Прогнозирование огнестойкости железобетонных конструкций с полипропиленовой микрофиброй или огнезащитой

Введение. Рассмотрены варианты и особенности решения актуальной задачи по предотвращению взрыво­образной потери целостности (ВПЦ) бетона и обеспечению требуемой огнестойкости железобетонных конструкций (ЖБК) за счет использования полипропиленовой микрофибры (ППМФ) в составе бетона или средств конструктивной огнезащиты.

Цель и задачи. Обоснование выбора эффективных способов предотвращения взрывообразной потери целостности бетона и обеспечения заданной огнестойкости конструкций. Организация и проведение огневых испытаний железобетонных колонн и плит перекрытия под нагрузкой при наличии и отсутствии ППМФ в составе бетона, а также при использовании конструктивной огнезащиты. Анализ результатов и вариантов их практического использования.

Методы. Оценка огнестойкости колонн и плит проводилась в ходе испытаний в огневой печи образцов под нагрузкой с дополнительными термопарными измерениями для их использования в ходе теплотехнического анализа. Он проводился с использованием апробированных несложных методик и программ расчетов темпе­ратурных полей в конструкциях. Предложен порядок определения теплофизических характеристик материалов конструктивной огнезащиты в рабочем диапазоне температур.

Результаты. Представлены и обобщены результаты уникальных огневых экспериментов образцов несущих колонн и плит под нагрузкой. Продемонстрирована эффективность использования ППМФ, а также роль огнезащиты в предотвращении ВПЦ конструкций и повышении их огнестойкости и огнесохранности при воздействии по стандартному и углеводородному режиму. Представлены примеры эффективного использования конструктивной огнезащиты в виде плит «ПРОЗАСК Файерпанель» и штукатурки «ИГНИС ЛАЙТ» для обеспечения высоких пределов огнестойкости ЖБК. В ходе новой серии испытаний железобетонных плит, впервые проведенных при углеводородном режиме воздействия, установлено, что при использовании ППМФ время достижения образцами предельного состояния превышает 120 мин, а при использовании конструктивной огнезащиты — 240 мин. Показана возможность пересчета (в том числе снижения) толщин огнезащиты, используемых при испытаниях. Это обосновывается теплотехническими расчетами, для которых предусмот­рено получение новых данных по теплофизическим характеристикам материалов огнезащиты в рабочем диапазоне температур.

Выводы. Предложена методология комплексных исследований, проведен значительный объем уникальных огневых и прочих экспериментов с теплотехническим анализом их результатов. Получен значительный объем важной информации, необходимой для предотвращения взрывообразного разрушения и обеспечения заданной огнестойкости несущих ЖБК. Представлены рекомендации по дальнейшему проведению экспериментальных и теоретических исследований и использованию полученных результатов при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций, средств их огнезащиты, а также при корректировке нормативных документов по ЖБК.

1. McNamee R.J., Bostrom L. Fire spalling-the moisture effect // 1st International workshop on Concrete Spalling due to Fire Exposure-From Real Life Experiences and Practical Applications to Lab-scale Investigations and Numerical Modelling. MFPA Institute Leipzig, Germany. September 3–5, 2009. Pp. 120–129.

2. Jansson R. Fire spalling of concrete: Theoretical and experimental studies : Doctoral Thesis in Concrete Structures: KTH Royal Institute of Technology. Stockholm : Trita-BKN, Bulletin, 2013. 117 p.

3. Maraveas C., Vrakas A.A. Design of concrete tunnel linings for fire safety // Structural Engineering International. 2014. Vol. 24. Issue 3. Pp. 319–329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041

4. Annerel E., Boch K., Lemaire T. Passive fire protection end life safety // Topic Safety of Tunnel and Undeground Structure. “SEE Tunnel: Promoting in SEE Region” ITA WTS 2015 Congress and 41st General Assambly. Dubrovnik, Croatia, 2015. Pp. 1–10.

5. Chiarini M., Lunardi G., Cassani G., Bellocchio A., Frandino M. High speed railway Milan – Genoa, implementation of coupled analysis to estimate thermo-mechanical effects produced by the fire on the TBM segmental lining // Proceedings of the World Tunnel Congress 2017 – Surface challenges – Underground solutions. Bergen, Norway, Bergen, 2017. Pp. 1–10.

6. Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig // Beton-und Stahlbetonbau, 2006. Vol. 101. Issue 8. Pp. 631–635. DOI: 10.1002/best200608186

7. Liu J-C., Tan K.H., Yao Y. A new perspective on nature of fire-induced spalling in concrete // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 184. Pp. 581–590. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.204

8. Hendrix B., Pimienta P. The future for fire protection // Tunnelling Journal. September, 2019. Pp. 8–12. URL: www.researchgate.net/publication/287431544_Fire_behaviour_of_high_performance_concrete_-_An_experimental_investigation_on_spalling_risk

9. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Новиков Н.С., Павлов В.В., Кузнецова Е.В. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 5. С. 60–70. DOI: 10.18.18322/PVB.2019.28.05.60-70

10. Новиков Н.С. Огнестойкость конструкций из фибробетона для автодорожных тоннелей и метрополитена : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 167 с.

11. Антонов С.П. Технологии предотвращения взрывообразного разрушения бетонов при огневом воздействии // Пожарная безопасность. Специализированный каталог. 2021. С. 56–61.

12. Гаращенко А.Н., Антонов С.П., Данилов А.И., Павлов В.В., Новиков Н.С. Анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой железобетонных колонн и плит с реализацией вариантов, исключа­ющих взрывообразную потерю целостности и обеспечивающих заданную огнестойкость конструкций // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 3. С. 45–64. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.03.45-64

13. Кузнецова И.С., Рябченкова В.Г., Корнюшина М.П., Саврасова И.П., Востров М.С. Полипропиленовая фибра — эффективный способ борьбы со взрывообразным разрушением бетона при пожаре // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 15–20. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20

14. Khoury G.A., Willoughby B. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 1: Pressure relief mechanisms and concrete // Magazine of Concrete Research. 2008. Vol. 60. Issue 2. Pp. 125–136. DOI: 10.1680/macr.2008.60.2.125

15. Khoury G.A. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 2: Pressure relief mechanisms and modeling criteria // Magazine of Concrete Research. 2008. Vol. 60. Issue 3. Pp. 189–204. DOI: 10.1680/MACR.2007.00042

16. Shihada S. Effect of polypropylene fibers on concrete fire resistance // Journal of Civil Engineering and Management. 2011. Vol. 17. Issue 2. Pp. 259–264. DOI: 10.3846/13923730.2011.574454

17. Serrano R., Cobo A., Prieto M.I., Gonzales M. Analysis of fire resistance of concrete with polypropylene or steel fibers // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 302–309. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.055

18. Пухаренко Ю.В., Кострикин М.П. Стойкость фибробетона к высокотемпературному воздействию // Строи­тельные материалы и технологии. 2020. № 2 (88). C. 96–106. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-96-106

19. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш. Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2013. № 2. С. 11–16. URL: https://elibrary.ru/item. asp?id=22413522

20. Габдулин Р.Ш. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных покрытий : дис. … канд. техн. наук. М., 2014. 146 с.

21. Антонов С.П., Гаращенко А.Н., Голованов В.И., Новиков Н.С. Результаты определения огнестойкости железобетонных конструкций с полипропиленовой микрофиброй // Огнезащита материалов и конструкций SPBPU FPM-2023 : cб. тез. докл. I Междунар. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 18–20 апреля 2023 г. СПб. : Университет ГПС МЧС. C. 23–26.

22. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой плитами КНАУФ-Файрборд // Пожарная безопасность. 2016. № 3. С. 171–179. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26731725

23. Пронин Д.Г., Тимонин С.А., Голованов В.И. СТО АРСС 11251254.001-018–03. Проектирование огне­защиты несущих стальных конструкций с применением различных облицовок. М. : АРСС, 2018. 70 с.

24. Гаращенко А.Н., Данилов А.И., Антонов С.П., Марченкова С.В., Павлов В.В. Теплотехнический анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой чугунных тюбингов обделок тоннелей метрополитена, обеспечение их рациональной огнезащиты и заданной огнестойкости // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Esplosion Safety. 2022. Т. 31. № 1. С. 21–39. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.21-39

25. Волков А.А., Ройтман В.М., Приступюк Д.Н., Федоров В.Ю. Влияние влажности строительных материалов на точность расчетов прогрева конструкций при оценке их огнестойкости // Системотехника строительства. Киберфизические строительные системы : cб. мат. семинара, в рамках VI Междунар. науч. конф. Москва, 14–16 ноября 2018 г. М. : МГСУ, 2018. C. 207–212.

26. Гаращенко А.Н., Виноградов А.В., Кобылков Н.В., Никольченкин А.А., Антипов Е.А. Экспериментальное и расчетное моделирование огнетепло-защиты и огнестойкости конструкций и изделий в условиях высокотемпературного воздействия // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 3 (68). Ст. 08. URL: htt://www.jornal.viam.ru. DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-3-84-97

27. Гаращенко А.Н., Антонов С.П., Виноградов А.В. Исследование теплотехнических характеристик и эффективности конструктивной огнезащиты на основе цементных плит типа «Прозаск Файерпанель» при воспроизведении условий высокотемпературного воздействия // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 6. С. 13–29. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.13-29