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.