Введение. Проблема обеспечения пожарной безопасности зданий стала актуальной по причине роста требований к безопасности зданий и сооружений. Сталефибробетон является инновационным материалом, сочетающим свойства бетона и стальной фибры. Такое сочетание позволяет обеспечить прочность и долговечность конструкции. Однако характеристики сталефибробетона при воздействии высоких температур являются недостаточно изученными. Поэтому актуальным направлением исследования является оценка современных методик оценки огнестойкости конструкций из сталефибробетона.

Объектом исследования в статье выступает поведение и физико-механические характеристики конструкций из сталефибробетона. Предметом исследования является процесс влияния высоких температур на поведение и физико-механические характеристики конструкций из сталефибробетона. Целью данной статьи является исследование влияния высокотемпературного нагрева на физико-механические характеристики сталефибробетона. В работе анализируются изменения его прочностных и деформативных свойств, а также рассматриваются пути повышения пожаробезопасности конструкций. Практическая значимость исследования заключается в разработке научно обоснованных рекомендаций для проектирования и адаптации нормативной базы с учётом особенностей работы СФБ в условиях пожара. В рамках написания статьи представлено использование современных методов лабораторных испытаний, анализ результатов моделирования тепловых процессов и изменения структуры конструкций из сталефибробетона. При условии повышения объемов строительства конструкций из сталефибробетона полученные результаты научного исследования могут стать основой для формирования новых нормативных требований и стандартов в строительстве.

Пожарная безопасность зданий во многом определяется тем, насколько конструкционные материалы способны сохранять несущую способность при резком росте температуры. Сталефибробетон (СФБ) в этом смысле представляет собой довольно противоречивый материал. С одной стороны, стальная фибра сдерживает развитие трещин и обеспечивает остаточную прочность даже после серьёзного термического воздействия. С другой — плотная структура СФБ создаёт условия для взрывообразного разрушения, что само по себе нивелирует многие его преимущества [1]. Надо сказать, это двойственное поведение делает материал непростым объектом для расчётной практики. Существующие методики оценки огнестойкости разрабатывались применительно к традиционному железобетону и специфику СФБ попросту не учитывают.

Для части конструкций сталефибробетон представляет собой замену традиционному железобетону в элементах, подверженных незначительному растяжению и изгибу. Для элементов с полноценным армированием добавление фибры позволяет значительно повысить прочностные характеристики и трещиностойкость. Введение в бетонную матрицу стальной фибры обеспечивает дисперсное армирование, что кардинально улучшает его ключевые характеристики: значительно возрастает сопротивление образованию трещин, вязкость при разрушении и стойкость к ударным нагрузкам. Для конструкций полов и каких-либо сжатых постаментов под оборудование важным преимуществом СФБ является сокращение трудозатрат на стройплощадке, поскольку отпадает необходимость в монтаже традиционных стержневых каркасов и сеток.

Наибольшую эффективность данный материал демонстрирует в конструкциях плитных полов, тоннельных тюбингах, дорожных одеждах и ёмкостных сооружениях. Для реализации всего потенциала материала критически важен точный подбор параметров фибры — её длины, диаметра, формы профиля и дозировки, а также контроль подвижности бетонной смеси. К факторам, ограничивающим применение, относятся потенциальная коррозия стали и особые требования к технологии замешивания и укладки. При соблюдении технологических регламентов сталефибробетон служит надёжным средством повышения долговечности и эксплуатационной безотказности сооружений.

Ключевое отличие и ценность этого композита по сравнению со стандартными решениями заключается в самой структуре армирования. В дополнение или вместо дискретной арматуры, которая воспринимает усилия лишь локально, стальные волокна формируют в объёме бетона непрерывный трёхмерный армирующий каркас. Это придаёт материалу способность сопротивляться растяжению в любом направлении и сечении, трансформируя его из хрупкого состояния в квазипластичное. После образования трещины фибры продолжают нести растягивающие усилия, эффективно блокируя их развитие и раскрытие. Такой механизм разрушения обладает высокой энергоёмкостью и позволяет перераспределять внутренние напряжения.

Микроармирование бетонного композита осуществляется разными видами фибры. От материала зависят характеристики фибробетона, сфера применения изготовленных из него конструкций. Существует четыре основных вида фиброволокна, которые добавляются в строительную смесь. Каждый из них имеет свои особенности и свойства, которые наделяют бетон уникальными характеристиками.

Рассмотрим сравнительные характеристики различных типов волокон [2].

Таблица 1

Характеристики типов волокон

Наиболее распространённая, экономически выгодная и простая в производстве стальная фибра.

Бетон, благодаря дисперсному армированию стальной фиброй, демонстрирует существенно более высокие трещиностойкость, ударную вязкость и деформативность при нормальных условиях по сравнению с обычным бетоном. Однако поведение этого композита при воздействии высоких температур изучено в недостаточной степени, поэтому существующие данные носят фрагментарный и иногда противоречивый характер. В нормативной документации РФ данный вопрос не раскрыт практически никак.

В существующих исследованиях выявлено изменение характеристик в пределах нескольких температурных диапазонов.

Перейдём к анализу первого температурного диапазона — нагрева до 200°C [3]. Именно в этой области происходят начальные физико-химические изменения структуры, которые, однако, не приводят к критической потере несущей способности.

Рис. 1. Влияние процента фибрового армирования на прочность

Влияние температуры на деформативные свойства высокопрочного сталефибробетона носит двойственный характер. Хотя введение фибрового армирования повышает начальный (до нагрева) модуль упругости при сжатии во всём диапазоне температур до 200°C, сам нагрев вызывает его существенное снижение. Экспериментальные данные для крупноразмерных образцов (250×250×650 мм) с содержанием фибры 0,6 % демонстрируют потерю жёсткости уже после кратковременного нагрева: значения модуля упругости снижаются на 16,5 % при 90°C и на 25,2 % при 200°C относительно контрольной группы образцов стандартных габаритов (рис. 1.б, рис. 2 б).

Призмы из высокопрочного сталефибробетона размером 150×150×600 мм с содержанием фибры 0,6 % демонстрировали заметный рост предельных деформаций сжатия после кратковременного нагрева. При 90°C прирост относительно комнатной температуры составил 12 %, при 150°C — уже 22 %, а при 200°C — 24 %. Стоит отметить, что с увеличением доли армирования до 2,5 % картина меняется ощутимее: для тех же крайних температур (90°C и 200°C) значения выросли на 20 и 36 % соответственно.

Образцы большего сечения — 250×250×650 мм — показали схожую закономерность, хотя и с более выраженными цифрами. При μsfb = 0,6 % нагрев до 90°C давал прирост в 26,8 %, до 200°C — 36,8 % (рис. 2 в, 5 а). Когда же содержание фибры поднималось до 2,5 %, те же температурные режимы обеспечивали рост уже на 39,6 и 46,4 % соответственно (рис. 2 в, 5 в). Во всех приведённых случаях базой сравнения служили ненагретые образцы стандартных размеров (рис. 1 c) — и именно от них отсчитывались все процентные отклонения.

Рис. 2. Диаграммы деформирования «σ-ɛ» (а, c) и деформаций относительного изменения объема

При содержании фибры 2,5 % кратковременный нагрев до 90°C и 150°C сильнее ударил по прочности при осевом растяжении, чем при сжатии. Зафиксированные значения составили 0,73 и 0,82 от показателей контрольных образцов, испытанных при нормальной температуре (рис. 1 e). Для сравнения: у рядового тяжёлого бетона средней прочности уже при 90°C потери достигали 32 % — цифра, надо сказать, весьма ощутимая.

До 400°C высокопрочный сталефибробетон ведёт себя достаточно предсказуемо. Снижение прочности укладывается в диапазон 12–18 %, что при таких температурах можно считать умеренным результатом. Именно в этом температурном коридоре фиброе армирование работает наиболее продуктивно: перераспределяя внутренние напряжения и сдерживая рост микротрещин, оно компенсирует ослабление цементной матрицы. При нагреве матрица становится податливее — предельная сжимаемость при этом возрастает на 15–20 %, тогда как модуль упругости снижается, хотя и остаётся в границах, приемлемых с конструктивной точки зрения.

При нагреве от 400 до 800°C материал деградирует значительно интенсивнее. Причина — физико-химические преобразования внутри структуры: портландит обезвоживается в диапазоне 450…500°C, а гидратные фазы распадаются при 600…800°C. Следствием становятся усадка и массовое растрескивание. Потеря прочности при этом нарастает неравномерно — около 15–20 % при 400°C, уже 40–50 % при 600°C и до 60–70 % при 800°C. Матрица на этом этапе фактически перестаёт воспринимать нагрузку. Стальная фибра, правда, ведёт себя несколько иначе: несмотря на окисление и ослабление сцепления с разрушенной матрицей, она удерживает раскрытие трещин вплоть до 600…700°C, за счёт чего конструкция сохраняет остаточную несущую способность порядка 30–40 % от исходной.

Выше 600°C бетон утрачивает монолитность полностью [4]. Разрушение образцов носит сугубо хрупкий характер — никакой пластичной стадии, которая в норме присуща сталефибробетону, уже не наблюдается. Деформативные характеристики ухудшаются кардинально: предельная сжимаемость возрастает в 2–3 раза, что свидетельствует о разрыхлении структуры, модуль упругости снижается в 3–5 раз.

Рис. 3. Диаграммы изменения прочности при сжатии

При температурах свыше 800°C сталефибробетон утрачивает несущую способность полностью. Цементная матрица разрушается: гидратные фазы распадаются, портландит разлагается, заполнитель декарбонизируется. К диапазону 800–900°C материал превращается в рыхлую конгломерацию, где компоненты держатся разве что за счёт механического зацепления — никакой связности уже нет. Прочность на сжатие падает на 80–95 % от исходного значения, а при 1000°C образцы разрушаются под минимальной нагрузкой.

Стальная фибра при таких условиях тоже перестаёт выполнять свою функцию. Окисление с образованием окалины идёт активно, а выше 900°C начинается термическое разупрочнение самого волокна. Система «матрица-волокно» распадается, и перераспределение напряжений становится невозможным — по существу, композит как таковой исчезает. Правда, при более умеренном нагреве фибра ещё частично сохраняет сцепление, но в данном диапазоне рассчитывать на это не приходится.

Испытания на изгиб показывают исключительно хрупкий характер разрушения. Остаточная прочность на растяжение не превышает 5–10 % от контрольных значений — следствие полной утраты кристаллической структуры цементного камня и адгезии к волокнам. Объём пор при этом возрастает в 3–5 раз: химически связанная вода испаряется, органические компоненты выгорают. Это ведёт к потере герметичности, и бетон уже не защищает арматуру так, как должен.

Закономерности, установленные в ходе анализа исследований, — изменение физико-механических характеристик сталефибробетона при нагреве, способность материала сохранять остаточную несущую способность и склонность к взрывообразному разрушению — напрямую формируют требования к пожарной безопасности конструкций на его основе.

Отсюда возникает вопрос: насколько действующая нормативно-техническая база способна адекватно регулировать проектирование и оценку огнестойкости таких изделий. Именно это и обусловливает обращение к существующим стандартам, анализу их применимости к данному типу композиционных материалов и выявлению пробелов в регулировании.

Проектирование сталефибробетонных конструкций и оценка их огнестойкости в Российской Федерации осуществляются по общим нормам, предназначенным для железобетонных изделий. Среди них нужно выделить прежде всего СП 2.13130.2020 [7] «Системы противопожарной защиты» и СП 468.1325800.2019 [8] «Бетонные и железобетонные конструкции» — документы, на которые опираются при решении большинства практических задач в этой области.

Основной пробел действующего регулирования заключается в том, что эти нормативы не учитывают специфику композиционных материалов. В частности, они не содержат методик, адаптированных под повышенную теплопроводность сталефибробетона и его склонность к взрывообразному разрушению при быстром нагреве. Расчётные модели, разработанные для традиционного армирования, некорректно отражают работу дисперсно-армированного бетона, где фибра выполняет роль микроарматуры, изменяя характер разрушения.

В связи с этим возникает необходимость в разработке специализированных расчётных зависимостей и корректирующих коэффициентов, а также в проведении дополнительных натурных огневых испытаний для подтверждения фактического класса пожарной опасности конструкций из СФБ.

В ходе исследования установлено, что стальная фибра в бетоне при высокотемпературном воздействии эффективно сдерживает развитие трещин и обеспечивает сохранение до 30–40 % остаточной несущей способности. Однако из-за повышенной теплопроводности и риска взрывообразного разрушения применение существующих в нормативной документации методик оценки огнестойкости для таких конструкций некорректно.

Проведённый анализ выявил пробелы в действующей нормативной базе, не учитывающей специфику работы композиционных материалов. В связи с этим полученные экспериментальные данные и установленные закономерности должны стать основой для разработки специализированных расчётных моделей и корректирующих коэффициентов, а также для адаптации нормативных требований к проектированию сталефибробетонных конструкций.

Литература:

1. Талантова К. В. Сталефибробетон с заданными свойствами и строительные конструкции на его основе: дис.... д.т.н.: 05.01.23. — Ростов-на-Дону, 2013. — 287 с.
2. Манака Ж. В., Аксенов В. Н. Применение сталефибробетона в современном строительстве. Оценка эффективности использования стальной фибры в многоэтажном жилом доме // Инновационная наука. 2019. № 6.
3. Окольникова Г. Э., Белов А. П., Слинькова Е. В. Анализ свойств различных видов фибробетонов // Системные технологии. 2018. № 1 (26).
4. URL: https://peresvetcement.ru/about/articles/fibrobeton-kharakteristiki-sostava-plyusy-minusy-oblast-primeneniya/ (дата обращения 10.03.26)
5. Корсун В. И., Машталер С. Н. Влияние повышенных температур на прочность и деформации высокопрочного сталефибробетона при осевом сжатии и растяжении // Вестник евразийской науки. 2023. № 6.
6. Тарновская, Ю. М. Поведение фибробетона при воздействии высоких температур / Ю. М. Тарновская. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 2 (501). — С. 30–33.
7. СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты».
8. СП 468.1325800.2019 «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности