Экспертное исследование бетонных строительных конструкций при поисках очага пожара Крикливый, Сергей Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Превращения в бетонных строительных конструкциях в условиях пожара 9

1.1. Материалы с цементным и известковым связующими 9

1.2. Номенклатура бетонов 10

1.3. Очаг пожара и причины образования очаговых признаков 12

1.1. Поведение бетонных строительных конструкций в условиях пожаров и изменения физико-механических свойств бетона 17

1.5 Выводы 22

2. Методы, используемые для экспертного исследования бетонных конструкций 24

2.1. Визуальная фиксация изменения цвета, тона звука, ударной прочности, трещин и исследование макроструктуры бетона 24

2.2. Химические методы 27

2.2 1. Определение остатачного содержания в бетоне карбонатов .27

2.2.2. Определение глубины карбонизированного слоя в бетоне колориметрическим методом .27

2.2.3. Методы, используемые при определении количества оксида кальция в бетоне 28

2.3. Физико-химические методы 37

2.3.1 .Измерение микротвердости 37

2.3.2. Определение пористости бетона 38

2.3.3. Оценка толщины прогретого слоя у тяжелого бетона .39

2.3.4. Определение магнитной восприимчивости материала 39

2.3.5. Ударно-акустический метод 40

2.3.6. Ультразвуковой метод .43

2.4. Оптические методы 44

2.4.1. Световая микроскопия з

2.4.2. ИК-спектроскопия 48

2.5. Метод рентгенофазового анализа 49

2.6. Термические методы 50

2.6.1. Термогравиметрический и дифференциальный термический анализы 50

2.6.2. Весовой метод определения остаточного содержания термолабильных компонентов 51

2.6.3. Калориметрический метод 54

2.7. Выбор методов и основных направлений экспериментальных исследований. 56

3. Методы исследования поверхностного слоя бетонных конструкций 60

3.1. Ударно-акустический метод 60

3.1.1. Методика проведения исследования 60

3.1.2. Анализ экспериментальных данных 66

3.2. Ультразвуковой метод 68

3.2.1. Методика проведения исследования 69

3.2.2. Анализ экспериментальных данных

3.2.2.1. Влияние температуры и длительности нагрева бетона на скорость распространения в них поверхностных УЗ-волн 72

3.2.2.2. Влияние атмосферы пожара на изменение скорости распространения поверхностных УЗ-волн 84

3.2.2.3. Влияние влажности и условий охлаждения на скорость распространения поверхностных УЗ-волн в бетоне 86

3.3. Калориметрический метод 90

3.3.1. Методика проведения исследования 90

3.3.2. Анализ экспериментальных данных

3.3.2.1. Влияние температуры нагрева бетона на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция 95

3.3.2.2. Влияние атмосферы пожара на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция 101

3.3.2.3. Влияние условий охлаждения на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция 104

3.4. Выводы 105

4. Послойное исследование бетонных конструкций 106

4.1. Методика проведения исследования 107

4.2. Анализ экспериментальных, данных -112

4.2.1. Влияние температуры и длительности нагрева бетона на продвижение-фронта разложения гидроксида кальция 112

4.2.2. Влияние состава атмосферы на продвижение фронта разложения гидроксида кальция .116

4.2.3. Влияние условий охлаждения на продвижение фронта разложения гидроксида кальция 118

4.3. Выводы 120

5. Решение задачи определения длительности нагрева бетонных строительных конструкций на пожаре 121

6. Экспертная методика определения зон термических поражений, температуры и длительности нагрева по результатам исследования бетонных конструкций 129

6.1 Формирование комплекса методов анализа степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных строительных конструкций 129

6.2Методика комплексного использования методов исследования бетонных строительных конструкций на месте ложара 133

6.3 Практическое использование методики 138

6.3.1 Пожар в РосНИПИ Урбанистики 138

6.3.2 Пожар в жилой квартире № 334, расположенной по адресу 5-й предпортовый проезд д.Ю 144

6.3.3 Пожар в жилой квартире-№259т расположенной по адресу проспект Товарищеский д. 28 к.

Заключение 151

Литература

• Поведение бетонных строительных конструкций в условиях пожаров и изменения физико-механических свойств бетона
• Определение глубины карбонизированного слоя в бетоне колориметрическим методом
• Весовой метод определения остаточного содержания термолабильных компонентов
• Влияние условий охлаждения на продвижение фронта разложения гидроксида кальция

Введение к работе

Постановка проблемы и ее актуальность. Экспертизы по делам о пожарах относятся к наиболее сложным видам криминалистического исследования. Основной вопрос, решаемый пожарно-технической экспертизой - установление причины возникновения пожара. Без знания причины возникновения пожара невозможно планирование профилактических мероприятий для предупреждения пожаров в будущем, а также расследование и раскрытие преступлений, которые привели к пожару или способствовали ему и, как следствие, невозможно выявление и наказание виновных лиц.

Работа эксперта по установлению причины любого пожара должна начинаться с решения ключевой задачи - определения места возникновения (очага) пожара. На современном этапе как в России, так и за рубежом установление очага пожара осуществляется, в основном, по визуальным признакам. Однако на крупных развившихся пожарах, установление причин возникновения которых чрезвычайно важно, специфические очаговые визуальные признаки часто нивелированы интенсивным тепловым воздействием. Поэтому для восстановления объективной картины возникновения и развития пожара необходимо использование инструментальных методов, основанных на исследовании изменений физико-химических свойств исследуемых изделий, коррелируемых со степенью термического поражения последних.

Нэ K^v.n.Hb'X ПОЖЭ^пЭХ ВЫГО^па.ЮТ ИНОГ^пЭ П^ПЭКТИЧ8СКИ ПОЛНОСТЬЮ КОНСГ^^К' iww

и предметы из горючих материалов: древесины, пластмасс, тканей и т. п. В меньшей степени подвергаются разрушающим воздействиям на пожаре изделия, выполненные из неорганических строительных материалов. Причем наибольший практический интерес для экспертов представляют строительные конструкции, изготовленные из бетона и железобетона (далее по тексту "бетонные конструкции"), т. к. они имеют наибольшее распространение среди конструктивных элементов современных зданий и сооружений.

В настоящее время для определения зон термических поражений и температуры нагрева на пожаре бетонных конструкций применяются ультразвуковая дефектоскопия (полевой метод) и классические лабораторные методы: инфракрасная спектроскопия, рентгенофазовый анализ и термический анализ (определение остаточного содержания термолабильных компонентов). Задача по определению длительности нагрева на пожаре бетонных конструкций еще не решена (есть только методика по определению температуры и длительности нагрева для гипсовых конструкций). Существующие лабораторные методы обладают высокой информативностью, но наряду с этим имеют некоторые недостатки, обуславливающие весьма редкое их применение при установлении очага пожара. К таким недостаткам относится необходимость отбора проб и невозможность проведения исследования непосредственно на месте пожара, высокая стоимость оборудования, потребность в специальных помещениях для проведения исследований, трудоемкость и длительность подготовки образцов и проб.

Исходя из этого, весьма актуальной является проблема совершенствования и развития существующей методики экспертного исследования после пожара конструкций из неорганических строительных материалов (бетонных - в первую очередь) на основе новых аналитических методов и методических подходов.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является расширение аналитических возможностей методики экспертного исследования после пожара бетонных строительных конструкций. Под этим понимается увеличение температурного диапазона применимости методики, а также повышение ее информативности за счет определения качественно нового для данных материалов параметра - длительности нагрева конструкций в различных зонах пожара.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать известные литературные данные об изменении струк
туры и свойств бетона при нафевании и разработать методические подходы к
достижению поставленной цели - расширению температурного диапазона и
определению длительности нагрева конструкций в ходе пожара;

выбрать методы исследования поверхностного слоя бетонных конструкций, позволяющие определять зоны термических поражений от 100 до 1000 С;

выбрать метод послойного анализа бетона, который бы позволял достаточно быстро и точно определять продвижение тепловой волны вглубь мате-

исследовать изменение структуры и свойств бетона выбранными методами в условиях, характерных для пожара (температура и длительность нагрева, скорость охлаждения, состав атмосферы и др.), определить влияние указанных условий на результаты измерений;

на основе полученных экспериментальных данных вывести уравнения.для расчета длительности теплового воздействия на строительную конструкцию;

по результатам проведенных исследований и разработок, сделанных ранее, сформировать комплекс методов для определения степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций в ходе пожара;

разработать методику применения данного комплекса на месте пожара при поисках его очага.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложены эмпирические уравнения, описывающие зависимость относительной скорости поверхностной ультразвуковой волны Cr/Cro от температуры нагрева поверхности бетонной конструкции в характерных для пожара условиях.

2. Для оценки степени термического поражения и температуры нагрева на пожаре поверхностного слоя бетонных конструкций предложено и экспериментально обосновано использование калориметрического метода, а для установления глубины прогрева конструкции - метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях. ' "_ ^{J !},6;.ч;_Л;.'

3. Выведены эмпирические уравнения для бетокоз марок М 200 и М 400, которые позволяют по термическим поражениям в поверхностном слое (определяемым ультразвуковым и калориметрическим методами) и по глубине разложения гидроксида кальция (определяемой методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях) рассчитать длительность нагрева железобетонной конструкции.

4. Разработана комплексная методика, базирующаяся на применении ультразвукового метода, калориметрического метода и метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях, позволяющая проводить экспертные исследования бетонных конструкций во всем характерном для пожара диапазоне температур (100 - 1000 С) и определять не только зоны термических поражений, но и температуру и длительность нагрева (температурные и временные зоны), с последующим использованием полученной информации при поисках очага пожара.

Объекты исследования - бетонные строительные конструкции. Выбор бетона в качестве объекта исследования обусловлен тем, что он является основным материалом современного гражданского и промышленного строительства.

Предмет исследования

Изменения структуры и свойств бетонных конструкций при нагревании; аналитические методы применяемые для определения этих характеристик и выявления очаговых признаков пожара.

шЄТОДЬі ИССГїеДСВЗгїИЯ - \+/г13ИКО-ХИгЛиЧ8СКИЗ МеТОДЫ ИССЛСДССЗНИЯ OCTC'ri-

ных конструкций, в том числе: ударно-акустический, ультразвуковой, калориметрический и метод световой микроскопии в иммерсионных жидкостях.

Практическая значимость.

Разработана комплексная методика выявления очаговых признаков пожара на бетонных конструкциях. Внедрение предложенной методики позволит выявлять скрытые очаговые признаки и, исходя из этих данных, определять очаг пожара. В конечном итоге это повысит эффективность и достоверность установления причин пожаров, а сам факт формирования выводов эксперта на основе информации, полученной с помощью инструментальных методов, повысит их объективность и доказательную силу.

Существенным для практического использования является простота и экс-прессность методики, относительная дешевизна аппаратуры, что должно способствовать ее внедрению во всех заинтересованных практических подразделениях органов внутренних дел и Министерства юстиции.

На защиту выносятся:

- теоретически и экспериментально обоснованная методика калориметриче
ского исследования бетонных конструкций после пожара;

теоретически и экспериментально обоснованная методика послойного анализа бетонных конструкций методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях на месте пожара;

концепция комплексного использования ультразвукового, калориметрического и метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях для исследования бетонных конструкций, обеспечивающая получение информации о зонах

термических поражений, температуре и длительности нагрева конструкций в всем характерном для пожара-диапазоне температур.

Апробация и результаты исследования. Основные положения диссерт. ции, общие выводы и практичеркая применимость обсуждались на расширеї ном заседании кафедры специальных экспертиз и исследований Санк Петербургского университета МВД России.

Результаты исследования были доложены:

на конференции " Всероссийский конкурс III тур "(Белгород, БелГТАСМ, 1^ 16 декабря 1995 г.); .,.-.

на международной научно-практической конференции "Новые информаці онные технологии в практике работы правоохранительных органов" (Санк^-Петербург, СПбУ МВД России, 20 ноября 1998 г.);

на научно-практической конференции "Безопасность и экология Санк^-Петербурга" (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 11-13 марта 1999 г.);

на Всероссийской научно-практической конференции "Теоретические прикладные проблемы экспертно-криминалистической деятельности" (Санкі Петербург, СПбУ МВД России, 7-8 апреля 1999 г.).

Результаты работы использовались при определении очагов трех пожаро: произошедших в Санкт-Петербурге.

Публикации. Основные результаты и отдельные выводы диссертации от ражены в семи научных работах.

Стп-КТУПЯ И o6"V-.**M nafinTI-i Пмггаптаима гпгтлмт ич ппопоима ЧІЄСТМ ГЛЭ

заключения, библиографического списка использованной литературы и тре приложений. Общий объем диссертации составляет/63 страниц. Диссертаци содержит 7 таблиц и 33 рисунка, библиографический список использованно литературы включает 99 наименований.

Поведение бетонных строительных конструкций в условиях пожаров и изменения физико-механических свойств бетона

Признаки очага пожара весьма разнообразны, но во всех случаях определяются характером развития тепловых процессов, то есть условиями горения на пожаре, и зависят от вида и продолжительности теплового импульса, свойств горящих материалов взаимного их расположения и т. д.

Развитие пожара, как правшюг приводит к неравномерному разрушению конструкций, предметов и материалов. Это обстоятельство всегда используется при визуальном выявлении очаговых признаков и определении очага пожара. С местом наибольшего выгорания, разрушения обычно связывают расположение очага пожара. При этом полагают, что наибольшее разрушение обусловлено более продолжительным действием высокой температуры, то есть фактором времени. Чаще всего так и бывает, однако во всех случаях отождествлять зрну наибольших термических поражений и место возникновения пожара неправомерно.

Наиболее характерным очаговым признаком, образующимся за счёт восходящего конвективного потока продуктов горения, является " очаговый конус"[1, 18]. Вершина его обращена вниз, в сторону очага. В зависимости от конкретных условий пожара этот очаговый признак может быть выражен более или менее чётко. Особенно заметно влияние конвективных потоков в помещениях высотой 8-10 метров и более[19]. В невысоких помещениях, где температура по высоте распределяется более равномерно, признаки "конуса" могут сгладиться или будут мало заметны. Элементы "конуса" могут также отклоняться под влиянием воздушных потоков, возникающих в зоне горения.

Для бетонных, кирпичных и оштукатуренных конструкций и частей здания общими признаками, по которым можно судить о положении "очагового конуса", является изменением цвета, характер закопчения, отслаивания, образования трещин и местных разрушений. І Признаки "очагового конуса" (следы восходящего потока продуктов горения) можно обнаружить на вертикально расположенных конструкциях (стенах, перегородках) над очагом пожара.

Восходящим характером конвективных потоков объясняется также образование сосредоточенных разрушений, прогаров, деформаций конструкций и предметов непосредственно над очагом пожара. Этот признак также дает определенную ориентировку при установлении места возникновения пожара.

Образование признаков направленности горения, способствующих определению очага пожара, также связано с закономерностями тепловых процессов.

Под действием лучистой энергии происходит значительный односторонний (со стороны очага пожара ) нагрев и разрушение конструкций, предметов и материалов. Поверхности, обращенные в сторону очага, могут получить большие повреждения и ориентировать при определении направления распространения горения. Очевидно также, что наибольший прогрев и разрушение конструкций, предметов и материалов происходит, как правило, ближе к месту возникновения пожара. Объясняется это прежде всего фактором времени.. На более отдалённых участках горение возникает позже, поэтому на этих участках меньше и поражения.

В отличие от признаков, образующихся непосредственно в очаге пожара или над ним в пределах ограниченного участка, признаки направленности горения могут быть расположены на значительном расстоянии от очага, иногда в пределах всей зоны пожара.

Изложенное выше позволяет классифицировать признаки очага пожара при его визуальном определении следующим образом [1, 18]: - разрушение и следы горения в месте возникновения пожара; - признаки очага, образующиеся над местом возникновения пожара; - "очаговый конус"; - признаки направленности распространения горения. При выявлении очаговых признаков надо всегда учитывать, что их образование возможно при развитии горения не только из очага пожара, но и из вторичных очагов горения. Вторичные очаги горения могут возникать за счёт сосредоточения различных горючих материалов, более благоприятных условий для горения, на участках, где тушение осуществлялось менее эффективно, а так же в результате сочетания этих факторов.

Следует учитывать так же, что на пожаре может быть и несколько очагов. Чаще всего это бывает при поджогах.

Если архитектурно-строительные особенности являются благоприятными для развития пожара в пределах здания, тогда наибольшие разрушения могут образовываться не на участке возникновения пожара, а в другой части здания. Это так же необходимо учитывать при установлении очагалтожара.

В практике могут быть случаи, когда разрушения в очаге оказываются очень незначительными: или не сохраняются. Иногда признаки очага вообще не образуются, или они не могут быть выявлены визуально. Признаки очага в месте возникновения пожара могут не сохраниться, если горючая нагрузка выгорает на значительной площади или удаляется в результате разборки места пожара при его тушении. В этих случаях, а так же на крупных и сложных пожарах большое значение приобретает использование (в дополнение к визуальной оценке) физико-химических методов выявления скрытых очаговых признаков. Если положение очага пожара сомнений не вызывает, применение этих методов усиливает доказательное значение проведённых исследований.

Определение глубины карбонизированного слоя в бетоне колориметрическим методом

Рентгеновский фазовый анализ - традиционный метод исследования неорганических материалов [65, 66, 8Л, 82]. Он позволяет зафиксировать изменения фазового состава цементного камня, происходящие в результате описанных выше процессов. В работе [39] показана возможность сделать, это лишь на качественном уровне, но изменению размера линий на рентгенограммах, в частности, линии C3S (d=l,76 А), которая имеет тенденцию к увеличению с возрастанием температуры нагрева бетона. В работе [5,0] установлено, что достижим и количественный уровень оценки по соотношению отдельных дифракционных максимумов. Благодаря этому результаты рентгеновского фазового анализа позволяют выявлять на месте пожара зоны термических поражений конструкций из материалов с цементным связующим.

Рентгеновский фазовый анализ проводится на любом рентгеновском дифрактометре общего назначения. Для определения фазового состава неорганических строительных материалов может использоваться метод прямого сравнения соответствующих дифракционных максимумов по интегральной интенсивности. В работе [50] рекомендуется проводить съемку неорганических строительных материалов на основе цемента, извести, гипса при медном излучении (фильтр-никель), в диапазоне углов (8): от 6 до 35 град (съемка полной дифрактограммы) или от 6 до 17 град (съемка для расчета рентгеновских критериев). Съемка осуществляется с вращением образца и непрерывной регистрацией дифракционных максимумов. Естественно, возможны и другие варианты условий съемки.

Пробы перед исследованием просеивают через сито с диаметром ячейки 0,75 мкм для отделения песка. Просеянную пробу тщательно растирают в агатовой ступке. Затем навеску 5-10 г смешивают с клеем БФ-6 и полученную массу формуют в специальной оправке в виде таблетки. Высушенную при комнатной температуре таблетку помещают в держатель гониометра и проводят .съемку [67]. Из сказанного выше можно сделать вывод, что существенными недостатками рентгеновского фазового метода являются: - исследования проводятся не на месте пожара, а в лаборатории; высокая трудоемкость исследований; - нужно специальное дорогостоящее оборудование; - требуется поді отовленньш квалифицированный персонал.

Они проводятся на дериватографе [68, 69]. "Степень гидратации" и содержание карбонатов определяются расчетом потери массы по термогравиметрическай кривой при 600 и 1000 С [39, 43], Определенную информацию несет, по мнению авторов методики [39], и параметр, названный "глубиной эффекта на термограммах". Речь идет об эндоэффектах при 130-170 С (испарение воды), 470-490 С (он отнесен авторами к разложению гидроксида кальция) и 750-770 С (разложение карбоната кальция). Все указанные параметры последовательно уменьшаются по мере увеличения температуры предварительного прогрева бетона (табл. 1). Суть происходящих при этом процессов гоже, однако, не совсем ясна. Почему эндоэффекты, связанные с наличием Са(ОН)2 и СаСОз исчезают при температуре предварительного нагрева, примерно соответствующий температуре их разложения, вполне объяснимо, а вот почему они последовательно снижаются при значительно более низких температурах - от 100 С - это вопрос, авторами работ [39, 40] никак не разъясняемый.

Поэтому предложенная в работах [39, 40] методика, требует дальнейшего уточнения и доработки, и пока не. может быть использована в экспертных целях для определения зон термических поражений, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций.

Под термином "термолабильные компоненты" принято понимать нестабильные, разлагающиеся под действием температуры с выделением летучих веществ компоненты тех или иных веществ и материалов. В гипсовых материалах - это гидратные формы сульфата кальция, в материалах на основе цемента и извести - кальциевые гидросиликаты, содержащие кристаллогидратую воду, а также карбонаты кальция и магния. Очевидно, что, чем выше была температура нагрева материала на пожаре и, чем, соответственно, выше степень его термического поражения, тем больше разлагаются указанные компоненты и тем меньше будет убыль массы ліатрптлопа гтілт тэтчлтлтлттигчл тгг\ ттотчл тэ х лгглле ЯР ТЇТЇ ЇО ХМІСТІ- wi rj.civi X Ait -ГА i_ iupn ii і wj-VA w v пил pvuv л-f /vu w Ciricj iri ii.

В органических материалах вещества, удаляющиеся из них при нагревании до определенной температуры, называются "летучими веществами". По отношению к неорганическим веществам этот термин был бы не очень корректен, в самом деде, какие летучие вещества в бетоне или кирпиче Более удачен, термин "термолабильные компоненты", хотя и он, в данном случае, тоже не до конца точен - ведь в ходе анализа определяется содержание не всего термолабильного компонента (например, карбоната кальция), а только его удаляющейся при нагреве материала части (С02). Таким образом, название данного подраздела нужно понимать не буквально, а как термин, в определенной степени условный. Можно вместо него применять и другой термин, принятый в химии неорганических вяжущих - "потери при прокаливании (шш)[/и,/ij.

Методика определения остаточного содержания термолабильных компонентов описана в [4}. В работе используются керамические тигли № 4 с крышками. Перед проведением исследований их прокаливают в муфельной печи при температуре 800 С в течение І - 1,5 часов. Прокаленные тигли остужают в эксикаторе в течении 40 - 60 минут, взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,0001 г (Мі). Навеску исследуемого материала массой около 1,0 г (Мг) помещают в подготовленные вышеуказанным способом керамические тигли.

В том случае, если анализируется материал на основе цементного и известкового вяжущих, целесообразно провести вторую, дополнительную, стадию анализа. Она позволяет разделить цемент и песок - твердые компоненты цементного камня. Первый в результате химической обработки переходит в раствор, второй остается в твердом виде и количество его может быть определено взвешиванием.

Весовой метод определения остаточного содержания термолабильных компонентов

Влияние атмосферы, характерной для условий пожара, на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция изучали на образцах бетона М 200. Часткобразцов прогревалась ари обычной воздушной атмосфере, а часть была нагрета- в атмосфере продуктов неполного сгорания древесины, натуральных и синтетических тканей. Выбранные образцы нагревались от 100 до 1000 С с шагом 100 "С в течение 1 часа. Охлаждение производилось на воздухе. Тепловыделение обогащенных-проб,-полученных из предварительно прогретых в воздушной атмосфере образцов, сравнивалось с результатами, полученными для газовой среды, характерной для реального пожара.

Влияние различных температурно-влажностных условий пребывания бетонных конструкций после пожара на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция изучали так же на образцах бетона М 200. Влажность бетона, определенная высушиванием образцов при 105 С, составила у первой партии 1,5%, у второй - 1,2%. Выбранные образцы нагревались при 100 - 1000 С в течение 1 часа, охлаждались на воздухе или водой (погружением в воду на 20 - 30 сек) и затем отбирали пробы, обогащали их просеиванием через сито 100 мкм, и засыпали пробы в калориметрическую установку.

Тепловыделение проб полученных из образцов охлажденных водой сравнивалось с тепловыделением из образцов, охлаждавшихся на воздухе.

Математическая обработка экспериментальных данных производилась по Ст СЭВ 876-78 (см. п. З.1.2.).

Зависимость тепловыделения Q, Дж/г, от температуры прогрева при длительности нагрева , равной 1 часу, для гидроксида кальция (кривая 1) и быстротвердеющего портландцемента (кривая 2) приведены на рис. 18. В обоих случаях тепловыделение начинает резко возрастать от 350 С до 500 С. Это происходит из-за того, что между 350 и 510 С в предварительно прогретых образцах гидроксид кальция разлагается на вторичный оксид кальция и воду. Образовавшийся оксид кальция и дает прирост тепловыделения при последующей гидратации в сосуде Дюара. Далее у гидроксида кальция (см. Изменение теплоты гидратации оксида кальция в зависимости от температуры предварительного прогрева УООб - гидроксид кальция; 2 - быстротвердеющий портландцемент. кривая 1) наблюдается плавный рост тепловыделения до 850 С, после чего тепловыделение до 1000 "С практически не увеличивается. Небольшой рост тепловыделения от 600 до 1000 "С наблюдается и у быстротвердеюшего портландцемента (см. рис. 18 кривая 2). Рост тепловыделения выше 600 "С связан с тем, что в предварительно прогретых образцах начинает разлагаться карбонат кальция (СаСОз) на вторичный оксид кальция и углекислый газ (ССЬ). Образовавшийся оксид кальция в этом случае и вносит свой вклад в прирост

Общее количество выделившегося тепла (суммарное тепловыделение), как видно из рис. 19, убывает в ряду: быстро твердеющий портландцемент, портландцемент, раствор (портландцемент / песок - 1/1, 1/2, 1/3) и бетон М 200. Это обусловлено последовательным ростом содержания в ряду указанных материалов балластных (химически инертных) веществ (песка, крупного заполнителя), и убыванием содержания компонентов, образующих оксид кальция при термическом разложении (гидроксида и карбоната кальция).

Проявляется, судя по полученным данным, и влияние "возраста" образцов (времени, прошедшего с момента изготовления), так образцы из быстротвердеющего портландцемента и портландцемента были изготовлены за 1 месяц до испытаний, и в них достаточно большое количество гидроксида кальция, который ещё не прореагировал с СОг из воздушной атмосферы, поэтому такое высокое тепловыделение у первых двух кривых между 350 и

Образцы раствора портландцемент/песок в соотношении. 1/1 (кривая 3) были изготовлены за. 0,5 года до испытаний. Образны растворов портландцемент/песок в соотношении 1/2 и_.1/3 (кривые 4 и 5) имели возраст 1 год, т. е. количество гидроксида кальция в них было ниже, а карбоната кальция выше, т. к. часть образовавшегося первоначально гидроксида кальция уже карбонизировалась в течении года.

Изменение теплоты гидратации оксида кальция в зависимости температуры предварительного прогрева Образцы бетона М200 были изготовлены за 2 года до калориметрических испытаний, т. е. там процессы карбонизации прошли наиболее полно и эги образцы наиболее близки к реальным бетонным конструкциям, из которых гглртгллАиг) M urrLTA тт ттглл члл i_r TTTTT»xxtTi_T & опоина Для бетона M 200 (см. рис. 20) наблюдается небольшой рост тепловыделения между 350 и 650 С, но он лежит в пределах разброса показаний калориметрической установки, существенный рост тепловыделения прослеживается только посла 650 С, когда ужа количество вторичного оксида кальция увеличивается не только из-за дегидратации гидроксида кальция, но и из-за декарбонизации карбоната кальция. После 900 VC рост тепловыделения заканчивается, и от 900 до 1000 иС от температуры тепловыделение не зависит (см. рис. і 9).

На строительных, объектах можно встретить цементные кладочные растворы с соотношением цемент/песок - 1/2, 1/3 и бетонные конструкции, в основном марки М 200. Иа бетона М 200 изготавливается подавляющее большинство несущих стен внутренних перегородок и перекрытий в промышленных и жилых зданиях. Поэтому кривые 4, 5 и 6 (см. рис. 19). наиболее интересны при практическом использовании калориметрической методики на пожарах.

Влияние условий охлаждения на продвижение фронта разложения гидроксида кальция

На основании проведённых исследований сформирован комплекс методов анализа степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных строительных конструкций. В комплекс вошли три метода, в том числе два — впервые примененные в экспертизе пожаров;

Комплект аппаратуры включает в. себя прибор "Бетон - 22" (или подобный ему по техническим характеристикам) реализующий ультразвуковой метод, калориметрическую установку с набором оборудования (бюксы, эксикатор, сита 100 мкм, ступки, пестики) для калориметрических измерений и поляризационный микроскоп іШтН-8 с набором оборудования для световой микроскопии а иммерсионных жидкостях (предметныа и покровные стёкла, стандартный набор иммерсионных жидкостей). Общая схема методики представлена на рис. 29 . Применение комплекса методов обеспечивает на месте пожара: 1. Ультразвуком и калориметрией- - выявление зон термических поражений конструктивных: элементов зданий и сооружений,... в том числе и в местах полной дегидратации цементного камня (температура на поверхности конструкции более 700-800 С). 2. Комплекс всех-трех методов или двух (ультразвукового и. световой микроскопии в иммерсионных, жидкостях) - исследование проб, отобранных по глубина- определение длительности- высокотемпературного-(при температуре на поверхности конструкции-более 500-- С) теплового воздействиями выявление временных зон нагрева консгрукпий. В целом температурная зона информативности комплекса составляет 100 -1000 С (рис. 30); а объектами исследования - бетонные строительные конструкции из бетонамарок М 2QQrМ 30иг М 400, М 500 и М 600.

В зависимости от материальных возможностей отдельных экспертных подразделений и наличия в них названных выше приборов все три метода, предложенные в комплексе- можно использовать индивидуальна. Однако предпочтительнее использовать все три метода вместе, т.к. это позволит анализировать практически все характерные для пожара температурные зоны (рис. 30) и, в конечном счете повысит достоверность определения очага пожара.

Методика комплексного использования методов исследования бетонных сгнои іельных кснструющйнж месте пожара

Основные этапы работы.и методические принципы выявления очагалгожара на основе использования разработанного комплекса методов анализа термическога поражения температуры, и. длительности нагрева бетонных строительных изделий приведены ниже.

1. Проведение визуального осмотра места пожара. При осмотре необходимо дифференцировать, зону горения и зону задымленияг внутри зоны горения по визуальным признакам - последовательно убывающим (возрастающим) термическим поражениям - территориально (насколько это возможно) ограничить зону, а. которой следует предпринять поиски очага (очагов)- пожара.

2. На месте-пожара визуальным-осмотром выбирают конструкции дли обследования. Составляется план конструкции в масштабе и делается разметка для прозвучивания - на. плане и на. самой конструкции. Прозвучивание конструкций проводится с помощью УЗ-дефектоскопа "Бетон - 22" Шаг прозвуливания (расстояние между зонами, в которых производят измерения) выбирается в зависимости от степени, поражения и размеров конструкции, в пределах от 25 см до 1 метра.

Известно, что на- результаты, цршвучивания может оказывать влияние армирование бетона. Если направление распространения УЗ-вшты, и направление арматурного стержня совпадают, то скорость волны получается завышенной. Если же направление прозвучивания перпендикулярно к арматуре, то арматура не влияет на результаты измерений. Поэтому в намеченной точке конструкцию необходимо прозвучивать при двух взаимно перпендикулярных положениях ручки с датчиками и из полученных данных выбирают наибольшие значения времени прохождения УЗ-импульсов. Необходимо также учитывать наличиелг направление стыкав между плитами и панелями [2].

В том случае, если прозвучиванию подвергаются вертикальные конструктивные элементы (стены, колонны и т.д.), и целью исследования является выявление зон термических поражений на месте пожара, точки измерений желательно выбирать на одной высоте, прозвучивая стены по всему периметру помещения с шагом в 0,5 - 2 м (исходя из размеров помещения).

Для каждой выбранной точки конструкции на пожаре целесообразно проводить не менее 5-7 измерений и рассчитывать среднее значение времени прохождения поверхностной УЗ-волны (TR, МКС).

Кроме основных измерений, необходимо на однотипной конструкции, вне зоны горения, также определить среднее время прохождения ультразвуковых волн, которое принимается, за эталонное (TRO).

Затем рассчитывается относительная скорость УЗ-волны а каждой исследуемой точке - отношение, измеренной скорости к эталонной. Расчет проводят подформуле: CR/CRO = (TR - То)/( TRQ - то X (49) ГДЄR - время прохождения поверхностных волн в исследуемой точке, мкс; IRO - время прохождения поверхностных волн в непрогретой ча сти конструкции мкс; те- - время задержки УЗ -импудьса- в датчиках и соединительных кабелях, мкс. Время задержки импульса, то определяют, прижав датчики рабочими поверхностями друг к другу.

Рассчитанные значения относительной скорости CR/CRO наносят на план конструкции. Затем на плане выделяют зоны, в которых относительная скорость улыразвука находится в пределах 1,0-0,9; 0,9-0,8; 0,8-0,7; 0,6-0,7 и т.д. Зона наименьшей относительной скорости прохождения ультразвука будет ) г из соответствовать зоне наибольших разрушений конструкций под воздействием тепла [2].

Можно строить зоны термических, поражений исследуемых конструкций и не вычисляя относительную скорость, а нанося на план места пожара непосредственно величины времени прохождения УЗ-импулъса TR. В этом случае зоне наибольших разрушений будет соответствовать зона наибольшего времени прохождения УЗ-сигнала.

В случае необходимости, по относительной скорости- поверхностных волн и данным рис. 10 - 14, оцениваются, максимальные температурь до которых нагревались конструкции в. отдельных зонах помещения.

3. В зонах, где максимальные температуры на пожаре по данным УЗ-исследования превышают 650 С, с поверхности бетонной конструкции отбирают (скалывают молотком и зубилом) пробы для калориметрического исследования. Чтобы проба была представительная, а не зависела от того места где ее отобрали, не зависела от большего или меньшего количества заполнителя, нужно пробу обогащать, С этой целью образец бетона разрушают на мелкие кусочки и удаляют крупный заполнитель - гранитный щебень. Потом куски перетирают в фарфоровой ступке сначала фарфоровым, а затем резиновым пестиком, чтобы не разрушать цементные зерна. После чего, пробу просеивают через сито с диаметром отверстий 100 мкм. Цементный камень с размером зерен около 50 мкм:просеиваетсят а песок с размером 140 мкм и выше остается на сите. По данным световой микроскопии в иммерсионных жидкостях через сито проходит в среднем около 10 % дробленного песка. Но эта цифра постоянна для всех проб бетона.