18 мая 2006
Ю. Кривцов, О. Ламкин, В. Рубцов, Р. Габдулин. Тонкослойная огнезащита железобетона.
Ю. Кривцов, О. Ламкин, В. Рубцов, Р. Габдулин
Противопожарные и аварийно-спасательные средства №1, 2006
Современное строительство уже невозможно представить без железобетона. Это и жилищный сектор, и здания общественного назначения, и инженерные сооружения различных типов. Следовательно, вопрос обеспечения огнезащиты железобетонных конструкций является весьма актуальным.
Железобетон как строительный материал в наибольшей степени отвечает таким критериям, как прочность, жесткость, долговечность, возможность придания ему сложных форм. Для возведения зданий и сооружений применяется легкий бетон классов В20—В30, призванный снизить массу конструкций, и высокопрочный бетон классов В45—В80 (в основном в сфере высотного строительства). Армируются конструкции термически упрочненной арматурной сталью классов Ат-V, Ат-VI, Ат-VII, что позволяет снизить расход арматуры. В процессе возведения зданий и их эксплуатации нередко возникают пожары или аварии, обусловленные различными причинами и сопровождающиеся неконтролируемым горением. Во время пожаров происходит кратковременное (1 —6 часов) воздействие огня на строительные конструкции [1]. Поэтому железобетонные конструкции должны отвечать не только требованиям по прочности, жесткости, но и по огнестойкости.
Способы обеспечения огнезащиты
Существует стандарт, регламентирующий общие требования к методам испытаний строительных конструкций на огнестойкость при стандартных условиях теплового воздействия. Он применяется для установления пределов огнестойкости этих конструкций [2]. Согласно данным методам, определяется время от начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или последовательно нескольких предельных состояний по огнестойкости с учетом функционального назначения данной конструкции. Критическая температура для тяжелого бетона на гранитном заполнителе составляет 500 °С, а на известняковом заполнителе и для конструкционного керамзи-тобетона — 600 °С [3].
Удорожание земли, характерное в настоящий момент для городов-мегаполисов, дало толчок развитию высотного строительства. Возводимые здания-гиганты, как правило, являются многофункциональными. Для них правительством Москвы разработаны и утверждены МГСН 4.19—2005 "Региональные нормативы градостроительного проектирования. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве", в которых четко указан предел огнестойкости конструкций согласно их функциональному назначению. Однако учитывая специфику этих зданий, их высоту, а также время, затрачиваемое на ликвидацию возможных пожаров, к высотным сооружениям предъявляются повышенные требования по пределам огнестойкости (до REI 240). Известно, чтобы достичь такого предела огнестойкости, толщину защитного слоя до арматуры необходимо увеличить, тем самым исключив возможность прогревания арматуры до критической температуры (300—500 °С).
Традиционными способами обеспечения требуемых пределов огнестойкости железобетонных конструкций является нанесение следующих покрытий:
- кирпичная облицовка, цементно-песчаная штукатурка;
- листовые и плитные облицовки и экраны;
- облегченные неволокнистые огнезащитные составы на неорганическом связующем;
- волокнистые огнезащитные покрытия на основе неорганического связующего.
Каждый из указанных типов покрытия, используемых для обеспечения огнезащиты железобетонных конструкций, имеет преимущества и недостатки.
Обетонирование, кирпичная облицовка, оштукатуривание
Применение таких технологий, как обетонирование, облицовка из кирпича и оштукатуривание цементно-песчаными штукатурками, позволяет добиться предела огнестойкости конструкции в диапазоне 0,75...2,5 часов. Данные способы огнезащиты рекомендуется применять прежде всего на объектах реконструкции (где одновременно требуется произвести их усиление) и при необходимости обеспечения высокого предела огнестойкости колонн (облицовка кирпичом). К преимуществам данных способов огнезащиты следует отнести весьма невысокую стоимость материалов, устойчивость к воздействию влаги, углекислого газа, простоту применения, большую прочность, низкое пыление при нанесении, возможность окраски. Однако нельзя обойти вниманием склонность бетона к взрывному отслаиванию (при влажности тяжелого бетона более 3,5%, легкого бетона — более 5%) [4]. Высокая прочность связи бетонного покрытия с поверхностью защищаемой конструкции в этом случае играет отрицательную роль: столь прочная граница раздела фаз не препятствует распространению и развитию внутренних трещин от покрытия к железобетону. Не следует забывать также о том, что данный способ огнезащиты способствует значительному утяжелению несущих конструкций и в ряде случаев является неприемлемым.
Экраны, листовые и плитные облицовки
Использование других способов, огнезащиты в виде листовых и плитных облицовок и экранов позволяет повысить предел огнестойкости железобетонных конструкций до 2,5 часов. Данные материалы лучше всего применять для обеспечения огнезащиты конструкций несложной конфигурации (в основном перегородок). Единственным достоинством приведенных способов является технологичность механического крепления к конструкциям. Качество облицовок приведенного вида не зависит от состояния ранее нанесенных покрытий; за счет неплотного прилегания к поверхности конструкции обеспечивается сток воды.
Однако можно отметить и ряд существенных недостатков данного метода огнезащиты, который ограничивает применение листовых и плитных облицовок и экранов. В первую очередь необходимо обратить внимание на большой уровень требуемых толщин материалов огнезащиты, сложность герметизации швов, высокую паро-проницаемость (может привести к изменению свойств огнезащиты). Немаловажным является и следующий факт: когда требуется невысокий уровень пределов огнестойкости, возникает вопрос о перерасходе огнезащитных материалов (толщину листа невозможно изменить). Кроме того, листы огнезащиты устанавливаются с помощью крепежных металлических элементов, которые тоже необходимо защищать от воздействия высоких температур. В дополнение к сказанному такой вид огнезащиты не может служить подложкой для устройства оборудования систем освещения, видеонаблюдения и др.
Облегченные неволокнистые огнезащитные составы
К более современным видам огнезащиты можно отнести облегченные неволокнистые огнезащитные составы на неорганическом связующем (кроме жидкого стекла и силикофосфатного связующего). Покрытия на основе этих составов должны обеспечивать предел огнестойкости конструкций из железобетона до 4 часов; применяются для отделки транспортных тоннелей и конструкций любой конфигурации, эксплуатирующихся в атмосфере с повышенной влажностью и содержанием окислов азота и углерода (при значительных перепадах температур). Преимущества данного вида огнезащиты перед ранее рассмотренными таковы:
- небольшая масса;
- достаточные механическая прочность и прочность связи с основой;
- длительный срок эксплуатации;
- возможность нанесения на поверхности сложной формы;
- возможность окраски гидрофобными, декоративными и другими составами;
- устойчивость к действию атмосферных явлений, воды, противоледных реагентов и моющих растворов;
- возможность использования в качестве подложки для устройства оборудования систем освещения, видеонаблюдения и др.
К недостаткам данного вида огнезащиты следует отнести большую толщину, необходимость нанесения дополнительных защитных составов на поверхность для придания ей определенных свойств, значительный расход составов для обработки шероховатой поверхности.
Огневые испытания
С учетом вышеизложенного специалистами ООО "НПО "Ассоциация Крилак" совместно с Академией ГПС МЧС России были проведены исследования с целью определения области применения тонкослойных вспучивающихся огнезащитных красок (для обеспечения требуемых пределов огнестойкости несущих железобетонных конструкций).
Для проведения данных испытаний были выбраны следующие материалы:
- Hensoterm B-2000 производства HENSEL, Германия.
- "Уникум" производства ООО "НПО "Ассоциация Крилак", Россия, ТУ 2316-027-
40366225—01.
- "Джокер-М" производства ООО "НПО "Ассоциация Крилак", Россия, ТУ 2136-
004-58693309—04.
- "Монолит" (штукатурный огнезащитный состав) производства ООО "НПО "Ассоциация Крилак", Россия, ТУ 5762-022-40366225-00.
- Гипсокартонный лист (ГКЛ) фирмы KNAUF толщиной 10 мм.
Для проведения эксперимента были использованы бетонные кубы (марка бетона В45) размером 100 х 100 х 100 мм, ГОСТ 10180—90 [5]. Сравнивалась ударная прочность бетона до испытания (100% прочности соответствуют 44,2 МПа) и после него (в соответствии с ГОСТ 22690—88 [6]) методом ударного импульса (электронный измеритель прочности бетона ИПС - МГ4). Огнезащитные составы (ОЗС) наносились на одну из граней куба ровным слоем. После высыхания ОЗС в течение трех суток покрытие приобретало сплошную ровную поверхность. Гипсокартонный лист размером 100 х 100 мм крепился к образцу при помощи анкера. Далее образцы подвергались огневому испытанию, в ходе которого (через определенные промежутки времени) проверялась их прочность, а также стойкость к огневому воздействию бетонных кубов без ОЗС.
Таблица. Сводка трудозатрат по обработке железобетонных стен огнезащитными материалами
| №п/п | Обоснование ФБР 2001 | Наименование работ | Трудозатраты на 1 м2, чел. -ч. |
| 1. Окраска бетонной поверхности кремнеорганической краской |
| 1.1 | 13-03-003-12 | Окраска огрунтованных бетонных и оштукатуренных поверхностей краской | 0,0254 |
| 1.2 | 13-03-001-19, 13-03-001-20 | Огрунтовка бетонных и оштукатуренных поверхностей | 0,0544 |
| Итого: | 0,0798 |
| 1.3 | 13-03-004-22 | Окраска металлических огрунтованных поверхностей эмалью КО-811 | 0,0245 |
| 2 | 15-02-024-1, К=2 | Облицовка стен гипсокартонными листами и платными материалами в 2 слоя | 1,4204 |
| 3 | 08-02-001-7 | Кирпичная кладка стен простая | 0,625 |
| 4. Штукатурка стен |
| 4.1 | 15-02-036-1 | Штукатурка стен по сетке без устройства каркаса, улучшенная | 1,2995 |
| 4.2 | 15-02-037-1 | Устройство каркаса при оштукатуривании стен | 0,2498 |
| Итого: | 1,5493 |
| 5 | 13-03-005-3 | Обработка поверхности силикатной шпатлевкой слоем толщиной 30 мм по арматурной сетке | 2,952 |
Огневые испытания проводились следующим образом: на грани бетонного куба с покрытием имитировалось воздействие пожара (по ГОСТ 30247.0—94 [2]). С помощью регистратора температуры "Терем-3" и термоэлектрического преобразователя отслеживалась и регулировалась температура по стандартной температурно-временной зависимости развития возгорания. Из графика 1 видно, что критическая температура для возгорания (500 °С) [4] на поверхности бетона через два часа наблюдается лишь для образцов с огнезащитным покрытием Hensoterm B-2000. А тонкослойные огнезащитные вспучивающиеся покрытия отечественного производства обладают примерно такой же огнезащитной эффективностью, что и толстослойные.
График 1. Изменение температуры бетона под слоем огнезащитного покрытия
График 2. Изменение ударопрочности бетона при огневом воздействии
На графике 2 можно заметить участки роста прочности бетона в начале огневого воздействия и участки экспоненциального снижения ее после достижения своего максимального значения, обусловленного упрочнением цементного камня за счет химического взаимодействия с несвязанной водой. Незащищенный бетон на 40-й минуте теряет прочность почти на 50%, а потеря прочности бетона, обработанного ОЗС, составляет 0...15% в зависимости от толщины и вида нанесенного покрытия. Спустя час после начала испытаний прочность незащищенного бетона снижается примерно на 60%, а прочность бетона, обработанного ОЗС, составляет 15...35%.
Приведенные данные показывают, что тонкослойные покрытия выполняют те же функции, что и другие способы огнезащиты. Однако масса первых значительно меньше, что позволяет рекомендовать их к применению в высотном строительстве. На основе данных таблицы можно заключить, что трудозатраты по нанесению огнезащитных составов на поверхность железобетона примерно в два раза ниже, чем при использовании других традиционных способов огнезащиты.
Литература
- Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. — М.: Стройиздат, 1979. — 128 с.
- ГОСТ 30247.0—94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования.
- МДС 21-2.2000. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Второе издание. — М., 2000.
- СП 21-00—00 (свод правил). Огнестойкость и огнесохранность железобетонных конструкций. — М., 2004.
- ГОСТ 10180—90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
- ГОСТ 22690—88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.
Об авторах: Ю.В. Кривцов, О.Б. Ламкин, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко В.В. Рубцов, Р.Ш. Габдулин, Академия ГПС МЧС России
