Vấn đề đặt ra khi bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép bằng vật liệu trương phồng

02/04/2021 10:50:25 SA

Bảo vệ chống cháy cho kết cấu xây dựng là vấn đề quan trọng phải được đặt ra từ giai đoạn thiết kế công trình. 

Giới hạn chịu lửa của cấu kiện xây dựng là một thông số để đánh giá khả năng ổn định tổng thể của một công trình khi chịu tác động của ngọn lửa. Phần lớn các công trình xây dựng đều có cốt thép hoặc làm bằng kết cấu thép, thông thường thép mất khả năng chịu lực khi chịu tác động của ngọn lửa trong khoảng 8-15 phút, vì vậy để tăng giới hạn chịu lửa cho kết cấu cốt thép hay kết cấu thép nói chung cần sử dụng các vật liệu bảo vệ chống cháy. Đóng vai trò là lớp bảo vệ cho các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường chính là bê tông, xi măng… Còn giải pháp bảo vệ chống cháy cho các công trình có kết cấu thép (cột, dầm, giàn, xà gồ…) thường được sử dụng hiện nay là sơn, vữa, thạch cao chống cháy.

Quá trình truyền nhiệt được diễn ra thông qua sự dẫn nhiệt, đối lưu hay nhiệt bức xạ (năng lượng được truyền đi bằng sóng điện từ). Vật liệu bảo vệ chống cháy cho kết cấu được thiết kế với mục đích làm chậm quá trình truyền nhiệt từ đám cháy, trì hoãn tác động của nhiệt bức xạ đến kết cấu công trình do đó làm chậm quá trình mất khả năng chịu lực của kết cấu bằng cách tạo ra một lớp bảo vệ cách nhiệt. Ngoài ra có một số vật liệu được phát triển dựa trên các phản ứng hóa học làm giảm nhiệt độ môi trường, giảm nhiệt lượng tác động lên kết cấu. Hiểu được bản chất này, các nhà sản xuất trên thế giới đã phát triển một loại vật liệu nhằm bảo vệ kết cấu thép trước nhiệt độ của ngọn lửa, được gọi là sơn chống cháy hay sơn trương phồng.

Thành phần hóa học

Mặc dù sử dụng cho các khu vực khác nhau nhưng các vật liệu trương phồng nói chung hay sơn chống cháy nói riêng đều có các thành phần hóa học chính như sau:

- Nguồn axít: Thường sử dụng là muối của axit vô cơ không bay hơi, như axit boric, axit sun-phua-ric, axit phốt-pho-ric. Trong đó sử dụng nhiều nhất là muối của axit phốt-pho-ric, như amônium phốt-phát, amônium poly-phốt-phát.

- Hợp chất có Cacbon: Là hợp chất có các gốc hydroxyl (-OH) mà bị mất nước trong phản ứng este hóa và tạo ra Cacbon. Thường sử dụng là pentaerythritol, amide và ureaformaldehyde hay phenolic resins.

- Hợp chất tạo bọt khí: Các hợp chất này (chlorinated paraffin, melamine hay guanidine) khi bị nung nóng sẽ giải phóng các khí không cháy như HCl, NH3, CO2 và hình thành lên lớp bọt khí với vật liệu cacbon hóa trên bề mặt.

- Chất liên kết: Có nhiệm vụ giữ lại các phần tử bóng khí, vì vậy chúng được yêu cầu phải có tính dẻo, không bị khô cứng. Thường sử dụng là cao su gốc clo.

Việc xác định thành phần hóa học chính của sơn chống cháy có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra giới hạn chịu lửa danh định của kết cấu sử dụng sơn trương phồng để bảo vệ chống cháy.

Hình 1 – Bề mặt lộ lửa của các kết cấu thép phụ thuộc vào hình dạng và vị trí xây lắp (Nguồn: BS EN 1993-1-2:2005)

Các phản ứng hóa học khi nung nóng vật liệu trương phồng

Giai đoạn 1 ở khoảng nhiệt độ 150-215oC diễn ra quá trình phân hủy muối vô cơ tạo ra khí amôniắc và axit phốt-pho-ric:

NH4H2PO4 → NH3 + H3PO4

Ở nhiệt độ cao hơn, axít được hình thành sẽ phản ứng với hợp chất có cacbon trong phản ứng este hóa:

C5H8(OH)4 + H3PO4 → C5H8(OH)4.H3PO4

Trong hai giai đoạn trên, các chất kết dính dần dần bị nóng chảy. Khi nhiệt độ ở mức 280-350oC este phốt-pho-ric bị nhiệt phân tạo ra axit, nước và cacbon:

C5H8(OH)4.H3PO4 → H3PO4 + H2O + C

Cùng lúc đó, phản ứng tạo bọt khí xảy ra và làm phồng lớp kết dính nóng chảy:

CnH(2n+1)Cl →HCl + C

Chất kết dính được làm mềm hình hành một lớp hỗn hợp chứa bóng khí. Khi nhiệt độ cao thì độ nhớt của lớp trương phồng được tăng lên. Nhờ vào quá trình cacbon hóa và có các liên kết nên lớp trương phồng trở nên xốp và rắn chắc hơn. Khi nhiệt độ trên 600oC sẽ xảy ra sự phân hủy và/hoặc oxy hóa lớp cácbon. Thông thường lớp trương phồng có các bóng khí có kích thước 20-50 µm và thành vách xung quanh bóng khí dày 6-8 µm. Để có thể kiểm soát tốt về kích thước của các bóng khí có thể thêm vào TiO2, SiO2. Để tăng tính bền cơ học và bền nhiệt cho lớp trương phồng có thể thêm các thành phần thủy tinh hóa như borat, sợi khoáng.

Hình 2 – Các hình thái bao bọc bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép

(Nguồn: BS EN 1993-1-2:2005)

Phương pháp đánh giá khả năng chịu lửa và vấn đề đặt ra

Hiện nay, có hai phương pháp chính để xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện xây dựng. Một là, thử nghiệm chịu lửa theo các tiêu chuẩn. Kết quả thử nghiệm của các mẫu kết cấu có thể được đánh giá mở rộng theo tiêu chuẩn để xác định giới hạn chịu lửa của các cấu kiện khác tương đồng. Thường áp dụng để tính toán đánh giá mở rộng cho các cấu kiện là bộ tiêu chuẩn của Anh Quốc BS EN 15882 Extended application of results from fire resistance tests for service installations dành cho ống gió, van chặn lửa…; BS EN 15080 Extended application of results from fire resistance tests cho dầm, tường chịu lực…; BS EN 15269 Extended application of test results for fire resistance and/or smoke control for door, shutter and openable window assemblies, including their elements of building hardware cho cửa, cửa sổ, cửa sập… Hai là, xác định bằng phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế. Khi sử dụng phương pháp tính toán không thể không kể đến tiêu chuẩn BS EN 1993-1-2:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-2 General rules – Structural fire design của Anh Quốc, tài liệu Design Guide 19: Fire Resistance of Structural Steel Framing của Viện Kết cấu thép Hoa Kỳ…

Trong lĩnh vực xây dựng, sơn trương phồng thường được dùng để bảo vệ các kết cấu thép trước tác dụng của ngọn lửa. Ngoài ra còn sử dụng để bảo vệ ngay cả các vật liệu cháy được kể cả nhựa. Có thể thấy các ưu thế của sơn trương phồng so với các vật liệu xây dựng khác là: có tính thẩm mỹ cao với nhiều màu sắc và bề mặt hoàn hiện đẹp; không chiếm không gian và tăng tải trọng không đáng kể khi sơn lên các kết cấu; ứng dụng rộng rãi trong nhiều công năng và dễ bảo trì, ngay cả với các công trình hiện hữu. Các cấu kiện xây dựng được bảo vệ chống cháy bởi các vật liệu xây dựng thông dụng (gạch, bê tông, vữa, xi măng, thạch cao…) đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế từ hàng trăm năm, chúng ta có đủ cơ sở khoa học và nguồn tài liệu là căn cứ để xác định giới hạn chịu lửa ngay cả khi không cần thử nghiệm thực tế (Ở Việt Nam, giới hạn chịu lửa danh định của một số cấu kiện công trình có thể tham khảo thông tin từ Phụ lục F QCVN 06:2020/BXD). Tuy nhiên, đối với vật liệu trương phồng, mặc dù đã được sử dụng trên thế giới khoảng 40 năm nay, nhưng hiện chưa có bộ tiêu chuẩn quốc gia nào làm tài liệu chuẩn cho sơn chống cháy. Ngay cả tài liệu hướng dẫn của Tổ chức phê duyệt kỹ thuật Châu Âu đối với các cấu kiện được bảo vệ chống cháy ETAG 018 Guideline for European technical approval of Fire protective products cũng chưa chỉ ra được giới hạn chịu lửa danh định của sơn chống cháy. Chúng ta cần thêm thời gian để có đủ các nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng để đánh giá, đưa ra nguồn tài liệu chuẩn làm căn cứ xác định giới hạn chịu lửa danh định của kết cấu khi sử dụng sơn chống cháy, giống như đã từng làm đối với vữa, thạch cao trong thời kì đầu ứng dụng.

Nguyễn Thanh Tuấn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

R. B. R.S. OLIVEIRA, A. L. MORENO JUNIOR, L. C. M. VIEIRA Intumescent paint as fire protection coating.

TROITZSCH, J. H. Methods for the Fire Protection of Plastics and Coatings by Flame Retardant and Intumescent Systems.Marl, 1983.

BS EN 1993-1-2:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-2 General rules – Structural fire design.

ETAG 018 Guideline for European technical approval of Fire protective products.

QCVN 06:2020/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình.