Table of Contents

Введение

Пожарная безопасность является основной проблемой в проектировании зданий, и выбор материалов играет решающую роль в определении способности конструкции противостоять огню. Среди традиционных строительных материалов кирпич выделяется своей исключительной производительностью в высокотемпературных средах. Его использование в стратегиях пожаробезопасности и огнестойкости не является случайным и не просто историческим; оно связано с хорошо понимаемыми физическими и химическими свойствами, которые были подтверждены многовековым практическим опытом и современными стандартами испытаний. Поскольку строительные нормы становятся более строгими и модели пожарного риска развиваются из-за изменения климата и плотности городов, кирпич продолжает предлагать надежное, экономически эффективное решение для пассивной противопожарной защиты. В этой статье рассматриваются фундаментальные свойства, которые делают кирпич огнестойким, исследуются стратегии, используемые для интеграции кирпича в системы пожарной безопасности, и рассматриваются современные инновации, которые расширяют его возможности при решении практических проблем.

Историческая роль кирпича в противопожарной защите

Задолго до появления современных пожарных кодов строители признавали, что кирпич обеспечивает превосходное сопротивление огню по сравнению с деревом, соломой и даже камнем. Великий пожар в Лондоне 1666 года, уничтоживший тысячи зданий из деревянной рамы, привел к первым широко распространенным строительным нормам, предписывающим использование кирпича и камня для партийных стен и экстерьеров. Это событие создало прецедент, который влиял на городское строительство на протяжении веков. Аналогичным образом, в Соединенных Штатах разрушительные городские пожары в 19 веке, такие как Чикагский пожар 1871 года, побудили принять «огнеустойчивое» строительство, которое в значительной степени полагалось на кирпичную кладки. Римская империя использовала обожженный кирпич в общественных банях и форумах, часто выдерживая пожары, которые разрушали окружающие деревянные конструкции. Наследие этих исторических примеров не просто анекдотически; они демонстрируют, что огнестойкость кирпича является надежной характеристикой, которой доверяют во всех культурах и эпохах.

Результаты Брика в исторических пожарах также задокументированы в инженерной литературе. Например, испытания, проведенные после землетрясения и пожара в Сан-Франциско в 1906 году, показали, что кирпичные здания, которые остались в значительной степени нетронутыми, обеспечивали критическое укрытие и сдерживание, даже когда первоначальное встряхивание вызывало трещины. Эти реальные результаты укрепили репутацию кирпича как огнестойкого материала, который мог бы поддерживать свою структурную целостность в экстремальных условиях.

Свойства, которые делают кирпич огнестойким

Огнестойкость кирпича - это не одно свойство, а комбинация характеристик материала, которые работают вместе, чтобы ограничить распространение огня и сохранить прочность конструкции. Понимание этих свойств помогает архитекторам и инженерам определить правильный тип кирпича и сборку для своих проектов.

Высокая температура плавления и термостабильность

Обожженный глиняный кирпич производится при температурах от 900°C до 1200°C, что означает, что он уже подвергался воздействию тепла, превышающего уровень большинства пожаров в зданиях (обычно 600-1100°C в стандартных испытаниях на огне). Его температура плавления значительно превышает 1000°C, и обычные конструкционные кирпичи не начинают значительно деформироваться до температуры, превышающей 1100°C. Эта термостойкость гарантирует, что кирпичи сохраняют свою форму во время пожара, предотвращая разрушение стен и поддерживающие нагрузки. Напротив, сталь начинает терять свою несущую способность при около 550°C, поэтому кирпич часто используется для закупорки стальных колонн и балок.

Низкая теплопроводность

Кирпич обладает относительно низкой теплопроводностью по сравнению с металлами и бетоном. Это означает, что он не эффективно переносит тепло с пожарной стороны на необнаженную сторону. Стандартная кирпичная стена может задержать повышение температуры на противоположной поверхности на значительный период, покупая ценное время для эвакуации и пожаротушения. Точные характеристики зависят от плотности и толщины кирпича, а также типа раствора, но типичные глиняные кирпичные стены толщиной 200 мм (8 дюймов) могут достичь огнестойкости в 2-4 часа в стандартных испытаниях ASTM E119.

Инертный химический состав

Глиняный кирпич состоит в основном из кремнезема и глинозема, а также небольшого количества оксида железа, извести и других минералов. Эти соединения не сжигают, не плавят и не выделяют вредные газы при воздействии огня. Это важнейшее преимущество в плане безопасности перед органическими строительными материалами, такими как древесина или продукты на основе пластика, которые производят дым, токсичные пары и пылающие капли. В пожаре кирпичи не дают топлива, поэтому они не ускоряют рост огня. Они также не производят вид блеска, наблюдаемый в каком-то бетоне при быстром нагревании, поскольку их пористая структура позволяет внутренней влаге постепенно уходить.

Размерная стабильность и структурная целостность

При воздействии высокой температуры многие материалы расширяются, сжимаются или размягчаются. Кирпич сохраняет свою форму и объем в предсказуемом диапазоне при условии, что температура остается ниже температуры созревания. Небольшое количество расширения, которое действительно происходит, может быть размещено правильно спроектированными расширительными соединениями и гибким раствором. Эта размерная стабильность означает, что кирпичные стены продолжают действовать как структурные элементы, сопротивляясь боковым нагрузкам, которые могут возникнуть из теплового расширения смежных строительных компонентов. В несущих приложениях кирпичные стены могут поддерживать полы и крыши даже после длительного воздействия огня, снижая риск прогрессирующего обрушения.

Рейтинги огнестойкости и стандарты испытаний

Для использования в огнестойкой конструкции кирпичные сборки должны соответствовать конкретным критериям производительности, определенным национальными и международными стандартами. В США основным стандартом является ASTM E119 (стандартные методы испытаний для огневых испытаний строительного строительства и материалов), который измеряет способность сборки стен содержать огонь и поддерживать структурную целостность. Рейтинг выражается в том, что время (часы) сборки может выдерживать воздействие до выхода из строя одного или нескольких критериев: повышение температуры на необнаруженной стороне, прохождение горячих газов через трещины и потеря несущей способности. Типичные кирпичные стеновые сборки достигают оценок от 1 часа до 4 часов, в зависимости от толщины, типа блока и наличия других компонентов, таких как армирующая сталь или изоляция.

На международном уровне аналогичные стандарты включают ISO 834 и EN 1365. Производители кирпича часто предоставляют данные испытаний для своих продуктов в конкретных конфигурациях стен. Архитекторы и инженеры определяют эти сборки на основе требований строительного кодекса (например, IBC, NFPA 5000) для типа заполняемости, высоты здания и близости к линиям собственности. Важно отметить, что рейтинг огнестойкости применяется ко всей сборке стен, а не только к кирпичу. Тип миномета, толщина суставов и любые поверхностные покрытия влияют на производительность. Например, 4-дюймовая кирпичная стена с портландцементным минометом может иметь 1-часовой рейтинг, в то время как 8-дюймовая стена с тем же кирпичом может достигать 2 или 3 часов.

Стратегии включения кирпича в пожарную безопасность

Кирпич используется в нескольких различных стратегиях в рамках комплексного подхода к противопожарной защите. Эти стратегии часто сочетают кирпич с другими материалами, такими как гипсовая доска или изоляция, для достижения конкретных целей производительности.

Огнестойкие стены и барьеры

Наиболее распространенным применением являются стены с огневым рейтингом, которые служат вертикальными барьерами для распространения огня. Эти стены предназначены для того, чтобы иметь заданный рейтинг огнестойкости и обычно расположены вокруг лестничных пролетов, шахт лифта и между окрестностями (партийные стены). Кирпичные стены идеально подходят для этой роли, потому что они являются огнестойкими и долговечными от удара и повседневного злоупотребления. Во многих юрисдикциях минимальные толщины предписываются кодом, например, 6-дюймовые или 8-дюймовые сплошные кирпичные стены для определенных применений. Полости стены (два зубца кирпича с воздушным зазором или изоляцией) также обеспечивают хорошие огневые характеристики, поскольку полости задерживают теплообмен.

Пожарная защита структурных элементов

Стальные каркасные здания требуют огнезащиты, чтобы сталь не достигала температуры, которая заставляет ее терять прочность. В то время как огнезащита с распылением (SFRM) является обычным явлением, кирпичная оболочка предлагает постоянную, прочную альтернативу, которая не ухудшается с течением времени или нуждается в повторном применении. Колонки и балки могут быть окружены слоем кирпича, часто с проектной толщиной для достижения требуемого рейтинга огня. Этот метод особенно полезен в помещениях с высоким трафиком или зданиях, где эстетика имеет значение, поскольку кирпич может быть оставлен открытым или обращен к отделке, которая соответствует архитектуре. Кирпичный ограждение также обеспечивает дополнительную устойчивость к тепловому расширению стали, вызванному пожаром.

Наружная облицовка и занавесные стены

Кирпичные шпоновые системы широко используются в качестве наружной облицовки, обеспечивая как защиту от непогоды, так и огнестойкость. В типичном кирпичном шпоне над деревянной или стальной рамой сам кирпич негорючий и действует как защитный слой. Однако общая огневая производительность системы зависит от детализации воздушной полости, блокировки огня и материалов, стоящих за кирпичом. Современные кирпичные шпоновые стены часто включают непрерывный слой изоляции из минеральной ваты и гипсовой оболочки, что может улучшить рейтинг огнестойкости. Сочетание кирпичной облицовки с надлежащими полостью огневых остановок (таких как стальные перемычки и полосы из минеральной ваты) может предотвратить пламя от перемещения по полости, общая точка отказа в системах дождевого экрана.

Сравнение

Крупные здания полагаются на отсеки, чтобы ограничить огонь областью происхождения. Кирпич является отличным материалом для создания пожарных отсеков, потому что он может быть сформирован в полные корпуса вокруг областей высокого риска, таких как котельные, зоны хранения для горючих материалов или кухни. Сравнительные стены из кирпича требуют минимального дополнительного противопожарного воздействия вокруг проникновений (трубы, воздуховоды, кабели), потому что правильно герметичный кирпич обеспечивает прочный барьер. Использование кирпича для разделения здания на более мелкие пожарные зоны также упрощает проектирование путей выхода, поскольку пассажиры могут отойти от огня через защищенные коридоры, определенные кирпичными стенами с огневым рейтингом.

Типы кирпича для применения огнестойкости

Не все кирпичи одинаково подходят для высокотемпературного воздействия. Стандартный строительный кирпич (глиняный или сланцевый), используемый в большинстве строительных материалов, обеспечивает хорошую огнестойкость для типичных пожаров в зданиях. Однако для промышленных применений или районов, подверженных экстремальному теплу (например, вокруг каминов, печей или печей), требуются специальные огнеупорные кирпичи.

  • Обычный глиняный кирпич: Подходит для большинства стен с огневым рейтингом в жилых и коммерческих зданиях. Они отвечают требованиям ASTM C62 или C216 и могут достигать огнестойкости в 2-4 часа при правильной сборке.
  • Огнеупорный кирпич: Изготовлен из огнеупорной глины с высоким содержанием глинозема; они могут выдерживать температуры до 1500°C или более. Они используются в дымоходах, промышленных печах и каминах, но обычно не нужны для типичной пожарной защиты здания.
  • Комбайн кремнезема: Содержит более 93% кремнезема и обладает очень высокой устойчивостью к тепловому удару. Используется в стекловаренных печах и коксовых печах. Не используется в строительстве зданий.
  • Калиевый кремнеземный кирпич (Sand-lime Brick): Хотя они более пористые, чем глиняный кирпич, они также проявляют огнестойкость. Однако они имеют более низкие точки плавления и реже указываются для огнестойких сборок в Соединенных Штатах. В Великобритании и Европе они иногда используются в не несущих перегородках.
  • Тонкий кирпич (Brick Veneer): Это ломтики глиняного кирпича (примерно от 1/2 до 1 дюйма толщиной) приклеенные к подложке. В то время как сам кирпич негорючий, тонкий профиль означает, что рейтинг огнестойкости общей стены в значительной степени зависит от подложки и клеевой системы. Тонкий кирпич обычно не используется отдельно для стен с огневой оценкой, но может быть частью сборки с огневой оценкой с правильной перечисленной подложкой.

Проблемы и соображения в кирпичной огнеупорности

Несмотря на множество преимуществ, использование кирпича в стратегиях огнестойкости представляет собой несколько проблем, которые необходимо решать при проектировании и строительстве.

Мортар и совместная целостность

Миномет между кирпичами может быть слабым звеном в кирпичной стене с огневым рейтингом. Миномет типа N (наиболее распространенный для общего использования) имеет более низкую температуру плавления, чем сам кирпич. При длительном воздействии огня минометные соединения могут смягчаться, что приводит к повторному усвоению соединений и потенциальной нестабильности. Для применений с высоким риском пожара предпочтительны миномет типа S или типа M (с более высокой прочностью на сжатие и большим количеством портландцемента). Кроме того, оснащённые соединения, которые плотны и хорошо уплотнены, работают лучше, чем рыхлые, открытые стыковые. Некоторые строительные коды требуют усиленных затираемых ядер или проволочного подкрепления для стен, превышающих определенные высоты, для поддержания целостности, если миномет ухудшается.

Термическое расширение и вибрация

Все материалы расширяются при нагревании. Кирпич и раствор расширяются с разной скоростью, что может вызвать внутренние напряжения и растрескивание. В то время как небольшие трещины на волосах не могут сразу поставить под угрозу целостность пожарной стены, они могут позволить проникать горячим газам, снижая рейтинг огня. Необходима правильная детализация расширительных соединений в кирпичной кладке и использование гибких герметиков, которые рассчитаны на воздействие огня. В несущих стенах дизайнер должен учитывать тепловое расширение кирпичной массы, чтобы избежать выталкивания смежных структурных элементов (например, полов или крыш) из выравнивания.

Совместимость с другими огнеупорными материалами

Очень часто кирпичные стены являются частью более крупной системы противопожарной защиты, которая включает в себя интумсцентные покрытия, огнеупорные напыления на стали и гипсовые плиты. Стык между кирпичом и этими другими материалами должен быть тщательно проработан для поддержания непрерывности огненного барьера. Например, когда кирпичная стена встречается со стальным балкой, зазор должен быть запечатан соединением противопожарной опоры, которое может приспособить движение, предотвращая прохождение пламени и дыма. Аналогично, внутри пробития для электрических коробок или труб требуют перечисленные системы противопожарной опоры. Строительный кодекс требует, чтобы эти соединения были испытаны как часть сборки или одобрены испытательным агентством.

Стоимость и вес

Кирпич тяжелый и добавляет значительную мертвую нагрузку к конструкции. Это может увеличить затраты на фундамент и потребовать более прочного стального каркаса. В многоэтажных зданиях может быть более экономичным использование более легких материалов (например, металлического шпилька и гипса) для внутренних стен с огневым рейтингом, при использовании кирпича только для наружных стен или конкретных отсеков высокого риска. Однако долговечность кирпича и низкое техническое обслуживание часто компенсируют первоначальные затраты на срок службы здания. Для огнезащиты стальных колонн кирпичная оболочка может быть конкурентоспособной по стоимости с распылением изоляции, когда колонна расположена в видимой области, которая в противном случае потребовала бы архитектурного покрытия.

Современные инновации и будущие тенденции

Несмотря на то, что кирпичная промышленность не остается статичной, последние разработки касаются некоторых традиционных проблем и открывают новые возможности в огнестойкой конструкции.

Инженерные кирпичные блоки: Некоторые производители производят «тонкие кирпичные» блоки с армированной стекловолокном подложкой или интегрированными механическими системами блокировки. Они позволяют быстрее устанавливать и могут использоваться в сборных стеновых панелях, снижая рабочую силу на месте при сохранении огневых характеристик.

Укрепленное кирпичное масонство: Включение вертикальных стальных армирующих стержней в кирпичные стены повышает пластичность и устойчивость к сейсмическим силам без снижения огнестойкости. Это особенно важно в регионах, подверженных землетрясениям, где после пожара структурная стабильность имеет решающее значение.

Перфорированные и полые кирпичи:] Современные полые кирпичи (с объемом пустоты ядра до 60%) легче и более изоляционны, чем традиционные твердые кирпичи. Их огневые характеристики были тщательно протестированы; например, полая кирпичная стена с правильно заполненными ядрами (например, с легким бетоном) может достигать аналогичных огневых оценок твердым стенам при использовании меньшего количества материала. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы ядра не создавали дымоходный эффект; как правило, ядра заполняются каждый курс или блокируются на этажах.

Прогресс в тестировании и моделировании: Моделирование конечных элементов теперь позволяет инженерам более точно прогнозировать тепловое и структурное поведение кирпичных сборок по стандартным кривым пожара. Это снижает необходимость полномасштабного тестирования каждого варианта и ускоряет утверждение новых продуктов. Исследователи из таких учреждений, как Техасский университет и Национальный институт стандартов и технологий (NIST), продолжают публиковать данные о характеристиках кирпичного пожара, которые поступают в обновленные строительные коды.

Кирпич для защиты от лесных пожаров:] В районах, подверженных лесным пожарам, таких как Калифорния и Австралия, кирпич все чаще указывается для первых 3-5 футов наружных стен («зона воспламенения») и для софитов и фасций.В то время как кирпич не останавливает лесной пожар от воспламенения здания, если растительность или горючие материалы находятся поблизости, его негорючесть предотвращает само здание от источника воспламенения, помогая замедлить распространение огня в сообществе.

Заключение

Кирпич остается краеугольным камнем огнестойкой конструкции по уважительной причине: его присущая высокая температура плавления, низкая теплопроводность, инертная химия и структурная стабильность были доказаны на протяжении тысячелетий и подтверждены современными стандартами испытаний. Благодаря включению кирпича в стены с огнестойкостью, облицовке вокруг конструкционной стали, внешней облицовке и стратегиям разделения, архитекторы и инженеры могут обеспечить надежную пассивную противопожарную защиту, которая способствует безопасности пассажиров и сохранению имущества. Однако эффективное использование требует тщательного внимания к выбору раствора, совместной детализации, тепловому расширению и совместимости с другими системами. Инновации в армированном кирпиче, тонком кирпиче и моделировании расширяют возможности материала, в то время как его роль в противопожарной защите подчеркивает постоянную актуальность. По мере того, как строительные коды развиваются в направлении более высоких целей производительности, сочетание огнестойкости, долговечности и эстетической ценности кирпича обеспечит его дальнейшее использование в стратегиях пожаробезопасности на долгие годы.