Provzdušnění betonu jako alternativa k polypropylenovým vláknům a jeho vliv na pevnost v tlaku běžného betonu vystaveného působení vysokých teplot

Z běžně používaných stavební materiálů (beton, ocel, dřevo) se z hlediska požární odolnosti konstrukcí jeví jako nejvhodnější materiál beton. Přesto však při jeho vystavení vysokým teplotám dochází k vážným nevratným změnám, které výrazně narušují jeho vnitřní strukturu a mechanické vlastnosti. Z toho důvodu jsou stále hledány vhodné způsoby úpravy betonu pro zvýšení jeho odolnosti vůči působení vysokých teplot. Jedním z nepříznivých následků působení vysokých teplot na betonové konstrukce je odštěpování betonu, ke kterému dochází zejména z důvodu vypařování vody v něm obsažené. Tato vypařená voda zvyšuje pórový tlak, který následně způsobuje odštěpování [1]. Možným a často používaným způsobem snížení pórového tlaku, a tedy i rizika odštěpování betonu vystaveného působení vysokých teplot, je přidání polypropylenových vláken do čerstvého betonu [2], což však přináší určité nevýhody, např. snížení zpracovatelnosti, resp. zvýšení náročnosti ukládání a zhutňování betonu [2], [3]. Bylo by proto přínosné nalézt vhodnou alternativu k používání polypropylenových vláken.

Alternativou z hlediska eliminace odštěpování betonu by mohlo být provzdušnění betonu, které samo o sobě zvyšuje potřebnou porozitu a permeabilitu betonu.

Ačkoliv se již někteří autoři zabývali vlivem provzdušnění betonu na jeho vlastnosti a chování ve spojitosti s vysokými teplotami [4] až [7], ve většině studií byly experimenty prováděny na vychladlých vzorcích až po jejich vystavení vysokým teplotám a studie tedy obsahují výsledky a závěry týkající se pouze reziduálních vlastností provzdušněného betonu. Tyto výsledky a závěry nelze proto obecně vztahovat na beton vystavený působení vysokých teplot. Autory tohoto článku byla nalezena pouze jedna studie zaměřená na vlastnosti a chování provzdušněného betonu vystaveného působení vysokých teplot [3]. Tato studie se však zabývá pouze vysokopevnostním betonem (HSC), jehož chování za vysokých teplot je výrazně odlišné od chování betonu běžné pevnosti (NSC). Za zmínku stojí fakt, že provzdušnění betonu má na pevnost betonu za běžných teplot vliv negativní, neboť zvýšená pórozita způsobuje snížení pevnosti [8].

Z rešerše současného stavu problematiky provzdušněného betonu vystaveného působení vysokých teplot je zřejmé, že většina relevantních studií byla zaměřena buď na rezi­duální vlastnosti betonu po vystavení vysokým teplotám, nebo na vlastnosti vysokopevnostního betonu. Výsledky prezentované v těchto studiích nemusí odpovídat chování betonu běžné pevnosti při působení vysokých teplot.

Hlavním cílem tohoto článku je prezentovat předběžné výsledky experimentálního výzkumu vlivu provzdušnění betonu na tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti vystaveného působení vysokých teplot. Předložená práce je rovněž popsána v konferenčním příspěvku [9] a je součástí rozsáhlého výzkumu na Fakultě stavební ČVUT v Praze [2], [10] až [16].

Pro stanovení vlivu provzdušnění betonu na jeho tlakovou pevnost při působení vysokých teplot byly provedeny experimenty na 15 vzorcích z neprovzdušněného betonu a 15 vzorcích z betonu provzdušněného. Složení betonů použitých pro výrobu vzorků je popsáno v tab. 1.

Porozita obou typů betonu byla stanovena zkouškou obsahu vzduchu v čerstvém betonu pomocí tlakového hrnce při teplotách 20, 200, 400, 600 a 800 °C. Pro dosažení co nejrovnoměrnějšího ohřátí vzorků byly použity válcové vzorky o průměru 100 mm a výšce 200 mm. Porozita neprovzdušněného betonu byla 3,4 % a porozita provzdušněného betonu byla 6,4 %.

Před samotnými tlakovými zkouškami bylo nutné provést zahřátí vzorků na požadovanou teplotu a docílit rovnoměrného ohřátí. Zahřívání bylo prováděno pomocí elektrického řídicího stroje, keramických odporových deček a termočlánků typu K.

Pro zahřívání vzorků byly použity celkem čtyři různé režimy, každý pro jednu z cílových teplot, tj. 200, 400, 600 a 800 °C. Rychlost nárůstu teploty byla vždy stejná, a to 600 °C/​​h. Pro dosažení požadované teploty v celém vzorku byla cílová teplota udržována po dobu 3 h. V každém zahřívacím režimu byly vždy zahřáty tři vzorky z neprovzdušněného betonu a tři vzorky z provzdušněného betonu. Celkem bylo tedy vystaveno vysokým teplo­tám 24 vzorků – 12 z neprovzdušněného betonu a 12 z provzdušněného betonu.

Ihned po zahřátí vzorku byla vždy provedena tlaková zkouška s cílem stanovit tlakovou pevnost betonu při dané teplotě. Tlakové zkoušky byly provedeny v souladu s normou ČSN EN 12390 – 3 [17] v počítačem ovládaném hydraulickém lisu. Každá zkouška byla řízena deformací o rychlosti 0,02 mm/​​s až do porušení vzorku. Během zkoušky byl měřen celkový podélný posun, z něhož bylo později vypočteno poměrné přetvoření vzorku.

Z dat získaných pomocí zkoušek je zřejmé, že vysoké teploty nad 400 °C ovlivňují neprovzdušněný i provzdušněný beton přibližně stejně, avšak teploty do 400 °C mají vliv výrazně odlišný. Pevnost neprovzdušněného betonu nejprve roste s rostoucí teplotou a až při teplotě okolo 200 °C začíná klesat, zatímco pevnost provzdušněného betonu s rostoucí teplotou klesá již od začátku. Toto rozdílné chování je způsobeno dvěma procesy probíhajícími v betonu – hydratací dříve nezhydratovaných zrn cementu a vypařováním vody –, k nimž dochází při teplotách do 300 °C [18]. Ačkoliv tyto procesy probíhají v obou typech betonu (neprovzdušněném i provzdušněném), každý z těchto betonů je ovlivňován v jiné míře. Dodatečná hydratace dříve nezhydratovaných zrn, která způsobuje nárůst pevnosti, je více dominantní v betonech s nízkou pórozitou. Naopak vypařování vody, které způsobuje snížení pevnosti, je dominantnější a rychlejší v betonech, jejichž pórozita je velká [19]. V případě provzdušněného betonu, který má vyšší porozitu, tedy dochází k výraznému a rychlému vypařování vody a pouze v malé míře k dodatečné hydrataci zrn, což má za ná­sledek rychlé snižování pevnosti s rostoucí teplotou. Naopak v případě neprovzdušněného betonu, jehož porozita je nižší, dochází k pomalejšímu vypařování vody a k výrazné dodatečné hydrataci zrn, což má za následek dočasné zvýšení pevnosti a následné snížení pevnosti s rostoucí teplotou.

Při teplotách nad 400 °C již nedochází k dodatečné hydrataci zrn ani k vypařování vody (voda je již téměř zcela vypařena), a proto ani jeden z těchto procesů pevnost betonu dále neovlivňuje.

Při teplotách od 400 do 800 °C však dochází k dalším degradačním procesům ve struktuře betonu, např. ke vzniku mikrotrhlin v cementové pastě, dekarbonataci cementu a zvětšení objemu kameniva jeho přechodem z α fáze do β fáze. Tyto procesy ovlivňují neprovzdušněný i provzdušněný beton přibližně stejně – s rostoucí teplotou dochází ke snižování pevnosti přibližně stejnou rychlostí. 

Experimentálně stanovené hodnoty pevností neprovzdušněného betonu se liší od hodnot uvedených v normě ČSN EN 1992 – 1‑2 [20] pro betony s křemičitým kamenivem. Dopo­ru­čené hodnoty jsou menší, a tudíž konzervativnější. Tento rozdíl je způsoben tím, že norma bezpečně zanedbává počáteční nárůst pevnosti při teplotě okolo 200 °C.

V článku byl popsán vliv provzdušnění na tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti. Ze získaných výsledků stojí za zdůraznění zejména následující zjištění:

Z uvedených poznatků lze učinit následující závěry:

Na základě předběžného zhodnocení prezentovaných dat lze usuzovat, že provzdušnění betonu snižuje tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti při vystavení vysokým teplotám po delší dobu (cca 3 h). Po dlouhém vystavení vysokým teplotám je již téměř veškerá pára z betonu uvolněna, a proto zvýšená pórozita provzdušněného betonu, která by za jiných podmínek snižovala vysoký pórový tlak, nepřináší žádný pozitivní efekt. Zvýšená porozita tedy působí pouze negativně – snižuje tlakovou pevnost betonu. V rámci navazujícího výzkumu bude provedena detailní studie zaměřená na provzdušnění betonu a jeho vliv na tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti při vystavení vysokým teplotám v raných stadiích zahřívání.