Определение длительности нагрева неорганических строительных материалов

 

Задача определения длительности нагрева конструкций в тех или иных зонах пожара, а также более точного определения температуры наг­рева, может быть решена путем, близким, по сути, к решению анало­гич­ной задачи для древесных углей и окалины. Для этого необходимо про­ана­лизировать состав материала не только на обогреваемой поверх­ности, но и по глубине его. Как движение “волны обугливания” в древе­сине при­водит к последовательной ее карбонизации, так и постепенный про­грев в хо­де пожара неорганического материала приводит к последо­вательному тер­мическому превращению его глубинных слоев, происхо­дящему по ме­ре того, как температура в них достигает определенных зна­чений. Ско­рость изменения структуры и состава слоя материала, степень его превра­щения в каждой точке будет определяться, с одной стороны, теп­ло­физиче­ским фактором - скоростью прогрева конструкции вглубь и динамикой из­менения температуры в анализируемом слое, а с другой - кинетикой са­мого процесса, протекающего в материале при наг­ревании. В общем виде это можно выразить следующими функцио­нальными зави­си­мостями:

 

С₀ = k₀ × f₀ (T₀,t₀); (1.60)

 

С_n = k₁ × f₁ (T_n,t_n), (1.61)

 

где C₀ и C_n - степени превращения материала на обогреваемой поверх­но­сти и на глубине n (или коррелирующиеся с ними физико-химические характе­ристики проб материала);

T₀, T_n - температура нагрева при данной темпе­ра­туре, соответст­вен­но, на обогреваемой поверхности и на глубине n;

t₀, t_n - длительность нагрева при данной темпе­ра­туре, соответст­вен­но, на обогреваемой поверхности и на глубине n.

Учитывая, однако, что T_n и t_n, в свою очередь, являются функциями температуры и длительности нагрева на поверхности (T₀,t₀), т.е.:

 

Т_n = k ₂× f₂ (T₀,t₀); (1.62)

 

t_n = k₃ × f₃ (T₀,t₀), (1.63)

 

зависимости приобретают вид:

 

(1.64)

 

Система этих двух уравнений имеет два неизвестных (T₀,t₀) и может, таким образом, быть решена. Необходимо лишь установить указанные выше функциональные зависимости изменений характеристик материала (f₀ и f_n), по меньшей мере, в двух слоях (например, в поверхностном и на глубине n) или в пробах, отобранных на различную глубину.

К настоящему времени эта задача решена для материалов с гипсо­вым связующим [135, 141, 142]. В качестве метода исследования проб вы­брана инфракрасная спектроскопия, хотя, с таким же успехом, можно исполь­зовать, вероятно, и рентгеноструктурный анализ.

Рис.1.82. Зависимость спектральных соотношений D1625/880 и D3560/670 в пробах гипса от температуры и длительности нагрева материала (глубина отбора проб - 20 мм)

Сначала был выявлен ряд спектральных соотношений (соотноше­ний оптических плотностей характеристических полос спектров), величи­ны которых устойчиво коррелируются с температурой и длительностью нагрева. Таковыми оказались D670/660, D670/880, D1450/660, D1450/670, D1625/880, D1625/670, D3560/660, D3560/670. Зависимость двух из них от температуры и длительности нагрева показана на рис. 1.82.

Затем определялось, как изменяется во времени каждое соотно­ше­ние при фиксированной температуре нагрева поверхности (T₀) в раз­лич­ных по глубине слоях, точнее, что проще и удобнее - в усредненных про­бах кернов, отобранных на различную глубину: 3 мм (поверхностный слой), 20 и 40 мм. Некоторые из полученных функциональных зависи­мо­стей показаны в качестве примера на рис. 1.83.

Т= 300 0С, D670/660 Т=500 0С, D670/660     Т=500 0С, D1450/670 Т=600 0С, D1450/670   Рис.1.83. Зависимость соотношений оптических плотностей Dх/Dу в спект­рах проб гипса, отобранных на различную глубину от обогреваемой по­верх­ности (Т - температура нагрева поверхности). Глубина отбора проб: 1 - 3 мм; 2 - 20 мм; 3 - 40 мм

Учитывая сложный характер кривых и большое количество функ­цио­нальных зависимостей, решено было не выводить эмпирических урав­нений по полученным данным, а вести решение на ЭВМ, аналогично тому, как это делалось для лакокрасочных покрытий (см. гл.4). Для этого полученные эмпирические зависимости в численном виде были пере­не­се­ны в банк данных, который с соответствующей программой расчета име­ет­ся в компьютерном комплексе "Экспотех", разрабаты­ваемом СПбВПТШ и ЭКЦ МВД РФ.

Вводя в ЭВМ спектральные коэффициенты проб, отобранных на месте пожара, можно отыскать в банке данных пробу, имеющую набор спект­ральных коэффициентов с минимальным среднеквадратичным откло­нением от коэффициентов исследуемой пробы. Таким образом опреде­ляется температура и длительность изотермического нагрева, тождест­венного по эффекту теплового воздействия на гипсовую конструкцию условиям реального нагрева.

Конечно, тепловой режим на пожаре далек от изотермического. Поэтому, как указывалось выше, более корректно применение полу­чен­ных данных для построения аналогично зонам термических поражений, температурных и временных зон.

Необходимо отметить, что отбор проб гипса керном на опре­делен­ную глубину весьма полезен и при решении уже рассмотренной выше за­дачи выявления зон термических поражений. Причина этому следующая.

После образования при нагревании гипса нерастворимого b- ангидрита, в температурном интервале от 700 до 1200 ⁰С, т.е. вплоть до об­разования a-ангидрита, с гипсом не происходит практически никаких изменений. Таким образом, если отбирать поверхностную пробу, эту температурную зону дифференцировать более дискретно не удается. Иное дело, если отбирать пробу вглубь; гипсовый монолит прогревается по­степенно, глубина прогретого слоя последовательно возрастает с уве­личением температуры, длительности нагрева и данное обстоя­тельство позволяет определяться с зонами термических поражений и за пределами 500 ⁰С. Именно поэтому выше, в рекомендациях по отбору проб, мы и отмечали целесообразность отбора пробы керном, на определенную глубину.

Последовательное изменение спектральных ИК-характеристик по глубине материала прослеживается и в материалах на основе цементного и известкового вяжущих. В работе [135] одностороннему динамическому нагреву со скоростью 10 град/мин подвергались образцы цементного камня с замурованными на различной глубине (на расстоянии 5 мм друг от друга) термопарами. Это давало возможность сопоставить изменение спектральных характеристик и температурного режима по глубине образца. Спектры отдельных проб приведены на рис 1.84. Наглядно видно, как по мере приближения к обогреваемой поверхности в спектре материала уменьшается и исчезает полоса карбонатов (1440 см^-1) и, наоборот, появляется полоса 520 см^-1. Температура по глубине образца, как видно на рис. 1.85, снижается от 1000 ⁰С на поверхности до 300-400 ⁰С на глубине 40 мм. При этом наблюдается последовательное снижение величин спектральных соотношений D900/1080, D1000/1080, D850/1080, D520/460, D900/1440.

Рис. 1.84. ИК-спектры цементного камня, отобранного по слоям, вглубь образца. Глубина отбора проб (расстояние от обогреваемой поверхности), мм: 1 - 0; 2 - 5; 3 - 15; 4 - 20; 5 - 25

К сожалению, до конца задача определения длительности и темпе­ратуры нагрева материалов из цемента и извести, в отличие от гипса, не решена и соответствующие расчетные формулы (или банк дан­ных для машин­ного расчета) не получены. Кроме субъективных причин (от­сутствия у авторов времени на завершение работы), имеются и объек­тивные трудности, препятствующие решению данной задачи. Преж­де всего, это сложности с отбором проб такого рода материалов по слоям или на фиксированную глубину.

Рис. 1.85. Изменение температуры цементного камня и спектральных характеристик проб по глубине

Частично реша­ет проблему отбора проб специальный от­борник [143], который используется в ка­­­чест­ве насадки на элект­ро­дрель (лучше - пер­фо­ратор). Кассета про­­­бо­отборника (рис. 1.86) движется син­хрон­но с поступа­тель­ным движением свер­ла вглубь материала и, таким образом, вы­би­раемый послойно сверлом материал по­падает в отдельные кас­сетные ячейки.

Используя пос­лойный отбор проб, можно, вероятно, ре­шить задачу опре­де­ления ориенти­ровоч­ной длительности наг­рева конструкции и следующим образом:

а) отобрав про­бы и сняв их ИК-спектры, определить по спектрам глубину прогрева конструкции до определенных тем­пе­ратур: 800-900 ⁰С (по исчезновению полосы карбонатов) либо 300-400 ⁰С (по началу заметных изменений спектральных характеристик исходного материала);

б) аналогичным образом определить (ориентировочно) температуру нагрева поверхностного слоя конструкции;

в) определить, исходя из Т₀ и Т_n, длительность нагрева методом теплофизического расчета прогрева конструкции на установленную глубину.

 

Рис. 1.86. Устройство для послойного отбора проб материалов: 1 - корпус; 2 - пружина; 3 - кольцо; 4 - винт; 5 - каретка; 6 - гильза; 7 - подвижная обойма; 8 - шток; 9 - кожух; 10 - подшипник; 11,12 - уплотнение; 13 - материал; 14 - сверло; 15 - патрон дрели

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: