Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Обстановка с пожарами в Российской федерации в период с 1995 по 2007 гг. 11
1.2 Высокопрочный бетон в современном строительстве и эффективность его применения 19
1.3. Специфика разрушения высокопрочного бетона в результате температурного воздействия при пожаре 23
113.1ч. Ёзрывообразное разрушение бетона 23
1.3.2. Влияние вяжущего и заполнителей на свойства высокопрочного бетона при воздействии высоких температур 27
1.3.3. Влияние воздействия высоких температур пожара на прочностные и деформативные характеристики высокопрочного бетона 32
1.4. Диаграмма деформирования бетона на сжатие при нагреве 40
1.5. Воздействие высоких температур при пожаре на конструкции, выполненные из высокопрочного бетона 421.6. Способы и методы защиты железобетонных конструкций от воздействия высоких температур пожара 49
1.7. Проблема повышения огнестойкости и пожарной безопасности зданий повышенной этажности 53 Цели и задачи исследования 57
ГЛАВА 2. Материалы и методика проведения экспериментальных исследований 58
2.1. Характеристика исходных материалов 58
2.2. Методика экспериментальных исследований 62
2.2.1. Стандартные методы испытаний 63
2.2.2. Испытания образцов высокопрочного бетона на воздействие высоких температур при пожаре 65
ГЛАВА 3. Изучение методов повышения прочности высокопрочного бетона при воздействии высоких температур при пожаре 72
3.1. Определение основных направлений исследования 72
3.2. Оценка поведения высокопрочного бетона класса В80 после воздействия высоких температур пожара 73
3.2.1. Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80 73
3.2.2. Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80, предварительно высушенный до постоянной массы и защищенный от последующего попадания влаги 76
3.2.3. Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80 с добавлением полиамидных волокон 78
3.2.4. Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80 с добавлением кристаллогидратов Na2S04* 10Н20 80
3.3. Диаграмма «напряжения - деформации» высокопрочных бетонов 86
Выводы по главе
ГЛАВА 4. Оценка несущей способности железобетонных конструкций при пожаре и после его воздействия 95
4.1. Диаграмма деформирования высокопрочного бетона на сжатие в условиях воздействия пожара 95
4.2. Определение требуемой толщины защитного слоя бетона для безопасной эксплуатации железобетонной конструкции при пожаре на примере железобетонных колонн 105
4.3. Оценка воздействия высоких температур при пожаре на несущие железобетонные колонны из высокопрочного бетона . 111
4.4. Исследование возможности эксплуатации железобетонных конструкций после воздействия пожара 123
4.5. Определение прочностных и деформативных характеристик высокопрочного бетона при пожаре и после его воздействия 131
4.5.1. Экспериментальное определение прочностных и деформативных характеристик высокопрочного бетона 131
4.5.2. Расчетное определение прочностных характеристик высокопрочного бетона во время воздействия пожара и после его воздействия 139
4.6. Оценка экономической эффективности применения рекомендуемых способов защиты высокопрочного бетона от взрывообразного разрушения при пожаре 144
Выводы по главе 4 149
Основные выводы 150
Список литературы
- Высокопрочный бетон в современном строительстве и эффективность его применения
- Испытания образцов высокопрочного бетона на воздействие высоких температур при пожаре
- Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80
- Диаграмма деформирования высокопрочного бетона на сжатие в условиях воздействия пожара
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с ростом городов и численности их населения во многих странах, в том числе и в России, все более выраженной в последние годы становится тенденция строительства зданий повышенной этажности различного назначения в условиях плотной городской застройки. Значительная часть конструктивных элементов таких зданий выполняется из высокопрочного бетона.
В то же время за последнее десятилетие отмечается рост количества пожаров. Ежегодно их происходит около 10 млн., что влечет за собой гибель более 65 тыс. человек, ранения — более 250 тыс., а также огромный материальный ущерб, который по оценкам специалистов превышает сотни миллиардов рублей.
Одной из главных причин гибели людей и ущерба от пожаров является обрушение строительных конструкций. Ярко выраженным недостатком высокопрочного бетона является потеря им своих высоких физико-механических свойств при воздействии высоких температур. Характерной особенностью высокопрочного бетона кроме этого также является его взрывообразное разрушение, что может привести к частичному или полному разрушению конструкции. Разработка мероприятий по защите высокопрочного бетона от такого разрушения позволит защитить несущие железобетонные конструкции от такого разрушения и, следовательно, обеспечит требуемую огнестойкость при воздействии высоких температур пожара.
Для безопасной эксплуатации в зданиях и сооружениях бетонные и железобетонные конструкции должны быть обеспечены с требуемой надежностью от возникновения всех видов предельных состояний расчетом, выбором показателей качества материалов, назначением размеров и конструированием. При расчете огнестойкости железобетонных конструкций используют диаграммы деформирования бетона на сжатие от кратковременного огневого воздействия, построенные с учетом изменения свойств бетона в нагретом состоянии при пожаре и в зависимости от изменения относительного нормативного сопротивления бетона сжатию.
В случае необходимости определения состояния конструкции после пожара используют диаграммы деформирования бетона при сжатии после кратковременного огневого воздействия, т.е. в охлажденном состоянии, которые построены в зависимости от изменения относительного расчетного сопротивления бетона сжатию.
В настоящее время нормативная документация предлагает расчетные данные и диаграммы деформирования тяжелого бетона класса В60 и ниже во время воздействия пожара, а также после него. Поскольку в последнее время все чаще при возведении зданий повышенной этажности используются высокопрочные бетоны, то актуальной задачей является разработка диаграмм для высокопрочного бетона класса В70 — В90 и выше, позволяющих проектировщикам и конструкторам получить необходимые данные при расчете и проектировании конструкций с учетом возможного воздействия пожара.
Таким образом, изучение поведения высокопрочного бетона, получение диаграмм его деформирования при пожаре, защита структуры бетона путем направленного изменения его физико-механических свойств и прочностных характеристик при воздействии высоких температур пожара является актуальной проблемой, оптимальное и окончательное решение которой на сегодняшний день пока еще не получено и не обосновано.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является развитие научных представлений о формировании структуры высокопрочного бетона, предотвращающей его взрывообразное разрушение при воздействии пожара, исследование основных закономерностей влияния пожара на прочность и деформативность высокопрочных бетонов и разработка диаграмм деформирования бетона классов В70 — В90.
Задачи исследования:
исследовать возможность снижения внутрипорового давления в высокопрочном бетоне при высокотемпературном воздействии посредством введения выгорающих полиамидных волокон, удаления физически связанной воды высушиванием с последующей герметизацией и введением кристаллогидратов, выделяющих при нагреве значительное количество воды с поглощением большого количества тепла;
уточнить основные закономерности формирования температурных полей в конструкциях из высокопрочного бетона при воздействии пожара;
изучить основные закономерности изменения предела прочности при сжатии и параметров диаграммы «напряжения - деформации» высокопрочных бетонов классов В70 — В90, в том числе модифицированных кристаллогидратами и полиамидными волокнами, при воздействии пожара;
разработать нормативные диаграммы деформирования высокопрочного бетона классов В70 - В90 после воздействия пожара;
определить значения остаточной несущей способности железобетонных конструкций, выполненных из высокопрочного бетона, при воздействии пожара (на примере железобетонных колонн, нагруженных со случайным эксцентриситетом).
Научная новизна работы заключается:
- в развитии научных представлений о модифицировании структуры высокопрочного бетона, препятствующей его взрывообразному разрушению при воздействии высоких температур пожара, за счет введения выгорающих полиамидных волокон, кристаллогидратов, либо за счет обезвоживания с последующей герметизацией;
формулировании основных технологических принципов получения вы- . сокопрочного бетона, обеспечивающих предотвращение его взрывообразного разрушения при воздействии высоких температур пожара;
полученных зависимостях формирования температурных полей и изменения прочности и параметров диаграммы «напряжения — деформации» высокопрочных, в том числе модифицированных, бетонов классов В70 — В90 в зависимости от параметров пожара и геометрии конструкции;
предложенных нормативных диаграммах деформирования высокопрочного бетона класса В70 — В90 на сжатие после воздействия пожара.
Практическая значимость работы:
разработаны составы высокопрочного бетона, препятствующие его взрывообразному разрушению при воздействии пожара;
получены экспериментальные диаграммы деформирования высокопрочного бетона классов В70 - В90 при сжатии после воздействия пожара, и на их основе разработаны нормативные диаграммы деформирования для расчета железобетонных конструкций;
получена зависимость кинетики прогрева и определены параметры защитного слоя бетона с учетом его теплофизических характеристик, при которых в течение расчетного времени температура арматуры в железобетонных конструкциях остается ниже критической в случае возникновения пожара;
определена остаточная несущая способность железобетонных колонн в зависимости от продолжительности пожара, геометрии сечения, класса бетона и коэффициента армирования;
разработаны рекомендации по защите высокопрочного бетона от взрывообразного разрушения при пожаре и определению остаточной несущей способности железобетонных колонн.
Реализация результатов.
Разработанные в настоящей работе «Рекомендации....» были рассмотрены на заседании проектной организации ООО «Севкавнипиагропром» и рекомендованы к применению.
Достоверность исследований обеспечена:
использованием методик, регламентированных действующими стандартами, поверенного оборудования;
испытанием необходимого количества контрольных образцов- близнецов, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при погрешности не более 10 %;
использованием современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных конференциях: «Строительство», в 2005 — 2007 гг. (Ростов-на-Дону).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ общим объемом 0,94 п.л., в том числе 4 — без соавторов, 2 — в рецензируемых изданиях.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка используемой литературы из 186 наименований, изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 28 таблиц, 11 приложений.
Работа выполнена под руководством доктора технических наук, профессора Несветаева Г.В.
Автор выражает благодарность за советы и помощь доктору технических наук, профессору Маиляиу Д.Р.
Высокопрочный бетон в современном строительстве и эффективность его применения
Существующие международные и национальные стандарты по пожарной безопасности устанавливают качественные и количественные методы оценки горючести и пожарной опасности веществ и материалов. Однако это не позволяет, по-видимому, эффективно бороться с пожарами, количество и ущерб от которых нарастает во всем мире [8, 15, 16]. Отечественные и зарубежные [19, 21, 105, 141] исследования последних лет убедительно доказывают зависимость количества пожаров и потерь от них от численности и «удельной энерговооруженности» населения, удвоение которых каждые 13 лет - объективный факт [19, 22].
По данным МЧС РФ [186], оперативная обстановка с пожарами в Российской Федерации в период с 1995 по 2005 год характеризуется следующими основными показателями: - зарегистрировано 2 823 000 пожаров, из которых 1 940 300 пожаров (68,7 %) приходится на городскую часть страны; - погибли 178 109 человек, в том числе при пожарах в городах — 102 361 человек (57,5 %); - получили травмы различной степени тяжести 152 988 человек, из них 106 945 (69,9 %) человек во время пожаров в городах; - прямой материальный ущерб составил 30 889,2 млн. .руб., из которых 18 314,7 млн. руб. (59,3 %) приходятся на долю городов.
В 2006-2007 гг. в Российской Федерации зарегистрировано 429 733 пожара, на которых погибло 32989 человек (из них 1295 детей), травмировано 27025 человек, а материальный ущерб составил 16,45 млрд. рублей.
Итоговая статистика по пожарам и гибели людей в Российской Федерации с 1995 по 2005 год представлена на рис. 1.1 и 1.2.
Таким образом, на примере анализа пожаров, произошедших в Краснодарском крае в период с 1995 по 2005 гг., можно сделать вывод о нижеследующем. Предъявляемые требования к зданиям повышенной этажности, несущие конструкции которых выполняются зачастую из высокопрочного бетона, недостаточны для обеспечения безопасности при возникновении пожара. Несмотря на недостаточное вооружение пожарной охраны специальной техникой, способной производить тушение на большой высоте, системы автоматического пожаротушения и противопожарной защиты не могут гарантировать безотказное срабатывание в случае пожара и обеспечить тем самым безопасность жизни и здоровья людей, количество которых с увеличением этажности зданий значительно возрастает (рис. 1.12).
В последнее время в России и во многих странах мира получает развитие и все более широкое применение технология высокопрочных бетонов. В нашей стране основные научные разработки в области высокопрочных бетонов принадлежат И.Н. Ахвердову, Ю.М. Бабкову, В.В. Баженову, В.Г. Батракову, О.Я. Бергу, Ш.Т. Бабаеву, A.B. Волженскому, Г.И. Горчакову, С.С. Гордану, B.C. Демьяновой, А.И. Звездову, С.С. Каприелову, П.Г. Комохову, В.И. Калашникову, Г.В. Несветаеву, А.И. Панченко, Б.Г. Скрамтаеву, Н.И. Сытнику, А.Е. Шейкину и многим другим [6, 7, 11, 46, 77, 109, 124, 125, 126].
Получение высокой прочности бетона в короткие сроки стало возможным при появлении и расширении применения высокомарочных и быстротвердею- щих цементов, заполнителей хорошего качества, технически совершенного оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры. К материалам, используемым для приготовления высокопрочного бетона, предъявляются повышенные требования, обеспечивающие получение бетона нужной прочности при максимально возможной экономии цемента.
Существуют несколько точек зрения по определению границы между обычными и высокопрочными бетонами [6, 7, 11, 12]. В существующей документации бетон с пределом прочности на сжатие более 60 МПа называется высокопрочным.
По мнению А.Е. Шейкина [125] и Б.Г. Скрамтаева [11], для получения высокопрочных бетонов необходимо применять высокомарочные цементы, обогащаемые непосредственно перед замесом домолом, ускорители твердения, а также низкое водоцементное отношение при жесткой консистенции смеси.
По мнению О.Я. Берга [11], предел прочности при сжатии высокопрочного бетона должен составлять не менее 40 МПа, при его изготовлении на высокоактивных портландцементах с нормальной густотой цементного теста не более 25-26 % и активностью не ниже 50-60 МПа, с применением зерен песка от 0,14 до 5 мм. Для ускорения твердения и повышения прочности С.А. Миронов [66], рекомендует применять песок с отсеянными мелкими фракциями — 0,6 мм и менее, а также, добавку хлористого кальция.
И.Н. Ахвердов [6] считает, что к высокопрочным бетонам следует относить бетоны не ниже класса В45, приготовленные на плотных заполнителях любой крупности с цементом активностью не менее 40 МПа. По мнению Б.Х. Бештокова [12], высокопрочными следует называть бетоны, предел прочности которых больше, чем у применяемого в нем цемента.
Ю.М. Баженов [7], обобщая представленные выше данные, считает, что получение особо плотной, прочной и монолитной структуры бетона можно достигнуть при выполнении ряда условий. К таким условиям относятся: применение высокомарочных цементов и заполнителей; предельно низкое водоцементное отношение; применение суперпластификаторов и комплексных добавок, способствующих получению плотной структуры бетона; особо тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси; создание наиболее благоприятных условий твердения бетона. Температура воздуха 20-25 С при влажности 100 %, по мнению Ю.М. Баженова, являются наилучшими условиями для твердения высокопрочного бетона.
Проведенный литературный анализ [6, 7, 9, 10, 35, 44, 47, 77, 78, 81, 104, 107, 117] показал, что возможно изготовление бетонов с пределом прочности 80-140 МПа при использовании стандартных материалов, выпускаемых отечественной промышленностью при снижении водоцементного отношения до значения 0,35 и ниже. Такие бетоны сочетают в себе высокие показатели прочностных свойств (предел прочности на сжатие около 120 МПа), темпов твердения с требуемыми показателями строительно-технических свойств, имеют высокие физико-механические характеристики, такие как: морозостойкость Б700 и выше; водонепроницаемость W16 и выше; водопоглощение 0,5-1 %; истираемость гу не более 0,2-0,3 г/см ; высокая сопротивляемость проникновению хлоридов и высокая газонепроницаемость.
Конструкции из высокопрочного бетона и условия их эксплуатации предъявляют к бетону повышенные требования к сопротивлению различного рода воздействиям. При этом высокая прочность и долговечность бетона должны быть связаны с получением максимально плотной и однородной структуры, в которой минимизированы значения пористости и дефектности во всех его элементах.
Таким образом, современная технология получения высокопрочного бетона основана на нескольких главных составляющих: низкое водоцементное отношение, использование химических добавок и применение высокоэффективных заполнителей. В отличие от обычных тяжелых бетонов, важную роль играют физико-механические характеристики заполнителя, которые, могут ограничивать прочность бетона.
Испытания образцов высокопрочного бетона на воздействие высоких температур при пожаре
При проведении исследований изучалось воздействие высоких температур на высокопрочный бетон согласно ГОСТ 30247.0-94 (2003) и ГОСТ 30247.1-94 [25, 26].
Для проведения исследований использовалась печь камерная газоотапли- ваемая типа ГТКГ-0,5ПС (рис.2.1).
Проект печи разработан в соответствии со СНиП 2.04.08-87 «Правила безопасности в газовом хозяйстве» [112]. Основным видом топлива для данной печи является природный газ Оренбургского месторождения. Также возможна ее эксплуатация на сжиженном газе-пропане от баллонов. Основные технические характеристики печи представлены в табл. 2.8.
В процессе испытания в печи создавался стандартный температурный режим, характеризуемый зависимостью [25]: Г-7 3451ё(8г + 1), (2.3) где Т — температура в печи, соответствующая времени /, С; Т0 - температура в печи до начала теплового воздействия (принималась равной температуре окружающей среды), С; т — время, исчисляемое от начала испытания, мин. Основные технические данные и характеристики печи типа ПКГ-0,5ПС Оценка температуры в огневой камере печи производилась при помощи контролера температуры (рис. 2.2).
Температуры, соответствующие зависимости (2.3), а также допускаемые отклонения от них средних измеренных температур приведены в табл. 2,9 [25].
Образцы состава, предложенного в табл. 2.10, помещались в огневую камеру печи (рис. 2.4). После этого в печи создавался температурный режим по зависимости 2.3. На рис. 2.3 представлены скорость нагрева и остывания огневой камеры и бетонных образцов, температура которых замерялась при помощи лазера пирометра.
Испытания проводились в два этапа. Первая партия образцов выдерживалась в камере печи под воздействием температуры в течение часа, а вторая - в течение трех часов. Остывание образцов после воздействия температуры осуществлялось в камере печи в течение 30 мин. и далее — на открытом воздухе. После извлечения образцов из огневой камеры, производился контроль скорости их остывания при помощи лазера пирометра, а также контроль прочности методом неразрутающего контроля, позволяющим ориентировочно определить
Зависимость температуры в печи от времени нагрева Состав бетона прочность без разрушения образца. Прочность бетона оценивалась по скорости прохождения через него ультразвука по ГОСТ 17624 «Ультразвуковой метод определения прочности» [31].
В экспериментах использовался прибор «Бетон-32». Для обеспечения надежного аккустического контакта между бетоном и рабочей поверхностью щупов применялись контактные графитовые смазки, позволяющие производить высокотепературные замеры.
Время распространения волны (х), мкс, измерялось как способом сквозного, так и поверхностного прозвучивания.
При определении пределов прочности бетона по результатам неразрушающего контроля методом сквозного ультразвукового прозвучивания принимается функция в виде формулы (2.5) [181]: Я = ЬУХ (2.5) где Ъ — эмпирический коэффициент; V — скорость прохождения ультразвука; х= 3,8.
Необходимо отметить, что на зависимость Я-и по-разному влияют многочисленные технологические факторы: количество, тип и зерновой состав заполнителей, использование добавок и т.д.
При достижении образцами нормальной температуры 20 С они испыты- вались по стандартным методикам. Вид (состояние) образцов после температурного воздействия показан на рис.2.4, 2.5.
ГОСТ — стандартная температурная кривая по ГОСТ 30247.0-94 [25]; Т в камере 60 мин. — температура в печи в процессе нагрева в течение 60 минут; Т в камере 180 мин. - температура в печи в процессе нагрева в течение 180 минут; Т образца 60 мин. - температура поверхности образца при нагреве в течение 60 минут; Т образца 180 мин. — температура поверхности образца при нагреве в течение 180 минут; Т образца сред. — средняя температура образцов при нагреве
Тенденции увеличения доли высокопрочных бетонов в современном строительстве ставят вопросы по обеспечению пожарной безопасности зданий и сооружений. Поскольку, высокопрочный бетон является основным составляющим элементом несущих конструкций, то он должен воспринимать расчетные нагрузки, как при нормальной эксплуатации, так и в случае возникновения пожара.
Существующие способы по огнезащите железобетонных конструкций разнообразны, но в большинстве своем дорогостоящи, а иногда и малоэффективны [99, 102, 104]. Оценка состояния железобетонных конструкций после пожара [36, 43, 58, 99] ставит вопрос о целесообразности защиты бетона, поскольку, конструкции в любом случае претерпевают значительные разрушения. Восстановление таких конструкций после огневого воздействия связано с высокими трудозатратами, требует существенных материальных вложений и временных затрат.
В настоящей работе автором исследовалась возможность защиты высокопрочного бетона на стадии его изготовления от возможного разрушения в случае возникновения пожара. Другими словами, путем незначительного изменения состава и структуры бетона была предпринята попытка обеспечить его стойкость к воздействию высоких температур при пожаре в течение трех часов, а также в процессе остывания после температурного воздействия.
В экспериментальной части основное внимание уделялось бетону класса В80, модернизированного в нескольких вариациях. Подробное описание эксперимента представлено в главе 2.
Выбор продолжительности температурного воздействия был основан исходя из минимальных требований по огнестойкости несущих конструкций, согласно СНиП [111] и максимальным показателям степени огнестойкости, разработанным в МГСУ [56]. Таким образом, минимальный показатель предела огнестойкости составил 60 минут воздействия пожара, а максимальная продолжительность огневого воздействия была принята равной 180 минутам.
В процессе проведения исследований определялись и оценивались такие показатели высокопрочного бетона как: - прочность на сжатие; - модуль упругости и деформации бетона; - скорость прохождения ультразвука в процессе остывания бетона для анализа изменчивости прочности во времени.
Исследование воздействия высоких температур пожара на высокопрочный бетон класса В80
В данном разделе автором исследовалось поведение высокопрочного бетона класса В80, предварительно высушенного до постоянной массы и защищенного от последующего попадания влаги путем полной его герметизации.
Бетон, предварительно высушенный при температуре 105 С в течение 72 часов, не имеет в своей структуре свободной воды. Последующая его герметизация от попадания влаги позволяет бетону находиться в таком состоянии длительное время. В процессе нагрева высокопрочного бетона, предварительно высушенного до постоянной массы, не происходит значительного повышения давления в его порах ввиду отсутствия свободной воды, что позволяет сохранить его структуру и прочностные характеристики более длительное время.
На рис. 3.3 показана скорость остывания бетона после воздействия температуры. Зависимость скорости прохождения ультразвука в высокопрочном бетоне класса В80 при поверхностном прозвучивании в процессе остывания после температурного воздействия показана на рис. 3.4.
Зависимость скорости прохождения ультразвука при поверхностном прозвучивании в высокопрочном бетоне, предварительно высушенном до постоянной массы, в процессе остывания после огневого воздействия в течение 160 и 180 минут соответственно
В данном случае (рис. 3.4), также наблюдается некоторое увеличение прочности высокопрочного бетона в процессе остывания, подвергнутого перед этим температурному воздействию в течение 60 минут, наблюдается при температуре 150-170 С. В численном выражении прочность получается несколько ниже, чем это наблюдалось у «эталонного» высокопрочного бетона (рис. 3.2).
В данном разделе автором исследовалось поведение высокопрочного бетона класса В80 с добавлением полиамидных волокон.
Идея добавления в структуру высокопрочного бетона полиамидных волокон основана на следующем. В процессе пожара под воздействием высоких температур, волокно, находящееся в бетоне, выгорает, освобождая тем самым каналы в его структуре. Эти каналы способствуют свободному выходу влаги и паров воды из бетона, снижая тем самым вероятность увеличения давления в его порах. При наилучшем подборе доли полиамидных волокон может быть достигнута наиболее эффективная структура высокопрочного бетона, способная сохранять его прочностные характеристики более продолжительное время при пожаре. В состав высокопрочного бетона класса В80 добавлялись полиамидных волокна из расчета 1 % от массы цемента, что составляет порядка 6,3 кг/м . Количество волокна определялось экспериментально. Известные на сегодняшний день результаты, полученные В. Кустери, В. Линдбауером, Ш. Хансером, изучавшими воздействие пожара на бетон класса В40 с добавле о нием полиамидных волокон от 1,5 до 3 кг/м не дали ожидаемых результатов [150].
На рис. 3.5 показана скорость остывания бетона после воздействия температуры. Зависимость скорости прохождения ультразвука в высокопрочном Динамика остывания высокопрочного бетона класса В80 с добавлением полиамидных волокон после огневого воздействия в течение 60 и 180 минут соответственно 250 Температура, С
Зависимость скорости прохождения ультразвука при поверхностном прозвучивании в высокопрочном бетоне класса В80 с добавлением полиамидных волокон в процессе остывания после огневого воздействия в течение 60 и 180 минут соответственно
Повышение прочности высокопрочного бетона с добавлением полиамидных волокон в процессе остывания после температурного воздействия в течение 60 и 180 минут (рис. 3.6) происходит при более низких температурах, по сравнению с предыдущими результатами.
В данном разделе автором исследовалось поведение высокопрочного бетона класса В80 с добавлением кристаллогидратов Na2S04 10H20 в условиях пожара.
Добавление в структуру бетона кристаллогидратов Na2S04 10H20 основано на следующем предположении. Вещество Na2S04 ЮН20 содержит значительное количество воды, которая при пожаре будет испаряться за счет дегидратации кристаллогидратов. При этом выделяется значительное количество тел пла (2260 кДж/кг) и бытового газа (0,3 м /кг), за счет чего на некоторое время прекращается нагрев бетона выше температуры испарения воды — 100 С. В состав высокопрочного бетона класса В80 добавлялось вещество Na2S04 10H20 в количестве 6 % от массы цемента, что устанавливалось опытным путем в процессе эксперимента.
На рис. 3.7 показана скорость остывания высокопрочного бетона класса В80 с добавкой Na2S04 10H20 после воздействия температуры. Зависимость скорости прохождения ультразвука в высокопрочном бетоне класса В80 с добавкой Na2S04 10H20 в процессе остывания после температурного воздействия показана на рис. 3.8.
Диаграмма деформирования высокопрочного бетона на сжатие в условиях воздействия пожара
Из диаграммы, представленной на рис. 4.1, видно, что при увеличении времени воздействия пожара на высокопрочный бетон его прочность значительно уменьшается. С повышением температуры разница прочностных значений бетона увеличивается. Это объясняется тем, что при воздействии пожара на высокопрочный бетон в течение 60 минут, максимальная температура окружающего воздуха достигает 925 С [25, 26]. При данной температуре нагрев бетона прекращается и он постепенно остывает. В случае воздействия пожара на высокопрочный бетон в течение 180 минут, он основную часть времени подвержен температурам порядка 900-1100 С, что, естественно, сказывается на его прочностных и деформативных характеристиках как во время, так и после температурного воздействия.
На рис. 4.4 представлена диаграмма деформирования тяжелого бетона класса В60 по нормативным данным [115] и аналогичная диаграмма для высокопрочного бетона класса В80, полученная автором по результатам эксперимента. Обращает на себя внимание идентичность показателей для бетона класса В60, при температуре 700 С и высокопрочного бетона класса В80 при температуре 900 С. Другими словами, следствием повышения класса бетона является улучшение его характеристик при условии отсутствия его взрывообразного разрушения.
Расчетная диаграмма деформирования бетона на сжатие после нагрева ( бетон класса В80 с добавлением полимерных волокон после воздействия пожара в течение 60 минут, бетон класса В80 с добавлением полиамидных волокон после воздействия пожара в течение 180 минут)
Как видно из рис. 4.7, несмотря на различное время воздействия пожара, результирующая разница в прочности бетона остается постоянной независимо от температуры окружающей среды. Однако, как было показано выше (рис. 4.4), высокопрочный бетон класса В80 без добавления полимерных волокон, в аналогичной ситуации ведет себя несколько иначе.
Это можно объяснить тем, что бетон с добавлением полимерных волокон защищен от разрушения своей структуры за счет выхода водяных паров из пор бетона (см. главу 3) и, следовательно, не подвержен взрывообразному разрушению. Таким образом, его структура сохраняется постоянной в течение более продолжительного воздействия пожара. Эти утверждения лишний раз доказывает его расчетная диаграмма на рис. 4.7.
Расчетная диаграмма деформирования бетона на сжатие после нагрева (— - бетон класса В80 с добавлением кристаллогидратов Na2S04 10H20 после воздействия пожара в течение 60 минут, бетон класса В80 с добавлением кристаллогидратов Na2S04 10H20 после воздействия пожара в течение 180 минут)
Как и в случае добавления полимерных волокон, кристаллогидраты Na2S04 10H20 способствуют сдерживанию взрывообразного разрушения бетона за счет его охлаждения. Разница в прочности на сжатие такого бетона, подверженному температурному воздействию в течение 60 и 180 минут соответственно, составляет порядка 2-3 МПа при температуре 300 С, 5 МПа при 500 С и порядка 7-10 МПа при 900 С.
Расчетная диаграмма деформирования бетона на сжатие после нагрева в течение 180 минут ( бетон класса В80, бетон класса В80 с добавлением полиамидных волокон, — — бетон класса В80 с добавлением кристаллогидратов Ма2804 10Н20)
В приложении Д (рис. Д4-Д7) предложены нормативные диаграммы для высокопрочных бетонов класса В70 — В90 после воздействия пожара.
Таким образом, по результатам проведенного эксперимента были получены расчетные диаграммы деформирования высокопрочного бетона класса В80, а также предложены нормативные диаграммы для бетонов класса В70 — В90 после воздействия высоких температур при пожаре. В нормативной документации на сегодняшний день представлены расчетные диаграммы деформирования тяжелого бетона только классов В60 и ниже. Следовательно, полученные диаграммы могут быть рекомендованы к применению. Кроме того, в настоящем разделе приведены также и расчетные диаграммы для высокопрочного бетона класса В80 с добавлением полиамидных волокон, а также и для бетона класса В80 с добавлением кристаллогидратов №2804 10Н20. Такие добавки способствуют защите высокопрочного бетона от взрывообразного разрушения при пожаре, но не всегда существенно сохраняют его прочность после окончания температурного воздействия.
Несущая способность железобетонных колонн в случае потери арматурой своих свойств резко снижается, в связи с чем, поскольку при температуре выше 500 С начинается текучесть стали, нагрев рабочей арматуры до указанного предела в колоннах недопустим. Исходя из этого положения, определены параметры (толщина в зависимости от теплофизических свойств бетона) защитного слоя, при которых температура арматуры не достигает предельного значения в течение заданного предела огнестойкости. На основе статистической обработки значительного массива данных, полученных в исследованиях и заимствованных в опубликованных работах, получена зависимость, позволяющая определить температуру бетона в зависимости от координаты сечения Н, продолжительности воздействия пожара т, коэффициента температуропроводности бетона а
