Почему огнезащитные мероприятия бетонных и железобетонных конструкций требуют отдельного обсуждения?

Защита бетона от пожара

Одной из причин потери несущей способности бетонных и железобетонных конструкций является их хрупкое (взрывообразное) разрушение. Это явление основано на скоростном повышении внутреннего давления испаряющейся воды, находящейся в массиве бетонной конструкции, под действием нагрева, происходящего с большой скоростью и высокотемпературным градиентом. Сила давления воды локально и одномоментно превышает предел прочности бетона, что визуально сопровождается сильными хлопками и отколами частей бетона размерами от 1 см до нескольких десятков сантиметров. Такой вид разрушения приводит к очень быстрому уменьшению защитного слоя бетона, что, в свою очередь, способствует ее быстрому перегреву и преждевременному наступлению предела огнестойкости конструкции.

Практически одновременно к быстрому снижению механической прочности отвердевшей цементной массы приводит распад гидратов при нагреве бетона. На скоростное трещинообразование бетонной конструкции оказывает влияние и скорость миграции химически связанной воды в порах бетона. Взрывообразное послойное разрушение бетона происходит и вследствие растягивающих напряжений, возникающих не только из-за давления паров физической влаги в порах, но также, или в дополнение к этому, из-за потери прочностных характеристик бетона после потери им связанной воды.

Некоторые причины разрушения бетонных конструкций при огневом воздействии:

1. Естественные физико-механические процессы в нагретом бетоне, влияющие на дегидратацию составляющих бетона, и как результат, уменьшающие механическую прочность отвердевшей цементной массы.
   Физико-химическая справка: Портландцемент в составе бетона включает: 3-кальциевый силикат (алит) 44–56%, 2-кальциевый силикат (белит) 25–40%, 3-кальциевый алюминат 4–20%, 4-кальциевый алюмоферрит 1–16%. Каждая составляющая по-разному меняет прочность при нагреве. Процесс сопровождается выделением свободного оксида кальция и удалением гидратной воды. Призменная прочность тяжелого бетона при 100°С падает на 30%, а при 700°С снижение прочности достигает 50%.
2. Возможное взрывообразное (хрупкое) разрушение защитного слоя конструкции. Например, пожар на Останкинской телебашне в августе 2000 года характеризовался невысокой степенью огневого воздействия (на некоторых отметках температура бетона не превышала +500°С), тем не менее это привело к хрупкому разрушению бетона и его отколу на глубину 30–50 мм.
3. Комбинированные особые воздействия — чрезвычайные ситуации, связанные с возникновением нескольких видов нагрузок в различных сочетаниях и последовательностях. При террористической атаке на башни Всемирного торгового центра в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г. конструкции подверглись одновременно удару самолета, взрыву топлива и пожару, который воздействовал на уцелевшие перегруженные элементы с поврежденной огнезащитой.
4. Образование трещин имеет место при температурах до 350°С по причине температурной усадки, а при 600–800°С — из-за разности температурных деформаций вяжущего и заполнителя под одновременным воздействием эксплуатационной нагрузки. Первым принимает на себя удар защитный слой бетона.
5. Неправильные расчеты на огнестойкость с учетом предельных состояний или приложение незапланированных сверхнормативных нагрузок на железобетонные конструкции.

Схема изменения объемов и соотношений гидратированного и негидратированного цементов при нагреве до различных температур

К сожалению, развитие данного явления сложно отследить во время огневых испытаний или реального пожара, так как трещины развиваются с обогреваемой стороны. Некоторые зарубежные лаборатории устанавливают видеокамеры с принудительным охлаждением в места, позволяющие детально рассмотреть поведение конструкции в ходе огневого воздействия.

Рекомендуемые технологии для повышения стойкости бетонов к взрывообразному разрушению

Бетоны со специальными природными добавками:

3. Применение огнезащитных покрытий

Назначение покрытий заключается в том, чтобы не дать бетону подвергнуться резкому нарастанию температурного фронта и за счет теплоизолирующих свойств уменьшить величину теплового потока. На рынке выделяют два основных способа обработки:

• Конструктивная огнезащита — создание на обогреваемой поверхности теплоизоляционного слоя средства огнезащиты. К ней относятся толстослойные напыляемые штукатурки, облицовка плитными, листовыми и другими материалами (в том числе на каркасе с воздушными прослойками) или их комбинации. Способ крепления должен строго соответствовать протоколу испытаний на огнестойкость.
• Комбинированный способ (вспучивающиеся краски) — нанесение специальных лакокрасочных систем. Принцип действия основан на химической реакции, активируемой при пожаре, в результате которой толщина покрытия многократно увеличивается. Образуется плотный теплоизоляционный слой пены (кокса), защищающий конструкцию от нагревания.