MỞ ĐẦU Trong ngành xây dựng, thép là vật liệu quan trọng bậc nhất và được sử dụng trong hầu hết các vị trí của công trình. Với các ưu điểm tuyệt đối của mình như trọng lượng nhẹ, độ dẻo cao, dễ định hình, dễ thi công và khả năng áp dụng cơ giới hóa xây dựng vượt trội, vật liệu thép đã được sử dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, hạn chế lớn của kết cấu thép là khả năng chịu lực bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ đạt 550oC, kết cấu thép bắt đầu mất ổn định dẫn đến công trình bị phá hoại.
Yêu cầu bắt buộc với kết cấu thép là phải được bao bọc chống cháy, “mặc” cho kết cấu thép một lớp “áo” bảo vệ trước nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định, tạo cơ hội để dập tắt đám cháy, thoát hiểm khỏi đám cháy an toàn. Ở nước ta, trong những năm gần đây đã có nhiều công trình lớn được xây dựng như các nhà cao tầng, các khu đô thị, các trung tâm thương mại, các cung hội nghị lớn. Vì vậy, nhu cầu lớp phủ chống cháy là cần thiết. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và sản xuất lớp phủ chống cháy trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu, tất cả các công trình đều sử dụng sơn chống cháy nhập ngoại.
Trữ lượng các loại khoáng như talc, sericit, bentonit… ở nước ta nhiều và phong phú. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các loại bột khoáng có cấu trúc lớp để làm chất độn cho lớp phủ phồng nở là một hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết và có ứng dụng thực tiễn. Với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng gia tăng độ phồng nở của khoáng talc trên hệ lớp phủ chống cháy”. Mục tiêu của đề tài: - Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phân tán các thành phần trong hệ lớp phủ chống cháy.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến độ phồng nở trong hệ lớp phủ chống cháy. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại khoáng đến độ phồng nở trong hệ lớp phủ chống cháy. Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 1 Lớp K23-Hóa lý thuyết và Hóa lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1. Tầm quan trọng của lớp phủ chống cháy Năm 2006, Hoa Kì đã tổn thất 11,3 tỉ USD tài sản, 16400 người bị thương, và 3334 người thiệt mạng do cháy [11].
Mặc dù những số liệu về thiệt hại do cháy chưa được thống kê đầy đủ [7], nhưng có thể đảm bảo chắc chắn rằng những thiệt hại do cháy xảy ra ở mọi quốc gia trên hành tinh này hoặc tăng hoặc không thay đổi khi so sánh với những năm trước. Ở Việt Nam, theo thống kê của Bộ Công An, trong 10 năm trở lại đây, cả nước đã xảy ra 16767 vụ cháy ở các nhà máy, xí nghiệp, kho tàng, cơ quan, trường học, bệnh viện, nhà dân, làm chết 688 người, bị thương 1848 người, về tài sản thiê ̣t ha ̣i ước tính trị giá 4187 tỉ đồng. Trung bình mỗi năm xảy ra 1677 vụ cháy , nổ , làm chết và bị thương 254 người (chết khoảng 60 người mỗi năm), thiệt hại về tài sản trị giá 419 tỉ đồng, trung bình mỗi ngày xảy ra 6 vụ cháy, làm chết hoặc bị thương 8 người. Theo số liệu từ Ban chỉ đạo tuần lễ Quốc gia an toàn vệ sinh lao động - phòng chống cháy nổ, trong năm 2012, xảy ra 1751 vụ cháy làm 73 người chết, 136 người bị thương, thiệt hại về tài sản trị giá 1114 tỉ đồng.
Về mặt khoa học, cháy là quá trình phân hủy oxy hóa - nhiệt của vật liệu, điều đó có nghĩa là nó chuyển hóa cácbon và các chất dễ cháy khác thành CO2 và nước. Bảo vệ vật liệu kim loại chống cháy trở thành một vấn đề quan trọng trong công nghiệp xây dựng [24]. Khi có đám cháy xảy ra, để ngăn cản đổ sập cấu trúc của tòa nhà là quan trọng để đảm bảo sự an toàn di tản của con người khỏi tòa nhà, và là một yêu cầu căn bản của những quy định xây dựng ở nhiều quốc gia. Một báo cáo chính thức trong thảm kịch ngày 11 tháng 9 ở Hoa Kì cho rằng khoảng thời gian các tòa nhà vẫn thẳng đứng sau khi bị hai máy bay chở khách đâm trúng làm ngạc nhiên hầu hết các nhà quan sát, bao gồm các kỹ sư có kinh nghiệm.
Điều đó khẳng định sức chịu đựng này là minh chứng cho việc nó xây dựng tốt và chắc chắn đã cứu mạng sống của nhiều người trong tòa nhà. Do đó, phòng cháy chữa cháy được trang bị trên các tòa nhà là cần thiết. Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 2 Lớp K23-Hóa lý thuyết và Hóa lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú Thép có nhược điểm là khi tiếp xúc với nhiệt thường bị suy giảm các tính chất cơ học của nó như độ bền, tính rèn, cấu trúc nguyên tử. Cấu trúc thép khi không có lớp phủ bảo vệ thì không thể chịu được nhiệt độ cao, đặc biệt nhiệt độ do sự nổ bên ngoài.
Tại Việt Nam, tuy kết cấu thép đã được sử dụng khá phổ biến từ nhiều năm, nhưng chủ đầu tư công trình lại xem nhẹ việc chống cháy cho nó. Điển hình là vụ cháy nhà máy công ty Hà Phong tại Bắc Giang, kết cấu thép không được bảo vệ đã sụp đổ rất nhanh, thiêu rụi hai phân xưởng may (diện tích gần 11.500 máy móc, thiết bị các loại; 100 máy vi tính, máy in; 1,2 triệu sản phẩm hoàn thiện (quần áo các loại); 800.000 mét vải; ước tính tổng thiệt hại lên tới hàng trăm tỷ đồng. Để bọc chống cháy cho kết cấu thép, có 3 giải pháp chính: 1. Lớp phủ chống cháy: Kết cấu thép được bọc một lớp phủ phồng nở (intumescent), nó phồng lên khi gặp nhiệt độ cao tạo một lớp ngăn cách nhiệt giữa kết cấu thép và nhiệt độ cao bên ngoài.
Ưu điểm của giải pháp này là kết cấu giữ được hình dáng gốc, khả năng bảo vệ các chi tiết tốt, tuy nhiên giá thành cao. Phun bọt chống cháy (Fire Stop Spray): Giá thấp hơn lớp phủ chống cháy và khả năng bảo vệ tốt, tuy nhiên bề mặt kết cấu xù xì mất thẩm mỹ. Việc thi công cũng gặp nhiều khó khăn do phải phun tại công trường, không kết hợp với các công việc khác được do yêu cầu an toàn chất độc hại. Thông thường công nhân thi công phải mặc quần áo bảo hộ và đeo mặt nạ phòng độc.
Bọc bằng thạch cao chuyên dụng chống cháy: Tấm thạch cao chống cháy bọc xung quanh kết cấu thép cần bảo vệ bằng một hệ clip và khung thép chuyên dụng. Hiện nay, lớp phủ chống cháy phồng nở được sử dụng rộng rãi. Giống như chất chống cháy thụ động, sự phồng nở đã được gắn cố định với vật liệu như một lớp phủ trong một thời gian dài và hoạt động khi ngọn lửa hoặc nhiệt tồn tại. Lớp phủ phồng nở sẽ ngăn cản việc truyền nhiệt đến cấu trúc bên trong bởi hình thành lớp bảo vệ là lớp than tạo thành sau khi gặp nhiệt độ cao [27].
Vật liệu tạo thành Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 3 Lớp K23-Hóa lý thuyết và Hóa lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú này là rào cản cách ly bảo vệ chất nền khỏi nhiệt độ tăng nhanh. Cách bảo vệ như vậy là hữu ích để kéo dài thời gian chống lại sự phá hủy kết cấu thép dưới ngọn lửa hoặc nâng cao khả năng chống cháy của tường hoặc trần nhà của các vật liệu khác nhau, tránh sự khuếch tán của lửa, khói và nhiệt độ lên bề mặt cần bảo vệ [27]. Cơ chế chống cháy Hiểu được cơ chế hoạt động của tất cả các chất chống cháy là điều quan trọng, tam giác cháy của Emmon [15] là cách tốt nhất để giải thích chu trình cháy, được chỉ ra trong hình 1. Sự cháy ban đầu cần có 3 yếu tố: nguồn nhiệt, nhiên liệu và ôxy (trong không khí) để duy trì sự liên tục và phát triển.
Nhiệt Nhiên liệu Hỗn hợp Không khí Hình 1.1: Tam giác cháy của Emmon Nhìn chung, quá trình phát triển ngọn lửa là thuận lợi hơn khi tăng dòng nhiệt hoặc cung cấp không khí, hoặc nếu vật liệu là "dễ cháy" hơn. Tuy nhiên, nếu gió được thổi vào quá nhiều thì có thể làm mất nhiệt của ngọn lửa, trong khi nhiệt bổ sung cũng có thể làm chảy hoặc hình thành chuỗi cácbon xốp, mỗi trong số đó có thể làm giảm sự phát triển ngọn lửa [8]. Ngọn lửa từ đám cháy phá hủy tài sản, nhưng khói hình thành của quá trình đốt cháy sẽ ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến thiệt hại về người [4,12]. Phương pháp thông thường giảm thiểu tính dễ bắt cháy trong các đám cháy nhỏ là cho thêm chất làm chậm cháy, nó thường làm tăng nồng độ và tính độc hại của hơi và khói [4,10].
Mặc dù vật liệu chống cháy có thể đốt cháy ít mãnh liệt dưới điều kiện ngọn lửa thực sự [19], tốc độ cháy giảm thường đi kèm với nồng độ khói cao hơn do đốt cháy pha khí không hoàn toàn. Quá trình Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 4 Lớp K23-Hóa lý thuyết và Hóa lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú đốt cháy không hoàn toàn làm tăng tỉ lệ CO/CO2 và tăng những tiềm năng độc hại của khói [10,25]. Cơ chế hoạt động của các chất phụ gia chống cháy có thể giải thích theo cơ chế vật lý hoặc cơ chế hóa học ở cả pha rắn và pha khí. Trong thực tế, quá trình chống cháy là một quá trình phức tạp xảy ra ở cả 2 cơ chế trên với nhiều phản ứng đồng thời xảy ra.
Cơ chế vật lý: Cơ chế chống cháy gồm 3 dạng sau: - Tạo thành lớp bảo vệ: Các chất chống cháy ngăn oxi tiếp xúc với bề mặt chất cháy và chặn các sản phẩm phân hủy do nhiệt thoát ra khỏi bề mặt chất bị cháy. Như vậy, chất cháy hình thành một bức tường trên bề mặt chất cháy ngăn cản sự thâm nhập của oxi từ bên ngoài vào và chặn sự thoát sản phẩm cháy từ bên trong chất cháy đi ra.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt khi cháy không có lớp bảo vệ (a) và (b) có lớp bảo vệ - Hiệu ứng pha loãng: Các sản phẩm của quá trình phân hủy trong vùng cháy bị pha loãng nhờ chất chống cháy.