پوشش ضد حریق چیست؟ راهکار مقابله با آتش سوزی در سازه های فولادی

پوشش ضد حریق در واقع اشاره به سازه‌ها یا موادی دارد که از مقاومت در برابر آتش برخوردار هستند. این مواد ضد حریق عمدتاً به شیوه‌های مختلفی از جمله اسپری شدن روی سطح سازه‌های مختلف با انواع جنس از فولاد گرفته تا چوب اعمال شده و مقاومت سطح مورد نظر در برابر آتش را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهند. امروزه استفاده از پوشش‌های ضد حریق به منظور جلوگیری از آسیب‌های جبران‌ناپذیری به مانند آنچه که در حادثه پلاسکو شاهد آن بودیم بسیار رواج پیدا کرده است.

رفتار انواع سازه های بتنی در هنگام بروز حریق

مقاومت مکانیکال بتن با رسیدن دما به 150 درجه سانتیگراد به دلیل تبخیر آب و تخریب کریستالی بتن ،همچنین ایجاد انبساط آرماتورهای درون بتن به شدت کاهش می یابد و این مقاومت در حوالی 900درجه سانتیگراد تقریبا به صفر می رسد.

افزایش سریع دما بر اثر حریق باعث خرد شدگی بتن می گردد.این خرد شدگی باعث انتقال حرارت به داخل سازه شده و عمق تخریب به سرعت افزایش می یابد.

رفتار انواع سازه های فلزی یا فولادی در هنگام بروز حریق

خواص فولاد در مقابل گرما و افزایش دما کاملا شناخته شده است .به طوریکه مطابق با استاندارد ASTM D-E119 دمای بحرانی برای ستون ها 538 درجه سانتیگراد و برای تیر ها 598 درجه سانتیگراد است.

مقاومت فشاری فولاد در دمای 400 درجه شروع به کاهش می نماید به طوریکه در دمای 800 درجه سانتیگراد تقریبا برابر با صفر می شود و این کاهش مقاومت فشاری باعث تخریب سازه بین 7 تا 15 دقیقه (بسته به نوع حریق و سرعت افزایش دما) می گردد و در صورت ادامه حریق بیش از 15 دقیقه و بدون استفاده از وسایل اطفاء حریق تخریب سازه قطعی می باشد.

انواع پوشش‌های ضد حریق

اول از همه تمامی پوشش‌ ضد حریق را در چند دسته زیر قرار می‌دهند.

• مواد پاششی معدنی
• رنگ‌های منبسط شونده
• بوردها و پنل‌های ضد حریق

به طور کلی، بر اساس ترکیب مواد سازنده، نحوه اجرا و همچنین عملکرد، از پوشش ضد حریق موجود در بازار می‌توان به پوشش ضد حریق سیمانی، پوشش ضد حریق متورم شونده، بتن متراکم و سنگین، صفحات ضد حریق و سیستم‌های ضد حریق منعطف اشاره کرد. در این مطلب قصد داریم که دو مورد اول یعنی پوشش‌های ضد حریق سیمانی و متورم شونده که استفاده از آن‌ها بسیار رایج شده است را بررسی کنیم.

قابلیت‌های کارکردی تمام مواد سازه‌ای متداول هنگامی که در معرض دماهای بالای آتش سوزی‌های ساختمان قرار می‌گیرند، کاهش می‌یابند. بنابراین، انتخاب مناسب و چیدمان مواد محافظ در برابر آتش، ضروری هستند تا از یکپارچگی سازه در برابر عملیات اطفای حریق و تخلیه ساختمان محافظت نمایند.

به لحاظ سابقه‌ای و تاریخی، این حفاظت از طریق استفاده از کاشی توخالی خاک رس، آجر و بلوک‌های بنایی بتنی تهیه شده است. در حال حاضر، روش‌ها و مواد جدیدتر، مانند مواد اسپری محافظ در برابر آتش (SFRM) و پوشش‌های باد کرده، به طور متداول استفاده می‌شوند. توجه و تمرکز این فصل، مشخص کردن خواص گرمایی و مکانیسم‌های عایق سازی مواد پر استفاده حفاظت از آتش است.

 سنگ گچ 

سنگ گچ، ماده ایست نسوز که به طور گسترده در تمام صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود. این ماده معدنی شامل سولفات کلسیم می‌باشد که از لحاظ شیمیایی با آب ترکیب شده است. سنگ گچ از معدنکاری منابع سنگ طبیعی سنگ گچ به دست می‌آید و یا با گرفتن فرآورده‌های جانبی فرایندهای احتراق حاصل می‌شوند . 

توانایی نگهداری و رهاسازی آب داخل این ماده از نظر شیمیایی برای نسوز بودن سنگ گچ ضروری است. تقریباً یک پنجم وزن کریستال‌های سنگ گچ خالص به آب نسبت داده می‌شود.

هنگامی که در معرض آتش قرار می‌گیرد، مواد مبتنی بر سنگ گچ فرایندی تحت عنوان تکلیس را تحمل می‌کنند که در آنجا آب حبس شده را به شکل بخار آزاد کرده ویک مانع حرارتی فراهم می‌کنند.

دمای ماده سنگ گچ بلافاصله پس از از این مانع حراتری بالا خواهد رفت و تا حدی بیش از نقطه جوش آب (100 درجه سانتیگراد) می‌شود و زیر این محدوده استحکام سازه فولادی کاهش می‌یابد. پس از اینکه فرایند تکلیس به پایان رسید، پوشش‌های سنگ گچ یک هسته نسبتاً متراکم را حفظ می‌کند که یک مانع فیزیکی در برابر آتش ایجاد می‌کند.

تخته سنگ گچ 

ساخت صفحه‌های سنگ گچ با مجموعه‌هایی از خرد کردن، آسیاب کردن، حرارت دادن یا مراحل تصفیه آهک شروع می‌شود که سنگ گچ خاک را به شکل یک پودر یکنواخت و خشک تبدیل می‌کند. آنگاه پودر با آب مخلوط می‌شود، و قبل از اینکه بین دو صفحه کاغذ تحت فشار قرار گیرد و خشک شود، یک ماده آبکی (دوغاب) تشکیل می‌دهد.

این صفحه به ضخامت نسبی 6/4 میلیمتر و به طول‌های 1/2 متر تا 3/7 متر در دسترس است. صفحه‌های سنگ گچ با مشخصه‌های معمولی یا نوع X تهیه می‌شوند. استاندارد ASTM C36  انجمن آمریکایی مواد و آزمایش (ASTM) صفحه‌های با برچسب نوع X را به صورت محصولات نسوز خاص معرفی می‌کند که امتیازات نسوز بودن مورد نیاز برای مجموعه‌های خاص دیوار مبنا و پایه را تضمین می‌کند.

علاوه بر این، برخی سازندگان همچنین صفحه نوع C یا نوع بهبود یافته X را تولید می‌کنند که در مقایسه با نوع X  عملکرد ضد آتش برتری را نشان می‌دهند. اکثر صفحه‌های نسوز سنگ گچ از جمله الیاف شیشه‌ای در معرض آتش سوزی، جمع شدگی و شکست و خرد شدن را کاهش می‌دهند.

گچ مبتنی بر سنگ گچ 

گچ مبتنی بر سنگ گچ شامل سنگ گچ آهکی همراه با سنگدانه‌های سبک پرلیتو ورمیکیولیت ، ماسه و یا الیاف چوب می باشد که تحت فرایند خشک کردن سخت می شوند. پرلیت و ورمیکیولیت ، مواد سیلیسی هستند که انبساط های حجمی بزرگ را در حضور دماهای بالا تحمل می کنند .

این انبساط، عناصر محافظت شده از دماهای بالا را جدا می‌کند. این عایق کاری به همراه قدرت طبیعی سنگ گچ برای ایجاد یک مانع بخار، موجب می‌شود که گچ‌های مبتنی بر سنگ گچ خیلی موثر و کارا باشند.

استاندارد ASTM C28 ، ترکیب، زمان تشکیل و استحکام فشاری گچ‌های مبتنی بر سنگ گچ را تدوین می‌نماید. گچ ممکن است مستقیماً به سطح عضو فولادی بکار برده شود و یا اینکه به آهن نبشی فلزی ثابت در اطراف عضو بچسبد و این به الزامات مجموعه محافظ در برابر آتش سوزی بستگی دارد.

پوش ضد حریق بنایی 

ساخت موانع ساخته شده از بلوک‌های بتنی، آجرها و حاشیه‌ای توخالی خاک رس، برخی از اولین روش‌های مورد استفاده در برابر آتش سوزی بودند. به لحاظ تاریخی و سابقه‌ای، در جات آتش سوزی برای نمونه‌های محافظت شده با مصالح بنایی، از نتایج آزمایش‌های استاندارد مانند ASTM E119  حاصل شده اند.

تحقیقات انجام شده در شورای تحقیقات ملی کانادا در حال حاضر، طراحانی را آماده می‌کند که توانایی تعیین نسوز بودن پوشش‌های بنایی با محاسبات جریان حرارتی عبوری از ماده را دارند.

این محاسبات بر مبنای داده‌های تجربی استخراج شده از چگالی، نوع مصالح، هدایت حرارتی، ضخامت، دوغاب ریزی، تکمیل، و رطوبت محتوی مصالح بنایی هستند. دستورالعمل‌های اختصاصی در ارتباط با آیین نامه‌های ساختمان برای تکنیک‌های محافظت از المان‌ها با پوشش‌های بنایی به‌عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شوند.

پوشش ضد حریق بتن 

بتن مخلوطی از سیمان، سنگ‌دانه‌های معدنی، ماسه و آب می‌باشد. توانایی بتن در به تأخیر انداختن انتقال حرارت، برای حفاظت از نمونه‌ها از طریق محفظه بیرونی قطعه یا با پرکردن المان‌های توخالی مانند اعضایHSS  قابل استفاده است.

نوع سنگ‌دانه مورد استفاده در بتن می‌تواند تا حد زیادی بر خواص نسوز بودن آن تأثیر بگذارد. سنگ‌دانه‌های سبک وزن مانند ورمیکولیت، پرلیت، خاک رس باد کرده و سنگ رسی اثر عایق کنندگی بیشتری نسبت به سنگ‌دانه‌های متراکم و سنگین‌تر دارند بدین ترتیب، مقاومت بیشتری در برابر آتش سوزی فراهم می‌کنند.

به علاوه، تحقیقات نشان داده است که بتن ساخته شده با استفاده از سنگ‌دانه سیلیسی نسبت به بتن ساخته شده از سنگ‌دانه‌های کربناتی مانند سنگ آهک، مقاومت کمتری در برابر آتش سوزی نشان می‌دهند.

 رطوبت آزاد و از نظر شیمیایی محدود داخل بتن (شبیه به سنگ گچ) موجب خنک شدن دماهای بالای ناشی از خروج بخار می‌شوند. بتن کاملاً هیدراته (آبدار) معمولاً تقریباً شامل 16 تا 20 درصد آب است. بتن خشک‌تر آب کمتری برای تبخیر در دسترس دارد؛ بنابراین شروع افزایش دما سریع‌تر به انجام می‌رسد. بتن حاوی رطوبت‌های بالا مستعد خردشدن انفجاری با از دست دادن ناگهانی پوشش بتن هستند.

سرانجام، بتن به‌صورت یک مانع فیزیکی بین حرارت شدید آتش سوزی ساختمان و عضو سازه‌ای عمل می‌کند. مطالعات نشان داده‌اند که ضخامت عاملی است که در اکثر نسوز بودن اعضای حفاظت شده با بتن سهیم است . 

پوشش ضد حریق به شکل اسپری 

مواد نسوز مورد استفاده به شکل اسپری ممکن است به دو گروه اساسی تقسیم شوند، سیمانی، و با پایه الیاف. با وجود آنچه که این دو گروه ارائه می‌دهند، سیمان پرتلند یا مبتنی بر سنگ گچ یک نوع چسبندگی بر هر دو نوع SFRM  فراهم می‌کنند.

 

پوشش ضد حریق SFRM  لیفی 

الیاف ساخته شده با ذوب سنگ یا خاکستر وتفاله آهن و ریسندگی این مواد به شکل پشم، یک توده لیفی با خواص سبک وزنی و غیر قابل احتراق ایجاد می‌کند. یک ماده عایق در برابر آتش، از ترکیب پشم با بیندر ایجاد می‌شود.

کاربرد SFRM لیفی شامل مخلوط عامل‌های اتصال دهنده و خشک کردن الیاف با آب نازل‌های شیلنگ، سپس استفاده از اسپری این ماده برای روکش عضو نسوز می‌باشد. استاندارد ASTM C1014  الزامات مربوط به نسوز بودن SFRM لیفی را مطرح می‌کند.

پوشش ضد حریق SFRM سیمانی 

اکثر محافظ‌های SFRM سیمانی شامل معدن سنگ گچی هستند که حفاظت در برابر آتش را برای المان‌های سازه‌ای از طریق آزاد کردن بخار آب ترکیب شده با سنگ گچ را فراهم می‌کند

حفاظت کمکی همچنین از طریق سنگ‌دانه‌های ورمکولیت یا پرلیت تهیه می‌شود که تحت شرایط حرارت زیاد منبسط و مجزا می‌شوند. SFRM سیمانی با مخلوط کردن دوغاب در یک تغذیه کننده و تحویل SFRM تحت فشار داخل یک نازل برای استفاده اسپری آماده می‌شود. بجای اسپری، دوغاب ممکن است داخل محل مورد نظر ماله کشیده شود.

فیبر معدنی 

فیبر معدنی با ریسندگی و فشار دادن سنگ آتشفشانی، رزین‌ها، الیاف معدنی یا پشم داخل صفحه‌ها و تخته‌ها ساخته می‌شود. این صفحه‌ها، موانع نسوزی را تشکیل می‌دهند که ممکن است به شکل یک نوار آب‌بندی محکم در اطراف المان‌های سازه‌ای، برش داده شوند.

فیبر معدنی دارای این مزیت هستند که می‌توان آنها را در شرایط آب و هوای بیرون کار گذاشت و تا حد قابل توجهی تحت تأثیر شرایط سطحی فولاد محافظت شونده نیستند. این مزیت موجب می‌شود تا این فیبرها در مکان‌هایی بکار برده شوند که در آنجا فضاهای باز متراکم هستند و یا برای بهسازی شرایط آز آنها استفاده می‌شود.

انواع اندازه‌های از قبل بریده شده و طیفی از تکمیل‌های سطح از سازندگان مختلف در دسترس هستند. استاندارد ASTM C612  حداکثر حدود دمای مورد استفاده، چگالی و مشخصات گرمایی و فیزیکی انواع صفحه استاندارد را تعیین می‌کند.

پوشش ضد حریق بادکرده (متورم)

روکش‌های متورم، فیلم‌های شیمیایی نازکی هستند که شامل مخلوطی از بیندرها، رزین‌ها، سرامیک‌ها و پرکننده‌های نسوز هستند. این فیلم‌ها تحت دماهای بالا منبسط می‌شوند و یک لایه فوم سلولی نسوز، بادوام و چسبنده را هنگام فرار گازها از داخل فیلم تشکیل می‌دهند.

تحقیقات نشان داده است هنگامی که لایه فوم نیم‌سوز می‌شود، هدایت گرمایی پایین آن یک ظرفیت گرمایی کاهشی ایجاد می‌کند که جریان گرمایی فولاد را به تأخیر می‌اندازد. لایه فوم به‌صورت یک حرارت گیر محسوس طی تورم عمل می‌کند آنگاه به‌صورت یک عایق مناسب.

سیستم‌های متورم بکار برده شده برای اعضای فولادی معمولاً شامل یک روکش پایه هستند و شامل المان‌هایی با توانایی ایجاد لایه فوم می‌باشند که در بالای آستر فولاد قرار می‌گیرند.

سپس روکش بالایی روی روکش پایه قرار داده می‌شود. این لایه، فیلمی با کیفیت‌های مطلوب و جالبی ایجاد می‌کند در حالی که از رطوبت، سایش و مواد شیمیایی نیز محافظت می‌کند. روکش‌ها در حالتی مشابه با رنگ روی سطح عضو استفاده می‌شوند و ممکن است با غلتک، برس و یا اسپری اعمال شوند.

در برخی از کاربردها به یک مش مسلح به الیاف شیشه‌ای بین لایه‌های روکش‌های متورم نیاز است. ضخامت روکش می‌تواند از و درجات نسوز بودن تا سه ساعت امکان‌پذیر هستند. 

کاربردهای پوشش‌های ضد حریق

نحوه استفاده از این پوشش‌های ضد حریق بسته به نوعی که مورد استفاده قرار می‌گیرند دارد. با این حال، مهم‌ترین کاربردهای این پوشش‌ها در حوزه‌هایی که در بالا به آن‌ها اشاره شد را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد.

• سازه‌های فولادی، برای حفاظت از آن‌ها در برابر درجه حرارت‌های بحرانی برابر با 540 درجه سانتی‌گراد
• مدارهای الکتریکی، به منظور حفاظت از آن‌ها در برابر درجه حرارت‌های بحرانی برابر با 140 درجه سانتی‌گراد
• محفظه‌های مواد نفتی به منظور جلوگیری از انفجارهای احتمالی ناشی از سیال در حال جوشش
• خطوط لوله‌ای در پالایشگاه‌های نفتی و کارخانه‌های شیمیایی
• آسترکشی و پوشاندن بتن‌ها در تونل‌ها
• جلوگیری از انتشار آتش‌سوزی به ویژه در سازه‌های ساخته شده از مواد اشتعال‌پذیر مانند چوب از طریق استفاده از درزهای ضد حریق و جدا کردن بخش‌های مختلف سازه از یکدیگر. این درزها و مفصل‌ها در فضاهای داخلی نصب می‌شوند.
• ساخت دیوار آتش یا فایروال (Firewall) که منظور تبدیل یک ساختمان به بخش‌های کوچک‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد تا بتوان انتشار آتش از یک بخش به بخش دیگر را به تأخیر انداخت و یا حتی متوقف ساخت.

پوشش ضد حریق پایه معدنی

پوشش ضد حریق پایه معدنی گونه ای ملات خاص است که مرکب از ورمیکولیت یا پرلیت به عنوان جزء اصلی و چسباننده‌ای در دسترس مانند گچ یا سیمان و در نهایت الیاف تقویت کننده ملات است.

برخی از افزودنی‌های خاص با درصد بسیار کم نیز در این پوشش استفاده می‌شود که به افزایش کارایی آن کمک شایانی می‌کند. استفاده از الیاف در پوشش ضد حریق پایه معدنی برای ممانعت از ترک خوردگی ناشی از تنش‌های حرارتی است.

الیاف شیشه و یا الیاف پلی پروپیلن می‌توانند برای این منظور مورد استفاده قرار گیرند. متریال آن عموماً در کیسه‌های ۲۵ کیلوگرمی و به صورت خشک تولید می‌شوند. با ترکیب این متریال با آب به نسبت صحیح می‌توان ملاتی با قوام کافی ساخته و بر روی نیم‌رخ‌های فولادی پاشش کرد.

پوشش ضد حریقی پلیمری

شرکت نیلی فام پس از سالها تحقیق و بررسی موفق به تولید نوعی رنگ بر پایه رزین اکریلیک شده است که می تواند خاصیت کند کنندگی حریق را داشته و از سازه های صنعتی و ساختمانی تا مدت زمان 2 ساعت(بسته به نوع سازه و ضخامت پوشش) محافظت کند.

این پوشش در صورت به وجود آمدن حریق و هنگامی که دمای محیط از 200درجه سانتیگراد بیشتر می شود شروع به واکنش نموده و ایجاد نوعی فوم می کند که این فوم باعث ایجادضخامتی بیش از 5 برابر ضخامت پوشش اجرایی و همچنین در شروع واکنش گاز ازت نیز از پوشش اجرا شده متصاعد می شود که این موضوع باعث سرد شدن سازه ها و سطوح گردیده و از پخش شعله های آتش بدون ایجاد دود بدلیل جلوگیری از رسیدن اکسیژن به حریق جلوگیری می کند.

هر چه ضخامت فیلم خشک بیشتر باشد مدت زمان تاخیر تخریب سازه بیشتر می شود. عموما بوسیله ضخامت فیلم ایجاد شده از 30 الی 120 دقیقه می توان از سازه محافظت کرد که این موضوع تا رسیدن تیم های آتش نشانی اهمیت ویژه ای دارد.