Здания и сооружения, их устойчивость при пожаре

Содержание

1 .Назовите основные причины разрушения (снижения прочности) природных каменных материалов в условиях пожара (при нагреве до высоких температур); свой ответ подтвердите примерами 3

2. Перечислите по позициям, в чем состоит сходство и в чем различие метода экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов и метода определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов по ГОСТ 12.1.044–89. 7

3. Образцы строительного материала испытали на установке шахтная печь. Результаты испытаний приведены в таблице 17

Список использованной литературы 19

Приложение 1 20

Приложение 2 21

Вариант №12

1 .Назовите основные причины разрушения (снижения прочности) природных каменных материалов в условиях пожара (при нагреве до высоких температур); свой ответ подтвердите примерами

Под поведением строительных материалов в условиях пожара понимают комплекс физико-химических превращений, приводящих к изменению  состояния и свойств материала  под влиянием интенсивного высокотемпературного нагрева.

Особенности поведения любых конструкций  при пожаре основываются, в первую очередь, на поведении строительных материалов, из которых они состоят. Чтобы понять, какие изменения  происходят в структуре материала  и как меняются его свойства, т. е. как влияют внутренние факторы  на поведение материала в условиях пожара, необходимо хорошо знать материал — его происхождение, сущность технологии изготовления, состав, начальную структуру и свойства.

Свойствами, характеризующими поведение строительных материалов в условиях пожара, называют способность материалов реагировать  на воздействие внешних и внутренних факторов: силовых, влажностных, температурных  и др.

Все свойства материалов взаимосвязаны. Они зависят  от вида, состава, строения материала. Ряд из них оказывает более  существенное, другие — менее существенное влияние на пожарную опасность и  поведение материалов в условиях пожара.

Применительно к изучению и объяснению характера  поведения строительных материалов в условиях пожара следует, в качестве основных, выделить физические, механические и теплофизические свойства.

Физические  свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, парогазопроницаемость.

Механические  свойства: прочность и деформативность.

Теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение и теплостойкость.

Бетоны  относятся к группе безобжиговых искусственных каменных материалов, получаемых в результате затвердевания  смеси вяжущего вещества, воды и  заполнителя (мелкого — кварцевого песка и крупного — из горных пород либо отходов промышленности).

Их классифицируют по объемной массе:

- особо  тяжелые — объемная масса 2 500–6 000 кг/м3 (заполнитель — чугун,  свинец), применяют для сооружений  биологической защиты;

- тяжелые  (обычные) — объемная масса  2 200–2 500 кг/м3 (крупный заполнитель  из тяжелых горных пород в  виде щебня или гравия, мелкий  — кварцевый песок), применяют  для несущих строительных конструкций;

- облегченные  — объемная масса 1 900–2 200 кг/м3, применяют для несущих строительных  конструкций;

- легкие  — объемная масса 1 200–1 800 кг/м3 (на легких крупных заполнителях  из природных и искусственных  каменных материалов и мелкого  песка), применяют для несущих  и ограждающих конструкций;

- особо  легкие — объемная масса 1 200 кг/м3 (без крупного заполнителя), применяют в основном для ограждающих  конструкций.

Особо легкие (ячеистые) бетоны получают путем введения в раствор вяжущего пенообразователя (пенобетон) либо газообразователя (газобетон).

После затвердевания  бетона определяют класс бетона по прочности (путем механического  испытания на сжатие образцов).

Существуют  классы бетона по прочности — от В-1 до В-60.

Среднее значение коэффициента теплопроводности тяжелых бетонов — 1,7, легких и  ячеистых — 0,16–0,64 Вт/м °С.

Бетон применяют  при производстве сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Железобетон отличается от бетона наличием стальной арматуры, воспринимающей растягивающие  усилия от внешних нагрузок, которые  бетон не воспринимает, т. к. его прочность  при растяжении очень незначительна.

Изучением поведения каменных материалов в  условиях пожара занимались в течение  нескольких десятилетий многие исследователи  нашей страны: М. Я. Ройтман, В. М. Ройтман, Н. И. Зенков, К. Д. Некрасов, А. Ф. Милованов, В. В. Жуков, А. Т. Апостолов, Е. А. Мешалкин, В. Н. Демёхин и др.

Характер  поведения каменных материалов в  условиях пожара в принципе аналогичен для всех материалов, отличаются лишь количественные показатели. Специфические  особенности обусловлены действием  внутренних факторов, присущих анализируемому материалу (при анализе поведения  материалов в идентичных условиях действия внешних факторов). Поскольку бетон  является композиционным материалом, его поведение при нагреве  зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия.

Мы рассмотрели  в отдельности поведение при  нагреве цементного камня и природных  каменных материалов, а теперь отметим  лишь особенности взаимодействия компонентов  бетона при нагреве.

Одна  из особенностей — химическое соединение при нагреве до 200 °С гидроксида кальция  с кремнеземом кварцевого песка (этому способствуют условия, аналогичные  тем, что создают в автоклаве  для быстрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. Все это способствует некоторому повышению прочности.¹

При нагреве  бетона выше 200 °С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего  усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона (рис. 3) наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и  заполнителе.

Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100 °С давит на стенки пор, и фазовый  переход воды в пар тоже повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего его прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать (рис. 3). При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105–110 °С до постоянной массы, физически  связанная вода отсутствует, поэтому  такого резкого снижения прочности  в начале нагрева не наблюдается.

При остывании  бетонов после нагрева прочность, как правило, практически соответствует  прочности при той максимальной температуре, до которой образцы  были нагреты. У отдельных видов  бетона она при остывании несколько  снижается за счет более длительного  нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более  глубокому протеканию в нем негативных процессов.

Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается  за счет увеличения его пластичности.

Мы рассмотрели  изменение прочности бетона при  нагревании в ненагруженном состоянии, что нехарактерно для работы несущих  конструкций. Поэтому, начиная с 70-х  гг. во ВНИИПО МВД РФ проводят испытания  при нагреве нагруженных образцов бетона. При этом измеряют величины относительных суммарных деформаций (свободного расширения и сжатия под действием внешней нагрузки) и температуру (критическую), при которой происходит разрушение (утрата целостности) образца.

По мере повышения нагрузки уменьшаются деформации расширения и увеличиваются деформации сжатия, а разрушение (утрата целостности) образцов происходит при меньших температурах и деформациях, чем при малых нагрузках.

По результатам  таких испытаний строят графики  зависимости температуры (критической), при которой произошла утрата целостности образца, от величины относительной  нагрузки на него при огневом испытании. Строят их в виде, показанном на рис. 6, и называют величину λδ относительной  прочностью либо коэффициентом изменения  прочности бетона при нагреве. Эта  величина всегда меньше единицы (по физическому  смыслу — относительное напряжение от внешней нагрузки). Методика таких  испытаний не позволяет зафиксировать  увеличение прочности материала  в начале нагрева, даже если оно и  имеет место. Это видно из рис. 3, 6 — по результатам опытов построен график в диапазоне температур от 550 до 820 °С, т. к. величина относительного напряжения λδ в опытах изменялась в интервале от 0,3 до 0,7.

Чем выше относительная нагрузка на образец, тем при меньшей критической температуре он разрушится. По этой зависимости исследователи делают вывод, что с увеличением температуры прочность бетона падает при испытании в напряженном состоянии. Кроме того, строительные конструкции из тяжелого бетона (железобетона) склонны к взрывообразной потере целостности (взрывообразному разрушению) при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины, при интенсивном подъеме температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, ниже его паропроницаемость и больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления несмотря на более высокую прочность.

Легкие  и ячеистые бетоны с объемной массой ниже 1 200 кг/м3 не склонны к взрывообразной потере целостности.

Каменные  материалы не горят в условиях пожара, но одни более, другие менее  существенно снижают прочность. Поэтому подбор природных или  изготовление искусственных каменных материалов с необходимыми свойствами зависит от области их применения в строительстве.²

2. Перечислите по позициям, в чем состоит сходство и в чем различие метода экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов и метода определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов по ГОСТ 12.1.044–89.

Метод экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов

Установка для  определения коэффициента дымообразования (рискунок 1) включает в себя следующие элементы.

Рисунок 1- Установка для определения коэффициента дымообразования

1 - камера сгорания; 2 - держатель образца; 3 - окно из кварцевого стекла; 4, 7 -клапаны продувки; 5 - приемник света; 6 - камера измерений; 8 - кварцевое стекло; 9 - источник света; 10 - предохранительная мембрана; 11 - вентилятор: 12 - направляющий козырек; 13 - запальная горелка: 14- вкладыш; 15 -электронагревательная панель.

Камера сгорания вместимостью 3·10^-3 м³, выполненная из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность камеры теплоизолирована асбосилитовыми плитами толщиной 20 мм и покрыта алюминиевой фольгой толщиной 0,2 мм. В камере сгорания установлены электронагревательная панель и держатель образца. Электронагревательную панель размерами (120х120) мм монтируют на верхней стенке камеры под углом 15° к горизонтали. Электроспираль панели изготавливается из проволоки марки Х20Н80-Н (ГОСТ 12766.1) диаметром 0,8 - 1,0 мм.

Держатель образца  размерами (100х100х20) мм крепят на дверце камеры сгорания. В держателе установлен вкладыш из асбосилита размерами (92х92х20) мм, в центре которого имеется углубление для размещения лодочки с образцом (углубление во вкладыше должно быть таким, чтобы нагреваемая поверхность  образца находилась на расстоянии 60 мм от электронагревательной панели).

Над держателем образца установлена запальная  газовая горелка, представляющая собой  трубку из нержавеющей стали внутренним диаметром 1,5 - 2,0 мм.

В камере сгорания имеются верхнее и нижнее отверстия  сечением (30х160) мм, соединяющие ее с  камерой измерений.

Камера измерений  размерами (800х800х800) мм, изготовленная  из нержавеющей стали, имеет в  верхней стенке отверстия для  возвратного клапана продувки, источника  света и предохранительной мембраны. На боковой стенке камеры установлен вентилятор с частотой вращения 5 с^-1. На передней стенке камеры имеется дверца с уплотнением из мягкой резины по периметру. В днище камеры должны быть отверстия для приеминка света и возвратного клапана продувки.

Фотометрическая система, состоящая из источника  и приеминка света. Источник света (гелий-неоновый лазер мощностью 2 - 5 мВт) крепят на верхней стенке камеры измерений, приеминк света (фотодиод) расположен в днище камеры. Между источником света и камерой измерений  устанавливают защитное кварцевое  стекло, нагреваемое электроспиралью  до температуры 120 - 140 °С.

Фотометрическая система должна обеспечивать измерение  светового потока в рабочем диапазоне  светопропускания от 2 до 90 % с погрешностью не более 10%.

Подготовка образцов

Для испытаний  готовят 10 - 15 образцов исследуемого материала  размером (40х40) мм и фактической толщиной, но не более 10 мм (для образцов пенопластов  допускается толщина до 15 мм). Лакокрасочные  и пленочные покрытия испытывают нанесенными на ту же основу, которая  принята в реальной конструкции. Если область применения лаков и  красок неизвестна, то их испытывают нанесенными  на алюминиевую фольгу толщиной 0,2 мм.

Подготовленные  образцы перед испытаниями выдерживают  при температуре (20±2) °С не менее 48 ч, затем взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Образцы должны характеризовать  средние свойства исследуемого материала.

Проверку режимов  работы установки проводят с помощью  стандартного образца, описание которого приведено в приложении 9. При  этом значения коэффициента дымообразования (D_m) должно быть в пределах:

режим тления (без  инициирующего пламени) D_m = (360±20) м²·кг^-1;

режим горения (с  инициирующим пламенем) D_m = (120±8) м²·кг^-1.

Проведение испытаний

Испытание образцов проводят в двух режимах: в режиме тления и в режиме горения с  использованием газовой горелки (длина  пламени горелки 10 - 15 мм).

Включают электропитание установки в таком режиме, чтобы  плотность теплового потока, падающего  на образец, составляла 35 кВт·м^-2 Контролируют плотность падающего теплового потока с помощью теплоприеминка типа Гордона с погрешностью не более 8 %.

Включают источник и приеминк света. Устанавливают  начальное значение светопропускания, соответствующее верхнему пределу  измерений регистрирующего прибора  и принимаемому за 100%.

Подготовленный  образец помещают в лодочку из нержавеющей стали. Открывают дверцу камеры сгорания и без задержки устанавливают  лодочку с образцом в держатель, после чего дверцу закрывают.

Испытание прекращают при достижении минимального значения светопропускания.

В случае, когда  минимальное значение светопропускания выходит за пределы рабочего диапазона  или находится вблизи его границ, допускается уменьшать длину  пути луча света (расстояние между источником и приеминком света) либо изменять размеры  образца.

При испытаниях в режиме тления образцы не должны самовоспламеняться. В случае самовоспламенения  образца последующие испытания  проводят при уменьшенном на 5 кВт·м^-2 значении плотности теплового потока. Плотность теплового потока снижают до тех пор, пока не прекратится самовоспламенение образца во время испытания.

По окончании  испытания лодочку с остатками  образца вынимают из камеры сгорания. Установку вентилируют в течение 3 - 5 мин, но не менее чем требуется  для достижения исходного значения светопропускания в камере измерений.

В случае, когда  не достигается начальное значение светопропускания, защитные стекла фотометрической  системы протирают тампоном из мягкой ткани, слегка смоченным этиловым спиртом.

В каждом режиме испытывают по пять образцов.

Оценка результатов

Коэффициент дымообразования (D_m) в м²·кг^-1 вычисляют по формуле

, (28)

где V - вместимость камеры измерения, м³;

L - длина пути луча света в задымленной среде, м;

m - масса образца, кг;

Т₀ , T_min - соответственно значения начального и конечного светопропускания, %.

Для каждого режима испытаний определяют коэффициент  дымообразования как среднее  арифметическое по результатам пяти испытаний.

За коэффициент  дымообразования исследуемого материала  принимают большее значение коэффициента дымообразования, вычисленное для  двух режимов испытания.

Сходимость и  воспроизводимость метода при доверительной  вероятности 95 % не должна превышать 15 %.

Условия и результаты испытаний регистрируют в протоколе, форма которого приведена в приложении 1.

Требования безопасности

Установку для  определения коэффициента дымообразования  необходимо помещать в вытяжной шкаф. Рабочее место оператора должно удовлетворять требованиям электробезопасности  по ГОСТ 12.1.019 и санитарно-гигиеническим  требованиям по ГОСТ 12.1.005.

Метод экспериментального определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов

Аппаратура

Установка для  определения показателя токсичности (рисунок 2) включает в себя следующие элементы.

Рисунок 2 - Установка для определения показателя токсичности

1 - камера сгорания; 2 -держатель образца; 3 - элелектронагревательный излучатель; 4 - заслонки; 5, 18 - переходные рукава; 6 - стационарная секция экспозиционной  камеры; 7 - дверца предкамеры; 8 - подвижная  секция экспозиционной камеры; 9, 15 - штуцеры; 10 - термометр; 11 - клетка для подопытных животных; 12 - предкамера; 13 - предохранительная мембрана; 14 - вентилятор; 16 - резиновая прокладка; 17 - клапан продувки.

Камера сгорания вместимостью 3·10^-3 м³, соединенная с экспозиционной камерой переходными рукавами, выполнена из листовой нержавеющей стали толщиной (2,0±0,1) мм. Внутренняя поверхность, камеры сгорания изолирована асбоцементными плитами толщиной 20 мм. В камере установлен экранированный электронагревательный излучатель размерами (120х120) мм и держатель образца размерами (120х120х25) мм. Излучатель представляет собой нагревательную спираль, размещенную в трубках из кварцевого стекла и расположенную перед стальным полированным отражателем с водяным охлаждением. Он закреплен на верхней стенке камеры под углом 45° к горизонтали. Спираль излучателя сопротивлением (22,0±0,1) Ом изготовлена из проволоки марки Х20Н80-Н (ГОСТ 12766.1) диаметром (0,9±0,1) мм. Электропитание излучателя регулируют с помощью трансформатора и контролируют по показаниям вольтметра с погрешностью не более 0,5 В.

Держатель образца  выполнен в виде металлической рамки, в которой закреплен асбоцементный  поддон. Поддон имеет углубление для  размещения вкладыша с образцом материала. Нагреваемая поверхность образца  и поверхность электронагревательного излучателя параллельны, расстояние между  ними равно 60 мм.

На боковой  стенке камеры сгорания имеется окно из кварцевого стекла для наблюдения за образцом при испытаниях.

На выходе из камеры сгорания размещены заслонки верхнего и нижнего переходных рукавов. Длина верхнего рукава 250 мм, нижнего - 180 мм, проходные сечения рукавов  соответственно (160х40) мм и (160х30) мм. Внутренняя поверхность верхнего переходного  рукава также облицована асбоцементными плитами.

Экспозиционная  камера, состоящая из стационарной и подвижной секций. По периметру  стационарной секции имеется паз  для надувной резиновой прокладки  с рабочим давлением не менее 6 МПа. В верхней части камеры находится  четырехлопастный вентилятор перемешивания  диаметром 150 мм с частотой вращения 5 с^-1. На боковой стенке установлен клапан продувки. На торцевой стенке подвижной секции закреплены предохранительная мембрана, предкамера, штуцеры для подключения газоанализаторов, термометр для измерения температуры в нижней части камеры. Перемещение подвижной секции позволяет изменять объем экспозиционной камеры от 0,1 до 0,2 м³.

Предкамера объемом 0,015 м³, оборудованная наружной и внутренней дверцами и смотровым окном.

Водоохлаждаемый датчик типа Гордона ФОА-013 и регистрирующий прибор типа А 565-001-06 с диапазоном измерений  от 0 до 100 мВ для контроля плотности  теплового потока. Погрешность измерения  плотности теплового потока не должна быть более ± 8 %.

Для непрерывного контроля состава газовоздушной  среды в экспозиционной камере используют газоанализаторы оксида углерода (ГИАМ-5М  с диапазоном измерений от 0 до 1 %, допустимой погрешностью ±2%), диоксида углерода (ГИАМ-5М с диапазоном измерений  от 0 до 5 %, допустимой погрешностью ±2 %) и кислорода (МН 5130-1 с диапазоном измерений от 0 до 21 %, допустимой погрешностью ±2 %).

Термометр лабораторный любого типа с диапазоном измерений  от 0 до 100 °С, с погрешностью не более 1 °С.

Подготовка к  испытаниям

При наладке установки  следует определить параметры напряжения на спирали электронагревательного излучателя, при которых обеспечиваются заданные уровни плотности теплового  потока. Для измерения величины падающего  теплового потока водоохлаждаемый  датчик ФОА-013 закрепляют на нейтральном  участке держателя образца. Измерения  проводят при герметизированной  экспозиционной камере и открытых заслонках  переходных рукавов. По результатам  измерений строят график зависимости  плотности падающего тепловою потока (Q) от напряжения на спирали электронагревательного излучателя.

По величине плотности  теплового потока определяют значение температуры испытания (t_исп), соответствующее температуре нагреваемой поверхности контрольного (негорючего) образца из асбоцемента. Для определения (t_исп) используют данные, приведенные в табл. 1.

Таблица 1 -  Величина плотности теплового  потока

Установку следует  считать готовой к испытаниям материалов, если при контрольной  проверке:

значения плотности  падающего теплового потока соответствуют  установленным значениям напряжения на спирали электронагревательного излучателя;

выход СО в условиях термоокислительного разложения порошковой целлюлозы (фракция 0,25-0,75) массой 2,5 г  при температуре испытания 450 °С (плотность падающего теплового  потока 23 кВт·м^-2) составляет (200±4) мг·г^-1;

концентрация  СО в экспозиционной камере за время  выдерживания 30 мин снижается не более чем на 5 % от первоначального  уровня.

Для испытаний  готовят не менее 10 образцов размером (40х40) мм фактической толщины, но не более 10 мм. Образцы кондиционируют в лабораторных условиях не менее 48 ч и затем взвешивают с погрешностью не более 0,1 г. Они должны характеризовать  средние свойства исследуемого материала.

Предварительно  образцы каждого материала подвергают воздействию тепловых потоков различной  плотности, обеспечивающих в каждом последующем опыте повышение  температуры испытания образца  на 50 °С. При этом находят значение температуры испытания материала  в режиме термоокислительного разложения (тления). Оно должно быть на 50 °С ниже температуры, при которой наблюдается самовоспламенение образца.

Проведение испытаний

Материалы испытывают в одном из двух режимов - термоокислительного  разложения или пламенного горения, а именно в режиме, способствующем выделению более токсичных смесей летучих веществ. Режим пламенного горения обеспечивается при температуре  испытания 750°С (плотность падающего  теплового потока 65 кВт·м^-2). Критерием выбора режима основных испытаний служит наибольшее число летальных исходов в сравниваемых группах подопытных животных.

При проведении основных испытаний в установленном  режиме находят ряд значений зависимости  токсического действия продуктов горения  от величины отношения массы образца  к объему установки. Для получения  токсических эффектов ниже и выше уровня 50 % летальности изменяют объем  экспозиционной камеры при постоянных размерах образцов материалов.

Примечание - При  определении токсического эффекта  учитывают гибель животных, наступившую  во время экспозиции, а также в  течение последующих 14 суток.

Затравку животных проводят статическим способом. В  каждом опыте используют не менее 8 белых мышей массой (20±2) г. Продолжительность  экспозиции составляет 30 мин. Температура  воздуха в предкамере за время  экспозиции не должна превышать 30 °С , а концентрация кислорода должна быть менее 16 % об.

Примечание - В  отдельных случаях по требованию заказчика время экспозиции может  быть изменено в пределах 5 - 60 мин.

Предусматривают следующий порядок проведения испытания. Нагнетают воздух в надувную прокладку  до давления 0,6 МПа, проверяют заземление установки, исправность приборов и  оборудования, эффективность вентиляции. Подают воду для охлаждения излучателя, после чего включают его на соответствующее  напряжение. Заслонки переходных рукавов, клапан продувки, дверца камеры сгорания находятся в положении “закрыто”.

Взвешенный образец  материала помещают, а при необходимости  закрепляют во вкладыше, имеющем комнатную  температуру. Клетку с животными  устанавливают в предкамере, наружную дверцу которой закрывают.

С момента выхода электронагревательного излучателя на стабилизированный режим (через 3 мин  после включения) открывают заслонки переходных рукавов и дверцу камеры сгорания. Вкладыш с образцом без  задержки помещают в держатель образца, после чего дверцу камеры сгорания быстро закрывают. Отмечают время начала экспозиции животных в токсический среде.

По достижении максимальных значений концентрации СО и СО₂ в экспозиционной камере заслонки переходных рукавов закрывают. Снимают напряжение с нагревательного элемента излучателя. Включают на 2 мин вентилятор перемешивания.

По истечении  времени экспозиции животных открывают  клапан продувки, заслонки переходных рукавов и наружную дверцу предкамеры. Установку вентилируют не менее 10 мин. Регистрируют число погибших и выживших животных.

Примечание - В  случае определения показателя токсичности  продуктов горения при условии  кратковременной (5 - 20 мин) экспозиции затравку животных начинают с момента  достижения максимальных значений концентрации СО и СО₂, но не позднее чем через 15 мин после разложения образца.