Инструментальные методы и средства, применяемые для исследования после пожара искусственных каменных строительных материалов.

 

Эти методы делятся на полевые, используемые непосредственно на месте пожара и лабораторные, применяемые для исследования в лабораторных условиях отобранных на пожаре проб.

Полевые инструментальные методы исследования неорганических строительных материалов. Ультразвуковая дефектоскопия.

Разрыхление массы бетона, появление в нем микро- и макротрещин сопровождается изменением его акустических характеристик. Это явление используется в уже упомянутом способе простукивания бетона и определении при этом тона звука на слух. Существует, однако, и более объективный способ оценки акустических характеристик бетонных изделий посредством пропускания через поверхностный слой бетона ультразвуковой волны.

Ультразвуковой импульсный метод исследования бетонных и железобетонных конструкций основан на измерении скорости прохождения ультразвуковых волн в поверхностном слое бетона, которая последовательно снижается по мере разрушения бетона под действием температуры.

Прибор, который называется ультразвуковым дефектоскопом, имеет два выносных датчика. Первый датчик испускает ультразвуковые импульсы, другой принимает, при этом фиксируется время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояние между двумя датчиками, и рассчитывается ее скорость.

Скорость поверхностной ультразвуковой волны в не нагретом бетоне составляет около 2000-2500 м/сек.

Скорость ультразвука является функцией как температуры, так и длительности нагрева конструкции:

Сr = f (τ, t)

При увеличении и T, и t, Сr последовательно снижается. Это обстоятельство дает возможность, сравнивая скорость ультразвука на соседних участках стены, плиты, выявлять зоны термических поражений.

Аппаратура, используемая для ультразвуковой диагностики, представляет собой, так называемые, "ультразвуковые дефектоскопы", выпускаемые для исследования различных материалов – металлов и. сплавов, бетонных и железобетонных конструкций, а также для медицинских наблюдений.

При исследовании пожаров в настоящее время используются только дефектоскопы для бетонных и железобетонных конструкций, с устройством которых более подробно познакомимся на практических занятиях. Кроме самого прибора, в его комплект входят так называемые электроакустические преобразователи (ЭАП), снабженные усилителями ультразвуковых волн, один из которых является источником ультразвуковых импульсов, другой - приемником. Для работы на пожаре ЭАП должны иметь специальные насадки с точечным контактом и быть установленными на специальном шаблоне со штангой. Расстояние между преобразователями на шаблоне (так называемая, база) обычно составляет 60-100 мм. Штанга, на которой устанавливается шаблон, необходима для того, чтобы на пожаре можно было легко дотянуться до потолка, поскольку потолок в помещениях, сделанный из железобетонных плит перекрытия - самый распространенный объект исследования по данной методике. На пожаре он, в отличие от стен, не загорожен мебелью и, как зеркало, "отражает", фиксирует все, что происходит в комнате.

На месте пожара ультразвуковое исследование проводится обычно в следующем порядке:

намечаются конструкции для обследования;

составляется план конструкции (потолка, стены) в масштабе;

на конструкции намечаются точки, в которых будет производиться исследование; Обычно расстояние между точками, т.е. «шаг измерений», составляет 25-50-100 см. (в зависимости от размеров конструкции и конкретных обстоятельств).

включается дефектоскоп, шаблон с преобразователями (датчиками) прижимается к конструкции в первой намеченной точке и производится измерение времени прохождения ультразвукового импульса от датчика к датчику (в микросекундах) или скорость импульса.

Измерение обычно производится в двух перпендикулярных направлениях и учитывается большее время (t, мкс) (или, соответственно, меньшая скорость). Делается это из-за того, что наличие в конструкции железной арматуры, если она расположена по направлению движения ультразвуковой волны, увеличивает скорость последней; проводя измерение в двух перпендикулярных направлениях и выбирая большее время прохождения импульса мы тем самым исключаем влияние арматуры на результат измерений.

Результаты измерений во всех намеченных точках – значения времени или относительной скорости прохождения ультразвуковых волн Cr/Co, рассчитанной как отношение скорости в данной точке (Cr) к скорости в зоне, не подвергшейся нагреву (Co), наносятся на план обследуемой конструкции. На плане выделяются зоны с Cr/Co в пределах 1,0-0,9; 0,9-0,8; 0,8-0,7 и т.д., либо зоны с различными значениями времени. Эти зоны и являются зонами термических поражений исследованной конструкции. Зона наибольших термических поражений будет соответствовать полю наибольших значений времени или наименьших значений Cr/Co.

Полученные данные по распределению зон термических поражений сопоставляется с распределением пожарной нагрузки. Данные используются в поисках очага пожара.

Рассмотренный ультразвуковой метод исследования после пожара бетонных и железобетонных конструкций имеет как свои явные положительные стороны, так и недостатки.

Преимущества метода:

а) это один из немногих инструментальных методов, применяемых непосредственно на месте пожара (полевой метод);

б) метод достаточно быстрый и нетрудоемкий;

в) нет ограничений по времени применения – пользоваться им можно и через неделю, и через месяц после пожара. Термические поражения сохраняются. Даже произведенный ремонт (побелка потолка) не мешают последующему ультразвуковому исследованию.

Недостатки метода:

а) ультразвуковой метод выявления зон термических поражений - метод сравнительный (мы сравниваем акустические характеристики различных участков бетонной конструкции), поэтому исследуемые бетонные и железобетонные изделия должны быть с относительно равномерными исходными акустическими свойствами; таковыми же являются, как правило, только качественные бетонные изделия заводского производства. Непригодными для изучения оказываются бетонные изделия, заливаемые в опалубку на месте.

б) нельзя проводить измерения в зонах значительных разрушений бетона, где температура превысила 700-800 оС и где бетон рассыпается и отслаивается. А именно эти зоны часто оказываются наиболее интересными.

Лабораторные инструментальные методы исследования неорганических строительных материалов. Отбор проб на месте пожара.

На исследование могут отбираться пробы бетона и железобетона как заводского, так и изготовленные методом литья в опалубку непосредственно на стройке; в том числе стен из бетонных блоков с различными наполнителями; пробы силикатного (белого) кирпича, пробы штукатурки, сухой штукатурки (гипсовые плиты).

Если стена сложена из красного кирпича, на исследование отбирают пробы цементного камня из кладочного раствора, скрепляющего кирпичи. Точно так же можно отобрать пробы цементного или гипсового раствора на стене, облицованной кафельной плиткой.

Отбор проб необходимо осуществлять по горизонтальному уровню расположенному параллельно полу, чтобы места отбора проб находились на одной высоте, поскольку разновысотные пробы могут различаться по степени прогрева из-за влияния конвективного прогрева.

Пробы отбираются путем скалывания молотком из поверхностного слоя (менее 3-5 мм.), очищенного от остатков краски, мусора, копоти.

Масса отбираемой пробы должна составлять 1-10 грамм (в зависимости от последующего метода анализа).

Можно и нужно отбирать пробы в наиболее разрушенных зонах, в том числе по периферии зон отслоения защитного слоя бетона, где ультразвуковые исследования невозможно произвести.

В лаборатории пробы для всех видов анализа измельчают, сушат при температуре 80-100 оС и исследуют.

Методы и методики лабораторного исследования.

Основными методами лабораторного исследования проб неорганических строительных материалов является рентгеноструктурный анализ (РСА) и инфракрасная спектроскопия (ИКС). В отличие от ультразвукового метода они позволяют исследовать всю гамму материалов на основе цемента, извести, гипса. Ценно то, что на бетонных и железобетонных конструкциях пробы на исследование можно отбирать, в том числе, и в зонах сильных разрушений, где применение ультразвукового метода неприемлемо.

Рентгеноструктурный (рентгенофазовый) анализ – РСА (РФА) является традиционным методом исследования неорганических материалов и применяется, в частности, при минералогических исследованиях. При исследовании цементного или известкового камня этим методом фиксируются изменения фазового состава материалов, наступающие при переходах между различными кристаллическими модификациями. Обычно, это делают на качественном уровне по изменению размера линий на рентгенограммах. Достижим, впрочем, и количественный уровень оценки указанных изменений по соотношениям отдельных дифракционных максимумов, представляемых в виде рентгеновских критериев. Эти критерии позволяют оценить степень термических поражений бетона, штукатурки и других указанных выше материалов.

Дифрактограммы проб можно снимать на рентгеновских дифрактометрах, которые имеются в некоторых ИПЛ и используются там, чаще всего, для исследования дуговых оплавлений на проводах.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать химическую структуру молекул и может применяться для анализа широкого спектра как органических, так и неорганических соединений. Отдельные структурные группировки молекул обладают способностью поглощать инфракрасное излучение при строго фиксированной длине волны, которая является характеристическим параметром определенной группировки. При снятии спектра в широком диапазоне инфракрасных волн на нем фиксируются максимумы поглощения, по соотношению которых, также как по дифрактограммам рассчитывают спектральные критерии.

Для съемки инфракрасных спектров твердых образцов необходимо готовить таблетки из смеси порошка исследуемого материала с оптически неактивным бромистым калием.

Инфракрасные спектрофотометры используются в ИПЛ для решения многих задач: анализа лакокрасочных покрытий, обнаружения и диагностики различных ЛВЖ и ГЖ, установления состава обугленных остатков неизвестного происхождения.

Следует отметить, что сами приборы для проведения РСА и ИКС не так уж сложны и дороги. Они имеются во многих ИПЛ и других экспертных лабораториях, однако расшифровка дифрактограмм и спектров довольно трудоемкая процедура, требующая достаточно высокой квалификации. Полученные данные представляют собой расчетные спектральные или рентгеновские критерии, вычисляемые по соотношениям между отдельными полосами спектра. Эти данные наносят на план места пожара и по ним строят зоны термических поражений, как при исследовании ультразвуковым методом.

Метод спектрального исследования проб цементного камня и штукатурки успешно использовался при расследовании крупных питерских пожаров - в Библиотеке Академии наук, Фрунзенском универмаге и др.

На гипсе изменения под воздействием температуры выражены гораздо более отчетливо, чем на материалах на основе цемента и извести, что облегчает их анализ.

Для лабораторного исследования проб гипса используется, чаще всего, ИК-спектроскопия (ИКС). По ИК-спектрам различия между отдельными гидратными формами гипса являются более строго выраженными и не требуют расчета специальных спектральных критериев:

дигидрат (исходный гипсовый камень или нагретый до температуры не выше 100 оС) обнаруживается по наличию полос поглощения 600, 660, 3560 см-1.

Полугидрат (Т< оС) имеет характерные полосы 670, 3560+3610 см-1

Ангидрит (Т < оС) имеет дуплет 590+615 см-1 вместо 600 см-1

Тигельный метод определения остаточного содержания термолабильных компонентов.

Пробы гипса засыпают в тигли и нагревают в муфельной печи при температуре 800оС в течение 1-1,5 час. После нагрева и охлаждения пробы повторно взвешивают, определяя величину убыли массы пробы (% масс.) Эта величина (L,% масс.) может быть использована в качестве критерия степени термического поражения гипсосодержащего материала на пожаре; чем она меньше, тем выше степень термического поражения.

Такой вид анализа, в принципе, возможен и для цементного и известкового камня, но у них изменения в величине убыли массы выражены хуже.

Дифференциальный термический анализ (ДТА)

Более сложным вариантом рассмотренного термического анализа является дифференциальный термический и термогравиметрический анализ (ДТА, ДТГА) на специальном приборе – дериватографе. В этом приборе осуществляется постепенный прогрев образцов с заданной скоростью подъема температуры и автоматической записью исследуемых характеристик на самописце. Переходы компонентов исследуемых материалов из одной гидратированной формы в другую или из одной кристаллической модификации в другую сопровождается выделением или поглощением тепла. Соответствующие экзо- или эндоэффекты фиксируются дифференциальной термопарой и записываются при определенных температурах. По наличию или отсутствию этих эффектов судят о первоначальном состоянии испытуемого образца. В варианте ДТГА можно, помимо фиксации экзо- и эндоэффектов, прослеживать динамику потери массы образца в зависимости от температуры его прогрева, аналогично тигельному методу.

Конструктивные элементы с относительно малой теплопроводностью и достаточно высокой теплоемкостью (кирпичные, бетонные стены, перекрытия и т.п.), прогревшись в ходе пожара, отдают тепло постепенно, как хорошо натопленная печь.

В зонах, где горение было достаточно длительное, стена успевает прогреться лучше (на большую глубину и до более высокой тем­пературы), и остывает она, соответственно, значительно медленнее, чем менее прогретые участки. Часто бывает, что даже через несколько часов стена остается еще теплой. Это ощущается иногда даже рукой. Поэтому после пожара при поисках его очага полезно бывает прощупать стену, а еще лучше измерить температуру в различных ее зонах.

Контактные методы измерения температуры (термометры, термопары) применять при этом неудобно, до отдельных участков конструкций бывает и не добраться. Более удобно применять бесконтактные методы измерения температуры.

Для бесконтактных измерений применяются:

Пирометры ("Проминь", "Астротем")

Тепловизоры (Сканирующие пирометры, имеющие вывод на ПЭВМ)

Пирометры и портативные тепловизоры используются, кроме того, для решения других пожарных задач:

а) пожарной профилактики (поисков перегретых участков в электроп­роводке и коммутационных устройствах, технологических агрегатах и т.д.);

б) при тушении для поиска скрытых очагов горения на пожаре, ориентирования пожарных и поисков людей в задымленных помещениях, исследования вентиляционных каналов в поисках горячего воздуха из помещений, где происходит горение.