CC BY
18Ройтман В. М., Габдулин Р. Ш.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВ ВЗРЫВООБРАЗНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ВСПУЧИВАЮЩИХСЯ ПОКРЫТИЙ
В статье рассматривается явление взрыво-образного разрушения железобетонных конструкций. Представлены результаты проведённого комплекса исследований влияния огнезащитных покрытий на обеспечение стойкости против взрыво-образного разрушения бетона.
Ключевые слова: пожар, железобетонные конструкции, взрывообразное разрушение бетона, огнезащита, вспучивающееся покрытие.
Roytman V., Gabdulin R.
ENSURING OF THE REINFORCED CONCRETE CONSTRUCTIONS DURABILITY AGAINST SPALLING UNDER FIRE BY THIN LAYER INTUMESCENT FIRE RETARDANT COATING
In the article the phenomenon of explosiontype destruction of materials of constructions from heavy concretes is examined. The results of the conducted complex of researches of influence of fireproof coverages on providing of their firmness are presented.
Keywords: fire, concrete structures, spalling, fire protection, intumescent coating.
При строительстве высотных, технически сложных, особо опасных и других уникальных объектов широкое применение находят конструкции из тяжёлых бетонов повышенной прочности. Однако их применение выявило такой существенный недостаток как склонность к взрывообразному разрушению при воздействии пожара. Это может приводить к быстрому уменьшению рабочего сечения железобетонной конструкции, возникновению в ней сквозных трещин и отверстий, разрушению защитного слоя бетона у рабочей арматуры и, как
следствие, весьма существенному снижению её огнестойкости. Это явление, в силу внезапности возникновения на начальных стадиях развития пожара, представляет большую опасность, по этой причине оно привлекает внимание учёных и специалистов как в России, так и за рубежом.
Явление взрывообразного разрушения материалов конструкций наблюдается при интенсивном прогреве в условиях пожара, испытаний на огнестойкость, сушке и первом разогреве тепловых агрегатов [1-4]. Наблюдения за реальными пожарами и огневыми испытаниями железобетонных конструкций показывают, что явление взрывообразного разрушения бетона при пожаре происходит так: на 9-15 минуте огневого воздействия от обогреваемых поверхностей конструкций с громкими хлопками и треском начинают отлетать куски бетона с разлётом на расстояние до 10-15 метров. Это приводит к быстрому уменьшению рабочего сечения конструкции, разрушению защитного слоя бетона, оголению рабочей арматуры конструкции, возникновению сквозных трещин и отверстий, резкому уменьшению предела огнестойкости всей конструкции, повышению риска быстрого наступления прогрессирующего обрушения всего объекта в целом (см. рис. 1).
Следовательно, возникновение и развитие этого явления в условиях пожара представляет серьёзную опасность для строительных конструкций и зданий в целом, приводит к необходимости правильного понимания механизма этого опасного явления и разработки
Рисунок 1. Наступление предела огнестойкости железобетонной панели в результате взрывообразного разрушения бетона конструкции при проведении стандартных огневых испытаний
специальных мер для обеспечения стойкости конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре.
В работах [1-2] выделены основные признаки и факторы, сопутствующие возникновению взрывообразного разрушения материала конструкции в этих условиях:
- капиллярно-пористая структура материала конструкции;
- наличие определённого «критического» уровня начального влагосодержа-ния материала конструкции при заданной интенсивности теплового воздействия;
- наличие определённой «критической» интенсивности теплового воздействия при заданном уровне начального влагосодержания материала;
- послойный, периодически повторяющийся во времени характер потери целостности материала конструкции со стороны её обогреваемых поверхностей,
сопровождающийся разлётом осколков и звуковыми эффектами (хлопки, треск).
Механизм этого опасного явления представлен на рисунке 2 [2].
Высокотемпературное воздействие пожара на строительную конструкцию приводит к возникновению в зоне материала, примыкающей к её обогреваемым поверхностям, высоких градиентов температур, давления пара, влагосодержа-ния (см. рис. 2 а).
Именно в этой относительно узкой зоне материала отмечается наибольшая скорость накопления нарушений (см. рис. 2 б), наибольшая их концентрация. Границами этой зоны, с одной стороны, являются прогреваемые поверхности конструкций, а с другой - граница зоны испарения влаги внутри прогреваемого тела.
По мере прогрева конструкции зона испарения влаги продвигается всё дальше вглубь её сечения. Сопротивление выходу пара из зоны испарения растёт (см. рис. 2 а). Происходит дальнейшее увеличение давления пара в зоне испарения, интенсификация процессов фильтрационного переноса влаги, рост градиентов температуры, влагосодержа-ния, избыточного давления. В комплексе с воздействием механической нагрузки это приводит к резкой интенсификации накопления нарушений в структуре материала на границе сухой зоны и зоны испарения влаги и возникновению на их границе максимальных значений степени разрушения материала (см. рис. 2 б).
Когда значение степени разрушения материала К (Иот = Иот; т = тот) становится равным критическому значению этого параметра Ккр, образуется магистральная трещина, отделяющая слой материала толщиной Иот (рис. 2 б, в) от остального массива материала:
К (И = И ; т = т ) = К . (1)
от от от кр
Выражение (1) может рассматриваться как условие возможности послойной взрывообразной потери целостности
Рисунок 2. Общая схема возникновения взрывообразного разрушения бетона в условиях пожара: а - распределение температуры, давления, влагосодержания по сечению прогреваемого элемента в момент возникновения единичного акта взрывообразной потери целостности; б - распределение степени разрушения материала элемента в момент возникновения единичного акта взрывообразной потери целостности; в - протекание единичного акта взрывообразной потери целостности; 1 - сухая зона материала; 2 - зона испарения влаги; 3 - зона повышенного влагосодержания; 4 - зона начального влагосодержания
материала конструкции при воздействии пожара [2].
В результате откола слоя материала происходит мгновенное образование массы водяного пара и его взрывообразный выброс из плоскости откола. В основном он создаёт эффект отбрасывания отделившегося осколка материала со специфическими звуковыми эффектами.
Критическая величина начальной влажности материала изделия характеризует ту минимальную начальную влажность, при которой для данной интенсивности высокотемпературного воздействия скорость накопления нарушений в слое материала, прилегающего к обогреваемым поверхностям изделия, становится настолько велика, что приводит к взрыво-образной потере его целостности.
Для изучения возможностей повышения пределов огнестойкости железо-
бетонных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий, а также влияния этих покрытий на обеспечение стойкости против взрыво-образного разрушения бетона при пожаре был проведён комплекс исследований, позволяющий решить следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование особенностей прогрева при пожаре элементов железобетонных конструкций, защищаемых вспучивающимся покрытием и без него [5].
2. Изучение особенностей формирования слоя защитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций методами компьютерного моделирования [6].
3. Исследование влияния тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий на обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрыво-образного разрушения при пожаре.
Экспериментальные исследования проводились на специальных огневых установках. Общий вид огневой установки для испытания железобетонных плит представлен на рисунке 3. Огневое воздействие на плиту осуществлялось со стороны огнезащитного покрытия по режиму «стандартного» пожара.
Образцы испытанных железобетонных плит имели размеры 1 100x1 100х х200 мм. Защитный слой бетона до рабочей арматуры - 20 мм. Класс применяемого бетона В 60, плотностью 2 300 кг/м3. Опытные образцы изготавливались по заводской технологии. Каркас плит собирался с применением арматуры периодического профиля А111 сечением 10 мм -
Результаты сравнительных огневых испытаний элементов железобетонных конструкций по влиянию тонкослойных огнезащитных покрытий на устойчивость бетона к взрывообразной потере целостности при пожаре (режим испытания - «стандартный» пожар)
Тип испытуемого Влажность, % Наличие Наблюдение взрывообразной потери целостности бетона
элемента огнезащитного покрытия Время, мин Вид повреждения бетона Звуковые эффекты
Железобетонные плиты, 1,1x1,1x0,2 м, защитный слой бетона 20 мм Нет 10-24 Разлёт кусков размером 50x30x1,5 см, 3x2x0,5 см Хлопки,
Железобетонные плиты, 1,1x1,1x0,2 м, защитный слой бетона 40 мм 3,1 10-27 Разлёт кусков размером 50x30x1,5 см, 3x2x0,5 см напоминающие хруст
Железобетонные плиты, 1,1x1,1x0,2 м, защитный слой бетона 20 мм Да, «Джокер-М», толщина 2 мм Нет
Железобетонные плиты, 1,1x1,1x0,2 м, защитный слой бетона 40 мм
Железобетонные колонны, 2,5x0,5x0,5 м, 3,4 Нет 16-42 Разлёт кусков размером 8x10x1 см Звуки, похожие на выстрелы
защитный слой бетона 40 мм Да, «Джокер-М», толщина 2 мм Нет
Рисунок 3. Общий вид огневой установки и испытуемого образца железобетонной плиты
Рисунок 4. Изменение температуры рабочей арматуры железобетонных плит во время огневых испытаний: 1 - изменение температуры в огневой камере печи (режим «стандартного» пожара); 2 - при отсутствии огнезащиты обогреваемой поверхности образца; 3 - при наличии тонкослойного вспучивающегося огнезащитного покрытия
продольное армирование и проволока, сечением 5 мм - поперечное армирование. В процессе изготовления плит на рабочую арматуру устанавливались термопары типа КК для регистрации изменения температуры рабочей арматуры плиты во время огневого испытания. В течение 100 дней перед проведением огневых испытаний плиты после распалубки выдерживались при нормальных условиях. Влажность бетона составила 3,4 %. Часть образцов покрывали огнезащитным вспучивающимся составом толщиной 2 мм.
Стойкость железобетонной конструкции против взрывообразного разрушения при пожаре оценивалась по наличию или отсутствию актов взрывообразной потери целостности бетона во время огневого испытания (см. таблицу).
Анализ полученных данных свидетельствует о следующем. При огневых ис-
пытаниях образцов железобетонных плит без огнезащитных покрытий происходило взрывообразное разрушение бетона. При испытаниях с нанесённым огнезащитным покрытием с первоначальной толщиной 2 мм взрывообразного разрушения бетона не зафиксировано. Это свидетельствует о том, что наличие тонкослойного вспучивающегося огнезащитного покрытия обеспечило стойкость железобетонной конструкции против взрывообраз-ного разрушения. Суть этого способа обеспечения стойкости бетона - в замедлении скорости его прогрева при пожаре. При пожаре тонкослойное огнезащитное покрытие вспучивается до толщины 3040 мм и приобретает пористую структуру. Это резко замедляет прогрев слоя бетона, прилегающего к обогреваемой поверхности элемента (см. рис. 4).
Скорость прогрева рабочей арматуры образцов без огнезащиты с наличием
взрывообразного разрушения бетона составляет в среднем 5 °С в минуту (кривая 2 на рис. 4). При наличии огнезащитного покрытия на образцах скорость прогрева рабочей арматуры составляет в среднем 2 °С в минуту (кривая 3 на рис. 4). Таким образом, наличие вспучивающегося огнезащитного покрытия на поверхности железобетонных конструкций снизило скорость прогрева слоя бетона, прилегающего к обогреваемой поверхности железобетонного элемента, в 2,5 раза по сравнению с образцом без покрытия. Взрывообразного разрушения бетона в этом случае не происходит
из-за снижения скорости образования избыточного давления паровоздушной смеси в структуре бетона ниже критического значения, необходимого для разрыва бетона. Это и обеспечивает целостность конструкции при пожаре.
В заключение авторы приходят к следующему выводу. Применение тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий железобетонных конструкций, помимо прямого положительного эффекта - повышения огнестойкости этих конструкций, является эффективным средством обеспечения стойкости этих конструкции против взрывообразного разрушения при пожаре.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушев В. П. и др. Огнестойкость зданий. -М.: Стройиздат, 1970.
2. Ройтман В. М, Мешалкин Е. А. Экспериментальные исследования механизма разрушения бетона в условиях пожара // Проблемы противопожарной защиты зданий и сооружений. - М., 1978.
3. Еврокод БЫ 1992-1-2. Проектирование огнестойкости железобетонных конструкций.
4. СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций.
5. Кривцов Ю. В. и др. Тонкослойная огнезащита бетона // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - № 6. - С. 42-44.
6. Ройтман В. М, Габдулин Р. Ш., Щербина С. В. Механизм формирования огнезащитного эффекта вспучивающихся покрытий железобетонных конструкций при их нагреве // Наука и безопасность. - 2012. - № 4. - С. 40-50.
7. Ройтман В. М, Габдулин Р. Ш., Щербина С. В. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных покрытий // Сб. науч. тр. МГСУ (Вып. 4): Научные труды междунар. молодёжной конф. «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий». - М.: МГСУ, 2012. - С. 172-175.
