Alternatywne metody ochrony konstrukcji przed

Pierwszym widocznym efektem oddziaływania temperatury pożarowej na konstrukcje z betonu jest odłupywanie lub odpryskiwanie fragmentów warstw powierzchniowych, często do powierzchni zbrojenia (rys. 3.18).

Rys. 3.18. Wygląd elementu, w którym wystąpiło odpryskiwanie

termiczne betonu (fot. Robert Kowalski)

Odpryskiwanie termiczne warstw betonu jest szczególnym przypadkiem uszkodzenia elementu żelbetowego. Odpryski te są gwałtowne, w literaturze są nazywane eksplozyjnym (termicznym) spallingiem (Drzymała i Bednarek 2011,

Gawin 2010). Przyjmuje się na ogół, że powstają one na skutek gwałtownego

od-parowywania wilgoci zgromadzonej w porach ogrzewanego materiału oraz zmian jego objętości (ciśnienia pary wodnej i wysokich naprężeń termicznych). Na in-tensywność odpryskiwania największy wpływ ma wilgotność betonu, szybkość ogrzewania, występowanie naprężeń ściskających do powierzchni ogrzewanej, gęsta struktura betonu i rodzaj zastosowanego kruszywa. Również istotny wpływ ma kształt elementu, w szczególności jego przekrój poprzeczny. Uwidacznia się to w elementach smukłych i cienkościennych. Zjawisko eksplozyjnego odpryski-wania występuje częściej w betonach wysokowartościowych ze względu na niską porowatość i przepuszczalność tego materiału (Drzymała i Bednarek 2011, Gawin

i Witek 2006). Szczególnie niekorzystne może to być w pożarach tuneli, gdyż

tem-peratura pożarowa jest wtedy około dwa razy wyższa niż w przeciętnym pożarze. Z analizy literaturowej przeprowadzonej przez autora pracy wynika, że pra-wie wszyscy badacze rekomendują użycie włókien polipropylenowych (PP) do obniżania i eliminowania ryzyka eksplozyjnego odpryskiwania w betonach wy-sokiej wytrzymałości BWW przy podwyższonej temperaturze. Z punktu widze-nia przemysłu, żeby zapobiec termicznemu odpryskiwaniu w betonach BWW

(Kalifa et al. 2001), przyjęte są wielkości: dozowanie włókien 2 kg/m3, długość włókien od 10–20 mm oraz średnica włókien od 50–200 μm. P. Kalifa oraz inni

(Behnood i Ghandehari 2009, Kalifa et al. 2001) wykazują dobrą skuteczność

włó-kien polipropylenowych przeciwko odpryskiwaniu termicznemu, nawet przy dawkach tak małych jak 0,9 kg/m3.

Najbardziej efektywne metody biernej ochrony konstrukcji i jednocześnie zmniejszające ryzyko wystąpienia termicznego odpryskiwania przedstawiono poniżej (Khoury 2003):

– użycie bariery termicznej (izolacje ogniochronne), – zastosowanie włókien polipropylenowych,

– dodanie środka napowietrzającego,

– projektowanie elementów o możliwie cienkich przekrojach, – stosowanie kruszyw o niskiej rozszerzalności cieplnej.

Zastosowanie bariery ochronnej wykonanej z ognioodpornych materiałów do zabezpieczania ścian, sufi tów, przepustów i tras kablowych oraz szczelin dy-latacyjnych powoduje, że szkody, jakie powstają w wyniku pożaru, mogą zostać maksymalnie zredukowane, a naprawa uszkodzonego odcinka tunelu w wyniku oddziaływania wysokich temperatur ograniczyć się może do wymiany okładzin ognioochronnych.

Zwiększenie porowatości betonu poprzez celowe wprowadzenie do jego struk-tury pęcherzyków powietrza (napowietrzanie) jest jedną z metod zwiększenia jego odporności na działanie wysokiej temperatury. Idea tej metody opiera się na zało-żeniu, że para wodna znajdująca się pod dużym ciśnieniem w porach betonu na-powietrzonego poddanego ekspozycji na wysoką temperaturę będzie miała możli-wość rozprężenia się. Koncepcja napowietrzenia zaistniała w związku ze znacznie niższymi spadkami wytrzymałości po poddaniu obciążeniu termicznemu betonów lekkich w stosunku do betonów zwykłych. Również betony komórkowe wykazują znacznie lepsze właściwości w warunkach wysokich temperatur niż betony zwy-kłe (Černý 2008). Stwierdzono, że betony komórkowe nawet przy oddziaływaniu temperatury do 600°C mogą charakteryzować się wytrzymałością na ściskanie taką samą jak niepoddane ekspozycji na wysokie temperatury (Tanacan et al. 2009).

Wpływ oddziaływania wysokiej temperatury (do 600°C) na napowietrzony beton wysokowartościowy (BWW), a także ocenę możliwości poprawy odporności tego rodzaju betonu na działanie podwyższonej temperatury poprzez napowietrze-nie badano równapowietrze-nież w (Drzymała et al. 2017, Drzymała et al. 2018, Jackiewicz-Rek

i Drzymała et al. 2016, Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014). W tym celu

zapro-jektowano beton napowietrzony (o całkowitej zawartości powietrza w mieszance równej 4–5%) o w/c = 0,30, z kruszywem bazaltowym o D_max równym 16 mm. W celu uzyskania założonej klasy konsystencji S3 (100–150 mm) zastosowano

domieszkę upłynniającą. Program badań obejmował zarówno badania mieszanki betonowej (struktury napowietrzenia, całkowitej zawartości powietrza, konsysten-cji i gęstości objętościowej), badania cech fi zyko-mechanicznych stwardniałego betonu, (w tym: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu oraz przy zginaniu), moduł sprężystości, a także cech związanych z trwałością betonu tzn. nasiąkliwości, głębokości penetracji wody pod ciśnieniem oraz mrozoodporności F150 (Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014). Badania cech betonu prowadzono zarówno w temperaturze laboratoryjnej 20°C, jak i w za-kresie wysokich temperatur, wygrzewając próbki do 300°C, 450°C i 600°C. Ponadto prowadzono wizualną ocenę powierzchni betonu, który został poddany działaniu wysokiej temperatury. Obserwowano możliwość wystąpienia zjawiska spallingu, barwę betonu oraz powstawanie na jego powierzchni rys. Zrealizowany program badań (Drzymała et al. 2017, Drzymała et al. 2018, Jackiewicz-Rek i Drzymała et

al. 2016, Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014) pozwolił na potwierdzenie

uży-teczności betonów napowietrzonych BWW do konstrukcji inżynierskich narażo-nych na oddziaływanie wysokiej temperatury. Beton modyfi kowany domieszką na-powietrzającą nie wykazał również pogorszenia cech wytrzymałościowych, jak to przewidziano w Eurokodzie 2. Nie odnotowano również gwałtownego pogorszenia cech trwałościowych oraz utraty szczelności.

Z przeprowadzonych badań wynika również, że napowietrzony beton wyso-kowartościowy charakteryzował się lepszymi parametrami decydującymi o jego trwałości po oddziaływaniu wysokiej temperatury niż porównywalny beton wyso-kowartościowy z dodatkiem włókien polipropylenowych w ilości 1,5 kg/m3 (Kuś et

al. 2014, Tomaszewski et al. 2014). Oddziaływanie temperatury do 600°C nie

spo-wodowało w napowietrzonym betonie wysokowartościowym zjawiska spallingu, a także powierzchniowego łuszczenia, kruszenia się (odpadania) naroży w przy-padku próbek prostopadłościennych. Zatem stosowanie napowietrzenia jako me-tody poprawy odporności betonów wysokowartościowych na oddziaływanie wy-sokich temperatur może być również działaniem efektywnym oraz uzasadnionym technologicznie (Drzymała et al. 2017, Drzymała et al. 2018, Jackiewicz-Rek i

Drzy-mała et al. 2016).

Dla betonu poddanego oddziaływaniu wysokiej temperatury istotny jest również dobór odpowiedniego rodzaju kruszywa. Żwiry oraz kruszywa krze-mianowe charakteryzują się najmniejszą odpornością na ekspozycję na wysoką temperaturę, dlatego do betonów narażonych na oddziaływanie wysokiej tempe-ratury zbliżonej do warunków pożaru należy stosować kruszywa wapienne lub bazaltowe (Abramowicz i Adamski 2002).

4. Właściwości kompozytów