Как предотвратить взрывное растрескивание бетона при пожаре

Когда в тоннеле возникает пожар, температура резко подскакивает до 1000 градусов. Из-за этого жара бетон начинает растрескиваться, и структурная целостность тоннеля ослабевает. Чтобы предотвратить это, в бетон добавляют полипропиленовые волокна. Но что происходит в бетоне на самом деле? Учёные из Мюнхенского технического университета сумели найти ответ на этот вопрос.

Непосредственную опасность при пожаре в тоннелях создают резкий скачок температуры и последующее задымление, поэтому требуется немедленная эвакуация людей. Однако существует и другая опасность, которая не столь очевидна, но, тем не менее, может привести к столь же трагичным последствиям. Дело в том, что жар испаряет из бетона присутствующую в нём воду, которая при закипании создаёт давление. Оно сначала находит выход через поры бетона, но затем, по мере того как давление растёт, начинают откалываться кусочки бетона. И этот процесс, напоминающий приготовление попкорна, сопровождается взрывами. В результате толщина бетонных конструкций уменьшается, а вместе с ней — и их несущая способность. Возникает реальная угроза обрушения тоннеля, что подвергает серьёзной опасности последующую реконструкцию тоннеля. Для предотвращения взрывного растрескивания в бетон добавляют полипропиленовые волокна. При достижении температуры 110 градусов волокна расплавляются, и в бетоне возникают небольшие карманы, в которое и уходит избыточное давление. Впрочем, до сих пор было не до конца понятно, как это работает.

Учёные из Мюнхенского технического университета в сотрудничестве с инженерами из Штуттгартского университета конструкционных материалов и коллегами из MFPA Leipzig GmbH разработали методику, которая позволяет «заглянуть» внутрь бетона. Исследователи поместили бетонные плиты на открытую тестовую печь, как крышку на чайник. На верхнюю поверхность плит они установили датчики. Затем нагрели бетон до 1300 градусов. Бетон стал разрушаться, и этот процесс сопровождался звуками треска. Акустические волны распространялись по бетону и, когда они доходили до поверхности, их регистрировали датчики. Поскольку на поверхности было несколько датчиков, это позволило точно локализовать источники звуков. Принцип локализации был примерно таким же, как у сейсмографов, с помощью которых изучают землетрясения.

Благодаря этому эксперименту исследователям впервые удалось наблюдать развитие процесса разрушения бетона при имитации пожара в тоннеле. Выяснилось, что бетонные плиты с полипропиленовыми волокнами при нагревании производят в 10 раз меньше звуков, чем бетонные плиты без таких волокон.

Учёные надеются в дальнейшем усовершенствовать свою методику измерения, они надеются, что она окажется полезной при сравнении поведения различных материалов при нагревании.