автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Экспертное исследование бетонных строительных конструкций при поисках очага пожара

РГБ од

2 В нон '?т

МВД РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Крикливый Сергей Юрьевич

ЭКСПЕРТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОИСКАХ ОЧАГА ПОЖАРА

Специальность 05.26.03 -

пожарная безопасность

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре специальных экспертиз и исследований Санкт-Петербургского Университета МВД России

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор И. Д. Чешко

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.И. Корнеев; кандидат технических наук, доцент Б. В. Косарев

Ведущая организация

Экспертно-криминалистическое управление ГУВД СПб и Ленинградской области

" Защита состоится «_»_2000 г. в_часов на заседании диссертационного совета К 052.10.04 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата наук в

С»-« i игг П л«глг\Л< /»-> г/мгл\ в а ч м tía г» /"чгчг*« «тлтл К Л D П Оллл| ai» 11 п /4л л im mi тлтл

ant\i-i ic i cpv-íjrpi oiwjivi угтоерон ici с iviljjL^ i uouriri na iui v¿ i o

подготовки сотрудников Государственной противопожарной службы (196105, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 149)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского университета МВД России (198075, Санкт-Петербург, ул. Летчика Пилютова, д. 1) и в библиотеке факультета по указанному выше адресу.

' Автореферат разослан «_»_2000 г.

Отзыв на реферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в СПб университет МВД России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский пр., д.149.

Ученый секретарь

диссертационного совета К - 052.10.04

кандидат технических наук, доцент A.B. Фомин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка проблемы и ее актуальность. Экспертизы по делам о пожарах относятся к наиболее сложным видам криминалистического исследования. Основной вопрос, решаемый пожарно-технической экспертизой - установление причины возникновения пожара. Без знания причины возникновения пожара невозможно планирование профилактических мероприятий для предупреждения пожаров в будущем, а также расследование и раскрытие преступлений, которые привели к пожару или способствовали ему и, как следствие, невозможно выявление и наказание виновных лиц.

Работа эксперта по установлению причины любого пожара должна начинаться с решения ключевой задачи - определения места возникновения (очага) пожара. На современном этапе как в России, так и за рубежом установление очага пожара осуществляется, в основном, по визуальным признакам. Однако на крупных развившихся пожарах, установление причин возникновения которых чрезвычайно важно, специфические очаговые визуальные признаки часто нивелированы интенсивным тепловым воздействием. Поэтому для восстановления объективной картины возникновения и развития пожара необходимо использование инструментальных методов, основанных на исследовании изменений физико-химических свойств исследуемых изделий, коррелируемых со степенью термического поражения последних.

Нэ крупных пожзрэх выгорают, иногда практически полностью, конструкции и предметы из горючих материалов: древесины, пластмасс, тканей и т. п. В меньшей степени подвергаются разрушающим воздействиям на пожаре изделия, выполненные из неорганических строительных материалов. Причем наибольший практический интерес для экспертов представляют строительные конструкции, изготовленные из бетона и железобетона (далее по тексту "бетонные конструкции"), т. к. они имеют наибольшее распространение среди конструктивных элементов современных зданий и сооружений.

В настоящее время для определения зон термических поражений и температуры нагрева на пожаре бетонных конструкций применяются ультразвуковая дефектоскопия (полевой метод) и классические лабораторные методы: инфракрасная спектроскопия, рентгенофазовый анализ и термический анализ (определение остаточного содержания термолабильных компонентов). Задача по определению длительности нагрева на пожаре бетонных конструкций еще не решена (есть только методика по определению температуры и длительности нагрева для гипсовых конструкций). Существующие лабораторные методы обладают высокой информативностью, но наряду с этим имеют некоторые недостатки, обуславливающие весьма редкое их применение при установлении очага пожара. К таким недостаткам относится необходимость отбора проб и невозможность проведения исследования непосредственно на месте пожара, высокая стоимость оборудования, потребность в специальных помещениях для проведения исследований, трудоемкость и длительность подготовки образцов и проб.

Исходя из этого, весьма актуальной является проблема совершенствования и развития существующей методики экспертного исследования после пожара конструкций из неорганических строительных материалов (бетонных - в первую очередь) на основе новых аналитических методов и методических подходов.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является расширение аналитических возможностей методики экспертного исследования после пожара бетонных строительных конструкций. Под этим понимается увеличение температурного диапазона применимости методики, а также повышение ее информативности за счет определения качественно нового для данных материалов параметра - длительности нагрева конструкций в различных зонах пожара.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать известные литературные данные об изменении структуры и свойств бетона при нагревании и разработать методические подходы к достижению поставленной цели - расширению температурного диапазона и определению длительности нагрева конструкций в ходе пожара;

- выбрать методы исследования поверхностного слоя бетонных конструкций, позволяющие определять зоны термических поражений от 100 до 1000 С;

- выбрать метод послойного анализа бетона, который бы позволял достаточно быстро и точно определять продвижение тепловой волны вглубь мате-

рИсм

- исследовать изменение структуры и свойств бетона выбранными методами в условиях, характерных для пожара (температура и длительность нагрева, скорость охлаждения, состав атмосферы и др.), определить влияние указанных условий на результаты измерений;

- на основе полученных экспериментальных данных вывести уравнения.для расчета длительности теплового воздействия на строительную конструкцию;

- по результатам проведенных исследований и разработок, сделанных ранее, сформировать комплекс методов для определения степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций в ходе пожара;

- разработать методику применения данного комплекса на месте пожара при поисках его очага.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложены эмпирические уравнения, описывающие зависимость относительной скорости поверхностной ультразвуковой волны Ся/Сдо от температуры нагрева поверхности бетонной конструкции в характерных для пожара условиях.

2. Для оценки степени термического поражения и температуры нагрева на пожаре поверхностного слоя бетонных конструкций предложено и экспериментально обосновано использование калориметрического метода, а для установления глубины прогрева конструкции - метода саетоаой микроскопии в иммерсионных жидкостях. ' "

3. Выведены эмпирические уравнения для бетсиоз мзрох М 200 и М 400, которые позволяют по термическим поражениям в поверхностном слое (определяемым ультразвуковым и калориметрическим методами) и по глубине разложения гидроксида кальция (определяемой методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях) рассчитать длительность нагрева железобетонной конструкции.

4. Разработана комплексная методика, базирующаяся на применении ультразвукового метода, калориметрического метода и метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях, позволяющая проводить экспертные исследования бетонных конструкций во всем характерном для пожара диапазоне температур (100 - 1000 °С) и определять не только зоны термических поражений, но и температуру и длительность нагрева (температурные и временные зоны), с последующим использованием полученной информации при поисках очага пожара.

Объекты исследования - бетонные строительные конструкции. Выбор бетона в качестве объекта исследования обусловлен тем, что он является основным материалом современного гражданского и промышленного строительства.

Предмет исследования

Изменения структуры и свойств бетонных конструкций при нагревании; аналитические методы применяемые для определения этих характеристик и выявления очаговых признаков пожара.

Методы исследования - физико-химические методы исследования бетонных конструкций, в том числе: ударно-акустический, ультразвуковой, калориметрический и метод световой микроскопии в иммерсионных жидкостях.

Практическая значимость.

Разработана комплексная методика выявления очаговых признаков пожара на бетонных конструкциях. Внедрение предложенной методики позволит выявлять скрытые очаговые признаки и, исходя из этих данных, определять очаг пожара. В конечном итоге это повысит эффективность и достоверность установления причин пожаров, а сам факт формирования выводов эксперта на основе информации, полученной с помощью инструментальных методов, повысит их объективность и доказательную силу.

Существенным для практического использования является простота и экс-прессность методики, относительная дешевизна аппаратуры, что должно способствовать ее внедрению во всех заинтересованных практических подразделениях органов внутренних дел и Министерства юстиции.

На защиту выносятся:

- теоретически и экспериментально обоснованная методика калориметрического исследования бетонных конструкций после пожара;

- теоретически и экспериментально обоснованная методика послойного анализа бетонных конструкций методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях на месте пожара;

- концепция комплексного использования ультразвукового, калориметрического и метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях для исследования бетонных конструкций, обеспечивающая получение информации о зонах

термических поражений, температуре и длительности нагрева конструкций в всем характерном для пожара-диапазоне температур.

Апробация и результаты исследования. Основные положения диссерт; ции, общие выводы и практическая применимость обсуждались на расшире! ном заседании кафедры специальных экспертиз и исследований Санк Петербургского университета МВД России.

Результаты исследования были доложены:

- на конференции " Всероссийский конкурс III тур "(Белгород, БелГТАСМ, 16 декабря 1995 г.); .

- на международной научно-практической конференции "Новые информац! онные технологии в практике работы правоохранительных органов" (Санк-Петербург, СПбУ МВД России, 20 ноября 1998 г.);

- на научно-практической конференции "Безопасность и экология Оанк-Петербурга" (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 11-13 марта 1999 г.);

- на Всероссийской научно-практической конференции "Теоретические прикладные проблемы экспертно-криминалистической деятельности" (Санк-Петербург, СПбУ МВД России, 7-8 апреля 1999 г.).

Результаты работы использовались при определении очагов трех пожаро: произошедших в Санкт-Петербурге.

Публикации. Основные результаты и отдельные выводы диссертации от ражены в семи научных работах.

Структура и объем рэботы. Диссертация состоит из введения, шести глэе заключения, библиографического списка использованной литературы и тре приложений. Общий объем диссертации составляет/65 страниц. Диссертаци содержит 7 таблиц и 33 рисунка, библиографический список использованно литературы включает 99 наименований.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы. Приведена цель работы. Пс ставлены задачи на диссертационное исследование. Даны основные положе ния, которые выносятся на защиту.

В первой главе - "Превращения в бетонных строительных консп рукциях в условиях пожара" - рассмотрены положения о том, что такое очг пожара и каковы причины образования очаговых признаков, какие тепловы процессы происходят при горении на пожаре. Приведены сведения о номенклг туре объектов исследования. Рассмотрены поведение бетонных строительны конструкций в условиях реальных пожаров и происходящие при этом изменени в структуре и свойствах бетона.

Во второй главе - "Методы, используемые для экспертного исследс вания бетонных конструкций" - проведен анализ методов, разработанных настоящему времени для экспертного исследования после пожара бетонны конструкций. Лучшие из этих разработок базируются на фундаментальных ла бораторных методах исследования - рентгенофазовом и термическом анализе инфракрасной спектроскопии. Все эти методы обладают достаточной степены

информативности, но ввиду сложности и дороговизны аппаратуры, невозможности проведения анализа на месте пожара, практически не применяются на практике, что, в конечном итоге, резко снижает достоверность установления очага пожара и причины его возникновения. Единственный полевой метод исследования бетонных строительных конструкций, существующий в настоящее время и применяющийся в. экспертной практике - ультразвуковая дефектоскопия; он основан на измерении скорости прохождения ультрззвуковой волны в поверхностном слое бетонной конструкции. Чем выше температура и длительность теплового воздействия, тем сильнее разрушена конструкция, и тем меньше скорость поверхностной УЗ-волны. Метод позволяет определять зоны термических поражений в диапазоне от 100 до 700 °С, то есть до температур, при которых происходит полная дегидратация цементного камня, разрушение гидроксида кальция (минерала портландита) и полиморфизм кварца (мелкого заполнителя в бетоне). Учитывая, однако, что температура нагрева конструкций при пожарах внутри зданий достигает 1000 °С, одного этого метода явно недостаточно для исследования бетонных строительных конструкций, тем более, что именно высокотемпературные зоны могут представлять наибольший интерес для эксперта.

Данные о степени термического поражения материалов в различных зонах пожара безусловно важны для поиска очага пожара, но они не выводят напрямую на очаг пожара. Гораздо более ценной, с экспертной точки зрения, могла бы быть информация о длительности теплового воздействия на бетонные строительные конструкции в различных зонах пожара, так как при условии примерно одновременной ликвидации горения по всей площади, зона наиболее длительного горения и есть зона очага пожара. Учитывая, однако, известную зависимость степени термического поражения: Б = f (Т, т), раздельное определение температуры (Т) и длительности нагрева (т) для бетона представляет достаточно сложную задачу, до сих пор не решенную.

В рамках данной диссертационной работы для решения этой задачи было предложено использовать методические принципы, уже примененные ранее для определения длительности нагрева конструкций на основе гипсового связующего. Они заключаются в фиксации последствий протекания двух процессов: изменения структуры и свойств поверхностного слоя материала и последовательного изменения состава (структуры, свойств) материала по глубине, которое является следствием постепенного продвижения вглубь материала тепловой волны. Последствия того и другого процессов являются функциями температуры и длительности нагрева поверхности материалов и раздельное определение Тит становится возможным путем решения системы двух уравнений с двумя неизвестными.

Для определения функциональной зависимости, описывающей первый процесс, необходимо выбрать инструментальные методы, которые позволили бы определять изменение в зависимости от Т и т одной из характеристик (свойств, структурных параметров) поверхностного слоя бетона. Желательно, что бы это можно было делать непосредственно на месте пожара (т. е. полевым методом), достаточно просто и в наиболее широком интервале температур. Нужно было

также выбрать метод послойного анализа проб бетона, который бы позволил i достаточно быстро и точно определять продвижение тепловой волны вглубь материала. После этого требовалось провести комплекс экспериментов по одностороннему нагреву бетонных образцов различных марок, определить зави-. симости указанных параметров от температуры на поверхности, длительности нагрева, сопутствующих нагреву на пожаре факторов (атмосферы газообразных продуктов сгорания, водяного рушения) и получить в результате эмпирические уравнения для расчёта длительности нагрева конструкций.

Схема экспериментальных исследований приведена на рис. 1. Образцы тяжелого бетона размерами 300x100*100 мм и 100x100*100 мм марок М 200, ». М300, М 400, М 500 и М 600 подвергали одностороннему нагреву в экспериментальной установке.- Производился изотермический нагрев до 100, 200, 300, 400.„..:1000 °С и Динамический - (температура на поверхности конструкции изменялась по режиму "стандартного пожара"). Нагрев образцов производился на воздухе и в атмосфере продуктов неполного сгорания древесины и хлопчатобумажных.тканей. Охлаждение производилось водой (образец опускался в воду на 20-30 с) и на воздухе. Поверхностный слой образца исследовался ударно-акустическим и ультразвуковым методом, а при нагреве поверхности конструкции 700 °С и более - калометрическим методом: Отбор проб бетона по слоям через каждые 3 мм производился при помощи электродрели, победитового сверла и параллельно с ним установленного глубиномера, фиксирующего глубину подачи сверла Каждая проба (порошок) помещалась в отдельный бюкс (для предотвращения гидратации и карбонизации). Пробы исследовались методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях при помощи поляризационного микроскопа МИН-8 (объектив 60х и окуляр 7х).

В третьей главе - "Методы исследования поверхностного слоя бетонных конструкций" - приведены результаты сравнительного исследования бетонных образцов, подвергшихся тепловому воздействию, двумя полевыми методами: ударно-акустическим и ультразвуковым.

' Результаты ударно-акустического исследования бетонных образцов (см. рис.2) показывают, что при прогреве бетона прочность образцов медленно убывает с ростом температуры предварительного прогрева до 400 °С, затем стремительно снижается от

500 до 800 °С. Выше 800 °С прочность с увеличением температуры практически не меняется. Получен большой разброс результатов для образцов из разных партий в пределах одной марки бетона М 200, прогретых при аналогичных температурно-временных параметрах.

Таким образом, можно констатировать, что использование ударно-акустического метода (прибор ИП-1) для исследования подвергшихся нагреву бетонных строительных конструкций позволяет дифференцировать три температурные зоны - до 400 °С, 500 - 700 °С и выше 800 С. Выявление таких температурных зон может оказаться полезным при осмотре места пожара и поисках его очага. Поэтому ударно-акустический метод, в принципе, может применяться при экспертизе пожаров в качестве полевого метода для предварительной оценки термических поражений бетонных и железобетонных строи-

Рис. 1. Схема диссертационного исследования

тельных конструкций. Однако для целей данной работы такая информативность метода явно недостаточна, ибо не позволяет определять температуру нагрева поверхностного слоя бетона даже с точностью до 100 °С. Более эффективным оказалось использование ультразвукового метода.

Анализ изменения относительной скорости поверхностных УЗ-волн в зависимости от температуры и продолжительности нагрева бетонов марок М 200, М 300, М 400, М 500 и М 600, показал, что до 30 - 40 мин нагрева относительная скорость поверхностных УЗ-волн быстро снижается, а затем стабилизируется, практически не меняясь во времени (рис. 3).

Погрешность параллельных измерений в УЗ-методе составляет около 1 %, а не 12 %, как в ударно-акустическом методе.

В отличие от параметров, измеряемых ударно-акустическим методом, время похождения УЗ-импульса (и, соответственно, скорость УЗ-волны) с изменением температуры нагрева в интервале от 100 до 700-800 °С плавно снижается, что позволяет дифференцировать температуру предварительного прогрева в этом диапазоне с достаточной точностью. Таким образом, ультразвуковой метод в качестве экспресс-метода зондирования поверхностного слоя при фиксации картины распределения зон термических поражений предпочтительнее ударно-акустического метода.

Недостатком УЗ-метода является отсутствие возможности работать выше 800 °С - поверхностный слой при этих температурах уже разрушен до такого состояния, что скорость УЗ-волны в бетоне равна скорости УЗ сип ¡ала в воздухе. Поэтому необходимо было выбрать метод, позволяющий работать в более высокотемпературном интервале, чем УЗ-дефектоскопия. Таким методом стал калориметрический метод.

Метод основан на количественном определении тепловыделения, происходящего за счет вторичной гидратации оксида кальция, образующегося в результате разложения содержащихся в бетоне гидроксида и карбоната кальция. Чем выше тепловое воздействие на бетонную конструкцию, тем больше вторичного оксида кальция образуется, и тем больше выделяется тепла при его последующей гидратации в калориметрической установке.

В работе были исследованы искусственно полученные пробы гидроксида кальция (содержание Са(ОН)г - 86,5 %), затвердевший цементный камень (тесто), кладочный раствор (цемент М 400/песок в соотношении: 1/1, 1/2 и 1/3), и самый распространенный бетон марки М 200. Результаты исследования показаны на рис. 4. Из приведенных данных следует, что калориметрическое исследование бетонных конструкций на месте пожара оказывается информативным в температурных интервалах:

- для кладочного раствора с соотношением цемент/песок 1/2 -1/3 - от 450 -500 до 900 °С;

- для бетона М 200 - от 650 до 900 °С.

С

¿40

/-Л» --

<"Л> --

¡го-сЯ5>

-

л? ЯГ

jb»

/17 -

Ля? .ля?

___ г? У

Л«» ¡ООО

Рис. 2. Изменение прочности бетона М 200 в зависимости от температуры нагрева (прибор ударно-акустического действия ИП-1)

Рис. 3. Изменение относительной скорости поверхностных ультразвуковых волн в зависимости от температуры и продолжительности нагрева бетона М200

Л»/.

I

i

<60 -j

l

fio -

'20 -

/90 - .

tO -

60 ■

¿O -

*o /go /00 зоо w, soo m> ¡w sao ~sw ^aco C

Рис. 4. Изменение теплоты гидратации оксида кальция в зависимости от температуры предварительного прогрева:

1 - быстротвердеющий портландцемент;

2 - портландцемент;

3-раствор 1/1 (портландцемент / песок);

4 - раствор 1/2 (портландцемент / песок);

5 - раствор 1/3 (портландцемент / песок);

6 - бетон М 200.

Было исследовано, как влияет атмосфера, характерная для условий пожара (нагрев производился в нормальной атмосфере и в атмосфере продуктов неполного сгорания древесины, натуральных и синтетических тканей), и условия охлаждения (воздухом или водой) на результаты ультразвукового и калориметрического исследования бетонных образцов. Установлено, что существенных различий в результаты анализа указанные факторы, сопутствующие реальному пожару, не вносят, вероятно за счет того, что в гетерогенной фазе процессы

—г

вторичной гидратации (при контакте с водой) и образования вторичных карбонатов (за счет контакта с углекислым и угарным газами) происходят достаточно медленно. Это обстоятельство является весьма положительным, т. к. позволяет применять ультразвуковой и калориметрический методы вне зависимости от условий горения и тушения.

В четвертой главе - "Послойное исследование бетонных конструкций"— изложены результаты выбора метода для послойного анализа бетона с целью определения глубины его прогрева до определенных температур и соответствующие экспериментальные исследования. Установлено, что в качестве показателя глубины прогрева бетонной конструкции может быть использовано разрушение минерала портландита (гидроксида кальция), который содержится в бетоне и разлагается при строго определенной температуре - 510 ± 10 °С. И если выбрать метод, позволяющий достаточно просто и точно определять содержание гидроксида кальция в пробах бетона, отобранных на различную глубину, то можно проследить продвижение фронта тепловой волны вглубь бетонной строительной конструкции.

В качестве такого аналитического метода был выбран метод определения гидроксида кальция микроскопическим исследованием в иммерсионных жидкостях.

Бетонные образцы марки М 200 нагревались с одной стороны в изотермическом (600 - 1000 °С, т = 5 -120 мин) и динамическом (температура менялась по

ипмопм "ггацпаптцлгп nrtwana^ nouzuMov о оп-эпитылм гпопо м а этмлМюпо

"г^' ■ -----j г- —........—"i —----м/ ' '' vfvrt"! " " "il.iuw^w^w,

характерной для реального пожара. Затем часть образцов охлаждалась на воздухе, а часть водой. Отбор проб производился по слоям через каждые 3 мм. Пробы исследовались в иммерсионных жидкостях при помощи поляризационного микроскопа МИН-8.

Микроскопическое исследование в иммерсионных жидкостях показало, что при нагреве от 600 °С доЮОО °С в течение 1 часа в бетоне происходят следующие изменения:

- при 600 °С гидроксида кальция Са(ОН)г уже нет, но появляются отдельные редкие зерна СаОВТор, примерно около 1 % от объема количества фаз, которые видны в микроскоп;

- при 700 °С отдельных редких зерен СаОвт0р примерно около 2 - 3 % от объема количества фаз;

- при 800 °С СаОвтор находится больше в виде агрегатных сростков по отдельным гидратным продуктам, но есть и отдельные зерна, всего примерно 4 -5 %;

- при 900 °С карбоната кальция (СаСОз) уже практически нет (до 5 %), он разлагается на СаОВТор, которого 10-11 % и углекислый газ, но оксид кальция СаОвтор начинает взаимодействовать с оксидом кремния (из песка и гранита) с образованием каемок двухкальциевого силиката Ca2Si (до 1 %) на зернах кварца Si02;

- при 1000 °С карбоната кальция СаСОз уже нет, СаОв, в основном, в виде агрегатов, реже в виде отдельных зерен, всего 10 - 12 %, Ca2Si на зернах кварца Si02 в виде каемок 2-3 %.

Подобные изменения происходят на поверхности бетона, а также в Шубиных его слоях по мере прогрева бетона вглубь до определенных температур.

Для сравнения проводился теплофизический расчет динамики прогрева бе-онных образцов до температуры 510 °С по известным методикам расчета про-рева бесконечного полумассива.

Изменение глубины продвижения фронта разложения гидроксида кальция в ависимости от температуры и длительности нагрева бетонных образцов при !зотермическом и динамическом нагреве приведены на рис.5, 6. Получено хо-юшее совпадение расчетных и аналитически определенных глубин разложе-1ия гидроксида кальция.

Таким образом, можно сделать вывод, что метод световой микроскопии в 1ммерсионных жидкостях позволяет достаточно быстро и просто определить лубину разложения гидроксида кальция. Результаты полученные аналитически экспериментально) и теплофизический расчет по известным методикам имеют орошую сходимость и не зависят от сопутствующих пожару факторов, таких, ак состав атмосферы и водяное тушение. Следовательно, сочетание метода зетовой микроскопии в иммерсионных жидкостях и теплового расчета можно |рименять для решения задачи определения длительности нагрева бетонных и <елезобетонных строительных конструкций.

Отметим, что микроскопический метод определения оксида и гидроксида альция не требует сложного и громоздкого оборудования и может быть приме-1ен в качестве полевого якг.пресс-метода.

В пятой главе - "Решение задачи определения длительности нагрева бетонных строительных конструкций на пожаре" - предложена методи-;а расчета длительности нагрева бетонных конструкций марки М 200 и М 400.

Для определения длительности нагрева конструкций в тех или иных зонах южара признано необходимым проанализировать состав бетона не только на >богреваемой поверхности, но и по глубине его. Для исследования поверхност-юго слоя целесообразно использовать ультразвуковой метод, а также калориметрический метод, в зонах, где невозможно акустическое зондирование (тем-тратура на поверхности конструкции больше 700-800 °С).

Анализ кривых зависимости относительной скорости прохождения ультраЖуковых волн от температуры и длительности нагрева бетонных образцов наиболее распространенных марок М200 и М400 показал, что после снижения, фимерно в течении получаса нагрева, исследуемый параметр стабилизируется 1 кривые практически выходят на плато. Данная зависимость вполне закономерна - по используемой методике определяется скорость прохождения ло-эерхностных УЗ-волн, т. е. зондированию подвергается поверхностный 20-30 лм слой бетона. В режиме нагрева, близком к изотермическому, в поверхностном слое за указанный период времени проходят и завершаются структурные феобразования и фазовые превращения, которые могут происходить при данной температуре, и дальнейший нагрев практически не влияет на состояние этого слоя, в том числе на его акустические характеристики.

Рис. 5. Изменение глубины продвижения фронта разложения гидроксида кальция в зависимости от температуры и длительности изотермического нагрева:

а) расчетная глубина прогрева до 510 °С (Нбю) при температуре на поверхности, °С: 1 - 900, 2 - 800, 3 - 700, 4 - 600;

б) глубина разложения Са(ОН)2 (определяемая аналитически) при температуре на поверхности, °С: 5 - 900,6 - 800, 7 - 700, 8 - 600

Это обстоятельство позволяет сделать допущение, что при установившемся температурном режиме относительная скорость прохождения ультразвуковых волн практически не меняется во времени и зависит только от температуры нагрева поверхности бетонного изделия. С учетом данного допущения была сделана попытка форрлально описать зависимость относительной скорости прохождения УЗ- волн (Cr/Cro) в бетонах марки М200 и М400 от температуры известным уравнением Аррениуса общего вида:

In К = В — А/Т

(1)

Рис. 6. Изменение глубины продвижения фронта разложения гидроксида кальция при динамическом нагреве по режиму "стандартного пожара":

1 - расчетная глубина прогрева до 510 °С (Н510);

2 - глубина разложения Са(ОН)г (определяемая аналитически).

Было установлено, что зависимость Cr/Cro от температуры изотермического нагрева действительно подчиняется этому закону, а соответствующие уравнения после подстановки коэффициентов В и А, найденных по экспериментальным данным, приобретают вид:

для М 200: ln[(1-CR/CR0)/Cr/Cro)] = 3,2-2460Л" (2)

для М 400: ln [(1-CR/CR0) / CR/CR0)] = 4,1 - 3060Л"

(3)

Преобразовав формулу (2) для М 200 получим:

1/Г = ( 3,2 - 1п [(1-Си/Сто) / Ся/Сно)]) / 2460 ( 4 )

Из решения дифференциального уравнения Фурье применительно к граничным условиям первого рода (задача по прогреву бесконечного полумассива) известно, что

егГ[х/(2 х л/а, хт)] = (^-^)/(Ь-1.) (5)

При: х = Н; Ър = 510 °С, 1« = 20 °С, 1п = Т, получим:

ей [ Н / (2 х л/а( * т) ] = (Т - 510) / (Т - 20) (6)

^ = 20 °С можно пренебречь, тогда

егГ [ Н / (2 * >/а1 * т) ] = {Т - 510) / Т (7)

1/Т = (1 -егЦН/(2 х л/аГ*т)])/510 (8)

Приравниваем формулы ( 4 ) и ( 8 ), и после математических преобразований ППП\Л4ЯЙМ кпнрчнию Жппмипи ппа пягиот3 ппмтвпиипгтм иагпода СТООИ-

...... "■■ л........—--- ^--|----ГТ •■ Г~ —

тельной конструкции из бетона М 200 следующего вида:

0,21 х |П [(1-СР/СК0) / Ск/Ско)1 - ей [ Н / (2 х >/аГм) ] + 0,34=0 (9)

После аналогичных преобразований получена формула для расчета длительности нагрева конструкций из бетона М 400:

0,17х in [(1-Cr/Cro) / Cr/Cro)] - erf[ Н / (2 х ^¡¡Г>«т) ] + 0,32=0 (10)

Подобные уравнения могут быть получены указанным выше путем и для бетонов других марок.

Учитывая наличие в уравнениях функции ошибок Гаусса, их невозможно преобразовать в математические выражения, необходимые для прямого расчета длительности нагрева (т) исходя из Cr/Cro и Н. Поэтому указанные формулы необходимо использовать для расчета т на ПЭВМ по специальной компьютерной программе. Программа должна предусматривать ввод исходных данных -относительной скорости прохождения УЗ - волн (Cr/Cro) на исследуемом участке бетонной конструкции и Н - глубину разложения Са(ОН)2, определенную на этом же участке методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях. Затем программа должна обеспечить поиск значения т, при котором соблюдаются уравнения ( 9 ) или ( 10 ) (в зависимости от марки бетона). Для решения данной задачи программа должна содержать в качестве базы данных таблицу значений Гауссовского интеграла ошибок (функции Крампа).

При отсутствии всзмежностей компьютерного расчета задача определения, длительности нагрева бетонной строительной конструкции в зонах, представляющих интерес для эксперта, решается в два этапа:

1. По графикам(см. рис. 3, 4), исходя из данных УЗ-дефектоскопии или калориметрии, определяется ориентировочная температура на поверхности конструкции.

2. Расчет длительности нагрева конструкции производится по уравнению, производному от уравнения (8 ).

Оба варианта расчетов были проверены на имеющихся экспериментальных данных. Установлено, что расчет обеспечивает достаточно хорошую сходимость фактической и расчетной длительности теплового воздействия на бетонную конструкцию в случае изотермического нагрева. При динамическом и ком-эинированном режимах нагрева расчет по объективным причинам дает заниженные данные. Учитывая это обстоятельство в разработанной методике предлагается проводить исследование бетона не в одной, а в нескольких (десять и более) точках и полученные результаты использовать в качестве относительных величин для построения "временных зон'. Такой подход позволяет нивелировать влияние динамики нагрева и обеспечить выявление участка с экстремально высокой расчетной длительностью нагрева - потенциального очага пожара. Использование расчетной длительности в качестве абсолютной величины, например для расчета времени возникновения горения, чревато ошибкой

^получсписм запижсппых данныл).

Необходимо также иметь в виду, что использование в качестве параметра цля оценки глубины прогрева конструкции температуры разложения Са(ОН)2 эбъективно лимитирует нижнюю границу чувствительности методики температурой 510 °С. Таким образом определяется не общее время теплового воздействия на бетонную строительную конструкцию, а время нагреза выше указанной температуры, т. е. время развившегося горения в исследуемой зоне.

В шестой главе - "Экспертная методика определения зон термических поражений, температуры и длительности нагрева по результатам исследования бетонных конструкций" — предложен на основании результатов проведённых исследований комплекс методов определения степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных строительных конструкций. В комплекс вошли три метода, в том числе два -впервые примененные в экспертизе пожаров:

1) ультразвуковой;

2) калориметрический;

3) световая микроскопия в иммерсионных жидкостях.

Комплект аппаратуры включает в себя прибор Бетон-22 (или подобный ему по техническим характеристикам), реализующий ультразвуковой метод, кало-метрическую установку с набором оборудования (бюксы, эксикатор, сита 100 мкм, ступки, пестики) для калометрических измерений и поляризационный микроскоп с набором оборудования для световой микроскопии в иммерсионных жидкостях (предметные и покровные стёкла, стандартный набор иммерсионных

жидкостей). Общая схсма исследования представлена на рис. 7. Применение комплекса методов обеспечивает на месте пожара:

1. Ультразвуковое зондирование и калориметрия - выявление зон термических поражений конструктивных элементов зданий и сооружений, в том числе и в местах полной дегидратации цементного камня (температура на поверхности конструкции более 700-800 С).

2. Комплекс всех трех методов или двух (ультразвукового и световой микроскопии в иммерсионных жидкостях) - определение длительности высокотемпературного (более 500 °С) теплового воздействия и выявление временных зон нагрева конструкций.

Рис. 7. Схема экспертного исследования после пожара бетонных строительных конструкций

Температурный диапазон информативности комплекса в целом составляет 100 -1000 °С (рис. 8). Данный диапазон практически полностью охватывает все :арактерные для пожара температурные зоны и поэтому позволяет успешно >ешать задачи как установления непосредственно очага пожара, так и путей >аспространения горения.

Ул17рси&/хг>£сй летай

метод

1-

\Msred с}ето&)й ли/хРоско/нл

& иммйАСЦСМЫХ i жидкостях

0 <00 100 ЗСО т ¿00 600 700 $00 У£>0 /ООО

4?

Рис. 8. Температурные границы информативности экспертного исследова-1ия после пожара бетонных строительных конструкций:

--------- область возможного применения,

;_ область стабильного применения.

Разработанная методика и приборный парк прошли практическую апроба-(ию при исследовании нескольких пожаров, произошедших в Санкт-1етербурге. Из них наиболее крупным и сложным является пожар, произошед-иий 14 марта 1998 г. в Российском научно-исследовательском и проектном институте урбанистики (РосНИиПИ урбанистики). Огнем было практически полночью уничтожено 14-ти этажное здание института. Визуальным осмотром и ю показаниям свидетелей было установлено, что очаг пожара располагался на '-м этаже здания. Однако в пределах этого этажа установить точное местопо-

ложение очага не представлялось возможным ввиду уничтожения очаговых признаков интенсивным тепловым воздействием пожара. Пожарная нагрузка выгорела практически полностью и оставались только конструкции из неорганических строительных материалов и стальные изделия. Исследования в соответствии с разработанной методикой проводили сначала методом УЗ-дефектоскопии, в результате чего на железобетонном перекрытии (потолке) 7 этажа и на растворной стяжке полз были определены две максимальные зоны термических поражений. Исходя из полученных данных были определены ориентировочные температуры на потолке в этих зонах, которые были уточнены при помощи калориметрического метода. Затем отбирались пробы бетона в глубину по слоям через каждые 3 мм, исследовались методом световой микроскопии в иммерсионных жидкостях и были определены глубины разложения гидроксида кальция. Далее по предложенным формулам была определена длительность нагрева конструкций в исследуемых зонах и, в конечном счете, установлен очаг пожара. Полученные с помощью методики результаты были подтверждены вихретоковым исследованием стальных конструкций оконных переплетов 7 этажа.

Разработанная методика определения зон термических поражений, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций внедрена в практическую деятельность по исследованию пожаров в УГПС ГУВД Санкт-Петербурга и Ленинградской области и в учебный процесс по дисциплине «Расследование и экспертиза пожаров» в Санкт-Петербургском университете МВД России.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Анализом литературных данных о структуре, составе, свойствах бетона и методах их исследования определены:

- круг методов, потенциально пригодных для экспресс-анализа поверхностного слоя бетона и подлежащих экспериментальной проверке (ультразвуковой, ударно-акустический, калориметрический).

- компонент бетона - портландит (Са(ОН)г) - наиболее подходящий для определения глубины прогрева конструкции до определенной температуры (510 i 10 ÓC).

2. Экспериментально обоснован выбор двух методов для исследования поверхностного слоя бетонных строительных конструкций - ультразвукового с рабочим диапазоном от 100 °С до 700 °С и калометрического (650 °С - 900 °С).

3. Экспериментально обоснован выбор метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях для послойного анализа проб бетона с определенней глубины продвижения фронта разложения гидроксида кальция.

4. Исследованы изменения параметров, определяемых указанными мето дами, при изотермическом и динамическом нагреве от 100 до 1000 °С, в тече ние 5-120 мин. Проведены эксперименты при разных составах газовой средь (в присутствии газообразных продуктов сгорания и при нормальной воздушное атмосфере); разных способах охлаждения (воздухом или подачей воды). Прак

тическое отсутствие влияния состава газовой среды и способа охлаждения на результаты анализов позволяет использовать выбранные методы на реальных пожарах вне зависимости от указанных факторов.

5. Зависимость относительной скорости поверхностной УЗ-волны в бетоне от температуры нагрева поверхности описана уравнением Аррениусового типа. Решение данного.уравнения совместно с теплофизическим уравнением прогрева бетона вглубь позволило получить расчетные уравнения для определения длительности нагрева на пожаре бетонных (М 200 и М 400) конструкций.

6. На основании проведенных исследований и разработок, сделанных ранее, сформирован комплекс методов для определения степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций .

Предложенный комплекс состоит из трех методов, в том числе двух - впервые примененных в экспертизе пожаров:

- ультразвукового; . 1

- калориметрического;

- световой микроскопии в иммерсионных жидкостях.

Сформулированы- общие положения методики использования комплекса и получаемых сего помощью результатов при поисках очага пожара.

7. Температурный диапазон информативности методики - 100 -1000 °С. Данный диапазон практически полностью перекрывает характерные для пожара температурные зоны и поэтому позволяет успешно решать задачи установления непосредственного очзга пожара и путей распространения горения с самых различных ситуациях.

Практическая апробация результатов работы на реальных пожарах показала, что комплекс работоспособен при исследовании как крупных пожаров, происходящих в объеме высотного здания, так и при горении в ограниченных, замкнутых объемах отдельных помещений.

8. Применение методики должно способствовать повышению достоверности и качественного уровня экспертиз по делам о пожарах.

9. Результаты диссертационной работы могут быть использованы не только подразделениями, занимающимися исследованием пожаров и пожарно-технической экспертизой (испытательными пожарными лабораториями гарнизонов пожарной охраны, экспертно-криминалистическими подразделениями органов внутренних дел и Министерства юстиции), но и специалистами других специальностей, например, для технической экспертизы объектов, поврежденных пожарами, в том случае, если решается вопрос о возможности (невозможности) восстановления и дальнейшей эксплуатации таких объектов.

Основные результаты и отдельные выводы диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Крикливый С.Ю. Исследование изменения акустических характеристик неорганических строительных материалов при нагревании // Всероссийский конкурс III тур: Материалы Всероссийской конференции. Белгород: БелГТАСМ, 1995. 0,1 п.л.

2. Крикливый С.Ю., Смирнова Е.Э. Ультразвуковые исследования различных строительных вяжущих материалов при нагревании. II Цемент. № 4. 1998. 0,2;п.л.

¡3. Крикливый С.Ю., Четко И.Д., Смирнова Е.Э. Ударно-акустическое и ультразвуковое исследование бетона при нагревании // Цемент №5,6, 1998. 0,2 п.л;

4. Крикливый С.Ю Разработка полевых экспресс-методов в экслертно-криминалистическом исследовании конструкций из бетонов и железобетонов при расследовании пожаров // Новые информационные технологии в практике работы правоохранительных органов: Материалы международной научно-практической конференции. Часть 4 / Под общ. ред. В.П. Сальникова. СПб.: СПб университет МВД России, 1998.0,1 п.л.

5. Крикливый С.Ю., Чешко И.Д. Разработка калориметрического метода для исследования конструкций из бетонов и железобетонов при расследовании дел о пожарах // Безопасность и экология: Тезисы докладов научно-практической конференции. Часть 2. СПб.: СПбГТУ, 1999.0,1 п.л.

, 6- Крикливый С.Ю., Чешко И.Д. Калориметрический метод экспертного исследования бетонов при расследовании дел о пожарах // Теоретические и прикладные проблемы экспертно-криминалистической деятельности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Часть 1 / Под общ. ред. В.П. Сальникова, И.П. Карлина. СПб,: СПб университет МВД России, 1999. 0,1 п.л.

7. Крикливый С.Ю., Чешко И.Д. О возможности использования ультразвуко-с о го методы при экспортном исследовании п о с л с пожар« конструкции из Газобетона И Теоретические и прикладные проблемы экспертно-криминалистической деятельности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Часть 1 / Под общ. ред. В.П. Сальникова, И.П. Карлина. СПб.: СПб университет МВД России, 1999. 0,1 п.л.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРЕВРАЩЕНИЯ В БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА.

1.1. Материалы с цементным и известковым связующими.

1.2. Номенклатура бетонов.

1.3. Очаг пожара и причины образования очаговых признаков.

1 А. Поведение бетонных строительных конструкций в условиях пожаров и изменения физико-механических свойств бетона.

1.5 Выводы.

2. МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ЭКСПЕРТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Визуальная фиксация изменения цвета, тона звука, ударной прочности, трещин и исследование макроструктуры бетона.

2.2. Химические методы.

2 .2.1. Определение остаточного содержания в бетоне карбонатов

2.2.2. Определение глубины карбонизированного слоя в бетоне колориметрическим методом.

2.2.3. Методы, используемые при определении количества оксида кальция в бетоне.

2.3. Физико-химические методы.

2.3.1 .Измерение микротвердости

2.3.2. Определение пористости бетона.

2.3.3. Оценка толщины прогретого слоя у тяжелого бетона.

2.3.4. Определение магнитной восприимчивости материала^.

2.3.5. Ударно-акустический метод.

2.3.6. Ультразвуковой метод.

2.4. Оптические методы.

2.4.1. Световая микроскопия.

2.4.2. ИК-спектроскопия.

2.5. Метод рентгенофазового анализа.

2.6. Термические методы.

2.6.1. Термогравиметрический и дифференциальный термический анализы.

2.6.2. Весовой метод определения остаточного содержания термолабильных компонентов.

2.6.3. Калориметрический метод.

2.7. Выбор методов и основных направлений экспериментальных исследований.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1. Ударно-акустический метод.

3.1.1. Методика проведения исследования.

3.1.2. Анализ экспериментальных данных.

3.2. Ультразвуковой метод.

3.2.1. Методика проведения исследования.

3.2.2. Анализ экспериментальных данных.

3.2.2.1. Влияние температуры и длительности нагрева бетона на скорость распространения в них поверхностных УЗ-волн.

3.2.2.2. Влияние атмосферы пожара на изменение скорости распространения поверхностных УЗ-волн.

3.2.2.3. Влияние влажности и условий охлаждения на скорость распространения поверхностных УЗ-волн в бетоне.

3.3. Калориметрический метод.

3.3.1. Методика проведения исследования.

3.3.2. Анализ экспериментальных данных.

3.3.2.1. Влияние температуры нагрева бетона на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция.

3.3.2.2. Влияние атмосферы пожара на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция.

3.3.2.3. Влияние условий охлаждения на тепловыделение при вторичной гидратации оксида кальция.

3.4. Выводы.

4. ПОСЛОЙНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1. Методика проведения исследования.

4.2. Анализ экспериментальных, данных.

4.2.1. Влияние температуры и длительности нагрева бетона на продвижение фронта разложения гидроксида кальция.

4.2.2. Влияние состава атмосферы на продвижение фронта разложения гидроксида кальция.

4.2.3. Влияние условий охлаждения на продвижение франта разложения гидроксида кальция

4.3. Выводы.

5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОЖАРЕ.

6. ЭКСПЕРТНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН ТЕРМИЧЕСКИХ ПОРАЖЕНИЙ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

6.1 Формирование комплекса методов анализа степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных строительных конструкций.

6 .2 Методика комплексного использования методов исследования бетонных строительных конструкций на месте пожара.

6.3 Практическое использование методики.

6.3.1 Пожар в РосНИПИ Урбанистики.

6.3.2 Пожар в жилой квартире № 334, расположенной по адресу 5-й предпортовый проезд д. 10.

6.3.3 Пожар в жилой квартире-Ж?59т расположенной по адресу проспект Товарищеский д. 28 к. 1.

Точное установление причин пожаров, их учёт и глубокий анализ имеют первостепенное значение в организации работы по предупреждению пожаров, в решении вопросов о наличии или отсутствии состава преступления.

Достоверное определение причины пожара возможно только при установлении очага его возникновения. Однако выявление очага пожара представляет подчас сложную задачу .

Общая схема и основные положения методики определения очага пожара, основанные на закономерностях протекания процессов горения и специфических особенностях проявления отдельных причин пожаров, изложены в [1, 2, 3]. В большинстве случаев специалист делает вывод об очаге на основе данных визуального осмотра места пожара, опроса очевидцев, изучения строительной или технической документации по объекту. Однако на крупных и сложных пожарах этой информации оказывается явно недостаточно. Большие пожары характеризуются тем, что горение распространяется на большие площади, практически полностью выгорает пожарная нагрузка, визуальные признаки очага оказываются "стертыми " тепловым воздействием. Поэтому необходимо проведение дополнительных инструментальных исследований для определения степени термических поражений предметов и конструкций, находившихся на пожаре.

Неорганические строительные материалы, изготовленные безобжиговым методом на основе цементного связующего, являются одним из основных объектов экспертного исследования при поиске очага пожара. В отличие от сгораемых конструкций, стены и перекрытия, изготовленные из бетона и железобетона остаются на месте пожара и являются важным потенциальным источником информации о нем. При этом задача установления очага пожара при исследовании бетонных и железобетонных строительных конструкций 6 далее по тексту "бетонных конструкций") базируется на определении изменения тех или иных физико-химических свойств этих изделий, коррелируемых со степенью термического поражения. На основании полученной информации выявляются очаговые признаки.

Анализ литературных данных показал, что в настоящее время для экспертного исследования после пожара изделий из бетонов применяются, в основном, лабораторные методы: ШС -спектроскопия, рентгеновский фазовый анализ, термический анализ (весовой метод остаточного содержания термолабильных компонентов). Эти методы обладают высокой информативностью, но, наряду с этим, и весьма существенными недостатками, связанными с вышкой стоимостью оборудования, длительностью и трудоемкостью подготовки проб в лабораторных условиях, необходимостью глубоких специальных знаний физико-химических свойств неорганических строительных материалов. Поэтому такие исследования на практике проводятся довольно редко [4].

Исходя из выше изложенного, актуальной задачей является разработка простых а недорогих экспресс-методов анализа термических повреждений этих материалов, позволяющих производить исследование оперативно на месте пожара.

В практической деятельности применяется пока единственный полевой экспресс-метод - ультразвуковая дефектоскопия бетонных изделий. Данный метод служит для выявления зон термических поражений и основан на измерении скорости прохождения ультразвукового импульса на различных участках бетонных конструкций [4, 5]. Разрушение бетона под воздействием температуры, возникновение в его массе микротрещин, приводит к последовательному снижению скорости УЗ-волны с увеличением температуры и длительности нагрева. Данный метод применим только до температур 600700 °С предварительного прогрева конструкций, что явно недостаточно для работы на месте крупных развившихся пожаров, где температура нагрева бетонных конструкций достигает 900 - 100(ХоС. 7

Целью работы является расширение аналитических возможностей существующей методики экспертного исследования после пожара бетонных конструкций. Под этим понимается увеличение температурного диапазона применимости методики, а также повышение ее информативности за счет определения качественно нового для данных материалов параметра -длительности нагрева конструкций в различных зонах пожара.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать известные литературные данные об изменении структуры и свойств бетона при нагревании и разработать методические подходы к достижению поставленной цели - расширению температурного диапазона и определению длительности нагрева конструкций в ходе пожара;

- выбрать методы исследования поверхностного слоя бетонных конструкций, позволяющие определять зоны термических поражений от 100 до 1000 °С;

- выбрать метод послойного анализа бетона, который позволит достаточно быстро и точно определять продвижение тепловой волны зглубь материала;

- исследовать изменение структуры и свойств бетона выбранными методами в условиях, характерных для пожара (температура и длительность нагрева, скорость охлаждения, состав атмосферы и др.), определить влияние указанных условий на результаты: измерений;

- на основе полученных экспериментальных данных установить закономерности длительности теплового воздействия на строительную конструкцию;

- по результатам проведенных исследований и разработок, сделанных ранее, сформировать комплекс методов для определения степени термического поражения, температуры ж длительности нагрева бетонных конструкций в ходе пожара;

Вывод.

Наиболее вероятно, что очаг расположен под первой зоной в районе между столом у окна и трюмо, находившемся до пожара в правом ближнем ко входу в большую комнату углу. Расчетное время активного горения составляет 120-150 минут.

Проведенная апробация методики комплексного использования методов исследования бетонных строительных.конструкций на месте пожара позволила констатировать следующее:

1. Методы работоспособны в условиях реальных пожаров. Полученная информация позволяет выявлять зоны, термических поражении, температуру и длительность нагрева бетонных строительных конструкций^ в ситуациях, когда это невозможно сделать визуальным осмотром, и, в совокупности с прочей информацией по пожару, позволяет находить в конечном счете его оч^г, реконструировать пути распространения горения.

2. Предложенные методы работоспособны при исследовании как крупных пожаров, происходящих в объеме высотного здания, так и при горении в ограниченных, замкнутых объемах.

3. Широкое внедрение разработанной методики в практику исследования и экспертизы пожаров подготовлено методологически. Разработанная методика комплексного использования методов^ исследования бетонных строительных конструкций на месте пожара внедрена в практическую деятельность по исследованию пожаров в УГПС ГУВД Санкт-Петербурга и Ленинградской области (прил. 1 и 2) и в учебный процесс но дисциплине "Расследование и экспертиза пожаров" в Санкт-Петербургском университете МВД России (прил. 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Анализом литературных данных о структуре, составе, свойствах бетона и методах их исследования определены: круг методов, потенциально пригодных для экспресс-анализа поверхностного слоя бетона и подлежащих - экспериментальной- проверке (ультразвуковой, ударно-акустический, калориметрический).

- компонент бетона - портландит (Са(ОН)2) - наиболее подходящий для определения глубины прогрева конструкции до определенной температуры (510 ±Ш°С).

2. Экспериментально обоснован выбор двух методов для исследования поверхностного слоя бетонных строительных конструкций - ультразвукового с рабочим диапазоном от 100 °С до 700 °С и калориметрического (650 °С - 900

С)

3. Экспериментально обоснован выбор метода световой микроскопии в иммерсионных жидкостях для послойного анализа проб бетона с определением глубины продвижения фронта разложения гидроксида кальция .

4. Исследованы изменения параметров, определяемых указанными методами, при изотермическом и динамическом нагреве от 100 до 1000 °С, в течение 5 - 120 мин. Проведены эксперименты при разных составах газовой среды ( в присутствии газообразных продуктов сгорания и при нормальной воздушной атмосфере ); при разных способах охлаждения (воздухом или подачей воды ). Практическое отсутствие влияния состава газовой среды и способа охлаждения на результаты анализов позволяет использовать выбранные методы на реальных пожарах вне зависимости от указанных факторов.

5. Зависимость относительной скорости поверхностной УЗ-волны в бетоне от температуры нагрева поверхности описана уравнением аррениусового типа. Решение данного уравнения совместно с теплофизическим уравнением прогрева бетона вглубь позволило получить расчетные уравнения для

152 определения длительности нагрева на пожаре бетонных ( М 200 и М 400) строительных конструкций.

6. На основании проведенных исследований и разработок, сделанных ранее, сформирован комплекс методов для определения степени термического поражения, температуры и длительности нагрева бетонных конструкций .

Предложенный комплекс состоит из трех методов, в том числе двух -впервые примененных в экспертизе пожаров: ультразвукового, калориметрического, световой микроскопии в иммерсионных жидкостях.

Сформулированы общие положения методики использования комплекса и получаемых с его помощью результатов при поисках очага пожара.

7. Температурный диапазон информативности методики - 100-1000 °С. Данный диапазон практически полностью перекрывает характерные для пожара температурные зоны и поэтому позволяет успешно решать задачи установления непосредственного очага пожара и путей распространения горения в самых различных ситуациях.

Практическая апробация результатов работы на реальных пожарах показала, что комплекс работоспособен при исследовании как крупных пожаров, происходящих в объеме высотного здания, так и при горении в ограниченных, замкнутых объемах отдельных помещений.

8. Применение методики должно способствовать повышению достоверности и качественного уровня экспертиз по делам о пожарах.

9. Результаты диссертационной работы могут быть использованы не только подразделениями, занимающимися исследованием пожаров и пожарно-технической экспертизой (испытательными пожарными лабораториями гарнизонов пожарной охраны, экспертно-криминалистическими подразделениями, органов внутренних дел и Министерства юстиции), но и специалистами других специальностей, например, для технической экспертизы объектов, поврежденных пожарами, в том случае, если решается вопрос о возможности (невозможности) восстановления и дальнейшей эксплуатации таких объектов.

1. Мегорский Б. В. Методика установления причин пожаров. - М.: Стройиздат, 1966. - 347 с.

2. Комплексная методика определения очага пожара / К.П.Смирнов, И. Д. Четко, Б. С. Егоров и др. Л.: ЛФ ВНИИПО МВД СССР, 1985. -114 с.

3. DeHaan J. D. Kirks Fire Investigation. // California Criminalistic Institute, 1991. -416 p.

4. Четко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). СПб.: СПбИПБ МВД России, 1997. - 560 с.

5. Акустические методы контроля в технологии строительных материалов / Дзенис В. В., Васильев В. Г., Зоммер И. Э. и др. Л.: Стройиздат, 1978. - 152 с.

6. Мчедлов-Петросян О. П. Химия неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1988.-304 с.

7. Волженский А. В. Минеральные вяжущие вещества: Учеб. для вузов. -4-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1986. 464 с.

8. Справочник химика: в 3 томах.-Т. 1,- Л.: Химия, 1971.

9. Harmathy Т. Z. Thermal properties of concrete at elevated temperature // National Research Council, Research paper n. 426, Ottawa, Canada.

10. Бутт Ю.М., Сычёв M. M., Тимашев В. В. Химическая технология вяжущих веществ. М.: Высшая школа, 1980. - 472 с.

11. Добавки в бетон: Справ, пособие / В. С. Рамачандр, Р. Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.; Под ред. В. С. Рамачандрана; Пер. с англ. Т. И. Розенберг и С. А. Болдырева; Под ред. С. А. Болдырева и В. Б. Ратинова. М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.

12. Горшков В. С., Тимашев В. В., Савельев В. Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1981.- 335 с.

13. Технология вяжущих веществ / Юнг В. Н., Бутт Ю. М., Журавлев В. М., Окороков С. Д. М.: Промстройиздат, 1952. - 425 с.154

14. Бутт Ю.М., Тимашев В. В. Потландцементный клинкер. М.: Стройиздат, 1967. - 302 с.

15. Кропотов В.Н., Зайцев А.Г., Скавронский Б.И. Строительные материалы. М.: Высшая школа, 1973.

16. Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон. М.: Госстройиздат, 1961.

17. Михайлов Н.В. Основные принципы технологии бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961.

18. Федотов А. И., Ульянов JI. Н., Мегорский Б. В., Пожарно-техническая экспертиза. -М.: ВИПТШМВД СССР, 1978.-210 с.

19. Основы пожарной теплофизики / Башкирцев М.П., Бубырь Н.Ф., Минаев H.A. и др. -М.: Стройиздат, 1984. -200 с.

20. Андрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М.: Энергия, 1972.

21. Кошмаров Ю. А. Газообмен помещения при пожаре. Сб. трудов Пожарная профилактика. Вып. 15 М.: ВНИИПО МВД СССР, 1979.

22. Блох А. Г. Основы теплообмена излучением. М.: Высшая школа, 1962.

23. Сперроу Э.М., Сесс Р. Д. Теплообмен излучением. JL: Энергия, 1971.

24. Кошмаров Ю.А. Конспект лекций по курсу "Теплопередача". М.: МАИ им. С.Орджоникидзе, 1972.

25. Ройтман М.Я., Комиссаров Е.П., Пчелинцев В.А. Пожарная профилактика в строительстве. 2-ое издание, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1978.

26. Ильин H.A. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. М., Стройиздат, 1979.

27. Пожарная профилактика в строительстве / Грушевский Б.В., Яковлев А.И., Кривошеев И.Н., и др. -М.: Главмосстрой, 1985. 452 с.

28. Некрасов К.Д. Жароупорный бетон. М.: Промстройиздат, 1957. 283 с.

29. Некрасова К.Д. Жаростойкие бетоны. -М.: Стройиздат, 1974. 176 с.155

30. Некрасова К.Д., Тарасова А.П. Жаростойкий бетон на портландцементе. М.: Стройиздат, 1969. 192 с.

31. Милованов А.Ф. Жаростойкий железобетон. М.: Стройиздат, 1963.

32. Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с франц. М.В. Предтеченского; Под ред. В.В. Жукова. М.: Стройиздат, 1985. 216 с.

33. Макагонов В.А. Бетон в условиях высокотемпературного нагрева. -М.: Стройиздат, 1979.

34. Некрасов К.Д.,Жуков В.В.,Гуляева В.Ф. Тяжелый бетон в условиях повышенных температур. М.: 1972.

35. Милованов A.B. Работа железобетонных конструкций при высоких температурах. М.: 1972.

36. Зенков В.И. Строительные материалы и поведение их в условиях пожара. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1974.

37. Альтшуллер Б.А. Сборные железобетонные конструкции. М.: 1976.

38. Ильин H.A. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. М.: Стройиздат, 1983. - 200 с.

39. Методические рекомендации по оценке свойств бетона после пожара. -М.: НИИЖБ ИТБ. 1985.

40. Ларионова З.М., Соломонов В.В., Леднева Н.П. Определение температуры нагрева бетона по изменению его состояния после пожара // Пром. строительство. 1989. № 2. - С. 20-21.

41. Лещинский М.Ю. Испытание бетона: Справ, пособие. М.: Стройиздат, 1980. - 360 с.

42. Рекомендации по контролю железобетонных конструкций неразрушающими методами. М.: трест Оргтехстрой ТСО "Запстрой" Минсевзапстроя СССР. 1989. 125 с.

43. Ларионова З.М. Методы исследования цементного камня и бетона. М.: Изд. лит-ры по строительству. 1970.156

44. Бутт Ю.М. Практикум по технологии вяжущих веществ и изделий из них. М.: Изд. лит-ры по строительству. 1953. 467 с.

45. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высш. школа. 1973.

46. Бутт Ю.М., Матвеев М.А., Дудеров Г.Н. Лабораторный практикум по общей технологии силикатов М.: Промстройиздат. 1948.

47. А. с. 1293600 (СССР). Способ определения температуры, воздействовавшей на бетон при пожаре / Шевченко В.И., Жуков В В., Гусев A.A.//Опубл. в Б. И.- 1987, №8.

48. А. с. 1377791 (СССР). Способ определения очага пожара / Данилов A.B. // Опубл. в Б. И. 1988, № 6.

49. Магнитометрический метод экспертизы мест пожаров / Брушинский H.H., Беляев A.B., Данилов A.B. и др. // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях: Реф. сборник ВИНИТИ, 1992. Вып. 4. - С. 8791.

50. Провести поисковые исследования по установлению очаговых признаков пожара на неорганических строительных материалах (составы на основе гипса, цемента, извести): Отсчет / ЛФ ВНИИПО: Руководитель И.Д. Чешко. № гос. регистр. 01.86. 0054227.

51. Защук И. В. Электроника и акустические методы испытания строительных материалов. М.: 1968.

52. Хигерович М.И., Меркин А.П. Физико-химические и физические методы исследования строительных материалов. М.: 1968.

53. Курбатова И.И. Современные методы химического анализа строительных материалов. М.: 1972.

54. Вайншток .И.С. Ультразвуковой импульсный метод испытания бетона / Применеие достижений современной физики в строительстве. М.: Стройиздат, 1967. С. 71-81.

55. Kupilik V. Vliv pozaru na staticke chovani zelezobetonovych konstrukci. Pozem. Stavby. 37. № 1, 1989. S. 16-20 (чешек.).157

56. А. с. 538290 (СССР). Способ определения места возникновения пожара / Макагонов В.А., Зайцев М.К., Павлов Г.П. и др. // Б. И. 1976, - № 45.

57. Косарев Б.В. Разработка метода обнаружения очаговых признаков пожара на бетонных и железобетонных конструкциях с помощью ультразвуковых волн. Дис. канд. тех. наук. М.: ВИПТШ. 1991. - 185 с.

58. Белянкин Д.С., Иванов Б.В., Лапин В.В. Петрография технического камня. М.: Изд. АН СССР. 1952.

59. Винчелл А.И., Винчелл Г. Оптическая минералогия. М.: Изд. ИЛ. 1957.

60. Винчелл А.Н., Винчелл Г. Оптические свойства искусственных минералов. -М.: Изд. Мир. 1957.

61. Торопов H.A., Астреева О.М. Петрографический контроль портландцементного клинкера и доменного шлака. М.: Промстройиздат. 1948.

62. Инсли Г., Фрешетт В.Д. Микроскопия керамики и цементов. Перевод с англ. З.М. Ларионовой. М.: Госстройиздат. 1960.

63. Бутт Ю.М., Рашкович Л.Н. Твердение вяжущих при повышенных температурах. -М.: Стройиздат. 1965.

64. Зевин Л.С., Хейкер Д.М. Рентгеновские методы исследования строительных материалов. -М.: Стройиздат. 1965.

65. Браун Г. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. М.: изд. Мир. 1965.

66. Малинин Ю.С., Рязин В.П., Волков О.С. Количественный рентгеновский фазовый анализ клинкера. М.: Госстройиздат. 1962.

67. Топор Н.Д. Дифференциально-термический и термовесовой анализ минералов. М.: изд. Недра. 1964.158

68. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Стройиздат. 1968.

69. Горшков B.C., Тимашев В.В. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: изд. Высшая школа. 1963.

70. Ляминов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М.: Химия. 1974.

71. Bessey G. Building Research Technical Paper. № 9. 1930.

72. Bessey G. Special Report. № 17. 1931.

73. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона Перевод с английского Б.С. Левмана под редакцией доц., к.т.н. С.М. Рояка. М.: Госстройиздат. 1961.

74. Akaiwa S., J. Ceram. Assoc. Japan, Vol. 62, p. 666. 1954.

75. Попов M.M. Термометрия и калориметрия. M.: 1954. - 943 с.

76. Жак А., Руммель К. Практическое приложение законов теплопередачи и теплового излучения. М.: Госиздат. 1928.

77. Журавлев В.Ф. Химия вяжущих веществ. М.: Гос. научно-техн. изд. хим. лит-ры. 1951. 208 с.

78. Вольсон С.Л. Сборник научных трудов по вяжущим материалам. -М.: Госстройиздат. 1949.

79. Юнг В.Н. Технология вяжущих веществ. М.: Промстройиздат, 1950.-320 с.

80. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел. М.: ГИТТЛ, 1952.

81. Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов. М.: Госгеологиздат, 1957.

82. Невиль A.M. Свойства бетона. Пер. с англ. под ред. Ф.И. Иванова. -М.: Стройиздат, 1972.

83. Дзенис В.В., Лапласа В.Х. Ультразвуковой контроль твердеющего бетона. Л.: Стройиздат. 1971.

84. Крылов H.A., Калашников В.А., Полищук A.M. Радиотехнические методы контроля качества железобетона. Л.-М.: Стройиздат. 1966.159

85. Филонидинов A.M., Третьяков A.K. Контроль бетона ультразвуком в гидротехническом строительстве. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия. 1969.

86. Тейлор Х.Ф. Химия цемента. М.: Стройиздат. 1969.

87. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. М.: !974.

88. Крылов Б.А., Ли А.И. Форсированный электроразогрев бетона. -М.: 1975.

89. Горчаков Г.И., Лифанов И.И., Терехин Л.Н. Коэффициенты температурного расширения и температурные деформации строительных материалов. М.: 1968.

90. Вайншток И.С. Радиоэлектроника в производстве сборного железобетона.-М.: 1961.

91. Воробьев В.А. Радиационная дефектоскопия бетонных и железобетонных конструкций. М.: 1972.

92. Михайлов A.B. Определение прочности бетона без его разрушения. Сб. / НИИ по строительству. Исследования. Бетоны и растворы. - М.: 1957.

93. Поль Э. Неразрушающие методы испытания бетона. М.: 1967.

94. Лещинский М.Ю., Скрамтаев Б.Г. Испытание прочности бетона. -М.: 1973.

95. А. С. 1561013 (СССР). Механический пробоотборник / Чешко И. Д., Пономарев Ю. Ф.Ю, Лукин Е. А., Егоров Б. С. 1990.

96. Ройтман М. Я. Пожарная профилактика в строительном деле. М.: ВИПТШ, 1975. 525 с.

97. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991. - 303 с.

98. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. Учебник для вузов, Изд. 3-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1975, 488 с.