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LOS RECUBRIMIENTOS INTUMESCENTES PARA LA PROTECCIÓN PASIVA CONTRA INCENDIOS EN FUEGOS CELULÓSICOS (I)

- Articulos Técnicos

Pere Català. Comité Productos Protección Pasiva. TECNIFUEGO-AESPI

Los recubrimientos intumescentes para la protección pasiva contra incendios en fuegos celulósicos (I)

Características, tipos y mecanismo de funcionamiento.

Pere Català. Comité Productos Protección Pasiva. TECNIFUEGO-AESPI

¿Qué son las pinturas intumescentes?
 
Las pinturas intumescentes son recubrimientos reactivos para la protección del acero estructural en caso de incendio.
El acero es uno de los materiales más ampliamente utilizados en construcción. A pesar de su gran resistencia, cuando el acero se calienta por encima de los 500ºC, como en caso de su exposición a un incendio, pierde la mitad de la resistencia mecánica que posee a temperatura ambiente, lo que puede conllevar un colapso de la estructura. El acero sin protección expuesto en un incendio puede alcanzar su temperatura crítica en menos de 15 minutos (Figura 1).
 
Por tanto, la protección del acero estructural frente al aumento de temperatura es uno de los medios contra incendios que funcionan aislando el sustrato del calor del fuego y así retrasar el tiempo hasta alcanzar la temperatura crítica. De esta manera se proporciona tiempo para una evacuación segura del edificio, para la intervención de los equipos de bomberos y se reducen las pérdidas materiales.
 
Existen dos tipos sistemas de protección contra incendios (PCI), activa y pasiva, los cuales se usan en combinación. Los sistemas de protección activa son los diseñados para la detección, alarma y extinción del fuego, tales como detectores de humo o calor, extintores, rociadores y extractores de humo. Por otro lado, los sistemas de protección pasiva están diseñados para confinar el fuego del incendio y minimizar las consecuencias del mismo, asegurando una baja reacción al fuego de los materiales, la integridad estructural, la sectorización y una evacuación segura. Estos sistemas incluyen, entre otros, puertas corta-fuego, selladores de conductos y cables y materiales para la protección estructural del acero, como son los sistemas no- reactivos (morteros y paneles) y los recubrimientos reactivos intumescentes.
 
Los sistemas no-reactivos proporcionan aislamiento constante debido a materiales de baja conductividad térmica como fibro-silicato, yeso, lana de roca, perlita y vermiculita así como por el efecto refrigerante del agua de deshidratación.
 
Los recubrimientos intumescentes ofrecen numerosas ventajas sobre los sistemas no-reactivos. Primero, por el hecho de ser pinturas, proporcionan un mejor acabado, que puede ser en diferentes colores dependiendo del esmalte que se use como capa final. Los recubrimientos intumescentes permiten proteger gran variedad de tipos de perfiles de acero proporcionando una gran libertad a diseñadores y arquitectos para el diseño de estructuras abiertas. Además, son fáciles de instalar por aplicación con equipos de pintado sin aire (airless), tanto en taller como en obra, así como para reparación y mantenimiento y sin causar problemas de corrosión bajo aislamiento.
 
Tipos de tecnologías intumescentes
 
Aunque el fuego de un incendio puede tener muchas variaciones en su desarrollo y en su temperatura, de una manera muy general se pueden diferenciar dos grandes tipos de fuegos, el “celulósico” y el de “hidrocarburos”.
 
Los fuegos “celulósicos” son los que se producen por combustión de materiales como madera, papel o textil que se pueden encontrar en viviendas, oficinas, hospitales, aeropuertos u otros edificios civiles. La temperatura de un fuego celulósico aumenta gradualmente hasta los 900ºC en 1 hora y alcanza los 1000ºC en 2 horas siguiendo la curva de temperatura-tiempo tipo ISO 834 según la ecuación T = 20 + 345 * log (8 * t + 1) y un flujo calorífico del orden de 100 Kw/m2.
 
Los fuegos de “hidrocarburos” por su parte ocurren por combustión de materiales combustibles vaporizados de una piscina o tanque tales como disolventes o productos químicos inflamables, recibiendo el nombre de  “pool-fire” en inglés.
 
Este tipo de fuegos se dan en la industria petroquímica, como refinerías de petróleo, plataformas de extracción, centrales de gas, depósitos de productos químicos, etc.
 
El fuego de “hidrocarburos” arde con mucho mayor incremento de calor y turbulencia, alcanzando una máxima temperatura de 1100ºC en pocos minutos. La curva de temperatura-tiempo, según UL1709 sigue la ecuación T = 20 + 1080 * (1 – 0.325 * e-0,167 * t – 0.675 * e - 2,5 * t), originando un flujo calorífico del orden de 225 Kw/m2.
 
Un sub-tipo de fuego de “hidrocarburos” es el llamado “jet-fire” (en oposición a “pool fire”) que ocurre cuando el combustible de hidrocarburos se libera a presión a través de un orificio de pequeño diámetro, como puede ser una rotura en una tubería. Este tipo de fuegos son mucho más agresivos, con gran flujo calorífico (300 Kw/m2) y alta turbulencia, añadiendo un componente de erosión a la alta temperatura.
 
Los tres tipos de fuegos están representados por curvas de temperatura-tiempo estandarizadas que permiten su reproducción en condiciones comparables y reproducibles, como en el caso de los ensayos en hornos para la resistencia al fuego.
 
Obviamente, la correcta protección frente a cada uno de los tipos de fuegos requiere el uso de diferentes tipos de tecnologías de pinturas intumescentes.
 
Para fuegos “celulósicos”, el tipo de pintura intumescente es normalmente de un componente, de secado físico, tanto base disolvente como base agua y basado en resinas de naturaleza acrílica y un volumen de sólidos ente 60 y 80%. Se pueden aplicar mediante equipos de pulverización sin-aire o rodillo hasta 750-1500 micras de espesor de película seca por capa. Las pinturas intumescentes celulósicas protegen normalmente hasta 2 horas con un rango de espesor seco de entre 0.2 y 5 mm, por lo que también se denominan de intumescentes “capa fina”.
 
Por el contrario, para fuegos de “hidrocarburos”, tanto “pool-fire” como “jet-fire”, la tecnología es de dos componentes epoxi curado con poliaminoamida y libre de disolvente (100% sólido). En este caso la aplicación se realiza mediante equipo airless multi-componente con repasado a llana. Además, la mayoría de productos intumescentes en el mercado requieren la instalación de una malla refuerzo a mitad de espesor entre la primera y segunda capa de pintura. Las pinturas intumescentes de hidrocarburos se aplican a espesores secos de entre 2 y 40 mm, por lo que también se denominan de intumescentes de “capa gruesa”. Los tiempos de protección oscilan entre 1 y 4 horas típicamente.
 
Además, existen en el mercado productos basados en tecnología de curado químico epoxy para fuegos celulósicos.
La tabla 1 presenta las diferencias entre los dos tipos de tecnologías intumescentes:
 
Propiedad
Intumescente celulósico o de “capa fina”
Intumescente de hidrocarburos o de “capa gruesa”
Tecnología de vehículo
1 componente, mediante secado físico, normalmente acrílica base disolvente o emulsión base agua
2 componentes mediante curado químico, normalmente epoxi
Volumen de sólidos
60-80%
100% libre de disolventes
Método de aplicación
Pistola airless (sin aire) o rodillo
Aplicación mediante equipo airless multi-componente y repasado con llana
Color
Blanco
Gris/azul/beige
Espesor seco de película
~0.2–5 mm
~2–40 mm
Expansión (sobre espesor inicial)
~40-100x
~4-10x
Tabla 1. Resumen de características de los tipos de pinturas intumescentes
 
Los intumescentes celulósicos, una vez han reaccionado totalmente, desarrollan una ceniza de color blanco que es relativamente blanda, como la ceniza de un cigarrillo, pero que posee suficiente resistencia para permanecer con cohesión y adherida al sustrato incluso en la turbulencia de un incendio. La propiedad de la ceniza de permanecer adherida al sustrato se conoce por el término en inglés “stickability” y es una propiedad muy importante de una pintura instumescente. Un desprendimiento de la ceniza, dejaría el sustrato de acero expuesto a la alta temperatura del incendio provocando un aumento rápido de temperatura y por tanto la pérdida prematura de resistencia.
 
¿Cómo funcionan?
Los recubrimientos intumescentes celulósicos son pinturas funcionales, inertes a temperatura ambiente pero que reaccionan cuando se exponen a temperaturas superiores a 200ºC, hinchándose y formando una ceniza de baja conductividad térmica. Este proceso se conoce como intumescencia. La ceniza formada actúa como una barrera aislante que protege al acero del aumento de temperatura y retrasa el tiempo que el acero alcanza la temperatura crítica. Este tiempo (en minutos) se conoce como resistencia al fuego (RF) y se expresa como RF30, RF45, RF60, RF90, RF120, RF180 o RF240.
 
El espesor de la capa de ceniza formada puede ser entre 40 y 100 veces el espesor  inicial de pintura aplicada. Esto significa que una pintura intumescente aplicada a 1000 micras de espesor seco de película puede expandirse y formar una ceniza de hasta 100 mm.
Los intumescentes celulósicos están compuestos por diferentes ingredientes reactivos que experimentan una serie de reacciones químicas complejas las cuales se pueden resumir de la siguiente manera:
  • El catalizador descompone produciendo un ácido mineral como el ácido fosfórico. El polifosfato amónico es el catalizador más utilizado
  • Un agente “carbonífico” como almidón que reacciona con el ácido mineral para formar la ceniza de carbono
  • Vehículo o resina que reblandezca a una temperatura predeterminada
  • Un agente “espumífico” que descompone liberando gran cantidad de gases no inflamables, tales como dióxido de carbono, amoníaco o vapor de agua. La generación de estos gases provoca la expansión de la ceniza varias veces el espesor de recubrimiento aplicado.
Finalmente, la solidificación y endurecimiento de la ceniza formada proporciona su resistencia de “stickability” frente a la turbulencia del incendio.
 
En general, a mayor espesor seco de película, mayor tiempo de protección conseguido.
La correcta selección de los ingredientes de la pintura y sus cantidades permite controlar la expansión y la resistencia de la ceniza de manera que se pueden diseñar productos intumescentes para diferentes tiempos de resistencia al fuego.
Figura 1. Aumento de temperatura de acero protegido y sin proteger expuesto en un incendio
Figura 2. Esquema de los diversos sistemas de protección contra incendios (PCI)
Figura 3. Curvas temperatura-tiempo estandarizadas para diferentes tipos de fuego
 
Participación en organismos:
Nacionales:
Internacionales: