Структурные изменения композиционных материалов в условиях термических воздействий

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Т.В. Загоруйко Воронежский институт ГПС МЧС России

Повышение огнестойкости конструкций, а соответственно, зданий и сооружений, является одной из основных задач повышения их безопасности при эксплуатации. Известно, что ежегодно в нашей стране происходит около 300 тыс. пожаров, при которых гибнет в среднем более 16 тыс. человек и почти столько же получают травмы. По сравнению со странами Европы, США, Канадой, Японией, количество погибших при пожарах в России в 3 -5 раз больше. Ежегодный прямой материальный ущерб от пожаров в РФ исчисляется в 2,7 миллиарда рублей, а косвенный - существенно выше.

Существуют тенденции применения большепролетных тонкостенных конструкций, изготавливаемых из высокопрочного бетона для возведения зданий повышенной этажности. В тонкостенных несущих конструкциях небольших сечений арматура лежит относительно близко к поверхностному слою, что способствует снижению их огнестойкости.

Предел огнестойкости незащищенных снизу тонкостенных армоце-ментных конструкций с толщиной покрытия 2 см равен 30-36 мин. Следовательно, тонкостенные железобетонные конструкции с толщиной стенки до 60-80 мм часто не удовлетворяют требованиям СНиП 21-01-97 для зданий I и II степени огнестойкости.

В тех случаях, когда большепролетные помещения используют для организации, например, подземных гаражей, складов, где вероятность возгорания и пожара высока, требования к огнезащите возрастают.

Практический опыт по вопросу повышения огнестойкости железобетонных конструкций показывает, что несущие конструкции в жилых зданиях в процессе пожара обычно подвергаются огневому воздействию при температуре что по ГОСТ 20910-90 соответствует

классу бетона по предельно допустимой температуре применения И1.

Анализ существующих современных решений показал, что для повышения огнестойкости тонкостенных конструкций перспективно применение покрытий из термостойких композиционных материалов.

Для огнезащиты строительных конструкций термостойкие материалы применяются в виде облицовки из плитных, листовых, штучных изделий и штукатурок.

Следовательно, применение термостойких материалов, позволяющих увеличить огнестойкость тонкостенных конструкций, могло бы повысить пожарную безопасность в строительстве и дать существенный экономический эффект.

Целью работы является получение термостойкого материала для защиты бетонных и железобетонных конструкций.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Обоснование методики проектирования составов и изучения свойств термостойких материалов.

2. Оптимизация составов термостойких материалов на основе шунгита.

3. Изучение физико-механических свойств полученных термостойких материалов.

4. Исследование совместной работы термостойкого покрытия с бетонными и железобетонными конструкциями.

5. Разработка технологии нанесения термостойкого покрытия на тонкостенные армоцементные несущие конструкции.

Одним из факторов, определяющим термостойкость, является плотность защитного слоя материала. Требования к термостойким материалам неоднозначны. Ряд авторов рекомендует применение материалов с малой

-5

плотностью (300-500 кг/м ), другие исследователи считают, что эта плотность должна быть значительно выше. В данной работе предлагаются ма-

-5

териалы с плотностью, лежащей в интервале до 1500 кг/м , которые повышают термо- и огнестойкость конструкций.

Неоднозначность требований к термостойким материалам для покрытий объясняется необходимостью обеспечения прочного сцепления покрытия с несущей конструкцией и, соответственно, прочностью самого композиционного материала. По ряду данных эта прочность должна быть в пределах не менее 10 МПа, что обеспечивает надежность наносимого покрытия. Вместе с тем высокая плотность покрытия не обеспечивает эффективного снижения энергии теплового потока при возгорании несущих конструкций при высокой теплопроводности.

В работе рассматриваются вопросы использования термостойких покрытий, которые изменяют свою теплопроводность за счет роста температурного воздействия.

Как правило, в этих случаях в качестве заполнителя для таких покрытий применяют вспученные материалы, например: шунгизит, вермикулит, перлит, керамзит; а наполнителем, повышающим прочность при растяжении и термостойкость - минеральную вату, стекловолокно, базальтовое волокно, асбест, и других .Анализ ранее выполненных работ позволил предложить состав термостойкого материала для покрытия, содержащий шунгит, портландцемент, гранулированный шлак, асбест.

Одним из свойств шунгита является его способность значительно увеличиваться в объеме, то есть вспучиваться при обжиге в интервале температур до 1100°С. Вспученный шунгит обладает высокой термостойкостью, прочностью, не токсичен, не подвержен гниению, препятствует распространению плесени, имеет высокую температурную

стойкость, огнестойкость, отражающую способность. Применение этого компонента в термостойких материалах для огнезащиты дает возможность хорошо сохранять целостность защищаемых конструкций.

Известно, что для обеспечения несущей способности конструкции необходимо повысить прочность материала при растяжении. Для повышения прочности бетона при растяжении и термостойкости цементного камня и бетона в целом была реализована идея микроармирования с использованием хризотил-асбестового волокна. В качестве вяжущего использовался портландцемент, для создания несущего каркаса и для обеспечения снижения по усадочной деформации при твердении и при огневом воздействии и для структурообразования - гранулированный шлак; для обеспечения изменения теплозащитных свойств - применение шунги-та, который в процессе огневого воздействия изменяет свою плотность и тем самым понижает плотность, снижает теплопроводность и повышает термостойкость материала.

Выполненные исследования, результаты которых приведены на рис.1 и рис.2, дали следующие результаты. При планировании эксперимента оптимизирован состав композиционного материала на основе вспученного шунгита, который имел прочность при сжатии 12 МПа, при изгибе 2,5 МПа и величину средней плотности - 1400 кг/м \

а)без шунгита 700иС б)с шунгитом 900°С в)с шунгитом 1100°С

Рис. 1. Электронномикроскопические снимки поверхности композиционных материалов при тепловом воздействии от 700°С до 1100°С.

Увеличение х 5000.

Рис. 2. Общий вид образцов: а) образец с шунгитом; б) образец без

шунгита

Электронномикроскопические исследования поверхности разрабатываемых композитов (рис.1, а и б) показали, что по мере увеличения температуры изменяется структура за счет фазовых перестроек в цемент-

ном камне, так как при данных температурах не претерпевают изменения хризотил-асбестовое волокно, гранулированный шлак и шунгит. При температурах, лежащих в области вспучивания шунгита (рис. 1, в), происходит изменение структуры, а именно, из гранулированной она переходит в частично оплавленную с выявлением четких локальных зон в результате вспучивания шунгита.

Экспериментальные данные, которые подтверждены ранее выполненными исследованиями, показывают, что вспучивание шунгита происходит в диапазоне 1090°С+15°. Это вспучивание приводит не к разрушению материала, а к снижению теплопроводности бетона, что обеспечивает применение данного материала в качестве термостойкого покрытия для тонкостенных железобетонных конструкций. Испытания показали, что предлагаемый состав композиционного материала повышает термостойкость бетона при 900°С в 12 раз, а при 1100°С в 6 раз.

Таким образом, полученные композиционные материалы отличаются высокой термостойкостью и, соответственно, могут обеспечить высокую огнестойкость тонкостенных железобетонных конструкций.