CC BY
14Леденёв А. А., Перцев В. Т., Калач А. В., Калач Е. В.
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ БЕТОНА НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В статье представлены результаты исследования влияния комплексных органоминеральных добавок различного вида и механизма действия на огнестойкость железобетонных конструкций, с учётом изменения характеристик бетона и стальной арматуры.
Ключевые слова: огнестойкость, бетон, добавки, железобетонные строительные конструкции, прочность, пожарная безопасность.
Н
ормативным пожарно-техническим показателем, характеризующим способность строительных конструкций сохранять свои функции в условиях пожара, является предел огнестойкости, требуемая величина которого зависит от функционального назначения здания, его высоты, площади и др. [1]. Спецификой современного строительства является рост этажности зданий и сооружений, увеличение протяжённости путей эвакуации, а также применение большепролётных железобетонных строительных конструкций, что диктует повышенные требования к их огнестойкости. Таким образом, обеспечение огнестойкости железобетонных строительных конструкций является актуальной задачей, направленной на выполнение требований пожарной безопасности.
Железобетон является композиционным строительным материалом, сочетающим бетон и стальную арматуру, характеристики которых вносят свой вклад в поведение железобетонных конструкций (ЖБК) при пожаре. В настоящее время для модифицирования структуры бетона и улучшения его свойств применяется большое количество химических, минеральных, а также комплексных органоминеральных добавок (ОМД), при этом не всегда учитывается их влияние на поведение ЖБК в условиях повышенных температур при пожаре [2].
Задачами данного исследования являются оценка и изучение влияния комплексных ОМД на огнестойкость железобетонных строительных конструкций с учётом модифицирования структуры и улучшения физико-механических характеристик бетона и с учё-
том протекающих процессов коррозии арматурной стали. Последнее обусловлено тем, что применение химических, минеральных и ор-ганоминеральных добавок часто осуществляется без учёта их влияния на процессы коррозии арматурной стали, несмотря на важность и необходимость данного условия при изготовлении густоармированных и тонкостенных ЖБК. Кроме того, нередко ЖБК зданий и сооружений эксплуатируются в условиях воздействия агрессивных сред: газов, паров, аэрозолей, повышенной влажности, в которых процессы коррозии арматуры могут значительно усиливаться. При этом на поведение ЖБК в условиях пожара существенное влияние оказывают площадь поперечного сечения арматуры, толщина защитного слоя бетона и другие параметры, изменяющиеся в процессе коррозии, что отрицательно сказывается на огнестойкости конструкций, а также на устойчивости зданий и сооружений при пожаре в целом [3-7].
В исследованиях применяли комплексные ОМД, обладающие ускоряющим действием и повышающие прочность бетона (табл. 1) [8, 9].
Минеральными компонентами комплексных добавок служили следующие материалы: молотый кварцевый песок, молотый известняк с удельной площадью поверхности 700 м2/кг, а также микрокремнезём с удельной площадью поверхности 20 000 м2/кг. В качестве поверхностно-активного вещества
со 1=
30
X
ОС * 20
о
со
л XI 10
н
о
л 0
I I I I
Д = 0 % ОМДу-1.1 ОМДу-1.2 ОМДу-1.3 ОМДу-2.2
Рисунок 1. Влияние вида комплексной органоминеральной добавки на прочность бетона на сжатие в первые сутки твердения
Таблица 1
Виды и составы комплексных органоминеральных добавок, ускоряющих твердение и повышающих прочность бетона
Вид Вид и дозировка компонентов ОМДу, % от массы цемента
комплексной добавки Минеральный компонент ПАВ Ускоритель твердения
1. ОМДу-1 (молотый песок + ПАВ + ускоритель твердения)
ОМДу-1.1 Молотый песок (10 %) С-3 (0,8 %) №Ы03 (2 %)
ОМДу-1.2 Ыа2Э04 (2 %)
ОМДу-1.3 СаС12+№1\102 (1,5 + 1 %)
2. ОМДу-2 (молотый известняк + ПАВ + ускоритель твердения)
ОМДу-2.1 Молотый известняк (15 %) С-3 (0,8 %) №Ы03 (2 %)
ОМДу-2.2 Ыа2Э04 (2 %)
ОМДу-2.3 СаС12+№1\102 (1,5 + 1 %)
3. Комплексная добавка (микрокремнезем 25 % + С-3 0,8 %). Использовалась для сравнения (без ускорителя твердения)
использовали суперпластификатор С-3. Ускорителями твердения являлись нитрат натрия (№Ы03), сульфат натрия (№2Э04), хлорид кальция (СаС12) и нитрит натрия (№Ы02).
Установлено, что применение комплексных ОМД позволяет существенно ускорить процессы твердения и обеспечить высокую прочность бетона в ранние сроки твердения по сравнению с прочностью бетона без добавок (рис. 1). На двадцать восьмые сутки прочность бетона, модифицированного комплексными ОМД, достигала 58 МПа.
Наибольшие значения прочности бетона в возрасте 1 суток нормального твердения наблюдались при использовании добавок, включающих сульфат натрия №2Э04 2 % - ОМДу-1.2, ОМДу-2.2. Что касается влияния видов минеральных компонентов, входящих в состав комплексных добавок, на ускорение процессов твердения и прочности бетона, то наибольшая эффективность зафиксирована при применении молотого известняка (ОМДу-2.2). Полученные высокие значения прочности бетона обусловлены формированием более плотной структуры цементного камня. При этом эффективность действия комплексных добавок существенно зависит от вида минерального и химического компонента, совместное использование которых способствует взаимному усилению действия.
На следующем этапе были определены пределы огнестойкости ЖБК с учётом улучшения прочностных свойств бетона за счёт приме-
нения ОМД. Предел огнестойкости определяли расчётно-аналитическим методом на примере плиты перекрытия и колонны. Результаты представлены в таблице 2.
Установлено, что применение в железобетонных плитах бетона более высокого класса по прочности практически не влияет на их огнестойкость. Полученные данные объясняются тем, что железобетонные плиты являются конструкциями, работающими на изгиб. При воздействии пожара потеря несущей способности плит перекрытий наступает вследствие достижения критической температуры tcr рабочей арматуры. Для таких конструкций значительного увеличения предела огнестойкости можно достичь за счёт увеличения толщины защитного слоя бетона, применения арматуры с более высоким классом по прочности и другими способами.
Что касается железобетонных колонн, то увеличение класса бетона по прочности за счёт применения комплексных ОМД позволяет существенно повысить их предел огнестойкости. Установлено, что использование в конструкции бетона класса В40 позволяет увеличить предел огнестойкости на 68,2 % по сравнению с конструкциями из бетона класса В20, а при использовании бетона класса В50 -на 127 % (табл. 2). Полученные данные объясняются тем, что железобетонные колонны являются конструкциями, работающими на сжатие. При воздействии пожара потеря их несущей способности наступает вследствие
Таблица 2
Влияние класса бетона по прочности на предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия и железобетонной колонны
Класс бетона по прочности Предел огнестойкости по потере несущей способности Я, мин Увеличение предела огнестойкости, мин (%)
Железобетонная плита перекрытия
В20 94,4 -
В40 94,6 0,2 (0,2)
В50 94,7 0,3 (0,3)
Железобетонная колонна
В20 33,7 -
В40 56,7 23 (68,2)
В50 76,5 42,8 (127)
уменьшения размеров несущего сечения в результате прогрева поверхностных слоёв бетона до критической температуры. При уменьшении размеров сечения напряжения в сечении увеличиваются, и при достижении ими величины предела прочности конструкция утрачивает свою несущую способность. Следовательно, при прочих равных условиях, применение в железобетонных колоннах бетона с более высоким классом по прочности на сжатие является эффективным способом повышения предела огнестойкости.
Для решения второй задачи были проведены коррозионные испытания стальной арматуры в бетоне по ГОСТ Р 52804-2007 [10]. При этом в качестве исследуемых комплексных ОМД применялись добавки, содержащие различные виды ускорителей твердения (ОМДу-1.1, ОМДу-1.2, ОмДу-1.3), из которых наибольшую эффективность по результатам испытаний бетона на прочность показала ОМДу-2.2. Для сравнения в работе использовалась комплексная добавка, включающая микрокремнезём 25% и С-3 0,8 %, без ускорителя твердения.
Установлено, что наибольшая потеря массы (рис. 2) и наибольшая площадь коррозионного поражения (рис. 3 г) зафиксирована у образцов арматурной стали в бетоне, модифицированном добавками ОМДу-1.3, несмотря на наличие в составе добавки ингибитора коррозии №Ы02. Наименьшие значения потери массы и площади коррозионного поражения арматуры зафиксированы в бетонах, модифицированных добавками, содержащими в качестве ускорителя твердения нитрат натрия
(№Ы03), а в качестве минерального компонента - молотый известняк (рис. 2, 3).
Установлено, что использование микрокремнезёма, входящего в состав комплексных ОМД, способствует развитию процессов коррозии арматуры в бетоне, а также приводит к потере массы в количестве 22,3 г/м2, что в 3,5 раза больше, чем в бетоне без добавок.
Расчётно-аналитическим методом на примере железобетонной плиты перекрытия было установлено, что уменьшение площади сечения рабочей арматуры А, расположенной в нижней растянутой зоне, за счёт протекающих процессов коррозии, может привести к снижению предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности Я (рис. 4).
Таким образом, в ходе проведённых исследований установлено, что применение
40
30
.0
о т 20
Ь
пт
С!
Ш о 10
1_
0
6,38
9,67
17,7
I
34,7
17,4
1
22,3
I
1
2
3 4 5 6
рисунок 2. Влияние вида комплексных органоминеральных добавок на потерю массы образцов арматурной стали (после 3 месяцев
твердения образцов бетона в условиях попеременного увлажнения и высушивания):
1 - без добавок; 2 - с ОМДу-1.1;
3 - с ОМДу-1.2; 4 - с ОМДу-1.3; 5 - с ОМДу-2.2; 6 - микрокремнезём 25 % + С-3 0,8 %
в
Участки глубокой коррозии
80
° 60
!| ® 2 40
0 Ос
1 20
6,15
5,53
4,73
Площадь сечения рабочей арматуры, AS, см2
Рисунок 4. Влияние площади сечения рабочей арматуры на предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия
а
б
0
Рисунок 3. Внешний вид образцов арматурной стали после испытаний на коррозионную стойкость (3 месяца твердения образцов бетона в условиях попеременного увлажнения и высушивания):
а - без добавок; б - с ОМДу-1.1; в - с ОМДу-1.2; г - ОМДу-1.3; д - с ОМДу-2.2; е - с комплексной добавкой (микрокремнезем 25% + С-3 0,8 %)
комплексных ОМД, содержащих различные виды химических и минеральных компонентов, позволяет получить бетоны с более высоким классом по прочности. Это даёт возможность
повысить предел огнестойкости железобетонных колонн, применение же бетона с высоким классом по прочности в плитах перекрытий практически не влияет на их предел огнестойкости. Одновременно, использование данных комплексных ОМД может способствовать ускорению процессов коррозии арматурной стали, что, в свою очередь, может существенно влиять на долговечность и огнестойкость железобетонных конструкций.
Кроме того, в ходе развивающихся процессов коррозии арматурной стали отрицательным моментом может быть отслоение и разрушение защитного слоя бетона за счёт давления формирующихся слоёв ржавчины, в результате чего в условиях пожара такие конструкции быстрее потеряют несущую способность. Полученные данные необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации ЖБК, особенно с учётом агрессивного воздействия на них окружающей среды в виде газов, паров, повышенной влажности.
г
е
д
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон России от 22.07.2008 г. № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
2. Баженов Ю. М, Демьянова В. С., Калашников В. И. Модифицированные высококачественные бетоны. Учебник. -М.: АСВ, 2006. - 368 с.
3. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. - М.: Пожарная безопасность и наука, 2001. - 382 с.
4. Рекомендации по расчёту пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1986. - 40 с.
5. Расчёт огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций из тяжелого бетона. Пособие к СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций».
6. Голованов В. И, Павлов В. В., Пехотиков А. В. Экспериментальные и аналитические исследования несущей способности большепролётных железобетонных балок при огневом воздействии // Пожаровзрывобезопасность. - 2015. - № 11. - С. 31-38.
7. Камлюк А. Н, Полевода И. И., Ширко А. В. Модели материалов арматуры и бетона для теплотехнических и прочностных расчётов на примере российского стандарта // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. -
2013. - № 1. - С. 104-116.
8. Леденёв А. А., Перцев В. Т., Джафар Рамадан Аль Судани Комплексные модификаторы полифункционального действия для придания бетонам специальных свойств // Научный вестник ВГАСУ. - Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения». -
2014. - № 1 (8). - С. 56-63.
9. Леденёв А. А. Особенности получения и применения органоминеральных добавок для бетонов с высокими физико-техническими свойствами // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2009. - № 4 (16). -С. 78-83.
10. ГОСТ Р 52804-2007. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний.
Ledenev A., Pertsev V., Kalach A., Kalach E.
ASSESSING INFLUENCE OF COMPLEX ORGANO-MINERAL ADDITIVES FOR CONCRETE ON REINFORCED CONCRETE STRUCTURES FIRE RESISTANCE
ABSTRACT
Purpose. The aim of this work is to study the effect of complex organo-mineral additives of various types and the mechanism of action on fire resistance of reinforced concrete structures.
Methods. In this work we have used complex organo-mineral additives having an accelerating effect and increasing concrete strength. Corrosion tests of the steel reinforcement in concrete have been performed on the basis of State Standard "Protection of concrete and reinforced concrete structures against corrosion. Test methods". Physico-mechanical properties of concrete modified with developed complex organo-mineral additives have been defined.
Findings. It has been found that the use of complex organo-mineral additives can significantly speed up the process of hardening and ensure higher values of concrete strength compared to concrete without additives. It has been proved that various
hardening accelerators and mineral ingredients included in the composition of complex organo-mineral additives affect the development of processes of reinforcement in concrete corrosion.
Research application field. The data obtained should be considered in fabrication and operation of reinforced concrete structures, especially considering aggressive environment influence on them in the form of gases, vapors, high humidity.
Conclusions. It has been established that the use of complex organo-mineral additives allows to obtain concrete with a higher strength class. Decrease of sectional area of the main reinforcement due to the processes of corrosion leads to reduction of construction fire resistance.
Key words: fire resistance, concrete, additives, concrete building constructions, strength, fire safety.
REFERENCES
1. Federal law of Russia on July 22, 2008, No. 123 "Technical regulations on fire safety requirements". (in Russ.).
2. Bazhenov Yu.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modifitsirovannye vysokokachestvennye betony [Modified high-quality concrete]. Moscow, ASV Publ., 2006. 368 p.
3. Roitman V.M. Inzhenernye resheniia po otsenke ognestoikosti proektiruemykh i rekonstruiruemykh zdanii [Engineering solutions assessment of fire resistance of the designed and reconstructed buildings]. Moscow, Pozharnaia bezopasnost' i nauka Publ., 2001. 382 p.
4. Rekomendatsii po raschetu predelov ognestoikosti betonnykh i zhelezobetonnykh konstruktsii [Recommendations for calculating fire resistance of concrete and reinforced concrete structures]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1986. 40 p.
5. Raschet ognestoikosti i ognesokhrannosti zhelezobetonnykh konstruktsii iz tiazhelogo betona k STO 36554501-006-2006 "Pravila po obespecheniiu ognestoikosti i ognesokhrannosti zhelezobetonnykh konstruktsii' [Calculation the fire resistance and fire safety reinforced concrete structures of heavy concrete for a Standard of the organization 36554501-006-2006 "Rules for fire resistance and fire safety of concrete structures"]. Moscow, 2006.
6. Golovanov V.I., Pavlov V.V., Pekhotikov A.V. Experimental and analytical investigations of bearing capacity of reinforced concrete beams under fire exposure conditions of long-span. Pozharovzryvobezopasnost'. 2015, no. 11, pp. 31-38. (in Russ.).
7. Kamliuk A.N., Polevoda I.I., Shirko A.V. Material models of reinforcement and concrete for thermal and strength calculations on the example of Russian standard. Vestnik Komandno-inzhenernogo instituta MChS Respubliki Belarus'. 2013, no. 1, pp. 104-116. (in Russ.).
8. Ledenev A.A., Pertsev V.T., Dzhafar Ramadan Al' Sudani Complex polyfunctional modifiers of the action to give the concrete special properties. Nauchnyi vestnik VGASU. "Fiziko-khimicheskie problemy i vysokie tekhnologii stroitel'nogo materialovedeniia". 2014, no. 1 (8), pp. 56-63.
9. Ledenev A.A. Peculiarities of production and application of organic additives for concretes with high physical-technical properties. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2009, no. 4 (16), pp. 78-83.
10. State standard R 52804-2007. Protection of concrete and reinforced concrete structures from corrosion. Test methods. (in Russ.).
Andrei Ledenev Víctor Pertsev Andrei Kalach Elena Kalach
Candidate of Technical Sciences
Voronezh State Fire Institute of EMERCOM of Russia, Voronezh, Russia Doctor of Technical Sciences, Professor
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, Voronezh, Russia Doctor of Chemical Sciences, Professor
Voronezh State Fire Institute of EMERCOM of Russia, Voronezh, Russia Candidate of Technical Sciences
Voronezh State Fire Institute of EMERCOM of Russia, Voronezh, Russia
