какую температуру держит бетон

Работа и разрушение бетона в условиях высоких и низких температур

Работа и разрушение бетона в условиях высоких и низких температур

Бетонные и железобетонные конструкции порой работают в сложных условиях связанных с высокой или низкой температурой, в условиях агрессивных сред, динамических воздействий и т.д. Наиболее часто возникающими неблагоприятными условиями работы бетона в процессе эксплуатации железобетонных конструкций являются высокие температуры технологического процесса или при пожаре и низкие температуры, в т.ч. циклическое замораживание-оттаивание бетона, в холодный период года.

Кроме того дополнительные напряжения в бетоне под воздействие низких температур создаются благодаря различию деформаций по температуре различных составляющих железобетонных конструкций.

Под действие отрицательных температур, т.е. попеременного замораживания-оттаивания, можно наблюдать четыре основных типа разрушения бетона:

Защита бетона от разрушения на улице и способность сопротивляться воздействию низких температур характеризуется маркой по морозостойкости F, количественно выраженной в циклах попеременного замораживания-оттаивания до появления видимых признаков разрушения и до определенной потери бетоном ряда нормируемых показателей – плотность, прочность, динамическая упругость. Марка по морозостойкости определяется по результатам лабораторных испытаний образцов бетона, замораживанием и оттаиванием, с визуальным контролем их состояния, контролем веса образцов, скорости прохождения ультразвука через образцы, определением динамического модуля упругости бетона образцов и сравнения их с начальными значениями [1].

Другим полюсом температурных воздействий на бетон являются высокие температуры, обусловленные технологическими процессами или огневым воздействием в условиях пожара. Поскольку бетонные и железобетонные конструкции, подвергающиеся воздействиям высоких температур вследствие технологических процессов, обычно, имеют какую либо защиту от таковых воздействий, их рассмотрение имеет некоторую специфику. Для упрощения ограничимся рассмотрением температурного воздействия в условиях пожара на бетон незащищенных конструкций, что хоть и является аварийным воздействие, однако имеет большее распространение, чем высокотемпературные воздействия от технологических процессов.

В процессе пожара температура в помещении может подниматься до 1000-1200˚С при продолжительности пожара 1-2 часа [4]. В условиях пожара в железобетонных конструкциях происходит снижение прочности бетона и арматуры и при достижении определенной температуры это снижение становиться необратимым. Так при до нагреве 400˚С бетон начинает резко терять прочность и при достижении температуры 800˚С и выше (температура разрушения бетона) бетон теряет 90% и более своей прочности. При этом, если температура бетона не достигла 500˚С, то его прочность может восстановиться до 90% начального значения в течении года[4, 5]. При больших температурах прочность бетона снижается необратимо, а при остывании и выдерживании в нормальных условиях продолжает снижаться. Данное снижение прочности происходит вследствие нарушения структуры затвердевшего портландцемента из-за усиливающейся разнозначности деформации гелеобразной части цементного камня неразложившихся зерен клинкера, а также из-за дегидратации Са(ОН)₂ [4]. Также бетон получает дополнительное снижение прочности при тушении пожара, т.е. при охлаждении бетона водой после нагрева в условиях пожара.

Кроме изменения прочности при нагревании бетона происходит изменение его упругопластических свойств, модуль упругости снижается и при этом происходит рост пластических деформаций бетона под нагрузкой [4]. Так при нагреве до 500˚С происходит снижение модуля упругости до 43% а при 700˚С до 18% от начального значения [4]. При этом при достижении бетоном температуры 400˚С начинается резкий рост пластических деформаций, что также обуславливается нарушением и изменением структуры бетона.

Кроме того, при нагреве бетона до высоких температур происходит его необратимая усадка [4, 5]. Также при нагреве бетона в условиях пожара может наблюдаться его взрывообразное разрушение в виде отколов бетона на глубину 5-10см [4] вследствие возникновения высокого давления пара в замкнутых порах.

Однако следует отметить, что бетонные и железобетонные конструкции обладают значительными размерами сечений, а сам бетон обладает некоторым сопротивлением теплопередаче, в силу чего для его прогрева до высоких температур на всю толщину требуется значительное время и при быстрой ликвидации пожара часто необратимые повреждения получают только поверхностные слои бетона конструкций. Поэтому, поврежденные в результате пожара железобетонные и бетонные конструкции не всегда оказываются непригодными к дальнейшей эксплуатации или последующему восстановлению.

Возможность дальнейшей эксплуатации или последующего восстановления бетонных и железобетонных конструкций, получивших повреждения от воздействия низких или высоких температур определяют по результатам инженерно-технического обследования, в ходе которого определяется глубина и степень поражения бетона, его прочность, оценивается состояние арматуры и, при необходимости, производится отбор и испытания ее образцов на предмет прочности. По итогам выполненного обследования разрабатываются рекомендации по дальнейшей надежной и безопасной эксплуатации, выбираются методы и средства восстановления конструкций, их усиления.

Научная работа в области изучения работы бетона в сложных и экстремальных условиях продолжается, в т.ч. активно ведутся работы в области температуро-стойких бетонов, разрабатываются методы повышения сопротивляемости бетонов воздействиям как низких, так и высоких температур, совершенствуются методы расчета конструкций, подвергающихся температурным воздействиям, разрабатываются методы защиты, покрытие бетона от разрушения. Таким образом, работа бетона в сложных условиях представляет собой обширное поле деятельности для ученых и значительное количество научных проблематик для дальнейшего разрешения.

Источник

Как определяется жаростойкость бетона?

При пожаре свойства железобетонных конструкций проявляют себя в огнеупорности и жаростойкости. Температура плавления бетона равна 1100—2000 °C в зависимости от внутреннего состава, добавленного в раствор. Начиная с 200 °C, происходит снижение прочности и растрескивание, но материал довольно огнестойкий и медленно модифицируется за счет малой скорости нагревания поверхности. Тепло выделяется в процессе испарения воды при разрушении целостности цемента, таким образом позволяя сопротивляться непродолжительному влиянию высоких температур. Для строительства рекомендуется использовать бетон с жаростойкими характеристиками.

Воздействие высоких температур на бетон

Разрушение материала происходит послойно за счет ослабления прочности и давления паров, проникающих в поры конструкции. Структура видоизменяется вследствие высокой температуры в различных диапазонах:

Бетонные части при пожаре не стоит поливать водой, так как это ведет к растрескиванию материала с разрушением верхнего слоя защиты, обнажая арматуру.

Температура плавления бетонных конструкций

В журнале Civil Engineering в 2010 году были опубликованы методы определения критических температур и деформаций для решения вопросов огнеупорности. Согласно этому, расплав каждого элемента, который находится в составе цементного камня, меняется в зависимости от наличия даже небольшого количества примеси. По внешнему состоянию определяют температуру плавления:

Самыми уязвимыми частями при пожаре считают изгибаемые элементы: балки, плиты и ригели. Арматура в этих конструкциях покрыта тонким слоем бетона. Поэтому эта часть быстро прогревается до критических температур и разрушается. Согласно предоставленной информации строительной документации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций, ее остаточную прочность после стандартного пожара считают допустимой при сохранении основных характеристик. Расчет проводят на основании расчетных нагрузок, сопротивлении бетонного слоя и арматуры. При постройках зачастую делают искробезопасный пол. Покрывают его эпоксидной основой или полиуретаном.

Особенности огнестойких бетонов

Жаростойкий бетон производят с помощью материалов, которые под воздействием высоких температур не меняют свои характеристики. Для повышения жаропрочности применяют следующие методы:

В состав ячеистых бетонов входит заполнитель на минеральной кремниевой основе. Так как кремний имеет свойство жаропонижения, то этот материал наиболее часто используют при строительстве с повышенными требованиями пожароопасности. Помимо этого, огнестойкие виды применяют для изготовления камер горения, тепловых электростанций и прочее.

Уровень огнестойкости железобетонных конструкций и колон

ЖБ конструкции с тонкими стенками в основном не имеют единой монолитной связи с другими частями. Они способны выдерживать температуру пламени и осуществлять свои основные функции на протяжении 1 часа. Максимальный уровень огнестойкости обусловлен размерами сечения конструкции, вида арматуры, качества класса бетона, выбранного вида заполнителя, защитного бетонного слоя и нагрузки, которую выдерживает конструкция.

Предел стойкости перекрытий, стен и колонн зависит от качества цементного раствора, его характеристик и толщины конструкций. Максимально крепкой считают сталь с температурными нагрузками до 1570 °C. Огонь наклоняет стены при возгораниях в сторону за счет прогревания с одной стороны. Чем больше нагрузка и меньше толщина слоя, тем ниже уровень сопротивляемости. Колонны могут сопротивляться действию разрушений за счет приложения нагрузки (центральной или вне ее центра), количества и качества крупного заполнителя, объема арматуры и защитного слоя из бетона.

Источник

Огнестойкость бетона: предел жаростойкости

В настоящее время не существует, наверное, ни одной области строительства, где не применялся бы бетон – это самый востребованный материал в строительной индустрии. Бетон обладает несущей способностью, не поддается коррозии, которая разрушает даже сталь. Но самые ценные свойства данного материала – высокая прочность и огнестойкость.

Бетон способен сопротивляться температуре свыше 1000 градусов по °С несколько часов подряд, выдерживает многократное замерзание и оттаивание. Под воздействием длительного интенсивного влияния огня бетон меняет свои свойства, снижаются прочностные характеристики. В зонах повреждения величина влияния огня на бетон определяется термическим анализом.

Определение температуры воздействия

Существует несколько методов определения температурных воздействий на бетонные сооружения после их повреждения.

По звуку

Степенью повреждённой структуры бетона возможно установить температуру огня, методом простукивания:

С помощью ультразвука

Температуру огня возможно определить с помощью ультразвука. При условии, что прочность бетона и время воздействия на него огня известны, вычисляется скорость распространения ультразвука.

По внешнему состоянию

При 200-400 °С наблюдается местное разрушение, при интенсивном нагреве 700-900 °С происходит массивное разрушение. Под воздействием пламени 1000-1200 °С и выше бетон взрывается.

Если на повреждённой бетонной конструкции наблюдаются микротрещины, значит, температура достигала 400 °С; при более высокой температуре появляются макротрещины. Если температура воздействия огня превышала 700 °С, бетонные конструкции разрушаются после резкого увлажнения или охлаждения.

По цвету

Когда уровень теплового излучения достигает 300 °С, его цвет меняется на розовый, при 400-600 °С бетон становится красным, при 900-1000 °С цвет меняется на бледно-серый.

По следам эрозий

Установить температуру огня, воздействующую на бетон, возможно также степенью оплавления и по следам тепловых эрозий:

Предел и степень огнестойкости

Устройство для измерения свойств бетона

Сопротивление к температурным воздействиям, сохраняя при этом свои прочностные свойства, определяет стойкость бетона. Огнестойкость бетона вычисляется промежутком времени, за который он разрушается до критического состояния.

Бетонные сооружения обладают высоким пределом огнестойкости. Этот параметр зависит от толщины бетона (огнестойкость повышается по мере увеличения толщины строения).

Степень огнеопасности – крайне важный показатель. Нормируется I–V степенями, которые устанавливаются пожарно-технической экспертизой. Сооружения из бетона относятся к I–II степени и соответствуют самым высоким нормативным требованиям огнестойкости.

Таблица 1 – Предел и степень огнестойкости по толщине и времени

Испытание бетона на огнестойкость

На огнестойкость бетон испытывается имитированием условий реального пожара на модельном устройстве. Во время испытания возможно контролировать огонь и наблюдать, как бетон реагирует на различные изменения. В экспериментальном здании устанавливаются температурные датчики, которые фиксируют внутреннюю и внешнюю температуру строения.

Получаются данные в режиме реального времени, измеряются: временной промежуток, за который здание выдержит максимальную возможную при реальном пожаре температуру; и температура плавления бетона в градусах (также теплопроводность жаростойкого и ячеистого бетона).

Бетон состоит из нескольких веществ, и каждый отдельный компонент плавится при разных условиях. Например:

Марка огнестойкого бетона

Работа с огнеупорным бетоном марки СБСПЛ-1500

Благодаря своим высоким параметрам жаростойкости и теплопроводимости большой популярностью пользуется ячеистый бетон. Чтобы получить пористый бетон, в производстве к основным компонентам добавляют водород, и в процессе газообразования появляются пузыри.

Ячеистый бетон за счет минимальной плотности обладает большой огнестойкостью: при испытании на перепады температуры через ноль выдерживает до 150 циклов. Один цикл – до 3 лет жизни материала. Ячеистый бетон толщиной 150 мм обладает огнестойкостью 2,5 ч и соответствует требованиям норм строительных материалов.

Он отличается своей высокой жаростойкостью. Благодаря этому качеству, бетон сохраняет свои характеристики под долговременным воздействием высокой температуры.

Области применения

Информация об огнестойкости бетона крайне важна. Она делает возможным оценку жаропрочности бетонных конструкций и проверку соответствия международным требованиям.

Огнестойкий бетон применяется в строительстве и делает возможным реконструкцию сооружений после пожара.

Источник

Стойкость бетона при пожаре

Бетон – это особая смесь из воды, цемента, песка и других наполнителей. Затвердев, этот искусственный камень приобретает прочность, долговечность и отличную стойкость. Стойкость бетонного состава определяется его невосприимчивостью к влаге, различным температурным перепадам, не теряя при этом своих прочностных свойств. У этого строительного материала низкий предел горючести, что не влечет за собой распространения пожара при воздействии на него повышенных нагревов. Бетонным постройкам, зданиям и сооружениям, за счет качеств раствора, обеспечивается отличная огнестойкость. Изделия из бетона обладают не только огнестойкостью, но и высокой жаростойкостью.

Отличие огнестойкости от жаростойкости

Огнестойкость бетона – это качество, позволяющее стройматериалу противостоять повышенным температурам недолговременно, например, во время пожара. Жаростойкость – это сохранение свойств бетонного раствора при долговременном действии на него большой температуры, например, при использовании конструкций для теплообработки разнообразных изделий. Всем бетонам присуща огнестойкость, чего нельзя сказать о жаростойкости, этим качеством обладает далеко не каждый застывший раствор.

Несмотря на то, что бетон – пожаробезопасный и огнестойкий строительный материал, он все равно поддается большим температурным градусам. Огни, воздействующие на него в течение короткого времени, не способны привести к повреждению прочностных характеристик материала, но если огонь имеет продолжительное влияние на бетонные изделия, тогда происходит их повреждение. Если температура двести пятьдесят градусов, тогда бетон теряет свою прочность всего на двадцать пять процентов, а если в пределах пятисот градусов – стройматериал подвергается полному разрушению.

Бетонный состав, горючесть которого низкая, имеет повышенную прочность и стойкость к огненным влияниям, но может разрушиться и потерять свои прочностные характеристики как при пожаре, так и неправильном обращении с подогретым составом. Таким образом, резкое увлажнение или охлаждение уже подогретой смеси, влечет за собой образование трещин, разрушений, которые не поддаются устранению, а также ослабеванию арматурной конструкции, служащих для укрепления построек.

Горение отрицательно сказывается на структуре бетона, она разрушается и разлагается на составляющие компоненты цементного камня.

Жаростойкость бетонного состава получается путем введения в раствор специальных добавок на основе алюминия и кремния. Эти составляющие позволяют избегать плавления, горения в момент пожара и других разрушений бетонных конструкций при повышенных температурных режимах. Что касается огнестойкости, то она достигается путем добавления заполнителей в процессе приготовления раствора.

Воздействие высоких температур на бетонный состав

Температурные режимы, воздействующие на бетонный состав, в пределах 250 – 300 градусов влекут за собой разрушение структуры и уменьшение прочностных характеристик цементного камня. Когда на градуснике отметка достигает пятисот пятидесяти градусов по Цельсию, имеющиеся в бетоне песок и щебень подвергаются растрескиванию, если превышает 550 градусов – бетонные конструкции полностью разрушаются.

Повышение температурных показателей непосредственно влияет на прочность бетонного состава. Таким образом, при укладке и застывании раствора повышение отметки на градуснике может повлиять на прочность бетона, возраст которого начинается от семи суток и более. Происходит это из-за ускоренной гидратации, в результате чего достигается несовершенная физическая структура с большим количеством незаполненных пор. По результатам опытов было замечено, что при повышенных температурных показателях прочность бетонного раствора на высшем уровне в первые дни, после схватывания состава, но уже на четвертые сутки прочностные характеристики значительно опускаются. Чтобы улучшить прочность раствора, в него добавляют хлористый кальций, который способен повысить стойкость к повышенным температурным показателям.

Жароупорные бетоны

Жароупорный бетонный раствор основан на портландцементе, с помощью которого смесь из песка, щебня, цемента и воды способна выдерживать повышенные температурные показатели до тысячи градусов по Цельсию и выше. Помимо основных составляющих бетона и портландцемента, в него также входит алюминиевая добавка мелких фракций и кремниевая. Добавки в растворе позволяют связывать гашеную известь, которая образуется при гидратации цементного камня. Жароупорный строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды также имеет в своем составе следующие заполнители, которые предотвращают плавление, деформацию и разрушение бетонных изделий даже в момент пожара:

В зависимости от наполнителей определяется максимальный температурный режим жароупорного бетона. Приготовить такой раствор можно и собственноручно на строительной площадке.

Огнестойкость конструкций из железобетона

На огнестойкость железобетонных конструкций влияют следующие параметры:

Чем меньше плотность используемого материала и чем больше его толщина, тем выше предел огнестойкости, который зависит и от вида опоры для конструкции, и от статической схемы. Исходя из этого, строители должны произвести расчет по огнестойкости ж/б конструкций, прежде чем приступать к их заливке. Конструкции, которые имеют горизонтальное положение, поддаются разрушениям под действием нагрева нижней арматуры, поэтому предел нагрева, прежде всего, зависит от класса арматурной конструкции, способности материала проводить тепло и от размеров слоя защиты.

Горизонтальные конструкции – это балочные плиты, балки, настилы и панели, прогоны и др. Конструкции, которые имеют тонкие стены и поддаются изгибаниям – это настилы, ригели, балки, панели ребристые и пустотелые. Огнестойкость колонн основана на следующих показателях:

В процессе заливки колонн следует обязательно придерживаться инструкции. Колонны разрушаются в результате открытого огненного пламени при снижении прочностных характеристик бетонного раствора и арматурной конструкции.

Огнестойкость ячеистых бетонов

Ячеистый бетон представляет собой пористый искусственный материал, который используется в строительстве различных зданий и сооружений. В его состав входят минеральные вяжущие и кремнеземистые заполнители. Применяют ячеистый строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды для теплоизоляции помещений, им утепляют железобетонные плиты и перекрытия, используют легкий бетон для теплозащиты поверхности различных оборудований, трубопроводов, которые используются при температурных режимах свыше четырехсот и даже семисот градусов по Цельсию.

Огнестойкость ячеистого бетона выше, если плотность строительного материала минимальна, таким образом, предельные показатели огнестойкости газоблоков и других изделий из пористого стройматериала повышены.

По исследованиям и опытам, которые проводили в шведском и финском учебном заведении, определена прочность ячеистого бетонного состава, которая изменяется при нагревании следующим образом:

Можно сделать вывод, что предельные значения огнестойкости ячеистых блоков достигают девятисот градусов по Цельсию, когда обычный бетонный состав начинает терять свои основные части прочности при значении от четырехсот до семисот градусов. Таким образом, ячеистый бетон наиболее популярен при возведении зданий и сооружений, где требуются повышенные показатели пожаробезопасности.

Заключение

Бетон представляет собой строительный материал, который обладает отличными прочностными характеристиками, имеет повышенные показатели огнестойкости и при добавлении в состав бетонного раствора специальных наполнителей, приобретает жаростойкость. На огнестойкость и жаростойкость бетонного раствора влияют различные показатели и факторы, например, материал, который используется в качестве наполнителя, или же конструкции, которые возводят из строительного материала на основе песка, цемента, щебня и воды.

Различия между огнестойкостью и жаростойкостью очевидны. В первом случае бетонные конструкции имеют возможность противостоять повышенным температурным показателям в течение непродолжительного времени, а при жаростойкости строительного материала, бетонные конструкции сохраняют прочностные характеристики долговременно.

Источник