Взрывообразное разрушение бетона при нагреве

Повышенное влагосодержание бетонов с плотной структурой (низкой паропроницаемостью) при интенсивном росте температуры и высоком уровне силового нагружения может стать причиной их взрывообразного (хрупкого по терминологии [24]) разрушения.

Взрывообразное разрушение бетона обычно начинается уже через 5…20 минут огневого воздействия, сопровождается характерными звуковыми эффектами (лёгкими хлопками, треском различной интенсивности или «взрывом») и выражается в виде послойного, периодического откола кусков бетона толщиной 1…50 мм на площади от 1 см ² до 1 м ² с возможным разлётом осколков весом до нескольких кг на расстояние 10…20 м от конструкции.

Это негативное явление приводит к уменьшению рабочего сечения, снижению толщины защитного слоя рабочей арматуры и быстрому наступлению предела огнестойкости конструкции по несущей способности (R) или целостности (Е). Существенное снижение огнестойкости конструкций вследствие взрывообразного разрушения бетона становится особенно опасным, если оно заранее не предполагалось.

Взрывообразное разрушение бетона обусловлено гидродинамическим сопротивлением структуры бетона фильтрации пара [24]. После начала нагрева бетона начинается испарение влаги в его поверхностном слое; некоторая её часть выходит наружу, а остальная влага конденсируется в менее прогретых внутренних слоях. Через некоторое время образуются зоны сухого и влагонасыщенного бетона, разделённые зоной испарения влаги. Если паропроницаемость бетона невелика, то испаряющейся воде трудно проникнуть как наружу (через сухой слой), так и вглубь (через влагонасыщенный слой); это приводит к повышению давления в зоне испарения. С перемещением фронта испарения вглубь сечения гидродинамическое сопротивление бетона фильтрации пара возрастает. Когда внутренние напряжения в зоне испарения превысят сопротивление бетона растяжению, значительно снизившееся при нагреве, происходит резкий откол бетона примерно на толщину высушенного слоя. Дальнейший прогрев сечения приводит к новым отколам.

Температурные напряжения от неравномерного нагрева (особенно при резком повышении температуры) и деформации поперечного растяжения от внешней сжимающей нагрузки повышают вероятность взрывообразного разрушения, так как приводят к образованию начальных трещин, способных к неравновесному развитию под давлением пара.

Экспериментально установлено, что взрывообразное разрушение вероятно при влажности свыше 3,5% (для тяжёлого бетона на силикатном заполнителе), 4% (для тяжёлого бетона на карбонатном заполнителе), 5% (для керамзитобетона). При плотности бетона менее 1250 кг/м³ взрывообразное разрушение не произойдёт при любой влажности [24]. Эксплуатационная влажность тяжёлого бетона в конструкциях обычно не превышает 2%, поэтому взрывообразного разрушения такого бетона ожидать не следует.

Необходимо обращать внимание на опасность взрывообразного разрушения бетона в конструкциях нижних этажей и подвалов многоэтажных зданий, в подземных сооружениях, а также в период возведения зданий. Хрупкое разрушение особенно опасно в конструкциях с небольшим поперечным сечением, воспринимающим значительные нагрузки.

Для предотвращения взрывообразного разрушения не следует применять бетоны с плотной структурой в помещениях с повышенной влажностью. Плотная структура характерна для бетонов с повышенным расходом цемента (более 400 кг/м³) и пониженным водоцементным отношением (менее 0,5), однако высокое водоцементное отношение (0,6…0,7) повышает влажность бетона в раннем возрасте, а значит, и риск взрывообразного разрушения.

Применение вместо гранита крупных заполнителей с более низким коэффициентом температурного расширения (известняк, базальт, диабаз, доменный шлак) снижает склонность бетона к трещинообразованию при нагреве, в том числе и взрывообразному.

Снижению вероятности взрывообразного разрушения бетона способствует устройство огнезащиты (облицовка, оштукатуривание), а также установка противооткольной сетки в поверхностных слоях бетона.

В Рекомендациях [24] предлагается для полного предотвращения взрывообразного разрушения бетона установить сетку с ячейками 3…15 мм и диаметром проволоки 0,7…1 мм, а для снижения вероятности взрывообразного разрушения – сетку с ячейками 10 см из арматуры диаметром 3 мм на расстоянии от нагреваемой поверхности не более 0,5…1 см.

Впоследствии изданные нормативные документы предписывают при толщине защитного слоя свыше 40 мм (для тяжёлого бетона) и 60 мм (для лёгкого бетона) предусматривать его дополнительное армирование со стороны огневого воздействия в виде сетки диаметром 2,5-3 мм с ячейками 150 мм [22], диаметром 0,5-1 мм с ячейками 25…70 мм [16], диаметром 1-2 мм с ячейками не более 70 мм [12], диаметром 2-3 мм с ячейками не более 50 мм [50].

Роль противооткольной сетки заключается в дополнительном армировании поверхностного слоя бетона, повышающем его сопротивление растяжению. Чем меньше ячейки сетки, тем меньше и размер отколов, которые она способна предотвратить, поэтому сетка с большой ячейкой только частично защищает от взрывообразного разрушения.

Кроме того, противооткольная сетка, надёжно закреплённая к основной арматуре, способна ещё некоторое время удерживать уже отколовшийся бетон, замедляя тем самым дальнейший прогрев и возникновение новых отколов, а также защищая рабочую арматуру. При большой толщине защитного слоя противооткольная сетка выполняет функцию и противоусадочной, предотвращая образование трещин в бетоне в процессе его твердения (начальных трещин).

Как показывают проведённые обследования железобетонных конструкций зданий после воздействия пожара, при использовании сеток с ячейкой 100…150 мм и диаметром до 3 мм отколы либо не возникали, либо носили локальный характер (рис. 5.3, а). В конструкциях, армированных противооткольной сеткой диаметром 6…10 мм (завышенным по сравнению с требованиями норм), процесс разрушения поверхностного слоя бетона при пожаре интенсифицировался как во времени, так и по площади (рис. 5.3, б). Это вызвано более высокими значениями усилий от разности температурных деформаций бетона и арматуры противооткольной сетки.

Следует обращать внимание, что ради удобства крепления противооткольную сетку при строительстве иногда располагают вплотную к основной арматуре, а защитный слой остаётся неармированным.

	а)		б)

 

Рис. 5.3. Отколы бетона и противооткольные сетки

(а) – локальные отколы бетона; (б) – отколы с оголением рабочей арматуры