автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетон повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий

На правах рукописи

Загоруйко Татьяна Викторовна

БЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОГНЕСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г фЕВ 2015

Воронеж-2015

005558953

005558953

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: Перцев Виктор Тихонович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Хежев Толя Амирович,

доктор технических наук, профессор, советник Российской академии архитектуры и строительных наук, профессор кафедры «Строительное производство» ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. X. М. Бербекова»

Гончарова Маргарита Александровна, доктор технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Строительные материалы» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский

государственный университет архитектуры и строительства»

Защита диссертации состоится 27 марта 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корпус 3, аудитория 3220, тел. (факс): (473)271-59-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитемурно-строительного университета и на сайте http://edu.vga3u.Ym.ru/SiteDirexlory/DkSov.

Автореферат разослан 26 января 2015 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета

Д 212.033.01 о/^^^ Власов Виктор Васильевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. По статистике МЧС в Российской Федерации в 2013 году произошло 152 952 пожара, прямой материальный ущерб составил 13 202,9 млн. рублей.

Требования к пожарной безопасности и огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений непрерывно возрастают в связи со спецификой современного строительства - ростом этажности зданий, протяженности путей эвакуации, все большим объемом применения большепролетных тонкостенных конструкций. Одними из важнейших разделов федерального закона № 123-ФЭ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» являются статьи, определяющие требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций зданий и сооружений. Эффективным способом обеспечения этих требований, предъявляемых к строительным конструкциям зданий и сооружений, является огнезащита.

Анализ научно-технической и патентной литературы свидетельствует о перспективности использования покрытий на основе теплоизоляционных материалов повышенной термостойкости, являющихся наиболее эффективными и экономичными для огнезащиты. Реализация такого подхода наиболее рациональна в рамках применения железобетонных конструкций на основе огнестойких изделий вариатропной структуры, которая заключается в наличии несущей конструкции - ядра - и слоя из бетона повышенной термостойкости, отличающегося высокой прочностью, стойкостью к растрескиванию, отслоению и имеющего пониженные показатели деформативности.

В связи с этим исследования по разработке термостойких бетонов для слоев в вариатропных системах, обеспечивающих повышение огнестойкости конструкций, является актуальной задачей строительного материаловедения.

Целыо работы является получение бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи.

1. Анализ и обобщение современных тенденций в области создания огнестойких железобетонных изделий и конструкций.

2. С термодинамических позиций обосновать выбор эффективных компонентов бетона повышенной термостойкости, обеспечивающих огнезащиту вариатропных железобетонных изделий.

3. Исследованиями на разных масштабных уровнях доказать эффективность введения молотого шунгита как компонента вяжущего вещества бетона повышенной термостойкости в сочетании с хризотил-асбестовыми волокнами и каркасообразующим компонентом - гранулированным шлаком.

4. Исследованиями на разных масштабных уровнях оценить воздействие высокой температуры (700 °С, 900 °С, 1100 °С) на структуру предлагаемого бетона повышенной термостойкости.

5. В условиях воздействия высокой температуры (700 °С, 900 "С, 1100 °С) исследовать динамику изменения прочностных характеристик и теплофизиче-ских параметров бетона повышенной термостойкости.

6. Разработать технологический регламент получения вариатропных изделий с применением предлагаемого бетона повышенной термостойкости.

Объектом исследования выступает разрабатываемый состав бетона повышенной термостойкости для создания огнестойких железобетонных изделий.

Предметом исследования является структура бетона повышенной термостойкости на различных масштабных уровнях и его физико-механические свойства при температурных воздействиях.

Сущность рабочей гипотезы заключается в возможности обеспечения огнезащиты железобетонных изделий путем устройства слоя из бетона повышенной термостойкости с динамически изменяющимися теплофизическими параметрами в условиях стандартного пожара.

Научная новизна работы:

- с термодинамических позиций научно - практически обоснован выбор эффективных компонентов бетона повышенной термостойкости, обеспечивающих огнезащиту вариатропных железобетонных изделий;

- с использованием теории протекания научно - практически обосновано и исследованиями структуры бетона на разных масштабных уровнях доказано, что введение молотого шунгита как компонента вяжущего вещества бетона повышенной термостойкости в сочетании с хризотил-асбестовыми волокнами и каркасообразующим компонентом - гранулированным шлаком - обеспечивает повышение предела огнестойкости конструкций за счет динамического изменения теплофизических характеристик слоя из указанного бетона в вариатропных изделиях с ростом температуры в условиях стандартного пожара.

Практическое значение работы: на основе положений термодинамики разработан и практически реализован метод выбора компонентов для бетона повышенной термостойкости; определены эффективные дисперсность и дозировки шунгитового заполнителя для бетона повышенной термостойкости; выбран рациональный состав бетона повышенной термостойкости для изделий вариатропной структуры с требуемыми показателями подвижности бетонной смеси и показателями плотности и прочности бетона; разработан технологический регламент изготовления вариатропных изделий со слоем бетона повышенной термостойкости.

Достоверность результатов работы обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с применением стандартных средств и новых измерений, методов исследований; применением современных математических методов планирования экспериментов и статистической обработки результатов исследования; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, не противоречащими выводам известных положений и результатам других авторов.

Реализация результатов работы. Методические разработки и результаты исследований внедрены в учебный процесс по направлениям подготовки 221700 «Стандартизация и метрология» и 270800 «Строительство» профиль «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», в том числе при чтении курса лекций по дисциплине «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», при проведении практических занятий

«Планирование и организация эксперимента», при выполнении дипломных проектов, УИРС студентов строительно-технологического факультета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Методические разработки и результаты исследований используются при подготовке обучающихся по специальности 280705.65 «Пожарная безопасность» в учебно-методическом обеспечении дисциплин профессионального цикла: при чтении курса лекций по дисциплинам «Прогнозирование опасных факторов пожара», «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре», «Пожарная безопасность в строительстве», при проведении практических занятий по данным дисциплинам, при научно-исследовательских работах учащихся Воронежского института государственной противопожарной службы МЧС России.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на Международных научно-практических конференциях ВПТУ (Воронеж, 2006 -2007); доложены на XXXVI межвузовской научно-технической конференции «Молодежь и XXI век» (Курск, 2008): на международных IV и V научно-практических конференциях ВИ ГПС (Воронеж, 2009-2010); в ходе 64-й Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2009); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций (Воронеж, 20102012); изложены на V Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2013).

Публикации. Основные результаты исследований, отражающие ключевые положения диссертационной работы, изложены в 11 научных публикациях, в том числе в 2 статьях, опубликованных в изданиях из списка, рекомендованного ВАК РФ.

Новизна научных практических решений подтверждается получением положительного решения на выдачу патента на изобретение «Бетонная смесь для получения термостойкого огнезащитного покрытия» per. номер 2014113872, приоритет от 8.04.2014 г.

На защиту выносится:

1) научно - практическое обоснование выбора эффективных компонентов бетона повышенной термостойкости с термодинамических позиций;

2) рациональный состав бетона повышенной термостойкости с требуемыми реологическими свойствами смеси, средней плотностью, прочностью бетона и теплофизическими параметрами;

3) результаты исследования на разных масштабных уровнях структуры бетона повышенной термостойкости, доказывающие эффективность введения молотого шунгита как компонента вяжущего вещества предлагаемого бетона;

4) результаты исследования динамики изменения прочностных характеристик и теплофизических параметров разработанного бетона повышенной термостойкости при воздействии высокой температуры;

5) рекомендации по технологии производства вариатропных изделий со слоем бетона повышенной термостойкости.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, трех приложений, изложенных на 163 страниц, включая 41 рисунок, 24 таблиц, 97 страниц машинописного текста, библиографический список из 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ исследований по вопросу обеспечения огнестойкости несущих строительных конструкций, развитых в работах К.Д. Некрасова, М.Г. Масленниковой, Г.Г. Никольского, А.Н. Пожнина, К.Н. Дубенецкого, Ю.М. Тихонова, А.И. Шиманко, И.Н. Зубарева, Т.А. Хежева и др. ученых. Выявлено, что из объектов общего строительства, требующих применения огнезащиты, таковыми являются в настоящее время главным образом тонкостенные несущие железобетонные конструкции, а также сборные многослойные, пустотные, ребристые панели и плиты. Показано, что несущие конструкции в жилых зданиях в процессе пожара обычно подвергаются огневому воздействию при температуре около 1100 °С, что по ГОСТ 20910-90 соответствует классу бетона по предельно допустимой температуре применения И11. Результатами исследований, проведенных К.Д. Некрасовым, М.Г. Масленниковой и др. учеными, показано, что особую роль при эксплуатации строительных материалов в условиях резких теплосмен играет их термическая стойкость.

Результатами исследований способов повышения огнестойкости тонкостенных несущих железобетонных конструкций обоснована перспективность применения покрытий на основе бетонов повышенной термостойкости и сформулированы требования, предъявляемые к их свойствам, исходя из условий их практического применения при высокотемпературных воздействиях.

Представляется целесообразным применение термостойкого материала с изменяющимся показателем теплопроводности за счет варьирования его плотности в процессе температурного нагрева. Показано, что реализация таких требований может быть осуществлена на основе принципа вариатропности изделия. Реализация данного принципа обеспечивает улучшение целого ряда свойств конструкций: повышение огнестойкости, теплозащиты, прочности, звукоизоляции, снижение теплопроводности и др. по сравнению с однородными конструкциями тех же размеров, массы и состава. Повышение долговечности зданий и сооружений при огневом воздействии обосновывает результативность исследований бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий.

Во второй главе представлены методологические подходы к исследованию бетона повышенной термостойкости, к выбору компонентов с термодина-

мических позиций, а также к исследованию струюуры бетона повышенной термостойкости, обеспечивающие получение требуемой микро- и макроструктуры и достижение необходимых показателей свойств такого бетона. Приведены характеристики используемых компонентов бетона и описаны методики испытаний.

Задачи, сформулированные в работе, решались с помощью реализации современного системного подхода с учетом основных явлений и процессов, происходящих на различных масштабных уровнях (рис.1).

Масштабные уровни структуры Входные параметры Выходные параметры

МАКРО УРОВЕНЬ (более 10"' м) - режимы дозирования и перемешивания бетонной смеси, формования и твердения бетона - свойства готовой продукции; - материальные затраты; - энергетические затраты

МЕЗО-УРОВЕНЬ (КГ'-Ю"' м) - гранулометрия и форма частиц заполнителя; - свойства поверхности частиц заполнителя; - плотность упаковок частиц заполнителя - однородность распределения компонентов смеси; - взаимодействие компонентов бетона; - структура и свойства бетона: плотность, прочность, усадка, теплопроводность, термостойкость; - реологические свойства дисперсно-водной системы

МИКРО УРОВЕНЬ (Ю'-КГ4 м) - дисперсность шунгита, асбеста, цемента; - количественное соотношение твердой и жидкой фаз; - природа и свойства поверхности компонентов твердой фазы - структура и свойства цементного теста и камня

НАНО-УРОВЕНЬ (10 '-10"7 м) - наноструктура шунгита и состав образующих его элементов - - структура и свойства цементного сростка

Рис. I. Схема «конструирования» структуры и свойств бетона повышенной термостойкости по принципу «снизу-вверх»

Предложено осуществлять помасштабное «конструирование» материала по принципу «снизу-вверх» от нано- до макроуровня с учетом физико-химических явлений, энергетических потоков, силовых взаимодействий и взаимовлияния внутренних и внешних сил. Исходя из этого, были сформулированы принципы «конструирования» структуры бетона от нано- до макроуровня и требуемых свойств бетона повышенной термостойкости.

В работе для получения бетона повышенной термостойкости требовалось осуществить обоснованный выбор компонентов с термодинамических позиций, оптимизировать составы бетона, обеспечивающие получение требуемой микро-и макроструктуры и достижение необходимых показателен свойств такого бетона.

Для решения поставленной задачи были привлечены соответствующие положения фундаментальных наук — коллоидной и физической химии, материаловедения, математики, термодинамики, статистической физики и современных положений технологии бетона.

Выбор компонентов бетона осуществлялся исходя из двух положений:

первое - обеспечение несгораемости, а также избежание растрескивания и взрывообразного «хрупкого» разрушения защитного слоя бетона в условиях стандартного пожара, являющихся основными причинами, приводящими к преждевременному наступлению предела огнестойкости строительной конструкции;

второе - обеспечение совместимости компонентов бетона с термодинамических позиций. Для обеспечения необходимой прочности и адгезии бетона представлялось целесообразным применение портландцемента. Снижение усадочных деформаций при твердении и при огневом воздействии предполагалось достигать за счет создания каркаса с использованием гранулированного шлака. Для повышения прочности на растяжение и термостойкости цементного камня и бетона в целом осуществлялось микроармирование хризотил-асбестовым волокном. Важным составляющим элементом бетона повышенной термостойкости является компонент, который обеспечивает синхронное снижение плотности и теплопроводности за счет его вспучивания при нагреве. В исследованиях в качестве такого материала выбран шунгит, который наиболее перспективен для реализации поставленных в данной работе задач.

Исследованиями ученых Филиппова М.М., Мосина О.В., Бархатова A.B., Шекова В.А., Калинина Ю.К., Соколова В.Н. и др. установлено, что в углеродистом веществе шунгитовых пород присутствуют фулереноподобные молекулы и системы, которые обладают рядом уникальных свойств: высокой прочностью, плотностью, химической стойкостью, электропроводностью и др. Наличие фулереноподобных систем предопределяет особые свойства шунгитового углерода который, обладая высокой активностью в окислительно-восстановительных реакциях, биполярными свойствами и как следствие этого высокой адгезией и совместимостью со связующими, дает возможность создавать высоконагтолненные композиции. При этом порошки шунгитовых пород совместимы при смешении со всеми известными веществами, в том числе и с водными суспензиями цементов.

Важен и тот момент, что элементный состав шунгита изменяется после термообработки. На примере шунгитов Зажогинского месторождения показано, что при термическом воздействии от 1200 °С до 1400 °С наблюдается снижение содержания углерода более чем на порядок, уменьшение количества оксида кремния в 16 раз, оксидов магния, кальция и железа - в 2 раза, серы - в 3 раза, а

также и др. элементов. Это свидетельствует о существенных перестройках структуры шунгита.

В работе использовались материалы, удовлетворяющие требованиям стандартов: портландцемент ПЦ 500 ДО (ОАО «Осколцемент») с удельной площадью поверхности 280 м2/кг; гранулированный шлак Липецкого металлургического комбината с модулем крупности 2,98 и насыпной плотностью 500 кг/м3; шунгит Зажогинского месторождения (п. Толвуя, Республика Карелия) с модулем крупности 1,43 и насыпной плотностью 400 кг/м3; асбест хризотиловый марки А-6К-30 (г. Асбест, Екатеринбургская обл.).

Исследования совместимости выбранных компонентов с термодинамических позиций осуществлялись по методу Ван-Осс-Гуда (VOG) с применением тестовых жидкостей с известными энергетическими характеристиками: вода, дийодметан, формамид.

С целью изучения процессов, происходящих до и после температурных воздействий, в бетоне повышенной термостойкости осуществлялись: определение элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита с помощью энергодисперсной приставки INCA energy 250; исследования наноструктуры материала и свойств «срезов» поверхности цементного камня с помощью атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator с пространственным разрешением по оси X - Y ~ 50 нм, по оси Z ~ 2 нм; исследования микро- и мезоструктуры бетона осуществлялись с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6380LV, а макроструктуры бетона - с помощью микроскопа Биолам J10M0 Д1, совмещенного с цифровым фотоаппаратом Nikon D3000.

Исследования физико-механических свойств компонентов и определение основных свойств бетона повышенной термостойкости проводились на основе стандартных методик, регламентируемых ГОСТ. Исследования реологических свойств бетонных смесей повышенной термостойкости выполнялись с помощью ротационной вискозиметрии. Адгезионная прочность слоев бетона повышенной термостойкости и основного несущего оценивалась с использованием оборудования, соответствующего методике испытаний по ГОСТ 26816-86, позволившего обеспечить равномерное распределение разрывного усилия на контактную зону двухслойных образцов.

Методы статистической обработки результатов исследований, планирования эксперимента и оптимизации составов бетонов проводились с применением ЭВМ.

В третьей главе представлены результаты комплексных исследований, позволившие с использованием макро- и микроструктурных показателей оценить влияние термических воздействий на структуру и физико-механические свойства бетона.

Проведенные исследования методом тестовых жидкостей компонентов бетона повышенной термостойкости показали правомерность предположения об эффективном совмещении выбранных материалов — шунгита, цемента, граншлака и асбеста, что обеспечивает стабильность бетона и его требуемые свойства для огнестойких железобетонных изделий.

Установлены требования к дисперсности шунгита, которая влияет на физико-механические характеристики и термостойкость бетона. С ростом дисперсности зёрна шунгита размером более 5 мм при вспучивании вызывают появление значительных напряжений и деформаций в бетоне, что приводит к нарушению сплошности и снижению прочности бетона. Причиной такого механизма вспучивания, является то, что крупные частицы шунгита обладают более высоким коэффициентом вспучивания, чем мелкие, что было отмечено в работах Ю.К. Резникова, П.Ф. Шубенкина и др. ученых. В данной работе рекомендовано применение частиц шунгита размером от 2,5 до 0,16 мм и менее.

В исследованиях решалась также задача минимизации содержания шунгита в бетоне. При выборе рациональной концентрации содержания шунгита в цементном тесте и камне учитывалась особенность его вспучивания и изменение элементного состава при температурных воздействиях в силу его взаимодействия с составляющими цементного камня. Задача решалась в рамках теории протекания. Теоретические расчеты и результаты практических испытаний А.Н. Бобрышева и др. показали, что для данного случая критическая концентрация содержания частиц шунгита в цементном камне целесообразна при объемной его доле 0,16.

В исследованиях осуществлялся подбор рационального состава бетона методом планирования эксперимента. Результаты оптимизации состава бетона повышенной термостойкости по плотности и прочности показали, что достижение бетоном плотности, лежащей в диапазоне 1480 кг/м3, прочности при сжатии 12 МПа, прочности при изгибе 2,5 МПа, при поддержании постоянной величины подвижности бетонной смеси от 8 до 10 см обеспечивается путем применения рационального его состава, приведенного в табл. 1.

Таблица 1

Состав бетона повышенной термостойкости

3 Расход материалов, кг/м Средняя плотность бетона в сухом состоянии, кг/м

цемент шунгит асбест граншлак

390 44 13 950 1447

В качестве сравнения в работе использовался эталонный состав бетона, широко применяемый для изготовления бетона повышенной термостойкости, но с отсутствием шунгита в составе.

Основополагающим этапом являлись исследования влияния температурных воздействий на свойства и структуру бетона на различных масштабных уровнях. Установлено, что при повышении температуры от 900 °С до 1100 °С происходит изменение элементного состава цементного камня в зоне его контакта с частицами шунгита (табл. 2).

Таблица 2

Элементный состав цементного камня в зоне его контакта с зернами шунгита после термических воздействий

Химические элементы и оксиды Содержанке, масс. %

после термических 0 воздействий при 900 С после термических 0 воздействий при 1100 С

С 2,07 32,48

°2 47,64 45,14

NajO - 1,31

MgO 3,92 1,84

ai2o3 2,09 1,39

SiO, 13,92 6,72

S 0,48 0,25

CI - 0,78

CaO 29,76 9,87

Fe203 0,11 0,23

Итого 100 100

Так, при повышении температуры от 900 °С до 1100 °С увеличивается процент содержания углеродосодержащих соединений в контактной зоне более чем в 15 раз, содержание кислорода и оксидов алюминия изменяется несущественно, но содержание оксидов кремния снижается в 2 раза, а оксидов кальция — в 3 раза. Одной из причин такого поведения исследуемого материала может быть изменение фазового состава вяжущего в контактной зоне. Отмеченное явление, вероятно, приводит к изменению свойств цементного камня и в частности к повышению его стойкости к трещинообразованию.

Сравнение результатов, полученных на «срезах бетонов» методом атомно-силовой микроскопии, позволило отметить следующее.

Сформировавшаяся наноструктура поверхности цементного камня эталонных образцов бетона, подвергнутых однократному воздействию высоких температур равной 700 °С, характеризуется относительной их сглаженностью (рис. 2, а), что является причиной снижения сцепления между слоями бетона и, соответственно, приводит к уменьшению его прочности.

Наноструктура поверхности цементного камня в зоне его контакта с зернами шунгита в бетоне повышенной термостойкости отличается большей шероховатостью и, соответственно, более развитой удельной поверхностью (рис. 2, б), что, вероятно, и обеспечивает получение материала с более высокими показателями термостойкости.

а) б) в)

Рис. 2. Наноструктура поверхности бетона и ее изменение при температурных воздействиях: а) после 700 °С; б) после 900 °С; в) после 1100 "С

При температурных воздействиях от 900 °С до 1100 °С в бетоне повышенной термостойкости наблюдаются незначительные изменения структуры (рис. 2, в), что косвенно подтверждается результатами механических испытаний прочностных показателей бетона.

Исследования микроструктуры показали, что при температуре 700 °С в бетоне эталонного состава наблюдается формирование агрегированной структуры с частичным трещинообразованием (рис. 3, а).

Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки поверхности бетона после температурного воздействия (увеличение х 5000): а) структура бетона эталонного состава после температурного воздействия 700 "С: б) структура бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия 900 С; в) структура бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия 1100 "С

Подобная агрегация структуры при температурном воздействии 700 °С наблюдается и в бетоне повышенной термостойкости. С увеличением температуры до 900 С (рис. 3, б) в бетоне повышенной термостойкости степень агрегирования возрастает, что, вероятно, связано с началом вспучивания шунгита. При температурах выше 1100 °С происходит интенсивное вспучивание шунгита, структура цементного камня из гранулированной переходит в частично оплавленную с четко выраженными локальными плотными зонами (рис. 3, в).

Микроскопические исследования подтверждаются результатами оптических исследований макроструктуры (рис. 4).

1= 1100°С

¡». -

Зерна граншлака

,5срна вспученного шунгита с зоной контакта с цементным камнем

Рис. 4. Результаты оптических исследований макро- и микроструктуры бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия: а, в, д - макроструктура бетона после температурного воздействия 700, 900, 1 100 "С; б, г, е — микроструктура бетона после температурного воздейст вия 700, 900, 1100 °С (увеличение в 54 раза)

Установлено, что существенные изменения в структуре бетона происходят при температуре около 900 °С. Они связаны с появлением образований в виде агрегатов в структуре бетона (рис. 4, г). На образцах отсутствуют микроповреждения в виде трещин и каверн. При температурном воздействии 1100 С на поверхности четко просматриваются зерна вспученного шунгита в цементном

камне (рис. 4, е). В тоже время, наличие трещин и локальных разрушений не наблюдается (рис. 4, д).

Показано, что в образцах бетона повышенной термостойкости с шунги-том, подвергнутых однократному воздействию высоких температур, прослеживается снижение прочности при сжатии (рис. 5). 14

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100 Температура, °С

Рис. 5. Зависимость прочности бетона от температурных воздействий от 700 "С до i 100 "С: 1- бетон с шунгитом, 2 - эталонный бетон

Однако, прочность бетона повышенной термостойкости при температурном воздействии 700 °С на 30 %, а при 900 °С на 50 % выше по сравнению с образцами эталонного бетона. После температурного воздействия 1100 °С образцы бетона повышенной термостойкости сохранили 64 % от первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава, которые разрушились.

Проведенные испытания образцов бетона на термостойкость по ГОСТ 20910-90 показали следующее (рис. 6).

18 16 в 14 « 12

5 10

I 8

6 6 к 4

& 7

о I

4 0

1

& 600 700 800 900 1000 1100 1200 Температура, °С

Рис. 6. Изменение термостойкости образцов в зависимости от температуры: 1— бетон повышенной термостойкости, 2 - эталонный бетон

Разработанный бетон позволяет повысить его термостойкость при 700 °С более чем в 5 раз (с 3 циклов до 17), при 900 °С - в 6 раз (с 2 до 12 циклов), а при 1100 °С - с 0 до 8 циклов по сравнению с эталонным бетоном. Это, на наш

взгляд, объясняется формированием особой структуры бетона при участии

Образцы бетона повышенной термостойкости, подвергшиеся температурному воздействию 1100 °С, после 8 циклов испытания сохранили целостность, не имели поверхностных трещин (рис. 7, а) в отличие от образцов бетона эталонного состава (рис. 7, б).

Проведенные испытания образцов бетона на теплопроводность по ГОСТ 7076-99 после одного цикла термических воздействий показали, что при температурном воздействии от 20 °С до 1100 °С теплопроводность бетона снижается от 0,26 до 0,19 Вт/м-К, что объясняется вспучиванием шунгита, изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита и изменениями нано-и микроструктуры бетона.

В четвертой главе на основании выполненных исследований рассмотрены выбор и обоснование рациональных показателей удобоукладываемости бетонной смеси, представлены результаты исследования адгезионной прочности двухслойных образцов бетона, которые нашли свое отражение в разработанном технологическом регламенте получения вариатропных огнестойких изделий с применением предлагаемых бетонов повышенной термостойкости. Приведены результаты оценки фактического предела огнестойкости вариатропной плиты со слоем бетона повышенной термостойкости, толщина которого варьировалась от 0,01 до 0,04 м, полученные расчетным методом.

В работе рассмотрены основы технологии изготовления сборных конструкций на основе вариатропных огнестойких изделий. Нанесение слоя бетона повышенной термостойкости осуществляется на посту формования непосредственно на поверхность свежеотформованного несущего слоя вариагропного изделия.

Представлены результаты реологических исследований, реализованных с помощью ротационной вискозиметрии. Установлено, что для обеспечения прочности сцепления предпочтительно применять смеси с малой эффективной вязкостью и большим напряжением сдвига. Достигаются эти условия путем применения бетонной смеси с напряжением сдвига от 5 до 10 Па и величиной эффективной вязкости от 10 до 20 Па-с, что корреспондируется с показателем осадки конуса бетонной смеси, лежащим в диапазоне от 8 до 10 см (рис. 8).

Наши предположения подтверждены результатами испытаний адгезионной прочности слоя бетона повышенной термостойкости и основного несущего слоя (рис. 9).

а) б)

Рис. 7. Состояние образцов бетона после испытаний

на термостойкость при температурном воздействии И00°С: а - бетон повышенной термостойкости; б - эталонный

Напряжение сдвига, На

б)

Напряжение сдвига, Па

Рис. 8. Реологические свойства бетонных смесей повышенной термостойкости, проявляемые при водоцементных отношениях: 1 - В/Ц 0,30; 2 - В/Ц 0,32; 3 - В/Ц 0,34: с«1, оо2, сто3- предельное напряжение сдвига при В/Ц 0,30, 0,32, 0,34; ГЬФФ.'~ эффективная вязкость при В/Ц 0,30

а) б)

Рис. 9. Состояние контактной зоны двухслойных образцов до (а) и после (б) испытания на отрыв

Установлено, что разрыв двухслойных образцов со слоем бетона повышенной термостойкости из шунгитобетона и конструктивным слоем из высокопрочного бетона происходит по бетону повышенной термостойкости. Прочность сцепления бетона составила от 0,7 до 0,8 МПа при пределе прочности при сжатии бетона повышенной термостойкости - 6,75 МПа, что обеспечивает надежность сцепления наносимого покрытия.

Оптические испытания позволили установить, что при температурных воздействиях от 500 °С до 1100 °С контактная зона двухслойных образцов отличалась сплошностью, отсутствием трещин, разрывов и зон разрушения (рис. 10).

Рис. 10. Характер контактной зоны двухслойных образцов после температурных испытаний на один цикл термостойкости при температурных воздействиях: а) 500 "С; б)700°С; в)900°С; г)1100°С

Полученные результаты, определяющие требования к бетонной смеси и бетона повышенной термостойкости, предопределили технологию получения огнестойких железобетонных изделий вариатропной структуры, которая нашла свое отражение в разработанном технологическом регламенте с применением предлагаемого бетона повышенной термостойкости.

Полученные расчетным методом результаты оценки фактического предела огнестойкости вариатропной железобетонной плиты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Зависимость фактического предела огнестойкости вариатропной

железобетонной плиты с применением расчетных методов от толщины защитного слоя бетона повышенной термостойкости

Элемент конструкции Толщина защитного слоя бетона повышенной термостойкости, м Фактический предел огнестойкости плиты перекрытия, мин

Плита перекрытия (6000x1200x240 мм) - 64

0,01 145

0,015 170

0,02 194

0,04 342

Показано, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; при нанесении слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м он составил 145 мин, т.е. увеличился в 2,2 раза, с увеличением толщины защитного слоя до 0,015 м предел огнестойкости плиты повысился в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, что составило 194 мин; а при толщине 0,04 м - более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.

Установлено, что результаты, полученные расчетным методом, согласно ФЗ № 123, соответствуют 1 степени огнестойкости зданий по пределу огнестойкости строительных конструкций зданий и показали возможность соблюдения

требований пожарной безопасности по огнестойкости для зданий, имеющих разные функциональные зоны. Согласно СП 4.13130.2013 встраиваемые подземные автостоянки должны отделяться от этажей жилых и общественных зданий противопожарными стенами и перекрытиями 1-го типа, требуемый предел огнестойкости которых должен составлять REI 150. Кроме того, предел огнестойкости строительных конструкций нормируется до 360 мин.

Таким образом, расчетным методом подтверждено, что применение разработанного состава бетона и технологии его использования в огнестойких железобетонных изделиях вариатропной структуры, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию, позволяет повысить пределы огнестойкости несущих конструкций зданий до требуемых нормируемых значений. В случае возникновения пожара это существенно повышает безопасность эвакуации людей и работы пожарных расчетов под воздействием открытого пламени и высоких температур.

Несмотря на относительно высокую себестоимость в целом защитного покрытия из бетона повышенной термостойкости (в 2013 г. цена при расходе покрытия на 1 м~ составила 37,1 руб.) экономическая эффективность вариатроп-ных изделий с применением такого бетона достигается за счет повышения эксплуатационного срока службы этих конструкции от 4 до 8 раз при отсутствии условий стандартного пожара. На основании выполненных исследований предложены технологические рекомендации по применению разработанного бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования, выполненные с термодинамических позиций, доказали эффективность совмещения материалов - шунгита, цемента, граншлака, асбеста - в бетоне повышенной термостойкости, что обеспечивает стабильность бетона и его требуемые свойства для огнестойких железобетонных изделий.

2. Показана целесообразность применения частиц шунгита размером от 2,5 до 0,16 мм и менее, обеспечивающих термостойкость образцов бетона и сохранение 64 % от их первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава при испытаниях в условиях стандартного пожара.

3. Методом планирования эксперимента осуществлен подбор рационального состава бетона повышенной термостойкости по требуемым реологическим параметрам смеси, средней плотности и прочности бетона.

4. Базируясь на основах теории протекания, показано, что для исследуемой системы «цементный камень - шунгит» целесообразно реализовывать «модель протекания по касающимся сферам», согласно которой объем частиц шунгита в составе цементного камня не должен превышать 16 % от общего объема вяжущего вещества.

5. Исследованиями бетона повышенной термостойкости на нано-, микро и макроуровне при температурных воздействиях от 700 °С до 1100 °С установлены изменения как его структуры, так и элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита, что обуславливает динамическое изменение

теплофизических параметров такого бетона, обеспечивающих повышение огнестойкости железобетонных конструкций на основе вариатропных изделий, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию.

6. Установлено, что разработанный бетон повышенной термостойкости обладает динамическим изменением теплопроводности с 0,26 до 0,19 Вт/м-К при увеличении температурных воздействий от 20 °С до 1100 °С, что вызвано вспучиванием шунгита и изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита, что обеспечивает повышение термостойкости до 8 раз (с 0 до 8 циклов) при температурном воздействии 1100 °С по сравнению с эталонным бетоном.

7. Показано, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; при нанесении слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м он составил 145 мин, т.е. увеличился в 2,2 раза, с увеличением толщины защитного слоя до 0,015 м предел огнестойкости плиты повысился в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, что составило 194 мин; а при толщине 0,04 м - более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.

8. Экономическая эффективность вариатропных изделий с применением бетона повышенной термостойкости достигается за счет повышения эксплуатационного срока службы конструкции от 4 до 8 раз смонтированной из указанных изделий. Относительно высокая себестоимость покрытия из бетона повышенной термостойкости (в 2013 г. цена на 1 м2 покрытия толщиной 15 мм составила 37,1 руб.) оправдывается длительным сроком эксплуатации такой конструкции при отсутствии условий стандартного пожара.

9. Разработаны технологические рекомендации, позволяющие совершенствовать технологию вариатропных изделий с применением слоя бетона повышенной термостойкости.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в рецензированных журналах и изданиях

1. Загоруйко, Т.В. Структурные изменения композиционных материалов в условиях термических воздействий / Т.В. Загоруйко // Пожаровзрывобезопас-ность, 2010.-С. 8-10.

2. Загоруйко, Т.В. Разработка композиционных термостойких материалов для повышения огнестойкости конструкций / Т.В. Загоруйко, В.Т. Перцев,

B.В. Власов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура, 2012.- №2 (26).-

C. 62-68.

Отраслевые издания и материалы конференций

3. Загоруйко, Т.В. Вспучивающиеся огнезащитные покрытия, их эффективность и перспективы применения: материалы первой международной научно-практической конференции / Т.В. Загоруйко. - Воронеж, 2006. — С. 36-38.

4. Загоруйко, T.B. Огнестойкость тонкостенных железобетонных конструкций и способы ее повышения: материалы второй международной научно-практической конференции / Т.В. Загоруйко. - Воронеж, 2007. - С. 47-52.

5. Загоруйко, Т.В. Огнестойкость тонкостенных железобетонных конструкций и способы ее повышения: тезисы докладов XXXVI межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований / Т.В. Загоруйко. - Курск, 2008. - С. 188.

6. Загоруйко, Т.В. К вопросу о термостойкости и огнестойкости строительных материалов: материалы IV международной научно-практической конференции / Т.В. Загоруйко. - Воронеж, 2009. - С. 85-87.

7. Загоруйко, Т.В. Пути повышения термо и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них [Электронный ресурс] / Итоги 64-й всероссийской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий». - Воронеж, 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. — Систем, требования: ПК с процессоров 486 +; Windows95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader.

8. Загоруйко, T.B. Структурные изменения композиционных материалов в условиях термических воздействий. / Т.В. Загоруйко // Материалы международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». - Часть 1. - Воронеж, 2010 г. - С. 178-181.

9. Загоруйко, Т.В. Использование термостойких материалов на основе легких заполнителей для повышения огнестойкости строительных конструкций / Т.В. Загоруйко, В.Т. Перцев // Вестник Воронежского института Государственной противопожарной службы, 2011,- №1.- С. 29-31.

10. Леденев, A.A. Разработка составов термостойких бетонов для получения огнезащитных покрытий строительных конструкций / A.A. Леденев, Т.В. Загоруйко, A.A. Бондарь, В.Т. Перцев // Проблемы безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: ВИ ГПС МЧС России, 2012. - С. 32-35.

11. Леденев, A.A. Термостойкие покрытия для создания вариатропных конструкций повышенной огнестойкости / A.A. Леденев, Т.В. Загоруйко, В.Т. Перцев, О.Б. Рудаков // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2013): материалы V Международной научно-технической конференции. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2013. - С. 282-285.

Подписано в печать 23.01.2015 г. Формат 60 х 84 1/16.

Бумага писчая. Усл.-печ. л. Iß. Усл.- изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ №23

Отпечатано: издательство учебной и учебно-методической литературы отдела оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-легшя Октября, 84