ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ В УСЛОВИИ ПОЖАРА. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ОГНЕСТОЙКОСТИ

В современном строительстве чистые металлы используются редко, чаще всего применяют сплавы. Наиболее распространёнными сплавами являются стали- сплавы железа с углеродом (содержание углерода менее 2,14%, в противном случае сплав называется чугуном) и различные алюминиевые сплавы.

Стали применяемые в строительстве

Строительные стали производят следующим образом: расплавленный чугун продувается кислородом в конвертерной или мартеновской печи, в результате этого происходит окисление различных добавок и части углерода, содержащейся в чугуне. После плавки сталь разливают в изложницы, где происходит её остывание. В процессе кристаллизации выделяется большое количество газов и неметаллических включений, такую сталь называют кипящей, её качество невысокое. При остывании стали можно ввести специальные раскислители- кремний, марганец, которые связывают газы и делают процесс остывания более спокойным, такую сталь называют спокойной. Её качество на порядок выше. Если раскисление произошло неполностью, то полученная сталь называется полуспокойной.

По содержанию углерода стали делятся на три типа:

• малоуглеродистые- содержание углерода находится в пределе от 0,09% до 0,22%;
• среднеуглеродистые- с содержание углерода от 0,25 до 0,5%;
• высокоуглеродистые- они содержат углерода от 0,6 до 1,2%.

Строительные стали являются малоуглеродистыми, среднеуглеродистые применяются в машиностроении, а высокоуглеродистые в производстве инструментов.

Стали, в которых помимо нормальных примесей находятся легирующие добавки, называются легированными. Легированные стали классифицируют следующим образом:

• По количеству легирующих добавок: низколегированные- количество добавок до 2,5%, среднелегорованные- количество добавок до 10% и высоколегированные- количество добавок свыше 10%.

По экономическим соображениям в строительстве используют низколегированные стали.

Используют сталь в строительстве для производства несущих конструкций: колонн, балок, ферм.

Основным способом получения стальных изделий является горячая прокатка. Этим способом получают различные профили: листы, стержни, трубы. Изделия в этом случае называются горячекатаными.

Важной особенностью сталей является способность улучшать свои физико- механические свойства и, в частности, прочность после термической и механической обработки.

Алюминиевые сплавы в строительстве

Из- за низкой прочности чистый алюминий редко используют в строительстве. Все чаще используются сплавы на его основе, которые делятся на литейные и обрабатываемые под давлением.

Литейные сплавы используются только для изготовления фасонных отливок. Самым распространённым сплавом такого вида является силумин- сплав алюминия с кремнием.

Сплавы, обрабатываемые под давлением, делят на две группы:

• Деформируемые без последующей тепловой обработки: сплавы алюминия с магнием и сплавы алюминия с марганцем;
• Деформируемые с последующей термообработкой: сплавы алюминия с медью, магнием, кремнием и марганцем, высокородные сплавы алюминия  цинком, магнием, кремнием и марганцем.

Неоспоримым достоинством сплавов на основе алюминия является высокий предел прочности, про малой плотности. Большинство сплавов имеют повышенную стойкость к коррозии и высокую декоративность. Они сохраняют прочность при высоких температурах и не образуют искр при ударе.

Но, как любой строительный материал, алюминий имеет свои недостатки. К ним относятся низкий модуль упругости и высокий коэффициент температурного расширения.

Строение металлов

Металлы имеют кристаллическую структуру. В расплавленном состоянии атомы металлов находятся в беспорядочном движении, а при переходе в твёрдое состояние они ориентируются в пространстве определённым образом, образуя кристаллическую решетку. Строение решётки и расположение в ней атомов зависят от вида металла. У железа она кубическая (рисунок 1), а у алюминия гексагональная (рисунок 2).

Рисунок 1. Кубический тип             Рисунок 2. Гексагональный тип

кристаллической решётки               кристаллической решётки.

Рассмотренные типы кристаллических решёток характерны для идеальных кристаллов. Для реальных металлов и сплавов характерно наличие различных дефектов- точечных, линейных и поверхностных. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы.

Факторы, влияющие на поведение сплавов в условии пожара

Чтобы понять как ведут себя металлы при пожаре нужно определить основные факторы действующие на сплавы:

Внешние факторы:

факторы пожара: температура, время, тушение, агрессивность среды;

эксплуатационные: область применения, нагрузка;

негативные процессы: физические, теплоперенос, тепловое деформирование;

отрицательные последствия: ухудшение механических свойств, необратимые деформации, разрушение материала;

Внутренние факторы:

технология изготовления: химический состав, физико- механические свойства, структура.

Общие закономерности поведения металлов в условиях пожара

При нагреве металла подвижность атомов повышается, это приводит к увеличению межатомных расстояний и ослаблению связи между ними. Термическое расширение нагретых тел- характерный признак увеличения расстояния между атомами. Большое влияние на улучшение механических свойств металлов оказывают дефекты, число которых возрастает с увеличением температуры. При достижении температуры плавления количество дефектов, увеличение межатомных расстояний и ослабление связей достигает такой степени, что металл переходит в жидкое состояние.

В интервале температур от абсолютного нуля, до температуры плавления изменение объема практически всех металлов находится в пределе от 6 до 7,5%. Следовательно увеличение подвижности атомов и расстояниям между ними свойственно всем металлам практически в одинаковой степени.

Повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению прочности и упругости металла и к увеличению его пластичности.

Стоит заметить, что чем ниже температура металла или сплава, тем при более низких температурах происходит снижение прочности материала, например у алюминия эта температура ниже, чем у стали.

Размягчение металла приводит к деформации и разрушению строительной конструкции (чаще всего несущей), а следовательно и всего здания в целом.

Способы повышения огнестойкости металлических конструкций

Для обеспечения некоторого увеличения времени сохранения свойств сплавов и металлов при высоких температурах используются скудеющие методы:

• Выбирают изделия из металлов, более стойких к воздействию нагрева, предпочтение отдаётся сталям вместо алюминиевых сплавов;
• Используют низколегированные стали вместо обычных;
• Изготавливают изделия, более устойчивые к нагреву;
• Защищают внешнюю поверхность металлических изделий путём нанесения антипиренов, либо обмазывают конструкцию слоем бетона.

Металлы, составляющие огромную часть всех строительных материалов,  служащие в качестве сырья для несущих конструкций особенно нуждаются в изучении свойств огнестойкости, для последующего регулирования поведения металлов при нагревании, а также для изобретения свойств огнезащиты.

Список литературы:

1. Демёхин В. Н., Мосалков И. Л., Плюсика Г. Ф., Серков Б. Б., Фролов А. Ю., Шурин Е. Т. - Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Учебник.- М.: Академия ГПС МЧС России. 2003.- 653 с, ил.