CC BY
13Повышение огнестойкости железобетонных блоков обделки для инженерных коллекторов
о ы
а
а
«
а б
Слесарев Михаил Юрьевич,
доктор технических наук, профессор кафедры строительства объектов тепловой и атомной энергетики, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), slesarev_m@mail.ru
Развитие городского строительства связано с активным освоением подземного пространства, включающим прокладку подземных инженерных коммуникаций. В городах с высокой плотностью застройки большое распространение получили совмещенные прокладки инженерных коммуникаций в железобетонных коллекторах. Проблема безопасности в тоннелях на сегодняшний день стоит очень остро. Важнейшим является требование противопожарной безопасности конструкций тоннелей. В последние десятилетия отмечены крупные пожары в подземных сооружениях, в т.ч. в тоннелях: 1996г. - тоннель под Ла-Маншем, 1999г. - тоннель Монблан в Альпийских горах, 1999г. - Тауэртоннель (Австрия), 2001 г. - тоннель Сен-Готард в и др. Эти пожары выявили серьезность возможных негативных последствий в подземных сооружениях без принятия дополнительных мер безопасности. Повышение требований к огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций тоннельных сооружений явилось основанием для проведения исследований состава бетона блоков обделки с включением поли-пролиневоых волокон. Материалы с плотной структурой, в том числе и самоуплотняющиеся бетоны, зачастую подвержены так называемому взрывному характеру разрушения при огневом воздействии. Резко возросшее давление паров закипевшей внутри бетона жидкости приводит к откалыванию части защитного слоя бетона, что заметно снижает несущую способность железобетонной конструкции. Предполагается, что при введении в состав бетона полипропиленовых волокон эта проблема частично решается, т.к. при подъеме температуры волокна расплавляются и создают капиллярные поры для беспрепятственного выхода паров закипевшей жидкости
Ключевые слова: обделка, огнестойкость, полипропиленовые волокна.
Введение. Полипропиленовые волокна — это олефиновые волокна, изготовленные из полимеров или сополимеров пропилена. Полипропилены — это нереакционноспособный сырьевой материал без запаха, стойкий к воздействию кислот, солей и щелочей.
Исследования показывают, что бетон, содержащий полипропиленовые волокна менее подвержен растрескиванию благодаря тому, что под воздействием пламени волокна плавятся, образуются поры и таким образом обеспечивают выход давлению пара. Целью данной работы является получение оптимального с точки зрения поведения при огневых воздействиях состава с использованием полипропиленовых волокон для производства железобетонных блоков обделки.
Методология. Для определения воздействия высоких температур на железобетонные блоки обделки с применением полипропиленовых волокон были проведены испытания бетонных образцов - кубов. Образцы подвергались воздействию высоких температур, при этом контролировались изменения в бетоне испытываемых образцов-кубов. Затем образцы визуально с помощью увеличительного прибора изучались и испытывались на прочность по методике ГОСТ 10180 [1].
Испытывались две партии образцов - кубов: без водонасыщения и в водонасыщенном состоянии (7 суток).
Основная часть. Для опытной отработки составов бетона были применены полипропиленовые строительные микроармирующие волокна [2] (рис. 1).
В настоящее время для производства блоков обделки (тюбингов) применяется тяжелый бетон класса В45 из расчета на 1 м3 бетонной смеси, представленный в таблице 1 [3].
Рис. 1. Волокно строительное микроармирующее Таблица 1
Примерный состав тяжелого бетона, применяемого для
ЦЕМ I 42,5Н 440 кг.
Щебень гранитный
Фр. 5-10 410 кг
Фр. 10-20 760 кг
Песок кварцевый Мк=2,0-2,5 690 кг
Вода 165 л
Суперпластификатор С-3 8,0 кг
Химдобавка ПАЩ 0,8 кг
Кварц молотый пылевидный 60 кг
Марка бетонной смеси по подвижности П-3
Рис. 2. Распределение полипропиленовых в бетонной смеси
Для определения воздействия высоких температур на железобетонные блоки обделки с применением полипропиленовых волокон были проведены испытания бетонных образцов - кубов. Смешивание компонентов производилось в смесителе СБ-138.
При непрерывном перемешивании в водоце-ментную смесь дискретно вводились полипропиленовые волокна, тонковолокнистая структура которых позволяла им размешиваться равномерно [4]. Благодаря малому диаметру частиц
( 20 мкм) и гидрофильной поверхности волокна легко поддаются диспергированию и при перемешивании не образуется комков.
При проведении органолептического анализа по истечении 2-х минут смешивания, пробы показали равномерность распределения полипропиленовой фибры в замесах (рис. 2). Равномерность распределения также была подтверждена анализом промывки проб бетонного раствора на ситах 0,16 мм.
После промывки полипропиленовое волокно высушивалось и взвешивалось на лабораторных весах [5]. Затем результаты взвешивания сравнивались с первоначальными (табл. 2).
Таблица 2
Результаты высушивания и взвешивания промытого по-
№ состава бетонной смеси Диаметр волокон, мкм Длина волокон, мм Содерж ание волокон в бетонной смеси, кг/м3 Вес отобран ной пробы, кг Вес промытой и высушенной фибры, г Первоначальное содержание фибры в отобранной пробе, г Погрешность, %
1 20 18 0,5 1,0 0,19 0,194 -2,1
2 20 18 1,0 1,0 0,39 0,389 +0,7
3 20 12 0,5 1,0 0,19 0,194 -2,1
4 20 12 1,0 1,0 0,39 0,389 +0,25
5 20 18 1,2 1,0 0,46 0,466 + 1,3
6 20 12 1,2 1,0 0,46 0,466 + 1,3
Были изготовлены образцы-кубы 150*150 мм из бетона составами, представленными в таблице 2 со следующим наполнением полипропиленовыми волокнами:
Одновременно был изготовлен контрольный образец без волокон - образец К.
Испытания не водонасыщенных образцов проводились в следующей последовательности: партия образцов помещалась в печь; после достижения температуры в печи последовательно 3600С и 6000С производится визуальный осмотр образцов. При достижении температуры 1000°С печь отключалась, образцы выдерживались в течение одного часа и выгружались [6-9].
При визуальном осмотре на промежуточных этапах температур (3600С и 6000С) наблюдалось появление трещин в контрольном образце. Образец К полностью разрушился при температуре 10000С.
После снятия температурных нагрузок все вынутые из печи образцы практически были разрушены (рис. 3), поэтому испытания на прочность не проводились [10-12]. Полипропиленовые волокна выгорели во всех образцах.
Таким образом, испытания неводонасыщен-ных образцов не дало возможности провести выбор оптимального количества полипропиленовых волокон. Визуальное наблюдение подтвердило повышенную сопротивляемость огневым воздействиям (до 10000С) бетона с добав-
О 55 I» £
55 т П
о ы
а
лением полипропиленовых волокон по сравнению с обычным бетоном (образец К) [13-15]. Этот цикл испытаний дал возможность отрегулировать параметры проведения огневых испытаний партии образцов с водонасыщением.
Рис. 3. Разрушение неводонасыщенных образцов
Образцы - кубы, предназначенные для испытаний в водонасыщенном состоянии, находились в воде в течение 7-ми суток.
Испытание водонасыщенных образцов происходило в следующей последовательности: после нагрева печи до 3600С была выдержана пауза в течение 20-ти минут, после нагрева до 6000С пауза составила 30 минут, после достижения 1000°С печь выключалась, где образцы остывали в течение 10 часов.
При визуальном осмотре на промежуточном этапе (3600С) наблюдалось разрушение водона-сыщенного контрольного образца.
Состояние оставшихся образцов при укладке в печь и в паузах визуально обследовалось (рис. 4). Рассмотрение срезов образцов под микроскопом подтвердило равномерность распространения полипропиленовых волокон в теле бетона.
5
«
а
6
Рис. 4. Состояние водонасыщенных образцов после нагрева до 6000С и 10000С
Результаты испытаний неводонасыщенных образцов с добавлением полипропиленовых волокон показали повышенную сопротивляемость по сравнению с обычным бетоном.
Состояние водонасыщенных образцов с добавлением полипропиленовых волокон в конце данного цикла дало возможность проведения прочностных испытаний.
Результаты испытаний на прочность образцов-кубов (второй партии) после воздействия высоких температур представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты испытаний на прочность образцов-кубов
№ состава бетонной смеси Длина волокон, мм Содержание волокон в бетонной смеси, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа
1 18 0,5 4,8
2 18 1,0 17,9
3 12 0,5 6,6
4 12 1,0 27,4
5 18 1,2 11,2
6 12 1,2 15,3
Выводы. По результатам лабораторных огневых испытаний бетонных образцов-кубов с определено оптимальное содержание полипропиленовых волокон для проведения натурных испытаний блоков обделок тоннельных коллекторов: бетон класса В45 с применением полипропиленовых волокон длиной 12 мм, расходом 1,0 кг/м3.
Внедрение полипропиленовых волокон в состав бетона при производстве блоков обделки при определённых контролируемых условиях может повысить их огнестойкость, тем самым уменьшить взрывной характер разрушения при огневом воздействии.
Литература
ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
ТУ 2272-006-13429727-2007 Волокно строительное микроармирующее.
Herrenknecht corporation experience of boring of extended-range municipal tunnels by means of tunneling machines herrenknecht and lovat// International society for trenchless technology -26th no-dig international conference and exhibition 2008, NO-DIG 2008 MOSCOW. pp. 237-238.
Ляпидевский Б.В. Технология производства и внедрение в г Москве коллекторных тоннелей, сооружаемых без вторичной железобетонной обделки (рубашки), методом щитовой проходки //Дни бетона в Москве: Сб. материалов Конференции/ООО Европейский Технический Институт. - М. 2011. С. 182 - 189.
Крутских А.В., Бровкин А.В. Вопросы огнестойкости бетона с фибровым армированием// Тверской государственный технический университет - опорный региональный вуз в подготовке инженерных кадров. 2015. С. 46-48.
Плотников Д.А., Башевая Т.С., Пашковский П.С. Пути повышения огнестойкости железобетонных конструкций, изготовленных из вторичного сырья// Строительство-2016. 2016. С. 121-129.
Шерстнев А.К., Ляпидевская О.Б. Механические испытания железобетонных блоков с базаль-топластиковой футеровкой для повышения геоэкологической безопасности инженерных коллекторов, имитирующие эксплуатационные нагрузки// Научное обозрение. 2016. №22. С. 57-62.
Lyapidevskaya O.B, Sherstnev A.K. The new method of cohesion quality assessment of basalt plastic lining of reinforced concrete blocks for engineering collectors // Procedia Engineering. 2016. Volume 153. pp. 434-438.
Шерстнев А.К., Ляпидевская О.Б. Повышение геоэкологической безопасности инженерных коллекторов путем применения готовых блоков с базальтопластиковой футеровкой.// Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2016. №10. С. 67 - 71.
Кириллов К.И., Орешкин Д.В., Ляпидевская О.Б. Эффективный тампонажный раствор с полыми стеклянными микросферами// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2006. № 3. С. 40-41.
Еналеев Р.Ш., Анаников С.В., Теляков Э.Ш., Гасилов В.С. Огнестойкость бетона: критерии разрушения// Фундаментальные исследования. 2013. №1-1, С. 139-142.
Новак С.В. Зависимость предела огнестойкости строительных бетонных конструкций от влажности бетона// Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. 20150, том 39, 129-136 стр.
Пашкевич А.А., Орешкин Д.В., Ляпидевская О. Сухие строительные смеси с полыми микросферами// В сборнике: Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов материалы V Международной научно-технической конференции: в 3-х частях. 2009. С. 207-211.
, Кузницова И.С., Рябченкова В.Г. Противопожарные нормы - основа пожарной безопасности зданий и сооружений// Промышленное и гражданское строительство. №1. 2017. С. 35-39.
Федоров В.С., Граминовский Н.А. Исследование прочностных и деформативных характеристик высокопрочного бетона при нагреве для решения статической задачи огнестойкости// Строительство и реконструкция. 2012. №6 (44). С. 63-68.
The raising of refractoriness of reinforeced concrete finifing blocks for the space including lining of underground engineering communication Slrsarev M.U.,
National research Moscow state university of civil engineering» (NRU MGSU)
In cities with high density of construction combined lying of engineering communication in reinforced collectors has received the great extension. Today the problem of safety in tunnels is very sharp. The most important is the requirement of fire prevention in tunnels. In the last decades there were great conflagrations in underground constructions, amout them in
tunnels: 1996 - tunnel under La-Month, 1999 - tunnel Monblan in Alps, 1999 - Thayer tunnel (Austria) ,2001 - tunnel Sen-Gotard and also in construction without taking additional safety measures. The rising of requirements of fire-resistance and fire-refractoriness of reinforce concrete structures of tunnels was the basis for investigation of concrete composition of concrete lining blocks with including polypropylene fibers. The materials with compact structure among them self-packing concretes frequently have so- called explosive character of destruction at fire action. The sharp increasing of vapors compression boiling inside concrete cause putting off part protective concrete lay that essentially decrease bearing capacity of reinforced construction. It is supposed that introducing in concrete composition of polypropylene fibers this problem is partially decided so under rising temperature the fibers melt and create capillary voids for free output of vapors of boiling liquid .
Keywords: lining, fire resistance, polypropylene fibers.
References
GOST 10180-2012 Concretes. Methods for strength determination using reference specimens
Specification 2272-006-13429727-2007 Building micro reinforcing fiber.
Herrenknecht corporation experience of boring of extended-range municipal tunnels by means of tunneling machines herrenknecht and lovat// International society for trenchless technology - 26th no-dig international conference and exhibition 2008, NO-DIG 2008 MOSCOW. pp. 237-238.
Boris V. Lyapidevskiy Technology of production and promoting of network in Moscow apply in industry of collector tunnels constructed without secondary reinforced concrete lining by shield-shaped tunneling//Concrete Days in Moscow: Conference information package/Limited liability company -European Technical Institute. -M. 2011. pp.182-189.
Crutskich A.V., Brovkin A.V. Aspects of fire resistance of concrete with fiber reinforcement//Tver, State Technical University -Regional base institute for training engineering personal.
2015. pp. 46-48.
Plotnikov D.A., Bashevaya T.S., Pashkovskiy P.S. Ways of increasing of fireresistance of reinforced concrete structures made from secondary starting materials//Construction-2016.
2016. pp. 121-129.
Sherstnev A.K., Lyapidevskaya O.B. Simulating operating loads mechanical tests of reinforced concrete blocks with basalt plastic lining for increasing geo ecological safety of engineering collectors//Scientific review. 2016. №22. pp. 57-62.
Lyapidevskaya O.B., Sherstnev A.K. The new methods of cohesion quality assessment of basalt plastic lining of reinforced concrete blocks for engineering collectors// Procedia Engineering. 2016. vol.153. pp. 434-438.
Sherstnev A.K., Lyapidevskaya O.B. Increasing of geo ecological safety of engineering collectors at the expense of using the finished blocks with basalt plastic lining//Bulletin of BSTU named after V.G.Shukhov. 2016. №10. pp. 67-71.
Kirillov K.I., Oreshkin D.V., Lyapidevskaya O.B. Effective cement slurry with hollow glass microsphere//Construction of oil and gas wells on land and at sea. 2006. № 3. pp. 40-41.
Enaleev P.Sh., Ananikov S.V., Teliakov E.Sh., Gasilov V.S. Fire resistance of concrete: failure criteria//Fundamental research. 2013. № 1-1. pp.139-142.
Novak S.V. Dependence of fire resistance limit of concrete structures from moisture of concrete // Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. 2015. vol.39. pp. 129-136.
Pashkevich A.A., Oreshkin D.V., Lyapidevskaya O.B. Dry building mixtures with hollow micro spheres//In the book: Reliability and durability of building materials, structures and foundation// Materials of Fifth International scientific and technical conference in 3 parts. 2009. pp. 207-211.
Kuznetsova I.S., Riabchenkova V.G. Fire regulations - the base of fire safety of buildings and structures//Industrial and civil construction. № 1. 2017. pp. 35-39.
Fedorov V.S., Graminovskiy N.A. Research of strength and deformation characteristics of high strength concrete to solve the static problem of fire resistance//Construction and reconstruction. 2012. № 6 (44). pp. 63-68.
О R U
£
R
m fi H
