2.5. Вплив високих температур на природні кам’яні матеріали

Всі використовувані в будівництві природні кам'яні матеріали є негорючими, через що може скластися уявлення, що виконані з них будівельні конструкції будуть бездоганно поводитися в умовах пожежі. Проте це не так. Під впливом високих температур в кам'яних матеріалах відбуваються різні процеси, що призводять до зниження міцності і руйнування.

Оцінюючи поведінку окремих мінералів, що входять до складу гірських порід при дії на них високих температур, враховують не лише температуру розм’якшення чи плавлення, але й коефіцієнт теплового розширення. (зміна об’єму з підвищенням температури). Мінерали, що мають низькі коефіцієнти теплового розширення та характеризуються монотонними кривими такого розширення, володіють позитивними якостями при нагріванні. Навпаки, нерівномірні температурні деформації мінералів та стрибкоподібні зміни їх об’ємів обумовлюють виникнення внутрішніх напружень, що призводить до несприятливої поведінки мінералів і гірських порід при дії на них високих температур: зменшується густина, з’являються тріщини, різко знижується міцність.

Найбільш типові риси поведінки природних кам’яних матеріалів в умовах високих температур розглянемо на прикладах двох широко застосовуваних в будівництві матеріалів.

Граніт. Одна з найпоширеніших в земній корі гірських порід, є полімінеральною. Вхідні в граніт мінерали мають різні коефіцієнти температурного розширення, що не може не призвести до виникнення при нагріванні внутрішніх напружень в камені і виникнення дефектів його внутрішньої структури. Мінерал кварц, що входить до складу гранітів, при температурі 575°С зазнає модифікаційного перетворення структури кристалічної гратки, пов'язаного із стрибкоподібним збільшенням об'єму. Цей процес приводить до розтріскування моноліту і падіння міцності каменя.

Вапняк. На відміну від граніту є мономінеральною породою, що складається в основному з кальциту (СаСО₃). В порівнянні з полімінеральними породами та породами, що містять кварц, в діапазоні температур до 800°С, вапняк характеризується рівномірним і незначним температурним розширенням і зберігає свою міцність. При подальшому підвищенні температури відбувається термічна дисоціація мінералу із протіканням хімічної рекції:

При тривалому прогріванні цей процес буде перетікати з поверхні конструкції в її глибину. Слід зазначити, що утворений на поверхні конструкції шар СаО є пористим, володіє зниженою теплопровідністю і може, таким чином, виконувати функції свого роду термоізолюючого покриття, сповільнюючи прогрівання конструкції вглиб. При попаданні в цьому випадку на конструкцію води оксид кальцію, який є повітряним вапном, гаситься, переходить у гідратне вапно і обсипається.

В умовах пожежі недопустимий полив водою будь-яких нагрітих кам'яних конструкцій, оскільки це завжди призводить до миттєвого їх руйнування якщо не з причини, описаної вище, то через великі температурні деформації, що виникають в результаті різкого охолодження.

Із всіх природних кам’яних матеріалів найбільші температурні деформації мають піщаники, кварцити та інші мінерали, які складаються із кварцу. Найменші температурні деформації мають вапняки та базальти. Відносно малими температурними деформаціями відзначаються вулканічні пемзи, піски, туфи.

Вважається, що гірські породи зберігають початкову міцність при нагріванні до таких температур:

• піщаник і серпентиніт – 500^оС;

• граніт – 550–600^оС;

• вапняк – 800^оС.

Слід підкреслити, що всі кам'яні матеріали під впливом високих температур втрачають свої властивості незворотно, тому виконані з них конструкції (особливо несучі, хоча вони і не обрушилися) підлягають перевірці на міцність і подальшій заміні або підсиленні.

Більш стійкими при нагріванні є штучні кам’яні матеріали: цегла глиняна та вогнетривка (при їх виробництві застосовувались високі температури, тому дані матеріали володіють незначними температурними деформаціями за збереження початкової міцності ).

Таким чином в бетонах та розчинах в умовах дії високих температур краще застосовувати штучні пористі заповнювачі – керамзит, шлакову пемзу, перліт, аглопорит, а з природних кам’яних матеріалів – пісок, пемзу, туф.

Для прогнозування поведінки будівельних конструкцій, виконаних з кам’яних матеріалів в умовах пожежі використовують і більш точні дані, які встановлюють механічні та теплотехнічні властивості у залежності від температури. Такі дані використовуються для розрахунку меж вогнестійкості з використанням математичного моделювання, що базується на рівняннях, що описують поля величин параметрів реакції елементів конструкцій на вогневу дію пожежі. Такими рівняннями є рівняння теплопровідності та рівняння напружено-деформованого стану елелемента конструкції.