Как ведет себя пенополистирол при пожаре?

Как ведет себя пенополистирол при пожаре

Общие сведения

Как практически все органические строительные материалы, пенополистирол является горючим материалом. В то же время на практике характер горения пенополистирола зависит от условий использования изделий из него не меньше, чем от его внутренних свойств. Эти внутренние свойства различаются в зависимости от того, изготавливается ли ячеистый материал из ППС с добавлением или без добавления повышающих огнестойкость присадок (антипиренов). Также большое значение имеет вид связи или соединения ячеистого полистирола с другими материалами. Так, например, изделия с покрытием из фольги имеют улучшенные характеристики поверхностного нераспространения пламени. При правильной установке изделия из пенополистирола не создают излишнего риска по пожароопасности. Настоятельно рекомендуется во всех случаях защищать пенополистирол покрытием из другого материала либо выполнять его полную герметизацию.

При горении пенополистирол ведет себя так же, как и другие углеводороды, например, дерево, бумага и пр. Продукты сгорания - это, в основном, моноксид углерода (угарный газ) и стирол. В ходе пожара стирол может повергнуться дальнейшему термическому разложению на оксиды углерода, воду и некоторое количество сажи (дыма).

Пенополистирол выпускается двух видов: стандартного качества и с добавками, повышающими огнестойкость. В последнем случае такому ППС присваивается код 'SE'. Классы огнестойкости, т.е. классы SE, указывают на то, что пенополистирол гораздо труднее поддается возгоранию и в меньшей степени способствует распространению пламени. В некоторых странах, например, в Скандинавии, используются только стандартные классы ППС, в том время как в других странах, в частности, в Германии - только ППС классов SE. Однако во многих европейских странах разрешено применение ППС всех классов.

Если на пенополистирол воздействуют температуры, превышающие 100° C, он размягчается, спекается, а затем плавится. При более высоких температурах воздействия за счет разложения расправленного ППС формируются газообразные горючие вещества. Риск их возгорания от пламени или искры зависит, в основном, от продолжительности температурного воздействия, а также от того, воздействуют ли на материал потоки воздуха, т.е. имеется ли в атмосфере вокруг материала кислород1. Расплавленный ППС в принципе не возгорается от искр при сварке или от тлеющей сигареты, в то же ППС можно поджечь небольшим открытым огнем, кроме тех случаев, когда в нем присутствуют антипирены, т.е. если он относится к классу SE. Температура передачи возгорания составляет 360° C. Если ППС присвоен класс SE, то эта температура равняется 370° C. Эти значения указывают на то, что если расплавленный ППС разлагается, то легковоспламеняющиеся газы формируются только при температуре, превышающей 350° C. В отсутствие каких-либо источников тепловой энергии (т.е. запального пламени) температура возгорания ППС стандартного класса равняется 450° C. После возгорания ППС стандартного класса пламя быстро распространяется по поверхности ППС, который горит вплоть до полного уничтожения его огнем. В то время как низкая плотность полистироловой пены стимулирует легкость горения за счет большого содержания воздуха (98%) по сравнению с полистиролом (2%), масса материала невелика, поэтому теплоотдача также мала.

Воздействие на распространение пожара

Строительные нормы и правила во всех европейских странах предусматривают требования для готовых конструкций и работ с учетом воздействия материала на распространение пожара, которое рассчитывается по интенсивности пожарной нагрузки на поверхности элемента конструкции. Такая классификация называется классификацией по признаку «реакции на пожар».

Классификационные системы и испытания «реакции на пожар» в разных европейских странах различаются, однако в настоящее время разрабатывается система «евроклассов», которая, как ожидается, будет готова в 2000 году.

Выделение тепла

Скорость тепловыделения в последнее время считается важным параметром для оценки реакции материалов на горение. Метод испытаний по ISO 5660 с применением конического калориметра позволяет сжигать образцы в условиях различных тепловых потоков. Испытания показывают, что панель ППС спекается, уменьшается в размерах, дистанцируется от источника тепла и превращается в пленку расплавленного полистирола. Возгорания в условиях, когда тепловой поток не превышал 20 кВт/м3, не наблюдалось. Для теплового потока большей плотности общая скорость тепловыделения (RHR) и пиковая

RHR были ниже для ППС классов SE с антипиренами по сравнению с ППС стандартных классов. Тепловой коэффициент пенополистирола (40 МДж/кг) примерно вдвое выше теплового коэффициента дерева (18.6 МДж/кг), но с учетом сравнительной плотности обоих материалов тепловой коэффициент в пересчете на объем ППС составляет от 540 МДж /м3 до 1250 МДж /м3 по сравнению с 7150 МДж /м3 -10 400 МДж /м3 для целлюлозосодержащих материалов, таких как волокно, изоляционные плиты или дерево. Общее теплосодержание материалов сильно влияет на силу пожара с точки зрения его распространения, а такой показатель, как скорость теплоотдачи, становится ключевым. Последний в значительной степени зависит от условий горения. Тепловыделение ППС происходит примерно в три раза быстрее, чем при сгорании дерева мягких пород, но длится такое тепловыделение недолго (6,7,8).

Степень и скорость тепловыделения ограничена, в первую очередь, вентиляцией. Так, например, пенополистирол плотностью 16 кг /м3 требует в 150 раз большего объема воздуха для полного сгорания. Вероятность полного сгорания ППС невелика, т.к. его полная потенциальная теплоотдача достигается крайне редко.

Добавки, повышающие огнестойкость (антипирены)

Присутствие антипиренов в ППС класса SE ведет к существенному улучшению характеристик огнестойкости пенополистирола. Несмотря на то, что в реальности каждый пожар представляет собой сложное явление с характеристиками, трудно поддающимися прогнозированию по результатам лабораторных испытаний, существует немало исследований, которые на основе маломасштабных испытаний подтверждают, что поджечь пенополистирол, содержащий огнестойкие добавки, гораздо труднее, чем стандартный ППС.

В присутствии крупных источников возгорания или мощных тепловых потоков с интенсивностью свыше 50 кВт/м2 при пожарах, на которых горят другие материалы, пенополистирол класса SE загорится в силу своей органической природы. В этих случаях здание обычно уже не спасти3.

ППС класса SE содержит небольшое количество антипирена (максимум 0.5 %). Этим веществом является гексабромоциклододекан (HBCD или ГБЦД). Наличие антипирена играет особую роль в огнестойкости ППС, когда на пенополистирол влияет источник возгорания. Пенополистирол быстро спекается и тем самым дистанцируется от источника тепла, что снижает вероятность возгорания. Разложение антипирена(-ов) имеет пламяподавляющее действие, поэтому после ликвидации источника тепла ППС перестает гореть.

ГБЦД представляет собой так называемую цикло- алифатическую бромидоорганическую смесь и несовместим с ароматическим антипиренами (полибромдифенил ПБД (PBB) и бифенил-фенилбензоксазол БФБО (PBBO)), использование которых было запрещено в течение некоторого времени. Преимущество ГБЦД заключается в том, что он не образует токсичных диоксинов и фуранов при горении. Этот факт был подтвержден Министерством природы Германии в 1990 для полимеров, в котором содержание ГБЦД было, по крайней мере, в пять раз выше обычного (3 процента по массе). Было установлено, что ГБЦД не является источником формирования полибромодибензофуранов и -диоксинов при различных видах горения в диапазоне температур от 400 до 800° C2. Аналогичный результат был ранее подтвержден Министерством природы Нидерландов в 1989 г. при изучении пиролиза полистирола, содержащего 10 процентов ГБЦД (в ППС с антипиренами процентное содержание таких добавок не превышает 0.5 %). Исследование, проведенное в 1992 г. известным институтом Фрезениуса в Гремании4, показало, что в самом ГБЦД нет бромированных диоксинов или фуранов, которые можно было бы выявить. Последние испытания в инсинераторе 'Tamara' в Карлсруэ показали, что сгорание полистиролов в современной мусоросжигательной печи является экологически благоприятным методом утилизации с точки зрения выбросов в атмосферу.

Также ГБЦД не растворим в воде, поэтому риски его попадания в воду и переноса такой водой отсутствуют5.

Слой пенополистирола толщиной 200 мм плотностью 20кг/м3 выделяет столько же энергии, что и сосновая доска толщиной 17 мм. Но какой строитель задумается, использовать ли ему сосновые доски толщиной 17мм в качестве незащищенного потолочного или стенового материала?

Дым

Дым - один из важных факторов риска при пожаре. Высокая плотность дыма затрудняет поиски аварийного выхода людьми, находящимися в здании. Дым также может быть токсичным или иметь низкое содержание кислорода, в то время как частицы (горячей) сажи могут блокировать и повреждать органы дыхания.

При оценке потенциального дымовыделения при горении пенополистирола в здании в условиях пожара следует в первую очередь учитывать такие факторы, как возможная скорость распространения пламени по любой поверхности, предназначенной для защиты изделия из пенополистирола, а также скорость разложения полистирола. Эффективная защита поверхности может ограничить возгорание только теми участками, где защитное покрытие не нанесено или утрачено, либо где расплавленный полистирол или газообразные продукты терморазложения проникли через соединения или микротрещины.

Прогнозирование точного дымовыделения пенополистирола затруднено в силу самых разных условий горения, которые возникают при реальном пожаре. Обобщенные выводы по данным маломасштабных испытаний подтверждаются практикой расследования реальных пожаров. В пожаре, где присутствует открытое пламя, пенополистирол выделяет больше дыма, чем другие материалы в пересчете на массу материала. Однако следует отметить, что ППС содержит только 2 % твердых веществ по объему.

В условиях реального пожара с выделением большого количества дыма часто предполагается, что такой дым выделился в результате горения кровельных изоляционных материалов с ППС. В ряде случаев такие ошибочные выводы делались даже для зданий, в которых ППС не использовался в качестве изолирующего материала. В действительности большая часть дыма образуется при сгорании таких материалов, как дерево, рубероид и мебель, особенно после первого короткого этапа пожара.

Возгораемость

Возгораемость - это процесс распространения пламени по непрерывной поверхности. Степень и скорость возгораемости зависит от горючести материала и его тепловыделения. В строительных материалах, в которых пенополистирол выполняет функцию подложки под жестким материалом и снабжен защитным покрытием, риск повышения возгораемости также зависит от физических / термических свойств поверхности, по которой может растекаться пенополистирол под воздействием высокой температуры.

Близость подложки и степень целостности защитного покрытия (там, где оно осталось), а также конструкция соединения и сцепление между материалами имеют значение для распределения расплавленного полистирола и для поступления воздуха и тепла в зону горения. Если для соединения пенополистирола с покрытием использовалось клеящее вещество, при расплавлении полистирол будет закрепляться на такой поверхности, а если устанавливались толстые листы материала (в особенности - горизонтально), повреждения защитного покрытия могут привести к образованию капель расплавленного вещества, которые отрываются от защитной поверхности и возгораются.

Если произошло повреждение защитного покрытия в каком-то определенном месте, то для определения риска распространения пожара необходимо учитывать возможность притока воздуха, ориентацию и характер поверхности незащищенного пенополистирола (например, в пустотелой стене, изолированной пенополистиролом, вероятность активного распространения пламени меньше из-за недостаточной циркуляции воздуха (9,10)).

Новейшие исследования позволяют получить количественные показатели роли изолирующего материала в процессе распространения пожара в помещениях с полной вентиляцией, где пенополистирол применяется в стеновых панелях, либо в качестве подложки стенового или потолочного материала. Степень участия изолирующего материала в процессе горения зависит, среди прочего, и от характера разрушений защитного внешнего покрытия. Если защитное покрытие имеет удачную конструкцию и тщательно подобрано, то степень участия изолирующего материала в процессе горения и выделении жара и дыма будет существенно ниже. Также может удлиниться время, через которое огонь перекинется на изолирующий материал (11,12)).

Широкомасштабная программа экспериментов, реализованная в Англии компанией Building Research Establishment (BRE), при которой полностью распространившийся пожар кровли моделировался для различных строительных конструкций с изолирующими материалами, показала, какие именно особенности таких конструкций влияют на поведение материалов при пожаре (13). Там, где используется листовой пенополистирол, особое внимание следует уделять выбору внешней гидроизоляции, использованию оптимальных конструкций для установки и закрепления таких листов, что в совокупности с надлежащими мерами огнезащиты помогает существенно снизить роль изолирующего материала в распространении пожара по вертикали по внешнему покрытию, через изолирующий материал либо в полости. Также за счет этих мер ущерб от возможного пожара может быть уменьшен. Как показали эксперименты, нанесение однородной легкой штукатурки с добавлением ППС на монолитные каменные стены, может считаться успешным примером такого использования пенополистирола.

Несмотря на то, что горение ППС стандартного класса происходит с видимым сильным задымлением, общее количество дыма фактически невелико из-за низкой плотности ППС. Но с учетом того, что ППС почти никогда не используется в незащищенном варианте или в помещениях с высокой пожароопасностью, а также чаще всего обложен с обеих сторон другими материалами, то прогнозировать задымление при его горении лучше для конкретных ситуаций.

Обычно ППС защищен от пожара окружающими его материалами и загорается только в том случае, когда огнем охвачено вс? здание. В этих случаях ППС от жара спекается, но не воспламеняется и не способствует распространению огня. При этом объем образующегося дыма может быть ограничен. Соответственно, можно сделать вывод о том, что надлежащее использование ППС с учетом всех применимых рекомендаций не ведет к риску повышения плотности дыма в случае пожара.

Частицы дыма, образующиеся под воздействие открытого огня, имеют большой размер, черный цвет и неправильную форму. Плотность испускаемого дыма возрастает по мере повышения температуры и интенсивности теплового потока, воздействующего на материал. При тлеющем пожаре, когда пенополистирол остается надежно защищенным, а термическое разложение происходит в условиях дефицита кислорода, в дыме преобладают мелкие сферические частицы серого цвета, а удельная оптическая плотность ниже, чем при горении с открытым пламенем. При прямом воздействии пламени ППС горит с выделением достаточно большого количества тяжелого, плотного, черного дыма, обычно пропорционально массе сгоревшего материала. В некоторых случаях мнение о том, что токсичность дыма пропорциональна его плотности, оспаривается, но здесь такие сомнения не имеют оснований.

Там, где ППС используется без защитного покрытия, количество дыма ограничено положительным соотношением массы и поверхности пеноматериала малой плотности.

Токсичность

Как обсуждалось выше, предсказать поведение того или иного вещества на основании маломасштабных испытаний достаточно трудно. Такая же трудность возникает и при оценке риска выделения газов при горении материалов. На практике применяются два подхода: во-первых, определяется характер терморазложения материалов в изделиях, и, во-вторых, изучается биологический эффект горения таких материалов. Необходимо сочетать эти два подхода для того, чтобы получить реалистическую оценку рисков.

Несмотря на то, что при горении ППС выделяется черный дым, его токсичность ниже по сравнению с токсичностью дыма от сгорания обычных строительных материалов. Этот вывод был сделан уже в 1980 г. Центром пожарной безопасности TNO для ППС стандартных классов и для ППС классов SE. Токсичность дыма измерялась для дерева, шерсти, ваты, шелка, хлопкового полотна, хлопкового полотна с антипиреновой пропиткой и трех видов ППС (см таблицу). В случае ППС токсичность дыма оказалась гораздо ниже по сравнению с другими материалами.

Масштабное исследование токсичности дыма от горящего ППС также проводилось в соответствии с методикой DIN 53436 (маломасштабное испытание на токсичность при горении), результаты применения которой вполне сопоставимы с условиями реального пожара. При проведении данного испытания образцы нагреваются до температур 300, 400, 500 и 600° C. Помимо ППС изучались такие материалы, как древесина хвойных деревьев, ДСП, вспученная пробка и триплекс, резина, строительный картон и кожа.

Результаты приведены в таблице ниже. Дым от ППС в худшем случае имеет ту же токсичность, а в большинстве случаев - меньшую токсичность по сравнению с токсичностью дыма от сгорания природных материалов по всему температурному диапазону. ППС продемонстрировал очень хорошие показатели по объемному соотношению испытываемых образцов, т.к. данным материал отличается малой плотностью и легкостью, поскольку на 98% состоит из воздуха. Кроме того, при изучении ППС класса SE негативного воздействия от дыма, выделяемого антипиренами, не наблюдалось.

Из таблицы явствует, что при горении ППС выделяется значительное количество моноксида углерода и мономера стирола. Их относительная токсичность определяется по их показателям острой токсичности при вдыхании (L/C50 при вдыхании в течение 30 мин.), которые составляют 0.55 % в объемном отношении для моноксида углерода и 1.0 % в объемном отношении для стирола.