Строительные материалы и их поведение в условиях пожара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Академия Государственной противопожарной службы

МЧС России

Кафедра «Пожарная безопасность в строительстве»

Контрольная работа

Раздел 1. Строительные материалы и их поведение в условиях пожара

Дисциплина «Здания, сооружения и их поведение в условиях пожара»

Выполнил: слушатель 5 «Б» курса

Абдулаев Исмаил Ибрагимович

Москва 2016

Содержание

1. Достоинства и недостатки полимерных строительных материалов (пластмасс) по сравнению с древесиной по свойствам, применению в строительстве, поведению в условиях пожара

2. Поведение известняка и гранита в условиях пожара

Литература

1. Достоинства и недостатки полимерных строительных материалов (пластмасс) по сравнению с древесиной по свойствам, применению в строительстве, поведению в условиях пожара

Научно-технический прогресс в технике и, в частности, в строительстве в настоящее время немыслим без применения полимерных материалов и пластмасс на основе синтетических смол. Во многих случаях они служат эффективными заменителями традиционных материалов: бетона, металла, древесины. Применение пластмасс в строительстве дает большой экономический эффект благодаря их ценным физико-механическим свойствам.

Полимеры -- соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся звеньев одного или нескольких типов. Полимерное вещество образуется путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Этот процесс происходит под воздействием различных факторов: высокого давления, повышенной температуры, облучения, катализации и т. п. Полимеры могут быть природными и синтетическими.

Примером природного полимера является целлюлоза, получаемая из молекул глюкозы при отщеплении от них двух атомов водорода и одного атома кислорода (т. е. воды) и соединения их в гибкую цепь. Целлюлоза является основой древесного вещества всех пород деревьев. Таким образом, древесина является полимерным материалом, производимым самой природой. Кроме того, природными полимерами являются натуральный каучук, белки и природные смолы. Все остальные виды полимерных материалов относятся к синтетическим, получаемым при промышленной переработке сырья. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиметилметакрилат, а также смолы: фенолоформальдегианые, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные, полиамидные, уретановые и др.

Полимер в сочетании с наполнителем составляет пластик (пластмассу).

Положительные свойства: легкость, водостойкость и атмосферостойкость, не требующие дополнительной пароизоляции; биостойкость, являющаяся особенно ценным свойством (только отдельные древесные пластики могут подвергаться биологическому разрушению, однако и эта опасность исключается введением антисептиков при их изготовлении); стойкость к химической агрессии; повышенные электроизоляционные свойства, немагнитность; возможность создания материалов с различной расцветкой; достаточная поверхностная твердость и др. Производственные преимущества: простота формования изделий, благодаря чему имеются широкие возможности создания разнообразных пространственных архитектурных форм; легкость обработки простейшими инструментами; клеящая способность и свариваемость; высокая заводская готовность строительных элементов, что облегчает монтаж их на стройплощадке.

Отрицательные свойства: горючесть большинства пластмасс; низкая теплостойкость пластмасс на основе термопластичных смол; ползучесть и чувствительность к действию знакопеременных нагрузок; старение. Основной производственный недостаток -- токсичность некоторых синтетических смол.

Влажность материалов и ее влияние на физико-механические свойства

Влажность древесины. Влага содержится в древесине в свободном состоянии и в гигроскопическом, коллоидно связанном состоянии. Молекула целлюлозы химически связана с молекулами воды. Все строительные породы леса могут содержать до 30% гигроскопической влаги, что называется точкой насыщения волокон. Это соответствует полной насыщенности влагой клеточных оболочек при отсутствии свободной влаги в полостях клеток. любые определения физико-механических свойств древесины должны сопровождаться одновременным определением ее влажности. Конструкции, защищенные от увлажнения, должны изготовляться из воздушно-сухого материала, что обеспечивает их стабильность, т. е. устраняет опасность усушки, коробления и растрескивания после возведения, опасность загнивания.

Влажность пластмасс. Большинство чистых полимерных веществ (кроме мочевиноформальдегидных смол), применяемых в качестве связующего при изготовлении конструкционных и теплоизоляционных пластмасс, практически не поглощают воды. Эти материалы после длительного пребывания их в воде существенно не изменяют своих свойств.

Однако наполненные (армированные) пластмассы при увлажнении изменяют свойства в худшую сторону, что связано с их структурой и природой наполнителей. Наиболее часто для производства стекловолокна используется бесщелочное алюмоборосиликатное стекло (основной компонент -- кремнезем Si02). Благодаря содержанию в стекле глинозема А1203 улучшаются его текстильные свойства и повышается его атмосферостойкость. Снижение физико-механических свойств бесщелочного стекловолокна при увлажнении носит обратимый характер, при высыхании волокна их свойства восстанавливаются. При адсорбции влаги в микропромежутки между волокнами и связующим уменьшается адгезия между ними, в результате чего понижается механическая прочность стеклопластика. Кроме того, происходит механическое разрушение нитей -- их вымывание и химическая деструкция -- растворение компонентов стекла. Для предотвращения понижения прочности стеклопластиков прибегают к специальной обработке волокон гидрофобными эмульсиями. Это, с одной стороны, предотвращает проникновение влаги внутрь материала, с другой, придает этому процессу обратимый характер. Наибольшее влияние влаги и влажности наблюдается для стеклопластиков на основе полиэфирных смол, затем эпоксидных, меньше -- для стеклопластиков на основе кремнийорганических и фенолоформальдегидных смол.

Плотность древесины. Плотность р12 древесины, измеряемая при стандартной влажности 12%, характеризует содержание древесного вещества в единице объема и является косвенным показателем прочности древесины. Плотность р12 и прочность находятся в прямой зависимости от содержания поздней древесины в годовых слоях. Последний признак является удобным средством для определения прочности древесины в полевых условиях.

Для древесины сосны содержание поздней древесины 20...25% -- хороший показатель ее механических свойств. Плотность древесного вещества всех пород -- около 1,5. Сравнив ее с плотностью различных пород, видим, что на долю пустот в древесине приходится от V2 до 3/i ее объема.

Плотность пластмасс. Плотность пластмасс, состоящих из ненаполненного полимерного вещества, равна плотности полимера. К таким пластмассам относятся органическое стекло (1,2 г/см3), винипласт (1,4 г/см3). Плотность стеклопластиков в значительной мере определяется видом связующего и процентным содержанием стекловолокна и изменяется от 1,4 г/см3 (полиэфирные стеклопластики е 25% армированием) до 1,9 г/см3 (СВАМ), от чего существенно зависят прочностные свойства стеклопластиков.

К положительным свойствам древесины, пластмасс и материалов на их основе относится малая теплопроводность, зависящая от степени пористости материала.

Коэффициент теплопроводности древесины сосны и ели поперек волокон составляет от 0,12 до 0,18 Вт/(м*К). Они служат хорошим теплоизолятором в ограждающих конструкциях. С увеличением плотности и влажности теплопроводность древесины и древесных пластиков возрастает. Теплопроводность древесины сосны и ели вдоль волокон составляет от 0,4 до 0,5 Вт/(м»К).

Смолы и материалы на их основе в плотном состоянии (при плотности 0,9... 1,9 г/см3) имеют коэффициент теплопроводности в зависимости от вида наполнителя в пределах 0,18...76 Вт/(м*К). Вспененные пластмассы являются эффективными теплоизоляторами с коэффициентом теплопроводности 0,035...0,06 Вт/(м*К).

Коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон для хвойных пород составляет от 3,6 до 5,4 * Ю"-6, поперек волокон -- от 34 до 64-10“6, т. е. на порядок выше. Влияние большого теплового расширения волокон компенсируется устройством усушечных щелей между элементами.

Значительно большие значения имеют коэффициенты линейного расширения полимерных синтетических материалов. В отдельных случаях они достигают 100 -10 6. Тепловые деформации конструкционных пластмасс должны учитываться при конструировании введением деформационных швов или эластичных компенсаторов с соответствующим их расчетом.

Общим недостатком древесины и пластмасс является слабая теплостойкость, связанная с их органической природой. Большинство конструкционных пластмасс работает удовлетворительно лишь до +60° С. Древесину можно применять в строительных конструкциях, если установившаяся температура не превышает +50° С. Отрицательные границы температуры для древесины и пластмасс не нормированы. Следует иметь в виду, что при значительных отрицательных температурах многие пластмассы становятся хрупкими. Хрупкость приобретает также влажная древесина.

Древесина и большинство конструкционных пластиков -- материалы ярко выраженной анизотропией, т е. обладают разными механическими свойствами в разных направлениях. Анизотропия обусловлена структурой, строением и составом материалов.

Деформации

В материалах, состоящих из компонентов с различными упругими свойствами, происходит перераспределение внутренних напряжений между составными частями материала. В результате напряженное состояние и деформации элементов конструкций во времени изменяются.

Явления, происходящие в твердых телах при длительном действии в них внутренних напряжений, изучает раздел механики, называемый реологией.

Сложность структур древесины и пластмасс и особенности работы под нагрузкой их вязкого компонента вызывают нарастание деформаций при постоянной нагрузке, происходящее в течение долгого времени. Такое явление называется ползучестью. Оно характерно для конструкций из древесины и пластмасс и должно учитываться при проектировании (например, приданием строительного подъема балочным конструкциям покрытия).

Следует различать мгновенные деформации и соответствующее им напряженное состояние и вязкие деформации (деформации последействия) с соответствующим напряженным состоянием.

Недостатком полимеров является их неограниченная ползучесть. Поэтому стремятся комбинировать полимер с упругим волокнистым наполнителем так, чтобы обеспечить совместность их работы под нагрузкой во всем объеме материала. Этим избегают неограниченной ползучести пластмасс, сохраняя в то же время достаточную пластичность.

В дереве сама природа позаботилась об этом, создав композиционный материал, в котором сочетаются вязкий компонент -- лигнин и кристаллический наполнитель -- мицеллы.

Влияние влажности. Влажность весьма существенно влияет на механические свойства древесины, древесных пластиков и ряда пластмасс. Механические свойства древесины при увлажнении ухудшаются, при высыхании -- улучшаются. Показатели механических свойств должны приводиться к стандартной влажности, действительной в пределах влажности от 7 до 22%. Влияние влажности сказывается в пределах от 0 до 30%, т. е. до точки насыщения волокон. Следовательно, на прочности древесины отражается только изменение гигроскопической влаги, но не свободной. При высыхании свежесрубленной древесины до воздушно-сухого состояния ее прочность на сжатие повышается до 2 раз, на изгиб до

раза с увеличением модуля упругости на 25...30%.

При увлажнении прочность стеклопластиков уменьшается. При кратковременном увлажнении в естественных условиях стеклопластики на основе полиэфирной смолы теряют прочность на 20...30%, а прочность фенолоформальдегидных стеклопластиков в этом случае уменьшается на 10... 15%. Однако после высушивания прочность их восстанавливается. При длительном увлажнении прочность полиэфирных и фенолоформальдегидных стеклопластиков снижается на 30...50%. Наиболее стойкие к воздействию влаги и воды стеклопластики на эпоксидных смолах и их модификации.

Элементы из оргстекла во влажной среде теряют прочность при растяжении на 20, при изгибе -- на 10, при сжатии и срезе -- на 25%..

Влияние температуры. Прочность древесины при повышении температуры уменьшается, при понижении -- увеличивается. Замораживание вызывает дальнейшее увеличение прочности древесины. Для влажной древесины влияние температуры сильнее, чем для сухой. Значительное повышение температуры при высокой влажности вызывает пластификацию древесины, что используется при гнутье деревянных элементов (не надо путать с изготовлением гнутоклееных дощатых элементов). При замораживании влажной древесины увеличивается хрупкость и опасность ее раскалывания (при забивке гвоздей, скоб и механической обработке), что следует иметь в виду при производстве работ в зимнее время. При повышении температуры модуль упругости древесины уменьшается и деформации элементов и конструкций увеличиваются.

Резко реагируют на повышенные температуры пластмассы, что объясняется деструктивными изменениями в их структуре. Эксплуатация конструкций из полиэфирных стеклопластиков допускается до +40° С. Более термостойки фенолоформальдегидные и эпоксидные стеклопластики, которые могут применяться в конструкциях до эксплуатационных температур 4-80° С.

2. Поведение известняка и гранита в условиях пожара

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.

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 по- лиминеральных горных пород при нагреве на примере двух материалов: известняка и гранита.

Известняк -- мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита СаС03. Нагревание кальцита до 600 °С не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным расширением. Выше 600 °С (теоретическая температура 910 %С) начинается диссоциация кальцита, 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 в ненагруженном состоянии. Н.И.Зенковым было установлено, что при нагревании известняка до 600°С происходит увеличение его прочности на 78% в связи с удалением физически связанной (свободной) влаги из микропор материала. Затем прочность снижается: при 800°С она достигает первоначальной, а при 1000°С 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°С с последующим остыванием (в горячем состоянии до 800°С). полимерный древесина пожар гранит

Рассмотрим теперь 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°С 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°С 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°С. При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность гранита в рассмотренном температурном интервале еще остается высокой: при 630°С предел прочности гранита равен начальному значению. Предел прочности гранитапри при 800оС составляет всего 35% от первоначального значения. Установлено, что скорость прогрева оказывает влияние 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.

Задача

Образцы древесины, обработанные огнезащитным составом, испытали на установке по определению эффективности огнезащитных составов и веществ для древесины (ГОСТ 16363-98). Результаты испытаний приведены в таблице (m1 -масса образца до испытания, m2 -масса образца после испытания). Выполнить обработку результатов согласно требованиями ГОСТа и сделать вывод об эффективности огнезащиты древесины.

Решение

Образцы древесины перед нанесением средства огнезащиты должны иметь влажность (8±1) %. Перед испытанием обработанные и высушенные образцы древесины взвешивают с погрешностью не более 0,1 г. Перед обработкой образцы выдерживают (кондиционируют) при температуре 20 °С и относительной влажности воздуха 42 % до постоянной массы, что обеспечивает влажность древесины (8±1) %. Затем их со всех сторон обрабатывают испытываемым, покрытием или пропиточным составом согласно техническим требованиям на данный вид огнезащитной обработки.

Определяют потерю массы каждого образца по формуле:

Находим среднее арифметическое значение полученных результатов:

Для всех образцов выполняется следующее неравенство:

Результаты сводим в таблицу:

Вывод: среднее арифметическое значение потери массы десяти образцов не превышает 9 %, покрытие или пропиточный состав относится к I группе огнезащитных средств по эффективности (раздел 6.1.3. ГОСТ 16363-98).

Литература

1. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебник/В.Н. Демехин, И.Л. Мосалков, Г.Ф. Плюснина, Б.Б. Серков, А.Ю. Фролов, Е.Т. Шурин - М.: Академия ГПС МЧС России, 2003,- 656 с.

2. Демехин В.Н., Казиев М.М., Серков Б.Б. и др. Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» - М.: Академия ГГ1С МЧС России, 2006. - 85 с.

3. Баратов А.Н., Корольченко А.Я., Андрианов Р.А. и др. Пожарная опасность строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1988.- 380с., ил.

4. ГОСТ 16363-98 Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств.

5. Демехин В.Н., Лукинский В. М.,. Серков Б.Б, Пожарная опасность и поведение строительных материалов в условиях пожара/под общей редакцией Лукинского В. М. - СПб.: ООО «Ковекс», 2002-142 с.

6. Конструкции из дерева и пластмасс. В. А. Иванов, В. 3. Клименко.-- Киев : Вища школа. Головное изд-воэ 1983.--279 с.

Размещено на Allbest.ru