Przebieg zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradacja

w wysokiej temperaturze

Zrozumienie fi zyki procesów cieplno-wilgotnościowych i termo-chemicz-nych oraz degradacji podczas nagrzewania się konstrukcji betonowych w warun-kach pożarowych może być przydatne przy wyborze odpowiedniej ich ochrony przed termicznym odpryskiwaniem (Khoury 2003). W warunkach pożarowych elementy konstrukcyjne wykonane z kompozytów cementowych (np. betonowe)

są silnie ogrzewane poprzez ich powierzchnie. Ogrzewanie powoduje stopnio-wy wzrost temperatury konstrukcji betonowej, począwszy od jej powierzchni. W początkowej fazie tego procesu gradienty temperatury są stosunkowo wysokie

(Gawin 2010). Wynika to z faktu, iż cała wilgoć zgromadzona w porach

materia-łu musi zostać uwolniona (odparowuje) w przedziale temperatur około 100°C– –200°C, co wymaga dostarczenia znacznych ilości ciepła. Wskutek intensywnego odparowywania wody w fazie ciekłej, jej zawartość w warstwie powierzchniowej maleje. Maksymalna wartość ciśnienia gazu w podgrzewanych elementach beto-nowych występuje zwykle w obszarze, w którym panuje temperatura ok. 160°C--190°C (Gawin 2010).

Jak pokazują wyniki niektórych badań laboratoryjnych, w przypadku be-tonu wysokowartościowego ciśnienie pary wodnej wzrasta i może osiągnąć na-wet wartość rzędu 3–4 MPa (Kalifa et al. 2000). Rosnąca temperatura powodu-je wzrost objętości kompozytu cementowego. Na wzrost powodu-jego objętości składają się takie czynniki jak: rozszerzalność termiczna betonu, postępujący proces de-hydratacji oraz rozwój i otwieranie się mikrorys w szkielecie materiału (Gawin

2010). W efekcie tych zjawisk oraz reakcji termo-chemicznych jego właściwości

wytrzymałościowe ulegają stopniowej degradacji (Gawin i Alonso et al. 2005,

Ga-win et al. 2002). Wyniki symulacji komputerowych (GaGa-win 2010) potwierdziły,

że szybkość wzrostu temperatury betonu ma istotny wpływ na przebieg zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradację kompozytów cementowych w wysokiej temperaturze, a zwłaszcza jego pękanie podczas ogrzewania do wysokich tempe-ratur. Wskutek degradacji termo-chemicznej i mechanicznej betonu jego prze-puszczalność wzrasta.

W celu ustalenia, jak zmienia się nasiąkliwość zaczynów cementowych pod-danych oddziaływaniu podwyższonej i wysokiej temperatury, wykonano badania doświadczalne. Ich celem było wykonanie oznaczeń nasiąkliwości powierzchnio-wej zaczynów cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropyleno-wych F poddanych oddziaływaniu wysokich temperatur. Badanie nasiąkliwości powierzchniowej wykonano dla zaczynów cementowych (bez dodatku kruszywa drobnego i grubego), aby wyeliminować dodatkowe frakcje występujące w beto-nie czy zaprawie.

Do porównania nasiąkliwości powierzchniowej zaczynów z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych F (poddanych wygrzewaniu w wysokiej temperaturze) wykorzystano opracowaną w ITB procedurę wstępną oznaczania nasiąkliwości powierzchniowej opartą o normę (PN-B-10106:1997). Do wyko-nania próbek zaczynowych zastosowano cement CEM I 42,5 R z  cementowni

Małogoszcz. Cement zastosowany do badań spełniał wg deklaracji producenta wymagania normy (PN-EN 197-1:2002) „Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”. Wskaźnik w/c dla próbek zaczynowych był równy 0,3. Próbki do badań wykonano w kształcie beleczek o wymiarach 40 × 40 × 160 mm. Zestawienie składów zaczynów przed-stawiono w tabeli 3.6.

Tabela 3.6. Skład zaczynów cementowych przyjęty do badania nasiąkliwości

Lp. Oznaczenie składu Skład mieszanki Cement CEM I 42,5 R [kg] Woda [dm3] w/c [-] Włókno F [kg/m3] 1 C0F 2 0,6 0,3 2 C1,8F 2 0,6 0,3 1,8

Źródło: Opracowanie własne

Wszystkie próbki zaczynów zmierzono z dokładnością do 1 mm i zważono z dokładnością do 0,01 g, wyrażając wymiary próbek w metrach, a masę w ki-logramach. Próbki zaczynu cementowego przewidziane do badań umieszczono powierzchnią 40 mm × 160 mm w naczyniu na mokrej włókninie. Pomiar na-siąkliwości przeprowadzono po 6 i 24 godzinach, a  następnie po 3 dniach. Po wyznaczonym terminie każdą próbkę wyjmowano z wody, po czym delikatnie wycierano ściereczką bawełnianą lub lnianą. Następnie próbkę ważono i oblicza-no nasiąkliwość ze wzoru (3.7):

݊_௣ ൌ ^௠ೢି௠_ೞ

ி  (3.7)

gdzie:

n_p – nasiąkliwość powierzchniowa [kg/m2], m_w – masa wilgotnej próbki [kg],

m_s – masa suchej próbki [kg],

F – powierzchnia próbki stykająca się z wodą [m2].

Porównanie wyników nasiąkliwości powierzchniowej przeprowadzono w stosunku do tej samej próbki w wyżej określonych terminach, czyli po 6, 24 i 72 godzinach. Badanie wykonane było w temperaturze normalnej (20°C), próbki wygrzewano w piecu w temperaturach: 100°C, 200°C, 300°C, 400°C. Wygrzewa-nie trwało do czasu, aż temperatura na dwóch termoparach osiągnęła jednakową

wartość. Termopara nr 1 umieszczona była na powierzchni próbki, zaś termo-para nr  2 wewnątrz beleczki na głębokości 2 cm. Wygrzewanie beleczki prze-prowadzone było według krzywej standardowej temperatura – czas. Wyniki ba-dań nasiąkliwości powierzchniowej zaczynów cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych wygrzewanych w różnych temperaturach przedstawiono w tabeli 3.7. Wyniki były opracowywane przy temperaturze oto-czenia ok. 22°C i wilgotności względnej 48%. Badania przeprowadzono zgodnie z procedurą (PN-B-10106:1997). Jako wynik badań przedstawiono średnią aryt-metyczną z  sześciu próbek. Do obliczeń przyjęto stałą powierzchnię ich styku z wodą równą 0,0064 m2. Zestawienie uzyskanych wyników zamieszczono w ta-belach 3.7 i 3.8.

Tabela 3.7. Zestawienie wyników badania nasiąkliwości

Lp. Oznacze-nie próbki ^m0 m_6h m₆-m₀ n_p6 m₂₄ m₂₄-m₀ n_p24 m_72h m_72h-m₀ n_p72h 1 C0F20 0,52 0,53 0,01 1,38 0,53 0,01 2,33 0,53 0,02 2,69 2 C0F100 0,54 0,54 0,00 0,73 0,54 0,01 1,14 0,54 0,01 1,37 3 C0F200 0,48 0,53 0,05 7,38 0,54 0,06 9,71 0,55 0,07 10,64 4 C0F300 0,47 0,51 0,05 7,47 0,53 0,06 9,99 0,54 0,07 11,54 5 C0F400 0,46 0,52 0,06 9,35 0,54 0,08 12,54 0,55 0,09 14,08 6 C1,8F20 0,53 0,53 0,00 0,65 0,54 0,01 0,93 0,54 0,01 1,19 7 C1,8F100 0,54 0,54 0,01 1,10 0,55 0,01 1,77 0,55 0,01 2,13 8 C1,8F200 0,49 0,53 0,04 6,26 0,54 0,05 8,19 0,55 0,06 9,66 9 C1,8F300 0,46 0,52 0,05 7,96 0,53 0,07 10,40 0,54 0,08 12,46 10 C1,8F400 0,45 0,50 0,05 8,40 0,52 0,07 10,48 0,53 0,08 13,03

Źródło: Opracowanie własne

Tabela 3.8. Utrata masy po wygrzewaniu w poszczególnych temperaturach Lp. ^Oznaczenie beleczek Temp. wygrzewania [°C] Masa beleczki [kg] w temp. 20 [°C] Masa beleczki po wygrzewaniu [kg] Różnica [kg] Strata masy beleczki po nagrzewaniu [%] 1 C0F20 20 0,520 - - -2 C1,8F20 20 0,525 - - -3 C0F100 100 0,540 0,535 0,005 0,9 4 C1,8F100 100 0,540 0,540 0 0 5 C0F200 200 0,520 0,475 0,045 8,65 6 C1,8F200 200 0,540 0,490 0,050 9,26 7 C0F300 300 0,500 0,460 0,040 8,0 8 C1,8F300 300 0,520 0,460 0,060 11,54 9 C0F400 400 0,535 0,445 0,090 16,82 10 C1,8F400 400 0,535 0,450 0,085 15,89

Źródło: Opracowanie własne

Analiza wyników badań objęła porównanie wartości nasiąkliwości po-wierzchniowej zaczynów bez dodatku i z dodatkiem włókien polipropyleno-wych wygrzewanych w różnych temperaturach oraz wzrost nasiąkliwości wraz ze wzrostem czasu.

Z porównania nasiąkliwości powierzchniowej zaczynów bez i z dodatkiem włókien F wygrzewanych w różnych temperaturach wynika, że:

1. W miarę wzrostu temperatury wygrzewania próbek wzrasta ich nasiąkliwość powierzchniowa zarówno w zaczynach bez, jak i z dodatkiem włókien poli-propylenowych F. Wyjątkiem są próbki zaczynowe bez dodatku włókien wy-grzewane w 100°C. W tym przypadku nasiąkliwość powierzchniowa zmniej-sza się około 50% w stosunku do próbek badanych w warunkach normalnych (ok. 20°C).

2. Po wygrzewaniu próbek w temperaturach 100°C, 200°C, 300°C i 400°C prób-ki z dodatprób-kiem włóprób-kien F charakteryzują się zbliżoną oraz nieco większą na-siąkliwością powierzchniową niż próbki bez dodatku włókien.

3. Podczas badania nasiąkliwości próbek zaczynowych z dodatkiem włókien wygrzewanych w temperaturze 300°C odnotowano wzrost nasiąkliwości. Ten wzrost związany jest z powstawaniem podczas wygrzewania próbek wolnych przestrzeni, które umożliwiają odprowadzenie pary wodnej, jak również wniknięcie wody do wewnątrz. Przestrzenie te powstają prawdopodobnie na

skutek wytopienia się włókien polipropylenowych w  temperaturach około 200°C.

3.4. Wpływ oddziaływania wysokiej temperatury na zjawisko

termicznego odpryskiwania betonu

3.4.1. Opis zjawiska termicznego odpryskiwania betonu, jego