Поведение фибробетона при воздействии высоких температур

Пожар является одной из наиболее опасных ситуаций для различных зданий, и прочность бетона может быть серьезно снижена при воздействии огня, прибегание к добавкам в виде различных фибр ухудшает восприимчивость к температурным воздействиям, что позволяет улучшение прочностных свойств конструкций. Исследователи часто полагаются на анализ остаточных механических свойств для оценки повреждений конструкций от пожара; поэтому эта тема широко изучалась на бетонных конструкциях, а также еще недостаточно изучены фибробетоны, точнее свойств, которые могли бы увеличивать огнестойкость конструкции с добавлением определенной фибры.

Ключевые слова : взрывное разрушение, сталефибробетон, фибробетон, высокая температура

На сегодняшний день существует достаточно много исследований фибробетонов, так как армирование бетона фиброй позволяет повысить прочностные характеристики бетонов и конструкций из этого материала Сталефибробетон все чаще применяется в различных зданиях и гражданской инфраструктуре в качестве усовершенствованного цементирующего композита. В последние годы требования к сталефибробетону в строительной отрасли возросли. Кроме того, внимание привлекла огнестойкость; поэтому были проведены многочисленные исследования остаточных свойств.

Установлено, что добавление случайно распределенных стальных волокон в бетон может значительно улучшить его прочность на сжатие, растяжение, пластичность и ударопрочность при комнатной температуре. Кроме того, сталефибробетон может использоваться в качестве основного строительного материала в различных конструкциях и инфраструктуре, например, при изготовлении плит перекрытия, дорожного покрытия и облицовки туннелей, благодаря своим выдающимся свойствам в повышении прочности бетона на разрыв и способности контролировать распространение трещин. Таким образом, влияние стальных волокон на остаточные механические свойства бетона после воздействия повышенной температуры и влияние взрывного откалывания бетона во время пожаров или при высоких температурах стали популярными темами в последние годы. Кроме того, было проведено множество исследований для изучения остаточных свойств и поведения при взрывном растрескивании [12 с.74, 10 с.62]. Когда бетон подвергается воздействию огня или высоких температур, наличие стальных волокон может снизить давление водяного пара в порах бетона и перекрыть трещины внутри бетона, а также уменьшить температурный градиент, пропуская больше тепла в бетон, чтобы уменьшить возможность взрывного откалывания и растрескивания бетона при высоких температурах, которые положительно влияют на огнестойкость бетона [11 с.181–182, 8 с.69]. Между тем, остаточные механические свойства бетона в условиях после пожара могут быть значительно улучшены.

Взрывное растрескивание является результатом сочетания процессов гидравлического, термического и механического разрушения внутри бетона [9 с.189]. Когда бетон подвергается воздействию огня или высоких температур, механические свойства бетона значительно ухудшаются, что приводит к быстрому ухудшению несущей способности бетонных компонентов, что в конечном итоге ставит под угрозу безопасность бетонных конструкций [7 с.325–327].

Рассматривая исследования Леонович С. Н. и Литвиновский Д. А. о высокопрочных бетонах при воздействии температур, они делают вывод «что в интервале температур 50–100 °С отмечается локальное снижение прочности бетона, которое, по-видимому, имеет влажностную природу и поэтому в меньшей мере проявляется на образцах. Дальнейшее повышение температуры до 300 °С приводит к увеличению прочности бетона, что объясняется возобновлением и ускорением процесса гидратации цементного камня, который является важным элементом связи структуры бетона. Однако после нагрева свыше 400 °С происходит понижение остаточной прочности, указывающее на появление трещин между заполнителем и цементным камнем с дальнейшим разрушением целостности структуры бетона». [1 с.33].

Принципиально важно, что результаты приведенных экспериментов совпадают с данными ведущих зарубежных ученых и институтов в области исследований высокопрочного бетона при высокотемпературном нагреве. Поэтому обоснованным является заключение, что комплекс исследований хрупкости высокопрочного бетона при воздействии высокой температуры методами механики разрушения [2 с. 14.] на образцах серий 1–4, выполненный авторами, достаточно представителен для распространения рекомендаций на широкий спектр высокопрочных бетонов.

Рис. 1. Составы образцов испытания

Рис. 2. Диаграммы изменения прочности при сжатии — fc(σ), E(σ) — модуль упругости. Деформирование образцов с разной фиброй после нагрева

Исследователи огнестойкости бетона отмечают, что «взрыв бетона происходил при влажности более 5 % и температуре 160–260 ºС, что соответствует максимальному давлению пара внутри бетона 7–20 атм» [6 с.4–6, 4 с.132]. Согласно данным производителей синтетических волокон, температура плавления полипропиленовой фибры составляет 165 ºС. Таким образом, идея применения выгорающей дисперсной арматуры представляется весьма плодотворной. Именно в указанном интервале температур должна возникать система сообщающихся пор и капилляров, благодаря которой расширяющаяся вода испаряется из бетона, не встречая сопротивления. Однако в результате настоящих исследований установлено, что при 200 ºС волокна не выгорают даже после выдержки образцов в течение 4 часов (рисунок см. ниже). В связи с этим проведено дополнительное исследование, в ходе которого образцы синтетических волокон нагревались в муфельной печи в керамических чашах в интервале температур от 150 ºС до 400 ºС с выдержкой на отдельных ступенях через каждые 50 ºС в течение 10 минут. Установлено, что при 200 ºС началось оплавление концов волокон, при 250 ºС волокна стали спекаться, а при 300 ºС склеились между собой, при 350 ºС волокна полностью расплавились и перешли в жидкое состояние, после чего началось обугливание с интенсивным выделением дымовых газов. Дальнейший нагрев привёл к воспламенению полимера. Таким образом, можно заключить, что свободный выход пара из бетона, благодаря выгоранию волокон, может начинаться при температуре, превышающей 350 ºС [3 с.98–105].

Рис. 3. Микрофотографии структуры фибробетона: а) после нагрева и выдержки при 200 ºС

Из натурных испытаний Леоновичем С. Н., Литвиновским Д. А., Пухаренко Ю.В. был подтвержден и сделан вывод, что армирование синтетическими микроволокнами позволяет повысить стойкость бетонов к действию высоких температур и снижает риск взрывного разрушения конструкций, что повышает их эксплуатационную надежность и безопасность при ликвидации пожара. Вместе с тем, установлено, что при выгорании при температурах выше 350 ºС такие волокна образуют токсичные дымовые газы, и это следует учитывать, особенно, при строительстве тоннелей и других подземных сооружений [5, с.12–14].

Литература:

1. Леонович С. Н., Литвиновский Д. А. Аналитические зависимости прочностных, деформативных, силовых и энергетических параметров высокопрочного бетона при нагреве // Наука и техника. 2011. № 4
2. Леонович С. Н., Литвиновский Д. А. Вязкость разрушения высокопрочного бетона после воздействия высокой температуры // Construction materials. 2017. № 11.
3. Пухаренко, Ю. В. Стойкость фибробетона к высокотемпературному воздействию / Ю. В. Пухаренко, М. П. Кострикин // Строительство и реконструкция. — 2020. — № 2(88). — С. 96–106. — DOI 10.33979/2073–7416–2020–88–2-96–106.
4. Яковлев, А. И. Основы расчета огнестойкости железобетонных конструкций [Текст]: дис. … д-ра техн. наук: 05.26.03 / Яковлев Анатолий Иванович. — М., 1966. — 167 с.
5. Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости железобетонных стен (статическая задача) [Текст] / А. И. Яковлев, В. П. Бушев // Огнестойкости строительных конструкций. — 1970. — № 7. — С. 12–28.
6. Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости железобетонных колонн [Текст] /А. И. Яковлев // Пожарная профилактика и тушение пожаров. — 1970. — № 5. –С. 3–11.
7. Fu, Y.F.; Wong, Y.L.; Poon, C.S.; Tang, C. A. Literature review of study on mechanism of explosive spalling in concrete at elevated temperatures. J. Build. Mater. 2006, 9, 323–329.
8. Gao, D.; Yan, D.; Li, X. Splitting strength of GGBFS concrete incorporating with steel fiber and polypropylene fiber after exposure to elevated temperatures. Fire Saf. J. 2012, 54, 67–73.
9. Gawin, D.; Alonso, C.; Andrade, C.; Majorana, C.E.; Pesavento, F. Effect of damage on permeability and hygro-thermal behaviour of HPCs at elevated temperatures: Part 1. Experimental results. Comput. Concr. 2005, 2, 189–202.
10. Li, Y.; Pimienta, P.; Pinoteau, N.; Tan, K. H. Effect of aggregate size and inclusion of polypropylene and steel fibers on explosive spalling and pore pressure in ultra-high-performance concrete (UHPC) at elevated temperature. Cem. Concr. Compos. 2019, 99, 62–71.
11. Purkiss, J. A. Steel fibre reinforced concrete at elevated temperatures. Int. J. Cem. Compos. Lightweight Concr. 1984, 6, 179–184.
12. Varona, F.B.; Baeza, F.J.; Bru, D.; Ivorra, S. Influence of high temperature on the mechanical properties of hybrid fibre reinforced normal and high strength concrete. Constr. Build. Mater. 2018, 159, 73–82.