Ущерб, причиняемый пожарами, увеличивается с каждым годом. Как показывает статистика, прямые убытки от пожара, составлявшие в Великобритании около 75 млн. фунтов стерлингов в 1965 г., возросли до 200 млн. к 1975 г.
Обычно после пожаров внешний вид зданий бывает таким неприглядным, что владелец приходит к выводу о необходимости его разборки и повторного строительства. В этом случае полные затраты становятся очень большими, из них значительная часть приходится на материальные убытки, связанные с перерывом эксплуатации сооружения. Такой перерыв может длиться от 6 мес до 2 лет и более. Установлено, что в среднем стоимость ремонтно-восстановительных работ примерно на 50% превышает стоимость замены оборудования. Поэтому достоверная оценка объемов повреждений очень важна и должна выполняться после пожара как можно раньше. После того как удалены обломки, вода и т. п., внимательное обследование сооружения часто показывает, что, несмотря на неприглядный внешний вид здания из-за обуглившихся элементов облицовки, обгорелого оборудования и закопченных конструкций; большая часть сооружения может быть восстановлена. Если отдельные части и подлежат разборке, то количество их невелико.
Железобетонные конструкции повреждаются при очень сильных пожарах. Однако причиняемые им повреждения значительно меньше, чем повреждения сооружений из других строительных материалов. Часто высказывается мнение, что в вопросах поведения железобетона под действием огня многое остается неизвестным. Это связано с тем, что воздействие огня на бетон зависит от температуры и продолжительности ее действия, а также от таких характеристик бетона, как тип цемента,водоцементное отношение, расход цемента, тип заполнителя и толщина защитного слоя бетона. Для легко армированных железобетонных панелей значительное влияние оказывает толщина панели и градиент температур.
В последние годы появился ряд малообоснованных заявлений о том, что поливинилхлорид (ПВХ) сгорая выделяет такое большое количество хлора, что при растворении его в воде от спринклерных систем и пожарных шлангов образуется хлористоводородная кислота. Ее концентрация достаточно высока для агрессивного воздействия и существенного повреждения любого бетона на портландцементе, с которым она контактирует. При нормальных условиях на строительной площадке может образоваться очень слабый раствор хлористоводородной и хлорноватистой кислот. Вряд ли концентрация достигнет такого уровня, что это приведет к более серьезным последствиям, чем незначительное травление поверхности бетона. В большинстве случаев не происходит даже и этого.
Возможно также агрессивное воздействие на черные металлы, но сталь без специальной защиты всегда ржавеет в условиях влажной атмосферы. Обычный защитный слой бетона обеспечивает необходимую степень защиты от этого вида агрессии.
3.14.1. Оценка повреждений
В этом разделе рассмотрено воздействие на строительные конструкции пожаров сравнительно небольшой продолжительности, порядка нескольких часов. Наиболее важным показателем, который необходимо установить как можно точнее, является максимальная температура, достигаемая при пожаре в различных частях здания. Это касается наружной поверхности таких несущих элементов, как перекрытия, балки и колонны. Наиболее подвержены воздействию температуры нижние поверхности железобетонных плит перекрытий и балок.
В Научно-исследовательской станции по огнестойкости в Борэм Вуд (Хартфордшир) проведены многочисленные испытания материалов и конструктивных элементов. Результаты этих испытаний использованы для установления степени огнестойкости материалов и элементов, которые включены в Строительные нормы в виде пределов огнестойкости в часах. Соответствие результатов испытаний на огнестойкость и действительного воздействия пожара на аналогичные материалы и конструкции сомнительно. Должно существовать различие между искусственными условиями, создаваемыми при лабораторных испытаниях, и условиями, в которых находится здание при пожаре. Особенность воздействия пожара на строительные материалы и конструкции определяется ко только разницей температур, но и концентрацией пламени, продолжительностью его воздействия, наличием других материалов и работой противопожарного оборудования.
При действии огня изменяется не только прочность конструкции, но в ней возникают и напряжения, объясняемые ростом температуры до максимума и последующим остыванием до температуры окружающего воздуха после прекращения пожара. Напряжения от температурного расширения и сжатия зависят от большого числа факторов, в том числе от степени защемления одних элементов конструкции другими и перепада температур. Последний фактор может быть отнесен к влиянию условий на строительной площадке, который трудно смоделировать в лабораторных условиях.
Однако, как и при других испытаниях сооружений, не существует разумного альтернативного подхода, а лабораторные испытания дают большой объем полезной информации. Тем не менее следует четко представлять их ограниченность. Опыт показывает, что в целом материалы и элементы конструкций, для которых получены хорошие результаты при испытаниях на огнестойкость, надежно работают в условиях пожаров, и наоборот.
Очень важно по возможности точнее оценить максимальные температуры, которые могут быть достигнуты в разных частях сооружения во время пожара, и перепад температур в отдельных элементах конструкции.
Максимальные температуры можно с достаточной степенью точности оценить на основании тщательного осмотра следов обрушения после пожара. Следовательно, чем раньше проведены осмотр и обследование, тем лучше; в противном случае во время уборки после пожара может быть уничтожена ценная информация. Температуры, определенные таким образом, вероятно, будут значительно отличаться от температур, которым подвергались многие элементы конструкции во время пожара.
Как правило, более четкие пределы температур во время пожара можно установить после изучения видимых повреждений железобетонных конструкций. Эти данные можно затем использовать при планировании дополнительных исследований и испытаний, необходимых для выявления степени требуемого ремонта.
В последующем разделе отмечается, что следы пожаров могут быть обманчивы и не позволяют безоговорочно судить о характере повреждений. В связи с этим для строгой оценки влияния пожара на сооружение следует изучать следы разрушения элементов из других материалов. Под другими материалами обычно подразумеваются металлические детали, керамика и стекло. Время, в течение которого элементы из этих материалов подвергались воздействию высоких температур, является весьма важным фактором, и вся информация о продолжительности пожара и его предполагаемой интенсивности имеет первостепенное значение.
Алюминий и его сплавы начинают плавиться при температуре порядка 600—700°С, чугун — при 1100—1200°С, латунь — при 900—1000°С. Стекло размягчается примерно при 700°С и плавится (течет) при 850°С.
Основная проблема заключается в определении воздействия пожара на железобетонные конструкции. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, следует рассмотреть воздействие огня на составляющие бетона, на стальную арматуру и на конструкцию в целом.
3.14.2 Воздействие высоких температур на портландцемент
Очевидно, что воздействие высокой температуры зависит от достигнутого уровня и продолжительности ее действия. Прежде всего следует рассмотреть влияние этих факторов на портландцементный камень, так как в случае его значительного повреждения бетон, как правило, расслаивается.
При пожаре свободная (избыточная) вода в бетоне испаряется из поверхностных слоев и здесь образуются усадочные трещины. До температуры примерно 100°С не происходит значительной потери химически связанной воды даже при продолжительном ее воздействии. При повышении температуры сверх 100°С наблюдается постепенная потеря химически связанной воды из гидросиликата кальция. Фактические потери зависят от температуры и времени ее воздействия. С потерей химически связанной воды в бетоне прочность снижается в соответствии с количеством потерянной воды. Однако если бетон охладить, то дальнейшего снижения прочности не происходит.
Если температура бетона поднимается до 400°С и выше, то силикат кальция начинает разлагаться — образуются негашеная известь и окись кремния. Этот процесс необратим и наблюдается постепенная потеря прочности во времени. Если бетон начинает остывать, негашеная известь поглощает влагу и превращается в гашеную известь (гидроокись кальция), что вызывает разрушение бетона.
3.14.3 Воздействие высоких температур на глиноземистый цемент
При температуре, превышающей 100°С, происходит постепенная потеря химически связанной воды из гидроалюмината кальция. Примерно при 400°С начинается разложение с образованием главным образом алюмината кальция и окиси алюминия, которые более устойчивы, чем окись кальция, образующаяся при разложении портландцемента. Этим в основном объясняются огнеупорные свойства глиноземистого цемента, который вместе со специальными заполнителями применяют для производства огнеупорного бетона.
3.14.4. Воздействие высоких температур на заполнители
Воздействие температуры зависит от минералогического состава заполнителя. Заполнители, используемые в бетоне для несущих конструкций, делятся на естественные и искусственные. Первая группа подразделяется на заполнители вулканического происхождения, кремнистые и известняковые.
Изверженные породы, такие, как гранит, базальт и т. п., достаточно устойчивы при температуре до 1000°С, хотя при резких ее колебаниях в них могут образовываться трещины.
Кремнистые заполнители, например кремневая галька, при определенных критических температурах резко увеличивают свой объем, и это может явиться причиной разрушения бетона. Такими критическими температурами являются примерно 250 и 575°С.
Известняковые заполнители при повышении температуры расширяются довольно равномерно. Примерно при 400°С в них происходят изменения и образуется негашеная известь (как и в случае портландцемента). При охлаждении негашеная известь поглощает влагу, образуя гидроокись кальция и значительно снижая прочность .материалов.
Искусственные легкие заполнители, такие, как вспученные глины и глинистый сланец, спекшаяся зола-унос и доменный шлак, изготовляются при температурах выше 1000°С, и поэтому они очень устойчивы при температурах ниже этого уровня.
3.14.5. Воздействие высоких температур на стальную арматуру
Повышение температуры до 700°С практически не оказывает влияния на прочность и вязкость малоуглеродистой и горячекатаной высокопрочной стали. Это положение справедливо после снижения температуры до нормальной. Влияние повышенной температуры на арматуру элементов под нагрузкой, а также разрушающее влияние ее расширения должно быть предметом тщательного изучения.
3. 14.6. Исследования и испытания, предшествующие восстановлению и ремонту
Ниже приведены рекомендации по всестороннему изучению железобетонных конструкций зданий, получивших повреждения при пожаре. Для обоснованной оценки и точных рекомендаций по ремонту и восстановлению следует проводить испытания вырезанных из конструкции образцов бетона и арматуры. К отбору и испытанию образцов следует подходить весьма осторожно в связи с тем, что эти работы требуют больших затрат. Достаточно полная информация может быть собрана на основании подробного визуального осмотра.
После изучения влияния высоких температур на портландцемент, заполнители и стальную арматуру можно перейти к практическим вопросам оценки воздействия пожара на железобетон.
Открытые поверхности элементов, безусловно, будут подвергаться максимальному воздействию температуры при пожаре, а по мере удаления от них температуры резко снижаются. При температуре более 400°С цементный камень получает необратимые повреждения и можно считать, что это относится также к бетону. Защитный слой бетона является эффективным средством теплозащиты, поскольку, как было выявлено при так называемых обычных пожарах, температура бетона на глубине 50 мм от поверхности не превышала 300вС. При очень сильных пожарах эта температура будет на глубине 75—100 мм. Как отмечалось, критической температурой для бетона можно считать 400°С, когда силикат кальция в составе цемента начинает превращаться в окись кальция. Многие опытные инженеры считают, что эта критическая температура находится на более низком уровне — порядка 300°С.
Весьма примечательно, что при критической температуре (при 300 и 400°С) заметно изменяется окраска бетона: появляются розовый или бледно-красный оттенки.
Если имеется достаточное освещение, что совершенно необходимо при обследовании, этот розовый цвет можно легко заметить. Однако окраска может исчезнуть, если температура была очень высокой. В этом случае бетон выглядит очень рыхлым. Иногда окраска может со временем исчезнуть. Поэтому очень важно начинать обследование после пожара как можно раньше.
Не следует думать, что окончательные выводы о степени повреждений можно сделать лишь на основании визуального осмотра. В дополнение к осмотру следует отбить куски бетона с помощью ручных или пневматических инструментов. Это позволит быстро обнаружить бетон с низкой прочностью. Кроме того, следует взять несколько кернов. Весьма желательно использование современной аппаратуры для ультразвукового контроля.
При сильных пожарах в плитах всегда обнаруживаются арматурные элементы, которые потеряли устойчивость, что свидетельствует о необходимости их замены. Из потерявших устойчивость стержней можно вырезать образцы и испытать их для определения предела текучести и вязкости. Как правило, обнаруживают, что повреждения в плитах значительно больше, чем в балках. Это непосредственно связано с большей толщиной защитного слоя бетона в балочных конструкциях.
Весьма существенно, чтобы при обследовании выполнялась тщательно продуманная система измерений и фиксации повреждений всех частей сооружения. Их следует подразделить на ряд категорий, таких, как незначительные, умеренные, сильные. Каждая категория должна быть четко определена с помощью основных критериев, например устанавливают вид поверхности (расслоение, окраска, трещинообразование, волосные трещины на поверхности и т. п.), уровень достигнутой температуры, механические характеристики, определенные ударным способом с помощью молотка и долота, а также состояние арматуры. К этому следует добавить (если удается получить) результаты испытаний кернов, образцов арматуры и ультразвукового контроля. Каждый из значительных пожаров вызывает много специальных проблем. Много статей посвящено воздействию пожаров различной интенсивности на строительные конструкции самых разных типов. Некоторые из этих статей приведены в библиографии в конце настоящей главы.
3.14.7. Применение торкрет-бетона для ремонтно -восстановительных работ после пожаров
Когда основным методом ремонтно-восстановительных работ является применение армированного торкрет-бетона, каждая из рабочих операций имеет свои особенности и трудности. Основной вопрос заключается в том, будут ли коэффициент запаса и степень огнестойкости сооружения после ремонта такими же, как до пожара, если ремонт выполняется с помощью торкрет-бетона (пневматически нанесенного цементно-песчаного раствора), известного в США как «шоткрит» и в ФРГ — «торкрет».
По мнению' автора, в общих чертах ответ будет положительным, если ремонтно-восстановительные работы проведены правильно и использован торкрет-бетон высокого качества. Для подтверждения правильности проектных предложений и проверки качества ремонта в практике строительства предусматривается проведение испытаний под нагрузкой, которая обычно принимается на 25% больше расчетной. Что касается пределов огнестойкости цементно-песчаного раствора, то они приведены в табл. 3.1—3.3, взятых из норм СР 11 и СР 119. Из этих таблиц видно, что цементно-песчаный раствор имеет, по крайней мере, те же пределы огнестойкости, что и бетон той же толщины. Ряд специалистов считают, что высококачественный цементный раствор сопротивляется действию огня лучше бетона в связи с тем, что он менее подвержен расслоению.
«Семент Ган Компани» предложила один из наиболее поврежденных пролетов, восстановить, т. е. вернуть первоначальную несущую способность, а затем испытать при нагрузке, на 25% превышающей расчетную полезную (34 кПа). При действии на конструкцию нагрузки в течение 24 ч был замерен максимальный прогиб в середине пролета. Затем нагрузка была снята и в течение следующих 24 ч прогибы уменьшались. Максимальный прогиб в середине пролета составлял 1,37 мм и уменьшился после разгрузки на 94%. Измерялись также прогибы несущих балок, которые составляли 1,95 и 2,33 мм. Обратимые прогибы были равны соответственно 83 и 98%.
В рассматриваемом случае все заметные разрушения наблюдались в плитах перекрытий и в несущих балках. Повреждения бетона вокруг стальных опор были незначительны. Общая площадь, на которую следовало уложить бетон, составляла 4000 м2. Сильно поврежденная плита показана на рис. 3.15. В нескольких слабо поврежденных местах отмечалось лишь поверхностное расслоение бетона, а в сильно поврежденных ремонт почти всей рабочей арматуры не представлялся возможным, и она была полностью заменена.
Перед составлением проекта восстановительных работ необходимо установить истинный объем повреждений. Для ускорения этих работ следует предусматривать удаление бетона со всех участков (рис. 3.16), явно поврежденных при пожаре, и производить его осмотр в процессе выполнения этих работ, дополняя их ультразвуковым контролем.
Как правило, не существует общепринятого метода для предварительного определения несущей способности восстанавливаемой плиты, поскольку она зависит от сцепления между торкрет-бетоном и старым бетоном, прочности торкрет-бетона, сцепление между торкрет-бетоном и арматурой
Ультразвуковой контроль проводился в 9 точках каждой плиты, а также на образцах бетона, взятых в середине каждого пролета. Это позволило составить для всего перекрытия картину повреждений. На основании этих данных были проведены расчеты и разработана методика размещения нагрузок, которые являлись бы наиболее опасными для конструкции после ремонта.
Ремонтные работы проводились в следующем порядке: подготовка существующего бетона с удалением всех расслоившихся, рыхлых и поврежденных пожаром участков, нанесение высокопрочного сильно армированного торкрет-бетона.
В зависимости от степени повреждения пролетов разработали три проектных решения.
1. Сильно поврежденные пролеты:
- а) вся существующая рабочая арматура была вырезана, а весь поврежденный бетон удален, причем на глубину до 75—90 мм;
- б) к неповрежденному бетону параллельно пролету прикреплялась система высокопрочной арматуры в виде сетки с рабочими стержнями;
- в) устанавливались новые стержни арматуры диаметром 16 мм, которые прикреплялись внахлестку на 600 мм с каждой стороны к сохранившимся стальным стержням, расположенным вокруг балок;
- г) наносился слой высокопрочного торкрет-бетона с 20-мм минимальным защитным слоем.
- а) вырезались только поврежденные стержни арматуры, а затем удалялись все участки поврежденного бетона;
- б) выполнялись операции «б, в, г», как указано выше.
- а) вся нижняя поверхность плиты обрабатывалась пескоструйным аппаратом на глубину до 6 мм;
- б) к бетону прикреплялась сетка из высокопрочной арматуры, размер которой зависел от площади повреждений;
- в) наносился высокопрочный торкрет-бетон с обеспечением минимального 20-мм защитного слоя.
Керны и кубики испытывали в специализированной лаборатории, независимой от фирмы, проводившей ремонт, в соответствии с требованиями BS 1881 «Методы испытаний бетона». Прочность на сжатие кернов была в диапазоне 55—75 МПа, а кубиков в возрасте 14 сут — более 65 МПа.
В заключение этого очень краткого описания ремонтно-восстановительных работ, продолжавшихся около 12 мес, следует отметить, что удаление поврежденного пожаром бетона является трудным, неприятным, трудоемким процессом. Ремонт выполнялся с высоких подмостей, поставленных близко к нижней поверхности плиты. Обетонированные стальные балки образовывали вокруг каждого пролета препятствие, затрудняя таким образом освещение и, что самое главное, вентиляцию рабочих мест. Во время скалывания бетона шум и пыль были невообразимыми.
Вначале для удаления поврежденного бетона предполагалось использовать напорные струи воды. Однако в связи с требованиями, выдвинутыми владельцами склада к условиям выполнения ремонтных работ, от этого метода пришлось отказаться.