Огнезащита железобетонных перекрытий, усиленных в нижней зоне композиционным материалом на основе углеродных волокон
Огнезащита железобетонных перекрытий, усиленных в нижней зоне композиционным материалом на основе углеродных волокон [ Лысов В.С., генеральный директор ООО «Технотерм Групп» — декабрь 2008 год]
Огнезащита железобетонных перекрытий, усиленных в нижней зоне композиционным материалом на основе углеродных волокон
При оценке огнестойкости строительных конструкций, за основные принимаются положения следующих нормативных документов:
СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений»;
ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытания
на огнестойкость. Общие требования»;
ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний
на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции».
В настоящей публикации рассматривается случай когда из-за недостатка несущей способности конструкции монолитных железобетонных перекрытий они в нижней зоне усиливаются композиционным материалом на основе углеродных волокон и эпоксидной композицией с температурной стойкостью выше 100?С и к которым установлены требования по обеспечению заданных пределов огнестойкостей.
Согласно ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» устанавливаются следующие предельные состояния и обозначения пределов огнестойкости строительных конструкций:
R — потеря несущей способности (обрушение) конструкции;
Е — потеря целостности вследствие образования в конструкции сквозных отверстий, через которые на необогреваемую поверхность могут проникать пламя и продукты горения.
I — потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции, в сравнении с начальной температурой, более чем на 140 °С;
Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются по ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.1-94. За фактический предел огнестойкости конструкции принимается время в минутах от начала температурного воздействия до достижения одного или нескольких предельных состояний конструкции.
На основании анализа имеющихся в нашем распоряжении теоретических и экспериментальных данных, возможно оценить огнестойкость рассматриваемой конструкции перекрытия без проведения огневых испытаний, а также определить необходимую толщину дополнительного слоя огнезащиты.
В качестве примера рассмотрим случай повышения огнестойкости монолитных железобетонных плит перекрытия толщиной 250 мм с усилениями в нижней зоне, выполненными из углепластика толщиной 0,23 мм с температурной стойкостью 150?С с требуемыми пределами огнестойкости не менее REI 60 и REI 150.
Определение огнестойкости данной системы производилось на основании результатов сертификационных испытаний железобетонной плиты перекрытия, с огнезащитным составом СОТЕРМ-1Б, а также в соответствии с «Методическими рекомендациями по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» [1].
За предел огнестойкости конструкции перекрытия принимается время нагревания при воздействии стандартного температурного режима T-T0 =345 lg (8t +1), °C — (ГОСТ 30247.0-94), по истечении которого наступит предельное состояние конструкции по несущей способности, определяемое по достижению критической температуры слоя усиления из углепластика Tкр, равной 150 °С.
Совершенно очевидно, что до температуры 150 °С тонкий слой углепластика, толщиной в пределах одного мм, без использования огнезащитного покрытия прогреется за несколько минут огневого воздействия (на 5-й минуте температура газовой среды достигнет 576 °С).
Таким образом, можно констатировать, что фактический предел огнестойкости рассматриваемой конструкции монолитной железобетонной плиты перекрытия усиленной в нижней зоне углепластиком, по признаку потери несущей способности, будет существенно менее требуемых.
На основании имеющихся экспериментальных и расчетных данных для типовых железобетонных перекрытий установлено, что за время огневого воздействия (в пределах 150 мин.) достижения предельного состояния конструкции по признаку потери целостности (Е) в результате образования сквозных трещин или отверстий зафиксировано не будет, при условии, что влажность бетона монолитной плиты перекрытия не будет превышать 2 процентов, что может быть обеспечено в случае нахождения данного перекрытия в помещениях с относительной влажностью не более 75 процентов. Чем больше влажность бетона, тем больше опасность его возможного хрупкого разрушения во время пожара при прогреве до температуры выше 220 °С. Для случаев, когда влажность бетона превышает 75 процентов, для предотвращения его взрывного разрушения, бетон может быть защищен покрытием на основе вермикулитовой штукатурки толщиной 20 – 40 мм [1].
Согласно п. 2.27 Пособия [2] за 150 мин прогрева плиты перекрытия толщиной 140 мм температура на ее необогреваемой поверхности, в сравнении с начальной температурой (принимаемой равной 20 °С), повысится не более чем на 160 °С и не превысит 180 °С. Естественно, при толщине монолитной железобетонной плиты равной 250 мм эта температура будет существенно ниже максимально допустимой и равной 160 мм.
Таким образом, применяемая плита перекрытия толщиной 250 мм будет иметь фактический предел огнестойкости по признаку потери теплоизолирующей способности выше -I 150.
На основании вышеизложенного, для обеспечения требуемых пределов огнестойкости по несущей способности (R60 и R 150) необходимо применить покрытие, позволяющее в условиях стандартного пожара на заданных временных интервалах обеспечить температуру на защищаемых поверхностях, не превышающую по величине критическую, равную 150 ?С
В качестве материала для такого покрытия предлагается огнезащитный состав СОТЕРМ-1Б. Он входит в группу водосодержащих составов на гидравлическом вяжущем (в данном случае портландцементе) с термостойкими наполнителями, включая вспученный вермикулит.
Рассмотрим типовую схему, соответствующая нашему случаю, рис 1. На рисунке схематично представлен наиболее общий случай, когда внутри покрытия присутствуют три характерные зоны: зона испарения дегидратации), ограниченная с одной стороны изотермой — Тs (фронт испарения конденсата) с подвижной координатой – хs(t), а с другой – границей свободной поверхности покрытия с координатой хw(t), зона конденсации, расположенная между координатами и хs(t) и и хв(t); зона, с полностью заполненной водой порами, расположенная между координатами хв(t) и хгр(t) [3, 4]
Тf – температура
заз. среды
?f, ?f – коэфф-ты конвективного и лучистого теплообменов между газовой средой и обогреваемой поверхностью соответственно
Те – температура необогреваемой поверхности
?e, ?e –коэфф-ты
конвективного и лучистого теплообменов
между необогреваемой поверхностью и окружающей средой соответственно
Рис.1 Расчетная схема стенки с водосодержащим огнезащитным покрытием
на неорганической основе: 1 — огнезащитное покрытие; 2 — зона дегидратации; 3 — зона конденсации; 4 — зона насыщенного водой материала (нуле
вой пористости); 5 — защищаемая стенка; » — линия растекания пара,
выделяющегося в зоне дегидратации; ~ — фронт испарения адсорбционной
влаги; ~ — наружная граница зоны насыщенного водой мате
риала.
И если в зоне испарения происходит поглощение теплоты при дегидратации скелета и накопленной в порах влаги, то в зоне конденсации теплота выделяется. И этот процесс продолжается до полного испарения дегидратационной и накопленной в порах влаги, при этом, температура в зоне насыщенного водой материала (нулевой пористости) не будет превышать 100 °С.
Из анализа результатов изменения температуры на обогреваемых поверхностях железобетонных плит под слоем огнезащитного покрытия на основе состава СОТЕРМ-1Б, выполненных при проведении сертификационных испытаний железобетонных плит перекрытия с огнезащитным составом СОТЕРМ-1Б в ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость-ЦНИСК» (рис 2 – 4) видно, что изотерма Ts, равная по величине 100 °С, достигнет границы между покрытием и защищаемой стенкой (координата хгр) через 60 мин. К этому времени практически вся адсорбционная и накопленная в порах влага испаряется.
Легко посчитать, что средняя скорость перемещения изотермы Ts (толщина покрытия 25 мм) составит 0,42 мм/мин. Таким образом, при толщине покрытия 60 мм температура Tгр достигнет 100 °С ориентировочно через 140 мин.
На основании анализа изложенного и экспериментальных данных, полученных при огневых испытаниях, установлено, что для обеспечения требуемых пределов огнестойкости конструкций железобетонных перекрытий, усиленных в нижней зоне углепластиком REI 60 и REI 150, средние толщины сухого слоя покрытия СОТЕРМ-1Б должны составлять 25 мм и 60 мм соответственно.
Рис. 2 Изменение средней температуры на обогреваемой поверхности железобетонной плиты перекрытия под слоем огнезащитного покрытия
Рис. 3 Изменение температуры на обогреваемой поверхности образца №1 под слоем огнезащитного покрытия (толстой линией показана средняя температура)
Рис. 4 Изменение температуры на обогреваемой поверхности образца №2 под слоем огнезащитного покрытия (толстой линией показана средняя температура)
На рис. 5 показана схема установки термопар и грузов на испытываемых плитах перекрытия.
Рис. 5 Схема установки термопар и грузов на образце
Изложенное, в целом, не противоречит результатам исследований в области пожарной безопасности железобетонных конструкций, усиленных углепластиком, проведенным в США [6].
Работы по устройству огнезащитного покрытия на железобетонных перекрытиях, усиленных в нижней зоне углепластиком включают следующие технологические операции:
— подготовка защищаемых поверхностей;
— приготовление рабочего состава покрытия;
— нанесение состава на защищаемые поверхности.
Перед нанесением огнезащитного состава, защищаемые поверхности должны быть очищены от грязи, жировых и битумных пятен с применением моющих средств и механических приспособлений.
После очистки защищаемых поверхностей на них монтируется металлическая сетка при помощи металлических крепежных элементов в количестве, достаточном для того, чтобы провисание сетки не превышало 15 – 20 мм. Рекомендуемый тип сетки – сварная кладочная с 50х50х3 мм.
Огнезащитный состав СОТЕРМ-1Б представляет собой легкую сухую штукатурную смесь, поставляемую в многослойных бумажных пакетах массой 20 кг. На строительной площадке сухую часть состава смешивают с водопроводной водой в соотношении 1: (1,4 – 1,8), вводя сухую смесь в отмеренное количество воды при перемешивании. Для получения покрытий с большой толщиной следует минимизировать содержание воды в растворе.
Для обеспечения высокого уровня адгезии огнезащитного покрытия необходимо нанести грунтовочный слой (праймер), толщиной 3 – 5 мм на основе состава СОТЕРМ-1Б. При этом для повышения тиксотропности и клейкости, учитывая эпоксидную природу полимерной матрицы углепластика, рекомендуется вводить в состав акриловый латекс АКРЕМОС 512, либо клей ПВА в пропорции 1:5 – 1:7,5 по отношению к количеству воды.
Покрытие толщиной 60 мм с целью уменьшения вероятности трещинообразования и повышения эксплуатационных характеристик необходимо дополнительно армировать легкой щелочестойкой штукатурной стеклосеткой с ячейкой 5х5 мм типа СТРОБИ.
Нанесение огнезащитной пасты осуществляют с помощью агрегатов типа СО-150 или М-ТЕС DUO-MIX в условиях строительной площадки, защищающей обрабатываемые поверхности от атмосферных осадков при температуре не ниже 2°С в один или несколько слоев в зависимости от требуемого уровня огнезащитной эффективности. Температура основы должна быть выше точки росы как минимум на 2°С. Толщина одного слоя может составлять не более 10мм.
Время межслойной сушки не менее 8 ч. При необходимости для улучшения внешнего вида или повышения влагостойкости покрытия на его поверхность рекомендуется наносить декоративное или защитное влагостойкое лакокрасочное покрытие. Окончательное формирование цементного камня в покрытии в обычных атмосферных условиях происходит не менее чем через 28 суток с постепенным нарастанием его прочности. Не рекомендуются механические контакты с покрытием в процессе сушки. Для устранения незначительных дефектов (трещин, сколов) допускается проведение ремонта с нанесением состава СОТЕРМ-1Б вручную.
Расход сухой части состава при толщине слоя 1 мм составляет 0,42-0,47 кг/м? без учета потерь.
После окончания работ по нанесению покрытий оборудование промывают водопроводной водой.
Литература:
МДС 21-2.2000 «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» – М.: ГУП «НИИЖБ».
Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов – М.: Стройиздат 1985.
Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Кузнецов Г.В., Рудзинский В.П. «Высокотемпературный тепломассоперенос в слое влагосодержащего огнезащитного материала» // «Теплофизика высоких температур» — 2000, Т. 38, №6, с. 75-82.
Методика расчетов толщин огнезащитных покрытий на основе минеральных вяжущих для строительных конструкций из металла (на примере покрытия СОТЕРМ-1М) – М.: ЗАО «Теплоогнезащита», 2004
Протокол №9ск-2006 сертификационных испытаний — М.: ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость-ЦНИИСК» ИЦ «Огнестойкость», 2006.
Повышение надежности железобетонных конструкций при ЧС (зарубежный опыт), журнал «Высотные здания», №3, 2007.