Огнестойкость кладки из крупноформатных керамических камней

Введение

В последние годы в практике строительства находят все большее применение эффективные керамические кладочные изделия, в том числе крупноформатные пустотно-поризованные камни, которые являются современным строительным материалом и применяются при устройстве наружных и внутренних, несущих и ненесущих ограждающих конструкций и перегородок.

Крупноформатные керамические камни имеют большое применение при возведении жилых и гражданских зданий, что связано с целым рядом преимуществ данного материала над традиционными кладочными изделиями. Основными преимуществами кладки из крупноформатных керамических камней являются небольшой объемный вес, низкая теплопроводность, достигаемые благодаря наличию в материале пустот, которые снижают вес изделий и, соответственно, трудоемкость производства работ за счет увеличения размеров камня. Пустотность крупноформатных керамических камней, широко используемых в практике строительства, составляет 55–57 %, что обеспечивает повышенные теплотехнические характеристики кладки наружных стен и позволяет в ряде регионов возводить стены зданий с кирпичной облицовкой даже без применения эффективного утеплителя.

Крупноформатный пустотно-поризованный керамический камень – это современный эффективный строительный материал. Крупноформатные камни выпускаются различных типоразмеров. Наибольшее применение этот кладочный материал нашел при устройстве наружных ограждающих несущих и ненесущих стен зданий благодаря высоким теплотехническим характеристикам.

Кладку из крупноформатных керамических камней можно вести как на традиционных цементно-песчаных растворах, так и на теплых и клеевых растворах или клеях. При выполнении кладки на клеевых составах необходима шлифовка опорных граней камня – пастелей. Вертикальные швы имеют пазогребневое соединение и заполняются раствором. Пазогребневые соединения обеспечивают снижение продуваемости вертикального стыка.

Гребень или паз выполняются на тычке, что характерно для камней, предназначенных для устройства трехслойных наружных стен или перегородок. Для камней, предназначенных только для устройства наружных стен, выполняемых преимущественно двухслойными, характерно расположение пазогребневой структуры на ложковой или торцевой поверхностях. Соединение вертикальных швов не заполняется раствором.

Во многих регионах России были введены в эксплуатацию технологические линии по выпуску крупноформатных пустотно-поризованных керамических камней. Вслед за заводом «Победа» в Санкт-Петербурге такие изделия стали выпускать в Киржаче (Владимирская область), Славинске, Калининграде, Верхне-Волжском, Перми и в других городах РФ.

Основная цель статьи – оценка предела огнестойкости для кладки стен из крупноформатных керамических камней пустотностью до 57 % и подготовка предложений для повышения пределов их огнестойкости для обеспечения надежности.

В связи с тем, что керамика и изделия из нее являются негорючим материалом, исследованиям огнестойкости конструкции из крупноформатных камней не уделялось должного внимания. Однако высокая пустотность изделия, тонкие внутренние перегородки камней (5–7 мм) создают условия для значительных деформаций камня и разрушений конструкций.

В целях уточнения пределов огнестойкости кладки из крупноформатных керамических камней пустотностью до 57 % в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко по заказу ООО «ТД Браер» проведены исследования, анализ результатов испытаний огнестойкости кладки из указанных камней, а также разработаны рекомендации по повышению огнестойкости.

Краткое описание экспериментальных образцов

Анализ огнестойкости кладки из крупноформатных керамических камней проведен на 10 образцах. Огневые испытания выполнялись в ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость» и в ИЛ НИЦ ПБ ФГБУ «ВНИИПО».

Образец № 1 кладки несущей стены толщиной 400 мм (со штукатуркой), выполненной из керамических крупноформатных камней производства ОАО «СтройПанельКомплект» на двухкомпонентном полиуретановом клеевом составе «ISA-PUR 2607 (2K-PUR-K)», под нагрузкой в 21,5 т/п.м. Предел огнестойкости образцов составил 112 мин по потере несущей способности R. Протокол № 12061 от 19.11.2013 г. испытательной лаборатории Научно-исследовательского центра пожарной безопасности ФГБУ «ВНИИПО» МЧС России (ИЛ НИЦ ПБ ФГБУ «ВНИИПО»). Образец разрушился на 112-й минуте.

Образец № 2 кладки несущей стены толщиной 380 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней производства ОАО «СтройПанельКомплект» на двухкомпонентном полиуретановом клеевом составе «ISA-PUR 2607 (2K-PUR-K)», под нагрузкой в 34,5 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил 76 мин по потере несущей способности R и целостности Е. Протокол № 5 ск/и-2013 от 12.04.2013 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец разрушился на 76-й минуте.

Образец № 3 кладки несущей стены толщиной 260 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней производства ОАО «СтройПанельКомплект» на двухкомпонентном полиуретановом клеевом составе «ISA-PUR 2607 (2K-PUR-K)», под нагрузкой в 15,0 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил 62 мин по потере несущей способности R и целостности Е. Протокол № 4 ск/и-2013 от 12.04.2013 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец разрушился на 62-й минуте.

Образец № 4 кладки несущей стены толщиной 250 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней Porotherm 25 производства ООО «Винербергер Кирпич» на цементно-песчаном растворе, под нагрузкой в 10,0 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил не менее REI240. Протокол № 21 с/ск-2012 от 20.05.2012 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»).

Образец № 5 кладки несущей стены толщиной 120 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней Porotherm 12 производства ООО «Винербергер Кирпич» на цементно-песчаном растворе. Предел огнестойкости образца составил 92 мин по потере теплоизолирующей способности I. Протокол № 22 с/ск-2012 от 20.05.2012 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец разрушился на 92-й минуте из-за потери целостности образца.

Образец № 6 кладки несущей стены толщиной 250 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней марки «Термоблок» производства ОАО «Биотех» на цементно-песчаном растворе, под нагрузкой в 10,0 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил не менее REI240. Протокол № 61 сд/ск-2014 от 06.11.2014 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец не разрушился.

Образец № 7 трехслойной кладки несущей стены толщиной 520 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней Porotherm 38 на цементно-песчаном растворе с кирпичной облицовкой и утеплителем из минваты, под нагрузкой в 10,0 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил более REI240. Протокол № 25 ск/и-2015 от 17.08.2015 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец не разрушился.

Образец № 8 кладки несущей стены толщиной 380 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней производства ООО «ТД БРАЕР» на тонкошовной кладочной смеси, под нагрузкой в 10,0 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил REI175. Протокол № 20 ск/и-2023 от 15.03.2023 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец не разрушился.

Образец № 9 кладки несущей стены толщиной 380 мм, выполненной из керамических крупноформатных камней производства ООО «Винербергер Кирпич» на тонкошовной кладочной смеси, под нагрузкой в 31,25 т/п.м. Предел огнестойкости образца составил REI150. Протокол № 02 ск/и-2024 от 18.01.2024 г. испытательного центра «Огнестойкость» (ЗАО «ЦСИ «Огнестойкость»). Образец не разрушился.

Образец № 10 кладки несущей стены толщиной 380 мм был выполнен из крупноформатных керамических камней производства ООО «Винербергер Кирпич» на тонкошовной кладочной смеси, под нагрузкой в 31,25 т/м стены. Предел огнестойкости составил REI150. Протокол № 02 ск/и-2024 от 18.01.2024 г. испытательного центра «Огнестойкость».

Схема расстановки термопар на образце показана на рис. 1. Схема нагружения образца статической нагрузкой перед огневыми испытаниями показана на рис. 2.

При проведении экспериментальных испытаний нагрузка не превышала 15–20 % от разрушающей нагрузки на кладку.

Всего было испытано 10 образцов несущих и ненесущих стен.

На рис. 3 представлен общий вид образца кладки с расставленными термопарами. На рис. 4 представлен керамический камень марки Porotherm 38 Thermo производства ООО «Винербергер Кирпич».

Кривые изменения температуры в печи и на необогреваемой поверхности, а также вертикальные деформации опытных образцов показаны на рис. 5–7. Разрушение панели из крупноформатных керамических камней на тонкошовном растворе (образец № 10) показано на рис. 8.

Проведенные исследования и анализ выполненных работ показали, что низкий предел огнестойкости имеет тонкошовная кладка и кладка на двухкомпонентных полиуретановых клеях. Причиной снижения предела огнестойкости является фактор конвекции теплового потока по высоте, так как клеи и растворы для тонкошовной кладки не перекрывают пустоты камня.

Заключение

По результатам проведенных экспериментальных исследований, а также на основании анализа работ, выполненных российскими и зарубежными специалистами, могут быть сделаны следующие выводы и рекомендации по повышению огнестойкости кладки из крупноформатных керамических камней пустотностью до 57 %.

1. Крупноформатные керамические камни относятся к негорючим материалам (НГ).
2. Несущие конструкции кладки из крупноформатных керамических камней должны быть запроектированы и возведены таким образом, чтобы они сохраняли несущую способность в течение соответствующей продолжительности воздействия пожара.
3. Ограждающие конструкции из кладки пожарных секций (отсеков), включая стыки, должны быть запроектированы и изготовлены таким образом, чтобы они сохраняли свою ограждающую способность в течение соответствующей продолжительности воздействия пожара, т. е.:

– температура на необогреваемой стороне не должна превышать заданных пределов;

– конструкции должны противостоять механическому удару в соответствии с проектными требованиями;

– тепловое излучение с необогреваемой стороны должно быть ограничено в соответствии с проектными требованиями.

4. Несущие и ограждающие конструкции следует рассчитывать с учетом их деформативности при повышенных температурах и применять соответствующие мероприятия.
5. Класс пожарной опасности конструкций из крупноформатных керамических камней по критериям оценки ГОСТ 30403-2012 [1] соответствует К0.
6. Предел огнестойкости кладки из крупноформатных керамических камней зависит от следующих факторов:

– типа кладочных изделий – формы пустот (прямоугольные, ромбовидные и т. п.), процента пустотности, толщины наружных внутренних стенок камня;

– типа применяемых растворов – растворы общего назначения (сложные), растворы для тонкослойной кладки, легкие растворы;

– величины нагрузки и несущей способности стены.

7. При проектировании зданий из крупноформатных керамических камней необходимо учитывать следующие факторы:

– при повышении напряжений в кладке из крупноформатных керамических камней ее предел огнестойкости снижается значительно больше, чем в кладке из полнотелых изделий или изделий с небольшой пустотностью;

– предел огнестойкости кладки из крупноформатных керамических камней зависит от толщины стены. При уменьшении толщины стены огнестойкость кладки снижается как по теплоизолирующей способности (I), так и по несущей способности (R);

– при проектировании несущих конструкций с применением кладки из крупноформатных керамических камней на двухкомпонентном полиуретановом клее или тонкошовном растворе необходимо предусмотреть мероприятия по повышению огнестойкости кладки.