Особенности поведения и пожарная опасность строительных материалов, конструкций: поведение каменных материалов в условиях пожара.
Все каменные материалы можно разделить на природные и искусственные. Природные (естественные) каменные материалы получают из горных пород путём механической их обработки ( дробления, распиловки, шлифовки, полировки) или без обработки. Горные породы состоят из одного или нескольких минералов.
Минералы – это неорганические природные вещества, обладающие определённым химическим составом, однородным и характерными физическими свойствами. К числу главных породообразующих минералов относятся кремнезём ( кварц), глинозём, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, карбонаты, сульфаты.
По геологическому происхождению горные породы делят на три группы: – изверженные (или магматические, или первичные) – образовались в ходе вулканической деятельности из застывшей магмы; – осадочные (или вторичные) – образовались путём разрушения первичных горных пород и остатков организмов; – метаморфические (видоизмененные) – образовались путём изменения первичных и вторичных пород под влиянием высоких температур и давлений.
Достоинствами природных каменных материалов являются : высокая прочность, долговечность, водостойкость и морозостойкость, хорошие декоративные качества. К недостаткам можно отнести малое временное сопротивление растяжению и изгибу, большая объёмная масса. Указанные качества определяют область применения природных каменных материалов в строительстве.
- грубообработанные (бут, щебень, гравий, песок); – блоки и стеновые камни; – камни и плиты для облицовки; – камни для гидротехнических сооружений; – дорожные (брусчатка, плиты, бортовые камни); – кислотоупорные изделия.
Щебень Гравий Песок Бут (дробление ( природный путь горных пород) выветривание, реки)
Бордюрный камень Дорожные плиты Брусчатка
Стеновые камни (слева - диабаз)
Искусственные каменные материалы бывают безобжиговые и получаемые обжигом. 1-е - (бетоны, железобетоны, растворы, асбестоцемент, силикатные и гипсовые изделия ) получают соединением минерального вяжущего вещества, воды и заполнителя из горных пород. 2-е получают путём обжига сырья из естественных каменных материалов при высоких температурах или нагрева сырья до расплавления с последующим охлаждением (керамика, стекло, шлаки, минеральные расплавы ).
Бетон – это композиционный материал, матрицей является цементный камень с включёнными в неё зёрнами мелкого и крупного заполнителя. Вяжущие вещества (цемент) – это порошкообразные вещества, которые при затворении водой дают пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов постепенно затвердевать и переходить в камневидное тело. Вяжущие делят на: – неорганические (минеральные): гипс, воздушная и гидравлическая известь, портландцемент, жидкое стекло. – органические: битумы, дёгти, асфальты, полимеры.
Цементный раствор = песок + вода + цемент. мелкий вяжущее заполнитель Бетон = щебень + песок + вода + цемент. крупный мелкий вяжущее заполнитель заполнитель
Для производства бетонных и железобетонных конструкций широко применяется портландцемент – продукт тонкого измельчения клинкера, который получают обжигом до спекания сырьевой массы (75–78 % известняка и 25–22 % глины). Стадии производства портландцемента: 1) добыча сырья и доставка его на завод; 2) подготовка сырья к обжигу (подсушивание шлама); 3) обжиг сырьевой смеси (получение гранул клинкера; Тмакс. обжига 1500 С ); 4) выдерживание клинкера на складе (1…2 недели); 5) измельчение клинкера в тонкий порошок; 6) магазинирование (вылёживание) цемента.
Портландцемент – это улучшенный вид вяжущего для бетона. Быстротвердеющий портландцемент 500 и 600 отличается высокой скоростью твердения, потому его добавляют в бетон для производства ответственных и массивных конструкций как подземных, так и наземных сооружений. Наиболее распространенным является портландцемент 400. Он универсален в применении: для создания монолитных и сборных железобетонных элементов с повышенными требованиями прочности, при этом значительно не уступает характеристикам ПЦ500.
Сульфатостойкий вид вяжущего используют для приготовления смесей, которые участвуют в создании подводных конструкций. Такие наиболее подвержены разрушающим воздействиям агрессивных сульфатных вод. Пластифицированный портландцемент марки 300-600 значительно улучшает пластичные свойства раствора, его прочностные характеристики, позволяет экономить 5-8% вяжущего, по сравнению с обычным цементом.
Примерное весовое соотношение компонентов бетонной смеси: 1 часть цемента, 4 – щебня, 2 – песка, 1/2 – воды. Расчёт количественного состава бетона ведётся по марке бетона. Марка бетона – это предел прочности на сжатие образца кубика 150х150х150 мм в возрасте 28 дней.
По назначению различают бетон: обычный – не предъявляют особых требований; гидротехнический – резервуары, водонапорные башни; для транспортного строительства – мосты, виадуки, эстакады; дорожный – покрытия дорог, аэродромов ; жаростойкий; теплоизоляционный; коррозионно –стойкий.
Бетоны по объёмной массе делят на: 1) особо тяжёлый ρ 0 >2500 кг/м 3 (заполнитель – стальные опилки, железные руды, барит); 2) тяжёлый (обычный) ρ 0 2200–2500 кг/м3 (кварцевый песок, щебень, гравий); 3) облегчённый ρ 0 1800–2200 кг/м3 (кирпичный щебень); 4) лёгкий ρ 0 1200–1800 кг/м3 (шлак, пемза, туф, перлит, керамзит); 5) особо лёгкий ρ 0 <1200 кг/м3 (пенобетон, газобетон).
Характер поведения всех каменных материалов в условиях пожара практически одинаков, отличаются лишь количественные показатели. Мономинеральные горные породы (гипс, известняк, мрамор и др.) при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные (гранит и др.). В начале нагрева они претерпевают свободное тепловое расширение, освобождаясь от физически связанной влаги в порах материала.
Это не приводит, как правило, к снижению прочности и даже может наблюдаться её рост при спокойном удалении свободной влаги. Затем в результате действия химических процессов дегидратации (если материал содержит химически связанную влагу) и диссоциации материал претерпевает постепенное разрушение (снижение прочности практически до нуля).
Известняк – по сравнению с другими породами характеризуется равномерным и небольшим расширением при нагревании до 800 С. Дальнейшее повышение температуры приводит к усадке известняков из-за их разложения и выделения углекислого газа по реакции CaCO 3 → CaO + CO 2. Образующаяся при этом окись кальция (воздушная известь) обладает незначительной прочностью и малой теплопроводностью.
Известняк сопротивляется действию высоких температур лучше, чем другие горные породы, содержащие кварц. При температуре 130 С прочность повышается на 36 % по сравнению с первоначальной и остается практически постоянной до 600 С, после чего происходит её снижение. При 750 С прочность известняка снижается до начальной. При 900 С и выше следует ожидать почти полной потери прочности вследствие разложения известняка.
Гипс – горная порода, состоящая из минерала того же названия. Температурное воздействие до 200 С на гипс приводит к удалению части химически связанной воды и образованию полуводного гипса CaSO 4 ∙0,5H 2 O, применяемого в качестве вяжущего и известного под названием строительный гипс ( алебастр ), прочность которого снижается вдвое при температуре 100 С.
Полиминеральные горные породы ведут себя в основном аналогично мономинеральным, за исключением того, что при нагреве возникают значительные напряжения, обусловленные различными величинами коэффициентов теплового расширения у компонентов, входящих в состав горной породы. Это приводит к разрушению (снижению прочности) материала. Например, минерал кварц входит в состав многих пород – гранита, песчаника и др. При температуре около 575 С кварц скачкообразно увеличивается в объёме и растрескивается.
Прочность гранита при нагревании до 200 С возрастает до 160 % от первоначальной. При температуре выше 200 С начинается снижение прочности, которая, однако, при 600 С еще равна начальной. Дальнейшее нагревание приводит к резкому падению прочности, которая при 800 С составляет лишь 35 % первоначальной. Рост прочности при нагреве до 200 С объясняется снятием внутренних напряжений, возникающих в граните в результате неравномерного охлаждения расплавленной магмы.
При пожаре в неорганических вяжущих веществах происходят в основном те же процессы, которые имели место при их получении из исходного сырья (природных каменных материалов ) путём обжига при высоких температурах. Эти процессы приводят в итоге к снижению прочности в результате разрушения материалов. При нагреве портландцементного камня до 100...150 С прочность может несколько снижаться, т.к. нагревающаяся в порах материала вода расширяется и оказывает
дополнительное давление на их стенки, что приводит к возникновению внутренних напряжений в материале, снижающих его прочность. При 200–300 С прочность несколько увеличивается благодаря уплотнению структуры, вследствие удаления свободной воды и в результате ускоренного завершения кристаллизации гидроксида кальция. Выше 200... 300 С происходит накопление дефектов структуры и прочность камня начинает снижаться. Дегидратация клинкерных минералов портландцемента происходит в диапазоне 240-1000 С.
Обыкновенный красный кирпич (глиняный) выдерживает температуру до 900…1100 С ; силикатный кирпич – не более 700…900 С. После нагрева до 600 С и последующего охлаждения силикатный кирпич, в отличие от красного, заметно снижает свою прочность и может разрушиться после некоторого времени нахождения на воздухе.
Причина - при температуре 547 С начинается дегидратация гидроксида кальция Са (ОН) 2 ; после охлаждения свободный оксид кальция СаО постепенно гасится влагой воздуха (гашение извести), увеличиваясь в объёме в 2…3,5 раза, что и приводит к разрушению.
Каменные конструкции практически никогда не разрушаются при пожаре, наблюдаются лишь поверхностные повреждения кладки. Исчерпание огнестойкости каменных конструкций происходит вследствие недопустимого повышения температуры на необогреваемой поверхности (I). Облегчённые кирпичные кладки (в 1/4, 1/2 кирпича) прогреваются быстрее, поэтому их пределы огнестойкости оказываются меньше, чем сплошных (в 1 кирпич и более).
Бетон - композиционный материал. Его поведение при нагреве зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия. Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100 С давит на стенки пор, и фазовый переход Н2О в пар также повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряжённого состояния, снижающего прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать
При нагреве до 200 С образуется химическое соединение гидроксида кальция с кремнезёмом кварцевого песка (как в автоклаве для быстрого твердения бетона при повышенном давлении, температуре и влажности воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. При этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. Всё это способствует некоторому повышению прочности.
При нагреве бетона выше 200 С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе. Строительные конструкции из тяжёлого бетона (железобетона) склонны к взрывообразному разрушению при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины при интенсивном подъёме
температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, тем ниже его паропроницаемость, больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления, несмотря на более высокую прочность. Лёгкие и ячеистые бетоны с объёмной массой ниже 1200 кг/м3 не склонны к взрывообразному разрушению. Спецификой поведения лёгких и ячеистых бетонов, в отличие от поведения тяжёлых бетонов при пожаре, является более длительное время прогрева вследствие их низкой теплопроводности.
Характерными повреждениями конструкций из бетона и железобетона при пожаре являются: – оплавление (1500–1600 0С); – изменение цвета (от розового (300–600 0С) до тёмно –жёлтого (св. 950 0С ); отколы; – оголение арматуры; – отставание поверхностных слоёв бетона от остальной массы (высокий звук при простукивании); – трещины в бетоне (сетка микро- и макротрещин); отделение арматуры от бетона (нет сцепления );
– смещение конструкции; – прогиб. Каменные материалы не горят в условиях пожара, но снижают свою прочность.
Подбор природных и изготовление искусственных каменных материалов с необходимыми свойствами. Например, в качестве заполнителя для изготовления несущих конструкций из тяжелого бетона, предпочтение отдают известняку, а не граниту. В качестве вяжущего – портландцемент, а не строительный гипс или известь.
Искусственные каменные материалы лучше всего ведут себя те, которые претерпели высокотемпературный нагрев (обжиг) при изготовлении – это керамические материалы или минеральные расплавы. При пожаре температуры нагрева этих материалов, как правило, не достигают температур обжига, имеющих место при изготовлении.
