Огнестойкость трубобетонных конструкций

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1% национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и убытков от них. В то же время отмечается снижение внимания проектных организаций к выполнению противопожарных требований норм в процессе проектирования и контроля за их выполнением при строительстве и реконструкции зданий [1].

Согласно СНиП 21−01−97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений», здания и сооружения, выделенные противопожарными стенами и перекрытиями, подразделяются по степеням огнестойкости, классам конструктивной и функциональной пожарной опасности.

Степень огнестойкости здания и сооружения определяется пределом огнестойкости его железобетонных несущих и ненесущих конструкций. Предел огнестойкости железобетонной конструкции устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или двух нормирующих для данной конструкции признаков предельных состояний: потерей несущей способности, потерей теплоизолирующей способности, а также проверки по потере целостности — возможности взрывоопасного разрушения влажного бетона при огневом воздействии.

Класс конструктивной пожарной опасности определяется степенью участия железобетонной конструкции в развитии пожара и образованием его опасных факторов. Класс функциональной пожарной опасности здания и сооружения и их частей определяется назначением и особенностями размещаемых технологических процессов.

Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуатационные функции.

Бетон представляет собой, как известно, искусственный камень. Для получения монолитного твердого бетона очень важным является количество воды, которым затворяется смесь из заполнителей и цемента. Количество воды для приготовления бетонной смеси оценивается водоцементным отношением, т. е. отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси. Для химического соединения воды с цементом необходимо, что бы водоцементное отношение было 0,2. Однако, по техническим соображениям — для достижения достаточной подвижности бетонной смеси — количество воды берут с некоторым избытком. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют водоцементное отношение 0,5−0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют это отношение 0,3−0,4 [2]. Следовательно, в бетоне всегда имеется избыточная, химически несвязанная вода. Часть этой воды впоследствии вступает в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а часть заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя.

Обычно в бетонах заполнители занимают до 80% всего объема, а на объем цементного камня — не менее 20%. Микро — и макропоры занимают до 40% объема цементного камня или около 8% от всего объема бетона [4].

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной. Она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебнем различной крупности, пронизанного большим числом пор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют три фазы — твердая, жидкая и газообразная [2].

Всесторонние исследования трубобетона приходятся на 50−60 гг. XX-го столетия [3].

На рис. 1 представлен трубобетонный элемент с различными способами армирования.

Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более вынослив, менее подвержен механическим повреждениям.

а) без дополнительного армирования бетонного ядра; б) дополнительное армирование гибкой арматурой; в) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде трубы; г) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде уголков; д) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде дутавра Водоцементное отношение бетона составляет 0,35 — 0,6. Прочность бетонного ядра стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с обычным бетонным образцом. Кроме этого, исследованиями установлено, что бетон в трубе набухает. Причиной набухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой [3]. Но из этого также следует, что избыточная химически несвязанная вода не имеет возможности испаряться и находится в порах и капиллярах бетона.

Рассмотрим подробнее физический процесс, который будет проходить с водой при нагревании трубобетонной конструкции.

Согласно [4] в бетоне различают поры гелевые, контракционные и капиллярные. Гелевые поры образуются в результате испарения адсорбционно-связанной воды; капиллярные поры образуются в результате испарения химически несвязанной воды в процессе твердения бетона. Капиллярные поры занимают основную по объему часть порового пространства. При твердении бетона в замкнутом пространстве (в стальной обойме трубобетонных элементов) химически несвязанная и абсорбционно-связанная вода, занимая все поровое пространство, не имеет возможности испаряться. Только контракционные поры оказываются незаполненными водой, но, как следует из [4], объем их невелик по сравнению с объемом гелевых и капиллярных пор. Поэтому в бетоне трубобетонных элементов можно ожидать наличие свободной воды до 8% от всего объема. Вода при нагревании превращается в пар и в результате повышается давление внутри стальной обоймы, что приводит к возникновению в ней растягивающих напряжений. При максимальных растягивающих напряжениях относительная деформация углеродистых сталей доходит до 15%, что приводит к увеличению внутреннего объема обоймы (для трубчатых элементов такое увеличение составит 22,5%). Этот добавочный объем может заполняться паром.

Например, в трубобетонном элементе в 1 м³ бетона может содержаться 0,08 м³ воды или примерно 80 кг. При нагревании воды в и превращении её пар, последний может занимать объём.

V = 0,08 + 0,225 = 0,305 м³ .

По уравнению Менделеева-Клапейрона 5].

РV = RT ,.

Откуда.

Р = RT = = 4,5 Па = 45 МПа ,.

где Р — давление пара; m = 80 кг (масса воды); R = 8,31 Дж/мольK (универсальная газовая постоянная); T = 373K (абсолютная температура кипения воды); V = 0,305 м³ (объем, занимаемый паром); = 18 кг/моль (масса моля воды).

Полученное давление способно разрушить стальную обойму. Например, в стальной трубе диаметром D = 300 мм и толщиной стенки = 3 мм давление 45 МПа вызывает растягивающие напряжения равные у = ==2250 МПа.

Это напряжение почти на порядок выше предела прочности стали. Чтобы обеспечить возможность испарения химически несвязанной и абсорбционно-связанной воды в процессе твердения бетона, авторы предлагают устраивать в стальной оболочке отверстия. На рис. 2 представлен строительный трубобетонный элемент, состоящий из перфорированной стальной гнутой оболочки, заполненной бетоном. Пожарная безопасность (огнестойкость) предложенного решения такая же, как у традиционных железобетонных конструкций, но значительно выше трубобетонных из-за наличия отверстий (перфораций).

огнестойкость железобетонный нагревание.

Библиографический список

• 1. Баратов А. И., Пчелинцев В. А., Пожарная безопасность: Учебное пособие. — М.: Изд. АВС, 1997.
• 2. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. железобетонные конструкции: Общий курс: Учебник для вузов. — 5-е издание, переработанное и дополненное — М.: Стройиздат, 1991.
• 3. Кикин А. И., Санжаровский Р. С., Трулль В. А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном — М.: Стройиздат, 1974.
• 4. Баженов Ю. М. Технология бетона. — Москва, 2003.
• 5. Савельев И. В. Курс физики. том 1.Механика. Молекулярная физика — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1989.