1st Δεκέμβριος 2020

ScienceLab.Gr

Science Communication

Συμπεριφορά δομικών υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες

Ταξινόμηση δομικών υλικών

Tα δομικά υλικά όσον αφορά στη συμπεριφορά τους απέναντι στη φωτιά, χωρίζονται σε :
Α: υλικά μη αναφλέξιμα
Β: υλικά αναφλέξιμα
Οι Γερμανικοί κανονισμοί (DIN 4102) που είναι καλύτεροι από πρακτικής άποψης, προβλέπουν 3 κατηγορίες αναφλέξιμων υλικών:
Β1:
υλικά δύσκολα αναφλέξιμα
Β2:
υλικά κανονικά αναφλέξιμα
Β3:
υλικά εύκολα αναφλέξιμα.

Ιδιότητες από συνήθης φλόγες σε πυργκαγιές
  • Φλόγα κυτταρίνης (καύση ξύλου/χαρτιού): Ροή Θερμότητος 130 KW/ m2. Σταδιακή αύξηση θερμοκρασίας σε 25` στους 850-900°C.
  • Φλόγα υδρογονανθράκων (καύση παραγώγων πετρελαίου): Ροή Θερμότητος 200 KW/ m2. Σταδιακή αύξηση θερμοκρασίας σε 5` στους 1100-1200°C.
Χάλυβας

Ο χάλυβας, αν και είναι άκαυστο υλικό, δεν αντέχει επί πολύ ώρα τις υψηλές θερμοκρασίες μιας συνηθισμένης πυρκαγιάς. Η εργαστηριακή δοκιμασία συνηθισμένου μαλακού χάλυβα, δείχνει πως η αντοχή (σε εφελκυσμό) αυξάνει αρχικά, για θέρμανση μέχρι 250°C, για να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση στους 400°C, από όπου αρχίζει να πέφτει και στους 550°C φθάνει στην επιτρεπόμενη τάση, με τους συνηθισμένους συντελεστές ασφάλειας. Οι 550°C θεωρούνται σαν κρίσιμη θερμοκρασία του χάλυβα.

Σκυρόδεμα (μπετόν)

To σκυρόδεμα (μπετόν) είναι το καλύτερο από τα συνηθισμένα δομικά υλικά, από την άποψη συμπεριφοράς σε πυρκαγιά, για τους εξής λόγους:

α) Τα δομικά στοιχεία που κατασκευάζονται από σκυρόδεμα είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερης μάζας, από τα αντίστοιχα χαλύβδινα ή ξύλινα και έτσι η ανύψωση της θερμοκρασίας τους καθυστερεί.

β) Το μπετόν, ακόμη και σε ξηρό περιβάλλον, εμπεριέχει νερό, που συγκρατείται με τρεις τρόπους:

  • με φυσικές δυνάμεις, όπως είναι η ικανότητα των τριχοειδών πόρων να συγκρατούν νερό, ανάλογα με τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος,
  • με φυσικοχημικές δυνάμεις, όπως είναι οι τάσεις συνάφειας προς τους κόκκους των λίθινων υλικών, και
  • με χημικές δυνάμεις, όπως είναι το κρυσταλλικό νερό ενυδάτωσης του τσιμεντοπολτού.

Κατά την προσβολή του από υψηλές θερμοκρασίες, το νερό εξατμίζεται, αρχικά στην επιφάνεια και στη συνέχεια βαθύτερα, όσο διαρκεί η πυρκαγιά. Κατά την εξάτμιση του απορροφά θερμότητα και έτσι καθυστερεί τη θέρμανση των εσωτερικών στρωμάτων. Ουσιώδης στόχος είναι, οι εξωτερικές στρώσεις (όπου ο τσιμεντοπολτός αποσυντίθεται στους 600°C), να μην αποκολληθούν και καταπέσουν. Σ’ αυτό συντελεί σημαντικά η παρουσία πυκνού λεπτού οπλισμού (συνδετήρων ή μεταλλικού πλέγματος) που έχει τοποθετηθεί γι αυτό το σκοπό. Το είδος των αδρανών που χρησιμοποιούνται για τη ν κατασκευή του σκυροδέματος παίζει σημαντικό ρόλο. Τα ασβεστολιθικά αδρανή (όπως τα δικά μας) είναι τα καλύτερα, γιατί ο ασβεστόλιθος χάνει τις μηχανικές του ικανότητες στους 900°C, οπότε αρχίζει η ασβεστοποίηοη, με ταυτόχρονη έκλυση διοξειδίου του άνθρακα (διαδικασία που απορροφά επίσης σημαντικά ποσά θερμότητας). Επίσης καλή συμπεριφορά δείχνουν οι σκωρίες υψικαμίνων (εφόσον βέβαια εκπληρώσουν τους όρους καταλληλότητας) για να χρησιμοποιηθούν ως αδρανή στην παραγωγή μπετόν. Αντίθετα τα πυριτικά αδρανή (συνήθως χαλαζίτης από κοιτάσματα φυσικού αμμοχάλικου), που κυρίως χρησιμοποιούνται στην κεντρική Ευρώπη, παρουσιάζουν διόγκωση και σπάζουν όταν θερμανθούν στους 530°C. Πάντως αυτά τα φαινόμενα αρχίζουν να εμφανίζονται μετά το πρώτο ημίωρο, τουλάχιστον σε συνηθισμένης έντασης πυρκαγιές.

Ξύλο

Τα ξύλα ειδικού βάρους μικρότερου από 400 kg/m3 (π.χ. έλατο, πεύκο) κατατάσσονται στα “κανονικά αναφλέξιμα υλικά” (κατηγορία Β2), όταν το πάχος τους υπερβαίνει τα 2 mm. Τα ξύλα μεγαλύτερου ειδικού βάρους (δρυς, καστανιά) είναι λιγότερο εύφλεκτα και επομένως μπορούν να υπαχθούν ακόμη και στην κατηγορία των δύσκολα αναφλέξιμων υλικών (Βλ. εάν υποστούν εμποτισμό με κατάλληλα χημικά διαλύματα, σε ειδικούς λέβητες υπό πίεση.
Γενικά το ξύλο δεν είναι τόσο επικίνδυνο υλικό όσο πιστεύεται. Όταν καίγεται, δημιουργείται ένα επιφανειακό απανθρακωμένο στρώμα, μικρής αγωγιμότητας, που καθυστερεί την πυρόλυση του υποκειμένου υλικού. Η απανθράκωση αυτή προχωρεί με ρυθμό 0,6 έως 0,7 mm/min. To καιόμενο ξύλο παράγει μεγάλες ποσότητες καπνού, που η πυκνότητα του εξαρτάται από το ρυθμό καύσης, τη θερμοκρασία και την ποσότητα του προσαγόμενου αέρα.
Τα ξύλα που χρησιμοποιούνται στις δομικές κατασκευές μπορούν να υποστούν προληπτική επεξεργασία, που αυξάνει σημαντικά την πυραντοχή τους. Οι περισσότερο διαδεδομένοι τρόποι επεξεργασίας ξύλου με στόχο τη βελτίωση της συμπεριφοράς του σε περίπτωση πυρκαγιάς είναι:
• Εμποτισμός με αντιπυρικές ουσίες: Για τη βελτίωση των αντιπυρικών ιδιοτήτων του ξύλου χρησιμοποιούνται διάφορες χημικές ουσίες, συνήθως υδατοδιαλυτά άλατα με βάση τη θειική αμμωνία (ΝΗ4)24 και διάφοροι φωσφορικοί ανάμικτες, μαζί με κάποιο αντιοξειδωτικό παράγοντα, διάφορα συντηρητικά του ξύλου, καθώς και άλλες αντιπυρικές ουσίες, όπως βορικό οξύ ή χλωριούχος ψευδάργυρος (ZnCl2). Τα άλατα αυτά εφαρμόζονται με πίεση, γιατί με μεθόδους εφαρμογής χωρίς πίεση (με επάλειψη, ψεκασμό, εμβάπτιση, κλπ.) δεν επιτυγχάνεται ικανοποιητικός βαθμός εμποτισμού.
• Επικάλυψη με αντιπυρικές ουσίες: Στην κατηγορία αυτή υπάγονται διάφορα αντιπυρικά βερνίκια ή χρώματα, που επιστρώνονται στην επιφάνεια του ξύλου. Η εφαρμογή τους γίνεται με πινέλο, με ρολό με ψεκασμό. Οι επικαλυπτικές αντιπυρικές ουσίες, δεν πρέπει να συγχέονται με τα “διακοσμητικά” χρώματα ή βερνίκια. Τα αντιπυρικά βερνίκια ή χρώματα πρέπει να εφαρμόζονται σε ορισμένο πάχος διαστρώσεως, γιατί διαφορετικά δεν είναι επαρκής η αποτελεσματικότητα τους.

Αλουμίνιο

Το αλουμίνιο, αν και μη αναφλέξιμο υλικό, δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι παρουσιάζει αντοχή έναντι της φωτιάς. Με σημείο τήξεως στους 650°C, μικρή θερμοχωρητικότητα και μεγάλη αγωγιμότητα, εμφανίζει γρήγορη θέρμανση και υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (3πλάσιο του χάλυβα), ώστε να μη μπορεί να συμπεριληφθεί στα υλικά που συμβάλουν στην πυρασφάλεια.

Πλινθοδομές

Τα συνηθισμένα τούβλα από άργιλλο, αντέχουν σε θερμοκρασίες ακόμη και μεγαλύτερες των 1000°C, χωρίς να υφίστανται σοβαρές ζημιές. Σε σφοδρή και παρατεταμένη θέρμανση εμφανίζουν επιφανειακή τήξη. Τα συμπαγή τούβλα είναι πάντως προτιμότερα, για την περίπτωση πυρκαγιάς, από τα διάτρητα ή κοίλα. Οι τσιμεντόλιθοι και τα ασβεστοπυριτικά τούβλα, συμπεριφέρονται επίσης ικανοποιητικά. Η πιθανή κατάρρευση τοίχων, κατασκευασμένων από τα υλικά αυτά, δεν προέρχεται συνήθως από αδυναμία τους έναντι της φωτιάς, αλλά από κινήσεις δοκών στους οποίους στηρίζονται. Οι τοιχοποιίες από οπτοπλινθοδομές θεωρούνται πάντως δομικά στοιχεία με ικανοποιητική αντοχή στη φωτιά και μπορούν, σε σωστές κατασκευές, να αντισταθούν και σε πολύ σοβαρές πυρκαγιές.

Αμίαντος και λιθοβάμβακας

Ο αμίαντος, σε χαλαρή μορφή, χρησιμοποιούταν μαζί με αναλογία τσιμέντου, σε εκτοξευόμενα κονιάματα, για πυροπροστατευτικές καλύψεις και είναι πρακτικά απρόσβλητος από τη φωτιά. Όμως ο κίνδυνος προσβολής των εργαζομένων στις κατασκευές ή των χρηστών των χώρων από “αμιάντωση των πνευμόνων”, που είναι νόσος παρεμφερής προς τον καρκίνο, οδήγησε στον περιορισμό της χρήσης του ή και την απαγόρευση του.

Στις περισσότερες περιπτώσεις τον αντικατέστησαν με (μικρότερης ικανότητας) ίνες λιθοβάμβακα. Τα προϊόντα αμιαντοτσιμέντου (κυματοειδή φύλλα, πλάκες, σωλήνες) περιέχουν γύρω στο 10 % αμίαντο μέσα σε μάζα από τσιμέντο και λεπτή άμμο. Σε περίπτωση απότομης προσβολής από φλόγα σπάζουν, ιδίως αν περιέχουν υγρασία. Ελαφρότερες πλάκες, μικρής μηχανικής αντοχής, από ίνες αμιάντου ή λιθοβάμβακα, με μικρή αναλογία συγκολλητικού υλικού (κατά κανόνα υδρυάλου), χρησιμοποιούνται με επιτυχία για επενδύσεις που είναι συγχρόνως πυροπροστατευτικές, ηχοαπορροφητικές και θερμομονωτικές. Ο υαλοβάμβακας έχει χαμηλότερο σημείο μαλακώσεως από τον λιθοβάμβακα και δεν θεωρείται πυροπροστατευτικός.

Γυαλί

Τα τζάμια από συνηθισμένο γυαλί ρηγματώνονται μόλις έλθουν σε επαφή με τα θερμά καυσαέρια, εξ’ αιτίας της διαφορετικής θερμοκρασίας στις δύο όψεις τους. Σε πολλές περιπτώσεις, για αρκετή ώρα, τα τζάμια μπορούν να παραμείνουν ρηγματωμένα στη θέση τους. Επειδή όμως δε μπορεί να γίνει καμία αξιόπιστη πρόβλεψη, πρέπει να θεωρείται ότι παρουσιάζουν μηδενική αντοχή στη φωτιά. Ούτε όμως τα διπλά τζάμια θεωρούνται αποτελεσματικά γιατί η θραύση του εσωτερικού φύλλου προκαλεί “θερμικό σοκ” και θραύση και στο ψυχρό εξωτερικό τζάμι. Πλεονεκτικά θεωρούνται μόνο τα τζάμια με ενσωματωμένο συρμάτινο πλέγμα (οπλισμένοι υαλοπίνακες). Κι’ αυτά βέβαια ραγίζουν κατά τον ίδιο τρόπο αλλ’ όμως συγκρατούνται στη θέση του αρκετή ώρα. Η σχετική αυτή πυράντοχή επιτρέπει να χρησιμοποιούνται (μέχρις ορισμένου μεγέθους) σε πόρτες πυροπροστασίας (π.χ. σε μικρά ανοίγματα ανελκυστήρων).

Πλαστικά

Η μεγάλη ποικιλία και η ραγδαία διάδοση των πλαστικών δυσκολεύει την ενιαία αντιμετώπιση τους. Πάντως υπάρχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά και κυρίως, τα πλαστικά σε όλες τις μορφές τους είναι αναφλέξιμα υλικά.

Για πολλά είδη πλαστικών έχουν επισημανθεί διαβαθμίσεις ως προς τη δυσκολία ανάφλεξης και την ιδιότητα της αυτοσβέσεως. Μερικά πλαστικά δίνουν αξιόλογη βοήθεια στην προσπάθεια μειώσεως της ταχύτητας μεταδόσεως της φωτιάς. Όταν όμως αναπτυχθεί πυρκαγιά, από την ανάφλεξη άλλων υλικών του χώρου, διασπώνται και αυτά από πυρόλυση σε αναφλέξιμα αέρια. Επειδή μάλιστα τα ειδικά πρόσθετα που περιέχουν είναι τοξικά, κατά κανόνα αλογόνα (βρώμιο, χλώριο, φθόριο), τα παραγόμενα τότε καυσαέρια είναι ακόμη πιο επικίνδυνα. Το τελευταίο είναι μάλιστα το κύριο μειονέκτημα των πλαστικών, ότι δηλαδή παράγουν τοξικά αέρια και πυκνούς μαύρους καπνούς, που εμποδίζουν τη διαφυγή των ενοίκων και την πρόσβαση των πυροσβεστών, πολύ περισσότερο από αντίστοιχες ποσότητες ξύλου.