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

Ačkoliv již bylo provedeno mnoho studií zabývajících se mechanickými vlastnostmi betonu vystaveného působení vysokých teplot, pouze několik z nich se věnovalo betonu provzdušněnému. V tomto článku jsou prezentovány výsledky experimentální studie zaměřené na vliv provzdušnění na tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti při působení vysokých teplot. V rámci této práce byly vzorky z provzdušněného a neprovzdušněného betonu zahřáty a následně na nich byly provedeny tlakové zkoušky. Data získaná v rámci experimentu byla analyzována a výsledky naznačují, že provzdušnění má na tlakovou pevnost betonu vystaveného vysokým teplotám po delší dobu vliv negativní.

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].

Materiály a metody

Vzorky

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 %.

Zahřívání vzorků

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.

Sestava pro ohřívání vzorků — řídicí stroj
Sestava pro ohřívání vzorků — keramická dečka
Sestava pro ohřívání vzorků — termočlánek 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.

Tlaková zkouška

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.

Výsledky a diskuze

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.

Relativní pevnost neprovzdušněného a provzdušněného betonu v závislosti na teplotě, porovnání s grafem uvedeným v normě ČSN EN 1992­1­2 [20] pro běžný beton s křemičitým kamenivem

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.

Závěr

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

  • díky dostatečně malému gra­dien­tu ohřívání a dostatečně velké pórozitě provzdušněného i neprovzdušněného betonu nedošlo k odštěpování betonu u žádného vzorku. Pórozita u obou materiálů byla navíc dostatečně velká pro uvolnění téměř veškeré vodní páry ze vzorků během doby zahřívání,
  • tlaková pevnost neprovzdušněného betonu s rostoucí teplotou nejprve rostla a až následně začala klesat. Pro teploty 200, 400, 600 a 800 °C byly stanoveny hodnoty relativních tlakových pevností 115, 95, 54 a 23 %,
  • tlaková pevnost provzdušněného betonu s rostoucí teplotou výhradně klesala. Pro teploty 200, 400, 600 a 800 °C byly stanoveny hodnoty relativních tlakových pevností 80, 81, 40 a 23 %,
  • při velmi vysoké teplotě (800 °C) byl rozdíl mezi tlakovou pevností neprovzdušněného a provzdušněného betonu minimální.

Z uvedených poznatků lze učinit následující závěry:

  • s rostoucí teplotou klesá tlaková pevnost provzdušněného betonu výrazně rychleji než tlaková pevnost betonu neprovzdušněného,
  • provzdušnění betonu vystaveného velmi vysokým teplotám (800 °C) nemá vliv na jeho tlakovou pevnost,
  • provzdušnění betonu má obecně negativní vliv na tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti vystaveného vysokým teplotám po dlouhou dobu.

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.

 

Tento článek byl vypracován za finanční podpory Grantové agentury České republiky (GAČR), projekt Charakterizace chování betonu vystaveného výbuchu a následnému požáru (č. 17 – 23067S), a studentské grantové soutěže ČVUT, projektu Numerické modelování požáru a výbuchu a jejich vlivu na betonové konstrukce (č. SGS19/034/OHK1/1T/11).

 

Zdroje

[1]          DWAIKAT, M. B., KODUR, V. K. R. Hydrothermal model for predicting fire-induced spalling in concrete structural systems. Fire Safety Journal. 2009, Vol. 44, Issue 3, pp. 425 – 434.

[2]          NOVAK, J., KOHOUTKOVA, A. Mechanical properties of concrete composites subject to elevated temperature. Fire Safety Journal. 2018, Vol. 95, pp. 66 – 76.

[3]          KHALIQ, W., WAHEED, F. Mechanical response and spalling sensitivity of air entrained high-strength concrete at elevated temperatures. Construction and Building Materials. 2017, Vol. 150, pp. 747 – 757.

[4]          WAHEED, F., KHALIQ, W., KHUSHNOOD, R. A. High-Temperature Residual Strength and Microstructure in Air-Entrained High-Strength Concrete. ACI Materials Journal. 2018, Vol. 115, Issue 3, pp. 425 – 435.

[5]          DRZYMAŁA, T., JACKIEWICZ-REK, W., GAŁAJ, J., ŠUKYS, R. Assessment of mechanical properties of high strength concrete (HSC) after exposure to high temperature, Journal of Civil Engineering and Management. 2018, Vol. 24, Issue 2, pp. 138 – 144.

[6]          DRZYMAŁA, T., JACKIEWICZ-REK, M., TOMASZEWSKI, A., KUŚ, J., GAŁAJ, J., ŠUKYS, R. Effects of high temperature on the properties of high performance concrete (HPC). Procedia Engineering. 2017, Vol. 172, pp. 256 – 263.

[7]          AHMAD, A. H. H., ABDURRAHMAN, R. B. Effect of elevated temperature on some properties of air-entrained steel fibers reinforced concrete. Al-Rafidain Engineering Journal. 2009, Vol. 17, Issue 4, 28 – 41.

[8]          THOMAS, T. L. The effects of air content, water-cement ratio, and aggregate type on the flexural fatigue strength of plain concrete. 1979. Ph.D. thesis. Iowa State University.

[9]          HOLAN, J., NOVÁK, J., ŠTEFAN, R. Air-entrainment as an alternative to polypropylene fibers and its effect on the compressive strength of concrete at high temperatures. In: Fibre Concrete 2019. Bristol: IOP Publishing Ltd. 2019, Vol. 596, pp. 1 – 6.

[10]        GOREMIKINS, V., BLESÁK, L., NOVÁK, J., WALD, F. Experimental Investigation on SFRC behaviour under elevated temperature. Journal of Structural Fire Engineering. 2017, Vol. 8, Issue 3, pp. 287 – 299.

[11]        GOREMIKINS, V., BLESÁK, L., NOVÁK, J., WALD, F. Experimental method on investigation of fibre reinforced concrete at elevated temperatures. Acta Polytechnica. 2016, Vol. 56, Issue 4, pp. 258 – 264.

[12]        HOLAN, J. Compressive strength of air-entrained concrete at high temperatures. In: PhD Workshop 2019. Department of Concrete and Masonry Structures, Faculty of Civil Engineering, CTU in Prague. 2019.

[13]        NOVÁK, J., KOHOUTKOVÁ, A. Mechanical properties of concrete composites subject to elevated temperature. Fire Safety Journal. 2018, Vol. 95, pp. 66 – 76.

[14]        TKALENKO, I., TRETYAKOV, A., WALD, F., NOVÁK, J., ŠTEFAN, R., KOHOUTKOVÁ, A. The Steel and Fibre-reinforced Concrete Circular Hollow Section Composite Column Exposed to Fire. Eurosteel 2017. 2017, pp. 2678 – 2687.

[15]        GOREMIKINS, V., BLESÁK, L., NOVÁK, J., WALD, F. To testing of Steel Fibre Reinforced Concrete at Elevated Temperature. In: Applications of Structural Fire Engineering. Proceedings of the International Conference in Dubrovnik. 2015, pp. 349 – 354.

[16]        NOVÁK, J., KOHOUTKOVÁ, A. Fire response of Hybrid Fiber Reinforced Concrete to High Temperature. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2017, Vol. 172, 784 – 790.

[17]        ČSN EN 12390 – 3. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. ÚNMZ, 2009.

[18]        SAAD, M., ABO-EL-ENEIN, S. A., HANNA, G. B., KOTKATA, M. F. Effect of temperature on physical and mechanical properties of concrete containing silica fume. Cement and Concrete Research. 1996,

Vol. 26, Issue 5, pp. 669 – 675.

[19]        MA, Q., GUO, R., ZHAO, Z., LIN, Z., HE, K. Mechanical properties of concrete at high temperature — a review. Construction and Building Materials. 2015, Vol. 93, pp. 371 – 383.

[20]        ČSN EN 1992 – 1‑2. Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1 – 2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI, 2006.

Autoři

Air-Entrainment of Concrete as an Alternative to Addition of Polypropylene Fibres and Its Efect on the Compressive Strength of Normal Strength Concrete at High Temperatures

Although many studies have been carried out regarding mechanical properties of concrete exposed to high temperatures in the past decades, only few of these studies were aimed on air-entrained normal-strength concrete (NSC). The paper presents the results of an investigation aimed on the the influence of air-entrainment on the compressive strength of NSC at high temperatures. Within the scope of this project, heat treatments and compression tests have been conducted on both reference and air-entrained concrete specimens. The results obtained from the experiments were analysed and show that the air entrainment appears to have a negative influence on the compressive strength of the NSC when exposed to high temperatures for a longer period of time.

2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Úvodník

Jak je na tom vláknobeton

Vážení a milí čtenáři časopisu Beton, jsem rád, že jste si našli čas na přečtení tohoto čísla věnovaného převážně vláknobetonu, a tím se i na chvíli oprostili od jednoho z největších problémů posledních dní, který se jmenuje SARS-CoV-2. Tento virus se stal opravdovou mediální...
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...
2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Experimentální ověření funkčnosti ponorného mola z vláknobetonu

Betonová mola jsou obvykle vyplněna plovoucím materiálem, který je nadnáší po celou dobu životnosti. Systém popsaný v tomto článku je inovativní v tom smyslu, že plutí mola zajišťují vzduchové vaky, které mohou být vypuštěny, a celý systém pak klesne ke dnu řeky. To může být u...