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).
Рис. 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.
Рис. 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:
- Разрушение по причине нарастания давления в порах из-за наличия в них влаги.
- 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.
- 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.
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.
Рис. 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:
- Милованов А.Ф., Соломонов В.В., Ларионова З.М. Высокотемпературный нагрев железобетонных перекрытий при аварии на Чернобыльской АЭС. М.: Энергоиздат, 2000.
- 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.
- 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
- 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.
Поделитесь вашими идеями