5.7. Поведінка бетонів за умов пожежі

Поведінка бетону при нагріванні обумовлена впливом високих температур на його основні складові компоненти: цементний камінь і заповнювачі.

Під впливом високих температур затверділий цементний камінь поступово втрачає всі види води яка в ньому містилася (вільної, фізично і хімічно зв'язаної), що призводить до порушення структури цементного каменя і до втрати ним міцності. Нагрівання до 400°С призводить до поступового зниження міцності через дегідратацію, в основному алюмінатів кальцію. При подальшому підвищенні температури до 550° відбувається дегідратація гідроокису кальцію з утворенням оксиду кальцію, що також приводить до зменшення міцності. При нагріванні цементного каменя до 900°С цементний камінь повністю втрачає міцність і руйнується. Підвищити стійкість цементного каменя до нагріву можна шляхом введення в портландцемент активних тонкомолотих домішок. Ці домішки (наприклад шамот, цем’янка і ін.) здатні вступати в реакцію в твердій фазі з дегідратованими під впливом тепла мінералами цементного каменя. При цьому утворюються нові безводні з'єднання такі, як СаО · Al₂O₃ · 2SiO₂ (анортит), 3CaO · 2SiO₂ (ранкініт) і ін. Кількість тонкомолотої добавки має бути не менше 30 % від ваги змішаного в’яжучого.

Варто відмітити, що важливою особливістю бетону під час високотемпературного нагрівання є його схильність до крихкого руйнування. Крихке руйнування відбувається якщо бетон має високу вологість, тобто його пори насичені вологою. Причиною крихкого руйнування є зростання тиску у порах каркасу цементного каменю в результаті швидкого випаровування наявної вільної вологи. При цьому вибухово відколюються великі шматки бетону, що призводить до його швидкого руйнування. Для уникнення таких явищ волога з пор каркасу цементного каменю повинна бути видалена шляхом висушування на повітрі протягом 28 діб.

Всі фізико–хімічні процеси впливають на густину бетону. В процесі нагрівання густина бетону зменшується, як це видно з рис. 5.4.

Рис. 5.4. Зміна густини бетону в залежності від температури нагріву.

Про характер поведінки при нагріванні заповнювачів в бетоні можна судити по поведінці тих кам'яних матеріалів, з яких ці заповнювачі отримані.

Як вже наголошувалося, цементний камінь при нагріванні дає усадку, а заповнювачі під впливом тепла розширюються. Чим вище коефіцієнт температурного, розширення заповнювача, тим більші внутрішні напруження виникнуть в бетоні, що зумовить зниження, контактного зчеплення між цементним каменем і заповнювачем і приведе до втрати міцності. Найпоширенішими заповнювачами для бетону є гірські породи. Даючи порівняльну оцінку поведінки різних заповнювачів при нагріванні, варто відмітити, що найбільшими температурними деформаціями володіє щебінь з піщаників, граніту та кварциту (карбонатні гірські породи, що містять мінерал кварц). Меншими – вапняковий та базальтовий щебінь (силікатні гірські породи ). Найбільш стійкими при нагріванні є штучні заповнювачі: шамот, доменний шлак, керамзит, шлакова пемза та ін.

Так при прогріванні бетону на гранітному заповнювачі до 200°С міцність його зростає, перевищуючи в 1,5 рази початкову (рис. 5.5). При подальшому підвищенні температури до 500°С міцність знижується до початкової. Перевищення температурою межі в 500°С призводить до різкого зниження міцності бетону. За температури 800°С міцність такого бетону становить лише 15% від початкової.

Рис. 5.5. Зміна міцності бетону на гранітних заповнювачах при нагріванні: 1 – тригодинне нагрівання; 2 – восьмигодинне нагрівання

Міцність бетону на вапнякових заповнювачах при прогріванні до 400°С зростає до 140% порівняно з початковою (рис. 5.6). Значна втрата міцності бетону відбувається при прогріванні його до температури 500°С, однак за температури 580°С міцність все ще дорівнює початковій. При 800°С міцність знижується до 30% від початкової. Наведені дані свідчать про більшу стійкість до нагрівання бетону на вапнякових заповнювачах порівняно з бетоном на гранітних заповнювачах. Ця обставина знайшла віддзеркалення в нормах. Відповідно до ДБН будівельні конструкції з бетонів на карбонатних заповнювачах мають нормовану межу вогнестійкості на 10% нижче, ніж конструкції з бетонів на силікатних заповнювачах.

Дещо по іншому ведуть себе при нагріванні бетони які знаходяться під навантаженням. Інтенсивність зниження міцності напруженого бетону (σ_ст=0,3σ_мах) при нагріванні до 500 – 600°С приблизно на 20 – 30% менша, ніж зниження міцності ненапруженого бетону. Це відбувається тому, що обтискування бетону при нагріванні перешкоджає вільному розвитку деформацій та розкриттю тріщин в бетоні, чим сповільнює процес його руйнування.

При нагріві бетону під час пожежі змінюється не тільки його міцність, а й характер його деформації. На рис. 5.7 поданий характер зміни діаграми деформування залежно від температури нагріву.

Рис. 5.6. Зміна міцності бетону на вапнякових заповнювачах при нагріванні: 1 – тригодинне нагрівання; 2 – восьмигодинне нагрівання

Рис. 5.7. Діаграми деформування бетону на стискання при різних температурах нагрівання.

Характер даних діаграм дуже важливий для розрахунків бетонних та залізобетонних конструкцій на вогнестійкість.

Також є важливою зміна теплофізичних властивостей бетону, оскільки теплові процеси, які відбуваються під час нагрівання бетону складні і сильно впливають на прогрів внутрішніх шарів бетону елементів конструкцій. Всі теплові процеси можуть бути враховані при введенні ефективних теплофізичних характеристик – ефективного коефіцієнту теплопровідності (див. рис. 5.9), який змінюється у певних межах) та ефективної питомої теплоємності (див. рис. 5.10).

λ_еф, Вт/(м·К)

Т, С

Рис. 5.9. Коефіцієнт теплопровідності бетону: 1 - верхня межа; 2 - нижня межа.

c_ρ(Т), кДж/(кг·К)

θ, ⁰С

Рис. 5.10. Питома теплоємність для бетону різної вологості – 3%, 1,5% і 0%.

Також важливою характеристикою є зміна температурних деформацій (температурного розширення). Характер температурних деформацій показаний на рис. 5.11. На рис. 5.11 для порівняння показані температурні деформації арматурної сталі.

Рис. 5.11. Характер температурної деформації бетону та арматурної сталі.

Характер зміни міцності при нагріванні різнотипних легких та ніздрюватих бетонів на портландцементі аналогічний зміні міцності важких бетонів. Але так як такі бетони володіють пониженою інтенсивністю прогріву при пожежі (приблизно на 30% менше, ніж інтенсивність прогріву важкого бетону), тому виготовлені з них конструкції мають підвищену (на 30%) вогнестійкість, порівняно з вогнестійкістю аналогічних конструкцій з важкого бетону.

Найбільш стійкими при короткочасному та тривалому впливі високих температур є жаростійкі бетони, склад яких підбирають з врахуванням відповідних вимог.