Чому бетон вибухає під час нагрівання і як саме це відбувається

Якщо бетон нагріти до надзвичайно високих температур, він не оплавиться, як звичайний камінь, а вибухне з неабиякою силою. Такі вибухи можуть мати дуже значні наслідки, коли поблизу бетонної конструкції спалахує пожежа.

Примітно те, що фізика цього процесу досі не зрозуміла вченим. Команда дослідників вирішила виправити це непорозуміння і почала методично підривати бетон у лабораторії. В результаті вийшло ефектне відео: youtu.be/NxJPX0lssIQ (найцікавіше з 1:25)

З'ясувалося, що при нагріванні цемент зневоднюється, втрачаючи частину води у вигляді пари. Ця пара починає віддалятися від джерела тепла, проте цьому процесу перешкоджає сама структура бетону - вода опиняється в пастці. Звичайний бетон не має пористості, а тому пара шукає будь-яку можливість для розширення і заповнює всі внутрішні дефекти та мікротріщини. Коли місця зовсім не залишається, тиск наростає до критичної межі, поки нарешті не відбувається розрив зсередини.

Залишились питання? Зв'яжіться з нами!

Телефон: 8 (800) 555 29 32

Підпишіться на нашу email-розсилку, щоб не пропускати нові статті!

РОБОТА ТА РОЗРУШЕННЯ БЕТОНУ В УМОВАХ ВИСОКОЇ І НИЗЬКОЇ ТЕМПЕРАТУРИ Текст наукової статті зі спеціальності «Будівництво та архітектура»

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Парфьонов А. А., Сівакова О. А., Гусар О. А., Балакірєва В. В.

Бетонні та залізобетонні конструкції під час експлуатації піддаються різним агресивним впливам, у тому числі пов'язаним із високою та низькою температурою.Найбільш поширеним агресивним впливом, що викликає руйнування, є вплив низької температури, що призводить до замерзання вологи в тілі бетону. Ще одним поширеним впливом є вплив високої температури на незахищений бетон внаслідок виникнення та розвитку пожежі. При високотемпературних впливах на бетонні та залізобетонні конструкції відбувається зниження їх міцності та жорсткості, у тому числі незворотне, внаслідок порушення та зміни структури затверділого портландцементу. Можливість подальшої експлуатації пошкоджених у такий спосіб конструкцій, їх відновлення визначається за результатами обстежень. Наукові розробки в галузі роботи бетону в екстремальних температурних режимах активно ведуться, розробляються методи захисту та вдосконалюються методи розрахунків.

Схожі теми наукових праць з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Парфьонов А. А., Сівакова О. А., Гусар О. А., Балакірєва В. В.

ДО ДІАГРАМ ДЕФОРМУВАННЯ БЕТОНУ ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ ПРИ ДІЇ ТЕМПЕРАТУРИ ДО -70ОC В ЗАЛЕЖНОСТІ ЙОГО СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Кількісний метод проектування первинного захисту бетону захисного шару в умовах кліматичних атмосферних впливів

ДЕГРАДАЦІЯ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ МОРСЬКИХ СПОРУД ВІД СПІЛЬНОГО ВПЛИВУ КАРБОНІЗАЦІЇ ТА ХЛОРИДНОЇ АГРЕСІЇ

Operation and Destruction of Concrete at High and Low Temperatures

Конкретні і реінформовані конкретні структури під час виконання операцій є досліджені в різних агресивних influences, включаючи ті, що поєднані з високою і низькою температурою. Найвищий спільний агресивний хід спричиняє відродження є ефектом низької температури, яка веде до безперервного руху в конкретних місцях.Інший спільний вплив є ефектом високої температури назахищену конкретну причину для опрацювання і розвитку земної кулі. При високих температурах ефектів на конкретних і відновлених конкретних будовах є погіршення в їх strength і stiffness, включно з irreversible, призводячи до violation і зміни в структурі hardened Portland cement. Можливість подальшої роботи з такимизабороненимиструктурами, їх реставрація визначається за результатами surveys. Позитивні розробки в області конкретних операцій під extreme temperature conditions are actively produced,methods of protection are developed and methods of calculations are improved.

Текст наукової роботи на тему «РОБОТА ТА РОЗРУШЕННЯ БЕТОНУ В УМОВАХ ВИСОКОЇ І НИЗЬКОЇ ТЕМПЕРАТУРИ»

А.А. ПАРФЕНОВ1, інженер ([email protected]), О.А. СІВАКОВА1, інженер ([email protected]); О.А. ГУСАР2, бакалавр, В.В. БАЛАКІРЄВА2, бакалавр

1 АТ «КТБ ЗБ» (109428, м. Москва, вул. 2-а Інститутська, 6, стор 15 А)

2 Національний дослідний Московський державний будівельний університет (129337, Москва, Ярославське ш., 26)

Робота та руйнування бетону в умовах високої та низької температури

Бетонні та залізобетонні конструкції під час експлуатації піддаються різним агресивним впливам, у тому числі пов'язаним із високою та низькою температурою. Найбільш поширеною агресивною дією, що викликає руйнування, є вплив низької температури, що призводить до замерзання вологи в тілі бетону. Ще одним поширеним впливом є вплив високої температури на незахищений бетон внаслідок виникнення та розвитку пожежі. При високотемпературних впливах на бетонні та залізобетонні конструкції відбувається зниження їх міцності та жорсткості, у тому числі незворотне, внаслідок порушення та зміни структури затверділого портландцементу.Можливість подальшої експлуатації пошкоджених у такий спосіб конструкцій, їх відновлення визначається за результатами обстежень. Наукові розробки в галузі роботи бетону в екстремальних температурних режимах активно ведуться, розробляються методи захисту та вдосконалюються методи розрахунків.

Ключові слова: бетон, бетонна конструкція, температурна дія, пожежа, руйнація, деформація.

Для цитування: Парфьонов А.А., Сівакова О.А., Гусар О.А., Балакірєва В.В. Робота та руйнування бетону в умовах високої та низької температури // Будівельні матеріали. 2019. № 3. С. 64-66. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-64-66

A.A. PARFENOV1, Engineer ([email protected]), О.А. SIVAKOVA1, Engineer ([email protected]); O.A. GUSAR'2, Bachelor, V.V. BALAKIREVA2, Bachelor

1 JSC "Дизайн-технологічний бік конкретних і відновлених конкретних" (JSC "KTB RC") (Bldg. 15A, 6, 2-nd Institutskaya Street, Москва, 109428, Російська Федерація)

2 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Російська Федерація)

Operation and Destruction of Concrete at High and Low Temperatures

Конкретні і реінформовані конкретні структури під час виконання операцій є досліджені в різних агресивних influences, включаючи ті, що поєднані з високою і низькою температурою. Найбільш загальний агресивна дія спричиняє відродження є ефектом низької температури, яка веде до безперервного руху в конкретних місцях. Інший спільний вплив є ефектом високої температури на невідповідній конкретній причині з'явлення і розвитку феномену. При високих температурах ефектів на конкретних і відновлених конкретних будовах є зменшення в їх стилі і stiffness, включно з irreversible, призводячи до violation і зміни в структурі hardened Portland cement. Можливість подальшої роботи з такими зруйнованими структурами, їх реставрація визначається за результатами surveys.Позитивні розробки в області конкретних операцій під extreme temperature conditions are actively produced, methods of protection are developed and methods of calculations are improved.

Keywords: конкретні, конкретні структури, терапії ефекту, освітлення, відродження, деформації.

Для відвідин: Парфенов А.А., Сівакова О.А., Гусар' О.А., Балакірева В.В. Operation and destruction of concrete at high and low temperatures. Строительні матеріали [Construction Materials]. 2019. No. 3, pp. 64-66. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-64-66 (In Russian).

Бетонні та залізобетонні конструкції часом працюють у складних умовах, пов'язаних з високою або низькою температурою, в умовах агресивних середовищ, динамічних впливів тощо. буд. Найбільш несприятливими умовами роботи бетону в процесі експлуатації залізобетонних конструкцій, що часто виникають, є висока температура технологічного процесу або при пожежі і низька температура, у тому числі циклічне заморожування-відтавання бетону в холодний період року [1—10].

Найчастішою причиною руйнування бетону є вплив низької температури, а саме поперемінне заморожування-відтавання вологого бетону незахищених від атмосферних впливів бетонних та залізобетонних конструкцій. Негативний вплив низької температури на бетон в першу чергу пов'язаний із процесом замерзання хімічно незв'язаної води, що знаходиться в тілі бета-

на (в порах та капілярах цементного каркасу). При цьому руйнування бетону при дії негативної температури може відбуватися під дією одного або кількох факторів одночасно:

- гідростатичний тиск рідини на стінки пор та капілярів цементного каменю в процесі льодоутворення;

- гідравлічний тиск незамерзлої рідини при її відтисканні від фронту промерзання кристалами льоду, що ростуть, в резервні (незаповнені водою) пори і капіляри;

- Безпосередній тиск зростаючих кристалів льоду на стінки пор і капілярів, а також макро-і мікроскопічна сегрегація льоду;

- Осмотичний тиск, що виникає в капілярах і порах цементного каменю в процесі масо-теплопереносу при заморожуванні та відтаванні бетону;

Materials and structures

- температурні напруження, що виникають у бетоні через різні коефіцієнти температурних деформацій жорсткого скелета і льоду.

Крім того, додаткові напруги в бетоні під впливом низької температури створюються внаслідок відмінності деформацій за температурою різних складових залізобетонних конструкцій.

Під дією поперемінного заморожування-відтавання можна спостерігати чотири основні типи руйнувань:

- виникнення тріщин у бетоні в усіх напрямках по поверхні виробу;

- Відшаровування захисного шару бетону конструкцій;

- Поверхневі відколи бетону конструкцій.

Здатність бетону чинити опір впливу

Низька температура характеризується маркою по морозостійкості F, кількісно вираженої в циклах поперемінного заморожування-відтавання до появи видимих ​​ознак руйнування і до певної втрати бетоном ряду нормованих показників - щільності, міцності, динамічної пружності. Марка за морозостійкістю визначається за результатами лабораторних випробувань зразків бетону, заморожуванням і відтаванням, з візуальним контролем їх стану, контролем ваги зразків, швидкості проходження ультразвуку через зразки, визначенням динамічного модуля пружності бетону зразків і порівняння їх з початковими значеннями10 .Методи визначення морозостійкості »).

Іншим полюсом температурних впливів на бетон є висока температура, що виникає при технологічних процесах або вогневому впливі в умовах пожежі. Оскільки бетонні та залізобетонні конструкції, що піддаються впливам високої температури внаслідок технологічних процесів, зазвичай мають будь-який захист від них, їх розгляд має певну специфіку [11].

Обмежимося розглядом температурного впливу на бетон незахищених конструкцій в умовах пожежі, що хоч і є аварійним впливом, проте має більшого поширення, ніж високотемпературні дії від технологічних процесів.

У процесі пожежі температура приміщенні може підніматися до 1000—1200оС за тривалості пожежі 1—2 год [12]. В умовах пожежі в залізобетонних конструкціях відбувається зниження міцності бетону та арматури та при досягненні певної температури це зниження стає незворотним. Так, при нагріванні до 400оС бетон починає різко втрачати міцність, а при досягненні температури 800оС і вище бетон втрачає 90% і більше міцності. При цьому якщо температура бетону не досягла 500оС, його міцність може відновитися до 90% початкового значення протягом року [12-14]. При високій температурі міцність бетону знижується незворотно і при остиганні та витримуванні в нормальних умовах продовжує знижуватися. Це нижче-

ня міцності відбувається внаслідок порушення структури затверділого портландцементу через посилення різнозначності деформації гелеподібної частини цементного каменю зерен клінкеру, що не розклалися, а також через дегідратацію Са(ОН)2 [12]. Також бетон отримує додаткове зниження міцності під час гасіння пожежі, тобто при охолодженні бетону водою після нагрівання в умовах пожежі.

Крім зміни міцності при нагріванні бетону відбувається зміна його пружно-пластичних властивостей, модуль пружності знижується, і при цьому відбувається зростання пластичних деформацій бетону під навантаженням [12]. Так, при нагріванні до 500оС відбувається зниження модуля пружності до 43%, а за 700оС - до 18% від початкового значення [12]. При цьому при досягненні бетоном температури 400оС починається різке зростання пластичних деформацій, що також обумовлюється порушенням та зміною структури бетону.

При нагріванні бетону до високої температури відбувається його незворотна усадка [12, 12], також може спостерігатися вибухоподібна руйнація у вигляді відколів бетону на глибину 5-10 см внаслідок виникнення високого тиску пари в замкнутих порах.

Однак слід зазначити, що бетонні та залізобетонні конструкції мають значні розміри перерізів, а сам бетон має деякий опір теплопередачі, внаслідок чого для його прогріву до високої температури на всю товщину потрібен значний час і при швидкій ліквідації пожежі часто незворотні пошкодження отримують лише поверхневі шари бетону. конструкцій. Тому пошкоджені внаслідок пожежі залізобетонні та бетонні конструкції не завжди виявляються непридатними до подальшої експлуатації або подальшого відновлення.

Можливість подальшої експлуатації або подальшого відновлення бетонних та залізобетонних конструкцій, що отримали пошкодження від впливу низької або високої температури, визначають за результатами інженерно-технічного обстеження, в ході якого визначається глибина та ступінь ураження бетону, оцінюється стан арматури та при необхідності проводиться відбір та випробування її зразків. щодо міцності. За підсумками виконаного обстеження розробляються рекомендації щодо подальшої надійної та безпечної експлуатації, вибираються методи та засоби відновлення конструкцій, їх посилення.

Наукові дослідження в галузі роботи бетону в складних і екстремальних умовах продовжуються, у тому числі активно ведуться дослідження в галузі температуростійких бетонів, розробляються методи підвищення опірності бетонів впливам як низької, так і високої температури, удосконалюються методи розрахунку конструкцій, що піддаються температурним впливам, розробляються методи захисту . Все це є широким полем діяльності для вчених і

відкриває значну кількість наукових проб-

лематик для подальшого дозволу.

1. Латипов В.М., Латипова Т.В., Луцик Є.В., Федоров П.А. Довговічність бетону та залізобетону в природних агресивних середовищах. Уфа: Видавництво Уфимського державного нафтового технічного університету, 2014. 288 с.

2. Бабушкін В.І. Фізико-хімічні процеси корозії бетону та залізобетону. М.: Будвидав, 1968. 187 с.

3. Мінасян А.А. Натурні випробування збірних залізобетонних плит, що зазнали циклічного заморожування - відтавання // Будівництво та реконструкція. 2018. №6 (80). З. 44-52.

4. Горчаков Г.І. Капкін М.М. Скрамтаєв Б.Г. Підвищення морозостійкості бетону промислових та цивільних споруд. М.: Буд-видав, 1965. 195 с.

5. Леонович С.М., Зайцев Ю.В., Доркін В.В., Литвиновський Д.А. Міцність, тріщиностійкість і довговічність конструкційного бетону при температурних і вологих впливах: Монографія. М: ІНФРА-М, 2018. 258 с.

6. Москвин В.М., Іванов Ф.М., Алексєєв С.М., Гузєєв Є.А. Корозія бетону та залізобетону, методи їх захисту. М.: Будвидав, 1980. 536 с.

7. Леонович С.М., Литвиновський Д.А. В'язкість руйнування високоміцного бетону після дії високої температури // Будівельні матеріали. 2017. № 11. С. 12-17. https://doi. org/10.31659/0585-430X-2017-754-11-12-17.

8. Леонович С.М., Литвиновський Д.А. Властивості конструкційного бетону після пожежі// Судова експертиза Білорусі. 2017. №2 (5). З. 51-57.

9. Москвин В.М., Капкін М.М., Мазур Б.М., Підвальний А.М.Стійкість бетону та залізобетону при негативній температурі. М.: Держ-будвидав, 1967. 132 с.

10. Кунцевіч О.В. Бетони високої морозостійкості для споруд Крайньої Півночі. Л.: Будвидав, 1983. 130 с.

11. Мілованов А.Ф. Залізобетонні температуростійкі конструкції. М: Видавництво НИИЖБ, 2005. 234 з.

12. Мілованов А.Ф. Стійкість залізобетонних конструкцій під час пожежі. М.: Будвидав, 1998. 304 с.

13. Федоров В.С., Левитський В.Є., Мовчадський І.С., Александров А.В. Вогнестійкість та пожежна небезпека будівельних конструкцій. М: АСВ, 2009. 410 с.

14. Ільїн Н.А. Наслідки вогневої дії на залізобетонні конструкції. М.: Будвидав, 1979. 128 с.

1. Latypov V.M., Latypova T.V., Lutsyk E.V., Fedo-rov P.A. Dolgovechnost' betona і джелезобетона в

природних агресивних середовищ [The durability of concrete and reinforced concrete in natural aggressive environments. Ufa: Publishing house of Ufa State Oil Technical University]. 2014. 288 p.

2. Babushkin V.I. Fiziko-khimicheskie protsessy korrozii betona і джелезобетона [Physical and chemical corrosion process of concrete and reinforced concrete]. Москва: Stroyizdat. 1968. 187 p.

3. Minasyan A.A. Field tests of precast concrete slabs sujetod to cyclic freezing and thawing. Строительство і рекон-струкція. 2018. No. 6 (80), pp. 44-52. (In Russian).

4. Горчаков Г.І. Kapkin M.M. Skramtaev B.G. Підвищення морозостійкості бетона промислених і гражданскіх соорушенії [Increase of frost resistance of concrete of industrial and civil constructions]. Москва: Stroyizdat. 1965. 195 p.

5. Леонович С.Н., Заїцев Ю.В., Доркін В.В., Літвіновскій Д.А. Прочність, трехчіностоікость і дольговічність konstruktsionnogo betona при temper-атурних і влажностних воздеіствіяках. [Durability, crack resistance і durability structural concrete at temperature and humidity effects Monograph]. Москва: INFRA-M. 2018. 258 p.

6. Москвин В.М., Іванов Ф.М., Алексєєв С.Н., Guzeev E.A.Коррозія бетона і железобетона, методи їх защіти [Corrosion of concrete and reinforced concrete, методів of their protection]. Москва: Stroyizdat. 1980. 536 p.

7. Леонович С.Н., Літвіновский Д.А. Destruction viscosity of high-strength конкретний після high temperature impact. Строительні матеріали [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 12-17. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-754-11-12-17. (In Russian).

8. Леонович S.N., Litvinovskii D.A. Properties of structural concrete after a fire. Судебна експертиза Belarusi. 2017. No. 2 (5), pp. 51-57. (In Russian).

9. Москвин В.М., Капкін М.М., Мазур Б.М., Подвал'яні А.М. Stoikost' betona i zhelezobetona при отрицательной temperature [Resistance of concrete and reinforced concrete at negative temperature]. Москва: Gosstroyizdat. 1967. 132 p.

10. Кунтевич О.В. Betony vysokoi morozostoikosti для sooruzhenii Krainego Severa [High frost resistance concretes for buildings of the Far North]. Leningrad: Stroyizdat. 1983. 130 p.

11. Milovanov A.F. Желебобетонние temperoturostoikie конструкції [Reinforced concrete heat-resistant constructions]. Москва: NIIZhB. 2005. 234 p.

12. Milovanov A.F. Stoikost 'железобетонних konstruktsii при pozhare [Resistance of reinforced concrete structures in case of fire]. Москва: Stroyizdat. 1998. 304 p.

13. Fedorov V.S., Levitskii V.E., Molchadskii I.S., Alek-sandrov A.V. Ognestoikost' і pozharna opasnost' stroitel'nych konstruktsii [Fire resistance and fire hazard of building constructions]. Москва: ASV. 2009. 410 p.

14. Il'in N.A. Последствия огневого автодеіствія на железобетонние konstruktsii [The effects of fire exposure for concrete constructions]. Москва: Stroyizdat. 1979. 128 p.

Як вибухає бетон і чому це відбувається: видовищне відео

Вчені провели низку випробувань і нарешті встановили точну причину того, чому бетон вибухає під час нагрівання і як саме це відбувається. Зрозуміло, не обійшлося без видовищних експериментів!

Бетон - це, мабуть, одні з найдивовижніших матеріалів сучасності. Надзвичайно міцний, дешевий і довговічний склад з'явився ще в Стародавньому Римі, і саме завдяки йому багато римських споруд частково збереглися до наших днів. Довгий час рецепт бетону було втрачено, і знадобилося кілька століть, щоб відновити та покращити вихідну формулу.

Якщо бетон нагріти до надзвичайно високих температур, він не оплавиться, як звичайний камінь, а вибухне з неабиякою силою. Такі вибухи можуть мати дуже значні наслідки, коли поблизу бетонної конструкції спалахує пожежа. Примітно те, що фізика цього процесу досі не зрозуміла вченим. Команда дослідників вирішила виправити це непорозуміння і замкнулася в лабораторії, де вчені почали методично підривати шматки бетону.

У рамках дослідження фахівці зі Швейцарії та Франції виготовили власний бетон найвищої якості та нагріли його до кількох сотень градусів. Після цього процес вибуху було знято на звичайну камеру, а за допомогою методу нейтронної томографії вдалося отримати тривимірне зображення самого вибуху, що розкриває його суть у всіх подробицях. Ось як це виглядало:

Вченим давно відомо, що вибухи викликає випаровування води, частинки якої укладені всередині розчину, що затвердів. У міру нагрівання водяна пара розширюється, і в кінцевому результаті тиск досягає критичної точки і вивільняється в тих місцях, де структура речовини найслабше. Однак у цій роботі вперше вдалося встановити точний механізм того, що відбувається усередині бетону.

З'ясувалося, що при нагріванні цемент зневоднюється, втрачаючи частину води у вигляді пари.Ця пара починає віддалятися від джерела тепла, проте цьому процесу перешкоджає сама структура бетону - вода опиняється в пастці. Звичайний бетон не має пористості, а тому пара шукає будь-яку можливість для розширення і заповнює всі внутрішні дефекти та мікротріщини. Коли місця зовсім не залишається, тиск наростає до критичної межі, поки нарешті не відбувається розрив зсередини.

Озброївшись цією інформацією, фахівці вже розробили низку добавок, які зможуть запобігти таким вибухам і зробити бетон безпечнішим під час пожежі. Це хороша новина для пожежників — більше не доведеться ризикувати життям і заливати водою величезну площу бетонної будівлі у разі найменшого спалаху.