МВД России

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ МИНИСТЕРСТВА

ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ»

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений,

канд. техн. наук, доцент

полковник внутренней службы

А.В. Корнилов

«____»____________200__ г.

Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре

Лабораторный практикум

специальности 280104.65 - Пожарная безопасность

СОСТАВИТЕЛЬ:

Преподаватель кафедры пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений,

майор внутренней службы

Н.А. Кузнецов

Обсужден и одобрен

на заседании кафедры

пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений

«___» ________200__ г., протокол №___

Иркутск 2007

Общие положения

Дисциплина «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» представляет комплекс фундаментальных тем инженерных строительных дисциплин, на основе которых рассматриваются вопросы стойкости строительных материалов в условиях пожара, огнестойкости строительных конструкций, устойчивости зданий и сооружений при пожаре и другие задачи необходимые для подготовки инженера пожарной безопасности.

Настоящий практикум предназначен в помощь изучающим дисциплину «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» в системе очного обучения по специальности 280104.65 «Пожарная безопасность». В нем изложены рекомендации по выполнению лабораторных работ.

Для выполнения лабораторных работ курсант должен изучить соответствующий теоретический мате6риал.

Перед тем как приступить к непосредственному выполнению лабораторной работы, курсант должен внимательно прочесть ее описание по данному практикуму.

После выполнения лабораторной работы курсант составляет индивидуальный отчет.

Единицы физических величин в отчете следует выражать только в системе СИ.

Лабораторную работу курсанты выполняют самостоятельно, только при необходимости обращаясь за советом или помощью к преподавателю.

Перед тем как приступить к непосредственному выполнению лабораторной работы, курсанты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и пожарной безопасности и расписаться в журнале по технике безопасности.

Лабораторная работа № 1. «Оценка изменения прочности бетона при нагревании».

Цель: Экспериментальная оценка изменения предела прочности бетона (раствора) при нагревании.

Чтобы выполнить данную лабораторную работу и квалифицированно объяснить полученные экспериментальные данные, необходимо повторить (изучить) следующие положения.

Бетоны и строительные растворы являются композиционными мате­риалами, состоящими из цементного камня, заполнителей и содержащими физически и химически связанную воду.

Основное отличие бетона от раствора – отсутствие в растворе крупно­го заполнителя.

1. Физико-механические свойства бетонов и растворов при интенсив­ном нагревании (в условиях пожара) претерпевают значительные измене­ния. Качественное изменение физико-механических свойств бетонов и растворов при действии на них высоких температур практически одинако­во. Различия носят лишь количественный характер.

Поведение бетонов и растворов при нагревании до высоких темпера­тур зависит от поведения отдельных компонентов, входящих в их состав, а также от характера их взаимодействия, скорости нагревания материала и других факторов.

Основные причины, приводящие к снижению прочности бетонов и растворов при интенсивном нагревании (в условиях пожара), следующие:

• агрессивное действие процессов тепловлагопереноса в капиллярно-пористой структуре материала;

• возникновение внутренних напряжений, обусловленных различием величин температурных деформаций компонентов цементного камня и за­полнителей;

• снижение прочности цементного камня в результате дегидратации и диссоциации минералов;

• совместное действие высокой температуры и внешней нагрузки (на конструкцию из бетона).

Эти причины действуют в совокупности в определенных диапазонах температур нагрева материала. Так, при интенсивном нагревании бетонов и растворов на портландцементе от начальной температуры до 200-300 °С протекают одновременно два противоположных процесса. С одной сторо­ны, это процесс накопления нарушений структуры материала, т.е. процесс постепенного разрушения материала. С другой стороны, это процесс уп­рочнения материала. Оба эти процесса обусловлены влиянием факторов тепловлагопереноса: градиентов температуры, давления (пара при интен­сивном испарении физически связанной влаги в порах цементного камня), влагосодержания. Данные градиенты возникают по толщине изделия (об­разца) при интенсивном нагреве.

Действие отмеченных факторов тепловлагопереноса при соответст­вующих условиях (превышении этими градиентами критических величин) может привести к взрывообразному разрушению бетонного изделия (об­разца).

Одновременно с процессом накопления нарушений структуры мате­риала действуют процессы ее упрочнения. Этому способствует, во-первых, освобождение пор бетона от физически связанной влаги (снимаются внут­ренние напряжения в структуре бетона от действия капиллярных сил по­верхностного натяжения влаги в порах материала). Во-вторых, процессы тепловлагопереноса создают в некоторые промежутки времени (величина этих промежутков зависит от скорости прогрева материала) благоприятные условия для завершения процесса гидратации (кристаллизации) клинкер­ных минералов портландцемента, т.е. образования цементного камня. Этот процесс (упрочнения) чаще преобладает над процессом разрушения струк­туры материала, что в итоге приводит к некоторому повышению прочно­сти бетона в отмеченном диапазоне температур его нагрева. В определен­ной степени к повышению прочности бетона приводит снижение внутрен­них напряжений цементного камня вследствие некоторого «выправления» строения кристаллической решетки. В этих условиях атомы получают воз­можность занять более равновесное расположение в узлах кристалличе­ской решетки.

При дальнейшем повышении температуры (выше 250-300 °С) проч­ность бетонов и растворов снижается в результате протекания следующих основных процессов:

• дегидратации (в диапазоне температур 250-1000 °С) и диссоциации (в диапазоне температур 600-900 °С) клинкерных минералов цементного камня, приводящих к снижению его прочности;

• разнозначных деформаций гелеобразной (аморфной) части цементного камня, претерпевающей усадку, кристаллического сростка и негидратированных зерен портландцемента претерпевающих свободное темпера­турное расширение, что сопровождается возникновением температурных напряжений в цементном камне и снижением его прочности;

• возникновения температурных напряжений вследствие различия де­ формаций цементного камня и заполнителей при нагреве. Эти деформации могут отличаться как по величине, так и по направлению в зависимости от значений коэффициентов теплового или температурного расширения;

• модификационных превращений кварца в заполнителе. При температуре 575 °С кварцевый песок расширяется на 2,4 %, что приводит к рез­кому увеличению внутренних напряжений и снижению прочности бетона.

В период остывания бетона в контакте с влагой воздуха или водой (при тушении пожара), а также при дальнейшем нахождении остывшего бетона в контакте с влагой происходит процесс вторичной гидратации (гашения) свободной извести (образовавшейся при нагревании бетона вы­ше 500 °С). Это сопровождается дальнейшим разрушением бетона.

При экспериментальном определении прочности бетонов (растворов) необходимо иметь в виду следующее.

Под выражением предела прочности бетона (раствора) при сжатии понимают отношение разрушающей осевой сжимающей силы Np образца-куба, образца-призмы или образца-цилиндра стандартных размеров к площади его сечения А, нормального к этой силе. Поэтому говорят о кубиковой, призменной и цилиндрической прочности бетона (раствора).

Прочность бетона определяют на образцах-кубах с длиной ребер 300, 200, 150, 100 и 70 мм. При этом за эталон принимают куб с размером ребра 150 мм. Если размер ребра куба отличается от эталонного, полученную экспериментально прочность умножают на переводной коэффициент (см. табл. 1).

Таблица 1 – Переводной коэффициент для расчета прочности на сжатие образцов-кубиков α

Размеры образца, мм	Значение коэффициента α
300×300×300 200×200×200 150×150×150 100×100×100 70×70×70	1,10 1,05 1,00 0,91 0,85

Призменную прочность бетона определяют на образцах-призмах квадратного или круглого сечения с отношением высоты к ширине (диа­метру), равным 4. Ширина (диаметр) образцов принимается равной 70, 100, 150, 200 и 300 мм – в зависимости от назначения и вида конструкций и изделий. За эталон принимают образец с размерами ребер 150×150×600 мм. Кроме того, предел прочности бетона (растворов) при сжатии определяют на образцах – балочках с размерами ребер 40×40×160 мм или образцах-кубах с ребром 70 мм, испытанных в «возрасте» 28 суток. При использова­нии образцов – балочек допускается испытание их половинок, полученных в результате разрушения балочки при испытании на изгиб.

2. Методика экспериментального определения прочности бетонов при нагревании предусматривает использование следующего оборудования и материалов: гидравлического пресса МC-1000 (рис. 1); муфельной печи для нагревания образцов; термошкафов; штан­генциркулей; рычажных приборов, а также образцов бетона (раствора).

При выполнении лабораторной работы соблюдается следующий по­рядок.

Слушатели получают образцы-кубики или образцы-балочки стандартных размеров, предварительно прогретые в муфельных печах до заданных температур с последующим охлаждением до комнатной аппаратуры.

Для испытания на сжатие образцов-балочек предусмотрено специ­альное зажимное приспособление, состоящее из двух опорных пластин с упорами.

Количество образцов для одной рабочей группы составляет: кубиков – 8 шт., балочек – 4 шт. Выдавая образцы, преподаватель сообщает их технологи­ческие данные: состав бетона (раствора), его марку, вид вяжущего и за­полнителей, температуру прогрева.

Получив образцы, слушатели с помощью штангенциркуля тщательно их измеряют (с точностью до 0,1 мм), а также вычисляют площадь поверх­ности А, на которую будет производиться силовое воздействие. Для куби­ков – это поверхность грани, перпендикулярной плоскости заливки образ­ца при его изготовлении. Для балочек – это рабочая поверхность специ­альных опорных пластин.

Завершив обмер образцов, слушатели приступают к испытаниям, ис­пользуя гидравлический пресс.

Образцы испытывают на прессе до разрушения.

1 – нагружающее устройство; 2 – нагружающая плита; 3 – образец; 4 – верхняя опорная плита;

5 – силоизмеритель; 6 – автоматический выключатель; 7 – реечная передача; 8 – управляющий маховик;

9 – кнопка Пуск; 10 – измеритель скорости нагружения; 11 – индикатор работы; 12 - кнопка Стоп;

13 – насосная установка.

Рисунок 1. – Схема гидравлического пресса МС–1000:

Полученные результаты обрабатываем следующим образом: Вычисляется предел прочности бетона при сжатии по формуле:

где:

N_p – разрушающая осевая сжимающая сила, кН (значение выдает гидравлический пресс);

A – площадь сечения образца – кубика, нормального к направлению действия сжимающей силы, м²;

 - переводной коэффициент, принимаемый по табл.1 в зависимости от размеров образцов – кубиков.

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу (табл. 2):

Таблица 2 – Результаты измерений и расчетов.

№ образца

Температура прогрева t, °С.

Размеры сечения, мм

Площадь сечения А, м2

Разрушающая сила Np, кН

Переводной коэффициент α

Предел прочности, МПа

Среднее значение пред. проч. МПа

В конце строится график зависимости среднего значения предела прочности бетона от температуры прогрева и делается вывод.

Контрольные вопросы:

1. Что представляют собой бетоны, строительные растворы, требования к компонентам бетона.

2. Понятие прочности. Расчет предела прочности (на сжатие).

3. Процессы, приводящие к повышению прочности бетонов и растворов при нагреве до 250-300 °С.

4. Процессы, приводящие к снижению прочности бетонов и растворов при нагреве свыше 300 °С.

5. Особенности поведения тяжелых, легких и ячеистых бетонов в условиях пожара.

6. Классификация бетонов.

7. Соответствуют ли полученные экспериментальные данные известным теоретическим положениям о поведении бетонов (растворов) при на­гревании до высоких температур?

Литература:

1. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебник - М.: Академия ГПС МЧС России, 2003 г.- 656 с.

2. ГОСТ 10180-78. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяже­ние.

3. ГОСТ 14452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.