Подписка
МЕНЮ
Подписка

Огнестойкость железобетонных сооружений с добавлением полипропиленовой микрофибры

Сергей Антонов, 04/08/20

Прогрев железобетонных конструкций при огневом воздействии может сопровождаться утратой конструктивной целостности как самими конструкциями, так и в целом зданиями и сооружениями, вплоть до прогрессирующего разрушения, либо конструкции могут потерять способность выполнять свое функциональное назначение. В связи с этим вопрос повышения стойкости железобетонных конструкций к огневому воздействию и взрывообразному (хрупкому) разрушению становится все более актуальным.

Изучение результатов пожаров явно свидетельствует о том, что в некоторых случаях разрушение конструкций происходит по причине оголения арматурного каркаса вследствие взрывообразного разрушения бетона (рис. 1 и 2).

рис1Рис. 1. Атланта, США, 2017 г. Автомобильная эстакада. Обрушение секции эстакады произошло через 40 минут после начала пожара

При взрывообразном (хрупком) разрушении защитного слоя железобетонной конструкции бетон со стороны огневого воздействия внезапно и быстро (уже через 5–10 минут) разрушается, что сопровождается следующими явлениями:

  • звуковые эффекты (треск, хлопки, взрывы);
  • отрыв и разлет на расстояние от нескольких сантиметров до 10–20 м осколков (лещадок), которые имеют размер от 1 кв. см до 0,5–1 кв. м и толщину от 1 мм до 5 см.

В результате это приводит к быстрому уменьшению толщины защитного слоя бетона, преждевременному прогреву арматурного каркаса и резкому снижению несущей способности конструкции.

рис2Рис. 2. Россия, Владивосток, 2011 г. Около 1200 кв. м бетона было повреждено во время пожара при строительстве моста через бухту Золотой Рог

Факторы, влияющие на разрушение

Некоторые специалисты связывают взрывообразное разрушение с тремя возможными причинами:

  1. Разрушение по причине нарастания давления в порах из-за наличия в них влаги.
  2. Термический стресс, который может происходить даже без наличия влаги в бетоне, но при сочетании огромных внутренних напряжений именно в защитном слое бетона из-за приложенной нагрузки с высокой скоростью падения физических характеристик бетона при прогреве конструкции.
  3. Комбинированное воздействие давления в порах и возникновения зон термического стресса.

Рассмотрим эти факторы по отдельности.

Физическая влажность железобетонной конструкции

Во время огневого воздействия вода рассматривается как вещество, пытающееся "выйти" в основном в сторону, противоположную стороне огневого воздействия, то есть внутрь бетона. Стоит учесть, что в очень маленьких капиллярах (с радиусом около 0,08 мкм) с давлением 15 атм температура кипения воды составляет около 200 °С и, наоборот, закипание воды создает высокое давление. При этом нужно принимать во внимание одновременное резкое падение прочности бетона на сжатие и растяжение при нагреве. Таким образом, создание давления в порах до 1,5–3 атм является типовым явлением и также приводит к разрушению теряющего прочность при огневом воздействии бетона.

Химически связанная вода

При нагревании сначала испаряется свободная капиллярная вода, а затем химически связанная, которая начинает испаряться при 105 °С. Процесс завершается примерно при 800 °С. Некоторые исследования показывают, что потери химически связанной воды при нагревании бетона могут составить до 2,3% от веса бетонных образцов.

Форматы и условия участия для партнеров

Градиент температур цементного камня и заполнителей

При температурах около 500 °С резко возрастают объемные деформации гранита и песчаника. В то же время объемные деформации цементного камня достигают максимума при температурах около 300 °С, потом они уменьшаются, а при 500 °С наблюдается сокращение объема.

Использование бетонов с низкой пористостью

Высоконаполненные, так называемые тяжелые бетоны применяются в строительстве, например, подземных сооружений, тоннелей и высотных зданий. Для них характерно отсутствие достаточного количества капилляров и пор (микропустот или макропустот) в структуре материала. Добавление 1 кг полипропиленовой микрофибры на 1 куб. м бетона увеличивает количество возникающих при нагреве пор в бетоне на 700–800 млн штук.

Повышенные нагрузки

Приложенные к железобетонной конструкции повышенные нагрузки приводят к образованию стресс-зон внутри матрицы именно защитного слоя бетона (как сжатых, так и растянутых зон), даже без наличия влаги в этих областях защитного слоя. Есть мнение, что повышение приложенной нагрузки к конструкции иногда даже вреднее для развития взрывообразного разрушения бетона, нежели увеличение влажности конструкции.

Технологии для повышения стойкости бетонов

Рекомендации по повышению стойкости бетонов ко взрывообразному разрушению предложены многими специалистами в научных трудах, но фактически собраны в Техническом коде устоявшейся практики EN1992-1-2:2004 (IDT) (Еврокод 2. Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости), принятом 8 июля 2004 г.  Европейским комитетом по стандартизации CEN.

Один из методов, подтвержденнный множеством проведенных огневых испытаний и выполненных научных работ, – добавление полипропиленовой микрофибры в количестве 1–2 кг/куб. м бетона, что предотвращает его взрывообразное разрушение.

В 2015–2019 гг. во ВНИИПО МЧС России была проведена серия испытаний железобетонных конструкций из высокопрочного бетона В45 (блоки тоннельной обделки, плиты перекрытий, малые плиты), в том числе часть из них по программе Минстроя России под руководством специалистов ВНИИПО МЧС России и НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, с добавлением в него 1 кг фибры на 1 куб. м. Во всех отчетах об огневых испытаниях в разделе 9 "Основные результаты испытаний" ("Характерные особенности поведения опытных образцов в процессе проведения испытаний, а также результаты визуального осмотра") указано: "Разрушения защитного слоя бетона с нижней (обогреваемой) стороны опытных образцов не зафиксировано".

Фактически, не повышая огнестойкость бетона, фибра позволяет ему "отработать" при пожаре так, как запроектировал конструктор: в течение определенного времени защитный слой бетона не разрушается, арматурный каркас не подвергается сверхнормативному прогреву – конструкция работает расчетное время, с расчетной огнестойкостью.

рис3Рис. 3. Образцы бетонов перед началом испытаний

Изменение и компенсация свойств бетонов

Экспериментальным путем доказано, что введение даже 1 кг микрофибры в 1 куб. м бетона может повысить стойкость к взрывообразному разрушению и немного еще какие-то свойства бетона (например, прочность на растяжение на изгибе), но некоторые очень важные – понизить (например, прочность на сжатие).

По факту это не является серьезной проблемой, так как задача технолога завода – производителя бетонов заключается именно в том, чтобы подобрать нужную рецептуру для восстановления требуемых параметров бетонов. Нужно только время и желание, чтобы разработать новую рецептуру для уже выпускаемого на заводе бетона, добавив в нее не только фибру, но и какие-нибудь компенсирующие добавки.

Обычно типовые рекомендации по компенсации свойств бетонов выдаются производителями/поставщиками фибры. Например, в стандартах на применение микрофибры иногда указано, что понижение характеристик бетонов может быть компенсировано путем введения в бетонную матрицу незначительного количества суперпластификаторов. Для получения данных результатов была проведена серия испытаний с подбором смесей бетонов (как без фибры, так и полипропиленовой микрофиброй).

В России такие работы по подбору состава бетонов проводились, например, в лаборатории Уфы. 

Отчеты показали, что дополнительное добавление суперпластификатора в количестве ориентировочно 0,1–0,3% от массы цемента к ранее применяемому количеству позволяет компенсировать падение характеристик бетонов.

Таким образом, любое предприятие – производитель бетонных конструкций или товарного бетона, планирующее применять полипропиленовую ("огнезащитную") микрофибру, должно заблаговременно провести подбор смеси для выпускаемой продукции с разработкой дополнительных технических условий или рекомендаций.

Расчеты и проектирование огнестойкости железобетонных конструкций

По имеющейся на сегодняшний день информации, НИЦ "Строительство" и НИИЖБ им. А.А. Гвоздева приступили к разработке Свода правил по расчетам огнестойкости железобетонных конструкций. Учитывая серьезную работу, проведенную этими научными институтами совместно с ВНИИПО МЧС России в 2017 г. по программе Минстроя России, в том числе с фиброй такого типа, следует ожидать специальный раздел, позволяющий в будущем конструкторам применять такой вариант обеспечения огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций.

Список литературы:

  1. Милованов А.Ф., Соломонов В.В., Ларионова З.М. Высокотемпературный нагрев железобетонных перекрытий при аварии на Чернобыльской АЭС. М.: Энергоиздат, 2000.
  2. Пожиткова О.А., Семенов Ю.Д., Штенгель В.Г. Воздействие пожара на массивные железобетонные конструкции (по результатам обследования некоторых энергетических объектов). Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2018. Т. 287.
  3. Голованов В.И., Новиков Н.С., Павлов В.В., Антонов С.П. Прочностные характеристики фибробетона для тоннельных сооружений в условиях высоких температур. Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. Автореферат диссертации. 2017
  4. Мешалкин Е.А. Исследование процесса разрушения бетонных изделий при пожаре с учетом их взрывообразной целостности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1979.

Опубликовано в каталоге "Пожарная безопасность" - 2020

Темы:Пожарная безопасностьОПСКаталог "Пожарная безопасность"-2020

Хотите сотрудничать?

Выберите вариант!

 

Получить консультацию
Печатное издание
Интернет-портал
Стать автором
Комментарии

More...