Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования 12
1.1 Основные современные направления и требования обеспечения огнестойкости строительных конструкций 12
1.2 Повышение эффективности огнезащиты строительных конструкций и изделий путем совершенствования составов бетонов повышенной термостойкости
1.3 Применение вариатропных изделий для огнезащиты строительных конструкций 37
1.4 Цели и задачи исследования 38
2 Методология и методы исследований. обоснование выбора компонентов для бетона повышенной термостойкости 40
2.1 Методологические подходы к исследованию бетона повышенной термостойкости 40
2.2 Обоснование выбора компонентов для бетона повышенной 42 термостойкости с термодинамических позиций 2.3 Характеристика используемых материалов 53
2.4 Методика планирования эксперимента по подбору рационального состава бетона повышенной термостойкости 56
2.5 Методы исследований структуры бетона повышенной термостойкости 61
2.6 Методы испытаний физико-механических свойств бетона повышенной термостойкости
2.6.1 Определение средней плотности и прочностных характеристик бетона 64
2.6.2 Определение термостойкости бетона з
2.6.3 Определение теплопроводности бетона 66
2.6.4 Определение реологических свойств бетонной смеси 67
2.6.5 Методика исследования адгезионной прочности слоя бетона повышенной термостойкости и несущего слоя
в вариатропных изделиях 69
2.7 Определение предела огнестойкости вариатропной железобетонной плиты на основе теплофизического расчета прогрева бетона в условиях стандартного пожара 71
3 Результаты исследований свойств бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий 77
3.1 Определение рационального состава бетона 77
3.1.1 Оценка свойств компонентов бетона с термодинамических позиций 77
3.1.2 Влияние дисперсности шунгита на физико-механические характеристики и термостойкость бетона 80
3.1.3 Обоснование рационального состава бетона повышенной термостойкости с позиций теории протекания
3.2 Исследование изменений структуры бетона повышенной термостойкости после температурных воздействий 85
3.2.1 Влияние температурных воздействий на изменение элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита 85
3.2.2 Изменение нано-и микроструктуры бетона после температурных воздействий 87
3.2.3 Изменение макроструктуры бетона после температурных воздействий 91
3.3 Исследование физико-механических свойств бетона
повышенной термостойкости после температурных воздействий 93
3.3.1 Влияние температурных воздействий на прочностные характеристики бетона 93
3.3.2 Результаты оценки термической стойкости бетона 97
3.3.3 Исследование изменения теплопроводности бетона в зависимости от величины температурных воздействий. 99
3.4 Выводы 101
4 Оценка эффективности использования бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий 103
4.1 Исследование адгезионной прочности слоя бетона повышенной термостойкости и несущего слоя в вариатропных изделиях 103
4.1.1 Обоснование требований и исследование реологических свойств бетонной смеси для слоя бетона повышенной термостойкости в вариатропных изделиях 103
4.1.2 Оценка адгезионной прочности слоя бетона повышенной термостойкости и несущего слоя в вариатропных изделиях. 106
4.1.3 Влияние температурных воздействий на прочность контактной зоны слоя бетона повышенной термостойкости и несущего слоя вариатропных изделий 109
4.2 Предел огнестойкости вариатропной железобетонной плиты со слоем бетона повышенной термостойкости
4.2.1 Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты без огнезащитного покрытия ПО
4.2.2 Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты с применением огнезащитного покрытия повышенной 117
термостойкости с различной толщиной слоя
4.3 Технологический регламент изготовления вариатропных изделий со слоем бетона повышенной термостойкости 124
4 Технико-экономическая эффективность предложенных решений по огнезащите вариатропных железобетонных изделий 126
5 Выводы 129
Основные выводы 131
Библиографический список
- Повышение эффективности огнезащиты строительных конструкций и изделий путем совершенствования составов бетонов повышенной термостойкости
- Методы исследований структуры бетона повышенной термостойкости
- Исследование изменений структуры бетона повышенной термостойкости после температурных воздействий
- Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты без огнезащитного покрытия
Повышение эффективности огнезащиты строительных конструкций и изделий путем совершенствования составов бетонов повышенной термостойкости
Активные темпы проектирования и строительство уникальных высотных зданий и сооружений предопределили разработку и применение эффективных способов их огнезащиты.
Огнезащита - технические мероприятия, направленные на повышение огнестойкости и снижение пожарной опасности зданий, сооружений, строительных конструкций путем специальной обработки или нанесения покрытия (слоя) [25, 26]. Повышение предела огнестойкости строительных конструкций, прямо пропорционально повышению пожарной безопасности людей, находящихся на данном объекте, и достигается созданием требуемой огнезащиты.
Общеизвестно, что огнезащита является наиболее эффективным способом профилактики пожаров, а также и пассивным средством защиты от них. Она необходима для обеспечения пожарной безопасности и огнестойкости зданий и сооружений, снижения пожарной опасности различных материалов (отделочных и облицовочных, конструкционных и др.), конструкций и изделий [10]. Следует отметить, что существует также и активная огнезащита, при которой используются системы автоматического пожаротушения, пожарной сигнализации и др.
Огнезащита предназначена также для предотвращения возгорания, прекращения или замедления развития начальной стадии пожара и обеспечения его быстрой локализации. Она способствует ликвидации пожара, упрощает реализацию современных решений в строительстве [10].
Основные блоки огнезащиты - это средства огнезащиты, а именно огнезащитный состав или материал, обладающий огнезащитной эффективностью и предназначенный для огнезащиты различных объектов [26], технологии огнезащитной обработки и объект огнезащиты с огнезащитной обработкой (рисунок 1.1).
Из схемы, приведенной на рисунке 1.1, видно, что основной целью огнезащиты является объект с огнезащитной обработкой, пожарная безопасность которого должна соответствовать требуемому уровню защиты. Различают следующие способы огнезащиты [10]: 1) конструктивный способ огнезащиты - облицовка объекта огнезащиты материалами или аналогичные конструктивные решения по его огнезащите [26]. К данному способу относятся - покрытие объекта легкими эффективными штука-турками на основе термостойких минеральных материалов, облицовка строительных конструкций теплоизоляционными материалами, устройство теплоотражаю-щих экранов, увеличение поперечного сечения конструкций и т.д.; 2) комбинированный способ огнезащиты - сочетание различных способов огнезащитной обработки, которая выполняется с применением специальных огнезащитных средств путем нанесения их на поверхности конструкций [26]. К данному способу относятся пропитки, а также различные вспучивающиеся краски, лаки и эмали.
Основными инструментами для достижения поставленной цели (рисунок 1.1) являются применение качественных средств огнезащиты и полное соблюдение необходимого уровня технологии огнезащитной обработки, которые обеспечиваются контролем со стороны отдела государственного пожарного надзора Главного управления МЧС России (ОГПН ГУ ГПС МЧС России) при сертификации средств огнезащиты с лицензированием деятельности в области огнезащиты.
Как отмечалось ранее, железобетонные конструкции могут разрушаться не только вследствие прогрева сечений до критических температур и снижения прочности и устойчивости [27], но и вследствие взрывообразного разрушения бетона, приводящего к преждевременному наступлению предела огнестойкости строительной конструкции вследствие уменьшения размера бетонного сечения конструкции, уменьшения толщины или полной ликвидации защитного слоя рабочей арматуры [28]. Явление взрывообразного разрушения бетона встречается при интенсивном прогреве влажных конструкций, например, в подземных зданиях и сооружениях бетон может иметь повышенную влажность в условиях пожара, испытаний на огнестойкость и в других случаях. [4]. При этом взрывообразное разрушение бетона начинается, как правило, через 5-20 мин от начала огневого воздействия и проявляется с сильными звуковыми эффектами (хлопки, треск). Наблюдается откол от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона в виде пластин площадью примерно от 1 см до 0,5-1 м и толщиной от 1 мм до 5 см на расстояние до 10-15 м. Отколы распространяются на глубину от 5 до 10 см от нагреваемой поверхности бетона. Разрушение продолжается в течение всего огневого воздействия, в результате чего происходит уменьшение рабочего сечения конструкции, разрушение защитного слоя бетона, оголение рабочей арматуры конструкции, возникновение сквозных трещин и отверстий, резкое снижение предела огнестойкости всей конструкции, повышение риска обрушения объекта в целом [28].
Взрывообразное разрушение бетона в условиях пожара представляет собой значительную опасность для строительных конструкций и зданий в целом, и для обеспечения стойкости конструкций к этому явлению требуется разработка специальных мер [4, 29, 30].
Вероятность взрывообразного разрушения возрастает с увеличением влажности [11]. Описание данного явления подробное приведено в работах [31, 32, 33]. При пожаре взрывообразное разрушение бетона наиболее опасно для несущих конструкций, особенно для конструкций с небольшим поперечным сечением, например несущих колонн, панелей нижних этажей подземных сооружений, которые воспринимают большие нагрузки. Их преждевременное разрушение может вызвать обрушение других конструкций, а как следствие и здания (сооружения) в целом [11].
Возможность взрывообразного «хрупкого» разрушения бетона при пожаре оценивается по величине критерия хрупкого разрушения (F) [28], который рассчитывается исходя из физических параметров бетона: температурной деформации, модуля упругости, плотности, пористости, теплопроводности, эксплуатационной влажности и определяется по формуле:
Методы исследований структуры бетона повышенной термостойкости
Нанодифракционная электронограмма углерода шунгита, полученная методом растровой электронной микроскопии, представлена «в виде сферических многослойных фуллереноподобных глобул диаметром от 10 до 30 нм. Слева на рисунке 2.3 просматриваются флуоресцирующие фуллереноподобные сферические глобулы; справа - многослойные фуллереноподобные сферические глобулы с пакетами углеродных слоев при более высоком разрешении» [99]. Анализ полученных микрофотографий и рентгеноструктурных исследований показывает, что в углеродистом веществе шунгитовых пород выявлены фуле-реноподобные молекулы и системы, которые, как известно, обладают рядом уникальных свойств: высокими прочностью, плотностью, химической стойкостью и электропроводностью и др. Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены (рисунок 2.4) являются идеальными сорбентами и наполнителями [99].
Наличие фулереноподобных систем и предопределяет особые свойства шунгитового углерода, который, обладая высокой активностью в окислительно-восстановительных реакциях, биполярными свойствами и, как следствие этого, высокой адгезией и совместимостью со связующими, дает возможность создавать высоконаполненные композиции. При этом порошки шунгитовых пород совместимы при смешении со всеми известными веществами, в том числе и с водными суспензиями цементов. В данной работе осуществлен направленный подбор компонентов для композиционных бетонов повышенной термостойкости, являющийся основным способом повышения огнестойкости железобетонных конструкций на основе вариа-тропных изделий. Для этого проводились исследования на совместимость выбранных компонентов для бетонов, обладающих высокой термостойкостью.
Применен метод качественной оценки гидрофобных (LW) и гидрофильных (полярно - кислотно - основных - АВ) характеристик минеральных композиций.
Энергетическое состояние поверхности играет определяющую роль в процессах физико-химических взаимодействий частиц на границе раздела фаз. Свойства композиционных материалов зависят от уровня энергетического взаимодействия на границе раздела фаз «наполнитель - связующее», в частности определяемого межфазным взаимодействием [100].
В работах [101, 102] показан метод реализации критериальной модели термодинамической совместимости составляющих композиционных материалов по величинам их свободных поверхностных энергий. В теории адгезии критерием повышения совместимости /-го и j-го составляющих композиции является показатель снижения поверхностной энергии, оцениваемый показателем поверхностной энергии. Величины критериев позволяют дать оценку термодинамической совместимости составляющих композиционных материалов с позиции природы их энергетического взаимодействия на границе раздела фаз.
Показатель энергии поверхностного взаимодействия Д г/ являющийся равным работе адгезии щ с противоположным знаком / и у составляющих, образующих композиционный материал, рассчитывался по методу Ван-Осс-Гуда (VOG) -методу тестовых жидкостей [101, 102]: вместимость компонентов материала возможна в двух случаях - во втором и четвертом при соблюдении первого. Это положение подтверждается результатами ранее выполненных исследований в других работах [103, 104]. В настоящих исследованиях определялись условия направленного изменения поверхностных энергетических характеристик компонентов бетона повышенной термостойкости методом тестовых жидкостей.
Методической основой исследований являлся метод Ван-Осс-Гуда (VOG) -метод тестовых жидкостей. Использовались следующие компоненты бетона: шунгит, цемент, граншлак, асбест. При изучении энергетических характеристик поверхности этих материалов применялись тестовые жидкости с известными энергетическими характеристиками: вода, дийодметан, формамид [101]. Как было отмечено выше, свободная поверхностная энергия может быть представлена в виде трех составляющих: неполярной - Лившица-Ван-дер-Ваальсовой (ош) и двух полярных - кислотной (а+) и основной (а-).
Исследование изменений структуры бетона повышенной термостойкости после температурных воздействий
В соответствии с поставленной задачей осуществлялось изучение структуры бетона, подвергнутого однократному воздействию высоких температур. Сравнение результатов, полученных на «срезах бетонов» методом атомно-силовой микроскопии, позволило отметить следующее.
Сформировавшаяся наноструктура поверхности цементного камня эталонных образцов бетона, подвергнутых однократному воздействию высоких температур равной 700 С, характеризуется относительной их сглаженностью (рисунок 3.4, а), что является причиной снижения сцепления между слоями бетона и, соответственно, приводит к уменьшению его прочности.
Наноструктура поверхности цементного камня в зоне его контакта с зернами шунгита в бетоне повышенной термостойкости отличается большей шероховатостью и, соответственно, более развитой удельной поверхностью (рисунок 3.4, б), что, вероятно, и обеспечивает получение материала с более высокими показателями термостойкости. При температурных воздействиях от 900 С до 1100 С в бетоне повышенной термостойкости наблюдаются незначительные изменения структуры (рисунок 3.4, в), что косвенно подтверждается результатами механических испытаний прочностных показателей бетона.
Исследования микроструктуры показали, что при температуре 700 С в бетоне эталонного состава наблюдается формирование агрегированной структуры с частичным трещинообразованием (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 - Электронно-микроскопические снимки поверхности бетона после температурного воздействия 700 С (х 5000 раз)
Аагрегация структуры при температурном воздействии 700 С присутствует и в бетоне повышенной термостойкости. Наличие трещин не наблюдается. С увеличением температуры до 900 С (рисунок 3.6, а) в бетоне повышенной термостойкости степень агрегирования возрастает, что, вероятно, связано с началом вспучивания шунгита.
Визуально микротрещины не наблюдаются. Однако, снижение прочности бетона (см. п. 3.3.1) дает основание предполагать о накоплении дефектов в структуре. При температурах выше 1100 С происходит интенсивное вспучивание б) структура бетона после 1100 С
Электронно-микроскопические снимки поверхности бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия от 900 С до 1100 С (х 5000 раз) шунгита, структура цементного камня (рисунок 3.6, б) из гранулированной переходит в частично оплавленную с четко выраженными локальными плотными зонами. Формирование неоднородной структуры приводит к снижению прочности бетона (см. п.3.3.1). 3.2.3 Изменение макроструктуры бетона после температурных воздействий
Нано-и микроскопические исследования согласуются с оптическими исследованиями макроструктуры (рисунок 3.7).
Установлено, что существенные изменения в структуре бетона происходят при температуре более 900 С. Эти изменения связаны с появлением образований в виде агрегатов в структуре бетона (рисунок 3.7, г). На образцах отсутствуют микроповреждения в виде трещин и каверн. При температурном воздействии 1100 С на поверхности цементного камня четко просматриваются зерна вспученного шунгита (рисунок 3.7,е). В то же время наличия трещин и локальных разрушений не наблюдается (рисунок 3.7, д).
Таким образом, исследования структуры бетона повышенной термостойкости на различных масштабных уровнях позволили сделать следующее обобщение. При температурных воздействиях до 900 С существенных различий между структурой бетона эталонного состава и предлагаемого бетона повышенной термостойкости нет. При воздействии более высоких температур (вплоть до 1100 С) наблюдаются значительные различия в структурах этих бетонов. На наноуровне структура цементного камня бетона повышенной термостойкости уже при температурном воздействии 700 С по сравнению со структурой бетона эталонного состава имеет значительные различия, которые только усиливаются при температурном воздействии 900 С и 1100 С.
Результаты исследования наноструктур бетонов корреспондируются с результатами исследования их микроструктур. В то же время наблюдаются и некоторые различия. Так, для микроструктурных изменений цементного камня бетона повышенной термостойкости характерен переход при повышении температурного воздействия в интервале от 700 С до 1100 С от гранулированных структур к оплавленным. a)
Результаты оптических исследований макро-и микроструктуры бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия Макроструктурные исследования подтвердили и доказали наши представления об изменении структуры цементного камня и бетона повышенной термостойкости, которая просматривается на рисунке 3.7. При различных величинах температурного воздействия изменения макроструктуры бетона повышенной термостойкости согласуются с внешним видом представленных образцов, поверхность которых после температурного воздействия от 700 С до 1100 С сохраняет целостность структуры.
Образцы бетона повышенной термостойкости, подвергшиеся температурному воздействию 1100 С, после 8 циклов испытания сохранили целостность, не имели поверхностных трещин (рисунок 3.12, а) в отличие от образцов бетона эталонного состава (рисунок 3.12, б).
Отмеченные изменения свойств бетона, безусловно, связаны с его структурными преобразованиями (рисунки 3.6 и 3.7). Вероятно, сохранение целостности бетона повышенной термостойкости обусловлено в целом рядом факторов, а именно формированием изменений структуры контактного слоя между шунги-том и цементным камнем, изменением вязко-пластичных свойств цементного камня, а также пассивным регулированием процесса вспучивания шунгитовых частиц.
Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты без огнезащитного покрытия
Полученные результаты, определяющие требования к бетонной смеси и бетону повышенной термостойкости, предопределили технологию получения изделий вариатропной конструкции, которая нашла свое отражение в разработанном технологическом регламенте с применением предлагаемых бетонов повышенной термостойкости.
Реализуется послойное формование конструкций, осуществляемое по следующей схеме (рисунок 4.12). Перед началом работы заполняются расходные бункеры цемента, песка, щебеня, воды. Из склада 1 материалы - цемент, песок, щебень, вода - подаются в дозаторы 2. От дозированные компоненты попадают в смеситель принудительного действия 3.
После перемешивания готовая бетонная смесь подается в бетоноукладчик 5, который перемещается к посту формования 4, оснащенному виброплощадкой.
Бетонную смесь укладывают в подготовленную форму с заранее установленной арматурой. Затем отформованное изделие транспортируется на пост нанесения слоя бетона повышенной термостойкости 6. Из предварительно заполненных сырьевых бункеров склада 1 навески цемента, гранулированного шлака, шунгита, волокна хризатил-асбеста и воды подаются в смеситель принудительного действия 3. Приготовленная смесь подается в бетоноукладчик 5, с помощью которого наносится слой бетонной смеси повышенной термостойкости толщиной до 20 -40 мм. Нанесенный слой уплотняется вибробрусом 7. После предварительной выдержки изделия вариатропной конструкции поступают в ямную пропарочную камеру 8, где подвергаются тепловлажностной обработке. После обработки и остывания плиты перекрытия вариатропного строения распалубливаются и отправляются на склад.
Технико-экономическая эффективность предложенных решений по огнезащите вариатропных железобетонных изделий
Бетонные и железобетонные конструкции благодаря сравнительно небольшой теплопроводности бетона достаточно хорошо сопротивляются воздействию пожара, что в работе подтверждено расчетом предела огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты, который составил 64 мин.
Однако ввиду того, что современные железобетонные конструкции, как правило, выполняются тонкостенными и пустотными без монолитной связи с другими элементами здания, их способность выполнять свои функции по огнестойкости ограничена 1 ч, а иногда и менее того. В случае подземных сооружений, в которых бетон, как правило, имеет повышенную влажность, увеличение толщины защитного слоя бетона может не обеспечить желаемых результатов или даже привести к обратным результатам ввиду высокой вероятности взрывного разрушения бетона во время пожара. Повышения огнестойкости требуют и другие конструкции, например, кабельные каналы, элементы тоннелей и т.д.
Оценка технико-экономической эффективности проводилась, в том числе путем сравнения стоимости различных видов огнезащитных материалов применяемых для обеспечения требуемого предела огнестойкости железобетонной плиты перекрытия REI 150. Постановка задачи диктуется необходимостью соблюде 127
ния требований пожарной безопасности для зданий, имеющих разные функциональные зоны, т.е. помещения различной функциональной пожарной опасности. Например, согласно СП 4.13130.2013 п. 6.11.7 автостоянки легковых автомобилей допускается встраивать в здания других классов функциональной пожарной опасности I и II степеней огнестойкости класса СО и С1, за исключением зданий классов Ф1.1 зданий дошкольных образовательных организаций, Ф 4.1 зданий образовательных организаций, а также Ф5 зданий производственного и складского назначения категорий А и Б. При этом, автостоянки (включая механизированные) должны иметь степень огнестойкости не менее степени огнестойкости здания, в которое они встраиваются, и отделяться от помещений (этажей) этих зданий противопожарными стенами и перекрытиями 1-го типа. Согласно ФЗ № 123, табл. 23 перекрытия 1-го типа должны иметь предел огнестойкости REI 150.
Расчет технико-экономической эффективности от внедрения предложенных решений по огнезащите железобетонной плиты производился путем сравнения различных способов, материалов и сроков эксплуатации огнезащитных материалов, применяемых в настоящее время. Критерием эффективности являлась не только стоимость материала на 1 м поверхности плиты без учета работы по монтажу огнезащиты, но также срок службы огнезащиты, обеспечивающий технический эффект, в качестве которого выступал требуемый предел огнестойкости для противопожарных перекрытий 1-го типа - REI 150.
Для сравнительного анализа технико-экономических показателей использовались следующие огнезащитные материалы.
Покрытие из бетона повышенной термостойкости. Технико-экономическая эффективность разработанного бетона повышенной термостойкости оценивалась на основе сравнения, в том числе с огнезащитными материалами, производимыми фирмой ООО «Кроз». Данные материалы прошли сертифицированные и экспериментальные испытания по определению огнестойкости железобетонных конструкций согласно методикам, разработанным совместно с Академией Государственной противопожарной службы МЧС России.
