On the Issue of Ensuring the Durability of Products and Structures Made of High-Strength Concrete to Explosive Destruction

Full Text

В конце второго тысячелетия благодаря интенсивному развитию научных методов строительного материаловедения и прогрессивных разработок химической промышленности область конструкционных тяжелых бетонов за рубежом, а затем и на территории Российской Федерации была расширена высокопрочными цементными композитами с пределом прочности при сжатии более 60–80 МПа [1, 2]. В ходе изучения последствий ряда инцидентов, связанных с пожарами вблизи железобетонных конструкций, а также в результате научно-исследовательских работ было выявлено, что характер разрушения высокопрочного бетона при воздействии открытого огня отличается от механизма деструкции обычного тяжелого бетона. Различие выражается главным образом во взрывообразной потере целостности конструкций из высокопрочного бетона при резком нагреве во время пожара [3–6 и др.] (рис. 1).

 

Рис. 1. Последствия взрывообразного разрушения бетона: а – наружная стена здания, источник огня – воспламенившийся трактор; b – огневое взрывообразное разрушение бетонной крыши гаража, источник огня – горящие автомобили, фото Роберта Янссона [7]; c – конструкции тоннеля Монблан после пожара 1999 г. [8]

Fig. 1. Consequences of explosive destruction of concrete: а – the outer wall of the building, the source of fire is an ignited tractor; b – fire explosive destruction of a concrete garage roof, the source of fire is burning cars, photo by Robert Jansson [7]; c – the construction of the Mont Blanc tunnel after the fire in 1999 [8]

 

Авторы научных работ преимущественно сходятся во мнении, что мгновенное разрушение высокопрочного бетона в виде взрыва происходит из-за значительного повышения давления испаряющейся воды в его поровой структуре при нагреве. Однако в отдельных литературных источниках выдвигается предположение [9–12], что высокое поровое давление является своеобразным спусковым крючком взрывного откола бетона при сочетании c высокими термическими напряжениями. Таким образом, механизм разрушения определяется двумя параллель- но влияющими факторами – термомеханическим и термогидравлическим [6]. Термомеханический фактор учитывает наличие термических напряжений в бетоне, которые могут быть вызваны как градиентом температуры при неравномерном нагреве, так и воздействием внешних нагрузок, прикладываемых к расширяющемуся при нагревании бетону. Термо- гидравлический фактор связан с переносом водяного пара внутри пористой структуры бетона. С повышением температуры, при недостаточном объеме внутреннего порового пространства, сообщающегося с поверхностью, давление пара в порах резко увеличивается. Таким образом, в бетоне происходит рост внутренних напряжений, и если давление пара превышает прочность бетона при растяжении, происходит взрывное разрушение.

В пользу теории о первостепенности избыточного порового давления в явлении взрывообразного разрушения говорят результаты научно-исследовательских работ, проведенных Испытательным центром научно-исследовательского института «УралНИИстром». Целью исследования являлось определение показателей физико-механических характеристик высокопрочных бетонов класса по прочности В80 и выше в нагретом до 100–800^оС состоянии. Перед испытанием предела прочности при сжатии образцы нагрева- ли в муфельной печи до заданной температуры. В ходе подготовительных работ было обнаружено, что образцы, нагреваемые со скоростью 150^оС/ч до температуры 380–410^оС, разрушаются взрывообразно даже без приложения внешней механической нагрузки. Последовательный подбор режима нагрева, позволяющего обеспечить выдержку образцов при температуре выше 400^оС без разрушения позволил установить оптимальную скорость подъема температуры – 30–50^оС/ч (в зависимости от конечной температуры выдержки). Данный режим нагрева сопоставим с сушкой до постоянной массы. Также было установлено, что бетоны, подвергнутые нагреву по режиму сушки не разрушаются взрывообразно даже в момент приложения к ним сжимающей нагрузки и имеют предел прочности при сжатии до пяти раз ниже, чем в ненагретом стоянии (рис. 2).

 

Рис. 2. Образцы тяжелого бетона класса В80: а – естественной влажности до нагрева (сверху) и нагретые до 400оС со скоростью 150оС/ч (снизу); b – после сушки до постоянной массы и испытания на призменную прочность в нагретом до 800оС состоянии

Fig. 2. Samples of heavy concrete B80: а – natural humidity before heating (up) and heated to 400^оС at a speed of 150^оС/h (down); b – after drying to constant weight and testing on prismatic strength in a condition heated to 800^оС

 

Таким образом, при прочих равных условиях высокопрочные бетоны, обладающие даже естественной влажностью, без дополнительных мер защиты могут иметь склонность к взрывообразному разрушению в составе любых типов конструкций, независимо от наличия воздействующих на нее механических нагрузок.

В большинстве известных публикаций по тематике взрывообразного разрушения бетона рассматривается не только природа данного процесса, но и предлагаются способы снижения вероятности его протекания. Наиболее популярным способом является введение в состав бетона выгорающей полимерной фибры [3, 5, 8, 13]. Полимерное волокно повышает устойчивость высокопрочных бетонов к взрыво- образному разрушению, главным образом за счет образования в бетоне каналов трубчатой структуры после плавления полипропиленового волокна при температуре 160^оС. Образование разветвленной системы таких каналов в структуре бетона способствует снижению внутреннего давления пара, образующегося при испарении физически и адсорбционно связанной воды из цементного камня.

Помимо полимерной фибры, для снижения склонности бетона к взрывообразному разрушению и раскалыванию вследствие воздействия повышенной температуры в работе [14] предложено использование металлической фибры отдельно или совместно с полимерной. Результаты исследования показывают, что применение только стальной фиб- ры практически не имеет положительного эффекта. Использование только полимерной фибры позволяет практически избежать взрыва, а при совместном применении стальной и полимерной фибры, помимо повышения стойкости к растрескиванию и взрывообразному разрушению, композиты приобретают наибольшую прочность при сжатии. Широкое распространение такого метода увеличения огнезащитных свойств может способствовать не только повышению уровня безопасности сооружений и конструкций на основе высокопрочного бетона, но и оказывать положительное влияние на процессы рециклинга многотоннажных маловостребованных отходов. Например, существуют исследования, посвященные применению стальной и полимерной фибры, изготовленной из переработанных автомобильных покрышек, для эффективного повышения стойкости бетона к огневому взрывообразному разрушению [15].

Высокопрочные бетоны могут противостоять взрывообразному разрушению при нагреве и без модификаторов в виде стальной и полимерной фибры. На стойкость материала влияет множество факторов – водоцементное отношение, отношение крупного заполнителя к вяжущему, влажность бетона, вид (микрокремнезем, зола-уноса, доменный гранулированный тонкомолотый шлак) и количество активных минеральных добавок, скорость нагрева бетона и т. д. При определенных комбинациях данных факторов можно достигнуть стойкой структуры высокопрочного бетона, способной выдержать внут- ренние напряжения, вызванные термофизическими и термогидравлическими процессами без потери целостности [14].

В каждом конкретном случае при проектировании состава бетона и железобетонных конструкций должны приниматься меры по обеспечению надлежащего уровня их пожарной безопасности. Согласно положениям Федерального закона № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» основными критериями обеспечения конструктивной пожарной безопасности являются три предела огнестойкости строительных конструкций: по потере несущей способности (R), потере теплоизолирующей способности (I) и потере целостности (E). Согласно положениям закона № 123-ФЗ необходимо выполнять проверку соответствия проектных конструктивных решений нормируемым пределам огнестойкости путем проведения огневых испытаний или апробированными расчетными методами. Методики расчета нормируемых критериев регламентирует СП 468.1325800.2019 «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности». Однако, как отмечают авторы данного документа и предшествующего ему СТО 36554501-006–2006 «Правила по обес- печению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций», ввиду пробелов в понима- нии поведения при пожаре относительно новых материалов, к которым относятся высокопрочные бетоны, на данный момент отсутствуют сведения о корректных коэффициентах условий их работы в данной среде. В работе [17] отмечено также, что согласно положениям технического кодекса Еврокод 2 (Проектирование ЖБК. Часть 1–2. Общие правила. Определение огнестойкости), высокопрочные бетоны подвержены интенсивному взрывообразному разрушению при пожаре и на данный момент уста- новить пределы огнестойкости по целостности для конструкций на их основе расчетным методом не представляется возможным. Таким образом, мож- но сделать вывод, что проектирование зданий из высокопрочного бетона в части пожарной безопасности на данный момент осуществляется в большей степени формально.

В качестве методики для лабораторных испытаний пределов огнестойкости железобетонных конструкций чаще всего принимаются методы из ГОСТ 30247.0–94 и ГОСТ 30247.0–91, разработанных для унифицированных серийных конструкций и малоприменимых для монолитного домостроения. Авторы работы [17] указывают на принципиальные отличия в конструктивных условиях работы сборных и монолитных железобетонных конструкций в условиях пожара и аргументированно делают вывод о несостоятельности данных методик для прогнозирования пределов огнестойкости конструкций, выполненных способом монолитного бетонирования.

С учетом неуклонно возрастающего темпа применения как монолитной технологии бетонирования, так и высокопрочных бетонов при возведении зданий и сооружений становится очевидно, что существующих на данный момент мер по обеспечению пожарной безопасности новых объектов строительства уже недостаточно [18]. В частности, проблема взрывообразного разрушения не рассматривается вкупе с возможностью потери целостности и несущей способности конструкции при пожаре, несмотря на важнейший аспект – угрозу жизни и здоровью эвакуирующихся из здания людей.

Представляется целесообразным разработать новую методику, позволяющую рассчитать и оценить параметры безопасности монолитной железобетонной конструкции по критерию наличия или отсутствия у бетона конструкции склонности к взрыву под воздействием повышенной температуры. Новая методика должна включать в себя обязательные лабораторные испытания склонности бетона к взрыво- образному разрушению методами, доступными для воспроизведения в испытательных лабораториях бетона и железобетона. Наличие такой методики позволит осуществлять подбор состава высокопрочного бетона, обеспечивая, помимо требуемых в соответствии с заданием физико-механических характе- ристик, его стойкость к взрывообразному разрушению во время пожара.

Содержание проводимых испытаний должно принципиально отражать поведение образцов бетона естественной влажности, характерной для предусмотренной проектом среды эксплуатации, при нагреве со скоростью, соответствующей кривой пожара, как в условиях отсутствия внешней нагрузки, так и с учетом ее приложения. Например, в работе [15] для оценки влияния стальных и полипропиленовых волокон на снижение склонности бетонной конструкции к взрывообразному разрушению при пожаре использовали метод нагрева образца с площадью обогреваемой поверхности 500×200 мм трехсопловой паяльной лампой под воздействием сжимающей нагрузки (рис. 3).

 

Рис. 3. Испытание на взрывообразное разрушение бетона при нагреве: а – испытательная установка; b – образцы после испытания и охлаждения [15]

Fig. 3. Test for explosive destruction of concrete when heated: а – test installation; b – samples after testing and cooling [15]

 

В качестве основы для разработки отечественной методики можно использовать метод испытаний, описанный в п. 6 ГОСТ Р 53295–2009 с некоторыми изменениями. За образец вместо стальной пластины размерами 600×600×5 мм, покрытой слоем огнезащиты, можно принять бетонную плиту с сечением 600×600 мм и толщиной не менее 100 мм. Критерием наличия у бетона стойкости к взрывообразному разрушению можно считать сохранение целостности образца по результатам испытаний (по отсутствию сквозных трещин, по потере массы, соответствующей показателю потери массы при прокаливании, и по другим признакам).

Специалисты научно-исследовательского института ООО «УралНИИстром» при подборе составов специальных видов бетонов применяют метод определения целостности бетона при длительном воздействии открытого огня на образцах-кубах размерами 15×15×15 см (рис. 4).

 

Рис. 4. Испытание на взрывообразное разрушение бетона при нагреве открытым пламенем по методике, разработанной ООО «УралНИИстром»

Fig. 4. Testing the explosive destruction of concrete when heated by an open flame according to the method developed by UralNIIstrom LLC

 

Данную схему испытаний на практике применяли для определения эксплуатационной стойкости бетона плит амбаров горизонтальных факельных установок. При проведении испытаний скорость подъема температуры на поверхности образцов контролируют с помощью инфракрасного пирометра.

При условии дополнительных исследований повторяемости результатов этого метода возможна его адаптация и внедрение в качестве стандартного испытания бетона на стойкость к взрывообразному разрушению при нагреве. Назначение режимов нагрева образцов бетона для данной методики рационально осуществлять, основываясь на стандартных температурных кривых пожара по ГОСТ Р ЕН 1363-2–2014. Разработанная методика, прошедшая процедуру адаптации и валидации, может быть задокументирована в форме государственного стандарта.

Для высокопрочных бетонов, наиболее склонных к взрывообразному разрушению при пожаре, целесообразно также внедрить показатель, характеризующий их способность сохранять целостность при нагреве по температурному режиму, соответствующему условиям пожара, и внести его в тексты нормативно-технических документов ГОСТ 7473–2010, ГОСТ 59714–2021, ГОСТ 26633–2015, ГОСТ 31914–2012 и ГОСТ 27006–2019.

Учитывая вышеизложенные недостатки существующих нормативных требований к проектированию в части пожарной безопасности зданий и сооружений, авторы считают необходимым инициировать процесс совершенствования нормативной базы, в основу которого будут заложены результаты исследований свойств и характера поведения высокопрочных бетонов в условиях пожара с учетом опасности их взрывообразного разрушения.

About the authors

R. Ya. Akhtyamov

“Ural Research Institute of Building Materials” LLC

Author for correspondence.
Email: sekr@7359808.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Chelyabinsk

R. M. Ahmed’yanov

“Ural Research Institute of Building Materials” LLC

Email: lab@2170812.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Chelyabinsk

E. A. Gamaliy

“Ural Research Institute of Building Materials” LLC

Email: eagamaliy@mail.ru

Candidate of Sciences (Engineering) 

Russian Federation, Chelyabinsk

G. F. Averina

“Ural Research Institute of Building Materials” LLC

Email: avergf@gmail.com

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files