2.3. Выявление очаговых признаков на материалах неорганической природы

Исследование после пожара конструкций и изделий из искусственных каменных материалов

Важнейшей группой неорганических конструкционных и отделочных материалов являются искусственные каменные материалы, широко использующиеся в строительстве. Наиболее распространенные на месте пожара неорганические неметаллические строительные материалы можно для целей пожарно-технической экспертизы разделить на две большие группы (рис. 6):

материалы, при изготовлении которых используются высокие температуры обжига или плавления;

материалы, изготовленные без использования высоких температур (не выше температуры перегретого водяного пара).

Материалы, прошедшие высокотемпературную обработку в процессе изготовления на заводе, при вторичном нагреве в ходе пожара практически не меняют своего состава, структуры и свойств. Получить путем их исследования какую-либо информацию о пожаре довольно сложно. Поэтому материалы этой группы после пожара экспертно-криминалистическому исследованию обычно не подвергаются. К материалам и изделиям этой группы относятся:

1. Материалы, полученные путем обжига:

1. красный кирпич (применяется для кладки наружных и внутренних стен и фундаментов);

2. кровельная черепица (применяется для кладки крыш жилых и производственных помещений),

3. плитка кафельная (применяется для облицовки стен, полов и перегородок внутри помещений),

4. тонкая керамика (различные изделия хозяйственно-бытового назначения),

5. огнеупоры (применяются для футеровки промышленных и бытовых печей)

2. Материалы, полученные путем плавления:

стекла, шлакостекла, петростекла.

Материалы, изготовленные с использованием температур, не превышающих температуру перегретого пара (при производстве некоторых из них используется пропарка) могут быть объектами пожарно-технической экспертизы. Среди них различают:

1. Изделия на основе неорганических вяжущих материалов:

1. с применением воздушных вяжущих материалов - гипса, извести (способны после смешивания с водой затвердевать и сохранять довольно долго свою прочность на воздухе);

2. с применением гидравлических вяжущих материалов – различных цементов (при смешивании с водой застывают на воздухе и сохраняют свою прочность на воздухе и в воде).

2. Силикатные строительные материалы:

силикатный кирпич, газосиликат, пеносиликат (изготавливаются из смеси негашеной извести и кварцевого песка).

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПРОШЕДШИЕ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ОБРАБОТКУ

ИЗГОТОВЛЕННЫЕ БЕЗ

ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

ИЗГОТОВЛЕННЫЕ БЕЗ

ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

1. Обжиговые:

1. Красный кирпич

2. Черепица

3. Кафельная плитка

4. Тонкая керамика.

2. Плавленые

1) Стекла

1. Материалы на основе неорганических вяжущих (цемент, известь, гипс)

2. Силикатные (на основе извести)

3. Материалы на основе неорганических вяжущих (цемент, известь, гипс)

4. Силикатные (на основе извести)

Рис. 6

Таким образом, можно констатировать, что цемент, известь, гипс - три главных минеральных связующих, три «кита», на которых держится вся мировая промышленность искусственных каменных строительных материалов.

Для того чтобы понять, какие изменения могут происходить в этих материалах и изделиях из них при нагревании в ходе пожара, как их фиксировать и как использовать полученную информацию при поисках очага, рассмотрим, что собой представляют указанные связующие.

Цементы.

Под названием «цементы» объединяют вещества, которые совместно с песком образуют раствор, затвердевающий при взаимодействии с водой. Самым распространенным и наилучшим в настоящее время цементом является «портланд-цемент», 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 1400-1450 ^оС. Полученный материал (клинкер) подвергают очень тонкому размолу.

Основные компоненты цементного клинкера:

1. силикат кальция – (3СаО∙SiO₂ составляет 40-60 % и 2СаО∙SiO₂ составляет 15-35 %);

2. алюминат кальция (3СаО∙Аl₂O₃ составляет 5-15%);

3. алюмоферрит кальция (4СаО∙Аl₂O₃∙Fe₂O₃ составляет 10-15%).

Затвердевание цемента при смешивании с водой происходит в результате гидратации, с образованием кристаллических:

1. гидроокиси кальция (Са(ОН)₂);

2. гидроалюмината кальция;

3. гидроферрита кальция.

В то же время силикаты превращаются в коллоидные гидросиликаты кальция, за счет которых осуществляется сцепление массы.

Известь

Гашеная известь представляет из себя гидроокись кальция Са(ОН)₂ и является продуктом взаимодействия окиси кальция (СаО – негашеная известь) 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. Эта паста в смеси с песком образует штукатурный раствор, который схватывается сначала за счет потери воды в пористый кирпич и испарения. Через годы раствор затвердевает, взаимодействуя с углекислым газом воздуха, происходит реакция с образованием карбоната кальция.

Са(ОН)₂ +СО₂  СаСО₃

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 к цементному камню.

Гипс.

Гипс представляет собой сульфат кальция, встречающийся в природе в виде ангидрита СаSO₄ а также в огромных количествах в виде собственно гипса - СаSO₄∙2Н₂О.

При нагревании до 100-125 ^оС гипс частично теряет кристаллизационную воду, образуя неустойчивый полугидрат сульфата кальция – алебастр

2СаSO₄∙H₂O.

Порошок алебастра при смешении с водой быстро схватывается, образуя плотную массу с небольшим увеличением объема. При нагревании выше 200 ^оС гипс полностью теряет кристаллизационную воду. Безводный сульфат кальция, как и алебастр взаимодействует с водой, образуя гипс.

Поведение строительных материалов с различными видами неорганических связующих на пожаре.

При нагревании в ходе пожара кальциевый гидросиликат, основной компонент цементного и известкового камня, начинает постепенно терять воду, причем тем больше, чем больше температура и длительность нагрева:

m CaO nSiO₂ pH₂O mCaO nSiO₂

Процесс дегидратации происходит в интервале температур от 120-150 до 600-700 ^оС.

Химические процессы потери кристаллизационной воды сопровождаются физическими изменениями структуры и свойств материалов. Цементный и известковый камень разрушаются, в них появляются микро- а затем и макротрещины. В бетоне и железобетоне ситуация осложняется возникающими дополнительными напряжениями из-за разных коэффициентов теплового расширения самого цементного камня и крупного заполнителя (щебня), а также стальной арматуры. Завершаются указанные физико-механические изменения полным отслоением штукатурки и защитного слоя бетона, разрушением конструкций.

Гипс, как уже указывалось, при температуре 100-125 ^оС переходит в полугидрат, а при температуре выше 200 ^оС и до температуры около 280 ^оС существует в виде растворимого ангидрита (гамма-ангидрит). При последующем нагреве в диапазоне от 300-500^оС до 1000-1200^оС гипс существует в виде нерастворимого ангидрита (бета-ангидрит), а выше 1000-1200 ^оС образуется альфа-ангидрит и выделяется некоторое количество СаО.

Таким образом, изменения в результате нагрева изделий из неорганических строительных материалов сводятся, в основном, к потере кристаллизационной воды и переходу в различные кристаллические модификации.

Визуальные признаки термических поражений изделий из неорганических строительных материалов.

Как же оценить степень термического поражения конструкций, если дело не дошло до явных разрушений. В описании визуально фиксируемых термических поражений и их оценке опираются, в основном, на данные, которые рекомендуется использовать строителям при изучении зданий, поврежденных пожаром. Правда, строители занимаются этим, конечно, не для поисков очага пожара, а для оценки возможности (или невозможности) восстановления здания и дальнейшей его эксплуатации.

Изменение цвета.

1) Тяжелый бетон.

Указывается, что после нагрева бетон имеет следующие оттенки цвета:

- нагрев до 300 ^оС - розоватый оттенок;

- 400-600 ^оС - красноватый;

- 900-1000 ^оС - бледно-серый.

2) Цементно-песчаная штукатурка.

- 400-600 ^оС - приобретает розовый оттенок;

- 800-900 ^оС - бледно-серый

Следует отметить, что не существует полной уверенности в том, что такие оттенки действительно можно уловить после реального пожара, учитывая возможные закопчения, попадание воды и т.д.

Но существует и достаточно часто проявляется другая закономерность - в более прогретых зонах штукатурка после пожара более светлого цвета. Причина такого явления, вероятно, в следующем. На пожаре при тушении водой стены намокают и там, где стена нагревалась более длительно, интенсивно и, таким образом, прогрета лучше, она, отдавая тепло после пожара, просыхает быстрее. В результате при осмотре места пожара на более прогретых участках штукатурка выглядит светлее.

Изменение тона звука и механической прочности при простукивании.

Определяется простукиванием бетонных и железобетонных конструкций. Бетон разрушается при нагревании, в нем появляются микротрещины, и тон звука меняется.

Неповрежденный бетон имеет тон звука высокий. С увеличением степени разрушения бетона тон становится глухим.

При нагреве более 500 ^оС - часть сечения образца при ударе средней силы откалывается. При нагреве более 600 ^оС - молоток при ударе сминает бетон на поверхности образца.

В настоящее время имеются малогабаритные приборы, позволяющие воспроизводить эталонные значения силы удара и численно фиксировать ударную прочность бетонных поверхностей.

Визуальная фиксация трещин бетонных конструкций.

Микротрещины в бетоне начинают образовываться при 300-400 ^оС.

При 500 ^оС трещины увеличиваются настолько, что становятся видны невооруженным глазом (ширина этих трещин становится не менее 0,1 мм.).

При температуре 600-800 ^оС - ширина раскрытия трещин достигает 0,5-1,0 мм, а при 700-800 ^оС фиксируются визуально видимые разрушения на бетоне - отслоение защитного слоя на железобетонных изделиях.

Существуют методики, по которым микроструктуру поверхности бетона рекомендуют исследовать с помощью специального поляризационного микроскопа. При этом определяют ширину трещин, диаметр пор, включений, скоплений. Установлены даже границы температурных интервалов, в которых происходят те или иные количественные изменения микроструктуры бетона. Методы эти, однако, весьма трудоемки, в первую очередь, из-за сложности подготовки образцов бетона для анализа и пока не нашли широкого применения.

Отслоение штукатурки.

В зоне достаточно длительного и интенсивного нагрева штукатурка отваливается.

Правда, не всегда это происходит именно в зоне экстремально высо­ких термических поражений. Достаточно часто такое случается, когда в помещение подается вода на тушение. Гидравлический удар и резкое охлаждение приводят к тому, что штукатурка может отвалиться не там, где была выше температура ее нагрева, а там, куда в первую очередь попала вода из пожарного ствола.

Тем не менее, зоны, где штукатурка отслоилась, обязательно нужно фиксировать при осмотре места пожара и иметь их в виду при поисках очага. Особенно интересны зоны, где штукатурка обвалилась снизу, начиная от пола.

Отложение копоти.

Продукты сгорания, по мере удаления от очага остывают и содержащиеся в них твердые частицы осаждаются на вертикальных и горизонтальных поверхностях, образуя копоть. Но на поверхности конструкций и оборудования в ходе дальнейшего развития горения она остается только до температуры 600-630 ^оС, после чего выгорает. Поэтому ближе к очагу копоти может быть меньше, чем на некотором расстоянии (естественно, до определенных пределов). Над очагом пожара и вторичными очагами копоть часто выгорает локальными пятнами.

Следует отметить, что эти пятна часто сохраняются в ходе дальнейшего развития горения, поскольку конструкция (потолок, стена) в этой зоне прогрета хорошо, а копоть не конденсируется на "горячих" местах, а преимущественно оседает на относительно более холодных поверхностях.

Визуальный осмотр конструкций из гипса

Ориентировочная температура нагрева конструкции из гипса может быть определена с помощью данных, приведенных на схеме:

Температура нагрева, ^оС Состояние гипсовой штукатурки

200-300 образование частых волосяных трещин

(остаточная прочность 30 %начальной)

600-700 интенсивное раскрытие трещин

(остаточная прочность <20 % начальной)

800-900 разрушение гипсового камня

после охлаждения.

Таковы, в общих чертах, визуальные признаки термических поражений, с помощью которых можно ориентировочно оценивать степень термических поражений конструкций из неорганических строительных материалов. Гораздо эффективнее, конечно, можно определять степень термического поражения и ориентировочную температуру нагрева материала не по визуальным данным, а по результатам исследования с помощью специальных приборов и оборудования.

Инструментальные методы и средства, применяемые для исследования после пожара неорганических строительных материалов.

Эти методы делятся на полевые, используемые непосредственно на месте пожара и лабораторные, применяемые для исследования в лабораторных условиях отобранных на пожаре проб.

Полевые инструментальные методы исследования неорганических строительных материалов.

Разрыхление массы бетона, появление в нем микро- и макротрещин сопровождается изменением его акустических характеристик. Это явление используется в уже упомянутом способе простукивания бетона и определении при этом тона звука на слух. Существует, однако, и более объективный способ оценки акустических характеристик бетонных изделий посредством пропускания через поверхностный слой бетона ультразвуковой волны. Метод первоначально разрабатывался как способ оценки качества бетонных и железобетонных конструкций в строительстве, а с середины 70-х годов он стал успешно использоваться в экспертизе пожаров.

Ультразвуковой импульсный метод исследования бетонных и железобетонных конструкций основан на измерении скорости прохождения ультразвуковых волн в поверхностном слое бетона, которая последовательно снижается по мере разрушения бетона под действием температуры.

Прибор, который называется ультразвуковым дефектоскопом, имеет два выносных датчика. Первый датчик испускает ультразвуковые импульсы, другой принимает, при этом фиксируется время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояние между двумя датчиками, и рассчитывается ее скорость.

Ультразвуковая дефектоскопия - это один из немногих инструментальных методов, применяемых непосредственно на месте пожара (полевой метод). Он достаточно быстр и не трудоемок, не имеет ограничений по времени применения – пользоваться им можно и через неделю, и через месяц после пожара. Термические поражения сохраняются. Даже произведенный ремонт (побелка потолка) не мешают последующему ультразвуковому исследованию. Метод не лишен некоторых недостатков, среди которых:

1) ультразвуковой метод выявления зон термических поражений - метод сравнительный (мы сравниваем акустические характеристики различных участков бетонной конструкции), поэтому исследуемые бетонные и железобетонные изделия должны быть с относительно равномерными исходными акустическими свойствами; таковыми же являются, как правило, только качественные бетонные изделия заводского производства. Мало пригодными для изучения оказываются бетонные изделия, заливаемые в опалубку на месте;

2) нельзя проводить измерения в зонах значительных разрушений бетона, где температура превысила 700-800 ^оС и где бетон рассыпается и отслаивается. А именно эти зоны часто оказываются наиболее интересными.

Лабораторные инструментальные методы исследования неорганических строительных материалов. Отбор проб на месте пожара.

На исследование могут отбираться пробы бетона и железобетона как заводского производства, так и изготовленные методом литья в опалубку непосредственно на стройке; в том числе стен из бетонных блоков с различными наполнителями; пробы силикатного (белого) кирпича, пробы штукатурки, сухой штукатурки (гипсовые плиты).

Если стена сложена из красного кирпича, на исследование отбирают пробы цементного камня из кладочного раствора, скрепляющего кирпичи. Точно так же можно отобрать пробы цементного или гипсового раствора на стене, облицованной кафельной плиткой.

Отбор проб необходимо осуществлять по горизонтальному уровню расположенному параллельно полу, чтобы места отбора проб находились на одной высоте, поскольку разновысотные пробы могут различаться по степени прогрева из-за влияния конвективного прогрева.

Пробы отбираются путем скалывания молотком из поверхностного слоя (менее 3-5 мм.), очищенного от остатков краски, мусора, копоти. Масса отбираемой пробы должна составлять 1-10 грамм (в зависимости от последующего метода анализа).

Можно и нужно отбирать пробы в наиболее разрушенных зонах, в том числе по периферии зон отслоения защитного слоя бетона, где ультразвуковые исследования невозможно произвести.

В лаборатории пробы для всех видов анализа измельчают, сушат и исследуют. Основными методами лабораторного исследования проб неорганических строительных материалов являются: