МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

ПАВЛЮК ЮРІЙ ЕМІЛЬОВИЧ

УДК 691.32:699.81

ПІДВИЩЕННЯ ТРІЩИНОСТІЙКОСТІ БЕТОНУ

В УМОВАХ ТЕПЛОВОГНЕВОГО ВПЛИВУ

05.23.05 — Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сімферополь — 2005

Дисертація є рукописом

Роботу виконано на кафедрі технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (НАПКБ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Шналь Тарас Миколайович, Національний університет „Львівська політехніка”, доцент кафедри Будівельні конструкції та мости.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент Коваль Сергій Володимирович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри Процеси та апарати в технології будівельних матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент Любомирський Микола Володимирович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, доцент кафедри Технологія будівельних конструкцій і будівельних матеріалів.

Провідна установа: | Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра Технологія будівельних виробів та матеріалознавства, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне.

Захист дисертації відбудеться 08.02.2005 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, 2 навчальний корпус, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий 04.01.2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.А.Рубель

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми, пов'язані з вогнезахистом будівельних конструкцій, будинків і споруд останнім часом набули ще більш актуального характеру. Це викликано як частими пожежами в результаті екологічних катастроф, сучасним інтенсивним розвитком високих технологій, так і численними терористичними актами. Тільки в Україні щорічно відбувається понад 50 тис. пожеж, що приносять мільйонні матеріальні втрати і людські жертви.

Бетон і залізобетон традиційно вважаються вогнебезпечними матеріалами. Однак, така думка про високу вогнестійкість бетону, особливо з використанням добавок нового покоління, неоднозначна. Це підтверджують аналізи поведінки бетонних і залізобетонних конструкцій, обстежених після найбільш широкомасштабних пожеж, що мали місце в європейських тунелях (1983-2002 р.), на аеродромі в Дюссельдорфі (1996 р.) і на дискотеці в Ґетеборзі (1998 р.)

В усіх випадках було зареєстроване крихке вибухоподібне руйнування бетону, що відбувалося раптово і є особливо небезпечним для несучих конструкцій, що сприймають великі навантаження. Тому, питання вогнестійкості бетонних і залізобетонних конструкцій, пов'язані з тріщиностійкістю і крихким руйнуванням бетону при впливі підвищених і високих температур, є актуальними, що мають як теоретичне, так і практичне значення.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до „Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01 липня 2002 року за № 870, „Тематики пріоритетних напрямків та прикладних досліджень вищих навчальних закладів та науково-дослідних установ МВС України на період 2002 – 2005 років” (п. 7.6.2.), затвердженої наказом МВС України 30.06.2002 р. за № 635, „Організаційного плану заходів МНС України щодо виконання програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року” (п. 60), затвердженого наказом МНС України від 08.09. 2003 р. за №323, перспективного плану науково-дослідних робіт Львівського інституту пожежної безпеки на період 2002 – 2005 років.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є комплексне дослідження поведінки бетону при дії підвищених і високих температур у режимі "стандартної пожежі" при активному захисті покриттям базового складу, що спучується, і його удосконалення стосовно до вогнезахисту бетонних і залізобетонних конструкцій.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні задачі:

- провести експериментальні дослідження фізико-механічних і теплофізичних характеристик бетонів з урахуванням тепловологопереносу при впливі температури;

- провести аналіз і експериментальні дослідження основних параметрів, що входять у критерій крихкого руйнування бетону при пожежі;

- провести експериментальні дослідження тріщиностійкості бетону з позицій механіки руйнування твердих тіл, у тому числі встановлення коефіцієнтів інтенсивності напружень при нормальному відриві КІС і поперечному зсуві КІІС;

- провести лабораторні та натурні випробування зразків та армованих елементів, що згинаються, (плит) з важкого і легкого бетонів без і з захистом покриттям, що спучується, за режимом „стандартної пожежі”;

- оцінити ефективність і удосконалити склад базового вогнезахисного покриття , що спучується (авт.свід.СРСР № 883119,1971) ;

- розробити технологічні рекомендації з виготовлення і нанесення нового складу, призначеного для вогнезахисту тонкостінних бетонних і залізобетонних конструкцій при пожежі.

Об'єкт дослідження - бетонні зразки і плити зі звичайного важкого і легкого (керамзитобетон) бетонів, захищених і незахищених від температурних впливів і вогню покриттям, що спучується, з вивченням його технологічних і експлуатаційних характеристик.

Предмет дослідження – вивчення закономірностей зміни характеристик бетонів і працездатності розробленого покриття з урахуванням тепловологопереносу й оцінкою критерію крихкого руйнування бетону при пожежі.

Методи досліджень. У роботі використані:

- методи оцінки фізико-механічних і теплофізичних характеристик бетону та вогнезахисного покриття;

- методи дослідження температурних деформацій;

- методи експериментального визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень при нормальному відриві КІС і поперечному зсуві КІІС;

- методи вогневих лабораторних випробувань і оцінки адгезії покриття до бетону;

- натурні випробування на вогнестійкість у вогневій камері армованих елементів у виді плит суцільного перерізу.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

- результати досліджень фізико-механічних і теплофізичних характеристик важкого бетону и керамзитобетону при підвищених та високих температурах;

- нові дані про тріщиностійкість (в’язкість руйнування) бетонів при дії підвищених та високих температур, у тому числі величин коефіцієнтів інтенсивності напружень при нормальному відриві КIС та поперечному зсуві КIIС;

- аналіз і результати експериментів по визначенню фізико-механічних і теплофізичних параметрів, що входять до формули критерію крихкого руйнування бетону при пожежі;

- результати вогневих випробувань дослідних зразків та армованих плит, захищених вогнезахисними покриттями та без покриттів.

Новизна роботи підтверджена патентом України 47993 А, 2002 р.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень дозволяють більш обґрунтовано встановити та прогнозувати величину критерію крихкого руйнування бетону при пожежі та вибирати заходи по захисту бетонних та залізобетонних конструкцій від руйнування такого виду.

За результатами лабораторних та натурних вогневих випробувань бетонних зразків та армованих плит розроблено новий склад покриття, призначеного для тепловогнезахисту бетонних та залізобетонних конструкцій.

Розроблені рекомендації по застосуванню вогнезахисних покриттів для бетонних і залізобетонних конструкцій.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі досліджень властивостей бетону та сталі та поведінки бетонних та залізобетонних конструкцій при впливі підвищених та високих температур, в тому числі при пожежі; аналізі методів захисту конструкцій вогнезахисними покриттями та іншими конструктивними заходами; виборі методів експериментальних досліджень; виготовленні дослідних зразків для випробувань; проведенні експериментів та обробці отриманих результатів; аналізі результатів випробувань та формулюванні висновків; розробці та випробуванні нових вогнезахисних покриттів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на: V міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека-2001”, Львів, 2001; міжвузівському науковому семінарі “Будівельні матеріали та конструкції і їх поведінка в умовах високих температур”, Львів, 2002; 41, 42 , 43 і 44 міжнародних семінарах по моделюванню і оптимізації композитів, Одеса, 2002-2005; науково-технічній конференції: “Актуальні науково-дослідні проблеми будівництва”, Ольштин, Польща, 2002; міжнародному симпозіумі : “Нетрадиційні цементи і бетони”, Брно, Чехія, 2002; III науково-практичному семінарі : “Структура, властивості і склад бетону”, Рівне, 2003; III міжнародній науковій конференції: “Довговічність і стійкість в будівельній індустрії”, Левоча, Словакія, 2003; 15 міжнародній конференції “ИБАУСИЛ”, Веймар, Німеччина, 2003; міжнародній науковій конференції: “Будівництво і архітектура”, Мінськ, Білорусія, 2003; міжнародному науковому семінарі: “Ефективні області використання будівельних матеріалів”, Ґданськ, Польща, 2003.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 друкованих праць, у тому числі 6 статей в наукових виданнях, список котрих затверджений ВАК України і 13 публікацій в збірниках міжнародних конференцій і наукових семінарів; отримано патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків, містить 221 сторінку друкованого тексту, 34 таблиці, 82 ілюстрацій, 6 додатків. Список використаних джерел містить 162 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні наукові результати роботи та вказано на її практичне значення.

В першому розділі проведено аналіз літературних джерел з проблеми поведінки бетону і залізобетону при дії високих температур в умовах пожежі, а також заходів щодо тепловогнезахисту конструкцій від крихкого руйнування при пожежі.

До теперішнього часу проведено значну кількість досліджень поведінки арматурної сталі в умовах високих температур, зате досліджень бетону виконано недостатньо. Особливо це відчувається останніми роками у зв'язку з появою бетонів нової генерації, що відрізняються високою міцністю (100 і вище МПа) і щільністю, низькою пористістю, з використанням різних хімічних добавок і домішок.

Останнім часом розробляється новий підхід до розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій з позицій механіки крихкого руйнування матеріалів. Тенденція використання в будівництві високоміцних арматурних сталей і високоміцних бетонів із модифікованими структурами, схильних до крихкого, а не в'язкого руйнування, обумовлює постановку широких експериментальних досліджень з визначення узагальненого параметра тріщиностійкості Кс, виявлення впливу на його величину властивостей і характеристик компонентів, складу бетонної суміші, вологості бетону, дій як нормальних, так і високих температур.

При дії на вологий бетон високих температур при пожежі можливе крихке руйнування бетону, яке може дуже швидко привести до руйнування бетонних або залізобетонних конструкцій.

З метою контролю і прогнозування ймовірності крихкого руйнування бетону необхідна розробка спеціальних заходів по захисту бетону. Такі заходи тепловогнезахисту особливо актуальні для тонкостінних конструкцій, а також конструкцій, які працюють в умовах високих температур і пожежі при одночасній дії високих стискуючих напружень

У другому розділі дається характеристика вихідних матеріалів та бетонів дослідних зразків, представлені технологія виготовлення дослідних зразків та методики, які використовувались при проведенні досліджень.

Всього було виготовлено п'ять серій дослідних зразків з важкого бетону (серії ВБ) і керамзитобетону (серії КБ) для фізико-механічних, теплофізичних і вогневих випробувань. Склади та характеристика бетонів наведені в табл.1.

Таблиця 1

Склад та характеристики бетонів

Серія та шифр | Витрата матеріалів на м3,кг | Вода, л | В/Ц | Густина, кг/м3 | Міцність

28 діб, МПа | % крупного

заповнювача

г | г0

Цемент | Пісок | Щебінь

I – ВБ-1 | 240 | 640 | 1347 | 156 | 0,65 | 2383 | 2250 | 23,1 | 61

I – ВБ-2 | 354 | 533 | 1340 | 159 | 0,45 | 2386 | 2276 | 41,3 | 60

I – ВБ-3 | 500 | 385 | 1247 | 175 | 0,35 | 2307 | 2187 | 50,5 | 59

I – ВБ-4 | 410 | 520 | 1190 | 185 | 0,45 | 2305 | 2180 | 35,4 | 56

ІІ – ВБ-5 | 324 | 621 | 1250 | 178 | 0,55 | 2373 | 2185 | 30,5 | 57

ІІІ – ВБ-6 | 300 | 450 | 1200 | 180 | 0,60 | 2130 | 2000 | 29,7 | 60

IV – КБ-1 | 395 | 925 | 321 | 202 | 0,51 | 1843 | 1690 | 31,1 | 20

IV – КБ-2 | 400 | 930 | 325 | 168 | 0,42 | 1823 | 1703 | 36,7 | 20

IV – КБ-3 | 490 | 405 | 512 | 230 | 0,47 | 1637 | 1495 | 27,3 | 36

V – КБ | 390 | 500 | 452 | 250 | 0,64 | 1592 | 1440 | 30,5 | 34

Примітки: Зразки серій І – ВБ-1,2,3,4 і ІІ – ВБ-5 виготовлені на кварцовому піску та гранітному щебені; серії ІІІ – ВБ-6 – на вапняковому піску та щебені.

Зразки серій IV – КБ-1,2 і V – КБ виготовлені на кварцовому піску та керамзиті; серії IV – КБ-3 на вапняковому піску та керамзиті.

Дослідні зразки виготовлялися на лабораторному устаткуванні. Змішування компонентів бетону проводилося в бетонозмішувачі примусовим перемішуванням, ущільнення - на вібростолі з привантаженням 0,1 МПа, твердіння - в камері нормального твердіння.

Дослідні плити і контрольні зразки для вогневих випробувань виготовлялися у виробничому цеху заводу ЗБВ (Львів) і тверднули в нормальних умовах. Розміри плит - 1,11,10,1м, армування - сіткою з арматури класу АІI діаметром 8 мм, захисний шар бетону товщиною 1см. Після виготовлення плити були доставлені у ВНДІПО (Москва), де випробовувалися на вогнестійкість у вогневих камерах. Одна частина плит випробовувалася без вогнезахисного покриття, інша з покриттям, склад якого був розроблений у Львівській філії НДІБМВ під керівництвом Ю.І.Орловського і призначався для вогнезахисту металевих конструкцій, у тому числі алюмінієвих сплавів.

Два склади паст виготовлялися окремо та були доставлені одночасно з плитами. Перед нанесенням на плити пасти змішували і наносили вручну шпателем на поверхню, що обігріватиметься. Паста наносилася в один або два шари товщиною від 3 до 10мм з інтервалом 48год. Густина покриття в сухому стані складала 980-1000 кг/м3, міцність при стиску - 14,5-16 МПа.

Міцнісні та деформативні характеристики бетону дослідних зразків і плит встановлювали відповідно до діючих ГОСТів і методик, розроблених НДІ бетону і залізобетону і ВНДІПО (Москва).

Визначення коефіцієнта теплопровідності проводилося за методикою, що викладена в „Методичних рекомендаціях по визначенню комплексу теплофізичних характеристик будівельних та теплоізоляційних матеріалів” в лабораторії теплофізичних досліджень НДІБМВ (Київ).

Температурні деформації бетону та покриття вимірювались дилатометричним методом (кварцовий дилатометр ДКВ-2) та на установці, що дозволяє вимірювати температурні деформації за допомогою індукційних датчиків переміщень, що змонтована на базі термошафи з автоматичним регулюванням температури за допомогою термоелектричних перетворювачів.

Методика дослідження тріщиностійкості бетону при нормальній та високій температурі передбачала випробування зразків із штучними тріщинами в температурній камері з автоматичним регулюванням температури, з одночасною можливістю створювати навантаження на зразок. Тріщиностійкість взірців оцінювалась коефіцієнтами інтенсивності напружень при нормальному відриві (KIС) та поперечному зсуві (KIIC), з урахуванням рекомендацій ГОСТ 29167-91.

Адгезію покриття до бетонної підкладки при температурі визначали на сконструйованій установці на базі машини МИИ-100 при нормальному відриві та зсуві в температурній камері.

Лабораторні вогневі випробування ефективності тепло- та вогнезахисту бетону за допомогою покриття, що спучується та гіпсокартонних облицювальних плит проводили на установці, змонтованій на базі горизонтальної муфельної електропечі, що дозволяє створювати режим „стандартної пожежі”.

Натурні вогневі випробування армованих бетонних плит, без і з вогнезахисним покриттям, проводили у вогневій горизонтальній камері з отвором 11 м, котра обігрівалась за допомогою форсунок, які працюють на газі. Плити нагрівали зі сторони розтягнутої зони. Вогнезахисні якості покриття оцінювали за двома показниками: по часу нагрівання плит до моменту обвалення (відшарування) покриття та по часу нагрівання до моменту досягнення критичної температури, яка дорівнює 500°С на відстані 15-20 мм (захисний шар бетону) від бетонної поверхні плит, що обігрівається.

У третьому розділі наведені результати досліджень фізико-механічних та теплофізичних характеристик, а також тріщиностійкості бетону при нормальній та високій температурах.

Поведінка бетонів при тепловому впливі залежить від виду та властивостей компонентів, міцнісних та деформативних характеристик контактної зони між цементним каменем та заповнювачами, від структуроутворюючих та деструктивних процесів. Нагрівання бетону приводить до зниження міцності та модуля пружності. Це пояснюється тим, що при дії високих температур зменшується пружна енергія, накопичена в бетоні до моменту його руйнування, розвитком деструктивних процесів до критичного рівня при зростанні загальної пористості. Ці напруження представляють собою результат комбінованої дії температурних, вологісних та силових стимуляторів деструкції бетону (рис.1, 2).

Рис. . Залежність міцності дослідних зразків важкого бетону при стиску від вологості та температури: а) – серія І-ВБ-1; б) – серія І-ВБ-2.

Причини зниження міцності бетону при нагріванні детально розглянуті в роботах вітчизняних та зарубіжних авторів. В основному вони зводяться до наступних положень. Нагрівання бетону природної вологості до 100°С супроводжується адсорбційним зниженням міцності цементного каменю. При цьому проходить більш глибоке проникнення води в мікротріщини в цементному камені та збільшується його істинна поверхня, покрита адсорбційним шаром води. Це приводить до зменшення поверхневої енергії кристалів цементного каменю та полегшує розвиток мікротріщин при дії на бетон зовнішнього навантаження. Порушенню структури бетону в цьому інтервалі температур сприяє і та обставина , що коефіцієнт температурного розширення води в багато раз переважає цей коефіцієнт цементного каменю та заповнювачів. Це приводить до посилення розклинюючої дії водних плівок, що обволікають цементний камінь та заповнювачі. Капілярні та адсорбційні процеси, що протікають в цементному камені достатньо докладно розглянуті З.М.Цилосані.

Подальше підвищення температури від 200°С, разом з інтенсивною дегідратацією клінкерних мінералів цементного каменю, приводить до деструктивних процесів, які відбуваються внаслідок різниці температурних деформацій і пружних властивостей компонентів. При нагріванні звичайного бетону на гранітному щебені вище 500-600°С інтенсивно зростають температурні деформації, на поверхні зразків утворюються дрібні тріщини, які приводять до руйнування.

Рис. . Залежність міцності дослідних зразків легкого бетону при стиску від вологості та температури: а) – серія IV-КБ-1; б) – серія IV-КБ-2.

Основними причинами різкого зниження міцності є інтенсивний розвиток фізико-хімічних процесів в цементному камені, зокрема дегідратація гідросилікату і гідроалюмінату кальцію, перехід в модифікацію кварцу, що входить до складу заповнювачів, зменшення об'ємів цементного каменю і температурне розширення заповнювачів. При цьому сумарні об'ємні деформації розширення зростають, пружність і міцність структури бетону знижується на 40-80% внаслідок збільшення кількості дефектів.

При дослідженні залежності тріщиностійкості бетону від температури, також як і міцності, встановлено, що з підвищенням температури величини коефіцієнтів інтенсивності напружень знижуються. При цьому на графіках спостерігаються дві ділянки з переломом в інтервалі температур (100-200)°С (рис.3, 4).

Рис.3. Залежність коефіцієнта інтенсивності напружень KIС від температури нагрівання бетону: 1- серія І-ВБ-4; 2- те ж , ІІІ -ВБ-5; 3-те ж, ІV-КБ-3. | Рис.4. Залежність коефіцієнта інтенсивності напружень KIІС від температури нагрівання бетону: 1 - серія І-ВБ-4; 2- те ж , ІІІ -ВБ-5; 3- те ж, ІV-КБ-3.

На першій ділянці зниження величини KС проходило інтенсивніше, ніж на другій, що пояснюється деструктивними процесами, пов’язаними з переходом води з рідкої фази в газоподібну. На другій, більш пологій ділянці, проходить подальше зниження KС, що супроводжується зниженням міцності бетону. При цьому спостерігається релаксація розтягуючих напружень, величина тиску пари знижується, температурні деформації досягнувши при (200-250)°С свого максимуму, стабілізуються при подальшому нагріві бетону.

Дослідження показали, що значення KС суттєво залежать від виду заповнювача та зростають в міру збільшення його міцності. Для керамзитобетону спостерігалось зниження тріщиностійкості в середньому в 2-3,5 рази в порівнянні з бетоном на гранітному щебені. Це можна пояснити тим, що в керамзитобетоні руйнування проходило по заповнювачу, а на гранітному щебені по контактній зоні „розчин-заповнювач”. При цьому магістральна тріщина огинала зерна заповнювача, збільшуючи тим самим площу поверхні руйнування, а щільне їх пакування – звивистість тріщин.

Однозначного впливу властивостей крупного і дрібного заповнювачів на величини коефіцієнтів, використовується в складах досліджених бетонів при нагріванні, в наших експериментах встановити не вдалося. Це пояснюється тим, що хоча вапняки різної міцності і пористості мають зчеплення з цементним каменем в 1,5-1,8 рази вище, ніж граніт, міцність їх контактного шару, зважаючи на активну взаємодію з продуктами гідратації цементу нижче, ніж у хімічно неактивного або поволі реагуючого в нормальних умовах тверднення бетону з гранітного щебеня. З іншого боку, міцність зчеплення цементного каменя із заповнювачами залежить від різниці температурних деформацій компонентів бетону, і в першу чергу заповнювачів. Численними експериментами встановлено, що коефіцієнти температурного розширення бетону на вапнякових заповнювачах однакового складу і В/Ц нижче, ніж бетонів на щільних кварцево-польовошпатних породах. Крім того, ця різниця збільшується, якщо в бетоні використовуються різні по своїй природі дрібний і крупний заповнювачі. Так, в складах (серія І-ТБ-1,2,3) де дрібним заповнювачем був кварцовий пісок, а крупним - гранітний щебінь, різниця у величинах їх коефіцієнтів температурного розширення складала в середньому 1,5 рази, тоді як у складі (серія ІІІ-ТБ-5) відмінності в коефіцієнтах вапнякового піску і щебеня практично не було. Як відомо, ще більша відмінність коефіцієнтів спостерігається між гранітним щебенем і керамзитом.

Не менш важливим технологічним чинником, що впливає на зниження коефіцієнтів інтенсивності напружень при нагріванні є відношення В/Ц і початкова вологість бетону. За нечисленними експериментальними даними наголошується, що із збільшенням В/Ц коефіцієнт KIС знижується. Велику роль в цьому відіграє пористість цементного каменю, напряму залежна від В/Ц. Отримані результати підтверджують, що із збільшенням В/Ц коефіцієнт KIС знижується. Це свідчить про те, що на етапі ініціації тріщиноутворення краще чинить опір розвитку мікротріщин бетон більш щільної структури, отриманої за рахунок оптимального підбору В/Ц.

При оцінці тріщиностійкості бетону в умовах інтенсивної дії температури необхідно враховувати, що до дії температури на конструкцію вологість бетону по її перерізу розповсюджується нерівномірно. При цьому не виключаються великі градієнти вологості і повне заповнення порової структури бетону водою. У разі водонасичення спостерігається зниження міцності бетону в результаті проникнення тонких шарів води в мікротріщини і активні капіляри в структурі бетону, тобто виявляється адсорбційний ефект, що полегшує мікротріщиноутворення при першому нагріві бетону.

Повертаючись до питання аномальної зміни коефіцієнтів інтенсивності напружень при нагріванні бетонів в інтервалі (100-200)°С, слід більш детально проаналізувати роль води, яка міститься в їх структурі. При нагріванні вільна вода в порах бетону, так само як і повітря, розширюється. При цьому змінюються всі її фізичні властивості, наприклад густина, яка при 200°С рівна 0,998, а при 100°С - 0,958 г/см3. Це призводить до того, що до температурних деформацій розширення компонентів твердої фази додаються деформації, викликані надмірним в порівнянні із зовнішнім середовищем тиском пароподібної фази. В результаті зростаючого тиску в інтервалі температур (100-200)°С утворюються мікротріщини, і величини коефіцієнтів інтенсивності напружень різко знижуються. Потім наступає релаксація розтягуючих напружень, оскільки тиск пари знижується.

Отже, можна чекати, що перший інтенсивний нагрів вологого бетону при дії високих температур може привести до вибухоподібного крихкого руйнування бетону поверхневих шарів, що і спостерігалося при пожежах. Логічно припустити, що дрібні пори в структурі бетону (мікропори) більш небезпечні, чим крупні і чим нижче В/Ц, тим більш імовірніше їх утворення в структурі цементного каменю.

При нормальній температурі тріщиностійкість бетону (в'язкість руйнування) залежить в основному від складу і міцності бетону. Збільшення В/Ц і концентрації цементного тіста приводить до зниження коефіцієнтів інтенсивності напружень. Із збільшенням концентрації заповнювача ступінь неоднорідності бетону зростає, що з одного боку веде до зниження його міцності, а з іншого - до збільшення в'язкості руйнування.

При підвищенні температури зменшується опірність бетонів тріщиноутворенню, що відображається зниженням величин коефіцієнтів напружень KIС і KIIC, яке найбільш інтенсивне в інтервалі (20-150)°С. Це свідчить про тенденцію бетону до крихкого руйнування.

При нагріві керамзитобетону однакового за міцністю з важким, як на гранітному, так і на вапняковому щебені, спостерігалося більш інтенсивне зниження тріщиностійкості, що свідчить про більш низьку опірність тріщиноутворенню легкого бетону.

Обґрунтоване призначення коефіцієнтів KIС і KIIC залежно від температури, виду заповнювачів і їх концентрації в об'ємі бетонної суміші дозволяє з більшою достовірністю визначати критерії крихкого руйнування бетону при дії високих температур як нормальних, так і похилих перерізів елементів конструкцій.

Запропонована залежність між коефіцієнтами KIС і KIIC (KIІС = 11,5 KIC) дозволяє при розрахунку залізобетонних елементів на основі силової концепції механіки руйнування твердих тіл призначати величину KIIC використовуючи значення KIС і обґрунтувати розрахунковий сумарний параметр тріщиностійкості , у тому числі при дії підвищених і високих температур.

У четвертому розділі досліджувались тепловогнестійкість залізобетонних плит та ефективність їх вогнезахисту покриттям, що спучується.

Вогневим випробуванням піддавалися дві партії плит з важкого (шифр ВБ) і легкого (шифр КБ - керамзитобетон) бетонів. Метою випробувань була оцінка поведінки базового складу (авт. свід. СРСР 883119) покриття, що спучується, типу ОВП-2 в залежності від його товщини, виду і вологості бетону.

Приклади графіків залежності температури від часу прогріву плит з важкого бетону за режимом „стандартної пожежі” з покриттям та без покриття, а також розподіл температури по товщині плит показані на рис. , .

Рис. а. Залежність температури від часу прогріву плити за режимом „стандартної пожежі”. | Рис. б. Розподіл температури по товщині плити із важкого бетону.

Аналіз результатів проведених випробувань вогнезахисного покриття і плит дозволив встановити дві основні причини відшаровування покриття від поверхні бетону плит. Перша полягала в тому, що при нагріві бетону в умовах „стандартної пожежі”, вільна та хімічно зв’язана вода, що міститься в ньому, випаровуються, фільтруючись через порову структуру бетону, відривають покриття від поверхні плит. Ця причина може бути усунена конструктивними заходами, проведеними перед нанесенням покриття на поверхню бетону.

У випадку якщо конструкція має підвищену вологість бетону (більше 3-5% залежно від виду заповнювачів), а розмір її поперечного перерізу більше 0,12 м перед нанесенням покриття знежирену поверхню слід висушити, по можливості, на максимальну глибину. Для збільшення адгезії покриття до бетонної поверхні необхідно підвищити шорсткість останньої, наприклад, за допомогою піскоструменевої обробки, а також іншими відомими способами. З метою забезпечення стійкості покриття від обрушення слід проектувати встановлення і кріплення до поверхні конструкції дротяної металевої сітки типу „рабіца”.

Друга причина обумовлена зміною фізичного стану матеріалу покриття, а саме, більшість складових компонентів покриття плавиться, утворюючи рідку фазу низької в'язкості. Рідка фаза утворюється не відразу по всій товщині покриття, а спочатку на зовнішній поверхні, а потім, у міру прогрівання внутрішніх шарів, товщина рідкого шару збільшується і зростає його маса на одиницю поверхні. Це приводить до відшаровування від поверхні бетону (при вертикальному положенні зразків - сповзанню, горизонтальному - відриву). В цьому випадку, який мав місце в натурних випробуваннях, потрібні технологічні заходи, направлені на вдосконалення складу покриття.

Рис. а. Залежність температури від часу прогріву плити за режимом „стандартної пожежі”. | Рис. б. Розподіл температури по товщині плити із важкого бетону.

Порівняльний аналіз поведінки плит з покриттям та без покриття показав, що тепловогнеізоляційна ефективність покриття залежить від його товщини, коефіцієнта спучування, вологості і густини, а також адгезії покриття до поверхні конструкції. Виявлено вплив початкового вологісного стану плит на ймовірність крихкого руйнування бетону при інтенсивному нагріванні.

Результати випробувань водонасичених плит і подальша оцінка ймовірності крихкого руйнування бетону згідно „Рекомендацій по захисту бетонних і залізобетонних конструкцій від крихкого руйнування при пожежі” дозволили зробити висновок про умовність характеристик бетонів, закладених в критерій крихкого руйнування і підтвердили необхідність диференційованого підходу до їх призначення, зокрема коефіцієнта КІС з урахуванням динаміки зміни температури нагрівання бетону.

Виявлені причини деструкції базового складу покриття в процесі вогневих випробувань дозволили розробити і рекомендувати заходи конструктивного і технологічного характеру, що забезпечують більш стабільну поведінку покриття при високих температурах і відкритій дії вогню.

У п'ятому розділі на основі проведених випробувань запропоновані способи тепловогнезахисту бетону від крихкого руйнування та прямого впливу вогню при пожежі.

Результати випробувань бетонних армованих плит, захищених покриттям базового складу, підтвердили принципову можливість використання цього складу для вогнезахисту бетону і виявили основний його недолік - низьку тріщиностійкість, викликану високою усадкою при твердінні під час нанесення на поверхню бетону, яка досягає 2 і більш % від маси. Це порушує адгезію між покриттям і поверхнею бетону і як результат - втрату монолітності, зниження вібро- і ударостійкості всієї захисної системи.

При розробці більш ефективного покриття були поставлено дві задачі: не погіршуючи всі позитивні характеристики базового складу, ввести в склад таку речовину, яка забезпечувала б підвищену тріщиностійкість покриття при експлуатації і знижувала деформації усадки при твердінні, а також замінила дефіцитний диамонійфосфат на менш дефіцитний і дешевший антипірен, представлений на ринку України.

Для вогневих випробувань були виготовлені бетонні зразки (підкладки) з важкого бетону розміром 0,100,20 м і завтовшки 0,10 м, по яких наносили покриття. Зразки перед цим були висушені до постійної маси. Сітка „рабіца” в цьому випадку не використовувалася. Метою вогневих випробувань була оцінка межі вогнестійкості покриття при нагріванні за режимом „стандартної пожежі”. За критичну температуру була прийнята t=500°C. В процесі вогневих випробувань розм'якшення і подальше спучування покриття було відзначено в інтервалі (90-100)°С. При подальшому зростанні температури товщина спученого шару збільшувалася, і коефіцієнт спучування становив 12 рази.

Надійність роботи вогнезахисного покриття залежить від його зчеплення з підкладкою в процесі нагрівання. Оцінка адгезії проводилася при нормальному відриві і зсуві до моменту початку спучування, тобто 90°С включно. Результати випробувань наведені в табл.2.

Таблиця 2

Вид зчеплення | Нормальний відрив | Зсув

Температура, 0С | 20 | 40 | 60 | 70 | 80 | 90 | 20 | 40 | 60 | 70 | 80 | 90

Величина зчеплення, ф, МПа | 3,70 | 3,52 | 2,76 | 1,72 | 0,94 | 0,26 | 2,53 | 2,46 | 1,25 | 0,49 | - | -

Випробування показали, що адгезія покриття при нормальному відриві, і зсуві з підвищенням температури знижується. Досягнувши температури 90°С, покриття при нормальному відриві практично втрачає зчеплення з підкладкою; при зсуві цей момент наступає раніше, при температурі близько 75°С. При подальшому підвищенні температури покриття починає переходити в рідкий в'язкий стан, а потім спучується. Слід припустити, що на цей момент адгезія покриття до підкладки збільшується.

Таким чином, проведені випробування підтвердили ефективність досліджуваного складу вогнезахисного покриття, межа вогнестійкості якого при температурі 500°С складає 64-68хв. Розроблений склад покриття ОВК-2М запатентований в 2002 р. (патент України №47993 А).

Технологія приготування нового складу покриття принципово нічим не відрізняється від базового, оскільки заміна одного антипірену - диамонійфосфату на рівноцінний інший - амофос і наповнювача спученого перлітового піску на сульфат барію не внесла істотні зміни в технологічний процес.

Для практичного застосування покриття ОВК-2М розроблені та затверджені методичною радою Львівського інституту пожежної безпеки „Рекомендації по застосуванню вогнезахисних покриттів для бетонних і залізобетонних конструкцій”, що містять технічні вимоги, області застосування, методи випробувань, вказівки з технології їх виготовлення та нанесення .

Для підвищення вогнестійкості бетонних та залізобетонних конструкцій в якості конструктивного способу вогнезахисту запропоновано облицювання їх поверхні гіпсокартонними протипожежними плитами (ГКПП).

Ефективність вогнезахисту плит пов’язана з тим, що гіпс є вогнестійким матеріалом, котрий містить близько 20% хімічно зв’язаної кристалізаційної води. Нагрівання плит приводить до переходу цієї води в пару, на що потрібна значна питома витрата тепла - в 5 разів більша, ніж для нагрівання води до кипіння. Тому потрібен час для випаровування всієї води з гіпсу (в м2 плити товщиною 15мм при масі 15кг/м2 міститься 3л води) і поки це не відбудеться, на поверхні ГКПП, повернутій до вогню, утримується так звана „температура зворотної сторони листа”.

Результати вогневих випробувань (табл.3) показали, що межа вогнестійкості облицювання залежить від її товщини та вологості, а також вологості бетону конструкції, яка захищається.

Таблиця 3

Шифр зразка | Облицювання | Товщина зразка, см | Вологість підкладки, % | № датчика | ф500°С,

хв | Схема облицьову-вання і розта-шування датчиків

ВБ-1 | Без облицювання | 10 | 0 | 1

2 | 6

75

ВБ-2 | Одинарна | 11,25 | 3

4 | 56

94

ВБ-3 | Подвійна | 12,50 | 5

6

7 | 69 100 110

ВБ-4 | Без облицювання | 10 | 3,8 | 1

2 | 7

80

ВБ-5 | Одинарна | 11,25 | 3

4 | 60 100

ВБ-6 | Подвійна | 12,50 | 5

6

7 | 72 102 115

ВБ-7 | Без облицювання | 10 | 12,2 | 1

2 | 8

85

ВБ-8 | Одинарна | 11,25 | 3

4 | 69 109

ВБ-9 | Подвійна | 12,50 | 5

6

7 | 76 105 127

Примітка. ф500° С, хв, - час показу датчика при температурі 500°С.

У випробуваннях за межу вогнестійкості був прийнятий час прогріву облицювання, за який на поверхні підкладки температура досягала 5000С. У випадку конструкцій, армованих сталевою арматурою слід враховувати товщину захисного шару бетону, за рахунок якого можна збільшити їх вогнестійкість.

Вибір способу тепловогнезахисту бетонних і залізобетонних конструкцій залежить, в першу чергу, від допустимого збільшення їх власної маси за рахунок маси захисту. Якщо обмежень в цьому питанні немає і економічно це доцільно, то вибір може бути зроблений на користь облицювання гіпсокартонними плитами, маса 1м2 якої в 2 рази більше, ніж маса вогнезахисного покриття, що спучується.

ВИСНОВКИ

На підставі критичного аналізу сучасного стану проблеми, що вивчається, її актуальності встановлено, що деструктивні процеси, які спостерігались при нагріванні бетону, приводять до зниження міцності і тріщиностійкості, підвищення деформативності і збільшення загальної пористості, викликають в бетонних і залізобетонних елементах конструкцій, при одночасній дії температури, вологості і зовнішнього навантаження, перерозподіл напружень. Під дією стискуючих і розтягуючих напружень відбувається розвиток нерівноважних тріщин і як наслідок, вибухоподібне крихке руйнування бетону при високих температурах.

Проведені дослідження, спрямовані на вивчення питань тріщиностійкості бетону з позицій механіки руйнування твердих тіл і розробка способів ефективного тепловогнезахисту бетону і залізобетону дозволяють зробити наступні загальні висновки.

1. Розглянуті в роботі особливості впливу підвищеної короткочасної температури на механічні і теплофізичні властивості при першому нагріві бетонів є наслідком порушення структури бетону – розущільнення, що впливає на залежність „напруження - деформації”.

2. Значний вплив на поведінку бетону при дії температури має початкова вологість бетону. Дослідження бетону із природною вологістю (W? 3%), при частковому зволоженні і повному водонасиченні (W? 14,4%) показали, що при першому нагріві найбільшою деформативністю характеризуються бетони природної вологості, а найменшою – водонасичені.

3. Високотемпературний нагрів бетону приводить до зменшення пружної енергії, що накопичується в бетоні до моменту його руйнування, зниженню тріщиностійкості, міцності і модуля пружності при зростанні загальної пористості.

4. Проаналізовано критерій крихкого руйнування бетону при дії високих температур і наведено обґрунтованість диференційованого підходу при його визначенні до вибору величин параметрів, що входять у формулу критерію, залежно від температури.

5. Експериментально вивчена тріщиностійкість важкого бетону і легкого керамзитобетону під дією температури і отримані нові дані про величини коефіцієнтів інтенсивності напружень першого КIC і другого KIIC роду з урахуванням початкової вологості бетону.

6. Проведені вогневі випробування армованих плит і запропоновані заходи щодо забезпечення тепловогнезахисту бетону, зокрема вогнезахисним покриттям, що спучується, і облицюванням гіпсокартонними плитами підвищеної вогнестійкості типу ГКПП.

7. Швидкість наростання температурних деформацій при односторонньому нагріві бетонних армованих плит в режимі „стандартної пожежі” відбувається нерівномірно. У початковий період (100-140)°С, значна частка теплової енергії йде на нагрівання і випаровування вологи, що міститься в поверхневих шарах, внаслідок чого процес наростання деформацій проходить сповільнено. При подальшому нагріві (140-160)°С, виникає „деформаційна хвиля”, характерна і відповідна певним градієнтам температури, вологості і тиску, яка розповсюджується всередину перерізу. Вологі поверхневі шари бетону, що втратили частину вологи, починають швидше прогріватися і інтенсивніше деформуватися.

8. На основі базового складу покриття (авторське свідоцтво СРСР 883119), розроблений новий ефективний склад, проведені його вогневі випробування, які підтверджують його ефективність (патент України 47993А) і розроблені „Рекомендації по застосуванню вогнезахисних покриттів для бетонних і залізобетонних конструкцій”, які затверджені методичною радою Львівського інституту пожежної безпеки в 2005 р.

9. Вибір способу тепловогнезахисту бетонних і залізобетонних конструкцій залежить, перш за все, від допустимого збільшення їх власної маси через збільшення маси захисту. Якщо обмежень в цьому питанні немає і економічно це доцільно, то вибір може бути зроблений на користь облицювання гіпсокартонними плитами, маса квадратного метра якої в 2 рази більше, ніж маса вогнезахисного покриття, що спучується.

Основні положення дисертації викладено в таких публікаціях (о.в. – особистий внесок здобувача):

1.

2.