Wpływ wysokiej temperatury na właściwości wytrzymałościowe

3. Podstawowe parametry pożaru wpływające na właściwości

3.2. Wpływ wysokiej temperatury na właściwości wytrzymałościowe

Przy ocenie betonu z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie ma jego wytrzymałość. Przy zachowaniu wymogów technologicznych, wytrzy-małość betonu zależy przede wszystkim od jego składu, a w znacznym stopniu od zawartości i wytrzymałości zaczynu cementowego. Jest to bowiem składnik naj-bardziej podatny na zmiany warunków pracy betonu w konstrukcji, w tym także na oddziaływanie wysokiej temperatury na beton w trakcie pożaru (Bednarek et

al. 2009, Drzymała 2010, Drzymała i Bednarek 2012, Jarmontowicz i Krzywobłoc-ka-Laurów 1986).

Przyjmuje się, że wraz ze wzrostem temperatury następuje degradacja beto-nu wyrażająca się obniżeniem wytrzymałości, a w dalszym etapie uszkodzeniami

mechanicznymi, w niektórych przypadkach również odpryskiwaniem frag-mentów powierzchniowych warstw betonu. Powyższe założenia znalazły wyraz w normie (PN-EN 1992-1-2:2008), w której m.in. podane są dane do progno-zowania względnej wytrzymałości betonu w zależności od temperatury i rodza-ju kruszywa. Rodzaj kruszywa został określony bardzo ogólnie, z podziałem na dwie grupy – kruszywa krzemianowe i kruszywa wapniowe (nazwa „kruszywa krzemianowe” nie ma odpowiednika w polskim nazewnictwie).

W literaturze rozróżnia się kilka obszarów oddziaływania temperatury na beton. Pierwszą wartością temperatury, od której zaczyna się istotna zmiana wła-ściwości betonu, jest 100°C. W temperaturze tej mogą już wystąpić zjawiska od-pryskiwania. Generalnie dla betonów zwykłej wytrzymałości po przekroczeniu temperatury ok. 300°C następuje spadek tego parametru, zaś przy dalszym wzro-ście temperatury, powyżej ok. 600°C, beton staje się praktycznie nieprzydatny jako materiał konstrukcyjny ze względu na dużą (nawet ponad 50%) redukcję wytrzymałości na ściskanie (warstwy wygrzane powyżej tej temperatury ozna-cza się jako zniszczone) (Chudyba 2016, Drzymała 2010). W przypadku beto-nów wysokiej wytrzymałości odnotowuje się znaczące redukcje wytrzymałości na ściskanie (na poziomie 30–50%) już w temperaturach 300–400°C. W tempe-raturze 500°C do 600°C mają miejsce bardzo duży spadek wytrzymałości i zmia-ny w strukturze zarówno betonu zwykłego, jak również wysokowartościowego. Wygrzewanie próbek w temperaturze 600°C powoduje powstawanie rys i osłabia kontakty kruszywo-zaczyn w betonach (Drzymała 2010). Beton nie bierze już wtedy udziału w przenoszeniu obciążeń (Abramowicz i Kowalski 2002, Kowalski

2008, Kowalski 2010, Nevielle 2012). Warstwy ogrzane do tej temperatury z

regu-ły uznaje się za zniszczone. Znajduje to wyraz w Eurokodzie 2 (PN-EN

1992-1-2:2008) w metodzie „Izotermy 500” stosowanej do obliczania nośności przekroju

elementów zginanych. Głównym założeniem tej metody jest pominięcie części przekroju, której temperatura przekracza 500°C, natomiast w części przekroju o niższej temperaturze nie uwzględnia się degradacji wytrzymałości betonu spo-wodowanej działaniem wysokiej temperatury.

Powyżej temperatury ok. 800°C beton przestaje pełnić funkcję materiału konstrukcyjnego ze względu na bardzo dużą (ponad 70−80%) redukcję wytrzy-małości na ściskanie. Następuje widoczna degradacja struktury i wzrost porowa-tości zaczynu (pogłębia się proces powstawania rys i spękań) (Drzymała 2010). Ogrzanie stwardniałego zaczynu cementowego do temperatury 1000°C sprawia, że rozkładowi ulegają wszystkie produkty hydratacji, hydrolizy oraz karbonaty-zacji (Drzymała 2016). Na rys. 3.6 przedstawiono zachowanie betonu w danej

temperaturze podczas pożaru w odniesieniu do procesów fi zycznych według G. Khoury’ego (Khoury 2000).

Rys. 3.6. Zachowanie betonu w zależności od temperatury ogrzania

Źródło: Khoury G.: Eff ect of fi re on concrete and concrete structures.

Progress in Structural Engineering and Materials 2, 2000, pp. 429−447 (Khoury 2000) Wpływ wysokich temperatur na właściwości mechaniczne betonu, z uwagi na złożoność i różnorodność składników tworzących ten materiał i konieczność wyjaśnienia zachodzących w nim zjawisk, jest zagadnieniem trudnym. Obser-wuje się, że po pożarze beton ma zmienioną strukturę w zależności od tempera-tury i czasu trwania pożaru. Konsekwencją tego jest zmiana jego charakterystyk wytrzymałościowych (Abrams 1971, Bednarek et al. 2009, Grabiec 1987, Kosiorek

1988, Kosiorek 1982, Omer 2007, Runkiewicz et al. 1993). Własności

mechanicz-ne betonu w podwyższonych temperaturach zależą od zmian zachodzących pod wpływem temperatury w strukturze zaczynu, kruszywa oraz w strefi e kontaktowej kruszywo-zaczyn (Piasta et al. 1997). Przy ogrzewaniu do temperatury ok. 400°C najważniejszy wpływ mają procesy zachodzące w zaczynie cementowym, zaś po-wyżej tej temperatury większego znaczenia nabierają procesy zachodzące w kru-szywie (Abramowicz i Kowalski 2002). Ogólnie przyjmuje się, że do temperatury 300°C betony zwykłe na cemencie portlandzkim nie obniżają w istotny sposób swoich właściwości wytrzymałościowych. W temperaturach wyższych ich struk-tura ulega stopniowo zniszczeniu, po czym obniża się wytrzymałość i zwiększają

trwałe deformacje. W większości przypadków do całkowitego zniszczenia betonu dochodzi po osiągnięciu temperatur 500°C−600°C i wyższych (Piasta et al. 1997). Główną przyczyną obniżania się wytrzymałości wygrzewanego betonu są prze-ciwne kierunki odkształceń kruszywa i zaczynu, które prowadzą do osłabienia siły przyczepności pomiędzy nimi. Niezgodnym zmianom objętościowym towarzyszą zmiany chemiczne w strukturze zaczynu i kruszywa. Intensywność ich oddziaływa-nia na właściwości betonu zależy przede wszystkim od szybkości nagrzewaoddziaływa-nia i wy-sokości temperatury (Sawicz i Piasta 1981, Sawicz 1982). Istotny wpływ na degrada-cję wytrzymałości betonu ma sposób chłodzenia. W elementach, które po nagrzaniu zostały spryskane wodą lub w niej zanurzone, odnotowuje się znacznie większy spa-dek wytrzymałości niż w elementach swobodnie stygnących na powietrzu. W niektó-rych badaniach z upływem czasu obserwowano stopniowe odzyskiwanie wytrzyma-łości przez beton uszkodzony w wyniku wygrzewania (Abramowicz i Kowalski 2002). Badania spadku wytrzymałości betonu pod wpływem oddziaływania wyso-kich temperatur prowadziło wielu badaczy. Wśród najważniejszych należy wy-mienić: M. S. Abrams, C. Castillo, K. D. Hertz, G. Khoury, L. T. Phan (w In-stytucie NIST). Prowadzone badania miały na celu obserwację zachodzących w betonie zjawisk i ocenę nośności elementów. Niektóre z nich (rys. 3.7), jak na przykład K. D. Hertza (Hertz 2005), prowadziły do podania wzorów pozwalają-cych oszacować wielkość ubytku nośności.

a) b)

Rys. 3.7. Zmiany wytrzymałości na ściskanie betonu w zależności od warunków

panujących po pożarze: a) warunki ciepłe; b) warunki zimne Źródło: opracowanie własne na podstawie (Hertz 2005)

Przeprowadzono wiele serii badań poświęconych betonom zwykłym i sokowartościowym. Mimo to trudno jest jednoznacznie określić spadek wy-trzymałości w zależności od charakterystyki betonu. Założenia oraz informacje zbiorcze odnośnie sposobu przeprowadzania testów dla betonów wysokowar-tościowych (ang. HSC high – strength concrete) i zwykłych (ang. NSC normal –

strength concrete) przez różnych badaczy zamieszczono w tabeli 3.1. Jak różne

wyniki otrzymywano podczas badań, można przeanalizować dzięki rys. 3.8.− 3.10 (Phan 2002).

Tabela 3.1. Informacje zbiorcze odnośnie do sposobu przeprowadzania

testów przez różnych badaczy (Phan 2002)

Abrams 75 × 150 45 nieznany 0 40 nieznana

B ez ob ciążenia w st ęp n eg o NIST I 100 × 200 98 0,22 10 0 5 NIST II 100 × 200 88 0,33 10 0 5 NIST III 100 × 200 75 0,33 0 0 5 NIST IV 100 × 200 50 0,57 0 0 5 Castillo oraz Durani ^{51 × 102} ^{63, 31} ^{0,33, 0.68} ⁰ ⁰ ^{7 do 8} Hammer 100 × 310 68 do 118 ^{0,27 do} 0,50 ⁵ ⁰ ² Diederichs i wsp. 100 × 100 × 100 oraz 80 × 300 33 do 114 ^{0,26 do} 0,45 ¹⁰ ⁰ ^{2; 32} Furumura i wsp. ^{150 × 300} ^{55, 79} ^{0,41; 0,32} ⁰ ⁰ ¹ Khoury oraz Algar ^{60 × 180} ⁸⁵ ^0,32 ⁰ ⁰ ²

Program badań według Wymiary [mm] f_23°C [MPa] w/c [-] Zawartość mikrokrze-mionki [%] Wstępne obciążenie [% z f_23°C] Szybkość nagrzewania [°C/min] Res ztk ow e właści w ości b ez ob ciążenia w st ęp n eg o NIST I 100 × 200 98 0,22 10 40 5 NIST II 100 × 200 88 0,33 10 40 5 NIST III 100 × 200 75 0,33 0 40 5 NIST IV 100 × 200 50 0,57 0 40 5 Hertz 100 × 200 57 × 100 28 × 52 150 nieznany ^{1, 5, 10,} 15, 20 ⁰ ¹ Morita i wsp. ^{100 × 200} ^{20 do 74} ^nieznany ⁰ ⁰ ¹ Felicetti i wsp. ^{100 × 300} ^{72, 95} 0,43, 0,30 ^{9,4; 6,7} ⁰ ^0,2 Khoury oraz Algar ^{60 × 180} ⁸⁵ ^0,32 ⁰ ⁰ ²

Abrams 75 × 150 23, 45 nieznany 0 0 nieznana

7HPSHUDWXUD>&@

:]JOĊGQDZ\WU]\PDáRĞü

>@

Rys. 3.8. Porównanie wyników wytrzymałości na ściskanie w funkcji temperatury

7HPSHUDWXUD>&@

:]JOĊGQDZ\WU]\PDáRĞü

>@

Rys. 3.9. Porównanie wyników wytrzymałości na ściskanie w funkcji temperatury

wg różnych badań (próbki bez obciążenia wstępnego) (Phan 2002)

:]JOĊGQDZ\WU]\PDáRĞü>@

Temperatura>&@

Rys. 3.10. Porównanie wyników wytrzymałości na ściskanie w funkcji temperatury

Zamieszczony w części 1-2 Eurocodu 2 (PN-EN 1992-1-2:2008) wykres przedstawia redukcję wytrzymałości charakterystycznej betonu na ściskanie w warunkach działania temperatur występujących w pożarze. Wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie f_ck(T) opisana jest przez współczynnik re-dukcji k_c(T).

f_ckT k_cT f_ckqC (3.6) gdzie:

f T _{− wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie,}

k T − współczynnik redukcji.

Z przedstawionego wykresu (rys. 3.11) wynika, że istotny wpływ na zacho-wanie się betonu w wysokich temperaturach ma rodzaj kruszywa. Znacznie sła-biej zachowują się betony wykonane przy udziale kruszyw krzemianowych w po-równaniu do betonów z kruszywem wapiennym. Obserwacje te dotyczą spadku wytrzymałości betonu w przypadku wolnego chłodzenia.

Rys. 3.11. Redukcja wytrzymałości betonu na ściskanie. 1 − beton z kruszywem

krzemianowym, 2 − beton z kruszywem wapiennym (PN-EN 1992-1-2: 2008) Badania eksperymentalne wykazują, że betony z kruszywem wapiennym lub bazaltowym są bardziej odporne na działanie wysokiej temperatury niż betony z kruszywa zawierającego duże ilości krzemu.

Badania wpływu podwyższonej temperatury na spadek wytrzymałości na ściskanie fi brobetonu z włóknami polipropylenowymi prowadzono w licznych ośrodkach naukowych (Behnood i Ghandehari 2009, Hager i Tracz 2009,

Ha-ger i Pimienta 2003). Badania prowadzone przez (HaHa-ger i Tracz 2009)

Harbourite. Zastosowano wówczas włókna PP o długości 12 mm, które dozo-wano do mieszanki betonowej w ilości 1,8 kg/m3. Ocenę wpływu temperatury wygrzewania na wytrzymałość na ściskanie przeprowadzono na próbkach kost-kowych o wymiarze boku 100 mm po 90 dniach dojrzewania betonów. Wzrost temperatury betonu odbywał się z prędkością 1°C/min. Po osiągnięciu zakłada-nej temperatury wygrzewano je jeszcze przez 2 godziny w stałej temperaturze. Próbki ogrzewano do tem peratury 100°C, 120°C, 160°C, 200°C, 250°C, 400°C i 600°C, a następnie, po ich ochłodzeniu, poddano je badaniom wytrzymałości na ściskanie. Dla betonu bez włókien odnotowano największy spadek względ-nej wy trzymałości wynoszący 17% i wystąpił on w temperaturze 120°C, nato-miast w przypadku betonu zawierającego dodatek włókien polipropylenowych największy spadek wytrzymałości odnotowano w temperaturze 160°C i wynosił on tylko 8% w stosunku do wytrzymałości niewygrzewanych próbek fi brobetonu. Również w opublikowanych badaniach (Hoff et al. 2000) nie zaobserwowano wy-raźnego wpływu włókien polipropylenowych na wytrzymałość resztkową, czyli wytrzymałość badaną po wystudzeniu próbek.

Celem badań wykonanych przez A. Behnood oraz M. Ghandehari

(Beh-nood i Ghandehari 2009) było porównanie wytrzymałości na ściskanie i

wy-trzymałości na rozciąganie dla betonów o wysokiej wywy-trzymałości z włóknami polipropylenowymi i bez dodatku włókien. Badania wykonano w temperatu-rze pokojowej (ok. 20°C) i po ogrzaniu próbek do temperatury: 100°C, 200°C, 300°C oraz 600°C. W badaniach zastosowano fi brylowane włókna polipropyle-nowe o długości 12 mm dozowane do mieszanki betopolipropyle-nowej w ilości 1 kg/m3, 2 kg/m3 i 3 kg/m3 (WF-1, WF-2, WF-3) oraz mieszankę kontrolną bez dodat-ku włókien polipropylenowych (NF). Mieszanki betonowe OPC – 30 i OPC – 40 wykonano bez dodatku mikrokrzemionki, natomiast SF – 6 oraz SF – 10 (NF) z dodatkiem mikrokrzemionki w ilości odpowiednio 6% i 10%. Próbki do badań wykonano w postaci walców o średnicy 102 mm i wysokości 204 mm. Wytrzymałość na ściskanie badano zgodnie z ASTM C 39, natomiast wytrzy-małość na rozciąganie zgodnie z ASTM C 496. Nie zaobserwowano znaczących zmian wytrzymałości na ściskanie betonów w temperaturze pokojowej (Behnood

i Ghandehari 2009). Badania doświadczalne wytrzymałości na ściskanie i

mo-dułu sprężystości fi brobetonu prowadzone w temperaturach normalnych przez

(Glinicki 2010) wykazały również brak znaczącego wpływu zbrojenia

rozproszo-nego. Glinicki wskazuje, że obecność włókien w mieszance betonowej powoduje pewne rozluźnienie struktury oraz że czasami badania doświadczalne wykazują niewielki spadek wytrzymałości, jeżeli nie skorygowano konsystencji mieszanki

domieszką uplastyczniającą. Względna resztkowa wytrzymałość na ściskanie be-tonów z włóknami (PP) i bebe-tonów bez włókien (PP) po narażeniu na działanie temperatury 100°C była w przybliżeniu taka sama. Zaobserwowano niewielką poprawę resztkowej wytrzymałości na ściskanie dla wszystkich czterech betonów przy 200°C w porównaniu ze 100°C. Wzrost wytrzymałości skojarzony z tym wzrostem temperatury przypisuje się zwiększeniu sił powierzchniowych między cząsteczkami żelu (siły Van der Waalsa) z powodu usunięcia wilgoci (Behnood

i Ghandehari 2009, Lankard et al. 1971).

Wpływ dodatku różnych włókien (polipropylenowych i stalowych) na za-chowanie betonu i fi brobetonu przy zginaniu w normalnych i podwyższonych temperaturach (280°C) został opisany przez (Choumanidis et al. 2016). Badano również resztkową wytrzymałość na zginanie (Metin 2006) oraz właściwości be-tonu poddanego działaniu wysokich temperatur w przypadku użycia mieszanek betonowych z włóknami stalowymi, polimerowymi oraz celulozowymi (Czoboly

et al. 2017).

Resztkowe właściwości mechaniczne oraz odporność na spalling kompozy-tów cementowych z włóknami PVA oraz włóknami stalowymi były badane przez

(Liu et al. 2017). Przeprowadzono testy wytrzymałości na ściskanie na próbkach

przy temperaturze 30°C, 200°C, 400°C, 600°C i 800°C. Resztkowa wytrzymałość na ściskanie kompozytów cementowych z włóknami hybrydowymi wzrastała przy ogrzewaniu ich powyżej 200°C. Poniżej 200°C resztkowa wytrzymałość na ściskanie obniżała się wraz ze wzrostem temperatury.

Na podstawie wyników badań (Behnood i Ghandehari 2009) wykazano, że dodatek włókien (PP) w ilości 2 kg/m3 poprawił resztkową wytrzymałość na roz-ciąganie dla betonów BWW ogrzanych do wysokich temperatur.

3.3. Właściwości kompozytów cementowych w warunkach

W dokumencie Wpływ włókien polipropylenowych na kształtowanie cech fizyko-mechanicznych kompozytów cementowych w wysokiej temperaturze · Biblioteka SGSP (Stron 49-58)