Porovnání výbuchové odolnosti dvou UHPFRC směsí s běžně používanými betony na základě typu porušení

Článek popisuje výsledky z experimentálního programu, který byl proveden Fakultou stavební ČVUT v Praze ve spolupráci s Lafarge Holcim Centre de Recherche. Během experimentu byly dvě patentované směsi UHPFRC testovány na výbuchovou odolnost při kontaktním a blízkém výbuchu. Během experimentu bylo vyzkoušeno celkem 28 čtvercových desek o tloušťkách 100, 150 a 200 mm. Odlišných zatěžovacích podmínek bylo dosaženo pomocí změny hmotnosti nálože (100 až 1 000 g) a její vzdálenosti od horního povrchu vzorku (0 až 100 mm). Výsledky byly vyhodnoceny z hlediska typu porušení a porovnány s výsledky dostupnými v literatuře.

Experimentální program

Experiment zaměřený na stanovení výbuchové odolnosti dvou UHPFRC směsí byl proveden v roce 2018. Během experimentu bylo odzkoušeno 28 čtvercových desek o hraně 1 000 mm a o třech různých tloušťkách (100, 150 a 200 mm). Rozměr testovaných vzorků byl stanoven na základě dvou kritérií. Prvním kritériem byla podmínka prostupu přetlakové vlny vzorkem. Poměr jednotlivých délek stran vzorku a tloušťky vzorku musí zajistit, aby došlo dříve k odrazu od spodního povrchu vzorku než od jeho bočních stěn. Druhým kritériem pro návrh rozměrů bylo osazení úchytů umožňujících manipulaci se vzorkem. Zatímco druhé kritérium bylo zajištěno pomocí dostupných statických programů, pro ověření prvního kritéria musel být vytvořen numerický model simulující zatížení panelu výbuchem.

Pro vytvoření výbuchu byla použita výbušnina Semtex 1A. Všechny nálože byly ve tvaru válce s poměrem délky ku průměru 1 : 1. Rozbuška byla vždy zanořena do hloubky 20 mm od horního povrchu nálože. Hmotnost nálože se pohybovala v rozmezí 100 až 1 000 g. Vzdálenost výbušniny od horního povrchu vzorku se pohybovala od 0 do 100 mm. Variacemi hmotnosti a vzdálenosti výbušniny od vzorku bylo dosaženo různých zatěžovacích stavů v oblasti kontaktního a blízkého výbuchu.

Vzorky byly uloženy na ocelovou stoličku tak, aby uložení desky mohlo být uvažováno po všech čtyřech stranách jako kloubové. Ocelový rám, na kterém ležely vzorky, byl umístěn ve výšce 720 mm od země. Tato vzdálenost zajistila, že odraz tlakové vlny od země neovlivnil výsledky [1], [2], [3].

Vzorek s náloží a rozbuškou uložený na ocelové stoličce
Schéma vzorku na ocelové stoličce

Každý vzorek byl natáčen dvěma rychlosběrnými kamerami. První kamera zachycovala celý průběh experimentu, druhá snímala chování spodního povrchu. Prostor pod vzorkem byl využit pro umístění zrcadla, které umožňovalo snímkování spodního povrchu vysokorychlostní kamerou. 

Schéma experimentu

Zkoušené materiály

Během experimentu byly zkoumány dvě patentované UHPFRC směsi. Směs A měla deklarovanou tlakovou pevnost minimálně 170 MPa, směs B minimálně 150 MPa. Množství drátků, jejich délka, tvar a pevnost byly pro obě směsi stejné. Podrobnější informace o zkoušených směsích lze najít v tab. 1 [7].

Experimentální výsledky

Výsledky prezentované v tomto článku jsou založeny pouze na vizuálním pozorování a na měření poškození jednotlivých prvků. Z 28 vzorků bylo pět vzorků poškozeno pouze na kontaktní straně, čtrnáct vzorků bylo poškozeno jak na kontaktní, tak odvrácené straně, tři vzorky byly poškozeny pouze na odvrácené straně a šest vzorků bylo proraženo. Celkový přehled všech provedených odstřelů včetně jejich dispozic a výsledného porušení je uveden v tab. 2.

Běžně rozlišované typy porušení: a) poškození kontaktního povrchu, b) poškození obou povrchů, c) průraz

Základní parametry poškození jako hloubka, tvar, rozsah a typ porušení byly zaznamenány za účelem porovnání dosažených výsledků s výsledky běžně používaných betonů.

Tyto výsledky lze obecně vyjádřit empirickými metodami pro odhad porušení vzorků (empirické metody jsou popsány detailněji v následující kapitole). Vzhledem k praktičnosti těchto empirických přístupů používaných pro betony běžných pevností se nabízí stejné použití pro vysokohodnotné betony a drátkobetony. Kvůli odlišným tlakovým a tahovým vlastnostem je použití těchto přístupů nutné nejdříve ověřit a dříve odvozené výsledky revidovat pro nově používané materiály. Vzhledem k velkému množství zkoušených vzorků bylo ověření těchto přístupů stanoveno jako jeden z cílů experimentu.

Na odstřelených vzorcích byl kromě rozsahu porušení dále pozorován systém trhlin a charakter porušení na odvrácené straně.

Systém trhlin

Trhliny vznikající při zatížení vzorku výbuchem lze rozdělit na dva systémy.

Systém trhlin: červeně — radiální trhliny, zeleně — obvodobé trhliny

První systém trhlin, který lze nazvat jako radiální, se objevil na všech proražených vzorcích a na většině vzorků poškozených jak na kontaktní, tak na odvrácené straně. Radiální trhliny byly široké a často prostoupily skrze celou tloušťku vzorku (stejná trhlina na obou površích o šířce 0 až cca 20 mm). Trhliny vycházely z porušené části vzorku a pokračovaly směrem k okraji vzorku, nejčastěji k okraji osazenému manipulačními úchyty. Vzhledem k charakteru těchto trhlin se předpokládá, že vznikly až po průchodu tlakové vlny vzorkem a odpovídají spíše ohybovému namáhání vzorku.

Druhý systém trhlin se skládal z tenkých povrchových trhlin, které se objevovaly zejména na kontaktní straně, zaznamenány byly však i na odvrácené straně. Trhliny neprostupovaly vzorkem a jejich šířka byla v řádech desetin milimetru. Tyto obvodové trhliny, které byly pozorovány na vzorcích všech typů porušení, kopírovaly okraje vzorku a u některých vzorků vytvořily uzavřený spojitý systém. Vznik trhlin byl zapříčiněn odrazem přetlakové vlny od bočních okrajů vzorku, při kterém vznikají tahová namáhání.

Odraz přetlakové vlny na odvrácené straně vzorků

Rozdíly v hladkosti povrchu na odvrácené straně pravděpodobně indikují různý počet odrazů přetlakové vlny od spodního povrchu (rozhraní beton-vzduch). S každým dalším odrazem vlny může dojít k nové výtrži povrchu (nebo k rozšíření předcházející výtrže). V případě, že na vzorku dojde pouze k jednomu odrazu přetlakové vlny, je pravděpodobné, že bude povrch hladký a bez zlomů. V případě, že dojde k několikanásobnému odrazu, je pravděpodobné, že povrch bude hrubý se zlomy. Každý zlom na povrchu by měl indikovat právě odraz přetlakové vlny od rozhraní beton-vzduch.

Poškození odvrácené strany se zřetelnými zlomy reprezentující odraz přetlakové vlny na rozhraní beton-vzduch — více odrazů, hrubý povrch výtrže
Poškození odvrácené strany se zřetelnými zlomy reprezentující odraz přetlakové vlny na rozhraní beton-vzduch  — pouze jeden odraz, hladký povrch výtrže

Empirické přístupy pro stanovení typu a rozsahu porušení betonových vzorků zatížených výbuchem

Pro vyhodnocení výbuchové odolnosti betonových vzorků se běžně používají dva základní empirické přístupy, které stanovují předpokládaný typ porušení nebo rozsah poškození. Detailní popis těchto metod je možné najít v [4], [5] a [6]. Oba přístupy jsou založeny na následujících základních parametrech:

  • normovaná tloušťka T/W1/3 (poměr tloušťky vzorku a třetí odmocniny z hmotnosti nálože),
  • normovaná vzdálenost R/W1/3 (poměr vzdálenosti výbušniny od horního povrchu vzorku a třetí odmocniny z hmotnosti nálože),
  • normovaná hloubka poškození (CD + SD)/T (poměr součtu hloubky poškození obou povrchů a tloušťky vzorku),
  • typ porušení – při výbuchových experimentech jsou obecně rozlišovány tři základní typy porušení (poškození kontaktního povrchu, poškození obou povrchů a průraz).

První přístup (McVay) byl odvozen na základě velkého množství výsledků výbuchových experimentů provedených na betonových vzorcích. Pomocí tohoto empirického přístupu je možné stanovit výsledný typ porušení zkoušeného vzorku na základě normované tloušťky a vzdálenosti. Metodika byla odvozena pro betony běžných pevností, které se od dnešních vysokohodnotných betonů a drátkobetonů liší svými vlastnostmi.

Druhý a novější přístup (Morishita) je založen na odhadu typu porušení vzorku a normované hloubky poškození pomocí normované tloušťky. Tento přístup byl, obdobně jako předešlý, odvozen pro betony normálních pevností na základě výsledků experimentů s kontaktním výbuchem. Na základě těchto výsledků byly stanoveny limity normované tloušťky pro jednotlivé typy porušení a dále i předpokládaná normovaná hloubka porušení vzorku.

McVayova metodika pro odhad typu porušení vzorku

Přestože během experimentu byly zkoumány vzorky pouze v omezeném rozsahu normované vzdálenosti, velký počet vzorků vytvořil vhodnou datovou základnu pro porovnání výsledků UHPFRC s betony běžných pevností. Výsledky uvedené v následujících grafech ukazují, že původně odvozené hranice pro jednotlivé typy porušení neplatí pro zkoušené směsi UHPFRC. Přes omezený počet vzorků porušených průrazem nebo výtrží na kontaktní straně je ve zkoušené oblasti normované vzdálenosti jasně patrný přechod mezi jednotlivými typy porušení. Obě hranice mezi jednotlivými typy porušení jsou posunuty směrem k menším hodnotám normované tloušťky při předpokládaném zachování jejich sklonu vůči osám. Výsledky dále ukazují, že posun rozhraní mezi poškozením na kontaktní straně a obou stranách vzorku je větší než pro rozmezí mezi průrazem a poškozením vzorku na obou stranách. Z výše uvedeného vyplývá, že zkoušený UHPFRC materiál je z hlediska poškození materiálu více odolný při zatížení výbuchem, a tudíž pro dosažení výtrže na obou stranách vzorku musí být vyvinuto více energie.

Porovnání experimentálních výsledků UHPFRC s předpokládanými výsledky běžně používaných betonů — metodika McVay
Porovnání experimentálních výsledků UHPFRC s předpokládanými výsledky běžně používaných betonů — metodika Morishita

I přesto, že obě zkoušené směsi vykazovaly velmi podobné chování při zatížení výbuchem, jsou zde nepatrné rozdíly. Z grafů je patrné, že vzorky ze směsi B byly proraženy při mírně větších hodnotách normované tloušťky než v případě směsi A. Stejný princip byl patrný i pro vzorky s výtrží na obou stranách vzorku. V případě směsi B docházelo k porušení na odvrácené straně u ran s vyšší normovanou tloušťkou než v případě vzorku ze směsi A. Rozdíl ve výbuchové odolnosti mezi jednotlivými směsmi byl patrně způsoben rozdílem v materiálových vlastnostech.

Morishitova metodika pro odhad typu porušení vzorku

Morishitův empirický odhad poškození prvků zatížených výbuchem je založen na výsledcích zatížení kontaktním výbuchem. Z toho důvodu není do metodiky zanesen vliv normované vzdálenosti. Zde je nutné podotknout, že pouze část testovaných desek v rámci experimentálního programu byla zatížena kontaktním výbuchem a prezentované výsledky mohou být tímto faktem ovlivněny. Z Aplikace Morishitových rovnic pro odhad poškození vzorků je patrné, že původní limity pro průraz (normovaná tloušťka menší než 2,1 cm/​​g1/3) a pro poškození na obou stranách vzorku (normovaná tloušťka menší než 3,6 cm/​​g1/3) nejsou v případě prezentovaných materiálů platné.

Z grafu je dále možné predikovat polohu nových hranic porušení platných pro zkoušené UHPFRC směsi. Hodnoty normované tloušťky pro hranici mezi porušením pouze na kontaktní straně a na kontaktní a odvrácené straně je nově možno předpokládat při hodnotě normované tloušťky 2,1 cm/​​g1/3 (posun z původních 3,6 cm/​​g1/3). Rozhraní pro porušení prvku průrazem se posunulo na hodnotu 1,3 cm/​​g1/3 (z původních 2,1 cm/​​g1/3). Posun hranic pro jednotlivé typy porušení blíže k sobě indikuje, že křivka popisující závislost normované hloubky porušení na normované tloušťce je strmější. Rozdílný posun jednotlivých hranic poškození je v souladu s výsledky získanými z aplikace McVayova přístupu.

Závěr

V článku byly prezentovány vybrané výsledky z experimentálního programu zaměřeného na stanovení výbuchové odolnosti dvou UHPFRC směsí. V rámci programu byly vzorky ze dvou UHPFRC směsí zatíženy kontaktním a blízkým výbuchem. Celkem bylo během experimentu odstřeleno 28 čtvercových desek (čtrnáct desek pro každou směs) o hraně 1 000 mm. Tloušťky vzorků byly 100, 150 a 200 mm. Pro každou střelu byly stanoveny různé zatěžovací podmínky, kterých bylo dosaženo změnou hmotnosti a vzdálenosti nálože. Výsledky prezentované v tomto článku jsou založeny na měření rozsahu výsledného poškození, tj. hloubky, tvaru a typu porušení. Následně byly výsledky testovaných UHPFRC vzorků porovnány s výsledky běžně používaných betonů, které jsou zastoupeny empirickými metodami pro odhad rozsahu a typu porušení.

Na vzorcích vystavených výbuchu byly sledovány dva odlišné systémy trhlin. První systém byl reprezentován radiálními trhlinami, které se objevily na většině vzorků. Tyto trhliny byly široké a hluboké, často pronikaly celou tloušťkou vzorku a došlo k prokreslení jedné trhliny na obou sledovaných površích. Druhý systém trhlin se skládal z velmi malých, pouze povrchových trhlin, které kopírovaly okraje vzorku a v některých případech utvořily spojitou soustavu. Tyto trhliny se objevovaly zejména na kontaktním povrchu a v některých případech i na odvrácené straně a vznikaly při odrazu přetlakové vlny od okrajů vzorku vlivem vzniku tahových napětí, na rozdíl od radiálních trhlin, které pravděpodobně vznikaly ohybovým namáháním po průchodu přetlakové vlny.

Aplikováním dvou empirických metod pro stanovení rozsahu poškození zkoušených vzorků bylo dokázáno, že v případě výbuchové odolnosti jsou zkoušené UHPFRC směsi vhodnější než běžně používané betony. V případě použití zkoušených směsí bylo pro dosažení stejného rozsahu poškození a typu porušení nutné vyvinout více energie v poměru k tloušťce vzorku (použití větší nálože, umístění nálože blíže vzorku, použití tenčího vzorku). V případě McVayovy metody je tento fakt vyjádřen posunem hranic mezi jednotlivými typy porušení směrem k menším hodnotám normované tloušťky. Aplikací Morishitova přístupu, který nebere v úvahu normovanou vzdálenost, nýbrž pouze tloušťky vzorků, bylo dosaženo obdobných výsledků. Nicméně vliv tohoto parametru, který nemůže být jednoduše zanedbán, Morishitův přístup značně znehodnocuje. Morishitův přístup se tak jeví jako méně použitelný pro tento typ experimentů.

Výsledky dále ukazují i na rozdílnou výbuchovou odolnost obou zkoušených materiálů. Vzorky ze směsi A vykázaly lepší výsledky než vzorky ze směsi B. Tento zjištěný rozdíl, který může být zapříčiněn rozdílnými materiálovými parametry, nebyl v rámci experimentu stanoven. Vzhledem k nemožnosti stanovit statistickou odchylku provedených zkoušek není možné odvodit vliv této odchylky na případný rozdíl zkoušených materiálů.

Tato práce byla podpořena Grantovou agenturou České republiky (GAČR) v rámci projektu Charakterizace chování betonu vystaveného výbuchu a následnému požáru, č. 17 – 23067S, za což autoři srdečně děkují.

 

Zdroje

[1]          KOVAR, M., FOGLAR, M., HAJEK, R. The blast performance of real-scale reinforced concrete specimens with varying fiber types and content. Structures Under Shock and Impact XIII. 2014, Vol. 141, 159 – 169.

[2]          FOGLAR, M., PACHMAN, J., PELIKAN, V., HÁJEK, R., KÜNZEL, M., KOVÁŘ, M. The structural response of a reinforced concrete specimen subjected to adjacent blast loading. WIT Transactions on the Built Environment. 2014, pp. 171 – 179.

[3]          FOGLAR, M., HAJEK, R., FLADR, J., PACHMAN, J., STOLLER, J. Full-scale experimental testing of the blast resistance of HPFRC and UHPFRC bridge decks. Construction and Building Materials. 2017,

Vol. 145, pp. 588 – 601.

[4]          McVAY, M. Spall damage of concrete structures. Technical report SL-88 – 22. Structures Laboratory, Department of the Army. Mississippi, USA, 1988.

[5]          MORISHITA, M., TANAKA, H., ANDO, T., HAGIYA, H. Effects of Concrete Strength and Reinforcing Clear Distance on the Damage of Reinforced Concrete Slabs Subjected to Contact Detonations. Concrete Research and Technology. 2004, Vol. 15, Issue 2, pp. 89 – 98.

[6]          MORISHITA, M., TANAKA, H., ITO, T., YAMAGUCHI, H. Damage of Reinforced Concrete Slabs Subjected

to Contact Detonations. Journal of Structural Engineering. 2000, Vol. 46A, pp. 1787 – 1797, (in Japanese).

[7]          CADONI, E., FORNI, D., BONNET, E., DOBRUSKY, S. Experimental study on direct tensile behaviour of UHPFRC under high strain-rates. Construction and Building Materials. 2019, Vol. 218, pp. 667 – 680.

Autoři

Comparison of the Blast Restistance of two UHPFRC Mixes with that of Ordinary Concrete Based on a Prediction of the Failure Mode

This paper presents results of an extensive experimental programme which was carried out in cooperation of CTU Prague with the Lafarge Holcim Centre de Recherche. Two proprietary UHPFRC composite materials were tested for their blast resistance when in contact or near-by. In total, twenty-eight slabs with thicknesses of 100, 150 and 200 mm were tested. Specimens were loaded with explosive charge with a mass of 100 – 1000 g in various distances from the specimens’ top surfaces (0 – 100 mm). All specimens were visually evaluated for the extent of damage failure mode and crack pattern. Results from the experiment were evaluated and compared with results for normal strength reinforced concrete available in publications.

2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Odolnost sendvičových betonových desek proti výbuchu

Odolnost běžného betonu proti výbuchu je známa řadu let, ale odolnost drátkobetonu, nebo dokonce vysokohodnotných betonů je nové téma s velkou budoucností, protože ztužení cementové struktury ocelovými vlákny významně ovlivňuje lomové vlastnosti materiálu. V článku jsou prezen...
114 Technologie | 15.12.2019 | Věda a výzkum

Teplotní namáhání UHPC — vliv na soudržnost předpínací výztuže

Prefabrikace prvků z UHPC v posledních letech ve světě, ale i v ČR vzrůstá. Subtilní konstrukce z tohoto moderního materiálu vyžadují experimentální program pro stanovení chování prvku a vytvoření podkladů pro optimální návrh konstrukce. Předchozí výzkum soudržnosti UHPC s růz...