Огнестойкость полимербетонных конструкций
Практика показала, что испытания экспресс-методом в керамической трубе и методом калориметрии могут служить только в качестве предварительной оценки горючести материалов. Окончательные данные об огнестойкости конструкций можно получить только при испытании натурных конструкций под нормативной нагрузкой. Для огневых испытаний были изготовлены четыре колониы сечением 400X400 мм и длиной 3,5 м. Арматура колонн состояла из четырех продольных стержней периодического профиля диаметром 16 мм из стали класса А-II, связанных между собой хомутами из арматурной проволоки диаметром 8 мм класса А-I с шагом 300 мм. На приопорных участках на длине 320 мм были установлены сетки с шагом 60 мм из проволоки 8 мм с ячейками 70Х Х70 мм.
При изготовлении колонн использовали полимербетон ФАМ следующего состава: смола фурфуролацетоновая ФАМ—10;
бензолсульфокислота БСК— 2;
мука андезитовая — 12;
песок кварцевый — 23,
щебень гранитный— 53;
кремнефтористый натрий—1,5 по массе смолы.
Испытание контрольных кубов показало, что средняя прочность полимербетона у трех колонн составила 72,5 МПа, а у четвертой колонны из-за некачественного изготовления — 50 МПа. Поэтому в дальнейшем только первые три колонны были испытаны на огневое воздействие.
Методика огневых испытаний основывалась на требованиях максимального приближения условий эксперимента к реальным условиям работы конструкции при пожаре. Испытания проводили в специальных печах при температурном режиме, определяемом стандартной кривой «температура — время пожара». Одновременно с нагревом создали условия опирания и нагружения, соответствующие условиям эксплуатации их в сооружениях.
Колонны имели шарнирное опирание по концам и испытывались на центральное сжатие под нормативной нагрузкой, приложенной в геометрическом центре их поперечного сечения.
Измерение температуры печи производилось термопарами, расположенными у обогреваемой поверхности колонн. Показания термопар регистрировались с интервалом 5 мин с начала и до конца испытаний.
Визуальное наблюдение через смотровое окно печи в процессе испытаний показало, что все три колонны имели одинаковый характер результатов на огневое воздействие, через 4—8 мин происходило загорание продуктов разложения полимербетона на поверхности; через 5— 10 мин начиналось взрывообразное разрушение поверхностного слоя, которое сопровождалось легким потрескиванием и образованием воронок диаметром 6—8 и глубиной 5—7 мм. В некоторых местах обнажался крупный заполнитель, разрушение продолжалось 15—25 мин, не представляя опасности для несущей способности конструкции в целом. Через 20—35 мин с начала испытаний на поверхности образовалась коксовая корка и появилась сетка трещнн, раскрытие которых увеличивалось в процессе дальнейших испытаний. Горение продолжалось вдоль трещин до конца испытаний. После окончания огневого воздействия процесс горения продуктов распада полимербетона продолжался вдоль трещин в течение 15—20 мин.
Первые две колонны испытывались под нормативной нагрузкой 130 т, которая соответствовала четырехкратному запасу длительной прочности. Огнестойкость, определяемая временем до потери несущей способности, у этих двух колонн оказалась практически одинаковой (2 ч 7 мин и 2 ч 6 мин), следовательно, они могут быть рекомендованы для промышленных зданий 2-й степени огнестойкости.
Третью колонну испытывали в тех же условиях при нагрузке 100 т, при которой колонна выдержала огневые испытания 3 ч 2 мин. Минимальный предел огнестойкости несущих конструкций для зданий 1-й степени огнестойкости составляет 2,5 ч.
Таким образом, результаты испытаний на огневое воздействие несущих колонн из сталеполимербетона ФАМ подтвердили их достаточно высокую огнестойкость и показали, что такие конструкции могут применяться для промышленных зданий первой и второй степени огнестойкости.
По аналогичной методике были проведены
испытания на огневое воздействие изгибаемых элементов. Балки сечением 150X500X3200 мм готовили из полимербетона ФАМ следующего состава, %: смола фурфуролацетоновая ФАМ — 8; бензолсульфокислота БСК — 2; мука андезитовая—10; песок кварцевый — 28; щебень гранитный — 52. Средняя прочность контрольных призм 70X70X280 мм составляла 70,9 МПа.
Испытания армополимербетонных балок показали, что в зависимости от толщины защитного слоя и армирования огнестойкость составляет от 80 до 135 мин. Так, увеличение защитного слоя полимербетона на 10 мм позволило повысить предел огнестойкости с 80 до 100 мин, т. е. на 25%, а повышение армирования в 2 раза увеличило предел огнестойкости до 135 мин, т. е. в 1,7 раза.
Кроме армополимербетонных балок, были испытаны комплексные балки с жестким трубобетонным арочным вкладышем. Однако применение жесткого трубчатого вкладыша не оправдало возлагаемых на. дежд. Огнестойкость такой конструкции составила 80 мин, Сравнительно низкую огнестойкость комплексной конструкции, вероятно, можно объяснить неудачно выбранной толщиной полимер бетонного защитного слоя — 11 мм.
Таким образом, лабораторные и натурные испытания полимербетониых конструкций позволили выявить принципиальные особенности характера их разрушения в процессе температурного и огневого воздействия.
Снижение прочности цементных бетонов начинает заметно сказываться при температуре 300—400°С и выше. При этой температуре начинаются необратимые изменения в цементном камне в результате дегидратации и разложения гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и других новообразований.
У полимербетонов при 100—150°С, а для полимер бетонов на полиэфирных смолах при 80—100°С, проявляется различие коэффициентов температурных деформаций у полимерного связующего и минеральных компонентов полимербетона и существенно повышаются высокоэластические и вязкого течения деформации. Далее при 150—200°С начинаются процессы деструкции полимерного связующего. При этом выделяется значительное количество горючих газообразных продуктов, и процесс горения, а следовательно, и разрушения полимербетонов стимулируется за счет экзотермического эффекта термоокислительной деструкции полимерной составляющей связующего.
В то же время следует отметить, что малая теплопроводность полимерного связующего и интенсивное газовыделение в поверхностном слое снижают время прогрева глубинных слоев и препятствуют горению в толще материала. В результате в наружном слое, непосредственно подвергающемся тепло-огневому воздействию, происходит разложение, а затем и выгорание полимерного связующего. После этого процесс горения распространяется на более глубокие слои до полного выгорания и потери прочности полимербетона.
Выполненные экспериментальные исследования, предложенные методики расчета предела огнестойкости армо-полимербетонных балок и прогибов изгибаемых элементов с учетом изменения модуля упругости и упругопластических свойств арматуры и полимербетона в результате воздействия высокой температуры позволяет более обоснованно проектировать такие конструкции и назначать категорию их огнестойкости.
У полимербетонов на основе полиэфирных смол типа ПН-1 наблюдалось резкое снижение прочности даже при незначительном повышении температуры, и интенсивное горение при испытании образцов в огневой трубе. При использовании в качестве связующего полиэфирных смол типа ПНС-609-21М, ПН-63; ПН-62 и некоторых других, по данным, наблюдается менее интенсивное снижение прочности под действием повышенное температуры, а при огневом испытании в керамической трубе образцы практически не изменили массы и внешнего вида.
На основании этих данных полимербетоны на полиэфирных смолах ПНС-609-21М, ПН-63, ПН-62 могут быть рекомендованы для использования в несущих конструкциях на промышленных предприятиях с температурой окружающей среды не выше 60°С.
Для более правильного расчета полимербетонных конструкций в условиях температурно-огневого воздействия А. Т. Оболдуев предложил ввести оценку термоустойчивости полимербетонов в конструкции путем определения величины деструктирующего слоя на первом этапе горения.
При таком подходе повышение тепло- и огнестойкости полимербетонных конструкций достигается путем компенсации неизбежной потери несущей способности в наружной части сечения в процессе горения соответствующим увеличением сечения на толщину деструктирующего слоя.