Способы защиты бетонных конструкций от огня

В современном строительстве все чаще стали использоваться конструкции из высокопрочного бетона, прошедших жаро- и влагообработку, с тонкостенными и предварительно напряженными элементами. Существенным недостатком бетона повышенной прочности является потеря его высоких физико-механических свойств при воздействии высоких температур.

Благодаря своей массивности и хорошим теплофизическим свойствам железобетонные конструкции хорошо противостоят действию огня в условиях пожара. Но, наряду с этим, во время пожаров все чаще наблюдается хрупкое разрушение бетона в бетонных и железобетонных конструкциях.

Расширение области применения высокопрочных тонкостенных железобетонных конструкций во многом зависит от разработки эффективных технологических и конструктивных мероприятий по повышению их огнестойкости, что является актуальной задачей.

Непременной особенностью бетона с повышенной прочностью является его взрывообразное разрушение, которое может привести к частичному или полному разрушению конструкции. Для несущих конструкций при пожаре наиболее опасно хрупкое разрушение бетона, особенно для конструкций с малым поперечным сечением, принимающих большие нагрузки. Их преждевременное разрушение может привести к обрушению других конструкций или здания (сооружения) в целом.

Во время пожара при высоком температурном воздействии в цементной матрице бетона происходят физико-химические процессы, которые изменяют его механические свойства. При воздействии огня свыше 200°С и влажности бетона свыше 3% происходит хрупкое поверхностное разрушение бетона и разрушение защитного слоя рабочей арматуры, которое может привести к образованию сквозного отверстия. Уменьшение размеров поперечного сечения колонны или панели, несущей вертикальную нагрузку, при их одностороннем нагреве приводит к увеличению напряжений в оставшейся части поперечного сечения, как за счет уменьшения размеров ее площади, так и за счет появления дополнительного изгибающего момента.

Уменьшение толщины защитного слоя несущей арматуры в железобетонных балках приводит к быстрому нагреву арматуры до критической температуры (500-700°С) и разрушению конструкции. Уменьшение толщины ограждающей конструкции приводит к повышению температуры ее не нагреваемой поверхности до критической (180-220°С), и как следствие - к достижению предела огнестойкости конструкции.

Для защиты бетона необходимо принимать меры, которые будут исключать или снижать вероятность хрупкого разрушения. Одним из наиболее эффективных рекомендуемых методов является добавление полипропиленовых волокон в бетонную смесь.

В настоящее время научно-производственными предприятиями разработаны рекомендации по модификации структуры бетонов с повышенной прочностью классов В60-В90 с одновременным дополнительным эффектом, исключающим хрупкое разрушение бетона при пожаре. Эффект достигается введением полипропиленовых волокон «ВСМ» (волокно строительное микроармирующее) в состав бетонной матрицы железобетонного сооружения и определением остаточной несущей способности при условии предотвращения взрывного разрушения бетона.

Высокая эффективность микроволокон «ВСМ» является следствием их большого количества на единицу объема, около 300⋅10⁶ ÷ 240⋅10⁶ на м³ бетонной матрицы, по сравнению с 20⋅10³ ÷ 30⋅10³  при использовании крупных волокон.

Величина равновесной влажности в условиях эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций, зависит от параметров их капиллярно-пористой структуры. Уже при нагреве в их поровой структуре появляется пар. В том случае, когда пор мало или они сообщаются и открыты, пар в условиях пожара только способствует замедлению продвижения температурного фронта в глубину конструкции. А когда поры закрыты, то парообразная влага развивает в них избыточное давление, способствуя повышению высоких температур внутри конструкции с ее растрескиванием и разрушением.

Выгорающие волокна "ВСМ", которые изготовлены из легкоплавкого полимера, при нагревании образуют как открытую, так и условно закрытую пористость, что приводит к снижению внутриструктурного парового давления в бетоне с повышенной прочностью при высокотемпературном воздействии.

Бетоны, изготовленные по технологии «ВСМ», помимо достижения основного эффекта действия - модифицирующего и армирующего компонента-обеспечивают эффективную защиту бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при огневом воздействии [1].

Помимо конструктивных методов защиты бетона, существует огнеупорная обработка.

Наиболее актуальным методом в настоящее время является огнезащита бетона вспучивающимися - "набухающими при нагревании" красками. Если за рубежом они появились около 50 лет назад, то в России - совсем недавно. Краски позволяют наносить тонкий слой огнезащитного покрытия. Во время пожара оно набухает, образуя "шубу" - слой негорючей пены (пенококса), которая обладает низкой теплопроводностью. Он защищает как от прямого контакта с пламенем, так и от нагрева конструкции.

По статистике, 70% бетонных конструкций защищены от пожара вспучивающимися лакокрасочными покрытиями, остальное приходится на конструктивную противопожарную защиту.

Штукатурка является одним из способов конструктивной огнезащиты железобетонных конструкций, представляющий собой негорючую теплоизоляционную систему. Штукатурное покрытие не боится сложных погодных условий, прекрасно защищая железобетон от огня, ударной волны и температуры. При пожаре штукатурка не выделяет токсичных веществ, что особенно важно при эвакуации.

Композитная плита представляет собой огнеупорную плиту, скрепленную клеевым составом. Она служит как для конструктивной огнезащиты железобетона, так и для теплоизоляции. В составе может быть минеральная (каменная) или базальтовая вата, силикат, вермикулит, магнезит.

Причины разрушения бетона определяют направления его защиты от огня. Так, предотвращение перегрева является способом пассивной защиты железобетонных конструкций, заключающимся в создании на поверхности строительных элементов слоя негорючего теплоизоляционного материала с краской, штукатуркой или плитами специального состава, а дисперсионно-армирующая добавка серии «ВСМ» в цементных бетонах является эффективным компонентом повышения огнестойкости и служит оптимальной технологической процедурой предотвращения хрупкого разрушения бетона в условиях огневого воздействия.