Подписка
МЕНЮ
Подписка

Технологии предотвращения взрывообразного разрушения бетонов при огневом воздействии

Сергей Антонов, 29/07/21

Актуальность рассмотрения вопроса огнестойкости железобетонных конструкций, зданий и сооружений при огневом воздействии обусловлена тем, что общее количество пожаров как в мире, так и в России (только у нас более 150 тыс. в год) все еще достаточно велико и большинство из них наносят серьезный урон зданиям и сооружениям. Основная цель обеспечения безопасности такого рода объектов – защитить жизни людей и сохранить материальные ценности, гарантируя при этом огнестойкость железобетонных сооружений во время и огнесохранность после пожара.

SS_Security and Safety

Основными предельными состояниями, по достижении которых устанавливается предел огнестойкости, являются:

  • потеря несущей способности вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций (R);
  • потеря целостности в результате образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);
  • потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I).

Положения российского законодательства

В настоящее время проблема обеспечения безопасности зданий и сооружений при пожарах путем задания требуемых параметров огнестойкости достаточно подробно отражена в российском законодательстве через включение этих требований в технические регламенты, своды правил и государственные стандарты обязательного и добровольного применения, другие нормативные документы и в итоге – в проектную документацию на каждое здание и сооружение на этапе строительства или реконструкции.

Требования пожарной безопасности

Например, в ст. 8 Федерального закона № 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" указаны требования пожарной безопасности: "Здание или сооружение должно быть спроектировано и построено таким образом, чтобы в процессе эксплуатации здания или сооружения исключалась возможность возникновения пожара, обеспечивалось предотвращение или ограничение опасности задымления здания или сооружения при пожаре и воздействия опасных факторов пожара на людей и имущество, обеспечивались защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение последствий воздействия опасных факторов пожара на здание или сооружение, а также чтобы в случае возникновения пожара соблюдались следующие требования: 1) сохранение устойчивости здания или сооружения, а также прочности несущих строительных конструкций в течение времени, необходимого для эвакуации людей и выполнения других действий, направленных на сокращение ущерба от пожара".

Федеральный закон № 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" вводит классификацию зданий по степеням огнестойкости и порядок доказательства фактических пределов огнестойкости строительных конструкций. Его требования указаны в ст. 57 "Огнестойкость и пожарная опасность зданий и сооружений":

  1. В зданиях и сооружениях должны применяться основные строительные конструкции с пределами огнестойкости и классами пожарной опасности, соответствующими требуемым степени огнестойкости зданий, сооружений и классу их конструктивной пожарной опасности.
  2. Требуемые степень огнестойкости зданий, сооружений и класс их конструктивной пожарной опасности устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности".

Но здесь, в определениях и требованиях двух регламентов, скрыты некоторые противоречия.

Нормативные противоречия

384-ФЗ в ст. 15.6 определяет, что "…соответствие проектных значений и характеристик здания или сооружения требованиям безопасности, а также проектируемые мероприятия по обеспечению его безопасности должны быть обоснованы одним или несколькими способами из следующих способов:

  1. результаты исследований;
  2. расчеты и (или) испытания, выполненные по сертифицированным или апробированным иным способом методикам;
  3. моделирование сценариев возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий, в том числе при неблагоприятном сочетании опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий;
  4. оценка риска возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий".

И я так предполагаю, что что если в России предложить почти любому специалисту доказать соответствие проектных решений с помощью п. 2 "расчетами и испытаниями" или "расчетами или испытаниями", то он выберет второй вариант и только "расчеты"…

В свою очередь, 123-ФЗ в ст. 87 "Требования к огнестойкости и пожарной опасности зданий, сооружений" п. 10 тоже разрешает применить расчетные методы, но с оговоркой: "Пределы огнестойкости и классы пожарной опасности строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам, конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим огневые испытания, могут определяться расчетно-аналитическим методом, установленным нормативными документами по пожарной безопасности".

Исходя из этого следует, что без ссылки на положительный результат огневых испытаний хотя бы одной аналогичной конструкции обойтись нельзя. Закон требует сослаться в расчетах на ссылку, указывающую на испытания. А если расчеты сделаны без таких ссылок, то юридически получается, что прямые требования Технического регламента не выполнены!

И особенно это актуально для расчетов огнестойкости железобетонных конструкций, при огневом воздействии на которые почти всегда происходит практически не учитываемое ни конструкторами, ни органами экспертизы и стройнадзора взрывообразное разрушение защитного слоя бетона с оголением арматурного каркаса. А это сопровождается утратой конструкциями и в целом зданиями и сооружениями своей конструктивной целостности (вплоть до прогрессирующего разрушения) или потерей конструкциями способности выполнять свое функциональное назначение1.

Форум "Технологии безопасности" 2023 Узнайте, что запланировано!

Поведение бетона при пожаре

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

103 (5)

Рис. 1. Около 1200 м2 бетона было повреждено во время пожара при строительстве моста через бухту Золотой Рог

В наибольшей степени возникновение этого эффекта относится и к подземным конструкциям (рис. 2), что обусловлено практически повсеместной эксплуатацией конструкций в условиях повышенной влажности.

103 (4)

Рис. 2. Евротоннель между Великобританией и Францией, 2008 г.

В результате пожара автомобиля пострадало 14 человек, произошло обрушение 650 м обделки тоннеля. Видна оголившаяся арматура – результат взрывообразного (хрупкого) разрушения бетона. Общие потери составили более 60 млн евро.

Рис. 3 показывает результат всего 30-минутного возгорания ветоши и деревянной конструкции во временном подземном тоннельном сооружении, однако видно практически полное отсутствие защитного слоя бетона. И если бы не удалось остановить пожар в такое короткое время, то еще неизвестно, выстояла ли бы эта конструкция в течение 60 или 90 минут огневого воздействия.

103 (3)

Рис. 3. Разрушение бетона в результате пожара в строящейся переходной камере метрополитена, январь 2019 г.

Еще в 1979 г. в диссертации Евгения Мешалкина "Исследование процесса разрушения бетонных изделий при пожаре с учетом их взрывообразной потери целостности"2 было отмечено: "Несмотря на большой опыт исследований в области огнестойкости конструкций, практика продолжает ставить перед исследователями все новые проблемы. Одной из таких проблем является взрывообразная потеря целостности бетонных изделий. …Внешнее проявление взрывообразной потери целостности состоит в том, что во время пожара или при испытаниях на огнестойкость уже через 5–10 минут после начала теплового воздействия почти непрерывно от обогреваемой поверхности бетонных конструкций откалываются пластинки материала площадью 0,04–0,05 м2 и толщиной 0,005–0,015 м. Куски откалывающегося бетона отлетают при этом с хлопками и треском на расстояние 10–15 м.

В результате конструкции преждевременно утрачивают свою несущую способность: сжатые элементы (например, колонны) – в результате резкого уменьшения рабочего сечения, а изгибаемые элементы (плиты перекрытий) – из-за быстрого нагревания растянутой рабочей арматуры до критической температуры".

Основными источниками информации о поведении бетона при пожаре являлись результаты реальных пожаров, а также стандартные испытания конструкций на огнестойкость. Результаты таких испытаний показали:

  • взрывообразная потеря целостности происходит начиная с 5–10-й минуты от начала высокотемпературного воздействия и часто продолжается до 40–50-й минуты;
  • повышенное влагосодержание бетона в конструкциях – один из основных факторов, определяющих склонность изделия к ВПЦ;
  • склонность бетона к взрывообразному разрушению определяется также типом применяемого заполнителя;
  • в нагруженном состоянии такое разрушение происходит при меньших значениях влагосодержания бетона, что говорит о существенном влиянии нагрузки на склонность изделия ко взрывообразному разрушению.

После пожара длительностью около 1 ч, как правило, наблюдается повреждение нижнего слоя бетона на глубину 60–80 мм, что превышает толщину защитного слоя бетона, нижняя арматурная сетка в перекрытиях полностью выключается из работы, а сами конструкции таких перекрытий если и не разрушаются, то находятся в предаварийном состоянии3.

После пожара длительностью около 1 ч, как правило, наблюдается повреждение нижнего слоя бетона на глубину 60–80 мм, что превышает толщину защитного слоя бетона, нижняя арматурная сетка в перекрытиях полностью выключается из работы, а сами конструкции таких перекрытий если и не разрушаются, то находятся в предаварийном состоянии.

Ближайшие ключевые темы в журнале и на сайте

Наличие воды в порах бетона как взрывообразный фактор

При изучении явления взрывообразной потери целостности железобетонных конструкций особое внимание уделяется влажности конструкции, при этом учитывается, что вода пытается "выйти наружу" из бетона в сторону, противоположную стороне огневого воздействия. И хотя в начале воздействия в бетоне редко присутствуют сечения/области, насыщенные водой, однако через какое-то время конденсирующийся пар, движущийся с горячей стороны бетона, создает насыщенные слои, которые также двигаются по градиенту давления.

При нагревании сначала испаряется свободная капиллярная вода, а затем – химически связанная. Вместе они называются испаряющейся водой, которая образуется уже при 105 °С при нормальных условиях. Химически связанная вода начинает испаряться при 105 °С, и процесс завершается примерно при 800 °С. Температура в 105 °С является границей, которая часто используется для удобства, но она недостаточно точная. Тем не менее некоторые исследования показывают, что потери химически связанной воды при нагревании бетона могут составить до 2,3% от веса бетонных образцов, при этом 90% испаряющейся воды "уходит" при температурах от 100 до 250 °С.

В случае высокопрочных бетонов вода начинает насыщать малочисленные существующие дефектные поры, и при температуре около 200 °С давление пара в них может достичь 1,5–3 Мпа. Это происходит с одновременным падением прочности бетона с обогреваемых сторон на растяжение (для плит) или на сжатие (для колонн).

Считается, что при стандартном огневом воздействии взрывообразное разрушение бетона не начинается до тех пор, пока давление пара не превысит прочность бетона на разрыв4, но, вероятнее всего, весовой коэффициент этого давления пара значительно ниже весового коэффициента от приложенной нагрузки и возникающих по этой причине невидимых внутренних усилий в бетоне и его защитном слое.

В любом случае, как отмечалось выше, наличие физической воды в порах бетона является одним из очень важных факторов для возникновения явления взрывообразного разрушения бетона при огневом воздействии. Стоит также учесть, что, например, в очень маленьких капиллярах (с радиусом около 0,08 мкм) с капиллярным давлением 15 атм температура кипения воды составляет около 200 °С, и наоборот – закипание воды создает высокое давление. В случае возникновения пожара наличие таких пор способствует перепусканию водяного пара без накапливания его в микродефектах конструкций. Добавление же 1 кг полипропиленовой микрофибры на 1 м3 бетона как раз и увеличивает пористость бетона на 700–800 млн штук пор в 1 м3 бетона5.

Таким образом, специалисты связывают взрывообразное разрушение с тремя возможными причинами:

  1. разрушение по причине нарастания давления в порах из-за наличия в порах влаги, скорости прогрева и свойств материала сопротивляться разрушению;
  2. термический стресс, который может происходить даже без наличия влаги в бетоне, но с высоким уровнем прогрева конструкции и приложенной к ней нагрузки;
  3. комбинированное воздействие давления в порах и возникновение зон термического стресса.

Разработка мероприятий по регулированию стойкости к взрывообразному разрушению

В предыдущие годы как в СССР, так и позже в Российской Федерации разработано несколько способов огнезащиты железобетонных конструкций от взрывообразного (хрупкого) разрушения. К ним можно отнести:

  • установку противооткольной сетки;
  • использование огнезащитных покрытий;
  • применение облицовочных плит или листовых материалов для снижения интенсивности нагрева бетона при пожаре;
  • использование специальных бетонов для конструкций высокотемпературного применения.

В нормативных документах возможность взрывообразного разрушения бетона указана в рекомендациях EN 1992-1-2–2009, 4.5.1 "Взрывное разрушение", п. 2: "Взрывное разрушение бетона маловероятно при влажности бетона менее k процентов по массе. Примечание: значение k устанавливается в национальном приложении. Рекомендуемое значение k = 3%".

В российских нормативных документах рекомендации даны в СП 468.1325800.2019 "Бетонные и железобетонные конструкции.
Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности", п. 9.3: "Взрывообразное разрушение при пожаре характерно для бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых бетонов на силикатном заполнителе с влажностью более 3–3,5%, карбонатном заполнителе с влажностью более 4% и из легкого конструкционного керамзитобетона с влажностью более 5% и плотностью более 1200 кг/м3. Хрупкое взрывообразное разрушение бетона начинается, как правило, через 5–20 минут от начала огневого воздействия и проявляется в виде отколов от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона (лещадей) в виде площадок площадью примерно от 1 см2 до 0,5–1 м2 и толщиной от 5 мм до 15 мм. Отрыв лещадей в одной и той же зоне конструкции может неоднократно повторяться с интервалом 5–15 минут, что в итоге приводит к значительному уменьшению толщины сечения конструкции и оголению арматурных стержней".

Однако некоторые результаты огневых испытаний свидетельствуют, что взрывообразное разрушение может произойти и при более низкой влажности конструкции (например, 1,5%), так как бетоны находятся под высоким стресс-напряжением.

Некоторые иностранные проектные и строительные компании при строительстве тоннелей используют специальные добавки в бетон (из горных пород), что обуславливается их доступностью и отсутствием на тот момент других альтернативных решений по повышению огнестойкости. К таким добавкам относятся тонкомолотые вулканические породы (туфы, пемза или аналоги).

Выступить на онлайн-конференции >>

Результаты испытаний железобетонных плит на огнестойкость

В декабре 2020 г. – феврале 2021 г. на базе испытательной лаборатории Научно-испытательного центра пожарной безопасности ФГБУ ВНИИПО МЧС России проводились испытания железобетонных плит типа 2П30.18-30 ГОСТ 21924.0-84, изготовленных из тяжелого бетона класса В25, с целью определения предела огнестойкости предоставленных образцов по ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования" и ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции".

Испытания опытных образцов на огнестойкость проводились под действием постоянной статической вертикальной нагрузки, передаваемой через систему ее распределения на две направляющие рабочего пролета плиты, в соответствии с проектно-расчетной схемой, определяемой техническим заданием заказчика (рис. 4).

103 (2)

Рис. 4. Железобетонная плита до начала испытаний

По техническому заданию заказчика для опытных образцов железобетонных плит предельное состояние принималось по потере несущей способности конструкции (R) вследствие ее обрушения или возникновению предельных деформаций, согласно приложению А к ГОСТ 30247.1 (предельный прогиб в середине пролета для данной плиты перекрытия составляет 140 мм, скорость нарастания деформации – более 0,51 см/мин).

103 (1)

Рис. 5. Результат взрывообразного разрушения бетона

Результаты во время испытаний:

  • 17 минут – зафиксировано начало хрупкого разрушение бетона опытных образцов (рис. 5);
  • 18–25 минут – хрупкое разрушение продолжается;
  • 50–51 минута – зафиксировано нарастание скорости прогиба плит;
  • 52–53 минуты – увеличение скорости нарастания деформации достигло 0,5 см/мин;
  • 52–54 минуты – обрушение опытных образцов плиты.

На рис. 6 показаны графики температурных кривых, где красным обозначена кривая роста температуры в огневой камере, синим – рекомендованная СП 468.132.5800.2019 кривая на глубине 30 мм от обогреваемой поверхности, бордовым – практически полученная во время огневых испытаний кривая на глубине 30 мм от обогреваемой поверхности.

103 (8)

Рис. 6. Температурные кривые огневого воздействия и прогрева бетона

Особое внимание следует уделить следующему поведению железобетонной плиты, отмеченному в ходе испытаний:

  • 17 минут – зафиксировано начало хрупкого разрушения бетона опытных образцов;
  • 18–25 минут – хрупкое разрушение продолжается.

Данная информация подтверждается сверхнормативным ростом с 17-й минуты температурной кривой на глубине залегания в 30 мм, что видно по рис. 6. И вероятнее всего, именно данный процесс взрывообразного разрушения привел к ускоренному росту температуры арматурного каркаса в растянутой зоне и обрушению железобетонной плиты ранее чем за 60 минут огневого воздействия.

На российском рынке широко распространены различные виды огнезащитных покрытий для повышения огнестойкости железобетонных конструкций. Их назначение заключается в защите бетона от резкого нарастания температурного фронта. При этом они очень эффективны за счет своих теплоизолирующих свойств и значительно уменьшают величину теплового потока, действующего на бетон. Данные показатели достаточно хорошо изучены как в результате практических исследований, так и с научной точки зрения.

Технологии повышения стойкости железобетонных конструкций к взрывообразному разрушению

Рекомендации по повышению огнестойкости бетонов предложены многими специалистами в научных трудах, но фактически собраны и указаны в Техническом коде устоявшейся практики – EN 1992-1-2:2004 IDT (Еврокод 2. Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости), принятом Европейским комитетом по стандартизации CEN 8 июля 2004 г. (рис. 7).

103 (7)

Рис. 7. Рекомендуемые технологии повышения стойкости железобетонных конструкций к взрывообразному разрушению

Рассмотрим методы и технологии, предотвращающие взрывообразное разрушение бетона при пожаре.

Применение жаростойких бетонов

Бетоны специальных марок, имеющие высокую стойкость к воздействию температур, называются жаростойкими.

Некоторые иностранные, например итальянские (Prometeoengineering.it), проектные и строительные компании при строительстве тоннелей используют специальные добавки в бетон (из горных пород), что обуславливается их доступностью и отсутствием на тот момент других альтернативных решений по повышению огнестойкости. К таким добавкам относятся тонкомолотые вулканические породы (туфы, пемза или аналоги).

Предполагается, что применения данного вида добавок в бетонах не может быть широко распространенным в России по причине:

  • зарегулированного законодательства с требованиями к проектированию, изготовлению и применению бетона (например, СП 63.13330.2012 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СниП 52-01-2003 (с Изменением № 1)". Введение даже незначительного количества одной из добавок потребовало бы не только проведения широкой серии физико-механических, теплотехнических и огневых испытаний (предположительно, на 1–2 года с затратами более 30 млн рублей), но и выдачи рекомендаций по расчетам при проектировании в виде нормативных документов. И этого было бы недостаточно по причине отсутствия данных мониторинга и большого опыта эксплуатации конструкций таких типов в России;
  • отсутствия в достаточном количестве сырья стабильного качества с жестко заданными характеристиками.

103 (6)

Рис. 8. Принципиальная схема установки противооткольной сетки в перекрытиях

Узнайте о возможностях лидогенерации и продвижении через контент

Установка противооткольных сеток

Обычно противооткольная сетка изготавливается из проволочной арматуры диаметром 2–3 мм с ячейкой 50–75 мм. Установка противооткольной сетки в середине защитного слоя бетона уменьшает интенсивность взрывообразного разрушения и необходима во всех основных несущих конструкциях – стенах, балках и плитах перекрытий. Она рекомендуется к установке в:

  • плитах перекрытий на глубине 15–20 мм в защитном слое бетона со стороны нижней поверхности перекрытия;
  • колоннах – в защитном слое бетона на глубине 20–30 мм по периметру (рис. 8);
  • балках – в середине толщины защитного слоя бетона по периметру балок и обычно крепится к конструктивной арматуре3.

Можно предположить, что в конструкциях с высокой влажностью в случае применения противооткольных сеток взрывообразное разрушение также будет происходить, останавливаясь на глубине заложения этих сеток. Далее сетка предотвращает падение кусочков бетона, хотя при этом недостаточно изучено, как происходит "подсеточное" разрушение бетона. Фактически сетка не может влиять на предотвращение взрывообразного разрушения, но ее большой плюс заключается в том, что она предотвращает резкий прогрев свежеоголившихся площадок бетона, тем самым частично уменьшая процесс взрывообразного разрушения в нижележащих слоях бетона. Есть положительные результаты испытаний железобетонных конструкций с противооткольной сеткой (выполненные И.С. Кузнецовой6), но недостаточно выполнено испытаний таких конструкций, где мы могли бы сравнить эффективность ее работы на одинаковых конструкциях (например, плитах перекрытия), но имеющих разные классы бетона или различные проценты влажности, а также испытанных под различным уровнем нагружения.

Одним из вопросов применения таких сеток является не только их долговечность по причине их коррозионной стойкости (учитывая работу внутри бетонной матрицы с повышенной щелочностью), но и технологичность процесса монтажа таких сеток на объекте строительства.

Использование огнезащитных покрытий

Различные виды огнезащитных покрытий для повышения огнестойкости железобетонных конструкций широко распространены на российском рынке. Их назначение заключается в защите бетона от резкого нарастания температурного фронта. При этом они очень эффективны за счет своих теплоизолирующих свойств и значительно уменьшают величину теплового потока, действующего на бетон. Данные показатели достаточно хорошо изучены как в результате практических исследований, так и с научной точки зрения.

Однако в применении огнезащитных покрытий почти всегда возникают типовые проблемы:

  • значительные финансовые инвестиции;
  • работы выполняются только после изготовления бетонных конструкций и набора прочности, то есть приводят к удлинению срока ввода конструкции в эксплуатацию;
  • практически всегда встает проблема тщательной подготовки поверхности перед применением огнезащиты;
  • сложный процесс нанесения огнезащитных штукатурок (подготовка поверхности, грунтование, монтаж клипс для армирующей сетки, монтаж армирующей сетки, напыление штукатурки в несколько слоев, нанесение финишного покрытия);
  • сложный процесс нанесения огнезащитных плит (выравнивание поверхности или изготовление специальных подкладок или даже монтаж профилей, нанесение одного или нескольких слоев плит с помощью анкеров по бетону или шурупов по бетону);
  • вопрос наличия высокой квалификации и ответственности у рабочих, выполняющих огнезащитные работы;
  • невозможность выполнения работ в критических атмосферных условиях (осадки, мороз и т.д.);
  • короткие сроки службы огнезащитных красок даже в условиях неагрессивной атмосферы.

Единственным серьезным достоинством применения конструктивных огнезащитных материалов является то, что в случае своевременного тушения пожара железобетонная конструкция может не подвергнуться температурному воздействию, впоследствии не потребует никаких компенсационных мероприятий, а замене будет подлежать только определенное количество огнезащитных плит.

Хорошим примером этого может служить результат пожара, произошедшего в автодорожном тоннеле на трассе Адлер – "Альпика-Сервис" за несколько дней до начала Олимпийский игр в Сочи (рис. 9). Длительность пожара составила 2 часа, но несущие конструкции совершенно не пострадали. Более того, в некоторых местах под огнезащитными плитами находились металлоконструкции, загрунтованные антикоррозионными красками.

106 (1)

Рис. 9. Итог пожара в автодорожном тоннеле № 2 в Сочи, 2014 г.

Применение полипропиленовой микрофибры

Фактически не повышая огнестойкость самой конструкции, полипропиленовая микрофибра (рис. 10) позволяет бетону "отработать" при пожаре так, как запроектировал конструктор: толщина защитного слоя остается постоянной, при нагреве до 160 °С фибра расплавляется, в теле бетона создаются микропоры, через них идет миграция испаряющейся в теле бетона воды. А так как в течение определенного времени защитный слой бетона не разрушается, то арматурный каркас не подвергается сверхнормативному прогреву и конструкция работает в течение расчетного времени, с расчетной огнестойкостью.

106 (2)

Рис. 10. Внешний вид полипропиленовой микрофибры

При этом самого применения в последние годы в Российской Федерации такая технология не находила. Одной из причин стало то, что для определения огнестойкости подземных железобетонных конструкций с добавленной микрофиброй, в том числе железобетонной обделки (тюбингов), расчетными методами необходимо иметь данные по прочностным и теплофизическим свойствам бетона с полипропиленовой фиброй в условиях работы как при нормальных условиях, так и в условиях высокотемпературного режима.

В последние годы были успешно решены вопросы, связанные с компенсацией возможного падения прочности бетона на сжатие (в случае добавления в него микрофибры), разработаны типовые рецептуры бетонов для применения на объектах строительства. Кроме того, с целью доработки методики расчета огнестойкости бетонных конструкций были проведены исследования коэффициентов условий работы таких бетонов при нагреве, показавшие возможность применения расчетных методик.

108 (1)

Рис. 11. Состояние обогреваемой поверхности плит без фибры (слева) ис фиброй (справа) после огневых испытаний

Испытания конструкций без и с добавлением полипропиленовой микрофибры

В 2015–2021 гг. во ВНИИПО МЧС России были проведены серии испытаний железобетонных конструкций из бетонов классов В25 (плиты) и В45 (блоки тоннельной обделки, плиты перекрытий, малые плиты)6.
В ходе испытаний малогабаритных плит без добавления микрофибры наблюдалось взрывообразное разрушение бетона с 10-й по 35-ю минуты, а для плит с добавлением полипропиленовой микрофибры такого явления не наблюдалось.

Во всех отчетах об огневых испытаниях указано: "Разрушение защитного слоя бетона с нижней (обогреваемой) стороны опытных образцов не зафиксировано".

На сегодняшний день Правительство Москвы учло существующую проблему возможного взрывообразного разрушения бетона в разработанных Технических рекомендациях по проектированию двухпутных тоннелей метрополитена, сооружаемых щитами с активным пригрузом забоя и водонепроницаемой сборной железобетонной обделкой в гидрогеологических условиях Московского региона.

В рекомендуемом приложении Е к данному документу даны методики испытаний обделки (общие положения): "Е.1. Требования к огневым испытаниям блоков обделки. … В процессе проведения испытаний блоков обделки фиксировать время начала, интенсивность и продолжительность хрупкого разрушения бетона опытных образцов, если таковое происходит".

А в п. 10.1.2.2. вышеназванного документа указано: "Средства огнезащиты для стальных и железобетонных строительных конструкций следует использовать при условии оценки предела огнестойкости конструкций с нанесенными средствами огнезащиты по ГОСТ 30247, с учетом способа крепления (нанесения), указанного в технической документации на огнезащиту, и (или) разработки проекта огнезащиты. Рекомендуется использование полипропиленовой фибры в железобетонных конструкциях двухпутного тоннеля для предотвращения их хрупкого разрушения в условиях пожара".

Изготовление и испытание экспериментальных блоков тоннельной обделки проводилось на основе блоков. (рис. 12).

108 (3)

Рис. 12. Блок на стенде с приложенной нагрузкой

При изготовлении тестовых блоков была применена бетонная смесь с добавлением полипропиленовой микрофибры PROZASK IGS5 с целью обеспечения в дальнейшем огнестойкости конструкции. Принятая рецептура бетонной смеси была отработана заводом-изготовителем и обеспечила класс бетона B45W12F300. Класс бетонной смеси по подвижности – П2.

В отчете6 испытательной лаборатории НИЦ ПБ ФГБУ ВНИИПО МЧС России отмечается, что на момент окончания огневого воздействия (через 125 минут) обрушения опытных образцов не произошло. Прогиб опытных образцов не достиг предельного значения.

В ходе проведения испытаний учитывались характерные особенности поведения опытных образцов. Отмечено, что в период с 32-й по 37-ю минуты наблюдалось локальное выпаривание влаги на необогреваемой поверхности образцов, а после окончания испытаний разрушения защитного слоя бетона с нижней (обогреваемой) поверхности опытных образцов не зафиксировано, что видно на рис. 13.

108 (2)

Рис. 13. Вид обогреваемой поверхности после окончания испытаний

Таким образом, огневые испытания подтвердили расчетную огнестойкость блоков тоннельной обделки с добавлением в них полипропиленовой микрофибры.

3 ключевых вывода

Запланированная и проведенная серия огневых испытаний железобетонных конструкций (блоков тоннельной обделки и железобетонных плит) при наличии в матрице бетона полипропиленовой фибры с учетом проведения компенсирующих мероприятий по обеспечению требуемых свойств бетона показала:

  1. Удобство применения полипропиленовой микрофибры и ее высокую экономическую эффективность в случае применения для предотвращения взрывообразного разрушения бетона.
  2. Отсутствие в ходе огневых испытаний случаев взрывообразного разрушения исследуемых конструкций при рекомендуемом количестве добавляемой в бетонную смесь полипропиленовой фибры.
  3. Обеспечение высоких требуемых пределов огнестойкости при применении полипропиленовой фибры – как минимум R 120 для блоков тоннельной обделки и REI 180 для плит перекрытий.
1 Ройтман В.М., Серков Б.Б., Шевкуненко Ю.Г., Сивенков А.Б., Баринова Е.Л., Приступюк Д.Н. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Академия ГПС МЧС России, 2013.
2 Мешалкин Е.А. Исследование процесса разрушения бетонных изделий при пожаре с учетом их взрывообразной целостности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1979.
3 Соломонов В.В., Кузнецов И.С., Пирогов Ю.М., Соколов М.С. Проблемы обеспечения пожарной безопасности при проектировании высотных зданий // Экспертиза. 2008. № 6.
4 McNamee R.J., Bostrom L. Fire Spalling in Concrete – The Moisture Effect, Part II. Matec Web Conferences, September 2013.
5 Prozask IGS. Микрофибра полипропиленовая монофиламентная, фибрилированная, в пучках, обработанная, кратко вытянутая, диаметром менее 20 мкм, для повышения огнестойкости бетонных конструкций. ТУ 2291-004-87550640–2015.
6 Отчет по научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе "Проведение огневых испытаний и формирование требований к огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций", в 2 томах, НИЦ "Строительство", НИИЖБ им. Гвоздева – для ФАУ ФЦС (огневые испытания на базе ВНИИПО МЧС России, 2017 г.).
 
 
Темы:Пожарная безопасностьКаталог "Пожарная безопасность"-2021Огнезащитные покрытияОгнестойкость бетонных плитОгнезащита

Хотите участвовать?

Выберите вариант!

 

КАЛЕНДАРЬ МЕРОПРИЯТИЙ
ПОСЕТИТЬ МЕРОПРИЯТИЯ
ВЫСТУПИТЬ НА КОНФЕРЕНЦИЯХ
СТАТЬ РЕКЛАМОДАТЕЛЕМ
Комментарии

More...