БЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОГНЕСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

По статистике КЧС РК в 2016 году произошло 7 256 пожаров, материальный ущерб от которых составил 1 миллиард 549 миллионов 691 тысяча тенге.

Требования к пожарной безопасности и огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений непрерывно возрастают в связи со спецификой современного строительства - ростом этажности зданий, протяженности путей эвакуаций, все большим объемом применения большепролетных тонкостенных конструкций. Одним из важных разделов Технического регламента о требованиях пожарной безопасности являются статьи определяющие требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и сооружений. Эффективным способом обеспечения этих требований, предъявляемых к строительным конструкциям зданий и сооружений, является огнезащита.

Анализ научно-технической литературы свидетельствует о перспективности использования покрытий на основе теплоизоляционных материалов повышенной термостойкости, являющиеся наиболее эффективными и экономичными для огнезащиты.

Целью данной работы является получение бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий. В соответствии с целью работы решались следующие задачи.

- Анализ и обобщение современных тенденций в области создания огнестойких железобетонных изделий и конструкций.

- С термодинамических позиций обосновать выбор эффективных компонентов бетона повышенной термостойкости.

- Исследованиями на разных масштабных уровнях оценить воздействие высокой температуры на структуру предполагаемого бетона повышенной термостойкости.

- В условиях воздействия высокой температуры исследовать динамику изменения прочностных характеристик и теплофизических параметров бетона.

Объектом исследования выступает разрабатываемый состав бетона повышенной термостойкости.

Предметом исследования является структура бетона повышенной термостойкости на различных масштабных уровнях и его физико-механические свойства при температурных воздействиях.

Выбор компонентов бетона осуществляется исходя из двух положений.

- обеспечение несгораемости, а также избежание растрескивания и взрывообразного разрушения защитного слоя бетона в условиях стандартного пожара, являющихся основными причинами, приводящими к преждевременному наступлению предела огнестойкости строительной конструкций;

- обеспечение совместимости компонентов бетона с термодинамических позиций. Для обеспечений необходимой прочности и агдезии бетона предоставлялось применение портландцемента.

Научная новизна работы с термодинамических позиций заключается - в выборе эффективных компонентов бетона повышенной термостойкости. Одним из самых эффективных заполнителей является – молотый шунгит.

Рисунок 1. Шунгит

Шунгит - минеральное вещество, состоящее из аморфного углерода и сильно диспергированного графита с примесью неорганических веществ.

Шунгитовые породы - уникальные по составу, структуре и свойствам образования. Они представляют собой необычный по структуре природный композит-равномерное распределение высокодисперсных кристаллических силикатных частиц в аморфной углеродной матрице. В Карелии имеется единственное в мире разведанное месторождение шунгитовых пород. Шунгитовые породы Зажогинского месторождения уникальны по составу, структуре и свойствам. Аналогов этому сырью в мире неизвестно.

Физические свойства шунгита:

• плотность – 2,25–2,40 г/см³;
• пористость – 0,5–5%;
• прочность на сжатие 100–150 Мпа;
• модуль упругости (Е) – 0,31 х 10⁵ Мпа;
• электропроводность – (1–3) х 10³ сим/м;
• теплопроводность – 3,8 вт/м•к
• среднее значение к.т.р. в интервале температур 20–600 0С – 12х10^-6 1/град.

Основным технологическим свойством материалов, наполненных шунгитом является – негорючесть.

Бетонная смесь для получения термостойкого огнезащитного покрытия включает компоненты в следующем количестве (в кг на 1 м³ бетонной смеси): портландцемент - 400; молотый шунгит - 50; асбест - 15; доменный гранулированный шлак - 930; вода - 295. При этом доменный гранулированный шлак имеет модуль крупности M_кр=2,98 и насыпную плотность 500 кг/м³, а шунгит имеет оптимальную дисперсность: модуль крупности M_кр=1,43, удельная поверхность S_уд=320 м²/кг.

Данный состав позволяет повысить термостойкость бетона и может обеспечить повышение огнестойкости железобетонных конструкций. Недостатком состава является использование молотого гранулированного шлака, также важной характеристикой является величина дисперсности шунгита. При введении гранулированного шлака необходимо создать несущий каркас, обеспечивающий снижение усадочных деформаций и улучшение физико-механических характеристик бетона при твердении и огневом воздействии. При введении шунгита стоит задача в снижении напряжений, возникающих за счет его вспучивания при огневом воздействии, и обеспечении изменения теплозащитных свойств бетона. Эти задачи могут быть решены путем применения доменного гранулированного шлака и молотого шунгита с оптимальной дисперсностью.

Целью данного изобретения является разработка состава бетонной смеси для получения огнезащитного покрытия повышенной термостойки, имеющего улучшенные физико-механические характеристики и позволяющего повысить предел огнестойкости железобетонных конструкций.

Указанную цель решали за счет подбора рационального состава бетонной смеси, используя компоненты в следующем количестве (в кг на 1 м³ бетонной смеси): портландцемент - 400; молотый шунгит - 50; асбест - 15; доменный гранулированный шлак - 930; вода - 295.

Из теоретических предпосылок следует, что при введении в состав предлагаемой бетонной смеси доменного гранулированного шлака, имеющего модуль крупности М_кр=2,98 и насыпную плотностью 500 кг/м³, будет создан необходимый несущий каркас, обеспечивающий снижение усадочных деформаций при твердении и огневом воздействии. Использование тонкомолотых частиц шунгита с оптимальной дисперсностью: модуль крупности М_кр=1,43; удельная поверхность S_уд=320 м²/кг, вспучивающихся при нагреве, будет способствовать формированию теплоизолирующего слоя (экрана) с более низким показателем теплопроводности, что обеспечит меньший прогрев железобетонных конструкций. Применение данных компонентов позволит повысить термостойкость, улучшить физико-механические характеристики термостойкого огнезащитного покрытия, что обеспечит повышение предела огнестойкости железобетонной конструкций.

Применялись компоненты со следующими характеристиками.

Портландцемент ПЦ 500

Доменный гранулированный шлак с модулем крупности М_кр=2,98 и насыпной плотностью 500 кг/м³, имеющий химический состав, мас. %: SiO₂ - 35-40; СаО - 38-40; A1₂O₃ - 5-13; Fe₂O₃ - 0,5-1; MgO - 1-7; MnO - 0,2-1,3; FeO - 0,2-0,6; SO₃ - 0,1-1; S - 0,5-1.

Асбест хризотиловый группы 6K, марки А-6К-30

Шунгит химический состав, мас. %: SiO₂ - 57,0; TiO₂ - 0,2; Al₂O₃ - 4,0; FeO - 2,5; MgO - 1,2; СаО - 0,3; Na₂O - 0,2; K₂O - 1,5; S - 1,2; С - 30,0; H₂O крис.- 1,7.

Дисперсность шунгита: модуль крупности М_кр=1,43, удельная поверхность S_yд=320 м²/кг.

Бетонную смесь получали путем тщательного перемешивания вышеописанных компонентов в смесителе принудительного действия. Подвижность бетонной смеси составляла 5-7 см. Для оценки эффективности огнезащитного покрытия из предложенной бетонной смеси изготавливались образцы, которые хранились в нормальных условиях при температуре 20±2°С и влажности 100 %. Определялись следующие показатели: средняя плотность (по ГОСТ 12730.1); прочность при изгибе и сжатии (по ГОСТ 18105); термостойкость (по ГОСТ 20910), теплопроводность (по ГОСТ 9479). Также расчетным методом определялся предел огнестойкости железобетонной конструкции по потере несущей способности (R) с применением термостойкого огнезащитного покрытия из предложенного состава бетонной смеси.

Таблица 1

Состав разработанной бетонной смеси и свойства термостойкого огнезащитного покрытия

Испытания, проведенные при температурах 700, 900 и 1100°С, показали, что предлагаемая бетонная смесь позволяет получить огнезащитное покрытие, обладающее повышенной термостойкостью (таблица 2).

Таблица 2

Результаты испытаний на термостойкость

Сравнительные данные по определению теплопроводности образцов, прошедших испытания на термостойкость, показали, что в огнезащитном покрытии, изготовленном из предлагаемой бетонной смеси, наблюдается снижение коэффициента теплопроводности по сравнению с контрольным составом (таблица 3). Визуально наблюдалась поризация структуры материала за счет вспучивания шунгита. При этом образцы предлагаемого состава сохраняли целостность и не имели поверхностных трещин.

Таблица 3

Результаты испытаний на теплопроводность

Для определения эффективности термостойкого огнезащитного покрытия, изготовленного из предлагаемой бетонной смеси, был проведен расчет по определению фактического предела огнестойкости конструкции на примере железобетонной плиты перекрытия. Расчет проводили по предельному состоянию R - потере несущей способности .В ходе расчетов установлено, что применение термостойкого огнезащитного покрытия, изготовленного из предлагаемой бетонной смеси, позволяет повысить предел огнестойкости железобетонной конструкций в несколько раз (в зависимости от толщины наносимого покрытия): предел огнестойкости железобетонной плиты без применения огнезащитного покрытия равен R 64 (64 минуты - промежуток времени от начала огневого воздействия до обрушение конструкции или возникновение предельных деформаций), с применением предлагаемого огнезащитного покрытия толщиной δ₁=20 мм - предел огнестойкости R 194, толщиной δ₂=40 мм - предел огнестойкости R 342.

Таким образом, использование предлагаемой бетонной смеси позволяет получить огнезащитное покрытие, имеющее повышенную термостойкость, улучшенные физико-механические характеристики и обеспечивающее увеличение предела огнестойкости железобетонных конструкций.