Методическое пособие 679

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

В.Т. Перцев Т.В. Загоруйко А.А. Леденев

БЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОГНЕСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Монография

Воронеж 2017

УДК 691.32 ББК 38.33

П 27

Перцев, В.Т.

Бетон повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных

П27 изделий: монография / В.Т. Перцев, Т.В. Загоруйко, А.А. Леденев. Воронеж : ВГТУ, 2017. – 102 с.

ISBN 978-5-7731-0547-3

В монографии представлены результаты исследований, направленные на получение бетона повышенной термостойкости для огнестойких вариатропных железобетонных изделий.

Монография предназначена для научных сотрудников, инженернотехнических работников, аспирантов, магистрантов, студентов строительных и пожарно-технических специальностей.

Ил. 41. Табл. 28. Библиогр.: 136 назв.

УДК 691.32 ББК 38.33

Рецензенты:

Д.Е. Барабаш, д.т.н., профессор, начальник кафедры изыскания и проектирования аэродромов «ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия

имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж); Д.В. Каргашилов, к.т.н., доцент, начальник кафедры пожарной безопасности

технологических процессов ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России

Печатается по решению учебно-методического совета ВГТУ

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение пожарной безопасности и огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений является важнейшей задачей строительства и необходимым элементом системы противопожарной защиты объектов [1–4]. Основной опасностью при пожаре для зданий и сооружений является снижение прочности и несущей способности строительных конструкций под воздействием открытого пламени при высоких температурах. В современном строительстве при возведении зданий и сооружений, в том числе повышенной этажности, все в большем объеме применяются большепролетные тонкостенные конструкции, изготовляемые на основе высокопрочного бетона. Во время пожара в первую очередь именно эти конструкции подвергаются огневому воздействию порой с повышением температуры до 1100 ° С и выше. При таком воздействии происходит достаточно быстрый нагрев напрягаемой арматуры до критической температуры (400 0С и выше), что приводит к потере несущей способности и устойчивости конструкций и, как следствие, к обрушению здания.

Повышение огнестойкости конструкций может быть обеспечено техническими решениями, предусматривающими применение покрытий из термостойких материалов в виде облицовки из плиточных, листовых, штучных изделий и других видов покрытий.

Для повышения огнестойкости конструкций считается перспективным применение изделий вариатропной структуры, характеризующихся наличием железобетонного ядра – т.е. несущего слоя и слоя из бетона повышенной термостойкости. Эффективно применение бетона с изменяющимися показателями плотности и термостойкости по мере роста величины температурного воздействия. Исследованию и разработке термостойких слоев бетона в вариатропных изделиях, обеспечивающих повышение предела огнестойкости конструкций в условиях стандартного пожара, посвящена данная монография.

В основу монографии положены результаты исследований д-ра техн. наук, профессора Перцева В.Т., канд. техн. наук Загоруйко Т.В., канд. техн. наук Леденева А.А., выполненных на кафедре технологии строительных материалов, изделий и конструкций Воронежского государственного технического университета.

3

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТЬЮ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Основные современные направления и требования обеспечения огнестойкости строительных конструкций

Вопросы огнезащиты строительных конструкций зданий, повышения их огнестойкости являются основополагающими в различных отраслях промышленности и строительства.

Требования к пожарной безопасности и огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений непрерывно возрастают в связи со спецификой современного строительства – ростом этажности зданий, протяженности путей эвакуации, все большим объемом применения большепролетных тонкостенных конструкции.

Строительство высотных зданий [5] ежегодно увеличивается, что связано с высокой стоимостью земельных участков городских территорий, ростом численности населения и др. причинами. Высотное здание может включать в себя помещения разного функционального назначения и пожарной опасности: офисы различных учреждений, жилые помещения, помещения детских организаций, гостиницы, объекты торговли, развлекательные и спортивные объекты, автостоянки. Количество людей, одновременно находящихся в здании, исчисляется тысячами [6]. Основные несущие конструкции высотного здания должны выполняться из железобетона и удовлетворять повышенным требованиям по пределам огнестойкости [5, 7 – 9].

Следует отметить существующую нормативную базу. Введен в действие федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [7], положениям которого должны соответствовать все без исключения строительные объекты на территории России. Одними из важнейших разделов ФЗ № 123 являются статьи, определяющие требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций зданий и сооружений. В настоящее время изменились подходы к организации и проведению обязательной сертификации, так как обязательными являются требования ФЗ № 123 [7], а требования государственных стандартов и других документов имеют рекомендательный характер [10]. Согласно ФЗ №123 (ст. 146 – 150) [7], сертификация продукции проводится органами, аккредитованными в соответствии с порядком, установленным Правительством РФ.

Современное строительство уже невозможно представить без массового применения железобетона. Это и жилищный сектор, и здания общественного назначения, и инженерные сооружения различных типов. Следовательно, вопрос обеспечения огнезащиты железобетонных конструкций является весьма актуальным.

Обеспечение устойчивости зданий в условиях пожара и, в частности, огнестойкости строительных конструкций в соответствии с законодательно за-

4

крепленными требованиями ФЗ № 123 [7] направлены на снижение числа жертв и материального ущерба. Это связано с применением в строительстве некоторых видов конструкций, которые обычно рассчитываются по всем правилам строительной механики, но могут разрушаться при пожаре в течение нескольких часов или даже минут. К числу таких конструкций относятся конструкции из железобетона с недостаточным защитным слоем бетона или повышенной влажностью, что может вызвать их сгорание, растрескивание, а также взрывообразное разрушение [11].

В связи с тем, что температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона, необходимо обозначить следующие термины и их соответствие.

Огнестойкость конструкции – это способность строительной конструкции сохранять несущие и ограждающие функции в условиях пожара [9].

Жаростойкость бетона – стойкость к постоянному и длительному воздействию высокой температуры [12]. Бетоны подразделяются в соответствии с предельно допустимой температурой применения на классы от И3 до И18. Для класса И3 предельно допустимая температура составляет +300 ° С, а для И18 – +1800 ° С [13]. При эксплуатации бетонов в условиях резких теплосмен особую роль играет их термическая стойкость – способность противостоять изменениям температуры, не разрушаясь при термических изменениях [14, 15]. Данное свойство для бетона определяется, прежде всего, исходя из расчетов количества циклов нагрева и последующего охлаждения, которое в свою очередь бетон способен выдерживать до полного его разрушения [13]. Термостойкость бетона зависит также от его теплопроводности – способности материала передавать теплоту при перепаде температур по всему объему.

Исследования огнестойкости несущих строительных конструкций зданий в нашей стране берут свое начало с конца 40-х годов, но вплоть до 1945 г. отсутствовала база для масштабных систематических огневых испытаний строительных конструкций на огнестойкость [16]. Во ВНИИПО (ЦНИИПО) в 1945–1950 гг. был создан первый в стране центр для испытаний строительных конструкций на огнестойкость, т.е. появилась экспериментальная база, позволявшая проводить испытания основных видов строительных конструкций. Были разработаны соответствующие методики испытаний; разделены такие понятия как «огнестойкость» и «возгораемость», введен термин «предел огнестойкости», указана величина предела огнестойкости наиболее используемых в строительстве конструкций и регламентирован температурный режим испытаний конструкций на огнестойкость. Благодаря формированию научной школы по развитию теории огнестойкости [17–19] появилась возможность оценивать огнестойкость зданий, сооружений и конструктивных элементов на стадии проектирования, а также разрабатывать профилактические мероприятия по противопожарной защите. Созданная нормативно-техническая база позволила обосновать требования пожарной безопасности, которые регламентировали применение конструкций в строительстве [11].

5

Исследования в данной области были начаты под руководством специалистов ВНИИПО Н.А. Стрельчука, В.И. Мурашова, Д.М. Карельского и продолжены другими учеными института А.И. Милинским, В.С. Федоренко, В.А. Пчелинцевым и В.П. Бушевым [11, 17].

В период 1951 – 1988 гг. во ВНИИПО под руководством д-ра техн. наук, проф. А.И. Яковлева осуществлялись дальнейшие исследования огнестойкости конструкций. Была создана экспериментальная база для испытаний на огнестойкость строительных конструкций, в том числе железобетонных статически неопределимых балок, внецентренно сжатых колонн, элементов перекрытий с различной статической схемой, ограждающих облегченных конструкций на основе эффективных материалов, железобетонных перекрытий, лестничных маршей и стальных облицованных колонн, железобетонных несущих стен [17, 19]. В настоящее время экспериментальная база ВНИИПО позволяет проводить на установках, оборудованных современными системами, оценку огнестойкости строительных конструкций в натуральную величину с расчетной статической нагрузкой и при воздействии на них различных температурных режимов, удовлетворяющих требованиям международных стандартов [11, 20, 21].

Следует обратить внимание на условие отнесения конструкций к противопожарным преградам и к несущим конструкциям. Так, в соответствии с СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты», п.п. 5.3.1 и 5.3.2 [9], к строительным конструкциям, выполняющим функции противопожарных преград в пределах зданий, сооружений и пожарных отсеков, относятся противопожарные стены, перегородки и перекрытия, противопожарные занавесы, шторы и экраны. Противопожарные преграды характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Огнестойкость противопожарной преграды определяется огнестойкостью ее элементов. Пределы огнестойкости, обеспечивающие устойчивость противопожарной преграды конструкций, на которые они опираются, а также узлов крепления конструкций между собой по признаку R, а узлов примыкания по признакам EI, должны быть не менее предела огнестойкости противопожарной преграды.

К несущим элементам зданий относят конструкции (в соответствии с СП 2.13130.2012 п. 5.4.2 [9]), обеспечивающие его общую устойчивость и геометрическую неизменяемость при пожаре – несущие стены, колонны, рамы, арки и фермы, а также конструкции, обеспечивающие их устойчивость в случае пожара – связи, диафрагмы жесткости, элементы перекрытий.

Также существует определение, которое уточняет данное понятие применительно к огнестойкости конструкций: несущие конструкции (элементы) здания – это конструкции, воспринимающие постоянную и временную нагрузки, в том числе нагрузку от других частей зданий. Данное определение приведено в ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» [22].

Несущие строительные конструкции можно классифицировать [11]:

6

-по назначению, т. е. выполняемым функциям в здании;

-по исполнению, т. е. в зависимости от материалов или композитов, из которых они изготовлены.

В настоящее время в Российской Федерации основными документами являются Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [7], устанавливающий требования пожарной безопасности к зданиям и сооружениям и Свод правил пожарной безопасности

(СП 1.13130.2009 – СП 13.13130.2009) [23], который регламентирует широкий круг вопросов, связанных с построением системы противопожарной защиты на объектах различного функционального назначения.

Элементы зданий в зависимости от степени огнестойкости зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков нормируются по пределам огнестойкости строительной конструкции и по пределам огнестойкости противопожарных преград. В табл. 1.1, 1.2 в соответствии с требованиями ФЗ № 123 [7] приведены данные по степени огнестойкости и пределам огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений, а также по пределам огнестойкости противопожарных преград.

Таблица 1.1

Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости строительных конструкций зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования» [24] и ГОСТ 30247.1-94

7

«Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции [22].

Обозначение предела огнестойкости строительной конструкции состоит из условных обозначений, нормируемых для данной конструкции предельных состояний и цифры, соответствующей времени достижения одного из этих состояний в минутах.

Таблица 1.2

Пределы огнестойкости противопожарных преград

Различают следующие основные виды предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости [7, 22, 24]:

-потерю несущей способности (R) в результате обрушения или достижения предельных деформаций: обрушение или прогиб в зависимости от типа конструкций;

-потерю целостности (Е) в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя;

-потерю теплоизолирующей способности (I) вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 ° С или в любой точке этой поверхности более чем на 180 ° С в сравнении с температурой конструкции до испытания или более 220 ° С независимо от температуры конструкции до испытания.

Пределы огнестойкости запроектированных или реально существующих конструкций принято называть фактическими, а нормируемые – требуемыми и

обозначать, соответственно – Пф и Птр.

Требуемые пределы огнестойкости строительных конструкций назначаются в зависимости от степени огнестойкости зданий, сооружений, строений и

8

пожарных отсеков [7]. Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций определяются двумя способами: огневыми испытаниями (REI) и расчетным методом (RI).

Согласно [22, 24] несущие строительные конструкции должны испытываться на огнестойкость под нагрузкой. Распределение нагрузки и условия опирания должны соответствовать расчетным схемам, принятым в технической документации. Испытательную нагрузку устанавливают из условия создания в расчетных сечениях образцов конструкций напряжений, соответствующих их проектным значениям или технической документации. При определении проектных значений напряжений следует учитывать только постоянные и временные длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности равным 1.

Сущность испытательного метода заключается в определении времени, по истечении которого наступит одно или несколько из вышеуказанных предельных состояний. Это экспериментально полученное время и является фактическим пределом огнестойкости.

Основное условие, при котором допустимо применение строительной конструкции по огнестойкости – фактический предел огнестойкости (Пф) должен быть больше либо равен пределу огнестойкости требуемому (Птр):

Если данное условие выполняется, то конструкция соответствует требованиям норм по огнестойкости, следовательно, допустимо применение данной конструкции без огнезащитных мероприятий. В противном случае, необходимо предусмотреть мероприятия по повышению ее огнестойкости. Повышение фактического предела огнестойкости строительных конструкций, как правило, достигается посредством применения огнезащиты.

Существующая методика оценки конструкции или ее элементов на огнестойкость с помощью испытаний позволяет определять истинную огнестойкость (Пф) конструкции, которая равна либо превышает требуемое время сохранения несущей или теплоизолирующей способности.

Но при всех своих положительных качествах испытание на огнестойкость имеет и отрицательные характеристики:

-размер опытных образцов ограничен габаритами печей;

-при испытании на огнестойкость получают данные о поведении только опытного образца, поэтому очень трудно, а иногда и невозможно использовать эти результаты в других случаях;

-испытания имеют высокую стоимость и трудоемкость [11].

Все эти недостатки экспериментального метода компенсируются современными расчетными методами при известных теплотехнических, физикомеханических свойствах материалов и повышенных температурах, которые позволяют оценить огнестойкость строительных конструкций без проведения

9

трудоемких и дорогостоящих испытаний. Согласно ст. 87 Федерального закона № 123-ФЗ [7] и ГОСТ 30247.0-94 [24] разрешается определять фактические пределы огнестойкости конструкций с применением расчетных методов.

Расчетный метод определения пределов огнестойкости конструкций имеет ряд преимуществ перед экспериментальным, в частности, он более экономичен и дает возможность проверить различные варианты решений, а также провести оценку огнестойкости конструкций, огневые испытания которых выполнить практически невозможно, например, элементов монолитных железобетонных каркасов зданий и др. Расчетные методы в частных случаях просто необходимы, так как позволяют определить фактическую огнестойкость массивных и большеразмерных конструкций. Особенно важно это для конструкций, испытывающих нагрузку на изгиб и растяжение (балки перекрытия, связи, фермы).

Согласно имеющимся данным практических испытаний применение расчетных методов определения огнестойкости железобетонных конструкций с огнезащитой удовлетворительно подтверждается результатами экспериментальных исследований [11].

1.2. 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].

Создание огнезащиты предусматривает реализацию следующих ее основ-

10