Строительные материалы, их свойства и изменения при пожаре

 

Введение

Номенклатура строительных материалов содержит сотни названий. Каждый материал в определенной мере отличается от других внешним видом, химическим составом, структурой, свойствами, областью применения в строительстве и поведением в условиях пожара. Вместе с тем между материалами не только существуют различия, но и множество общих признаков.

Знать пожарные свойства строительных материалов, оценивать поведение конструкций при пожаре, предлагать эффективные способы огнезащиты конструктивных элементов, проводить расчеты прочности и устойчивости зданий при огневом воздействии обязан инженер-проектировщик, инженер-строитель, инженер-эксплуатационник. Но в первую очередь это обязанность инженера пожарной безопасности.

Под поведением строительных материалов в условиях пожара понимается комплекс физико-химических превращений, приводящих к изменению состояния и свойств материалов под влиянием интенсивного высокотемпературного нагрева.

Внешние и внутренние факторы, определяющие поведение строительных материалов в условиях пожара

строительный материал нагревание металл огнезащита

Для того чтобы понять, какие изменения происходят в структуре материала, как меняются его свойства, т.е. как влияют внутренние факторы на поведение материала в условиях пожара, необходимо хорошо знать сам материал: его происхождение, сущность технологии изготовления, состав, начальную структуру и свойства.

В процессе эксплуатации материала в обычных условиях на него воздействуют внешние факторы:

область применения (для облицовки пола, потолка, стен; внутри помещения с нормальной средой, с агрессивной средой, снаружи помещения и т.п.);

влажность воздуха (чем она выше, тем выше влажность пористого материала);

различные нагрузки (чем они выше, тем тяжелее материалу сопротивляться их воздействию);

природные воздействия (солнечная радиация, температура воздуха, ветер, атмосферные осадки и т.п.).

Перечисленные внешние факторы влияют на долговечность материала (ухудшение его свойств в течение времени нормальной эксплуатации). Чем они агрессивнее (интенсивнее) воздействуют на материал, тем быстрее изменяются его свойства, разрушается структура.

При пожаре, помимо перечисленных, на материал воздействуют и значительно более агрессивные факторы, такие как:

высокая температура окружающей среды;

время нахождения материала под воздействием высокой температуры;

воздействие огнетушащих веществ;

воздействие агрессивной среды.

В результате воздействия на материал внешних факторов пожара в материале могут протекать те или иные негативные процессы (в зависимости от вида материала, его структуры, состояния в период эксплуатации). Прогрессирующее развитие негативных процессов в материале ведет к отрицательным последствиям.

Основные свойства, характеризующие поведение строительных материалов в условиях пожара

Свойствами называют способность материалов реагировать на воздействие внешних и внутренних факторов: силовых, влажностных, температурных и др.

Все свойства материалов взаимосвязаны. Они зависят от вида, состава, строения материала. Ряд из них оказывает более существенное, другие - менее существенное влияние на пожарную опасность и поведение материалов в условиях пожара.

Применительно к изучению и объяснению характера поведения строительных материалов в условиях пожара предлагается в качестве основных рассмотреть следующие свойства:

Физические свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, паро- и газо-проницаемость.

Механические свойства: прочность, деформативность.

Теплофизические свойства: тепловпроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение, теплоемкость.

Свойства, характеризующие пожарную опасность материалов: горючесть, тепловыделение, дымообразование, выделение токсичных продуктов.

Свойства материалов обычно характеризуют соответствующими числовыми показателями, которые определяют с помощью экспериментальных методов и средств.

Свойства, характеризующие пожарную опасность строительных материалов

Под пожарной опасностью принято понимать вероятность возникновения и развития пожара, заключенную в веществе, состоянии или процессе.

Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими пожарно-техническими характеристиками: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью.

Горючесть - свойство, характеризующее способность материала гореть. Строительные материалы подразделяются на две категории: негорючие (НГ) и горючие (Г).

Горючие строительные материалы подразделяются на четыре группы:

Г1 (слабогорючие);

Г2 (умеренногорючие);

Г3 (нормальногорючие);

Г4 (сильногорючие).

Воспламеняемость - способность материала воспламеняться от источника зажигания, либо при нагреве до температуры самовоспламенения. Горючие строительные материалы по воспламеняемости подразделяются на три группы:

В1 (трудновоспламеняемые);

В2 (умеренновоспламеняемые);

В3 (легковоспламеняемые).

Распространение пламени - способность образца материала распространять пламя по поверхности в процессе его горения. Горючие строительные материалы по распространению пламени по поверхности подразделяются на четыре группы:

РП1 (нераспространяющие);

РП2 (слабораспространяющие);

РП3 (умереннораспространяющие);

РП4 (сильнораспространяющие).

Дымовыделение - способность материала выделять дым при горении, характеризуется коэффициентом дымообразования.

Коэффициент дымообразования - величина, характеризующая оптическую плотность дыма, образующегося при сгорании образца материала в экспериментальной установке. Горючие строительные материалы по дымообразующей способности подразделяются на три группы:

Д1 (с малой дымообразующей способностью);

Д2 (с умеренной дымообразующей способностью);

ДЗ (с высокой дымообразующей способностью).

Показатель токсичности продуктов горения материалов - отношение количества материала к единице объема камеры экспериментальной установки, при сгорании которого выделяющиеся продукты вызывают гибель 50% подопытных животных. Горючие строительные материалы по токсичности продуктов горения подразделяются на четыре группы:

Т1 (малоопасные);

Т2 (умеренноопасные);

ТЗ (высокоопасные);

Т4 (чрезвычайно опасные).

Металлы, их поведение в условиях пожара и способы повышения стойкости к его воздействию

Металлы:

Черные (чугун, сталь);

Цветные (алюминий, бронза).

Стали

Алюминиевые сплавы

Поведение металлов в условиях пожара

При нагреве металла подвижность атомов повышается, увеличиваются расстояния между атомами и связи между ними ослабевают. Термическое расширение нагреваемых тел - признак увеличения межатомных расстояний. Большое влияние на ухудшение механических свойств металла оказывают дефекты, число которых возрастает с увеличением температуры. При температуре плавления количество дефектов, увеличение межатомных расстояний и ослабление связей достигает такой степени, что первоначальная кристаллическая решетка разрушается. Металл переходит в жидкое состояние.

В интервале температур от абсолютного нуля до точки плавления изменения объема всех типичных металлов приблизительно одинаково - 6-7,5%. Судя по этому, можно считать, что увеличение подвижности атомов и расстояний между ними, а соответственно, и ослабление межатомных связей, свойственно всем металлам почти в одинаковой степени, если они нагреты до одной и той же гомологической температуры. Гомологическая температура - это относительная температура, выражается в долях температуры плавления (Тпл) по абсолютной шкале Кельвина. Так, например, железо и алюминий при 0,3Тпл обладают одинаковой прочностью межатомных связей, а следовательно, и одинаковой механической прочностью. По стоградусной шкале это будет: для железа 331 оС, для алюминия 38 оС, т.е. ?в железа при 331 оС равно ?в алюминия при 38 оС.

Повышение температуры приводит к уменьшению прочности, упругости и увеличению пластичности металлов. Чем ниже температура плавления металла или сплава, тем при более низких температурах происходит снижение прочности, например у алюминиевых сплавов - при более низких температурах, чем у сталей.

При высоких температурах также происходит увеличение деформаций ползучести, которые являются следствием увеличения пластичности металлов.

Чем выше величина нагружения образцов, тем при более низких температурах начинается развитие деформации ползучести и происходит разрыв образца, причем при меньших величинах относительной деформации.

При повышении температуры изменяются и теплофизические свойства металлов и сплавов. Характер этих сложный и трудно поддается объяснению.

Наряду с общими закономерностями, характерными для поведения металлов при нагреве, поведение сталей в условиях пожара имеет особенности, которые зависят от ряда факторов. Так, на характер поведения оказывает влияние прежде всего химический состав стали: углеродистая или низколегированная, затем способ изготовления или упрочнение арматурных профилей: горячая прокатка, термическое упрочнение, холодная протяжка и т.п. При нагревании образцов горячекатанной арматуры из углеродистой стали происходит уменьшение ее прочности и увеличение пластичности, что приводит к снижению пределов прочности, текучести, возрастанию относительного удлинения и сужения. При остывании такой стали ее первоначальные свойства восстанавливаются.

Несколько иной характер поведения при нагревании низколегированных сталей. При нагревании до 300 оС происходит некоторое увеличение прочности ряда низколегированных сталей (25Г2с, 30ХГ2С и др.), которая сохраняется и после остывания. Следовательно, низколегированные стали при невысоких температурах даже повышают прочность и менее интенсивно теряют ее с увеличением температуры благодаря легирующим добавкам. Особенности поведения термически упрочненной арматуры в условиях пожара является необратимая потеря упрочнения, которая вызывается отпуском стали. При нагревании до 400 оС может происходить некоторое улучшение механических свойств термически упрочненной стали, выражаемое в повышении условного предела текучести при сохранении предела прочности. При температуре выше 400 оС происходит необратимое снижение как предела текучести, так и предела прочности (временного сопротивления).

Арматурная проволока, упрочненная наклепом, при нагреве также необратимо теряет упрочнение. Чем выше степень упрочнения (наклепа), теа при более низкой температуре начинается ее потеря. Причиной этого является термодинамически неустойчивое состояние кристаллической решетки, упрочненной наклепом стали. При повышении температуры до 300-350 оС начинается процесс рекристаллизации, в ходе которого деформированная в результате наклепа кристаллическая решетка перестраивается в сторону нормализации.

Главной особенностью алюминиевых сплавов является низкая, по сравнению со сталями, устойчивость к нагреву. Важной особенностью некоторых алюминиевых сплавов является способность восстанавливать прочность после нагревания и охлаждения, если температура нагревания не превысила 400 оС.

Наибольшей устойчивостью к действию высокой температуры обладают низколегированные стали. Несколько хуже ведут себя углеродистые стали без дополнительного упрочнения. Еще хуже - стали, упрочненные термическим способом. Самой низкой стойкостью к действию высокой температуры обладают стали, упрочненные наклепом, а еще ниже - алюминиевые сплавы.

Способы повышения стойкости металлов к воздействию пожара

Обеспечить продление времени сохранения свойств металлов в условиях пожара можно следующими способами:

выбором изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара;

специальным изготовлением металлических изделий более стойких к нагреву;

огнезащитой металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев.

Каменные материалы и их поведение в условиях пожара

Классификация горных пород по происхождению:

Изверженные (магматические, первичные) породы

Осадочные (вторичные) породы

Метаморфические (видоизмененные) породы

Изверженные (магматические, первичные) породы:

Массивные:

глубинные (граниты, сиениты, диориты, габбро);

излившиеся (порфиры, диабазы, базальты, и др.).

Обломочные:

рыхлые (вулканические пеплы, пемзы);

сцементированные (вулканические туфы).

Осадочные (вторичные) породы:

Химические (гипс, ангидрит, магнезиты, доломиты, мергели, известковые туфы и др.).

Органогенные (известняки, мел, ракушечники, диатомиты, трепелы).

Механические отложения:

рыхлые (глины, пески, гравий);

сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии).

Метаморфические (видоизмененные) породы:

Изверженные (гнейсы).

Осадочные (кварциты, мраморы, глинистые сланцы).

Классификация неорганических вяжущих веществ:

Воздушные (воздушная известь, гипс).

Гидравлические (портландцемент, глиноземистый цемент).

Кислотоупорные (жидкое стекло).

Каменные искусственные материалы:

Безобжиговые строительные материалы на основе неорганических вяжущих веществ:

бетоны и железобетоны;

растворы;

асбестоцемент;

гипсовые и гипсобетонные изделия;

силикатные изделия.

Обжиговые строительные материалы:

керамика;

стекло;

шлаки;

каменные расплавы.

Силикатные материалы:

Бетон

Облицовочные плиты

Кирпич

Ячеистые изделия (пеносиликат, газосиликат).

Поведение каменных материалов в условиях пожара

Изучением поведения каменных материалов в условиях пожара занимались в течении нескольких десятилетий многие исследователи нашей страны.

Характер поведения каменных материалов в условиях пожара в принципе одинаков для всех материалов, отличаются лишь количественные показатели. Специфические особенности обусловлены действием лишь внутренних факторов, присущих анализируемому материалу (при анализе поведения материалов в идентичных условиях действия внешних факторов).

Особенности поведения природных каменных материалов в условиях пожара

Мономинеральные горные породы (гипс, известняк, мрамор и др.) при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные. Они претерпевают в начале свободное тепловое расширение, освобождаясь от физически связанной влаги в порах материала. Это не приводит, как правило, к снижению прочности и даже может наблюдаться ее рост при спокойном удалении свободной влаги. Затем в результате действия химических процессов дегидратации (если материал содержит химически связанную влагу) и диссоциации материал претерпевает постепенное разрушение (снижение прочности практически до нуля).

Полиминеральные горные породы ведут себя в основном аналогично мономинеральным, за исключением того, что при нагреве возникают значительные напряжения, обусловленные различными величинами коэффициентов теплового расширения у компонентов, входящих в состав горной породы. Это приводит к разрушению (снижению прочности) материала.

Проиллюстрируем особенности поведения мономинеральных и полиминеральных горных пород при нагреве на примере двух материалов: известняка и гранита.

Известняк - мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита СаСО3. Нагревание кальцита до 600 оС не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным расширением. Выше 600 оС (теоретически температура 910 оС) начинается диссоциация кальцита по реакции СаСО3 = СаО + СО2, в результате которой образуются углекислый газ (до 44% по массе от исходного материала) и рыхлый низкопрочный оксид кальция, что вызывает необратимое снижение прочности известняка. При испытании материала при нагреве, а также после нагрева и остывания ненагруженном состоянии было установлено, что при нагревании известняка до 600 оС происходит увеличение его прочности на 78% в связи с удалением физически связанной (свободной) влаги из микропор материала. Затем прочность снижается: при 800 оС она достигает первоначальной, а при 1000 оС прочность составляет всего 20% от начальной.

Следует иметь в виду, что в процессе охлаждения большинства материалов после высокотемпературного нагрева продолжается изменение (чаще - снижение) прочности. Снижение прочности известняка до первоначальной происходит после нагрева до 700 оС с последующим остыванием (в горячем состоянии до 800 оС).

Поскольку процесс диссоциации СаСО3 протекает со значительным поглощением тепла (178,5 кДж/кг), и образующийся при этом пористый оксид кальция обладает малой теплопроводностью, слой СаО создает на поверхности материала теплозащитный барьер, несколько замедляющий дальнейший прогрев известняка вглубь.

При контакте с водой при тушении пожара (либо влагой из воздуха после остывания материала) происходит повторно реакция гидратации образовавшийся при высокотемпературном нагреве негашеной извести СаО. Причем эта реакция протекает с остывшей известью.

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65,1 кДж.

Образующийся при этом гидроксид кальция увеличивается в объеме и является очень рыхлым и непрочным материалом, который легко разрушается.

Рассмотрим поведение гранита при нагревании. Поскольку гранит - полиминеральная горная порода, состоящая из полевого шпата, кварца и слюды, его поведение в условиях пожара будет во многом определяться поведением этих компонентов.

После нагревания гранита до 200 оС и последующего остывания наблюдается увеличение прочности на 60%, связанное со снятием внутренних напряжений, возникших в период образования гранита в результате неравномерного охлаждения расплавленной магмы, и разницы величины коэффициентов температурного расширения минералов, составляющих гранит. Кроме того, увеличение прочности в некоторой степени, видимо, также обусловлено удалением свободной влаги из микропор гранита.

При температуре выше 200 оС начинается постепенное снижение прочности, которое объясняется возникновением новых внутренних напряжений, связанных с различием коэффициентов термического расширения минералов.

Уже значительное снижение прочности гранита наступает выше 575 оС из-за изменения объема кварца, претерпевающего модификационное превращение (?-кварц в ?-кварц). При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность гранита в рассмотренном температурном температурном интервале еще остается высокий: при 630 оС предел прочности гранита равен начальному значению.

В диапозоне температур 750…800 оС и выше продолжается снижение прочности гранита за счет дегидратации минералов полевого шпата и слюды, а также модификационного превращения кварца из ?-кварца в ?-тридимит при 870 оС. При этом в граните образуются более глубокие трещины. Предел прочности гранитапри 800 оС составляет всего 35% от первоначального значения. Установлено, что скорость прогрева оказывает влияние на изменение на изменение прочности гранита. Так, при быстром (одночасовом) нагреве прочность его начинает снижаться после 200 оС, в то время как после медленного (восьмичасового) - лишь с 350 оС.

Таким образом, можно сделать вывод, что известняк является более стойким к нагреванию материалом, чем гранит. Известняк практически полностью сохраняет свою прочность после нагревания до 700 оС, грант - до 630 оС и последующего остывания. Кроме того, известняк претерпевает значительно меньше температурное расширение, чем гранит. Это важно учитывать при оценке поведения искусственных каменных материалов в условиях пожара, в которые гранит и известняк входят в качестве заполнителей, например, бетона. Также следует учитывать, что после прогрева до высоких температур и последующего остывания природных каменных материалов их прочность не восстанавливается.

Особенности поведения искусственных каменных материалов при нагревании

Поскольку бетон является композиционным материалом, его поведение при нагреве зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия. Одна из особенностей - химическое соединение при нагреве до 200 оС гидроксида кальция с кремнеземом кварцевого песка (этому соответствуют условия, аналогичные тем, что создают в автоклаве для бысрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цументного камня. Все это способствует некоторому повышению прочности.

При нагреве бетона выше 200 оС возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадка вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе. Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100 оС давит на стенки пор и фазовый переход воды в пар также повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего прочность. По мере удаления свободной воды прочность может возрастать. При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105…110 оС до постоянной массы, физически связанная вода отсутствует, поэтому такого резкого снижения прочности в начале нагрева не наблюдается.

При остывании бетона после нагрева прочность, как правило, практически соответствует прочности при той максимальной температуре, до которой образцы были нагреты. У отдельных видов бетона она несколько снижается при остывании за счет более длительного нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более глубокому протеканию в нем негативных процессов.

Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается за счет увеличения его пластичности.

Чем выше относительная нагрузка на образец, тем при меньшей критической температуре он разрушится. По этой зависимости исследователи делают вывод, что с увеличением температуры прочность бетона падает при испытании в напряженном состоянии.

Кроме того, строительные конструкции из тяжелого бетона (железобетона) склонны к взрывообразному разрушению при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины при интенсивном подъеме температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, тем ниже его паропроницаемость, больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления, несмотря на более высокую прочность. Легкие и ячеистые бетоны с объемной массой ниже 1200 кг/м3 не склонны к взрывообразному разрушению.

Спецификой поведения легких и ячеистых бетонов, в отличие от поведения тяжелых бетонов при пожаре, является более длительное время прогрева вследствие их низкой теплопроводности.

Древесина, ее пожарная опасность, способы огнезащиты и оценка их эффективности

Рис. 1

Физическое строение древесины:

Кора.

Луб.

Камбий.

Заболонь.

Ядро.

Сердцевина.

Зависимость объемной массы от породы древесины

№Порода древесиныВеличина влагосодержания1.Хвойныелиственница, сосна,650кедр, пихта, ель5002.Твердые лиственныедуб, береза, клен, ясень, бук, акация, вязь7003.Мягкие лиственныеосина, тополь, ольха, липа500

Продукты разложения древесины:

-35% - уголь;

-45% - жидкий дистиллят;

-20% - газообразные вещества.

Поведение древесины при нагреве в условиях пожара:

°С - начинается разложение древесины, сопровождающееся выделением летучих веществ, что можно обнаружить по характерному запаху.

-150°С - происходит выделение негорючих продуктов разложения (вода - Н2О, углекислый газ - СО2 ), что сопровождается изменением цветы древесины (она желтеет).

-200°С - древесина начинает обугливаться, приобретая коричневую окраску. Газы, выделяющиеся при этом, являются горючими и состоят в основном из окиси углерода - СО, водорода - Н2 и паров органических веществ.

250-300°С - происходит воспламенение продуктов разложения древесины.

Идеальная схема разложения древесины:

Рис. 2

Зависимость массовой скорости выгорания деревянных брусков от площади поперечного сечения.

Рис. 3

Зависимость массовой скорости выгорания древесины от объемной массы 1. r0=350 кг/м3; 2. r0=540 кг/м3; 3. r0=620 кг/м3.

Способы огнезащиты древесины

Термоизолирующие одежды (мокрая штукатурка; покрытие негорючими материалами; покрытие вспучивающимися красками);

Огнезащитные краски (фосфатные покрытия; краска МФК; краска СК-Л);

Огнезащитные обмазки (суперфосфатная обмазка; известково-глино-солевая обмазка (ИГС));

Пропиточные составы (глубокая пропитка древесины: раствором антипиренов под давлением; в горячехолодных ваннах).

Заключение

Чтобы здание выполняло свое назначение и было долговечным, необходимо правильно выбрать материалы, как конструкционные, так и отделочные. Нужно хорошо знать свойства материалов, камень это, металл или дерево, каждый из них имеет свои особенности поведения в условиях пожара. В наше время мы имеем достаточно хорошую информацию о каждом материале и к его выбору нужно подходить очень серьезно и обдуманно, с точки зрения безопасности.

Список литературы

1.Гайдаров Л.Э. Строительные материалы [Текст] / Л.Э. Гайдаров. - М.: Техника, 2007. - 367 с.

2.Грызин А.А. Задания, сооружения и их устойчивость при пожаре [Текст] / А.А. Грызин. - М.: Проспект, 2008. - 241 с.

.Лахтин Ю.M. Материаловедение [Текст]: учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин - М.: Машиностроение, 1999. - 528 с.

.Романов А.Л. Свойства строительных материалов и оценка их качества [Текст] / А.Л. Романов. - М.: Мир книги, 2009. - 201 с.

5.СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений, п. 5 Пожарно-техническая классификация <file:///H:\Snip\21-01-97.htm>. Строительные материалы.

.Зенков Н.И. Строительные материалы и их поведение в условиях пожара. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1974. - 176 с.

Введение Номенклатура строительных материалов содержит сотни названий. Каждый материал в определенной мере отличается от других внешним видом, химическим

Больше работ по теме: