VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Влияние высоких температур, как правило, затрагивает практически все механические свойства строительных материалов. В основном оно приводит к повышению пластичности и уменьшению их прочности. При значительном изменении температуры зачастую происходят сложные физико-механические процессы, в связи с этим сильно изменяются свойства. Например, пластичные материалы становятся хрупкими, и наоборот; изменениям подвергаются деформативные свойства и прочность. Также происходят изменения, приобретающие необратимый характер, то есть после восстановления нормальной температуры, к материалам не возвращаются первоначальные свойства.

Большую роль играет влияние высоких температур на такие строительные материалы как бетон, железобетон и металл, так как они являются наиболее распространенными и чаще всего используются в процессе строительства и производства оборудования по сравнению с другими материалами.

Как известно, щебень, цемент, вода и песок являются основными составляющими бетона. И необходимо, чтобы во время процесса бетонирования были соблюдены определенные условия, такие как нормальная температура и уровень влажности воздуха. При застывании бетонной смеси происходит процесс гидратации (присоединение молекул воды к ионам вещества), который является экзотермическим и происходит с выделением теплоты в большом количестве. В данном случае, при повышении температуры выше допустимой, начинается интенсивное испарение воды, в результате чего образуется большое количество незаполненных пор. Как следствие этого, снижается плотность бетона и происходит резкое ухудшение прочностных показателей. Воздействие высокой температуры при застывании, приводит к появлению у материала высокой прочности в течение первых нескольких суток, но затем ситуация изменятся в обратную сторону. Образцы, сформировавшиеся при нормальной температуре, все-таки, оказываются более прочными. В диапазоне более низких температур имеется оптимальное значение, при котором бетон достигает самой высокой прочности. Отметим тот факт, что бетон, который изготовили при оптимальной температуре 4,4° С, в течение месяца хранили при низкой температуре (—3,9° С), а затем при 23,9° С на протяжении трех месяцев является более прочным, чем такой же бетон, хранившийся при неизменной температуре 23,9° С. Но можно ослабить уровень негативного воздействия высоких температур в процессе схватывания бетона, применив в качестве добавки хлористый кальций. В целом, многолетний строительный опыт показывает, что бетон, укладываемый зимой, при правильном уходе, будет иметь более высокую прочность, чем аналогичный – укладываемый летом. Как подтверждение этого, отметим, что в тропических странах наблюдается тенденция более низкой его прочности. Таким образом, чем выше температура при схватывании бетона, тем ниже прочность.

Что касается воздействия высоких температур на готовые изделия из бетона, то здесь, также наблюдается негативное влияние. Прочность бетона снижается. Это заметно уже при нагреве до 200-300° C, свыше 300° C происходят изменения, приобретающие необратимый характер. Прочность уменьшается в 2 раза при нагреве до 400° C и в 3 раза – до 500° C. Увеличение деформативности и уменьшение модуля упругости бетона, также являются последствием воздействия высоких температур.

Стоит отметить, что конструкции многих зданий и сооружений подвергаются воздействию технологических температур. Плюс ко всему они должны обладать хорошей огнестойкостью. Поэтому все каменные и железобетонные конструкции, как правило, рассчитываются на огнестойкость и нагрев. Для изготовления конструкций, работающих в условиях высоких температур до 300º С, применяется бетон обычной или плотной структуры, свыше 300º С – жаростойкий бетон. При его нагреве до 60 - 100º С происходит снижение прочности при сжатии на 10-15% и на 25-30% при его растяжении. Это можно объяснить снижением прочности цементного камня и возникновением расклинивающего действия водных пленок в цементе. При нагреве бетона свыше 300º С происходит понижение его прочности в результате появления нарушений в структуре цементного камня и возникновения существенных напряжений из-за градиента температуры между внешними и внутренними слоями бетона. Что касается легкого бетона, то снижение его прочности происходит лишь при нагревании свыше 300º С, так как он нагревается гораздо медленнее из-за достаточного количества пор. Если его долгое время нагревать до температуры 200º С, то прочность бетона при сжатии может восстановиться, а если подвергать цикличному воздействию влажности окружающей среды и температуры, то плотность резко падает (на 30% после 50 циклов и на 50% после 200). Влажный бетон может хрупко разрушаться при сильном нагреве, например во время пожара.

Касаемо железобетона, ситуация обстоит немного иначе. Как известно, железобетонные конструкции состоят из бетона и арматуры, поэтому здесь имеет место комбинированное воздействие высоких температур, в результате которого возникают внутренние напряжения. Они вызваны различными коэффициентами деформации цементного камня, заполнителя и стальной арматуры. При постоянном воздействии на железобетон технологических температур, как было указано выше, происходит снижение прочности бетона. Как правило, он разрушается при длительном нагреве до 500-600º С и последующем охлаждении. Происходит снижение прочности сцепления арматуры периодического профиля с бетоном на 30%. Однако сцепление гладкой арматуры с бетоном резко уменьшается уже при 250º С. Под влиянием высоких температур происходит разрушение железобетонных балок, как следствие разрыва растянутой арматуры, нагретой до предельной температуры.

Наиболее подверженным воздействию высоких температур является металл. При нагревании в нем возрастает подвижность атомов, происходит обмен их местами, увеличение амплитуды колебаний и ослабление межатомных связей. Именно это влечет за собой изменения физико-механических и механических, прочности в частности, свойств металлов и сплавов.

Различные виды стали широко применяются для изготовления различных металлоконструкций уже с 80-х годов XX века, поэтому именно она заслуживает наибольшего внимания. Стальные конструкции обладают небольшой массой и высокой прочностью, отличаясь при этом незначительными габаритами. При воздействии высоких температур около 200-250° С, свойства стали практически остаются неизменными. Но уже при нагревании до 250-300° С происходит незначительное повышение прочности и снижение пластичности. При такой температуре сталь становится более хрупкой. В данном случае не рекомендуется подвергать её деформациям или оказывать ударное воздействие. В результате нагрева свыше 400°С происходит резкое падение предела текучести и временного сопротивления, а при дальнейшем повышении температуры до 600° С сталь теряет свою несущую способность, как следствие наступившей температурной пластичности. В данном случае при воздействии высоких температур с уменьшением толщины стенки происходит потеря прочности и переход из упругого состояния в упруго-пластичное.

Таким образом, при влиянии на металл значительных температур, падают пределы упругости, текучести, прочности и твердость, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного сечения при разрыве растут. При повышении температуры происходит проявление способности металла к очень медленному, но непрерывному изменению размеров под действием слабых и постоянных по времени напряжений. Металл удлиняется, "ползет". Это явление называется "ползучесть". При постепенном удлинении металла появляются микропустоты и трещины с концентрацией напряжений вокруг них и, в конечном счете, происходит разрыв.

Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться (ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре. Практически считают, что, начиная с 400°, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть. Необходимо учитывать явление ползучести при выборе материала для изготовления различного рода конструкций, особенно для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических установок, которые работают при высоких температурах.

Таким образом, воздействие высоких температур практически на любой строительный материал приводит к отрицательным последствиям, в результате чего происходит потеря прочностных свойств и несущей способности. Для того чтобы оградить материалы от отрицательных температурных воздействий необходимо устраивать защитные слои из огнестойких материалов, либо использовать для изготовления конструкций и оборудования специальные особо прочные материалы, предназначенные для применения в высокотемпературных средах.

Код для цитирования: Скопировать