1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Состав и свойства природных каменных материалов, применяемых в строительстве
Классификацию природных каменных материалов можно проводить с разных точек зрения. С точки зрения строительства, можно классифицировать их по методу получения и области применения.
С этой точки зрения они могут относится к природным каменным материалам и изделиям получают путем механической обработки горных пород, т.е. дробления, раскалывания, распиловки, отески, шлифовки (щебень, плиты и т.д.). Сырью для получения природных каменных материалов служат горные породы, физико-механические и химические свойства которых в основном не изменяются в процессе механической обработки и, следовательно, определяют свойства соответствующих материалов. По виду и степени обработки различают грубообработанные материалы (бутовый камень, щебень, гравий, песок) и профилированные изделия (изделия и профилированные детали из природного камня; штучный камень и блоки правильной формы; плиты для наружной и внутренней облицовки зданий, полов; изделия для дорожного строительства и т.п.). По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить: на пиленые, полученные абразивной обработкой (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола), и колотые, полученные ударной обработкой (бортовые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.) [17, 18].
Для целей пожарно-технической экспертизы наибольший интерес представляют каменные материалы, применяемые для изготовления несущих конструкций и облицовки.
Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания механизированным способом из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок. Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м3. Водопоглощение камня должно быть не более 30 %, морозостойкость – не менее F 15. Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки [17-19].
Пористые камни, такие, как ракушечник или вулканический туф, очень эффективны как местный материал для возведения стен, вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов, так как энергозатраты на их добычу несравнимо меньше, чем обжиг кирпича или изготовление бетонных панелей и блоков (с учётом производства цемента и арматуры).
Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым свойственны высокая морозостойкость, прочность и твердость. Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников, туфов), которые легче поддаются обработке и экономичнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора, ангидрида, гипса [39].
Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более). Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4-8 см, для внутренней – 1,2-4 см. Применение алмазных резцов позволяет изготовлять тонкие (5-10 мм) экономичные плиты, стоимость которых в 2-4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты широко применяются, особенно для внутренней облицовки.
С точки зрения химической природы все природные каменные материалы делятся на минералы и горные породы [17-19].
К горным породам относят значительные по объёму природные образования более или менее постоянного состава и состоящие из отдельных минералов (одного и более).
Минералы – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов или жизнедеятельности растительных и животных организмов, образующееся в земной коре естественным путём. Они имеют однородный химический состав, строение и свойства, т. е. минерал это физически и химически индивидуальное вещество. Если минерал химическое соединение элементов, то горная порода – механическое соединение минералов, т. е. это те камни, из которых строится «здание горных пород».
Горные породы
Состав, строение, структура, текстура и условия залегания горных пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих в определённых физико-химических условиях [18-21]. Согласно генетической (от греч. genesii – происхождение) классификации горные породы подразделяются на магматические (изверженные или первичные); осадочные (вторичные) и метаморфические или видоизменённые.
Магматические горные породы формировались в результате застывания прорвавшейся в слои земной коры или на ее поверхность расплавленной магмы. Если магма застывала под землей (на большой глубине, где преобладали высокие температуры и давление), охлаждение шло медленно и такие породы назвали глубинными (интрузивными), если на поверхности – быстрее и породы назвали излившимися (эффузивными). Для глубинных магматических пород свойственно массивное сложение, для излившихся ? как массивное, так и пузырчатое, шлаковое и др.
Все магматические горные породы в большей или меньшей степени имеют кристаллическое строение и отличаются друг от друга размером зерна кристалла и химическим составом минералов. Поскольку глубинные застывают медленнее, структура у них полностью кристаллизуется, т. е. крупнокристаллическая. У излившихся она скрытокристаллическая, мелкозернистая или стекловидная, а иногда и полностью состоит из стекла. Но иногда в них встречаются и крупные кристаллы – вкрапленники [21].
Каждой глубинной породе соответствует излившаяся, того же химического состава. Являясь аналогом глубинных, излившиеся горные породы отличаются от них по структурным и текстурным параметрам.
Разнообразие горных пород объясняется совокупностью различных физикохимических процессов, которые происходили на значительных глубинах и вели к тому, что разные части (слои) магмы обогащались различными компонентами, образуя различные горные породы [21].
По содержанию кремнезёма магматические породы подразделяют на кислые (85…65% SiO2), нейтральные (65…52% SiO2) и основные (52…35% SiO2). Кислые породы богаты соединениями кремния, калия, натрия и отличаются более светлой окраской. Основные породы содержат больше кальция, магния, железа и окрашены в более тёмный цвет. К глубинным породам относятся граниты, сиениты, диориты, габбро, лабрадориты и др.
Излившиеся (вулканические) горные породы образовались в результате вулканического извержения магмы, застывшей ближе к поверхности (в приповерхностных слоях до 5 км) или на самой поверхности земли при более низкой температуре и давлении. Из-за быстрого охлаждения магмы (лавы), такие породы закристаллизовались лишь частично. Они имеют, как правило, стеклообразную, скрыто- или мелкокристаллическую структуру, иногда на фоне крупных кристаллов. Такое строение горных пород называют ещё порфировым по аналогии с широко распространёнными среди этой группы пород порфирами. Наличие крупных вкрапленников на фоне мелкокристаллической структуры повышает декоративные качества такого камня, но понижает атмосферостойкость.
Излившиеся горные породы могут иметь как плотное строение (массивные породы), так и пористое (рыхлые и сцементированные). К массивным излившимся горным породам относятся порфиры, диабазы, базальты и др. По составу они являются аналогами глубинных горных пород, но отличаются по структуре и текстуре [20].
Осадочные горные породы имеют вторичное происхождение. Их образование происходило как на поверхности Земли или в приповерхностной ее части из продуктов разрушения ранее существовавших горных пород, так и на дне водных бассейнов из остатков отмерших организмов, растительного мира (водорослей и т. п.). Процесс образования протекал по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Такие породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения при мощности отложений от нескольких дециметров до нескольких сот метров. В одном и том же месте могут чередоваться слои разнообразного состава, например, глины, песка, известняка, мергеля, песчаника, сланца, конгломератов и др. Поэтому все осадочные породы имеют практически одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки – слоистость и пористость. Они отличаются также многообразием структур и текстур, с широким варьированием формы и размеров частиц.
В зависимости от условий образования их подразделяют на породы химического, органогенного и механического (обломочного) происхождения. Породы химического и органогенного происхождения часто бывают связаны друг с другом рядом переходов.
Структура химических пород определяется размерами кристаллов слагающих их минералов (крупно-, средне-, мелкозернистая, скрытокристаллическая), а органогенных – сохранностью входящих в них остатков и принадлежностью их к тем или иным группам организмов. Органические остатки могут быть разрушены и не разрушены [17-21].
Породы химического происхождения образовались в результате осаждения минеральных веществ из истинных (путём кристаллизации) и коллоидных (вследствие коагуляции) растворов с последующим уплотнением и цементацией. Общая особенность таких пород – пористость, трещиноватость и растворимость в воде. К ним относят доломит (CaCO3·MgCO3), гипс (CaSO4·2H2O), ангидрит (CaSO4), магнезит (MgCO3) и др.
Органогенные горные породы образовались в результате отложения и уплотнения (цементации) отмерших организмов, водорослей и других растений. Они могут быть кремнистого и карбонатного составов. К первым относятся диатомиты, трепелы, опоки. Ко вторым – известняк, мел и др.
Известняк (белый камень) – образовался в водных бассейнах из остатков животного и растительного мира, или как продукт химических осадков. Рыхлые скопления этих осадков уплотнялись давлением воды и скреплялись углекислым кальцием.
Известняк самая распространенная осадочная горная порода. Более 10% всех отложений земного покрова занимают известняки различного качества и свойств.
Состоит в основном из минерала кальцита CaCO3 и примесей глины, кварца, доломита и др. Примеси MgCO3 и SiO2 повышают твёрдость, прочность и стойкость известняков. В зависимости от условий образования различают известняки плотные и пористые. Плотность известняков составляет от 800 кг/м3 (известняк ракушечник, травертин) до 2800 кг/м3 (плотные кристаллические), прочность на сжатие соответственно от 0,4 до 300 МПа. Твёрдость известняков невелика, поэтому они хорошо поддаются обработке. Известняки имеют белый, светло-серый, желтоватый и розоватый цвета, но с примесями могут иметь любой цвет вплоть до чёрного.
Используются для производства извести, портландцемента, а также щебня и облицовочных плит. Однако для облицовки зданий и изготовления архитектурно строительных изделий больше используются мраморизованные известняки.
Породообразующие минералы
Среди породообразующих минералов (англ. rock-forming minerals) выделяют первичные и вторичные [17-21]. Первичные образовались при формировании горных пород (магматических и частично метаморфических), вторичные – позднее как продукты видоизменения первичных минералов и содержатся только в осадочных горных породах (гипс, каолинит). Для каждой группы горных пород характерны свои породообразующие минералы. При этом минералы, являющиеся для одних пород второстепенными, для других могут быть главными породообразующими.
Породообразующие минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на качественные показатели горных пород. К таким свойствам относятся прочность, твердость, спайность, излом, блеск, окраска, плотность и др. Причем одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят и т. д.
Все породообразующие минералы в зависимости от химического состава, кристаллической структуры, других показателей условно делят на группы: кремнеземистые (силикаты), полевые шпаты (алюмосиликаты), железистомагнезиальные, карбонаты, сульфаты и др.,
Поведение природных каменных материалов при нагреве
Мономинеральные горные породы (известняк, мрамор и др.) при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные. Они претерпевают вначале 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) [29].
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[1].
Проиллюстрируем особенности поведения мономинеральных и полиминеральных горных пород при нагреве на примере двух материалов: известняка и гранита.
Известняк - мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита СаСО3. Нагревание кальцита до 600°С не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным расширением. Выше 600°С (теоретически температура 910°С) начинается диссоциация кальцита по реакции СаСО3 = CаO + СО2, в результате которой образуются углекислый газ (до 44% по массе от исходного материала) и рыхлый непрочный оксид кальция, что вызывает необратимое снижение прочности известняка. При испытании материала при нагреве, а также после нагрева и остывания ненагруженном состоянии 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 [17-22].
Следует иметь в виду, что в процессе охлаждения большинства материалов после высокотемпературного нагрева продолжается изменение (чаще - снижение) прочности. Снижение прочности известняка до первоначальной температуры происходит после нагрева до 700°С с последующим остыванием (в горячем состоянии до 800°С) [19].
Поскольку процесс диссоциации СаСО3 протекает со значительным поглощением тепла (178,5 кДж/кг), и образующийся при этом пористый оксид кальция обладает малой теплопроводностью, слой CaO создает на поверхности материала теплозащитный барьер, несколько замедляющий дальнейший прогрев известняка вглубь [18].
При контакте с водой при тушении пожара (либо влагой из воздуха после остывания материала) происходит повторно реакция гидратации образовавшегося при высокотемпературном нагреве негашеной извести СаО. Причем эта реакция протекает с остывшей известью [21].
CaO+ Н2О = Са(ОН)2 + 65,1 кДж.
Образующийся при этом гидроксид кальция увеличивается в объеме и является очень рыхлым и непрочным материалом, который легко разрушается.
Рассмотрим 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 [20].
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 [20].
При температуре выше 200°С начинается постепенное снижение прочности, которое объясняется возникновением новых внутренних напряжений, связанных с различием коэффициентов термического расширения минералов [20].
Уже значительное снижение прочности гранита наступает выше 575°С из-за изменения объема кварца, претерпевающего модификационное превращение. При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность гранита в рассмотренном температурном интервале еще остается высокий: при 630°С предел прочности гранита равен начальному значению [19-20].
В диапазоне температур 750 - 800°С и выше продолжается снижение прочности гранита за счет дегидратации минералов полевого шпата и слюды, а также модификационного превращения кварца в тридимит при 870°С. При этом в граните образуются более глубокие трещины. Предел прочности гранита при 800°С составляет всего 35% от первоначального значения. Установлено, что скорость прогрева оказывает влияние на изменение на изменение прочности гранита. Так, при быстром (одночасовом) нагреве прочность его начинает снижаться после 200°С, в то время как после медленного (восьмичасового) - лишь с 350°С [21].
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°С, гранит - до 630°С 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 [20].
В пожарно-экспертной практике имеются различные методики исследования природных каменных материалов. В последнее время большую актуальность приобретают комплексные исследования строительных конструкций неразрушающими лабораторными методами.
1.2. Исследование искусственных каменных материалов в пожарно-технической экспертизе
В настоящее время в пожарно-технической экспертизе существует ряд разработанных и широко применяемых методик исследования искусственных каменных материалов, учитывая относительную схожесть их состава с природными каменными материалами, можно предположить, что и для последних эти методики будут применимы.
Наиболее распространенные на месте пожара искусственные каменные материалы можно разделить на две группы:
? материалы, прошедшие высокотемпературную обработку;
? материалы, изготовленные без использования высоких температур.
Материалы, изготовленные без высоких температур, являются весьма информативными объектами пожарно-технической экспертизы. К ним относятся изделия на основе неорганических вяжущих материалов, а также силикатные строительные материалы.
К неорганическим вяжущим материалам относятся гидравлические вяжущие материалы – различные цементы и воздушные вяжущие материалы - бетон, известь.
Самым распространенным в настоящее время цементом является «портландцемент», получающийся прокаливанием известняка с глиной, содержащей определенные соотношения силикатов кальция, алюмината кальция, феррита кальция. Тонко размолотые и хорошо перемешанные составные части обжигают в специальных трубчатых печах при 1400-1450оС. Полученный материал (клинкер) подвергают очень тонкому размолу.
Основной компоненты цементного клинкера [12]
? силикат кальция (3СаО·SiO2 - 40-60 % и 2СаО·SiO2 - 15-35 %);
? алюминат кальция (3СаО·Аl2O3 5-15 %);
? алюмоферрит кальция (4СаО·Аl2O3·Fe2O3 составляет 10-15 %).
Затвердевание цемента при смешивании с водой происходит в результате гидратации, сопровождающейся образованием кристаллических гидроокиси кальция, гидроалюмината кальция, гидроферрита кальция. Сцепление массы осуществляется за счет образующихся коллоидных гидросиликатов кальция.
Негашеная известь представляет из себя гидроокись кальция Са(ОН)2 и является продуктом взаимодействия оксида кальция с водой. Гашеная известь, приготовленная с определенным количеством воды представляет из себя коллоидную пасту, содержащую значительно больше воды, чем это соответствует формуле Са(ОН)2. В смеси с песком она образует штукатурный раствор, который схватывается за счет потери воды. В течение времени раствор взаимодействует с углекислым газом воздуха и происходит реакция с образованием карбоната кальция.
Бетон представляет из себя сульфат кальция, находящегося в форме кристаллогидрата СаSO4·2Н2О. В последнее время благодаря широкому применению конструкций из бетона, к этому материалу и его изменениям при нагревании уделяется особое внимание [2].
При производстве силикатного (белого) кирпича негашеная известь смешивается с песком (SiO2) и прессуется в атмосфере насыщенного водяного пара. В результате образуется кальциевый гидросиликат mCaO nSiO2 рН2О очень близкий по составу к цементному камню.
Основными инструментальными методами исследования указанных материалов после пожара являются: ультразвуковая дефектоскопия, инфракрасная спектроскопия (ИКС), термический анализ, рентгеноструктурный анализ (РСА). Все перечисленные методы позволяют определять степень термического поражения искусственных каменных материалов, температуру и длительность нагрева строительных конструкций в различных зонах пожара для установления очага [4].
Ультразвуковая дефектоскопия (УЗД) – это один из немногих инструментальных методов определения степени термических поражений конструкций, применяемый непосредственно на месте пожара. Он относится к группе полевых неразрушающих методов контроля. Метод достаточно быстр и не трудоемок, не имеет ограничений по времени применения. Термические поражения сохраняются недели и месяцы после пожара, даже после произведенного ремонта (побелка, покраска). Метод УЗД относится к сравнительным методам исследования и не определяет конкретных значений температуры и длительности теплового воздействия на бетонную конструкцию, а лишь выявляет зоны относительно больших и меньших термических поражений. Как и любой сравнительный метод, он ограничивается в применении лишь к относительно равномерным по исходным акустическим характеристикам конструкциям. Таковыми, как правило, являются, качественные бетонные изделия заводского производства. Однако, в приводимом в настоящей главе примере показано, что он может в некоторых случаях дать удовлетворительные результаты и для монолитного бетона. Информативность метода УЗД ограничена температурным интервалом воздействия на бетонную конструкцию от ?300 оС, когда в бетоне начинают образовывать микротрещины до ?700?800 оС, когда в бетоне фиксируются видимые крупные разрушения [2].
1.3. Исследование термических поражений конструкций из искусственных каменных материалов методом ультразвуковой дефектоскопии
Как показано в первой части аналитического обзора основные изменения, лежащие в основе методик пожарно-технической экспертизы, связаны с разрыхление массы искусственных каменных материалов, появление в них микро- и макротрещин [29-30]. Данные изменения сопровождаются изменением акустических характеристик материала, которые можно оценить, изучая скорость прохождения по нему поверхностной ультразвуковой волны. Поверхностные волны - это акустические волны, которые распространяются по границе раздела сред, в слое с характерной толщиной от 1,5 до 2 длины волны. При этом колебания частиц среды волны объединяют в себе продольные и поперечные колебания. Сравнивая скорость прохождения продольных, поперечных и поверхностных волн в средах, для последней она будет минимальна.
Наибольшее интерес метод ультразвуковой дефектоскопии представляет для исследования бетонных конструкций. Проводимые исследования глубины повреждения бетона на пожаре показали, что она будет определяться как температурой, так и временем нагрева, при температуре нагрева 700-800 оС и времени нагрева 1 час разрушения бетона будут наблюдаться в слое от 25 до 50 см. Учитывая, что глубина локализации поверхностных ультразвуковых волн частотой 90 кГц в бетоне составляет 25-30 мм, можно сказать, что поверхностная волна будет распространяется в наиболее разрушенном слое. Ее скорость будет последовательно снижаться по мере разрушения бетона под действием температуры [29-30].
Проведенные многочисленные исследования разных марок бетона показали, что относительная скорость поверхностных УЗ-волн с увеличением как температуры, так и длительности нагрева последовательно снижается.
Скорость поверхностной ультразвуковой волны в бетоне не подвергнутом термическому воздействию составляет около 2000-2500 м/сек. При температуре более 800 оС скорость прохождения ультразвуковой волны невозможно зафиксировать, поскольку материал сильно разрушается.
