Взрывообразное разрушение бетона при пожаре
Явление взрывообразного нарушения целостности бетона в условиях пожара приводит к резкому уменьшению предела огнестойкости строительных конструкций (I). Аналогичное явление может возникнуть при слишком интенсивной сушке или первом разогреве тепловых агрегатов и рассматривается как аварийная ситуация (2).
Исследования в МИСИ (3, 4), проведенные по заказу ВНИИПО МВД СССР, показали, что в условиях высокотемпературных воздействий нарушение целостности бетона связано с действием теплового, силового, влажностного факторов. Особое внимание следует обратить в данном случае иа влажностный фактор. При сильном нагреве вода, содержащаяся в бетоне, интенсивно воздействует на процесс его разрушения, поскольку возникают следующие явления:
поверхностно-активное действие влаги в виде эффекта Ребиндера (адсорбционное снижение прочности за счет уменьшения работы, необходимой для образования в твердом теле новых поверхностей, снижающих сопротивление материала разрушению и повышающих его хрупкость), действие капиллярных сил при сушке или увлажнении тела (микроразрушения в процессе усадки или набухания);
образование избыточного давления при испарении влаги в структуре твердого тела (расклинивающее действие в устье трещин, напряжения в стенках пор);
развитие процессов переноса влаги, среди которых в высокотемпературных условиях доминирующую роль играют фильтрационные процессы (эрозионное, механическое действие потоков, абразивные, кавитационные эффекты н т. п.);
влияние процессов превращения влаги в пар и влагапереноса на градиенты и характер распределения других стимуляторов разрушения, в частности термического.
Статическая (чисто механическая) схема объяснения взрывообрааного разрушения бетона (5) не учитывает ряд явлений, обусловленных не внешне приложенными нагрузками, а происходящих непосредственно в структуре тела. В результате могут возникнуть недопустимые погрешности в оценках возможности взрывообразного разрушения бетона и прогнозирования этого процесса (3).
Гипотеза происходит из того, что каждый отрыв осколка материала от прогреваемой поверхности тела является конечной стадией процесса накопления нарушений до критического уровня в материале зоны, прилегающей к этой поверхности (рис. 2,6). Эти нарушения представляют собой результат комбинированного воздействия термических, влажностных и силовых стимуляторов разрушения. Взрывообразный характер потери целостности интенсивно прогреваемого бетона вызывается быстрой релаксацией и резким падением избыточного давления пара в плоскости откола осколка, резкой интенсификацией испарения влаги в этой зоне материала, скачкообразным повышением температуры бетона в зоне, примыкающей к плоскости ожола. материала. Взрывообразный выброс массы образовавшегося водяного пара сопровождается специфическим звуковым эффектом и разлетом осколков материала на значительные расстояния (10—15 м).
Для количественной оценки состояния материала изделия в условиях воздействия различных стимуляторов разрушения было введено понятие степени разрушения материала /С как величины, характеризующей уровень развития процесса накопления нарушений в определенной области l/t твердого тела в момент т воздействия стимуляторов разрушения (3, 4) Эта величина и является мерой утраты материалом первоначальных структурно-механических свойств вплоть до недопустимого предела (разделения на части).
Для проверки гипотезы о механизме взрывообразной потери бетоном целостности была проведена серия опытов по регистрации разрушения слоев бетона прилегающих к обогреваемой поверхности образцов, подвергаемых тепловому воздействию по режиму «стандартного» пожара (3, 4). Регистрация степени разрушения бетона производилась в период времени, обычно предшествующий первым выбросам материала (т=10— 15 мин воздействия пожара). Опыты проводились с различными типами бетонов, сухих и имеющих различный уровень влагосодержания, в условиях силового воздействия и без него (рис. 2, 3, 4).
Исследования подтвердили правильность основных положений гипотезы о механизме взрывообфазного разрушения бетона. Взрывообразный характер зональной потери целостности интенсивно продеваемой увлажненной конструкции определяется скоростью накопления нарушений в структуре прогреваемого материала, которая при данной интенсивности теплового воздействия, уровне начального влагосодержания и силового воздействия может стать настолько большой, что это приведет к взрывообразным эффектам. Это позволило внести существенные изменения в сложившиеся представления и теорию разрушения бетонов в рассматриваемых условиях. Выполненные эксперименты могут быть полезными для научно обоснованного выбора, разработки и использования методов и средств диагностики состояния и поведения бетонных материалов и конструкций в рассматриваемых условиях. Накопленные экспериментальные данные могут позволить установить научно обоснованные нормы допустимой влажности материалов, оценивать и регулировать стойкость к взрывообразной потере бетоном целостности при пожаре.