بتن مقاوم در برابر آتش چیست؟

بتن مقاوم در برابر آتش از آنجا اهمیت میابد که خطر آتش همیشه و همه جا در مورد سازه ها در کمین است. تخریب ناشی از آتش سوزی به چگونگی در معرض قرار گرفتن سازه بستگی دارد. مقاومت در برابر آتش به عنوان توانایی یک سازه جهت باربری یا سطح مشخصی از عملکرد، برای قرار گرفتن در معرض یک آتش مشخص و طی یک دوره مشخص تعریف شده است. با توجه به بتنی بودن بسیاری از سازه ها، آتش ریسک بزرگی محسوب میشود زیرا تخریب ناشی از آتش سوزی ناگهانی است. بنابراین طرح اختلاط بتن ضد آتش و یا پوشش ضد حریق سازه های بتنی که با بتن معمولی ساخته میشوند اهمیت زیادی دارد.

بتن با مقاومت در برابر آتش در موارد زیر ضروری است:

1. ساختمانهای با اهمیت مانند نیروگاه های هسته ای و بیمارستانها
2. مناطق حیاتی در سازه های مدفون مانند خروجی اضطراری تونل ها
3. زیرساخت ها و ابنیه فنی مهم
4. برای اعضای سازه های محل ازدحام به عنوان روکش مقاوم در برابر آتش

تولید این بتن با بتن استاندارد تفاوت عمده ای ندارد. سیمان مناسب برای تولید بتن ضد آتش از نوع سیمانهای پرتلند با آلومینای بالا است. اختلاط آن با توجه به وجود الياف شامل نظارت دقیق‌تری است. مقاومت در برابر آتش این بتن زمانی قابل توجه خواهد بود که فاقد ترک خوردگی باشد. برای مقاومت حداکثر در برابر آتش نوع سنگدانه ها نیز مهم هستند.

مقاومت را میتوان تا حد زیادی با استفاده از سنگدانه‌های خاص افزایش داد. استفاده از الیاف پلاستیکی پلی پروپیلن با عملکرد بالا، به طور قابل توجهی مقاومت در برابر آتش را افزایش میدهد. استفاده مناسب ماسه، مقاومت ماتریس سیمان را بهبود می بخشد.

رفتار بتن در مقابل آتش

هنگام آتش سوزی، آب لوله های مویین و منافذ بتن در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد شروع به تبخیر میکند. بخار نیاز به فضای بیشتری داشته و در نتیجه فشار انبساطی به ساختار بتن وارد میشود. ماتریس سیمان در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد شروع به تغییر کرده و بتن ترک می‌خورد. تغییرات در سنگدانه ها، وابسته به منشا آنها است و در حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد آغاز میشود. عبارت مقاومت در برابر آتش در مورد عناصر سازه‌ای بکار میرود و نه مصالح آن. اما خواص مصالح بر عملکرد عنصر سازه‌ای اثر می‌گذارد. در اغلب موارد درجه حرارت آتش طی چند دقیقه افزایش می‌یابد که منجر به شروع پوسته شدن انفجاری بتن خواهد شد.

رطوبت موجود در منافذ بتن تبدیل به بخار و گسترش تنش‌های انبساطی میشود. برای تست مقاومت بتن در برابر آتش سوزی در آیین نامه های مهم دنیا سناریوهای آتش مختلفی استفاه میشود.

مدل منحنی آتش RWS

شدیدترین سناریوی آتش مدل منحنی آتش RWS از هلند است که نشان دهنده یک آتش هیدروکربنی بسیار بزرگ در داخل یک تونل است. گزینه های مختلفی برای بهبود مقاومت در برابر آتش بتن وجود دارد. بیشتر بتن های مناسب برای این منظور حاوی سیمان پرتلند و با سیمان پرتلند مخلوط هستند که کاهش مقاومت و خواص مکانیکیشان در حرارت های بالای ۳۰۰ درجه سانتی گراد رخ می دهد و از دست رفتن عملکرد سازه ای عضو بتنی در دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتی گراد اتفاق می افتد.

البته عمق منطقه تضعیف بتن از چند میلیمتر تا چند سانتیمتر به طول مدت آتش سوزی و حرارت حداکثر آن بستگی دارد. سیمان با آلومینای بالا که برای محافظت از لاینینگ نسوز کوره ها در دماهای حدود ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد استفاده می‌شود. بهترین عملکرد ممکن در یک آتش سوزی در درجات حرارت بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد را فراهم می کند. برای ساخت این نوع ملات %۹۵ اکسید آلومینیوم و %۵ سیمان پرتلند لازم است.

نوع سنگدانه ها

سنگدانه ها در اندازه تنش های حرارتی که طی حرارت دادن بتن بوجود می آید تاثیر دارند. سنگدانه های از نوع کربناتی مانند سنگ آهک (Limestotle) و دولومیت (Dolomite) در یک آتش سوزی بهتر عمل میکنند زیرا در اثر حرارت، واکنش آهکی شدن (Calcination) در آنها رخ داده و در نتیجه گاز CO2 آزاد میکنند. این فرآیند نیاز به حرارت دارد بنابراین بخشی از انرژی گرمایی آتش سوزی جذب و مصرف می شود.

سنگدانه های حاوی سیلیس رفتار متوسطی در یک آتش سوزی دارند. از طرف دیگر عملکرد گرمایی بتن در برابر آتش را بهبود می بخشند. الياف پلی پروپیلن میتواند به کاهش پوسته شدن انفجاری بتن کمک کند. در نتیجه مقاومت در برابر آتش سوزی بتن را بهبود می دهد. در یک آتش سوزی، این الیاف در حدود ۱۶۰ درجه سانتی گراد ذوب می شوند. با ایجاد کانال اجازه میدهند بخار آب بتواند خارج شود. در نتیجه باعث به حداقل رساندن فشار منافذ داخل بتن و کاهش پوسته شدن انفجاری بتن می شوند.

در شرایطی که در آن خطر فروریزی سازه غیرقابل قبول است، راههای مختلف دیگری نیز برای محافظت بتن از اثرات آتش وجود دارد. مانند افزایش موضعی ضخامت بتن، روکش فلزی با استفاده از سپر حرارتی پوشش داده شده با رنگ پف کننده، استفاده از سیستم دال نازک تخته ای و ملات سبک اسپری شونده بر روی عضو بتنی که این اقدامات را حفاظت غیر فعال بتن در مقابل آتش سوزی می نامند، ولی مطمئن ترین روش برای ضد آتش کردن، استفاده از خود بتن است. در هر صورت اگر از حفاظت غیر فعال استفاده شود باید درجه حرارت بتن تحت هر شرایطی از ۳۸۰ درجه بیشتر نشود. درجه حرارت میلگردها باید کمتر از ۲۵۰ درجه حفظ شود.

ساخت بتن مقاوم در برابر آتش

برای ساخت بتن ضد آتش میتوان از موارد زیر استفاده نمود:

1. سنگدانه های مناسب از نوع کربناتی مانند سنگ آهک (Limestone) و دولومیت (Dolomite) با اندازه های مختلف طبق طرح اختلاط بتن.
   تذکر: سنگدانه های حاوی سیلیس عملکرد متوسطی دارند.
2. سیمان پرتلند معمولی با درصد آلومینای بالاتر
3. مقدار محدود نسبت آب به سیمان
4. مواد افزودنی شامل روان کننده (۱٫۲-۰٫۶) درصد وزن سیمان
5. الیاف پلیمر یا پلی پروپیلن (۲-۳) کیلوگرم در مترمکعب برای افزایش مقاومت در برابر ترک خوردگی
6. الیاف فولادی (3۰-1۰) کیلوگرم در متر مکعب بتن برای افزایش مقاومت خمشی و طاقت در برابر ضربه
7. بتن ریزی و بعمل آوری بتن: این بتن باید در مقابل انقباض پلاستیک (Plastic Shrinkage) در ۵ ساعت اول بتن ریزی یا گیرش، به خوبی آبدهی و محافظت شود. برای جلوگیری از انقباض خشک شدگی حداقل یک هفته مرطوب بماند.
8. حفاظت غیر فعال (Passive): در صورت نیاز در سازه های با اهمیت خیلی زیاد (مانند نیروگاه هسته ای و همچنین بیمارستانها) لازم است که بر روی بتن (۴ – ۲/۵) سانتیمتر ملات پایه سیمانی اسپری شود. (تست استاندارد E119 موسسه ASTM) در هر تست قطعه بتنی در معرض یک آتش سوزی کنترل شده طی یک دوره زمانی خاص قرار میگیرد و رفتار آن کنترل میشود. البته این تست معرف تمام آتش سوزی هایی که میتوانند با هر حجم و شدتی رخ بدهند نیست.

تست با منحنی های آتش طراحی

برای مدل سازی آتش از منحنی (زمان – درجه حرارت) آتش سوزی که پروفیل درجه حرارت در تونل تست را نشان می دهند استفاده می شود. منحنی های شش گانه سناریوهای آتش طراحی که معمولاً در تست قطعات بتنی بکار میروند قبلاً نشان داده شده است. در هر صورت قطعه ای در تست مورد قبول واقع میشود که پس از ۱۲۰ دقیقه درجه حرارت میلگردهای داخل بتن از ۲۵۰ درجه سانتی گراد بیشتر نشود. با بتن معمولی به ضخامت 30 میلیمتر بر روی میلگردها نمیتوان سازه بتنی ضد آتش ساخت، زیرا درجه حرارت میلگردها به بالاتر از ۲۵۰ سانتیگراد میرسد. بنابراین باید از بتن ضد آتش که روش ساخت آن تشریح گردید استفاده کرد.