CC BY
22
К ВОПРОСУ О ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ
С.А. Голев
Воронежский институт ГПС МЧС России
Полимербетон относится к группе сгораемых, если потеря массы образца после испытаний составляет более 20% и самостоятельное пламенное горение или тление продолжается более 60 с. Так как содержание полимерного связующего в полимербетоне ниже 20%, то по принятой методике все виды полимербетонов будут относиться к группе трудносгораемых. Кроме того, по методу огневой трубы можно испытывать образцы размером (10X35X150 мм). Наличие же в полимербетоне зерен щебня определяет минимальное сечение изготовляемых образцов не менее 40X40 мм. Таким образом, для огневой трубы образцы могут быть изготовлены или из полимеррас-творов, что связано с увеличением содержания полимерного связующего, или выпиливаться из более крупных заготовок из полимербетона, что связано с определенными трудностями. Поэтому в дальнейшем испытания на горючесть проводились в керамической трубе, в которой можно испытывать образцы размером 40X40X160 мм. При этом потерю массы после испытания относили не к общей массе образца, а к массе полимерного связующего.
Было установлено, что при потере массы более 9% полимербетонов относится к группе сгораемых (горючих), менее 9% - к группе трудносгораемых материалов. После огневого воздействия в керамической трубе призмы можно испытывать на изгиб и определять снижение прочности по сравнению с контрольными образцами. Метод калориметрии был принят для определения группы горючести относительно однородных твердых материалов. Распределение материалов по группам возгораемости при испытании по методу калориметрии производится количественно на основании показателя возгораемости, который представляет собой безразмерную величину отношения теплоты, выделенной образцом в процессе опыта, к количеству теплоты от источника зажигания. Результаты испытания в керамической трубе и методом калориметрии достаточно объективно характеризуют группу возгораемости образцов из различных видов полимербетонов. В настоящее время в ряде стран для испытания строительных материалов на горючесть принят метод ИСО (рекомендован Международной организацией по стандартизации). Сущность этого метода заключается в следующем: образец цилиндрической формы диаметром 45мм и высотой 50мм помещают в испытательную печь, в которой поддерживается температура 750°С. Если в течение 20 мин тепловая характеристика печи или образца не изменится или изменится незначительно (до 50°С) и при этом отсутствует горение материала, то такой материал считается негорючим. К положительным сторонам метода ИСО следует отнести то, что материал испытывается в условиях, наиболее близких к условиям пожара. Практика показала, что испытания экспресс-методом в керамической трубе и методом калориметрии могут служить только в качестве предварительной оценки горючести материалов. Окончательные данные об огнестойкости
конструкций можно получить только при испытании натурных конструкций под нормативной нагрузкой. Для огневых испытаний были изготовлены четыре колонны сечением 400X400 мм и длиной 3,5 м. Арматура колонн состояла из четырех продольных стержней периодического профиля диаметром 16 мм из стали класса А-П, связанных между собой хомутами из арматурной проволоки диаметром 8 мм класса А-1 с шагом 300 мм. На приопорных участках на длине 320 мм были установлены сетки с шагом 60 мм из проволоки 8 мм с ячейками 70X70 мм.
При изготовлении колонн использовали полимербетон ФАМ следующего состава:
смола фурфуролацетоновая ФАМ—10; бензол сульфокислота БСК— 2; мука андезитовая — 12; песок кварцевый — 23, щебень гранитный— 53;
кремнефтористый натрий—1,5 по массе смолы. Испытание контрольных кубов показало, что средняя прочность по-лимербетона у трех колонн составила 72,5 МПа, а у четвертой колонны из-за некачественного изготовления — 50 МПа. Поэтому в дальнейшем только первые три колонны были испытаны на огневое воздействие.
Методика огневых испытаний основывалась на требованиях максимального приближения условий эксперимента к реальным условиям работы конструкции при пожаре. Испытания проводили в специальных печах при температурном режиме, определяемом стандартной кривой «температура — время пожара». Одновременно с нагревом создали условия опирания и нагрузки, соответствующие условиям эксплуатации их в сооружениях.
Колонны имели шарнирную опору по концам и испытывались на центральное сжатие под нормативной нагрузкой, приложенной в геометрическом центре их поперечного сечения. Измерение температуры печи производилось термопарами, расположенными у обогреваемой поверхности колонн. Показания термопар регистрировались с интервалом 5 мин с начала и до конца испытаний.
Визуальное наблюдение через смотровое окно печи в процессе испытаний показало, что все три колонны имели одинаковый характер результатов на огневое воздействие, через 4—8 мин происходило загорание продуктов разложения полимербетона на поверхности; через 5— 10 мин начиналось взрывообразное разрушение поверхностного слоя, которое сопровождалось легким потрескиванием и образованием воронок диаметром 6—8 и глубиной 5—7 мм. В некоторых местах обнажался крупный заполнитель, разрушение продолжалось 15—25 мин, не представляя опасности для несущей способности конструкции в целом. Через 20—35 мин с начала испытаний на поверхности образовалась коксовая корка и появилась сетка трещин, раскрытие которых увеличивалось в процессе дальнейших испытаний. Горение продолжалось вдоль трещин до конца испытаний. После окончания огневого воздействия процесс горения продуктов распада полимербетона продолжался вдоль трещин в течение 15—20 мин.
Первые две колонны испытывались под нормативной нагрузкой 130 т, которая соответствовала четырехкратному запасу длительной прочно-
сти. Огнестойкость, определяемая временем до потери несущей способности, у этих двух колонн оказалась практически одинаковой (2 ч 7 мин и 2 ч 6 мин), следовательно, они могут быть рекомендованы для промышленных зданий 2-й степени огнестойкости.
Третью колонну испытывали в тех же условиях при нагрузке 100 т, при которой колонна выдержала огневые испытания 3 ч 2 мин. Минимальный предел огнестойкости несущих конструкций для зданий 1-й степени огнестойкости составляет 2,5 ч. Таким образом, результаты испытаний на огневое воздействие несущих колонн из сталеполимербетона ФАМ подтвердили их достаточно высокую огнестойкость и показали, что такие конструкции могут применяться для промышленных зданий первой и второй степени огнестойкости.
По аналогичной методике были проведены испытания на огневое воздействие изгибаемых элементов. Балки сечением 150X500X3200 мм готовили из полимербетона ФАМ следующего состава, %: смола фурфурол-ацетоновая ФАМ — 8; бензолсульфокислота БСК — 2; мука андезито-вая—10; песок кварцевый — 28; щебень гранитный — 52. Средняя прочность контрольных призм 70X70X280 мм составляла 70,9 МПа.
Испытания армополимербетонных балок показали, что в зависимости от толщины защитного слоя и армирования огнестойкость составляет от 80 до 135 мин. Так, увеличение защитного слоя полимербетона на 10 мм позволило повысить предел огнестойкости с 80 до 100 мин, т. е. на 25%, а повышение армирования в 2 раза увеличило предел огнестойкости до 135 мин, т. е. в 1,7 раза.
Таким образом, лабораторные и натурные испытания полимербетон-ных конструкций позволили выявить принципиальные особенности характера их разрушения в процессе температурного и огневого воздействия.
Снижение прочности цементных бетонов начинает заметно сказываться при температуре 300—400°С и выше. При этой температуре начинаются необратимые изменения в цементном камне в результате дегидратации и разложения гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и других новообразований. Выполненные экспериментальные исследования, предложенные методики расчета предела огнестойкости армо-полимербетонных балок и прогибов изгибаемых элементов с учетом изменения модуля упругости и упру-гопластических свойств арматуры и полимербетона в результате воздействия высокой температуры позволяет более обоснованно проектировать такие конструкции и назначать категорию их огнестойкости. При таком подходе повышение тепло- и огнестойкости полимербетонных конструкций достигается путем компенсации неизбежной потери несущей способности в наружной части сечения в процессе горения соответствующим увеличением сечения на толщину деструктирующего слоя.
