CC BY
44
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ)
УДК 678.067.5
МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОНОВ, ПОДВЕРГШИХСЯ ТЕРМИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА ПОЖАРЕ
Д. В. ФЛЕГОНТОВ, М. В. АКУЛОВА, А. В. ПЕТРОВ, О. В. ПОТЕМКИНА
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected]
В настоящей работе рассмотрена возможность применения методики синхронного термического анализа для изучения бетонных композитов с целью дальнейшей идентификации очага скрытого пожара и определения мест наиболее поврежденных конструктивных элементов строительной конструкции. В работе анализируются показатели бетонов, полученные методом синхронного термического анализа, с показателями бетона, заранее подверженного термическому воздействию в муфельной печи.
В качестве основного метода установления зоны наибольшего термического повреждения используется синхронный термический анализ, состоящий из дифференциального термического анализа (ДТА), термогравиметрии (ТГ) и термогравиметрии по первой производной (ДТГ).
Метод синхронного термического анализа относится к методам неразрушающего контроля, позволяет зафиксировать изменение массы образца при нагревании в зависимости от температуры или времени нагрева. Построение и последующее использование зафиксированной зависимости позволяет определять как интенсивность, так и продолжительность температурного воздействия, которому подвергся испытуемый бетон.
При анализе получаемых термограмм возможно установление структурных особенностей бетона, что позволит установить очаги теплового воздействия, время теплового воздействия и степень повреждения конструкций, что, в свою очередь, дает возможность определить место возникновения пожара и сделать заключение о возможности дальнейшей эксплуатации поврежденных конструктивных элементов.
Ключевые слова: методика; повреждение конструкций; скрытый пожар; термический анализ; очаг пожара.
TECHNIQUE OF COMPLEX RESEARCH OF CONCRETES, EXPOSED TO THERMAL EXPOSURE TO FIRE
D. V. FLEGONTOV, M. V. AKULOVA, A. V. PETROV, О. V. POTJOMKINA
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
In the present work, the possibility of using the synchronous thermal analysis technique for studying concrete composites with the aim of further identifying a hidden fire source and determining the places of the most damaged structural elements of a building structure is considered. The paper analyzes the indicators of concretes obtained by the method of simultaneous thermal analysis, with indicators of concrete that is previously exposed to thermal effects in a muffle furnace.
The main method of research is synchronous thermal analysis, which includes differential thermal analysis (DTA), thermogravimetry (TG) and thermogravimetry using the first derivative (DTG).
The method of simultaneous thermal analysis refers to the methods of non-destructive control, allows you to record the change in the mass of the sample when heated, depending on the temperature or
© Флегонтов Д. В., Акулова М. В., Петров А. В., Потемкина О. В., 2019
36
heating time. The construction and subsequent use of a fixed relationship allows us to determine both the intensity and the duration of the temperature exposure to which the concrete under test has been subjected.
When analyzing the resulting thermograms, it is possible to establish the structural features of the concrete, which will determine the sources of heat exposure, the time of heat exposure and the degree of damage to structures, which, in turn, makes it possible to determine the location of the fire, and then make a conclusion about the possibility of further operation of damaged structural elements.
Keywords: method; structural damage; hidden fire; thermal analysis; hotbed of fire.
В настоящее время выявление скрытых очагов пожара остается актуальной и до конца не решенной задачей [1,2]. Существование многочисленных и разнообразных методик установления очага пожара не решает этой проблемы, так как не все они применимы после проведения ремонтно-реставрационных работ и обладают рядом ограничений.
В связи с этим представляется перспективным создание комплексной методики, предусматривающей последовательное применение существующих методов с учетом их преимуществ, что позволило бы получать объективные и достоверные данные о состоянии бетонных конструкций, подвергшихся температурному повреждению.
Целью данного исследования стала разработка комплексной методики исследования строительных композитов, включающая совместное использование методов ультразвукового анализа и исследование структуры и свойств строительных материалов, обеспечивающая эффективное установление очага пожара.
Полученные в работе результаты позволяют сделать заключение об изменении как физических, так и структурных характеристик бетона при различной степени нагрева, зарегистрированные различными методами. Данные отдельных методов исследования свидетельствуют об ухудшении прочностных характеристик образцов бетона, более выраженных в образцах, подверженных температурному воздействию до 900°С [3]. В соответствии с целью исследования уточнена объективность различных методов для установления последствий температурного воздействия. Так, например, склерометр рекомендовано использовать только когда требуется проведение сравнительного анализа степени термического воздействия на исследуемый образец и определения зон, подвергавшихся более высокому температурному воздействию.
Наличие зависимости скорости прохождения поверхностной ультразвуковой волны в бетоне с температурой и длительностью нагрева дает возможность сравнения скорости
распространения ультразвуковых волн как возможность установления зон термического воздействия на строительную конструкцию на основе цементных композитов, однако указанный метод менее качественен в применении при исследовании бетона, подвергшегося высокотемпературному воздействию из-за большого числа макротрещин. Термический анализ имеет некоторые преимущества перед другими методами, такие как: гибкость постановки эксперимента, одновременное получение нескольких характеристик исследуемого образца, быстрое получение информации, возможность автоматизации при обработке полученных результатов, использование незначительного количества вещества. Использование синхронного термического анализа (далее СТА), кроме определения температурного воздействия, позволяет определить соотношение компонентов в образце, начало и степень их разложения, наличие веществ с огнеупорными свойствами, соотношение диоксида кремния, остаточную массу образца в зависимости от времени и температуры прогрева, влияющее на свойства строительных материалов [3].
Получаемые данные о прочности материалов дают возможность определить степень изменения физических свойств исследуемых образцов. Они наносятся на план предполагаемого очага пожара, что позволяет выявить зоны температурного воздействия или преимущественное направление воздействия теплового потока [4].
При анализе получаемых термограмм возможно установление структурных особенностей бетона, что позволит установить очаги теплового воздействия, время теплового воздействия и степень повреждения конструкций. Это, в свою очередь, дает возможность определить место возникновения пожара, а далее сделать заключение о возможности дальнейшей эксплуатации поврежденных конструктивных элементов [5].
На рис. 1 приведен предлагаемый алгоритм действия по установлению скрытого очага пожара.
1 этап
Обследование конструкций с помощью склерометра, установление участков _с различной степенью температурного повреждения._
Участки с неизмененной или незначительно сниженной прочностью Определение участка с наибольшим снижением прочности
2 этап УЗ исследование (продольное прозвучивание) участка конструкций с наиболее измененными характеристиками прочности. Идентификация участков с различными степенями температурного повреждения
Участки умеренного термического повреждения (500°С) Участки высокотемпературного повреждения (выше 70'0°С)
3 этап
Забор образцов из участков высокотемпературного повреждения бетона для лабораторного исследования с применением СТА. Подтверждение в лабораторных условиях факта температурного повреждения и определение уровня температурного воздействия. Сравнение полученных результатав с эталонными образцами
4 этап
Объединение данных всех исследований. Составление карты пожара на основании всех полученных данных
Рис. 1. Алгоритм применения отдельных методов исследования прочности бетонных композитов для определения зон термического повреждения при установлении скрытого очага пожара
В рамках разработки методики для первоначального определения поврежденной конструкции применялся склерометр Condtrol Beton Pro для образцов бетона В15 и В25. При исследовании образца с помощью склерометра на экране прибора мы получаем значение прочностных характеристик исследуемого об-
разца. Зависимость изменения соотношения Нэ /Но (Нэ предел прочности бетона при сжатии, Но предел прочности при сжатии эталонного показателя) от температуры нагрева бетона класса В15 и В25 показано на рис. 2 и 3 соответственно.
0,7 0,6 0,5 0,4
о
--о,з
СП
к
0,2 ОД
0,63
0,65 0,64 0,63
0,45
. 0,32
ОД 6
с?5
©
л*
чв ТоС
Рис. 2. Зависимость изменения соотношения Нэ/Но (Нэ предел прочности бетона при сжатии, Но предел прочности при сжатии эталонного показателя) от температуры нагрева
Рис. 3. Зависимость изменения соотношения Нэ/Но (Нэ предел прочности бетона при сжатии, Но предел прочности при сжатии эталонного показателя) от температуры нагрева первой партии бетонных образцов
X
m
X
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД
0,56
_06_0.5Я 0,57
JD.28
с? с?
iff
Ф
^ Т °С
Из приведенных графиков видно, что на начальном этапе при температуре 200 -500°С изменения прочности бетона незначительные, при увеличении степени термического воздействия до температур 500 - 700°С наблюдается существенное снижение прочности бетона, после чего происходит разрушение образцов.
В табл. 1 приведены результаты исследования прочности бетона при сжатии с помощью склерометра Condtrol Beton Pro.
У изготовленных в лабораторных условиях образцов бетона марок В15 и В25 после нагрева предел прочности при сжатии был исследован с помощью гидравлического пресса [6]. Испытания предела прочности при сжатии проводились согласно ГОСТ 10180 и ГОСТ 18105-2010 [7,8,9]. Полученные данные приведены в табл.2.
Как следует из табл. 2, образцы бетонов, подвергшиеся термическому воздействию, имеют внешние признаки повреждения, а также значительно теряют вес.
Одним из немаловажных факторов потери прочностных характеристик бетонов яв-
Из данных табл. 1 следует, что при температуре воздействия более 900°С прочность бетона низких марок (В15) снижается более чем в 7 раз. Для бетона марки В25 прочность бетона снижается в 8 раз. Таким образом, применение склерометра в зонах термического поражения с температурой воздействия выше 500°С применимо только для более точного определения зоны наиболее термического поврежденного участка бетонной или железобетонной конструкции.
ляется высвобождение химически связанной влаги из образца, с чем связано его изменение массы. Исследование бетонов методом синхронного термического анализа дает возможность определять структуру и химический состав исследуемых образцов. Динамики термической и химической устойчивости, процессов разложения дают возможность как прогнозирования поведений различных конструкций в условиях пожара, так и возможность выявить зоны пожара или место основного воздействия теплового потока.
Таблица 1. Зависимость прочности при сжатии бетона от температуры нагрева
с помощью склерометра
Температура обжига, °С Показания склерометра, кН
Бетон В15 Бетон В25
20°С 20,1 32,01
500°С 18,46 19,34
900°С 3,54 3,9
Таблица 2. Зависимость прочности при сжатии бетона от температуры нагрева
на гидравлических прессах
Наименование Класс бетона
500°С 900°С
В 15 В 25 В15 В25
Масса образца перед нагревом (кг) 7,59 7,58 7,51 7,53
Масса образца после нагрева (кг) 7,35 7,22 7,12 7,17
Нагрузка разрушения до нагрева (кН) 239 360 239 360
Нагрузка разрушения после нагрева (кН) 202 158 10 31
Внешние изменения Розоватый оттенок на поверхности Белый оттенок внутри образца после разрушения Значительное изменение структуры бетона, разделение образца на частицы Значительное изменение структуры бетона, разделение образца на частицы
В качестве подтверждения использования указанной методики рассмотрим исследование бетонных композитов с помощью прибора ЭРТ-ОбОО на термогравиметрической зависимости в составе синхронного термического анализа, при которой отслеживается изменение массы образца в зависимости от температуры нагрева или времени при температурном воздействии в заданной среде с регулируемой скоростью.
Исследование образцов бетона, подвергнутого термическому воздействию, методом термического анализа проводилось при выполнении следующих условий: в воздушной среде в интервале температур от 30 до 1000°С со скоростью подъема температуры от 5 до 20 °С/мин, линейная скорость продувочного газа составляла 100 куб.см/мин.
100
98-
96
^ 94
си
ш
92
86
0 200 400 600 800 1000
Температура (°С) Universal V4.7A
На рис. 4, 5 представлены термограммы контрольных образцов бетона В15 и В25 [3].
Как видно из указанных термограмм, на первом и втором этапах нагрева происходит испарение воды. При нагреве до 100°С происходит большое высвобождение несвязанной воды, а при нагреве от 100 до 200°С отделяются гидраты неорганических солей. На третьем этапе, при температурном воздействии от 200 до 400°С, происходит потеря массы и, как следствие, постепенное снижение прочности бетона. Снижение прочности бетона происходит по большей мере из-за процессов дегидратации гидроалюминатов, перекристаллизации и распада гидросульфоалюминатов кальция.
Рис. 4. Термограмма бетона В15 40
Температура (°С) Universal V4.7A
Рис. 5. Термограмма бетона В25
При 410°С (четвертый этап) происходит дегидратация гидрооксида кальция Са(ОН)2. На пятом этапе, при температуре от 500 до 600°С, происходит разложение трехкальциево-го силиката, что ведет к дальнейшему снижению прочности цементного камня. При температуре 650 - 700°С (шестой этап) начинается разложение карбонатов. Наличие на термограмме эндотермического пика (Т=568,73°С), характеризует структурный переход оксида кремния из а- в ß- модификацию.
Термограммы бетона В15 и В25, предварительно подвергшиеся высокотемпературному воздействию, показывают значительное отличие от контрольных термограмм.
Для получения сравнительных результатов образцы бетона нагревались в муфельной печи при различных температурах (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 и 1000°С) в течение 30 мин.
В бетоне В15, подвергнутом температурному воздействию на протяжении 30 минут, наименьшую потерю массы имеют образцы, предварительно прогретые при 1000°С. Наибольшая потеря массы наблюдается у образцов, подвергавшихся нагреву при 300°С в течение 30 минут. Термограммы образцов бетона В25, подвергшихся аналогичному предварительному прогреву, похожи на термограммы бетона более низкой марки, но более интенсивные, что говорит о наличии высокооснов-
Список литературы
1. Теоретические основы исследования и анализа латентной преступности / под ред. С.М. Иншакова. М., ЮНИТИ-ДАНА, 2015. С. 231, 384, 478.
ных кристаллогидратов, которые разлагаются при температурах свыше 600°С. Сравнив результаты исследования методом термогравиметрии, можно установить зависимость изменения массы бетона от температуры предварительного нагрева, а значит, и применять данный метод для обнаружения скрытых очагов пожара и его интенсивность [10].
Как видно из приведенных данных, синхронный термический анализ позволяет установить количественное значение потери воды при нагреве цементных композитов до определенных температур в зависимости от класса бетона. Это позволяет применять данный метод для определения возможного протекания пожара и его интенсивности при отборе из толщи конструкции небольшого количества материала с целью дальнейшей идентификации очага скрытого пожара. Также данная методика может применяться для определения наибольшей степени термического повреждения бетонных строительных конструкций с последующей оценкой их дальнейшей эксплуатации.
Применение данной методики зарекомендовало себя с положительной стороны при проведении работ в части строительного контроля (надзора) при строительстве и эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса на территории Западной Сибири.
Referen ees
1. Teoreticheskie osnovy issledovaniya i analiza latentnoj prestupnosti [Theoretical bases of research and analysis of latent crime] / pod red. S. M. In-shakova. M., YUNITI-DANA, 2015, pp. 231, 384, 478.
2. Лунеев В.В. Курс мировой и российской криминологии. М., 2012. Т.1. С. 386.
3. Влияние температуры нагрева в условиях пожара на свойства цементного камня / Г.В. Плотникова [и др.] // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России. 2013. № 2 (65). С.24.
4. Флегонтов Д.В., Акулова М.В., Потемкина О.В. Перспективные методы обнаружения повреждений конструкций от скрытых очагов пожара // Науковедение. 2017. Т. 9. №4. С. 85.
5. Флегонтов Д.В., Акулова М.В., Родионов Е.Г. Оценка повреждений конструкций от скрытых очагов пожара // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2017. № 3 (24). С. 75-77.
6. ГОСТ 10181-2000 Смеси бетонные. Методы испытаний. Госстрой России, ГУП ЦПП, 2001.
7. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. Стандар-тинформ, 2006.
8. ГОСТ 18105-2010 Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. Стандартинформ, 2012.
9. ГОСТ 30247.0—94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования. Введ. - 01.01.1996 г. М.: Изд-во стандартов, 1996.
Ю.Ключников В.Ю., Дашко Л.В. Экспертное исследование наиболее распространенных объектов по-жарно-технической экспертизы с применением метода термического анализа. Глава №1 учебного пособия (по теме № 2.18 Плана НИР-2012) ЭКЦ МВД России
2. Luneev V.V. Kurs mirovoj i rossijskoj krimi-nologii [Course of world and Russian criminology], M., 2012, t.1, p. 386.
3. Vliyanie temperatury nagreva v usloviyah pozhara na svojstva cementnogo kamnya [The influence of the heating temperature in a fire on the properties of cement stone] / G.V. Plotnikova [et al.]. Vestnik Vostochno-Sibirskogo instituta MVD Rossii, 2013, issue. 2 (65), p. 24.
4. Flegontov D.V., Akulova M.V., Potemkina O.V. Perspektivnye metody obnaruzheniya povrezhdenij konstrukcij ot skrytyh ochagov pozhara [Promising methods for detecting structural damage from hidden fires], Naukovedenie, 2017, issue. 9, №4, p. 85.
5. Flegontov D.V., Akulova M.V., Rodionov E.G. Ocenka povrezhdenij konstrukcij ot skrytyh ochagov pozhara [Assessment of structural damage from hidden fires], Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii, 2017, issue. 3 (24), pp. 75-77.
6. GOST 10181-2000 Smesi betonnye. Metody ispytanij. Gosstroj Rossii, GUP CPP, 2001.
7. GOST 10180-90 Betony. Metody opredele-niya prochnosti po kontrol'nym obrazcam. Standartin-form, 2006.
8. GOST 18105-2010 Betony. Pravila kontrol-ya i ocenki prochnosti. Standartinform, 2012.
9. GOST 30247.0—94. Konstrukcii stroitel'nye. Metody ispytaniya na ognestojkost'. Ob-shchie trebovaniya. M.: Izd-vo standartov, 1996.
10. Klyuchnikov V.Yu., Dashko L.V. Ehk-spertnoe issiedovanie naiboiee rasprostranennyh ob"ektov pozharno-tekhnicheskoj ehkspertizy s prime-neniem metoda termicheskogo anaiiza [Expert study of the most common objects of fire-technical expertise using the method of thermal analysis], Glava №1 uchebnogo posobiya (po teme № 2.18 Plana NIR-2012) EHKC MVD Rossii
Флегонтов Денис Вячесловович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт
E-mail: [email protected] Flegontov Denis Viacheslavovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
graduate student
E-mail: [email protected]
Акулова Марина Владимировна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пожарной безопасности объектов защиты (в составе УНК «Государственный надзор»), E-mail: [email protected] Akulova Marina Vladimirovna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo doctor of technical sciences, professor
Professor of the Department of Fire Safety of Protection Facilities (as part of the «State Supervision») E-mail: [email protected]
Петров Андрей Вячеславович,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, доцент, начальник научно-исследовательского отделения УНК «Государственный надзор» E-mail: [email protected] Petrov Andrey Viacheslavovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, associate professor, Head of the Research Department of the UNOC «State
Supervision»
E-mail: [email protected]
Потемкина Ольга Владимировна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, доцент
помощник начальника академии
E-mail: [email protected]
Potemklna Olga Vladimirovna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, associate professor,
assistant to the chief of academy
E-mail: [email protected]
