Поведение бетона во время пожара

введение

 

        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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общие сведения

 

   Бетоном называют искусственный  камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, которая состоит из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердевания называют бетонной смесью.

    Зерна песка и щебня  составляют каменную основу бетона. Цементное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет вначале роль смазки заполнителей, придающей подвижность (текучесть) бетонной смеси, а впоследствии, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень — бетон. Бетон в сочетании со стальной арматурой называют железобетоном.

    Бетон как  строительный материал применяли  еще в глубокой древности. С течением времени использование его в строительстве почти прекратилось, и только с XIX столетия после изобретения новых гидравлических вяжущих, в первую очередь портландцемента, бетон снова стали широко применять для строительства различных инженерных сооружений. Начиная с 60-х годов XIX в., после усовершенствования технологии и повышения марочной прочности цемента, он становится основным вяжущим для бетона и железобетона.

    Русские ученые  уже с конца XIX в. уделяли большое внимание созданию плотного бетона и правильному расчету его состава. Крупный вклад в науку о бетоне внесли военные инженеры, были изложены результаты исследований зависимости прочности бетона от содержания воды, уплотнения бетонной смеси, крупности песка и щебня или гравия. Заслугой советских ученых является создание способов производства зимних бетонных работ и широкое внедрение их в практику.

    Крупные успехи  имеются также в создании легкого,  кислотоупорного и жароупорного бетонов. Технология легких бетонов, разработанная Н. А. Поповым, в настоящее время получила широкое развитие. Все более широко применяют пенобетон и газобетон, обладающие малыми объемной массой и теплопроводностью.

    Получать бетонную  смесь и бетон высокого качества  можно только при глубоком  знании технологии, умении выбирать  материалы необходимого качества и устанавливать их оптимальное соотношение, изыскивать режимы приготовления бетонной смеси, методы ее укладки, уплотнения и условий твердения, обеспечивающие получение бетонных конструкций высоких прочности и долговечности.

    Бетон —  один из важнейших строительных  материалов, применяемый во всех областях современного строительства. Разнообразием свойств бетона, получаемых путем использования соответствующего качества вяжущих и каменных материалов и применения специальных методов механической и физико-химической обработки; легкостью механической обработки бетонной смеси, обладающей пластичностью и позволяющей без значительных затрат труда изготовлять самые разнообразные по форме и размерам долговечные строительные конструкции; возможностью полной механизации бетонных работ; экономичностью бетона (80—90% его объема составляют заполнители из местных каменных материалов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация бетонов

 

   Классифицируют бетоны по  следующим главнейшим признакам:  объемной массе, виду вяжущего  вещества, крупности заполнителя, прочности, морозостойкости и назначению.

    Основной считается классификация  по объемной массе. Бетон делят  на особотяжелый объемной массой  более 2500 кг/м³, тяжелый-—1800— 2500 кг/м³, легкий — 500—1800 кг/м³, особолегкий — менее 500 кг/м³.

    По виду вяжущего вещества различают бетоны цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих веществах — портландцементах и его разновидностях; силикатные — на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатпыми компонентами; гипсовые — с применением гипсоангидритовых вяжущих; бетоны на органических вяжущих материалах.

    Тяжелый бетон  изготовляют на цементе и обычных  плотных заполнителях, а легкий — на цементе и естественных или искусственных пористых заполнителях. Разновидностью легкого бетона является ячеистый бетон, представляющий собой затвердевшую смесь вяжущего вещества, воды, тонкоднсперспого кремнеземистого компонента и порообразователя. Этот бетон отличается высокой пористостью (до 80— 90%} при равномерном распределении мелких пор. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим тверде- нием сформованных изделий в автоклаве при давлении 0,9—1,6 МПа и температуре 174,5—200° С.

    В зависимости  от наибольшей крупности применяемых  заполнителей различают бетоны мелкозернистые с заполнителем размером до 10 мм и крупнозернистые с заполнителем размером 10—150 мм.

    Важнейшие  показатели качества бетона —  его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны разделяют на марки. Тяжелые бетоны на цементах и обычных плотных заполнителях имеют марки 100—600, особотяжелые бетоны— 100—200, легкие бетоны на пористых заполнителях — 25—300, ячеистые бетоны — 25—200, плотные силикатные бетоны — 100—400 и жаростойкие бетоны—100—400.

    Долговечность бетонов оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю их разделяют на марки морозостойкости: для тяжелых бетонов Мрз 50 — Мрз 300 и для легких, бетонов Мрз. 10 — Мрз.200.

    По назначению  бетон бывает следующих видов:  обычный — для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты); гидротехнический — для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.; для зданий и легких перекрытий; для полов, дорожных покрытий и оснований; специального назначения: кислотоупорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты, который изготовляют на цементе со специальными видами заполнителей высокой плотности.

 

Поведение бетона во время пожара

 

Свойства бетона и  железобетона при нагревании обусловливаются  поведением их составляющих: цементного камня, заполнителей и стальной арматуры, разницей их деформаций, величиной сцепления бетона с арматурой, степенью напряженного состояния бетона и др.

 

Нагревание выше 500oС  вызывает дегидратацию кристаллического сростка Са(ОН)2 цементного камня и потому при следующем охлаждении и увлажнении бетона следует ожидать резкого снижения его прочности в результате нарушения цельности за счет вторичного гашения образовавшегося СаО.

 

Температурные деформации разных заполнителей в интервале температур до 1000oС значительно отличаются одна от другой (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1. Линейные температурные  деформации составляющих бетона:

 

1 - цементный камень; 2 - песчаник; 3 - шамот; 4 - серпентит. 

 

 

Сравнивая поведение  разных заполнителей при нагревании, можно сказать, что наибольшие температурные деформации имеет щебень из песчаника, гранита или кварцита, а наименьшие (при нагревании до 900oС) - известняковый и базальтовый. Самыми стойкими при нагревании являются искусственные заполнители: шамот, шлак, керамзит, перлит и проч.

 

Температурные деформации в материалах, которые содержат кварц, вызваны его модификационными превращениями  при 575oС, которые и обусловливают  снижение прочности и термостойкости. Известняк хранит свою прочность  к большим температурам, чем серпентит и породы, которые содержат кварц. Большую относительную стойкость при высоких температурах показывают бетоны на известняковом заполнителе (до 900oС) в сравнении с бетонами на гранитном заполнителе (до 600oС). Изменение прочности бетонов с гранитным и известняковым заполнителем при нагревании показано на рис. 2.

 

  Рис. 2 Относительная прочность  бетонов на гранитном (1) и известняковом  (2) заполнителях при нагревании.

 

Рабочую температуру до 1250oС могут  выдержать только специальные жаростойкие бетоны, которые производятся с использованием глиноземистого цемента и тугоплавкого наполнителя (шамота).

 

Поведение железобетона в условиях пожара

 

В железобетоне при высокотемпературном  нагревании изменение деформационных свойств стали обусловливает особенности ее взаимодействия с бетоном. Развитие пластических деформаций ведет к уменьшению поперечного перерезу растянутой арматуры и, как следствие, к послаблению ее контакта с бетоном. С повышением температуры железобетонных конструкций роста разницы коэффициентов температурной деформации бетона и стали вызывает дополнительные напряжения сдвига между ними. В бетоне коэффициент температурной деформации при нагревании уменьшается, а в стальной арматуре - увеличивается. Поэтому бетон, который окружает арматуру, растягивается в поперечном направлении и в защитном слое появляются щели. При охлаждении свойства стали в значительной мере восстанавливаются, а бетона, напротив, - продолжают ухудшаться из-за вторичного гашения, что определяет дополнительную потерю контакта между ними.

 

При расчете огнестойкости  конструкций должны выполняться  требования к их несущей способности. В соответствии с нормами расчет по несущей способности должен обеспечивать сохранение конструкции от разрушения при совместном действии силовых факторов и опасных влияний внешней среды. Предельное состояние конструкции по огнестойкости характеризуется тремя показателями (признаками) по потере:

 

- несущей способности; 

 

- теплоизолирующей способности; 

 

- целостности. 

 

Свойства бетона и  железобетона при влиянии высоких  температур определяются поведением их составляющих: заполнителей цементного камня и стальной арматуры.

 

Бетон при нагревании изменяется в объеме и дает огневую  усадку. Наибольшие значения огневой  усадки наблюдаются при температурах порядка 800 - 1200oС. При нагревании появляются два вида температурных деформаций бетона: температурное расширение (обратимая деформация) и усадка (необратимая деформация).

 

Наличие арматуры существенно  влияет на температурные деформации железобетона. С ростом температуры  нагревания арматурных сталей изменяются их прочностные характеристики, снижается  модуль упругости, увеличиваются температурные деформации, ползучесть и релаксация напряжений.

 

Арматурные стали характеризуются  критической температурой, при нагревании выше которой под действием внешней  нагрузки происходит беспрестанное  нарастание деформаций. С ростом температуры нагревания снижается модуль упругости арматурных сталей. Деформации стали, вызванные снижением модуля упругости и температурной ползучести, необратимые.

 

При действии температуры  снижается сцепление арматуры с  бетоном. С ростом температуры происходит значительное уменьшение сцепления гладкой арматуры с бетоном. При 100oC сцепление уменьшается почти на 30%, а при 500oС оно нарушается полностью. Для горячекатаной арматуры периодического профиля в интервале температур до 250oС сцепление с бетоном не снижается. При высших температурах сцепление уменьшается, а при 450oС составляет 0.75 начального значения.

 

При пожаре в зданиях, где применяются бетонные и железобетонные конструкции, возможно хрупкое разрушение бетона. Разрушение бетона происходит внезапно, быстро и потому является наиболее опасным.

 

Хрупкое разрушение бетона начинается, как правило, через 5-20 мин  от начала огневого действия и проявляется  как откалывание от поверхности  конструкции кусков нагретого бетона в виде площадок приблизительно от 1 см2 до 0,5-1м2 и толщиной от 1 мм до 5 см. Разрушение бетона может продолжаться на протяжении всего огневого действия до полного разрушения конструкции. При хрупком разрушении бетона возможен разлет кусков весом до нескольких килограммов на расстояние до 10-20 м.

 

Уменьшение толщины  или откалывание защитного слоя несущей арматуры в железобетонных балках приводит к быстрому прогреванию  этой арматуры до критической температуры (500-7000С) и разрушению конструкции.

 

Мероприятия по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре подразделяют на 3 группы:

 

I - ликвидирующие хрупкое  разрушение бетона при пожаре;

 

II - снижающие вероятность  хрупкого разрушения;

 

III - профилактические.

 

К I группе мероприятий  относятся:

 

1) противопожарные мероприятия в виде водяных завес, спринклерных и других устройств, которые обеспечивают защиту бетонных и железобетонных конструкций от действия огня;

 

2) снижение влажности  в помещении до величины, при  которой, в случае пожара, хрупкое  разрушение бетона не произойдет;

 

3) установка в поверхностном  слое нагреваемой конструкции  проволочной сетки; 

 

4) нанесение по поверхности  конструкции теплоизоляционной  штукатурки из легкого бетона  толщиной 1-2 см;

 

5) использование жаростойких  бетонов с шамотным заполнителем;

 

6) дисперсное армирование  бетона у поверхности нагреваемой  конструкции асбестом, стекловолокном  или металлическим волокном (5-7% от  массы вяжущего) на глубину 1-2 см.

 

При проведении мероприятий  первой группы можно не проводить  контрольных огневых испытаний.

 

К II группе мероприятий  относятся:

 

1) установка в балках  или плитах (в защитном слое) арматурной  сетки на расстоянии от нагреваемой  поверхности не более 0,5-1 см;

 

2) использование в  поверхностном слое нагреваемого  бетона полимерной добавки 5-10% массы вяжущего;

 

3) использование крупных  заполнителей с низкими коэффициентами  линейного температурного расширения (известняка, базальта, диабаза, доменного  шлака вместо гранита);

 

4) частичная (не меньше 1/3) или полная замена природного песка песком из известняка, базальта, диабаза, сиенита или диорита;

 

5) использование соединений  бетонов с ограниченной затратой  вяжущего (портландцемента не более  400 кг на 1 м3 бетонной смеси)  и повышенными значениями водо-цементного  отношения (не меньше 0,5);

 

6) использование бетонов  с легкими заполнителями; 

 

7) порообразование в  цементном камне; 

 

8) использование шлакопортландцемента;

 

9) использование тонкомеленых  добавок из доменных и литых  шлаков.

 

К III группе мероприятий  относятся:

 

1) использование в  железобетонных конструкциях арматуры  той же площади, но из стержней  меньшего диаметра;

 

2) использование поперечных  сечений конструкций без выступающих  углов (например, колон круглого  поперечного сечения или со  срезанными углами вместо колонн прямоугольного или квадратного поперечного сечения).

 

Конструктивные способы  повышения огнестойкости железобетонных конструкций 

 

Повышение границы огнестойкости  железобетонных конструкций может  быть достигнуто разными способами, в том числе и конструктивными. К таким способам можно отнести:

 

- увеличение толщины  защитного слоя бетона;

 

- использование теплоизолирующих  покрытий и специальных бетонов;

 

- использование арматурной  стали с высокой критической  температурой;

 

- обоснованное увеличение  в процессе проектирования сечений элементов конструкций;

 

- изменение статической  схемы элемента;

 

- изменение условий  обогрева и т.д. 

 

Увеличение толщины  защитного слоя бетона уменьшает  скорость нагрева арматуры, тем самым  повышая огнестойкость железобетонных плит. Эффективнее оказывается использование специальных штукатурок (с использованием асбеста, перлита, вермикулита и т.п.). Даже при малых величинах таких штукатурок (1,5-2 см) огнестойкость железобетонных плит увеличивается в несколько раз (2-5).

 

Значительного увеличения огнестойкости колонн можно достичь путем увеличения процента армирования, а также перемещением части арматуры от периферии к центру.

 

Повышение прочности  и модуля упругости бетона приводит к увеличению предела огнестойкости. Например, увеличение возраста бетона с 75 до 400 суток повышает огнестойкость балок в 1,25 раза.

 

Значительное повышение  границ огнестойкости (в 2-2,5 раза) сборных  плит достигается за счет подвесного потолка, что исполняет роль защитного  экрана.

 

Огнестойкость сжатых элементов значительно повышается с увеличением их поперечного пересечения.

 

Огнестойкость статически определенных плит, которые работают в одном направлении, повышается, если имеет место упруго-податливая закладка концов плиты. Значительно  увеличивается огнестойкость плоских плит, если они опираются по контуру. Защемление концов плит по двум противоположным сторонам значительно увеличивает их огнестойкость. Так, плиты толщиной 8, 10 и 12 см, зажатые по двум противоположным сторонам, имеют предел огнестойкости соответственно в 1,6; 2,5 и 4 раза выше, чем такие же свободно опертые плиты. Неразрезные сгибаемые элементы имеют более высокие пределы огнестойкости, чем однопролетные.

 

Огнестойкость статически определенных балок в основном, определяется размерами сечения и скоростью нагрева рабочей арматуры.

 

В неразрезных балках во время пожара происходит перераспределение  усилий вследствие изменения их напряженного состояния. Пределы огнестойкости  зажатых балок в 2-2,5 разы выше, чем  свободно опертых, поскольку такая балка полностью будет разрушаться лишь в момент образования третьего пластичного шарнира в сечении, где действует максимальный сгибающий момент.

 

К конструктивным решениям, направленным на повышение несущей  способности железобетонных конструкций, также можно отнести такие:

 

- изменение схемы обогрева  конструкций при возможном пожаре;

 

- использование защитных  устройств, включающих теплозащитные  покрытия;

 

- использование специальных  бетонов, например, жаростойких;

 

- уменьшение нагрузки  на конструкцию. Например, снижение рабочих нагрузок в растянутой арматуре на 1% увеличивает время огневого сопротивления железобетонного элемента (плиты) на 1,33%.

 

Большое значение имеет  защита узлов и соединений железобетонных конструкций в условиях пожара от прямого действия огня.

 

Защита бетона

 

Гидроизоляционную защиту подразделяют на первичную и вторичную. К первичной относят мероприятия, обеспечивающие непроницаемость конструкционного материала сооружения. К вторичной  — дополнительное покрытие поверхностей конструкций гидроизоляционными материалами (мембранами) со стороны непосредственного воздействия агрессивной среды[4].

 

Меры первичной защиты включают в себя использование для  изготовления бетона и железобетона материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость, выбор составов и технологических режимов, обеспечивающих повышенную коррозионную стойкость бетона в агрессивной среде, его низкую проницаемость и обеспечивающих дальнейшее развитие прочностных и деформативных его свойств[5]. К мерам первичной защиты относятся также вопросы выбора рациональных геометрических очертаний и форм конструкций, назначение категорий трещиностойкости и предельно допустимой ширине раскрытия трещин, рассмотрение сочетания нагрузок и определение непродолжительного раскрытия трещин, назначение толщины защитного слоя бетона с учетом его непроницаемости. Так же можно отнести к первичной защите применение интегральных капиллярных материалов, которые, по сути, химически модифицируют существующий бетон — гидроизоляция строительными смесями проникающего действия. При этом уплотняется структура бетона и происходит увеличение водонепроницаемости, морозостойкости, прочности на сжатие и коррозионной стойкости на весь срок службы.

 

Задача вторичной защиты — не допустить или ограничить возможность контакта агрессивной среды и железобетона. В качестве вторичной защиты используют обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы и высоконаполненные покрытия. Чаще всего, в качестве связующего материала, при производстве полимерных составов, применяются эпоксидные, полиуретановые и полиэфирные компоненты. Механизм защиты бетонного основания заключается в уплотнении поверхностного слоя и изоляции минеральной поверхности от негативных разрушающих факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1 Интернет-ресурс.