Е.А. МЕШАЛКИН, доктор технических наук, профессор, академик НАН ПБ, профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС, председатель правления Федеральной Палаты пожарно-спасательной отрасли;
С.П. Антонов, генеральный директор компании «ПРОЗАСК» (Противопожарная защита строительных конструкций), член комитета Федеральной Палаты пожарно-спасательной отрасли
Статья подготовлена на основе диссертации, в которой поднимались вопросы огнестойкости бетонных конструкций, взрывообразной потери целостности бетонных изделий. Диссертация была написана Е.А. Мешалкиным в 1979 году и, как оказывается, не потеряла актуальности и в наши дни.
Е.А. МЕШАЛКИН. Генерал-лейтенант внутренней службы в отставке, автор более 300 научных работ, а при его участии и непосредственном руководстве было выполнено свыше 70 НИОКР по актуальным проблемам пожарной безопасности. В этом году Е.А. Мешалкин отметил свое 70-летие. Желаем ему новых творческих успехов и крепкого здоровья
С.П. Антонов
Основные положения, вошедшие в диссертационную работу:
– методы и средства регистрации разрушения изделий из капиллярно-пористых материалов в условиях воздействия агрессивных факторов и определения фильтрационных характеристик этих материалов;
– результаты экспериментального исследования процессов разрушения тяжелых бетонов на цементном вяжущем в зависимости от ряда технологических и экспериментальных факторов в условиях «стандартного» пожара с учетом специфики протекания явления их взрывообразной потери целостности;
– метод оценки стойкости бетонных изделий к взрывообразной потере целостности при пожаре;
– результаты оценки стойкости некоторых видов конструкций из тяжелого бетона к взрывообразной потере целостности.
Фото 1. Колонна на отм. 348,80 м после трехстороннего огневого воздействия. Разрушение узла соединения сборной и монолитной частей. Выгиб арматурных стержней
Еще в 1979 году отмечалось, что, несмотря на большой опыт исследований в области огнестойкости конструкций, практика продолжает ставить перед исследователями все новые проблемы. Одной из таких проблем является взрывообразная потеря целостности бетонных изделий. «Внешнее проявление взрывообразной потери целостности состоит в том, что во время пожара или при испытаниях на огнестойкость уже через 5-10 минут после начала теплового воздействия почти непрерывно от обогреваемой поверхности бетонных конструкций откалываются пластинки материала площадью 0,04-0,05 м2 и толщиной 0,005-0,015 м. Куски откалывающегося бетона отлетают при этом с хлопками и треском на расстояние 10-15 м. В результате конструкции преждевременно утрачивают свою несущую способность сжатые элементы (например, колонны) – в результате резкого уменьшения рабочего сечения, а изгибаемые элементы (плиты перекрытий) – из-за быстрого нагревания растянутой рабочей арматуры до критической температуры».
Актуальность вопроса повышения стойкости железобетонных конструкций к огневому воздействию и, в частности, их стойкости к взрывообразному (хрупкому) разрушению подтверждается и сегодня, а количество пожаров как в мире, так и в России (только у нас около 150 тысяч в год) все еще велико.
По данным Всемирного центра пожарной статистики, убытки от пожаров составляют в развитых странах до 2% от их национального дохода. Изучение результатов пожаров – явное свидетельство того, что в некоторых случаях разрушение конструкций произошло именно по причине оголения арматурного каркаса вследствие взрывообразного разрушения бетона.
Как пример данного явления можно указать на пожар на Ирганайской ГЭС (2010 г.), который привел к деструкции бетона и потере им первоначальной прочности на сжатие на глубину до 270 мм (по результатам испытаний кернов).
Фото 2. Разрушение силовой арматуры и бетона плиты перекрытия над очагом пожара №1 в зоне сопряжения плиты со стенкой генератора ГА-1. Наблюдается эффект расплавления металла в бетоне (характерно для нагрева конструкций до 1400°С).
Оказалось, что применяемые методы исследования изменения прочностных и деформативных характеристик бетона при огневом воздействии «не дают информации о процессах в структуре материала и тем более не предназначены для исследования такого сложного и специфического явления, как взрывообразная потеря целостности (ВПЦ) бетона, которая протекает в условиях резко нестационарных процессов тепло- и влагопереноса, сопровождающихся фазами превращения содержащейся в материале влаги, неравномерным распределением температур и влагосодержаний внутри материала, возникновением градиента избыточного давления и т.д.».
Основными источниками информации о поведении бетона при пожаре являлись стандартные испытания конструкций на огнестойкость. Результаты таких испытаний показали:
– «взрывообразная потеря целостности происходит с 5-10-й минуты от начала высокотемпературного воздействия и часто продолжается до 40-50-й минуты;
– повышенное влагосодержание бетона в конструкциях является одним из основных факторов, определяющих склонность изделия к ВПЦ, которая наблюдается в широком интервале влагосодержаний (от 2% до 4%);
– склонность бетона к ВПЦ определяется также типом применяемого заполнителя;
– в нагруженном состоянии ВПЦ происходит при меньших значениях влагосодержания бетона, что говорит о существенном влиянии нагрузки на склонность изделия к ВПЦ».
Исследования авторов показали, что начальное влагосодержание бетона при вводе здания в эксплуатацию в 2-5 раз превосходит допустимую величину (1-2% по СНиП ПА.771) и может достигать 12%, при этом сорбционная влажность эксплуатируемых конструкций из тяжелого бетона может составлять до 6,5%, а процесс потери излишней влаги превышеат 4-5 лет (на примерах исследований в Риге, Магнитогорске, Минске и Мурманске).
«Существующие подходы к оценке явления ВПЦ основаны на:
– статической (чисто механической) концепции разрушения, которая рассматривает разрушение бетона как мгновенный акт, наступающий при достижении рабочими напряжениями в материале некоторого критического значения прочности. Теория, основанная на этой концепции, получила название «теория предельных состояний». Однако в ряде случаев такая теория не позволяет объяснить наблюдаемые в действительности явления, обусловленные внутренними процессами (ВПЦ бетонных изделий при высокотемпературном воздействии);
– кинетической концепции разрушения».
Отмечая сложность процессов тепло- и влагопередачи при интенсивном высокотемпературном воздействии, кратко можно так сформулировать предлагаемые учеными «статические» объяснения причин «взрыва» бетона в рассматриваемых условиях:
– во влажном бетоне – это рост давления паров до некоторой разрушающей величины (0,7-2,0 МПа);
– в высушенном бетоне – это достижение температурными напряжениями некоторого критического значения.
Кинетическая, температурно-временная трактовка получает все большее распространение. Критическая величина критерия повреждаемости в некоторой точке считается критерием разрушения в рассматриваемой точке. В этой связи ВПЦ бетонных изделий при пожаре определяется как периодически повторяющаяся во времени зональная потеря целостности со стороны обогреваемых поверхностей, являющаяся конечной стадией накопления нарушений структуры материала в зонах потери целостности за счет комбинированного воздействия термических, силовых и влажностных стимуляторов разрушения.
Была предложена система оценки стойкости бетонных изделий к взрывообразной потере целостности в условиях пожара, которая включала 11 направлений, среди которых:
– исследование механизма ВПЦ, понимание источников прочности и разрушения изделий в рассматриваемых условиях;
– выбор и обоснование параметров и показателей стойкости к ВПЦ;
– анализ основных факторов, влияющих на процесс разрушения материалов и конструкций при высокотемпературном воздействии;
– установка взаимосвязи между факторами, влияющими на разрушение изделий, и показателями стойкости к ВПЦ;
– разработка практических требований исходя из области возможного использования материалов и конструкций;
– разработка системы количественной оценки стойкости к ВПЦ, включающей в себя методы и средства диагностики, разработку объективной шкалы прочности и др.
При разработке шкалы стойкости к ВПЦ, в соответствии со сложившимися представлениями, а также имеющимися данными ВНИИПО по результатам натурных испытаний конструкций на огнестойкость, было принято деление материалов и изделий по стойкости к ВПЦ на три класса:
I класс (стойкие к ВПЦ) – материалы и конструкции, которые в условиях пожара не склонны к ВПЦ в диапазоне возможных при пожаре влагосодержаний, интенсивностей теплового воздействия, нагрузок и т.д.,
II класс – склонные к ВПЦ в интервале эксплуатационных влагосодержаний только в нагруженном состоянии. III класс – склонные к ВПЦ в интервале эксплуатационных влагосодержаний при отсутствии нагрузок.
Была проведена широкая серия огневых экспериментов во ВНИИПО для проверки предлагаемого метода оценки стойкости бетонных изделий к хрупкому разрушению при огневом воздействии. Испытывались бетоны с различными заполнителями. Испытания 6 плит проводились через год после изготовления, и они показали, что бетон образцов разрушался с эффектом «взрыва» уже через 9-15 минут огневого воздействия. При этом в нижней полке образовывались сквозные отверстия.
Последующая серия испытаний, через 2 года после изготовления плит и хранения их в отапливаемом помещении, с влажностью бетона 1,5-3%, дала такие же результаты.
На фото 3 – один из результатов испытаний.
Фото 3. Вид плиты (модели нижней полки коробчатого настила) после взрывообразной потери целостности при испытаниях на огнестойкость
Проведенный анализ теоретико-экспериментальных исследований показал, что основные факторы, в той или иной мере оказывающие влияние на стойкость бетонных изделий к ВПЦ, можно подразделить на группы: технологические, конструктивные, эксплуатационные в обычных условиях эксплуатации и эксплуатационные в аварийных условиях эксплуатации.
Разработка мероприятий по регулированию стойкости к ВПЦ может осуществляться в трех направлениях:
– воздействие на процесс разрушения материала прогреваемого изделия в стадии накопления нарушений, предшествующей возникновению актов ВПЦ;
– воздействие на развитие магистральной трещины на заключительном этапе разрушения материала конструкции в условиях пожара;
– комплексное воздействие на процесс разрушения материала конструкции как в стадии накопления нарушений, так и в стадии потери изделием целостности.
Основные мероприятия, связанные с воздействием на конструктивные факторы:
– введение специальных защитных элементов в бетонные конструкции. Достаточно эффективным средством является нанесение теплоизоляционного слоя из базальтового волокна на поверхность изделия, а также другие решения;
– перфорирование поверхностей конструкции для стравливания избыточного давления, создаваемого при испарении содержащейся в бетоне влаги;
– введение элементов, препятствующих развитию процесса разрушения материала при его интенсивном прогреве;
– дополнительное армирование поверхностного слоя бетона сварными сетками с различными размерами ячеек.
Тут следует отметить, что Е.А. Мешалкин практически предвосхитил разработанные позже требования Еврокода-2 «Проектирование железобетонных конструкций», а именно части EN 1992-1-2 «Общие правила определения огнестойкости». Данный документ в п. 6.2 рекомендует для защиты бетона от хрупкого разрушения при пожаре применять указанные выше методы (более подробно – в статье «Российское противопожарное законодательство и требования по обеспечению огнестойкости железобетонных строительных конструкций» – см. стр. 38).
Основные мероприятия, связанные с воздействием на эксплуатационные факторы:
– территориальное зонирование применяемых в строительстве конструкций по влажностным поясам;
– дифференцированное применение конструкций в зданиях и сооружениях в зависимости от требуемого предела огнестойкости и фактически возможной интенсивности высокотемпературного воздействия в условиях пожара;
– ограничение области применения конструкций и материалов с учетом климатических зон и влажностного режима в помещении.
Проверка эффективности рекомендуемых или используемых в практике мероприятий по регулированию стойкости к ВПЦ бетонных изделий в условиях пожара должна производиться путем экспериментального определения фактических значений показателя стойкости к ВПЦ и сравнения их с требуемыми значениями этого параметра согласно шкале классов стойкости к ВПЦ.
