Исследование использования фибробетона в отделке для повышения огнестойкости конструкций

Данное исследование было нацелено на рассмотрение зарубежных и отечественных исследований, в которых рассматривался фибробетон при воздействии высокой температуры. Благодаря использованию различной фибры можно добиться повышению огнестойкости фибробетона и использования его как отделочный материал железобетонных конструкций для предотвращения взрывообразного разрушения при пожаре.

Ключевые слова : фибробетон, сталефибробетон, взрывное разрушение, прочность на осевое сжатие, прочность при изгибе, температура.

На сегодняшний фибробетон является революционным материалом, который до сих пор набирает популярность в строительстве благодаря своим многочисленным преимуществам. При этом вариаций добавления волокон как по их материалу, проценту нахождения в бетоне, так и по размеру много, поэтому и появляется новые свойства, а точнее улучшение или ухудшение свойств бетонов. Фибробетон представляет собой композитный материал, по существу состоящий из бетона, армированного случайным размещением коротких, прерывистых и дискретных тонких волокон определенной геометрии [5 с.933]. Благодаря включению в бетонную смесь небольших волокон, таких как сталь, стекло или синтетические материалы, мы можем повышать долговечность, препятствовать развитию трещин, повышать гибкость, прочность на сжатия конструкций [7, с.73; 3, с.18], превращая хрупкую матрицу в прочный композит и улучшенными свойствами в сравнении с традиционным бетоном.

Фибробетон в качестве отделки для повышения огнестойкости конструкций рассматривается исходя из его большей огнестойкости. В целом, поведение железобетонных и бетонных конструкций при воздействии высоких температур ведут себя лучше, чем стальные деревянные конструкции. При пожаре в железобетонных конструкциях могут возникать повреждения цементного камня, которые в свою очередь могут быть вызваны внутренним давлением водяных паров; или различной температурой в поперечном сечении, а также по длине элемента; термическое воздействие приводит к потере прочности, обусловленной разрушением кристаллогидратов, составляющих цементный камень [1 с.283].

По большей части рассматривая разрушение железобетонных конструкций немаловажным является рассмотрение взрывного разрушения, которое является очень опасным явлением. Зачастую такое разрушение вызвано тем, что при воздействии высокой температуры в порах конструкции образуется пар, который способствует взрывном разрушению. Взрывной откол является типичным видом разрушения бетонных элементов туннеля [4 с.79, 2 с.16]. При пожарах в туннелях температура повышается быстро, и, следовательно, испарение воды также интенсивно. Однако при пожарах в зданиях также может происходить взрывное растрескивание [6 с.1454].

Различные типы волокон могут улучшать различные свойства бетона. Стальные волокна в бетоне существенно влияют на свойства затвердевания, т. е. они увеличивают предел прочности при растяжении после растрескивания, прочность на сдвиг, ударопрочность, усталостную стойкость и уменьшают ширину трещин. Напротив, обычно считается, что стальные волокна не влияют на огнестойкость бетонных конструкций, хотя они могут снизить степень растрескивания, перекрывая участки растрескавшегося бетона. Растрескивание бетона при пожаре может быть предотвращено добавлением соответствующей дозы микрополимерных волокон (диаметр от 3 до 32 мкм при типичной дозировке 1–2 кг м ³ ).

В работе [8 с.1454–1456] было испытано три вида фибры, данные составы приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Составы испытанных образцов [8 с.1454]

Рис. 2. Кривые изгибного напряжения-смещения при испытаниях на трехточечный изгиб бетонных балок без микрополимерных или целлюлозных волокон или с ними (0,1 Об. %), a) без температурной нагрузки (20°C), b) после температурной нагрузки 150°C, c) после температурной нагрузки 500°C, d) после температурной нагрузки 800°C [8]

Рис. 3. Кривые изгибного напряжения-смещения при испытаниях на изгиб в трех точках балок со стальными волокнами (1,0 В %) и микрополимерными или целлюлозными волокнами (0,1 или 0,2 В %), a) без температурной нагрузки (20°C), b) после температурной нагрузки 150°C, c) после температурной нагрузки 500°C, d) после температурной нагрузки 800 °C [8]

Результаты испытаний исследования [8] на рис. 2 и 3 показывают, что стальные волокна оказывают наиболее заметное влияние на напряжение при изгибе после растрескивания при каждой исследуемой температуре. Когда в бетон добавляли только стальные волокна, напряжение при изгибе после растрескивания значительно увеличивалось. Однако для образцов, включающих микрополимерные или целлюлозные волокна, помимо стальных волокон, существенных различий обнаружено не было. Это показывает, что полимерные и целлюлозные волокна не оказывают благоприятного влияния на напряжение при изгибе после растрескивания. Результаты кривых зависимости напряжения при изгибе от смещения при испытаниях на трехточечный изгиб также показывают, что имело место значительное снижение как прочности при изгибе, так и постоянной прочности при изгибе в диапазоне температур 500 и 800°C, что в основном может быть объяснено химическими изменениями бетона в этой температурной области. Возможными причинами могут быть реакции в цементном камне, такие как обезвоживание. Ca(OH) ₂ ниже 500°C и разложение гидратов силиката кальция (CSH) и CaCO ₃ между 500 и 800°C.

Целлюлозные (0,1 или 0,2 мас. %) и микрополимерные (0,1 или 0,2 мас. %) волокна одинаково эффективны для предотвращения взрывного отслаивания при температурной нагрузке 800°C.В случае применения волокнистых смесей из коротких стальных волокон вместе с целлюлозными волокнами или микрополимерными волокнами были достигнуты улучшения как в остаточной прочности при растрескивании, так и в нечувствительности к взрывному растрескиванию

Проанализировав зарубежные и отечественные исследования [] можно сделать вывод, что, используя фибробетон в отделке мы не только увеличиваем огнестойкость конструкции, но и предотвращает взрывное разрушение конструкции, которое является довольно опасным явлением.

Литература:

1. Корзанов В. С., Красновских М. П. Влияние термического воздействия на прочность бетона // Вестник ПГУ. Химия. 2020. № 3.
2. Леонович С. Н., Литвиновский Д. А. Вязкость разрушения высокопрочного бетона после воздействия высокой температуры // Construction materials. 2017. № 11
3. Яковлев, А. И. Исследование прогрева плоских конструкций [Текст] /А. И. Яковлев, Л. В. Шейнина // Огнестойкости строительных конструкций. –1976. — № 4. — С. 16–22.
4. Allison R. Inquiry into the fire on heavy goods vehicle shuttle7539 on 18 November 1996. London: HMSO; 1997
5. Chen, W. and J. L. Carson, 1971. Stress strain properties of random wire reinforced concrete. ACI J. Proc., 68: 933–936.
6. Lublo ́y E ́, Czoboly O, Hlavicˇka V, Oros ZS, Bala ́zs GL. Expe-riences of the fire case of athletic hall of the University ofPhysical Education in Budapest 15 Oct. 2015. Vasbetone ́pı ́te ́s.2015;3:50–5.
7. Ralph, H., 1999. Fire resistance of composite slabs. J. Construct. Steel Rese, 33: 71–85 Fibers and fiber cocktails to improve fire resistance of concrete.
8. Olive ́r Czoboly, E ́ va Lublo ́y, Viktor Hlavicˇka, Gyo ̈rgy L. Bala ́zs, Orsolya Ke ́ri, Imre Miklo ́s Szila ́gyi, «Fibers and fiber cocktails to improve fire resistance of concrete», J Therm Anal Calorim (2017) 128:1453–1461 DOI 10.1007/s10973–016–6038-x