CC BY
129
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
ИЗБРАННЫЕ ДОКЛАДЫ VI ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ:
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ»
УДК 614.841.34 (0.75.8)
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОСТОЙКИХ БЕТОНОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ СРЕДСТВ ОГНЕЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А.А. Леденев, В.Т. Перцев, Т.В. Загоруйко
Представлены результаты исследований по оценке эффективности бетонов повышенной термостойкости, применяемых в качестве средств огнезащиты железобетонных строительных конструкций. Установлено, что применение разработанного состава бетона и технологии его использования в железобетонных конструкциях, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию, позволяет существенно повысить пределы огнестойкости несущих конструкций зданий.
Ключевые слова: железобетонные конструкции, огнезащита, предел огнестойкости, термостойкие бетоны.
Одним из методов повышения пределов огнестойкости железобетонных строительных конструкций является применение различных способов огнезащиты, основными из которых являются: конструктивная огнезащита, тонкослойное огнезащитное покрытие, а также комбинированный способ
[1] . Несмотря на разнообразие существующих средств огнезащиты, вопросы разработки новых эффективных материалов остаются актуальными
[2] . Тенденциями современного строительства является рост этажности зданий и сооружений, увеличение протяженности путей эвакуации, применение большепролетных тонкостенных железобетонных конструкции, что диктует повышенные требования к пожарной безопасности и огнестойкости строительных конструкций.
При разработке материалов, используемых в качестве средств огнезащиты, был осуществлен целенаправленный выбор компонентов исходя из следующих задач:
- предотвращение растрескивания и разрушения огнезащитного покрытия при нагреве в условиях пожара;
- улучшение сцепления огнезащитных покрытий с железобетонными конструкциями;
- повышение термостойкости материалов, применяемых в качестве средств огнезащиты;
- обеспечение высокой огнезащитной эффективности огнезащитных покрытий для железобетонных конструкций.
Для обеспечения вышеописанных характеристик был разработан состав бетона повышенной термостойкости с использованием следующим материалов (табл. 1).
Необходимая прочность и адгезия между огнезащитным покрытием и железобетонной конструкцией обеспечивалась применением портландцемента. Снижение усадочных деформаций при твердении и огневом воздействии предполагалось достигать за счет создания каркаса из гранулированного шлака. Повышение прочности на растяжение и термостойкости цементного камня и бетона достигалось микроармированием хризотил-асбестовым волокном. Важным составляющим элементом бетона повышенной термостойкости являлся компонент, который обеспечил синхронное снижение плотности и теплопроводности за счет его вспучивания при нагреве, что обеспечит высокую огнезащитную эффективность. В качестве такого материала использовали шунгит.
53
Выпуск 4(17), 2015
Характеристики исходных компонентов термостойкого бетона
Таблица 1.
Вид и характеристика компонента бетона Дисперсность Плотность, кг/м3
удельная площадь поверхности S№ м2/кг модуль крупности Мкр истинная насыпная
Цемент ПЦ 500Д0, ОАО «Осколцемент» 280 - 3100 1100
Граншлак Липецкого металлургического комбината - 2,98 2300 500
Шунгит Зажогинского месторождения (п. Толвуя, Республика Карелия) - 1,43 2200 400
Асбест хризотиловый А-6К-30 (г. Асбест, Екатеринбург.обл.) 20000 - 2500 200
В результате планирования эксперимента был подобран рациональный состав бетона повышенной термостойкости (с расходом материалов на 1 м3): портландцемент - 390 кг; молотый шунгит -44 кг; асбест - 13 кг; гранулированный шлак - 950 кг; вода - 295 л [3]. Результаты проведенных физико-механических испытаний подтвердили теоретические предпосылки выбора компонентов. Установлено, что бетон имеет улучшенные показатели: прочность на сжатие 12 МПа, прочность при изгибе 2,5 МПа, средняя плотность 1480 кг/м3 [4, 5, 6].
Проблема сцепления огнезащитного покрытия наносимого на строительную конструкцию, а
также предотвращения его преждевременного растрескивания при высокотемпературном нагреве в условиях пожара является актуальной. В этой связи основополагающим этапом являлись исследования влияния температурных воздействий на изменения состава и свойств бетона, возникающих в результате физико-химических процессов протекающих на границе раздела фаз материалов при воздействии высоких температур. Установлено, что при повышении температуры от 900 °С до 1100 °С происходит изменение элементного состава цементного камня в зоне его контакта с частицами шунгита (табл. 2).
Элементный состав цементного камня в зоне его контакта с зернами шунгита после термических воздействий
Таблица 2.
Химические элементы и оксиды Содержание, масс. %
после термических воздействий при 900 °С после термических воздействий при 1100 °С
С 2,07 32,48
О2 47,64 45,14
NaO 2 - 1,31
MgO 3,92 1,84
AlO 2 3 2,09 1,39
SiO 2 13,92 6,72
S 0,48 0,25
CI - 0,78
CaO 29,76 9,87
Fe O 2 3 0,11 0,23
Итого: 100 100
54
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
Из табл. 2 видно, что при повышении температуры от 900 °С до 1100 °С увеличивается процент содержания углеродосодержащих соединений в контактной зоне более чем в 15 раз, содержание кислорода и оксидов алюминия изменяется несущественно, но содержание оксидов кремния снижается в 2 раза, а оксидов кальция - в 3 раза. Одной из причин такого поведения исследуемого материала может быть изменение фазового состава вяжущего в контактной зоне. Отмеченное явление, вероятно, приводит к изменению свойств цементного камня и в частности к повышению его стойкости к трещинообразованию.
Полученные данные подтверждаются результатами оптических исследований микро- и макроструктуры бетона (рис. 1). Установлено, что существенные изменения в структуре бетона происходят при температуре около 900 °С. Они связаны с появлением образований в виде агрегатов в структуре бетона, при этом на образцах отсутствуют микроповреждения в виде трещин и каверн
(рис. 1, б). При температурном воздействии 1100 °С на поверхности четко просматриваются зерна вспученного шунгита в цементном камне (рис. 1, г). В тоже время, наличие трещин и локальных разрушений не наблюдается (рис. 1, в).
Полученные данные подтверждаются результатами прочностных испытаний после температурного воздействия. Установлено, что в образцах бетона повышенной термостойкости с шунгитом, подвергнутых однократному воздействию высоких температур, прослеживается незначительное снижение прочности при сжатии: прочность бетона повышенной термостойкости при температурном воздействии 700 °С на 30 %, а при 900 °С на 50 % выше по сравнению с образцами эталонного бетона. После температурного воздействия при 1100 °С образцы бетона повышенной термостойкости сохранили 64 % от первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава, которые разрушились полностью.
а
б
в
г
Рис. 1. Макро- и микроструктуры бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия: а, в - макроструктура бетона после температурного воздействия 900, 1100 °С; б, г - микроструктура бетона после температурного воздействия 900, 1100 °С (увеличение в 54 раза.)
Одним из основных факторов, определяющих эффективность огнезащитных покрытий, является его деструкция, проявляющаяся при высокотемпературном воздействии в условиях пожара. Термические напряжения, возникают вследствие
различий коэффициентов термического расширения компонентов огнезащитных покрытий и конструкций. Величина этих напряжений имеет существенное значение, так как определяет механическую прочность огнезащитных покрытий.
Проведенные испытания показали (рис. 2),
55
Выпуск 4(17), 2015
что у разработанного бетона по сравнению с эталонным бетоном термостойкость при 700 °С повышается более чем в 5 раз, при 900 °С - в 6 раз, а при 1100 °С - в 8 раз. Это, на наш взгляд, объясняется формированием особой структуры бетона при участии шунгита. Образцы бетона повышенной термо-
стойкости, подвергшиеся температурному воздействию при 1100 °С, после 8 циклов испытания сохранили целостность, не имели поверхностных трещин в отличие от образцов бетона эталонного состава.
Температура, °С
Рис. 2. Изменение термостойкости образцов в зависимости от температуры: 1 - бетон повышенной термостойкости, 2 - эталонный бетон.
Сцепление огнезащитного покрытия с конструктивным бетоном обеспечивает надежность работы конструкций в условиях пожара. В этом направлении целесообразным и перспективным представляется разработка технологии получения двухслойных железобетонных конструкций вариатропной структуры.
Особенностью таких конструкций является наличие несущего основания - ядра и слоя огнеза-
Термостойкий
слой
щитного покрытия - бетона повышенной термостойкости. В ходе механических испытаний установлено, что разрыв двухслойных образцов со слоем бетона повышенной термостойкости и конструктивным слоем из высокопрочного бетона происходит по бетону повышенной термостойкости (рис. 3). Прочность сцепления бетона составила от 0,7 - 0,8 МПа, что обеспечивает надежность сцепления наносимого покрытия.
L
а
б
Рис. 3. Состояние контактной зоны двухслойных образцов до (а) и после (б) испытания на отрыв
56
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
Оптические испытания позволили устано- цов отличалась сплошностью, отсутствием трещин,
вить, что при температурных воздействиях от 500 разрывов и зон разрушения (рис. 4).
°С до 1100 °С контактная зона двухслойных образ-
Рис. 4. Характер контактной зоны двухслойных образцов после температурных испытаний: а) 500 °С; б) 700 °С; в) 900 °С; г) 1100 °С.
Проведенные испытания образцов бетона на теплопроводность после одного цикла термических воздействий показали, что при температурном воздействии от 20 °С до 1100 °С теплопроводность бетона снижается с 0,26 до 0,19 Вт/м-К, что объясняется вспучиванием шунгита, изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита и изменениями в структуре бетона. Это способствует замедлению прогрева железобетонных конструкций в условиях пожара.
Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют нормативные правовые акты и нормативные документы по пожарной безопасности, рег-
ламентирующие методы определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты ко всем видам железобетонных строительных конструкций. Таким образом, актуальным вопросом является исследование и разработка методики оценки эффективности средств огнезащиты железобетонных строительных конструкций [7].
В данной работе оценка эффективности разработанного термостойкого бетона, проводилась по результатам расчета предела огнестойкости железобетонной плиты перекрытия [8, 9, 10]. Результаты расчета представлены в табл. 3.
Таблица 3
Влияние толщины слоя бетона повышенной термостойкости на предел огнестойкости
железобетонной плиты перекрытия
Вид конструкции Толщина слоя бетона повышенной термостойкости, м Предел огнестойкости плиты перекрытия по потере несущей способности (R), мин
Плита перекрытия (6000 х 1200 х 240 мм) - 64
0,01 145
0,015 170
0,02 194
0,04 342
Установлено, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; при нанесе-
нии слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м он составил 145 мин, т.е. увеличился в 2,2 раза; с увеличением толщины защитного слоя
57
Выпуск 4(17), 2015
до 0,015 м предел огнестойкости плиты повысился в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, что составило 194 мин; а при толщине 0,04 м - более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.
Библиографический список
1. СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защитыы» [Электронный ресурс КонсультантПлюс].
2. Прогнозирование пожароопасных свойств органических соединений с применением дескрипторов / Калач А.В., Карташова Т.В., Сорокина Ю.Н., Облиенко М.В. // Пожарная безопасность. - 2013. - №1. - С. 70-73.
3. Патент № 2014113872/03, RU 2555730 C1. Бетонная смесь для получения термостойкого огнезащитного покрытия / А.А. Леденев, В.Т. Перцев, О.Б. Рудаков, Т.В. Загоруйко; заявитель и патентообладатель Воронежский ГАСУ; заявл. 08.04.2014; опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19. - 5 с.
4. Загоруйко Т.В., Перцев В.Т., Власов В.В. Разработка композиционных термостойких материалов для повышения огнестойкости железобетонных конструкций / Загоруйко Т.В., Перцев В.Т., Власов В.В. // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. -2012. - № 2. - С. 62 - 68.
5. Леденев А.А. Разработка составов термостойких бетонов для получения огнезащитных покрытий строительных конструкций / А.А. Леденев, Т.В. Загоруйко, В.Т. Перцев, А.А. Бондарь // сборник статей по материалам всероссийской научно-практической конференции «Проблемы безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» / ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России. - Воронеж, 2012. - С. 42 - 44.
6. Камлюк АН., Ширко А.В., Янковский А.Г. Теплотехнический и прочностной расчет железобетонных колонн в программной среде ANSYS / А.Н. Камлюк, А.В. Ширко, А.Г. Янковский // Техносферная безопасность. -
2014. - № 2 (3). - С. 26-33.
7. Леденев АА Актуальность разработки методики оценки средств огнезащиты железобетонных строительных конструкций / А.А. Леденев // сборник статей по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» в 2-х ч. Ч. 2 / ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России. - Воронеж, 2015 г. С. 58 - 60. ,
8. Леденев А.А. Влияние процессов коррозии арматурной стали на долговечность и огнестойкость железобетонных конструкций / А.А. Леденев, В.Т. Перцев // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России, № 2 (15),
2015. С. 15 - 18.
9. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий / Ройтман В.М. - М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. - 382 с.
10. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш. Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий / В.М. Ройтман, Р.Ш. Габдулин // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2013. - № 2. - С. 11-16.
Таким образом, применение разработанного состава бетона и технологии его использования в железобетонных конструкциях вариатропной структуры, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию, позволяет существенно повысить пределы огнестойкости несущих конструкций зданий.
References
1. SP 2.13130.2012 «Sistemy protivopozhar-noj zashhity. Obespechenie ognestojkosti ob'ektov zashhity»
[Jelektronnyj resurs Konsul'tantPljus].
2. Prognozirovanie pozharoopasnyh svojstv or-ganicheskih soedinenij s primeneniem deskriptorov / Kalach A.V., Kartashova T.V., Sorokina Ju.N., Oblienko M.V. // Pozharnaja bezopasnost'. - 2013. - №1. - S. 70-73.
3. Patent № 2014113872/03, RU 2555730 C1. Betonnaja smes' dlja poluchenija termostojkogo ogneza-shhitnogo pokrytija / A.A. Ledenev, V.T. Percev, O.B. Rudakov, T.V. Zagorujko; zajavitel' i patentoobladatel' Voronezhskij GASU; zajavl. 08.04.2014; opubl. 10.07.2015.
Bjul. № 19. - 5 s.
4. Zagorujko T.V., Percev V.T., Vlasov V.V Raz-rabotka kompozicionnyh termostojkih materialov dlja povyshenija ognestojkosti zhelezobetonnyh konstrukcij / Zagorujko T.V., Percev V.T., Vlasov V.V. // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2012. - №
2. - S. 62 - 68.
5. Ledenev A.A. Razrabotka sostavov termostoj-kih betonov dlja poluchenija ognezashhitnyh pokrytij stroitel'nyh konstrukcij / A.A. Ledenev, T.V. Zago-rujko, V.T. Percev, A.A. Bondar' // sbornik statej po materialam vserossijskoj nauchno-piakticheskoj konferencii «Problemy bezopasnosti pii likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij» / FGBOU VPO Voronezhskij institut GPS MChS Rossii. - Voronezh, 2012. -S. 42 - 44.
6. Kamljuk AN., Shirko A.V., Jankovskij AG.
Teplotehnicheskij i prochnostnoj raschet zhelezobetonnyh kolonn v programmnoj srede ANSYS / A.N. Kamljuk, A.V. Shirko, A.G. Jankovskij // Tehnosfernaja bezopasnost'. -2014. -№ 2 (3). - S. 26-33.
7. Ledenev A.A. Aktual'nost' razrabotki meto-diki ocenki sredstv ognezashhity zhelezobetonnyh stroitel'nyh konstrukcij / A.A. Ledenev // sbornik statej po materialam VI Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem «Pozharnaja bezopasnost': problemy i perspektivy» v 2-h ch. Ch. 2 / FGBOU VO Voronezhskij institut GPS MChS Rossii. - Voronezh, 2015 g.
S. 58 - 60. ,
8. Ledenev A.A. Vlijanie processov korrozii ar-maturnoj stali na dolgovechnost' i ognestojkost' zhelezobetonnyh konstrukcij / A.A. Ledenev, V.T. Percev // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii, № 2 (15), 2015.
S. 15 - 18.
9. Rojtman V.M. Inzhenernye reshenija po ocenke ognestojkosti proektiruemyh i rekonstruiruemyh zdanij / Rojtman V.M. - M.: Associacija «Pozharnaja bezopasnost' i nauka», 2001. - 382 s.
10. Rojtman V.M., Gabdulin RSh. Obespechenie stojkosti zhelezobetonnyh konstrukcij protiv vzryvoobraznogo razrushenija pri pozhare s pomoshh'ju tonkoslojnyh ognezashhitnyh vspuchivajushhihsja pokrytij / V.M. Rojtman, R.Sh. Gabdulin // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija. - 2013. - № 2. - S. 11-16.
58
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF HEAT-RESISTANT CONCRETE APPLIED AS MEANS FIREPROTECTION FERRO-CONCRETE DESIGNS
In article results of researches according to efficiency of concrete of the raised thermal stability applied as means fireprotection of ferro-concrete building designs are presented. Application of the developed structure of concrete and technology of its use in ferroconcrete designs in which the layer from concrete of the raised thermal stability carries out fireproof function is established, that, allows to raise essentially limits of fire resistance of bearing designs of buildings.
Keywords: ferro-concrete designs, fireprotection, a fire resistance limit, heat-resistant concrete.
Леденев Андрей Александрович,
доцент, к.т.н.,
Воронежский институт ГПС МЧС России,
Россия, г. Воронеж e-mail: ledenoff@mail.ru.
Ledenev A.A.,
Cand. Tech. Sci., Assос. Prof.,
Voronezh Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia;
Russia, Voronezh, e-mail: ledenoff@mail.ru.
Перцев Виктор Тихонович,
профессор, д.т.н., профессор,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет; Россия, г. Воронеж e-mail: perec_v@mail.ru.
Percev V.T.,
Professor, PhD Tech. Sci.,
The Voronezh state architecturally-building university;
Russia, Voronezh.
Загоруйко Татьяна Викторовна,
к.т.н.,
Воронежский институт ГПС МЧС России,
Россия, г. Воронеж; e-mail: tzagoruiko@mail.ru.
Zagoruiko T. V.,
Cand. Tech. Sci.,
Voronezh Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia;
Russia, Voronezh.
© Леденев А.А., Перцев В.Т., Загорулько Т.В., 2015
59
