CC BY
22
ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Т. В. Загоруйко
старший преподаватель кафедры прикладной математики и инженерной графики института ГПС МЧС России, г. Воронеж, Россия
УДК 624.012.45:699.81
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Приведены результаты разработки многокомпонентных материалов для повышения огнестойкости большепролетных тонкостенных несущих железобетонных конструкций. Испытания полученных составов показали их высокую термостойкость.
Ключевые слова: предел огнестойкости конструкций; термостойкость бетона; шунгит.
В настоящее время повышение огнестойкости конструкций, а значит, и зданий и сооружений, возведенных с их использованием, является одной из основных задач повышения их безопасности при эксплуатации. Известно, что ежегодно в нашей стране происходит около 300 тыс. пожаров, при которых гибнет в среднем более 16 тыс. чел. и почти столько же получает травмы [1]. Это в 3-5 раз больше по сравнению со странами Европы, США, Канадой, Японией. Ежегодный прямой материальный ущерб от пожаров в России исчисляется 2,7 млрд руб. [1], а косвенный — еще выше.
В современном строительстве существуют тенденции к применению большепролетных тонкостенных конструкций для возведения зданий повышенной этажности, изготавливаемых из высокопрочного бетона. Эти конструкции имеют небольшие сечения, что приводит к снижению их огнестойкости, потере устойчивости и несущей способности при нагреве растянутой арматуры до критической температуры (около 500 °С и выше) и, как следствие, к обрушению здания. В тех случаях, когда большепролетные конструкции используют для устройства подземных гаражей, складов, технических помещений, где вероятность возгорания и пожара высока, требования к огнезащите возрастают. Практический опыт в вопросах повышения огнестойкости железобетонных конструкций показывает, что несущие конструкции в жилых зданиях в процессе пожара обычно подвергаются огневому воздействию при температуре 1100 °С, что по ГОСТ 20910-90 соответствует классу бетона по предельно допустимой температуре применения И11.
© Загоруйко Т. В., 2011
По данным [2] предел огнестойкости не защищенных снизу тонкостенных армоцементных конструкций с толщиной защитного слоя 2 см составляет 30-36 мин. Следовательно, тонкостенные железобетонные конструкции с общей толщиной до 60-80 мм часто не удовлетворяют требованиям СНиП 21-01-97 для зданий I и II степеней огнестойкости [3].
Анализ существующих технических решений показал, что для повышения огнестойкости тонкостенных конструкций перспективно применение покрытий из термостойких композиционных материалов.
В целях обеспечения огнезащиты строительных конструкций могут применяться термостойкие материалы в виде облицовки из плитных, листовых, штучных изделий и штукатурок. Их использование позволит увеличить огнестойкость тонкостенных конструкций, что в свою очередь обусловит повышение пожарной безопасности в строительстве в целом и даст существенный экономический эффект.
Целью работы является получение термостойкого материала для защиты бетонных и железобетонных конструкций в условиях пожара.
В связи с этим решались следующие задачи:
1) обоснование выбора методики проектирования составов термостойких материалов;
2) оптимизация составов термостойких материалов на основе шунгита;
3) изучение физико-механических свойств полученных термостойких материалов.
Для исследований использовались: портландцемент ПЦ 500 Д0 (ОАО "Осколцемент"); асбест хри-зотиловый марки А-6К-30 (г. Асбест, Екатеринбургская обл.); шунгит Зажогинского месторождения
й| 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2011 ТОМ 20 №10
(п. Толвуя, Республика Карелия), кварцевый песок Малышевского месторождения строительных песков с модулем крупности 1,84 (ЗАО "Воронежстройин-новация"); молотый гранулированный шлак с удельной площадью поверхности 300, 500 и 700 м2/кг (Липецкий металлургический комбинат).
При оценке свойств термостойкого бетона определялись следующие показатели: средняя плотность (по ГОСТ 12730.1-78); прочность при изгибе и сжатии (по ГОСТ 18105-86); термостойкость образцов (по ГОСТ 20910-90). Микроскопические исследования структуры бетона осуществлялись с помощью сканирующего электронного микроскопа ^М- 6380ЬУ.
Одним из факторов, определяющим термостойкость материала, является плотность его защитного слоя. Требования, предъявляемые к термостойким материалам по плотности, неоднозначны. Ряд авторов рекомендует применять материалы с малой плотностью (300-500 кг/м3), другие исследователи считают, что она должна быть значительно выше. В данной работе предлагаются материалы с плотностью от 1300 до 1500 кг/м3.
Неоднозначность требований к термостойким материалам объясняется необходимостью обеспечения прочного сцепления покрытия с несущей конструкцией и, соответственно, прочностью самого композиционного материала. По ряду данных эта прочность должна быть в пределах не менее 10 МПа, что обеспечит надежность наносимого покрытия, а подвижность бетонной смеси в этом случае целесообразно принимать 5-9 см. Вместе с тем высокая плотность покрытия не обеспечивает эффективного снижения воздействия энергии теплового потока, возникающего при возгорании, на несущие конструкции при высокой теплопроводности покрытия.
В работе рассматриваются вопросы использования термостойких покрытий, которые изменяют свою теплопроводность при увеличении температурного воздействия. Как правило, в этих случаях в качестве заполнителя для таких покрытий применяют вспучивающиеся материалы, например шун-гизит, вермикулит, перлит, керамзит, а в качестве наполнителя, повышающего предел прочности при растяжении и термостойкость, — минеральную вату, стекловолокно, базальтовое волокно, асбести др. [4].
Анализ ранее выполненных исследований позволил предложить материалы для получения термостойкого бетона, обладающего специальными свойствами, в частности повышенным пределом прочности при растяжении, для обеспечения несущей способности конструкции. Так, для повышения предела прочности бетона при растяжении и термостойкости цементного камня и бетона в целом была реализована идея его микроармирования с ис-
пользованием хризотил-асбестового волокна. В качестве вяжущего использовался портландцемент. При выборе вяжущего исходили из того, что применение портландцемента высокой марки обеспечит повышенную прочность бетона, а также его сцепление с заполнителем. Для создания несущего каркаса, для снижения усадочной деформации при твердении и огневом воздействии и для структурообра-зования использовался гранулированный шлак. Для обеспечения изменения теплозащитных свойств была реализована идея применения шунгита, который в процессе огневого воздействия изменяет свою плотность, снижая тем самым плотность и теплопроводность и повышая термостойкость материала.
Одним из свойств шунгита является его способность значительно увеличиваться в объеме, т. е. вспучиваться при обжиге до температур 1100 °С. Вспученный шунгит обладает высокой термостойкостью, прочностью, нетоксичен, не подвержен гниению и препятствует распространению плесени, имеет высокую температурную стойкость, огнестойкость и отражающую способность. Применение этого компонента в термостойких материалах для огнезащиты дает возможность обеспечить целостность защищаемых конструкций.
По результатам оптимизации был получен следующий состав термостойкого бетона (с расходом материалана 1 м3): портландцемент — 400 кг, молотый шунгит — 45 кг, асбест — 13 кг, гранулированный шлак — 900 кг, вода — 295 л. Подвижность бетонной смеси — 5-7 см. Средняя плотность — 1400 кг/м3. Предел прочности при сжатии образцов составил 12 МПа, при изгибе — 2,5 МПа.
Сравнительные испытания термостойкого бетона и мелкозернистого бетона показали следующее. Образцы с шунгитом, подвергающиеся воздействию температур 1100 °С, сохраняли целостность и не имели поверхностных трещин; при этом визуально наблюдалась поризация структуры за счет вспучивания шунгита.
Общий вид образцов после испытания на термостойкость при 1100 °С представлен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид образцов с шунгитом (а) и контрольного (б) после испытания на термостойкость при1100°С
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2011 ТОМ 20 №10
Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки поверхности композиционных материалов при тепловом воздействии (увеличение 5000х): а — контрольный образец, 700 °С; б — образец с шунгитом, 900 °С; в — то же, 1100 °С
Электронно-микроскопические исследования позволили установить изменения, происходящие в цементном камне термостойкого бетона. В сравнении с бетоном контрольного состава при температуре 700 °С в нем наблюдается формирование агрегируемой структуры. Эти изменения происходят за счет фазовых перестроек в цементном камне, так как в области этих температур хризотил-асбестовое волокно, гранулированный шлак и шунгит устойчивы. С повышением температуры до 900 °С степень агрегирования возрастает, что, вероятно, связано с началом вспучивания шунгита. При температурах свыше 1100 °С происходит интенсивное вспучивание шунгита, в результате чего структура из грану-
лированной переходит в частично оплавленную с выявлением четких локальных зон (рис. 2).
Вспучивание шунгита приводит не к разрушению материала, а к снижению теплопроводности бетона, что обеспечивает применение данного материала в качестве термостойкого покрытия для тонкостенных железобетонных конструкций. Испытания показали, что предлагаемый состав композиционного материала повышает термостойкость бетона при 900 °С в 12 раз, а при 1100 °С — в 6 раз.
Таким образом, полученные композиционные материалы отличаются высокой термостойкостью и, соответственно, могут обеспечить высокую огнестойкость тонкостенных железобетонных конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кожевников А. Е. Прогрессивные технологии огнезащиты - надежное предотвращение пожаров // Строительные материалы. — 2002. — № 6. — С. 8-9.
2. Бушев 3. П., Пчелинцев В. А., Федоренко В. С., Яковлев А. И. Огнестойкость зданий. — М. : Стройиздат, 1970. — 260 с.
3. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений : введ. 01.01.98 г. : утв. 13.02.97 г. Минстроем России. — М.:ГУП ЦПП, 1997; 1999; 2002.
4. Некрасов К. Д., Масленникова М. Г. Легкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях. — М. : Стройиздат, 1982. — 152 с.
Материал поступил в редакцию 18 июля 2011 г. Электронный адрес автора: [email protected].
Ю| ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2011 ТОМ 20 №10
