Огнестойкость и жаростойкость бетона

Огнестойкость и жаростойкость бетона

Под огнестойкостью понимают сопротивляемость бетона кратковременному действию огня при пожаре. Под жаростойкостью понимают стойкость бетона при длительном и постоянном действии высоких температур в условиях эксплуатации тепловых агрегатов (жароупорный бетон). Бетон относится  к числу огнестойких материалов. Вследствие сравнительно малой теплопроводности бетона кратковременное воздействие  высоких температур не успевает вызвать  значительного нагревания бетона и  находящейся под защитным слоем  арматуры. Значительно опаснее поливка  сильно разогретого бетона холодной водой (при тушении пожара), она  неизбежно вызывает образование  трещин, разрушение защитного слоя и обнажение арматуры при продолжающемся действии высоких температур. В условиях длительного воздействия высоких  температур обычный бетон на портландцементе  не пригоден к эксплуатации при температуре  выше 250°. Установлено, что при нагреве  обычного бетона выше 250—300° происходит снижение прочности с разложением  гидрата окиси кальция и разрушением  структуры цементного камня. При  температуре выше 550° зёрна кварца в песке и гранитном щебне  начинают растрескиваться вследствие перехода кварца при этих температурах в другую модификацию (тридимит), что связано со значительным увеличением объёма зёрен кварца и образованием микротрещин в местах соприкосновения зёрен заполнителя и цементного камня. При дальнейшем повышении температуры разрушаются и другие структурные элементы обычного бетона. Научными работами, а также практикой установлена возможность получения на основе портландцемента жароупорного бетона, стойкого до температуры 1100—1200° и более.

Для этого в бетон необходимо вводить тонкомолотые кремнезёмистые или алюмокремнезёмистые добавки, связывающие свободную гидроокись кальция, выделяющуюся при гидратации цемента. В качестве же заполнителей применяют материалы, обладающие достаточной степенью огнеупорности и термостойкости, например хромистый железняк, шамот, базальт, андезит, отвальный доменный шлак, туфы и кирпичный щебень. Максимальная температура, выдерживаемая конструкциями, зависит, от огнеупорности и термостойкости заполнителей и тонкомолотых добавок. Так, при применении шамота и молотых добавок максимальная эксплуатационная температура жароупорных бетонов на портландцементе достигает 1100—1200°. При максимальной эксплуатационной температуре 700° можно в качестве заполнителей бетона применять базальт, диабаз, андезит, отвальный доменный шлак, артикский туф, бой глиняного кирпича, а в качестве тонкомолотых добавок — пемзу, золу-унос, гранулированный доменный шлак, цемянку. Для таких же температур (до 700°) допускается замена портландцемента в бетоне шлако-портландцементом без введения в этом случае тонкомолотых добавок. Для приготовления жароупорного бетона с эксплуатационной температурой до 1300—1400° следует применять глинозёмистый цемент с мелким и крупным заполнителями из шамота или хромистого железняка. Тонкомолотые добавки для связывания гидроокиси кальция в этом случае не требуются. В качестве вяжущего для жароупорного бетона с максимальной температурой до 900—1000° можно применять также жидкое стеклос кремнефтористым натрием.

Жаростойкий бетон

Жаростойкий бетон  при длительном воздействии высоких  температур должен сохранять в заданных пределах свои физико-механические свойства. Такой бетон изготавливают с  применением вяжущего (в которое в необходимых случаях вводят еще и минеральные тонко меленые добавки), воды и жаростойких заполнителей. 
 
Как вяжущее для жаростойкого бетона применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент и жидкое стекло. Для улучшения структуры цементного камня и сохранения прочности к вяжущему добавляют минеральные добавки (хромитов руду, бой шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит, пемзу, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак, топливный шлак). Тонкость помола должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 70% добавок для бетона на портландцементе и не менее 50% для бетонов на жидком стекле. 
 
Как мелкий и крупный заполнитель для жаростойкого бетона применяют следующие измельченные материалы: хромитов руду, бой магнезитовой шамотной и обыкновенного глиняного кирпича, кусковой шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз, андезит, туф. 
 
Максимальная крупность щебня для массивных конструкций не должна превышать 40 мм, а для остальных - 20 мм. Мелких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях - не более 15% по массе. В процессе нагрева начальная прочность жаростойкого бетона на цементных вяжущих существенно снижается, поэтому при выборе их состава нужно стремиться получить бетон максимально возможного предела прочности. Образцы бетонов с размером 10x10x10 см на портландцементе испытывают после твердения в течение 7 суток, а на глиноземистом цементе и жидком стекле - через 3 суток. 
 
Образцы бетона на портландцементе выдерживают во влажных условиях и на жидком стекле - в воздушно-сухих условиях при температуре (18 ± 3 ° С). Перед испытанием образцы высушивают при температуре (100 ... 110 ° С) в течение 32 ч, затем охлаждают. 
 
Для жаростойкого бетона определяют остаточную прочность при сжатии после нагревания. Остаточная прочность в процентах - это отношение предела прочности при сжатии образцов бетона, которые испытали после нагрева образцов бетона до 800 ° С (для бетона с предельной температурой эксплуатации выше 800 ° С), к пределу прочности контрольных высушенных образцов. Скорость нагрева образцов бетона 150 ... 200 ° С в час, продолжительность выдержки при 800 ° С -4 час. После охлаждения образцы выдерживают в течение 7 суток над емкостью с водой и испытывают на сжатие. 
 
Портландцемент с тонко молотыми добавками и специальными заполнителями позволяет получить жаростойкий бетон с температурой эксплуатации до 1700 ° С. 
Цемент можно применять для бетона, предназначенного для службы при температуре ниже +700 ° С. Если содержание шлака при этом менее 50%, то в бетон вводят любую тонко меленую добавку (кроме золы-уноса), которая составляет 30% массы шлакопортландцемента. 
 
Применение обычного бетона на портландцементе допускается в элементах конструкций с температурой службы не выше +200 ° С. При этом марку бетона нужно выбирать с учетом того, что при длительном воздействии температуры около +200 ° С прочность бетона при сжатии снижается на 25%. Снижение прочности бетона на изгиб и растяжение в таких условиях может быть до 50%. 
 
Жаростойкий бетон на портландцементе не применяют при действии на конструкцию кислого агрессивной среды. В таком случае можно использовать жаростойкий бетон на жидком стекле. Но такой бетон не выдерживает постоянного действия среды с водяным паром или водой. Для твердения бетона на жидком стекле при нормальной температуре в бетонную смесь добавляют кремнефтористый натрий. 
Бетон на глиноземистого цементе применяют при условии, что температура в теле бетона в течение первых суток твердения не будет превышать +40 ° С. Иначе возможно резкое снижение прочности бетона. 
 
Средняя плотность свежеуложенный жаростойких бетонов на Портландцемент, цемент глиноземистый и жидком стекле в зависит от вида заполнителей составляет, кг/м3: 
 
• бетон на хромитов - 2900 ... 3200; 
• бетон на магнезит - 2500 ... 2800; 
• бетон на диабаз, бальзат, андезито - 2300 ... 2500; 
• бетон на кирпичном или туфовом щебень - 1600 ... 1900. 
 
При изготовлении жаростойких бетонов нужно стараться, чтобы количество воды или жидкого стекла по возможности было минимальным. Осадку стандартного конуса принимают не более 2 см. Водопотребность таких смесей -170 ... 190 л воды на 1 м3 бетона. После определения состава бетона делают пробные замесы, для первого замеса принимают 170 л воды на 1 м3. Испытания ведут по обычной методике с учетом особенностей определения марки жаростойких бетонов. 
 
Средняя плотность жаростойкого бетона в высушенном состоянии меньше, чем в свежеуложенному состоянии примерно на 150 ... 200 кг / м.

Отношение к действию высоких температур. Бетон — огнестойкий материал, выдерживающий высокие температуры во время пожара. Огнестойкость бетона позволяет применять его для устройства дымовых труб промышленных печей, их фундаментов.

Огнестойкость бетона зависит  не только от вида цемента, но и природы  заполнителей. Если в качестве заполнителей применяют горную породу, в состав которой входит кристаллический кварц, то при температуре около 600 °С в бетоне могут появиться трещины вследствие значительного увеличения объема кварца.

При проектировании бетонных конструкций, подвергающихся длительному  воздействию температур, необходимо учитывать, что при температуре 150...250°С прочность бетона на портландцементе снижается на 25%. При нагревании бетона выше 500 °С и последующем увлажнении он разрушается.

Для строительных конструкций, подвергающихся длительному воздействию  высоких температур (свыше 200 °С), применяют  специальный жаростойкий бетон.

Огнестойкость — свойство бетона сохранять прочность при кратковременном воздействии высоких температур при пожаре. Она зависит от вида применяемых материалов. Разрушение портландцемента происходит при температуре 500-550 °С в результате разложения гидроксида кальция по схеме Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О. Уже нагревание при температуре от 100 до 250 °С снижает прочность бетона на портландцементе на 25%. Растрескивание бетона на заполнителях, содержащих кварц, происходит при температуре 600 °С в результате перехода его в другую модификацию. И все же, несмотря на указанные недостатки, бетон достаточно огнестойкий материал. Скорость прогревания его невысокая. Он имеет малую теплопроводность, и значительная часть тепла расходуется на испарение химически связанной и адсорбционной воды, выделяющейся при разрушении цементного камня. Он хорошо сопротивляется кратковременному действию высоких температур.

Если на конструкции действуют  высокие температуры длительное время, для их изготовления следует  применять жаростойкий бетон.