвержденных клеев при нагревании: 1 — эпоксидного ЭД-20; 2 — карба-мидного КФ-МТ; 3 — резорцинового ФР-12; 4 — фенольного КБ-3

В отличие от фанеры и других листовых материалов, панельных конструкций при нагревании массивных клееных элементов из древесины тепло передается медленно в толщу сечения, клеевые соединения нагреваются мало и долго сохраняют свою несущую способность. Так, при горении пленного пакета сечением 280Х Х1160 мм в течение 45 мин при температуре пламени около 500 °С

и при скорости обугливания 0,4…0,5 мм/мин температура в центре пакета составляет 40 °С, а под слоем угля 273 °С. Прочность клеевых соединений в средней части сечения практически не снизилась. Следовательно, огнестойкость клееных деревянных конструкций более высокая, чем металлических.

При огневых испытаниях с температурой 650 °С в течение 1 ч клееные балки сечением 230×700 мм сохраняют 75% площади поперечного сечения. Сначала балки обугливаются со скоростью 0,6 мм/мин, затем после образования защитного слоя угля скорость обугливания понижается. Применение антипирированной древесины уменьшает скорость обугливания примерно вдвое. Экспериментально установлено оптимальное соотношение высоты и ширины поперечного сечения клееных деревянных элементов, при котором достигается их наибольшая огнестойкость. Полученные данные справедливы для клееных соединений, не расслаивающихся в начале пожара. При горении конструкций, склеенных карбамидными или поли-винилацетатными клеями, элементы расслаиваются на отдельные доски, конструкции теряют несущую способность и сгорают быстрее.

Термостойкость клеев зависит еще и от способа отверждения клея, степени нагруженности конструкции, влияния воды (при тушении огня). Соединения на клеях горячего отверждения более термостойки, а скленные ими конструкции лучше сопротивляются действию огня. В сильно нагруженных конструкциях потеря прочности клеевых соединений при нагревании происходит быстрее. Для повышения термостойкости клеев их модифицируют элементооргани-ческими соединениями или вводят негорючие наполнители. Термостойкость карбамидных клеев возрастает при добавлении мелами-на, резорцина, фурфурола. Эти добавки вводят в готовые клеи или при синтезе соответствующих клеевых смол.

Рис. 2. График несущей способности различных конструкций при пожаре: 1 — алюминиевой; 2 — стальной; 3 — деревянной; а — кривая подъема температуры; б — аварийный уровень несущей способности

Соединения на фенольных клеях более огнестойки при наполнении их пылевидным асбестом, кварцевой мукой, алюминиевой пудрой. Огнестойкость соединений на эпоксидном клее повышается при добавлении в смолу фосфоакрилата в соотношении 1 : 1 по массе, а также модифицировании эпоксидного полимера кремнийоргани-ческими соединениями.

Рис. 3. Распределение температуры по сечению клееного деревянного элемента после 45 мин горения при температуре 500 °С

Рис. 4. График для оценки огнестойкости клееных деревянных балок по соотношению высоты и ширины их поперечного сечения: А — область достаточной огнестойкости; Б—область низкой огнестойкости

Для повышения надежности клеевых соединений в комбинированных конструкциях, особенно чувствительных к действию огня, рекомендуется постановка дополнительных связей — болтов, шурупов, заклепок, применение сварки и пр. Особенно это относится к тонкостенным ограждающим конструкциям, для которых температурное воздействие на клеевой шов, закрытый обшивкой, может быть значительным.

Панели на клееметаллических соединениях по результатам испытаний более огнестойки (в 2,5 …5 раза), чем клееные. Так, предел огнестойкости (время до обрушения под нагрузкой 100 Н/м2) панели покрытия с утеплителем из полистирольного пенопласта и обшивкой из асбестоцемента толщиной 10 мм при соединении на клею составил 0,1 ч, а на клееметаллических соединениях — 0,5 ч.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум