na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych
Szkoła Główna Służby Pożarniczej
Warszawa 2018
Wpływ włókien polipropylenowych
na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych
kompozytów cementowych
w wysokiej temperaturze
Tomasz Drzymała
Recenzja naukowa
prof. dr hab. inż. Marian Abramowicz dr hab. inż. Marek Konecki, prof. SGSP
Przygotowanie do druku
Ewa Juchimowicz
Redakcja i korekta
Wioleta Żyłowska
Projekt okładki i łamanie
Studio Grafpa, studio@grafpa.pl
Zdjęcie na okładce:
123rf.com
Wydano na licencji Creative Commons:
Uznanie autorstwa – Użycie niekomercyjne – Bez utworów zależnych 4.0 Polska
Wydanie pierwsze, Warszawa 2018 ISBN 978-83-950547-4-7
Wydawca
Szkoła Główna Służby Pożarniczej 01-629 Warszawa
e-mail: wydawnictwo@sgsp.edu.pl www.sgsp.edu.pl
tel. 22 561 73 83
Przedmowa
Inspiracją do napisania niniejszej monografi i stała się potrzeba zebrania w jednej publikacji wyników badań prowadzonych przez autora i jego współpra-cowników na przestrzeni ostatnich lat w Szkole Głównej Służby Pożarniczej oraz na Politechnice Warszawskiej.
Wcześniejsze badania autora monografi i (realizowane do 2013 roku), ukie-runkowane były przede wszystkim na zmianę wytrzymałości na ściskanie beto-nów zwykłych i wysokowartościowych z dodatkiem włókien polipropylenowych poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury. Jednym z celów badań było uzyskanie odpowiedzi na pytanie: czy możliwe jest wykorzystywanie zasad obli-czania spadku wytrzymałości fi brobetonu z włóknami polipropylenowymi w wa-runkach pożarowych według takich samych zasad i wzorów jak w przypadku be-tonów bez dodatku włókien? Udowodniono, że jest to możliwe.
W monografi i rozbudowano zakres i program badań oraz skoncentrowano się na zaprawach cementowych modyfi kowanych dodatkiem włókien polipropy-lenowych w celu wyeliminowania wpływu kruszywa grubego na badaną cechę wytrzymałościową. Szczegółowej ocenie poddano wpływ dodatku włókien poli-propylenowych na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych badanych kompo-zytów cementowych w wysokiej temperaturze.
Monografi a jest również zwieńczeniem badań realizowanych w ramach au-torskiego projektu statutowego (S/E-422/18/14/15/16) fi nansowanego ze środ-ków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt.: Optymalizacja ilości
dodat-ku włókien polipropylenowych do betonu w celu przeciwdziałania eksplozyjnemu odpryskiwaniu betonu w tunelach komunikacyjnych w trakcie pożarów, etap I – III,
Warszawa 2014–2016, którego autor był kierownikiem oraz autorem sprawozda-nia końcowego.
Monografi a w szczególności jest skierowana do pracowników nauko-wych oraz osób interesujących się zagadnieniami związanymi z kompozytami
cementowymi modyfi kowanymi dodatkiem włókien polipropylenowych. Może być również przydatna dla studiujących kierunek budownictwo.
Serdecznie dziękuję wszystkim, którzy przyczynili się do powstania niniejszej monografi i. Należą do nich w pierwszej kolejności:
– moja żona Paula, która wspierała mnie na każdym etapie podczas jej pisania, jednocześnie motywując do jej ukończenia,
– prof. dr hab. inż. Zoja Bednarek, na której pomoc i życzliwość mogłem liczyć zawsze na każdym etapie mojej drogi naukowej. Dziękuję za cenne rady Pani Profesor udzielone mi podczas pisania monografi i.
Dziękuję recenzentom: prof. dr hab. inż. Marianowi Abramowiczowi oraz prof. nzw. dr hab. inż. Markowi Koneckiemu za życzliwe i wnikliwe opinie na temat pra-cy, które przyczyniły się do podniesienia jej jakości i czytelności.
Spis treści
Przedmowa . . . 7
Spis stosowanych symboli i oznaczeń . . . 11
1. Wprowadzenie . . . 15
1.1. Uzasadnienie wyboru tematu . . . 18
1.2. Układ i treść monografi i . . . 21
2. Charakterystyka kompozytów cementowych z dodatkiem włókien polipropylenowych . . . 25
2.1. Rozwój technologii betonu . . . 25
2.2. Rodzaje i właściwości stosowanych włókien . . . 27
2.3. Podstawowe kierunki zmian właściwości kompozytów cementowych w wyniku dodania włókien polipropylenowych . . . . 32
2.4. Zastosowanie betonów z dodatkiem włókien polipropylenowych . . . 34
3. Podstawowe parametry pożaru wpływające na właściwości wytrzymałościowe kompozytówcementowych . . . 37
3.1. Ogólny opis środowiska pożaru w fazie jego rozwoju . . . 37
3.1.1. Przebieg pożaru . . . 38
3.1.2. Podstawowe parametry pożaru . . . 40
3.1.3. Bezpieczeństwo ekip ratowniczych oraz czynniki stwarzające zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi podczas pożarów wewnętrznych . . . 45
3.2. Wpływ wysokiej temperatury na właściwości wytrzymałościowe betonu oraz fi brobetonu . . . 49
3.3. Właściwości kompozytów cementowych w warunkach oddziaływania wysokiej temperatury . . . 58
3.3.1. Struktura i skład fazowy zaczynu w betonie . . . 58
3.3.2. Zjawiska fi zyczne i chemiczne zachodzące w kompozytach cementowych przy ich ogrzewaniu . . . 65
3.3.3. Zmiany mikrostruktury i właściwości fi zycznych kompozytów cementowych podczas ich ogrzewania . . . 67
3.3.4. Przebieg zjawisk cieplno-wilgotnościowych i degradacja kompozytów cementowych w wysokiej temperaturze . . . 68
3.4. Wpływ oddziaływania wysokiej temperatury na zjawisko
termicznego odpryskiwania betonu . . . 73
3.4.1. Opis zjawiska termicznego odpryskiwania betonu, jego przyczyny i ocena zagrożenia . . . 73
3.4.2. Dodatek do betonu w postaci włókien polipropylenowych jako antidotum na spalling . . . 83
3.4.3. Alternatywne metody ochrony konstrukcji przed spallingiem . . . 85
4. Właściwości kompozytów cementowych w warunkach pożarowych . . . 89
4.1. Przegląd stanu wiedzy z uwzględnieniem wcześniejszych wyników badań autora monografi i . . . 91
4.2. Cel i zakres badań . . . 112
4.3. Wpływ wysokiej temperatury na cechy mechaniczne kompozytów cementowych . . . 113
4.3.1. Charakterystyka użytych materiałów . . . 113
4.3.2. Metodyka badawcza . . . 119
4.3.3. Wytrzymałość na ściskanie . . . 130
4.3.4. Wytrzymałość na rozciąganie . . . 132
4.3.5. Wytrzymałość na zginanie . . . 139
4.3.6. Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu . . . 145
4.4. Wpływ temperatury na przemiany cieplne zapraw cementowych modyfi kowanych włóknami polipropylenowymi oraz na strukturę zaczynu cementowego . . . 153
4.4.1. Wpływ włókien polipropylenowych na przemiany cieplne zachodzące w zaprawach cementowych . . . 153
4.4.2. Wpływ wysokiej temperatury na zmianę struktury i zachowanie włókien polipropylenowych . . . 165
5. Podsumowanie i wnioski . . . 199
Literatura . . . 205
Spis tabel . . . 225
Spis stosowanych symboli i oznaczeń
fc – pojedynczy wynik badania wytrzymałości na ściskanie, [Pa]
fcm – średnia wytrzymałość betonu na ściskanie, [Pa]
fcm,j – średnia wytrzymałość betonu na ściskanie w wieku (j) dni, [Pa]
fc(T) – wytrzymałość betonu na ściskanie po wygrzewaniu w temperaturze (T), [Pa]
ft – pojedynczy wynik badania wytrzymałości na rozciąganie, [Pa]
ftm – średnia wytrzymałość betonu na rozciąganie, [Pa]
ft(T) – wytrzymałość betonu na rozciąganie po wygrzewaniu w tempera-turze (T), [Pa]
fct,fl – średnia wytrzymałość na zginanie, [Pa]
fct,sp – średnia wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu, [Pa]
fck(T) – wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie, [Pa]
kc(T) – współczynnik redukcji, [Pa]
np – nasiąkliwość powierzchniowa, [kg/m2] mw – masa wilgotnej próbki, [kg]
ms – masa suchej próbki, [kg]
F – powierzchnia próbki stykająca się z wodą, [m2] mx – masa próbki po x czasie, [kg]
npx – nasiąkliwość powierzchniowa po x czasie, [kg/m2] ρ – gęstość pozorna materiału, [kg/m3]
ρobj. – gęstość objętościowa, [kg/m3]
w/c – wskaźnik woda/cement [-]
Dmax – maksymalny nominalny górny wymiar ziaren kruszywa CEM... – oznaczenie rodzaju cementu
BWW – beton wysokiej wytrzymałości
I – włókna Ignis®
T – temperatura, [°C]
t – czas, [s]
T0 – temperatura początkowa, [°C] b.w. – bez włókien
STA – symultaniczna analiza termiczna – stanowi połączenie termograwi-metrii (TG) i skaningowej kalorytermograwi-metrii różnicowej (DSC)
REO – reprezentatywny element objętości
SEM – elektronowy mikroskop skaningowy (ang. Scanning Electron
Mo-croscope)
C0F – oznaczenie składu zaczynu cementowego bez dodatku włókien po-lipropylenowych F
C1,8F – oznaczenie składu zaczynu cementowego z dodatkiem włókien po-lipropylenowych F w ilości 1,8 kg/m3
Z0F – oznaczenie składu zaprawy cementowej bez dodatku włókien poli-propylenowych F
Z1,8F – oznaczenie składu zaprawy cementowej z dodatkiem włókien poli-propylenowych F w ilości 1,8 kg/m3
Z0I – oznaczenie składu zaprawy cementowej bez dodatku włókien poli-propylenowych I
Z1,8I – oznaczenie składu zaprawy cementowej z dodatkiem włókien poli-propylenowych I w ilości 1,8 kg/m3
ftT/ft20°C – względna zmiana wytrzymałości na rozciąganie otrzymana jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie próbek wygrzewanych do wytrzymałości próbek niewygrzewanych, [%]
fct,fl T/fct,fl 20°C – względna zmiana wytrzymałości na zginanie otrzymana jako stosu-nek wytrzymałości na zginanie próbek wygrzewanych do wytrzy-małości próbek niewygrzewanych, [%]
fct,spT/fct,sp20°C – względna zmiana wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu otrzymana jako stosunek wytrzymałości na rozłupywanie próbek wygrzewanych do wytrzymałości próbek niewygrzewanych, [%] C0I/20 – zaczyn bez włókien I, nieogrzewany (badany w temperaturze
poko-jowej)
C1,8I/… – zaczyn zawierający 1,8 kg/m3 włókien polipropylenowych I, podda-ny wygrzewaniu
C0F/20 – zaczyn bez włókien F, nieogrzewany (badany w temperaturze poko-jowej)
C1,8F/… – zaczyn zawierający 1,8 kg/m3 włókien polipropylenowych F, pod-dany wygrzewaniu
Z0I/20 – zaprawa bez włókien I, nieogrzewana
Z1,8I/… – zaprawa zawierająca 1,8 kg/m3 włókien polipropylenowych I, poddana wygrzewaniu
Z0F/20 – zaprawa bez włókien F, nieogrzewana
Z1,8F/… – zaprawa zawierająca 1,8 kg/m3 włókien polipropylenowych F, pod-dana wygrzewaniu
1. Wprowadzenie
Podczas oddziaływania wysokiej temperatury w warunkach pożarowych na żelbetowe elementy konstrukcyjne beton wykazuje szereg korzystnych właściwo-ści w stosunku do innych materiałów budowlanych. W warunkach pożarowych dzięki niskiej przewodności cieplnej strefy wewnętrzne elementu żelbetowego wolno osiągają temperaturę powodującą znaczną degradację tego kompozytu ce-mentowego. Dzięki temu nośność ogniowa osiągana jest po stosunkowo długim okresie nagrzewania, a elementy pełniące funkcje oddzielające utrzymują wyma-gane właściwości. W odróżnieniu od materiałów konstrukcyjnych takich jak stal czy drewno, konstrukcje z betonu pozwalają na uzyskanie wysokiej odporności ogniowej, co w konsekwencji skutkuje dużym bezpieczeństwem dla ludzi, mienia i ochrony środowiska, a zatem wpisuje się w nowe wymagania podstawowe w ob-szarze zrównoważonego rozwoju.
W tunelach komunikacyjnych oraz w innych nieogrzewanych pomieszczeniach (piwnice, garaże) cechą charakterystyczną betonu jest stosunkowo duża zawartość wilgoci. W strefi e bezpośredniego oddziaływania ognia zaobserwowano częste wy-stępowanie zjawiska termicznego odpryskiwania betonu (ang. thermal spalling), które polega na gwałtownym odrywaniu się fragmentów wierzchniej warstwy kon-strukcji betonowej (Bednarek i Drzymała 2008, Bednarek i Drzymała 2010, Bednarek
i Drzymała 2011, Bednarek i Drzymała 2012, Drzymała 2014, Drzymała 2016, Drzy-mała et al. 2017, DrzyDrzy-mała et al. 2018, Hertz 2003, Gawin et al. 2006, Gawin 2010, Kalifa 2000, Kalifa 2001, Khoury 2008). Szczególnie niebezpieczne jest to zjawisko
w przypadku konstrukcji wykonanych z betonu o wysokiej wytrzymałości BWW (ang. HSC – high-strenght concrete), który charakteryzuje się niską porowatością i ni-ską przepuszczalnością. Odpryskiwanie betonu zmniejsza otulinę prętów zbrojenia, co powoduje narażenie konstrukcji na utratę nośności (Bednarek et al. 2011). Stwa-rza to poważne zagrożenie dla służb ratowniczych oraz w znacznym stopniu obniża wytrzymałość i bezpieczeństwo konstrukcji (Abramowicz i Kowalski 2002, Bednarek
W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia odkryto pozytywny wpływ dodania włókien polipropylenowych do mieszanki betonowej na ograniczenie ryzyka występowania termicznego eksplozyjnego odpryskiwania betonu (ang.
thermal spalling). Udowodnieniu tego pozytywnego wpływu poświęcono szereg
prac naukowo-badawczych, w tym również fi nansowanych przez Komisję Euro-pejską, dla której bezpieczeństwo w europejskich tunelach komunikacyjnych sta-ło się głównym problemem (Bednarek et al. 2011, Drzymała 2010, Gawin i Witek
et al. 2006, Gawin 2010). Na podstawie wyników teoretycznych i
eksperymental-nych prac naukowych poświęcoeksperymental-nych wyjaśnieniu zjawiska eksplozyjnego odpry-skiwania betonu stworzono kilka teorii (Anderberg 1997, Bazant i Kaplan 1996,
Gawin et al. 2003, Gawin 2010, Hertz 2003, Kalifa et al. 2000, Kalifa et al. 2001, Khoury 2008, Phan i Carino 2001), nie uzyskano jednak jednolitego, spójnego
wyjaśnienia jego przyczyny. Aktualnie istnieją dwie podstawowe teorie doty-czące mechanizmu powstawania spallingu. W myśl pierwszej z nich, uznawanej głównie przez naukowców europejskich, podstawową przyczyną eksplozyjnego odpryskiwania zewnętrznej warstwy betonu jest wysokie ciśnienie gazu powsta-łe w wyniku odparowywania wilgoci w powierzchniowej warstwie konstrukcji betonowych przy równoczesnym spadku wytrzymałości betonu w wysokich temperaturach. Druga teoria, rozwijana głównie przez naukowców amerykań-skich, wyjaśnia występowanie spallingu wysokimi naprężeniami rozciągającymi w betonie. Nagromadzona energia potencjalna odkształcenia zostaje uwolniona w gwałtowny sposób, gdy przekroczy wartość energii pękania materiału.
Zjawisko spallingu nabiera szczególnego znaczenia podczas akcji ratowni-czych prowadzonych w tunelach komunikacyjnych. W obiektach tunelowych z reguły rozwój pożaru oraz jego skutki są o wiele poważniejsze niż w innych obiektach inżynierskich (Duckworth 2008, Gawin et al. 2003, Ingason et al. 2015). Działania ratownicze z uwagi na szereg utrudnień związanych m.in. z dostępno-ścią charakteryzują się dużym stopniem złożoności (Bednarek et al. 2011,
Bedna-rek i Drzymała 2014, Drzymała 2014, Drzymała et al. 2015).
Zapewnienie bezpiecznego transportu w tunelach ze szczególnym akcentem na tunele komunikacyjne jest jednym z bardzo istotnych tematów podejmowa-nych na świecie. W Unii Europejskiej szczególną uwagę na ten problem zwróco-no na skutek tragicznych zdarzeń charakteryzujących się dużą liczbą ofi ar śmier-telnych oraz poniesionymi bardzo dużymi stratami społecznymi i fi nansowymi. W ostatnich latach odnotowano liczne inicjatywy podejmowane przez Komisję Europejską w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa w tunelach drogowych i kole-jowych, których efektami były procedowane nowe dyrektywy oraz fi nansowanie
szeregu projektów krajowych i międzynarodowych. Należy zauważyć, że podej-mowano również tematykę dotyczącą ochrony konstrukcji z uwagi na oddzia-ływanie pożaru oraz problemy związane z możliwością zniszczenia konstrukcji tuneli i minimalizacji wynikających z tego zagrożeń, w szczególności problemów związanych z eksplozyjnym odpryskiwaniem betonu.
Od wielu lat w Szkole Głównej Służby Pożarniczej prowadzone były liczne prace badawcze nad wpływem wysokiej temperatury na zmianę parametrów wy-trzymałościowych betonów zwykłych NSC (normal-strength concrete) i betonów wysokowartościowych HSC (high-strength concrete) oraz kompozytów cemento-wych z dodatkiem włókien polipropylenocemento-wych PFRC (polypropylene fi bre-rein-forced concrete). Autorami badań w SGSP byli Z. Bednarek i T. Drzymała
(Bed-narek i Drzymała 2008, Bed(Bed-narek i Drzymała 2009, Bed(Bed-narek i Drzymała 2012, Drzymała 2010, Drzymała i Bednarek 2011, Drzymała i Bednarek 2012, mała 2016, Drzymała et al. 2016, Drzymała 2017, Drzymała et al. 2017, Drzy-mała i Serafi n 2017, DrzyDrzy-mała et al. 2018, S/E-422/18/14/15/16). Stwierdzono
korzystny wpływ dodatku włókien polipropylenowych na właściwości wytrzy-małościowe betonu w wysokich temperaturach, szczególnie na wytrzymałość na rozciąganie odgrywającą istotną rolę w termicznym odpryskiwaniu betonu, gdyż oderwanie elementów betonu następuje w momencie przekroczenia wytrzyma-łości na rozciąganie.
W ostatnich latach autor monografi i prowadził rozległe badania we współ-pracy z Politechniką Warszawską w Instytucie Inżynierii Budowlanej, w skład którego wchodzi Zakład Inżynierii Materiałów Budowlanych. W wyniku prowa-dzonych wspólnych badań powstało wiele wyróżnionych prac magisterskich, in-żynierskich oraz publikacji i wystąpień na arenie krajowej i międzynarodowej
(Drzymała et al. 2016, Drzymała i Serafi n 2017, Drzymała et al. 2018, Jackie-wicz-Rek i Drzymała et al. 2017, Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014). Na
podstawie podpisanego porozumienia między Zakładem Inżynierii Materiałów Budowlanych PW oraz Zakładem Podstaw Budownictwa i Materiałów Budow-lanych SGSP zakres prowadzonych badań oraz ich tematyka obejmowały m.in. wpływ warunków pożarowych na zjawiska fi zyko-mechaniczne zachodzące w za-czynach i zaprawach cementowych modyfi kowanych technologicznie dodatkami i domieszkami oraz alternatywne metody ochrony betonu przed zjawiskiem termicznego odpryskiwania w warunkach oddziaływania wysokich temperatur (fi -brobeton z włóknami polipropylenowymi i beton napowietrzony).
W monografi i zostały zamieszczone najnowsze wyniki badań zaczynów i zapraw cementowych modyfi kowanych dodatkiem włókien polipropylenowych
poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury. Otrzymane wyniki badań ana-lizowano pod kątem zmiany parametrów wytrzymałościowych oraz cech fi zyko--chemicznych. Badania przemian cieplnych próbek zaprawy wykonano za pomo-cą symultanicznej analizy termicznej. Prowadzono również obserwacje struktury włókien oraz zaczynów poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury SEM (ang. scanning electron microscope) za pomocą skaningowego mikroskopu elek-tronowego. Podstawowym celem badań było ustalenie wpływu włókien polipro-pylenowych na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych kompozytów cemen-towych w wysokiej temperaturze.
1.1. Uzasadnienie wyboru tematu
Zainteresowania badawcze autora niemal od początku działalności naukowej dotyczą bezpieczeństwa pożarowego obiektów i konstrukcji budowlanych, a w szcze-gólności oddziaływania środowiska pożaru o wysokiej temperaturze na kompozy-ty cementowe. Wpływ oddziaływania środowiska pożaru na pracę konstrukcji bu-dowlanych wiąże się ze zmianą właściwości fi zyko-mechanicznych narażonych na to oddziaływanie materiałów konstrukcyjnych. W szerszym ujęciu − na skutek od-działywania wysokiej temperatury w każdym materiale konstrukcyjnym będą ulegać zmianie ich właściwości fi zyko-mechaniczne oraz wystąpią w jego masie napręże-nia i odkształcenapręże-nia. W kompozytach cementowych wraz ze wzrostem oddziaływa-nia podwyższonej temperatury mają miejsce liczne transformacje i reakcje wewnątrz wielofazowej struktury, przyczyniając się tym samym do jego postępującej degradacji.
W monografi i poddano analizie wyniki badań zaczynów oraz zapraw ce-mentowych, które stanowią dwu- oraz trójfazową mieszaninę cementu z wodą wraz z ewentualnymi dodatkami. W matrycy cementowej na skutek oddziaływania podwyższonej i wysokiej temperatury zachodzą złożone procesy fi -zyko-chemiczne wynikające ze zróżnicowania składu chemicznego matrycy
(Bukowski 1963, Jamroży, Kurdowski 2010, Neville 2012, Szeląg 2015, Woycie-chowski 2013) oraz występowania wielu poziomów niejednorodności
struk-turalnej (Fic et al. 2013). Zmiany w składzie chemicznym i mikrostrukturze stwardniałego zaczynu cementowego ujawniają się stopniowo i w sposób ciągły. Zmiany te dostrzegalne są już w temperaturze pokojowej. Przyjmuje się, że za-sadniczo dehydratacja zaczynu cementowego kończy się w temperaturze 850°C
(Harmathy 1970, Naus 2006, Schneider 1988). Betony zwykłe i
technologicznie dodatkami i domieszkami były również w centrum zaintere-sowań autora monografi i i zostały omówione w licznych publikacjach
(Bedna-rek i Drzymała 2008, Bedna(Bedna-rek i Drzymała 2009, Bedna(Bedna-rek i Drzymała 2012, Drzymała 2010, Drzymała i Bednarek 2011, Drzymała i Półka 2011, Drzymała i Bednarek 2012, Drzymała 2016, Drzymała et al. 2016, Drzymała 2017, Drzy-mała et al. 2017, DrzyDrzy-mała i Serafi n 2017, DrzyDrzy-mała et al. 2018, Jackiewicz-Rek i Drzymała et al. 2016, Półka i Drzymała 2009, Półka i Drzymała 2015, Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014).
Analiza otrzymanych wyników dla betonu zwykłego i wysokowartościowe-go w badaniach do 2013 roku zachęciła autora monografi i do kontynuacji badań nad zaczynami oraz zaprawami modyfi kowanymi dodatkiem włókien polipropy-lenowych. Betony o dużej wytrzymałości (HSC) są szczególnie narażone na ter-miczne odpryskiwanie, czyli spalling. Wynika to przede wszystkim z ich szczelnej struktury, niskiej wartości wskaźnika w/c (w zakresie do 0,3), dodatków puco-lanowych w postaci mikrokrzemionki oraz zawartości wilgoci. Z jednej strony dodatek mikrokrzemionki powoduje poprawę właściwości mechanicznych kom-pozytów na bazie cementu, narażonych na oddziaływanie wysokiej temperatury
(Ibrahim et al. 2014, Morsy et al. 2010), z drugiej zaś strony na podstawie licznych
badań wykazano, że dodatek ten, gdy przekracza 5% masy cementu, intensyfi kuje spalling (Ibrahim et al. 2014, Morsy et al. 2010).
Wstępne badania wykazały, że zaczyny z dodatkiem włókien polipropyle-nowych wykazują mniejszy spadek wytrzymałości na rozciąganie w wysokich temperaturach w stosunku do zaczynów bez dodatku włókien (Drzymała 2010,
Drzymała 2016, Drzymała 2017). Różnice spadku wahają się w różnych
tempe-raturach w granicach 10−20% w porównaniu do zaczynów bez włókien. Wyka-zano, że dodanie włókien w ilości 1,8 kg/m3 jest korzystne z punktu widzenia wytrzymałości na rozciąganie betonu w temperaturach pożarowych. Prawdopo-dobnie jest to związane z ograniczeniem powstawania i wzrostu mikropęknięć na skutek dodania włókien PP. Biorąc pod uwagę, że oderwanie elementów betonu od konstrukcji powodujące termiczne odpryskiwanie betonu (spalling) następuje w momencie przekroczenia jego wytrzymałości na rozciąganie, fakt ten należy również brać pod uwagę, analizując wpływ dodatku włókien PP na zmniejszenie zagrożenia odpryskiwaniem.
W latach 2013–2018 podjęto kontynuację tych badań. Próbki betonu za-wierają zmienny udział objętościowy kruszywa wrażliwego na działanie wy-sokich temperatur, co trudno określić w badaniach ilościowych. W celu wyeli-minowania tego czynnika zaplanowano badania wytrzymałościowe dla zapraw
cementowych z dodatkiem oraz bez dodatku włókien polipropylenowych. Szczegółowej ocenie poddano wpływ dodatku włókien polipropylenowych na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych badanych kompozytów cemento-wych w wysokiej temperaturze. Dodatkowo w celu ustalenia wpływu wysokiej temperatury na strukturę kompozytów cementowych oraz zachowanie włókien polipropylenowych wykonano analizę struktury matrycy cementowej. W tym celu wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy (SEM). Badania prze-mian cieplnych próbek zaprawy wykonano za pomocą symultanicznej analizy termicznej (STA).
Po przeprowadzeniu przeglądu literatury technicznej odnoszącej się do te-matu badań, nie stwierdzono istotnego wpływu rodzaju stosowanych włókien oraz zawartości wagowej włókien (do 1,8 kg/m3) na wytrzymałość na ściskanie oraz spadek wytrzymałości w temperaturach wysokich (Bednarek i Drzymała
2008, Bednarek i Drzymała 2008, Drzymała 2010, Drzymała i Bednarek 2011, Drzymała i Bednarek 2012). Jednocześnie odnotowano w temperaturze
zbli-żonej do 20°C widoczny spadek wytrzymałości na ściskanie dla betonu zwy-kłego klasy C30/37 modyfi kowanego dodatkiem włókien polipropylenowych w stosunku do „czystego” betonu klasy C30/37. Dodatek włókien polipropy-lenowych wpłynął negatywnie, obniżając charakterystykę mechaniczną tego materiału w temperaturach normalnych. Dla betonu wysokowartościowego klasy C60/67 modyfi kowanego dodatkiem włókien polipropylenowych nie od-notowano istotnych różnic (Drzymała 2010). Z uwagi na ten fakt dla zapraw cementowych rozbudowano program badań o wytrzymałość na rozciąganie. Badania wykonano dla dwóch rodzajów włókien (I i F). W celu oceny wpły-wu stanu zawilgocenia na zjawisko spallingu badania wykonano dla próbek dojrzewających w warunkach normowych (próbki wilgotne) oraz dla próbek kondycjonowanych i wysuszonych do stałej masy (próbki wysuszone). Cechy mechaniczne modyfi kowanych dodatkiem włókien polipropylenowych kom-pozytów na bazie cementu (zaprawy i zaczyny cementowe) analizowano pod kątem oddziaływania wysokich temperatur. Temperatury badawcze zawierały się w zakresie od 100°C do 600°C. Jako temperaturę porównawczą (referen-cyjną) założono 20°C. W celu intensyfi kacji zjawiska spallingu do badanych zapraw cementowych wprowadzono dodatek mikrokrzemionki w ilości 10% masy cementu. Zabieg ten dodatkowo miał na celu ocenę wpływu włókien polipropylenowych na łagodzenie tego niekorzystnego zjawiska, gdyż ten pro-blem naukowo nie został ostatecznie rozwiązany, szczególnie pod kątem po-znawczym i aplikacyjnym.
1.2. Układ i treść monografi i
Pełen opis opracowanych przez autora wyników badań dotyczących oceny wpływu włókien polipropylenowych na kształtowanie cech fi zyko-mechanicz-nych kompozytów cementowych w wysokiej temperaturze jest zawarty w szeregu publikacjach (Bednarek i Drzymała 2008, Bednarek i Drzymała 2009, Bednarek
i Drzymała 2010, Bednarek i Drzymała 2011, Bednarek i Drzymała 2012, Bed-narek i Drzymała 2013, BedBed-narek i Drzymała 2014, Drzymała 2010, Drzymała i Bednarek 2011, Drzymała i Półka 2011, Drzymała i Bednarek 2012, ła 2016, Drzymała et al. 2016, Drzymała 2017, Drzymała et al. 2017, Drzyma-ła i Reszka 2016, DrzymaDrzyma-ła i Serafi n 2017, DrzymaDrzyma-ła et al. 2018, Jackiewicz-Rek i Drzymała et al., Półka i Drzymała 2009, Półka i Drzymała 2015, Kuś et al. 2014, Tomaszewski et al. 2014, Rudnik i Drzymała 2018) opublikowanych w ciągu
ostat-nich lat, w dużej mierze anglojęzycznych, których część może być trudno dostęp-na dla polskiego czytelnika, stąd potrzeba opracowania zwartej monografi i, która w możliwie wyczerpujący sposób przedstawi całokształt zagadnień związanych z omawianym tematem.
Główne zainteresowanie autora monografi i skupia się obecnie na badaniu wpływu wysokich temperatur na zmianę właściwości materiałów kompozyto-wych, stąd monografi a ta napisana jest z punktu widzenia tej właśnie dyscypliny naukowej. Zawiera ona elementy wcześniejszych publikacji napisanych wspólnie z prof. Zoją Bednarek oraz aktualne badania podejmowane przez autora mono-grafi i w licznych autorskich projektach badawczych statutowych fi nansowanych przez Komitet Badań Naukowych (KBN), a obecnie Ministerstwo Nauki i Szkol-nictwa Wyższego (MNiSW), oraz w projektach rozwojowych fi nansowanych ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR).
Część przedstawionego materiału nie była wcześniej publikowana i jest efek-tem badań z ostatniego okresu (S/E-422/18/14/15/16). Największy nacisk poło-żono na zagadnienia, z którymi związane są oryginalne osiągnięcia autora i jego wkład we wspólne badania i publikacje. Niniejsza monografi a jest również wy-nikiem kilkuletnich badań prowadzonych przez autora, w których uczestniczył osobiście na etapie przygotowywania ich koncepcji, planu eksperymentu oraz brał udział w ich wykonaniu. Podczas badań analizowano wpływ wysokiej tem-peratury występującej w pożarze na zmianę parametrów fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych takich jak: beton zwykły i wysokowartościowy, fi bro-beton z włóknami polipropylenowymi (PP) oraz zaczyny i zaprawy cementowe modyfi kowane dodatkiem włókien polipropylenowych. Wcześniejsze badania
autora dotyczyły również wpływu oddziaływania wysokiej temperatury na kom-pozyty cementowe i podejmowane były w pracach badawczych m.in. (Drzymała
2007−2009 oraz Bednarek et al. 2007−2008):
– realizacja pracy badawczej statutowej fi nansowanej przez Ministerstwo Na-uki i Szkolnictwa Wyższego (S/E-422/8/2007/2008) pt. Wpływ temperatur
występujących podczas pożaru na wybrane parametry wytrzymałościowe fi brobetonu, etap I−II, Warszawa 2007−2008, podczas której autor pełnił
funkcję głównego wykonawcy oraz był współautorem sprawozdania (2007, 2008).
– realizacja pracy badawczej własnej fi nansowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (BW/E-422/8/2008/2009) pt. Badanie wpływu
tem-peratur występujących podczas pożaru na wytrzymałość na ściskanie fi brobe-tonu, etap I−II, Warszawa 2008−2009, podczas której autor pełnił funkcję
kierownika pracy, głównego wykonawcy oraz był autorem sprawozdania (2008, 2009).
Autor uczestniczył również w realizacji projektów rozwojowych, których te-matyka związana była z pożarami budynków, służyła poprawie bezpieczeństwa pożarowego budynków oraz związana była z prowadzeniem działań ratowniczo--gaśniczych w budynkach i obiektach budowlanych:
– projekt rozwojowy nr 0R00007607, pt.: Opracowanie i wdrożenie symulatora
do szkolenia i treningu wspomagającego dowodzenie podczas działań ratowni-czych, związanych z pożarami budynków wielokondygnacyjnych i wypadkami komunikacyjnymi (2008, 2009). Wykonawca projektu.
– projekt rozwojowy nr OROB000601/ID5/1, pt.: Poprawa bezpieczeństwa
po-żarowego budynków i obiektów budowlanych na etapie ich projektowania i wy-konania (2012, 2013, 2014). Komitet sterujący.
– projekt rozwojowy nr O/ROB/0010/03/001 pt.: Nowoczesne narzędzia
inży-nierskie do wspomagania decyzji, przeznaczone dla dowódców podczas dzia-łań ratowniczo-gaśniczych PSP w obiektach budowlanych (2013, 2014, 2015).
Wykonawca projektu.
– projekt rozwojowy nr DOB-BIO6/03/48/2014 na rzecz obronności i bezpie-czeństwa państwa pt.: Innowacyjne rozwiązania metod stabilizacji konstrukcji
budowlanych i technologicznych w warunkach działań ratowniczych, podczas likwidacji skutków katastrofy budowlane (2014, 2015, 2016, 2017). Kierownik
zadania badawczego, główny wykonawca projektu.
Zagadnieniami związanymi z optymalizacją ilości dodatku włókien polipro-pylenowych do betonu w celu przeciwdziałania eksplozyjnemu odpryskiwaniu
betonu w tunelach komunikacyjnych w trakcie pożarów autor zajmował się rów-nież podczas realizacji pracy badawczej statutowej fi nansowanej przez Minister-stwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (S/E-422/18/14/15/16) pt.: Optymalizacja
ilości dodatku włókien polipropylenowych do betonu w celu przeciwdziałania eks-plozyjnemu odpryskiwaniu betonu w tunelach komunikacyjnych w trakcie poża-rów, etap I−III, Warszawa 2014−2016. Podczas jej realizacji autor pełnił funkcję
kierownika, głównego wykonawcy oraz był autorem sprawozdania końcowego (2014, 2015, 2016).
To przede wszystkim wyniki badań projektu pt.: Optymalizacja ilości
do-datku włókien polipropylenowych do betonu w celu przeciwdziałania eksplozyjne-mu odpryskiwaniu betonu w tunelach koeksplozyjne-munikacyjnych w trakcie pożarów były
podstawą do sporządzenia monografi i oraz wnioskowania na temat wpływu od-działywania wysokiej temperatury na kształtowanie cech fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych, a także na ich strukturę oraz zachowanie się włókien polipropylenowych w temperaturach podwyższonych, występujących w środo-wisku pożaru.
Pierwszy rozdział monografi i stanowi wprowadzenie do omawianej pro-blematyki. W rozdziale tym zamieszczono krótkie uzasadnienie wyboru tematu oraz przedstawiono układ i treść monografi i.
W rozdziale drugim dokonano ogólnej charakterystyki kompozytów cemen-towych z dodatkiem włókien polipropylenowych. Omówiono rozwój technologii betonu oraz podstawowe rodzaje i właściwości stosowanych włókien. Szczegól-ną uwagę zwrócono na omówienie podstawowych kierunków zmian właściwości kompozytów cementowych w wyniku dodania do składu włókien polipropyle-nowych z podziałem na zmianę właściwości zapraw i zaczynów cementowych oraz stwardniałego betonu. W końcowej części rozdziału dokonano klasyfi kacji fi brobetonów oraz omówiono zastosowanie betonów z dodatkiem włókien poli-propylenowych.
W rozdziale trzecim omówiono podstawowe parametry środowiska poża-ru mające wpływ na właściwości wytrzymałościowe kompozytów cementowych. We wstępie tego rozdziału omówiono przebieg pożaru, fazy jego rozwoju oraz podstawowe parametry. Uwagę zwrócono na czynniki stwarzające zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi podczas pożarów wewnętrznych oraz na bezpieczeń-stwo ekip ratowniczych. Omawiając bezpieczeńbezpieczeń-stwo tych ekip podczas dzenia działań ratowniczych, szczególną uwagę zwrócono na specyfi kę prowa-dzenia działań w obiektach tunelowych. W dalszej części rozdziału omówiono podstawowe parametry pożaru wpływające na właściwości wytrzymałościowe
kompozytów cementowych ze szczególnym uwzględnieniem betonu oraz fi bro-betonu. Omówiono ich podstawowe właściwości w warunkach wysokich tempe-ratur występujących w czasie pożaru, ich zmiany mikrostruktury i właściwości fi zycznych. Zdefi niowano w nim takie zagadnienia jak: struktura i skład fazowy zaczynu w betonie, zjawiska fi zyczne i chemiczne zachodzące w kompozytach cementowych przy ich ogrzewaniu, przebieg zjawisk cieplno-wilgotnościowych. Dodatkowo omówiono wpływ wysokiej temperatury na zjawisko termicznego odpryskiwania betonu thermal spalling, jego przyczyny i ocenę zagrożenia. Wska-zano możliwości łagodzenia tego zjawiska oraz alternatywne metody ochrony konstrukcji przed spallingiem.
W rozdziale czwartym omówiono właściwości kompozytów cementowych w warunkach pożarowych. We wstępie rozdziału zamieszczono przegląd stanu wiedzy z uwzględnieniem wcześniejszych wyników badań autora monografi i oraz zarysowano cel i zakres badań zamieszczonych w monografi i. Właściwości kompozytów cementowych w warunkach pożarowych analizowano na podsta-wie otrzymanych wyników własnych badań pod kątem wpływu wysokiej tem-peratury występującej w pożarze na zmianę parametrów fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych modyfi kowanych technologicznie poprzez dodanie do zaprawy włókien polipropylenowych (PP). W części badawczej dokonano charakterystyki użytych materiałów, omówiono metodykę badawczą oraz prze-prowadzono dyskusję na temat uzyskanych wyników badań. Ich zakres obejmo-wał wpływ wysokiej temperatury na zmianę wytrzymałości na: ściskanie, rozcią-ganie, zginanie, rozciąganie przy rozłupywaniu. W części badawczej w rozdziale czwartym omówiono również wyniki badań własnych wpływu włókien polipro-pylenowych na przemiany cieplne zachodzące w zaprawach cementowych pod-danych oddziaływaniu podwyższonej temperatury oraz zmianę struktury ba-danych kompozytów cementowych z uwzględnieniem zachowania się włókien polipropylenowych.
Praca kończy się ogólnym podsumowaniem i wnioskami, a także wykazem literatury oraz spisem tabel i rysunków. W monografi i nakreślono kierunki dal-szych prac mających na celu poprawę cech fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury. W literaturze światowej praktycznie brakuje prac o charakterze monografi cznym, których te-matyka obejmowałaby powyższe zagadnienia.
2. Charakterystyka kompozytów
cementowych z dodatkiem włókien
polipropylenowych
2.1. Rozwój technologii betonu
Technologia betonu w ciągu ostatnich lat rozwinęła się bardzo widocznie
(Czarnecki i Kurdowski 2006). Stosowanie klasycznych betonów niemodyfi
-kowanych domieszkami i dodatkami w niektórych rodzajach konstrukcji bu-dowlanych staje się dziś nieekonomiczne lub wręcz niemożliwe. Taki rozwój spowodował wzrost zużycia betonów o wysokiej wytrzymałości wbudowlach inżynierskich wznoszonych w ciągu ostatniej dekady na całym świecie. Beton wysokiej wytrzymałości (ang. HSC − high–strength concrete) ma znacznie wyż-sze parametry w niesprzyjających warunkach w porównaniu do betonu zwy-kłego (ang. NSC − normal–strength concrete). Jednak ze względu na niską prze-puszczalność i małą porowatość BWW jest materiałem bardzo podatnym na uszkodzenie w warunkach podwyższonych temperatur oraz na rozwój zjawiska eksplozyjnego odpryskiwania (Bednarek i Drzymała 2019, Diederichs et al. 1995,
Drzymała 2010, Hasan et al. 2017, Erdakov i Khokhryachkin 2005, Gawin i Wi-tek et al., Han et al. 2005, Hager i Tracz 2008, Jackiewicz-Rek i Drzymała 2016, Jasiczak 2008, Kalifa 2001, Khoury 2003, Kuś et al. 2014, Łapko 2000, Phan 2002, Pistol et al. 2012, Pliya et al. 2011, Poon et al. 2001, Schrefl er i Khoury et al. 2002, Schrefl er i Brunello et al. 2002).
Rozwój inżynierii materiałowej jest szczególnie widoczny w zmianie wła-ściwości fi zyko-mechanicznych kompozytów cementowych. Beton ze zbroje-niem strukturalnym (fi brobeton) należy do grupy betonów specjalnych. Zbro-jenie rozproszone w postaci włókien znajduje zastosowanie praktycznie od lat 60. XX wieku w betonach niezbrojonych oraz w betonach zbrojonych prętami
stalowymi i sprężonych, a także w torkrecie i w prefabrykacji (Glinicki 2010). W 1973 r. opatentowano fi brobeton i od tamtej pory jest stosowany w wielu od-mianach i w coraz większym zakresie (Radomski 1995). Jest to materiał złożony ze spoiwa, kruszywa mineralnego, piasku, wody i włókien dodawanych do ma-trycy cementowej. W celu polepszenia właściwości kompozytów cementowych do betonu dodaje się obecnie nie tylko włókna stalowe, ale także włókna z two-rzyw sztucznych, węglowe, szklane, a nawet włókna pochodzenia organicznego
(Brandt 2009, Conforti et al. 2017, Doherty et al. 2012, Drzymała 2010, Drzymała 2016, German 2000, Glinicki 2009, Hasan et al. 2017, Purkiss 1985, Purkiss 1984, Won et al. 2011, Wu et al. 2017, Yermak et al. 2017).
Kompozyty cementowe są to wszelkiego rodzaju materiały budowlane zawie-rające w swoim składzie cement. Do tej grupy materiałów należą m.in.: zaczyny, zaprawy, betony oraz fi brobetony (z dodatkiem włókien). W omawianych kom-pozytach cementowych wyróżnić można trzy podstawowe składniki: wodę, ce-ment i kruszywo. Stosunek ilości wody do cece-mentu jest oznaczany jako wskaźnik w/c, jego wartość wpływa bezpośrednio na jakość betonu. Zasadniczo w beto-nach wysokowartościowych stosunek w/c osiąga wartość poniżej 0,3. Do zapraw cementowych dodaje się kruszywo drobne o mniejszym uziarnieniu (piasek), zaś do betonów zwykłych oraz wysokowartościowych (BWW) dodaje się dodatkowo kruszywo grube (żwir lub grys). Ilość oraz uziarnienie poszczególnych kruszyw zależy od rodzaju betonu. Do każdego z kompozytów można również stosować dodatki oraz domieszki powodujące ich modyfi kację, która jest niezbędna do prawidłowego ich wykorzystania (Woyciechowski 1999).
Zaczyn cementowy jest głównym składnikiem wielu materiałów budowla-nych takich jak beton, zaprawy oraz fi brobetony. Szeroki wachlarz stosowania tych materiałów powoduje, iż inżynierowie dążą do zmiany właściwości poszcze-gólnych materiałów, stosując różnego rodzaju dodatki i domieszki (Carette et al.
1982, Czarnecki i Kurdowski 2006, Drzymała et al. 2017, Gijsman et al. 1993, Gar-bacz i Sokołowska 2013, GarGar-bacz 2007, German 2000, Hirschler 2000, Jackiewicz--Rek i Drzymała et al. 2016, Jasiczak 2008, Purkiss 1985, Purkiss 1984, Śliwiński 1999, Woyciechowski 1999, Zegardło et al. 2016, Zegardło i Drzymała et al. 2018).
Coraz powszechniejszym zastosowaniem cieszą się kompozyty cementowe z do-datkiem włókien polipropylenowych (Drzymała 2010, Glinicki 2010). Włókna te w znaczny sposób zmieniają właściwości kompozytu. Włókna polipropyleno-we (PP) stanowią tzw. mikrozbrojenie rozproszone, co powoduje redukcję rys skurczowych i mikropęknięć. Dzięki temu nie trzeba stosować specjalnych siatek przeciwskurczowych.
2.2. Rodzaje i właściwości stosowanych włókien
Wykorzystanie włókien polipropylenowych jako drobnego mikrozbrojenia betonu po raz pierwszy zaproponowano w 1965 roku. Miały one stanowić spe-cjalną domieszkę do betonu użytego do wykonania budynków odpornych na wy-buch (Madhavi et al. 2014). Rozwój i powszechny wzrost wykorzystania włókien syntetycznych do zapraw i betonów nastąpił nieco później, na początku lat 80. XX wieku.
Włókna polipropylenowe wytwarzane są poprzez formowanie z roztworu po-limeru lub też metodą bardziej nowoczesną − ze stopu (Florjańczyk i Peczka 1997,
Pielichowski i Puszyński 2003, Szlezyngier i Brzozowski 2012). Występują w dwóch
odmianach: elementarnej (cięte z wyciąganej przędzy) oraz fi brylowanej (cięte z arkuszy folii). Wymienione włókna przedstawiono na rysunkach 2.1 i 2.2. W za-leżności od rodzaju, włókna różnią się od siebie parametrami. Dla włókien cię-tych długość odcinków wynosi 6 mm lub 12 mm, a średnica około 20 μm–30 μm. Z kolei włókna fi brylowane produkowane są z folii o grubości ok. 0,05 mm, które kolejno zostają pocięte na taśmy. Fibryle powstają poprzez naciąganie, stabiliza-cję termiczną, a następnie łączenie taśm wzdłuż ich długości (Przybyło i Broda
2011). Przekrój poprzeczny włókien wynosi 0,05 mm × 0,5 mm, zaś ich długość
12–38 mm. Pokrycie włókien fi brylowanych specjalną aperturą zwiększa ich zwil-żalność oraz przyczepność do zaczynu (Zych 2010). Włókna polipropylenowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, w granicy 500 N/mm2. W przypadku modułu sprężystości wartość ta wynosi tylko 3500−4000 N/mm2, podczas gdy dla betonu jest to około 20000 N/mm2 (Jasiczak i Mikołajczak 2003).
Rys. 2.1. Włókna monofi lamentowe
Rys. 2.2. Włókna fi brylowane
Źródło: Opracowanie własne
Polipropylen defi niowany jest jako wielkocząsteczkowy związek chemiczny powstały w wyniku reakcji polimeryzacji propylenu. Zaliczany jest do poliole-fi n − dużej grupy węglowodorowych związków termoplastycznych posiadających różnorodne właściwości w zależności od sposobu ich polimeryzacji (Żuchowska
2000). Wzór ogólny polipropylenu przedstawiono na rysunku 2.3.
Rys. 2.3. Budowa polipropylenu
Źródło: Opracowanie własne
Początek wejścia polipropylenu do masowej produkcji datuje się na drugą połowę lat 50. XX w. Za kolebkę tego procesu uznaje się włoskie miasto Ferrara, gdzie w 1957 r. uruchomiono pierwszą produkcję polipropylenu izotaktyczne-go na skalę przemysłową. Inicjatorem teizotaktyczne-go przedsięwzięcia była fi rma Monte-catini (Pielichowski i Puszyński 2003, Szlezyngier i Brzozowski 2012). Wdrożenie tego mechanizmu stało się możliwe dzięki odkryciu i zastosowaniu w produk-cji kompleksowych metaloorganicznych katalizatorów Zieglera-Natty. Wytwo-rzone w ten sposób wielkocząsteczkowe kryształy charakteryzowały się bardzo dobrymi właściwościami użytkowymi (Szlezyngier i Brzozowski 2012). Postęp
technologiczny oraz zwiększony popyt na materiały polimerowe zaowocowały tym, że na obecnym etapie producenci opracowują własne metody polimeryzacji propylenu, które mają być najbardziej efektywne i ekonomiczne (Szałański i
Zie-liński 2004).
Na chwilę obecną można wyróżnić kilka metod otrzymywania polipropyle-nu (Szałański i Zieliński 2004):
– polimeryzacja rozpuszczalnikowa z katalizatorem konwencjonalnym, – polimeryzacja rozpuszczalnikowa z katalizatorem wysokoaktywnym, – polimeryzacja w masie (ciekłym monomerze),
– polimeryzacja w fazie gazowej,
– polimeryzacja oparta na katalizatorach metalocenowych.
Najpowszechniej stosowaną, a zarazem najstarszą metodą otrzymywania po-lipropylenu jest polimeryzacja w roztworze zachodząca w temperaturze między 60°C−100°C (Pielichowski i Puszyński 2003, Szlezyngier i Brzozowski 2012). Zróż-nicowane właściwości polipropylenu wynikają z jego budowy. W zależności od użytego katalizatora oraz od położenia grupy metylowej CH3 w łańcuchu polime-ru można wyróżnić jego trzy stpolime-ruktury:
– struktura izotaktyczna – wszystkie grupy metylowe ułożone po jednej stro-nie łańcucha,
– struktura syndiotaktyczna – grupy metylowe znajdują się naprzemiennie po obu stronach łańcucha,
– struktura ataktyczna – cechuje się nieuporządkowanym rozmieszczeniem grup CH3.
Biorąc pod uwagę budowę przestrzenną, najlepszymi parametrami technicz-nymi cechuje się polipropylen izotaktyczny. Oprócz struktury, na właściwości wyrobów z polimeru mogą wpływać także jego krystaliczność, polidyspersja czy ciężar cząsteczkowy. Polipropylen w porównaniu z innymi tworzywami termo-plastycznymi cechuje się niską gęstością (ρ = 0,90–0,91 g/cm3), ponadto wykazu-je dużą odporność chemiczną, nie będąc podatnym na działanie wody, kwasów, zasad czy soli nieorganicznych (Pielichowski i Puszyński 2003). Gazy takie jak dwutlenek węgla (CO2) i pary węglowodorów o niskiej temperaturze wrzenia nie przenikają jego struktury. W atmosferze tlenu i pod działaniem wysokiej tem-peratury polipropylen może ulegać częściowej degradacji (Janowska et al. 2007,
Kubiak 2009, Półka i Drzymała 2015, Półka i Drzymała 2009, Półka 2003). Z kolei
wzrost kruchości polimeru odnotowany został pod działaniem w niskich tempe-raturach (od 0°C), co jednak może być zredukowane poprzez różnego rodzaju modyfi kacje chemiczne i fi zyczne (Szałański i Zieliński 2004). Jako przedstawiciel
termoplastów polipropylen cechuje się także wyższą temperaturą mięknienia (ok. 160°C) w porównaniu do innego, znacznie bardziej popularnego tworzywa, jakim jest polietylen (Półka i Drzymała 2015, Półka i Drzymała 2009). Wybrane właściwości polipropylenu przedstawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Właściwości polipropylenu
Właściwość Jednostka Wartość
Gęstość g/cm3 0,90–0,91
Temperatura topnienia krystalitów °C 70–75
Temperatura zeszklenia °C -35
Temperatura mięknienia wg Vicata °C 140–155
Wytrzymałość na rozciąganie MPa 10–36
Wytrzymałość na rozerwanie MPa 30–40
Wydłużenie przy rozciąganiu % 5–15
Wydłużenie przy zerwaniu % 500–700
Wytrzymałość na ściskanie MPa 7–10
Ciepło właściwe w temperaturze 23°C J/(g∙K) 1,92
Przewodnictwo cieplne w/(m∙K) 13,8·10-4
Wytrzymałość dielektryczna kV/m 350–800
Oporność powierzchniowa Ω ∙ cm 5·1013
Oporność skrośna Ω ∙ cm 1015 – 1017
Współczynnik stratności dielektrycznej tg δ 0,0019
Chłonność wody po 24 h % 0,03
Źródło: Opracowanie własne na podstawie: Pielichowski J., Puszyński A.: Technologia tworzyw sztucznych. Wydawnictwo Nauk Technicznych, Warszawa 2003
(Pielichowski i Puszyński 2003)
Włókna polipropylenowe dodane do zaczynu, zaprawy czy betonu mają za zadanie tworzyć strukturę tzw. mikrozbrojenia (Glinicki 2010). Według normy
(PN EN 14889-2:2007) włókna polimerowe defi niuje się jako proste lub
odkształ-cone fragmenty wytłaczanego, zorientowanego i ciętego materiału polimerowego, przydatne do jednorodnego wymieszania z betonem lub zaprawą. Wymienione
w normie (PN EN 14889-2:2007) polimery obejmują np. polipropylen lub poliety-len, poliester, nylon, pva, poliakryl, aramid i ich mieszaniny. Klasyfi kacja normo-wa włókien polimerowych dotyczy ich formy fi zycznej i obejmuje trzy podklasy: – Klasa Ia: mikrowłókna: średnica < 0,30 mm; pojedyncze,
– Klasa Ib: mikrowłókna: średnica < 0,30 mm; fi brylowane, – Klasa II: makrowłókna: średnica > 0,30 mm.
Głównym rodzajem włókien polimerowych wykorzystywanych w produk-cji fi brobetonu są włókna polipropylenowe. Współcześnie jako mikrozbrojenie włókniste fi brobetonów, oprócz włókien polipropylenowych, stosowane są rów-nież włókna stalowe, szklane, a nawet włókna pochodzenia organicznego i inne (rys. 2.4). Wybrane właściwości stosowanych włókien zamieszczono w tabeli 2.2
(Brandt 2000, Glinicki 1995, Glinicki 2010, Hannant 2003, Pichór 1999).
Rys. 2.4. Klasyfi kacja włókien stosowanych do kompozytów cementowych
Tabela 2.2. Wybrane właściwości stosowanych włókien
Rodzaj włókna Średnica [mm] Gęstość pozorna [g/cm3] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Moduł sprężystości [GPa] Wydłużenie przy zerwaniu [%] stalowe 0,1–1 7,8 500–2000 200 0,5–3,5 polipropylenowe 0,02–0,2 0,9 300–700 5 15–25 szklane 0,012–0,02 2,7 1000–3000 80 1,5–4,5 węglowe 0,008–0,01 1,9 1000–3000 230–400 0,5–1,0 aramidowe 0,008–0,012 1,4 3000 70–130 2–3,5 sizalowe 0,01–0,1 1,5 600 13–25 3 azbestowe 0,0001 2,6 3500 160 2–3
Źródło: Opracowanie na podstawie:
(Brandt 2000, Glinicki 1995, Glinicki 2010, Hannant 2003, Pichór 1999)
Powszechność stosowania innych włókien do kompozytów cementowych ograniczona jest ich wysoką ceną (np. węglowych, aramidowych), małą trwało-ścią (np. roślinnych) lub szkodliwotrwało-ścią dla zdrowia (np. włókna azbestowe, które zostały wycofane z użycia w budownictwie). Włókna węglowe i aramidowe, choć mało popularne jako składniki kompozytów cementowych, znalazły obecnie sze-rokie zastosowanie jako zbrojenie matryc żywicznych (polimerowych), stoso-wanych jako zewnętrzne wzmocnienie elementów konstrukcyjnych, przeważnie żelbetowych (np. w postaci taśm wykonanych z włókien węglowych).
2.3. Podstawowe kierunki zmian właściwości kompozytów
cementowych w wyniku dodania włókien
polipropylenowych
Zbrojenie rozproszone w postaci włókien polipropylenowych (PP) jest sto-sowane w elementach z betonu, zaprawy lub zaczynu cementowego. Zbrojeniem rozproszonym przyjęto nazywać to, które występuje w postaci krótkich włókien (max. do 80 mm) i zostało wymieszane ze składnikami mieszanki betonowej bez
specjalnego układania, ale w ilości, która przynosi wymierny pozytywny efekt (głównie wytrzymałościowy) lub powoduje poprawę innych określonych właści-wości mechanicznych. Generalnie należy przyjąć (bez względu na typ włókien), że ich rolą jest polepszenie cech betonu jako materiału budowlanego (Jambroży
2002). Modyfi kowany za pomocą włókien polipropylenowych kompozyt składa
się z kruchej matrycy cementowej i mikrozbrojenia włóknistego, którego głów-nym celem jest jej wzmocnienie. Wzmocnienie matrycy cementowej uzyskuje się przez (Bentur 2007, Brandt 2009, Zych 2010):
– redukcję zarysowań matrycy cementowej,
– polepszenie właściwości wytrzymałościowych poprzez współudział włókien w przenoszeniu naprężeń.
Rysy powstają w matrycy cementowej na skutek przekroczenia przez naprę-żenia rozciągające niewielkiej jej wytrzymałości (matryca jest materiałem kru-chym). Włókna, przenosząc naprężenia rozciągające, zmniejszają odkształcenia skurczowe matrycy cementowej i nie dopuszczają do tworzenia się rys oraz pęk-nięć. Przyczyny powstawania rys są różne, najczęściej pojawiają się one na sku-tek: skurczu plastycznego, skurczu przy wysychaniu, nadmiernego obciążenia, lokalnego rozciągania wywołanego np. korozją stali zbrojeniowej (Neville 2012,
Zych 2010). Włókna przeciwdziałają tworzeniu się rys skurczowych oraz,
prze-nosząc naprężenia rozciągające po zarysowaniu matrycy poddanej obciążeniom zewnętrznym, zmieniają sposób zniszczenia betonu i polepszają jego cechy wy-trzymałościowe (Bentur 2007, Brandt 2009, Hannant 2003). Wpływają zatem na właściwości użytkowe dojrzałego betonu.
Włókna PP stosuje się również jako dodatek do mieszanki betonowej w celu poprawy odporności młodego betonu na szkodliwe działanie naprężeń skurczo-wych. Są bardzo cienkie i posiadają dużą wytrzymałość na rozciąganie, co ma decydujący wpływ na ograniczanie powstawania zarysowań matrycy cementowej w pierwszych godzinach po zabetonowaniu elementu. Włókna te w pierwszych godzinach twardnienia betonu przenoszą naprężenia rozciągające, w późniejszym okresie hydratacji cementu matryca cementowa uzyskuje wystarczającą wytrzy-małość, aby nie doznać uszkodzeń. Potwierdza to Brandt (Brandt 2000), który wymienia włókna PP jako sposób na ochronę młodego betonu przed powstawa-niem rys skurczowych. Po osiągnięciu przez beton projektowanej wytrzymało-ści i odpowiedniego modułu sprężystowytrzymało-ści włókna syntetyczne przestają działać i naprężenia przenosi beton lub zbrojnie główne (Glinicki 2009, Jasiczak 2008). Odnotowano korzystny skutek użycia włókien polipropylenowych w próbie roz-ciągania w porównaniu z betonem bez włókna (Jasiczak et al 2003). Badania te
wykazały znaczny wpływ włókien na ciągliwość betonu poprzez zmianę charak-teru pracy z kruchego na quasi-plastyczny.
Po zakończeniu hydratacji włókna syntetyczne mają wpływ na poprawę wielu innych cech betonu takich jak (Jasiczak i Mikołajczyk 1997): odporność na pęka-nie przy zginaniu, zdecydowana poprawa udarności i odporności na obciążenia zmęczeniowe, odporność na korozję i skokowe zmiany temperatury, zwiększona odporność na ścieranie, zmniejszona nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność oraz zmniejszenie ilości wydzielanego mleczka cementowego.
2.4. Zastosowanie betonów z dodatkiem włókien
polipropylenowych
Beton modyfi kowany włóknami (fi brobeton) jest materiałem dość szeroko rozpowszechnionym w budownictwie. Charakteryzuje się szerokim wachlarzem zastosowań i wciąż rosnącym udziałem na rynku wyrobów budowlanych. Zasto-sowanie fi brobetonu obejmuje od drugorzędnych elementów wykończeniowych przez elementy konstrukcyjne mostów, obudowy tuneli po prefabrykowane ele-menty np. budynków mieszkalnych (Karwacki 1994, Karwacki 1995, Karwacki
1997, Karwacki 1998, Kielczyk 1997, Radomski 1995). Szeroko stosuje się go
rów-nież do napraw istniejących konstrukcji. Włókna syntetyczne znajdują zastoso-wanie m.in. w mostownictwie, w posadzkach betonowych, nawierzchniach dro-gowych i lotniskowych, w elementach prefabrykowanych poddanych działaniu środowiska agresywnego (studnie, rury, elementy zbiorników, ściany oporowe, pale) oraz w betonie natryskowym (metodą torkretowania) (Brandt 2000,
Glinic-ki 2009, Jasiczak 2008, KarwacGlinic-ki 1995, Karwowska et al. 2011).
Dzięki odporności na zarysowanie fi brobetony z włóknami polipropyleno-wymi stosowane są do wykonania (Zych 2010):
– chodników, ścieżek dla pieszych,
– cienkościennych elementów elewacyjnych, – elementów „małej architektury” (np. donic),
– warstw naprawczych elementów żelbetowych (metodą torkretowania). Odporność chemiczna (korozyjna) włókien polipropylenowych decyduje o ich zastosowaniu jako dodatku (uzupełniającego zbrojenie konstrukcyjne) tak-że w następujących konstrukcjach betonowych (Zych 2010):
– monolitycznych zbiornikach na wodę,
– osadnikach w oczyszczalniach ścieków, tunelach ściekowych.
Beton z dodatkiem włókien polipropylenowych jest stosowany tam, gdzie konieczne jest uzyskanie znacznie lepszych właściwości fi zycznych, trwałości i innych cech użytkowych. Wysoką cenę fi brobetonu rekompensuje w pewnym stopniu mniejsze zużycie materiału. Z powyższych powodów fi brobeton zna-lazł zastosowanie w wielu dziedzinach budownictwa (Karwacki 1994, Karwacki
1995, Karwacki 1997, Karwacki 1998, Kielczyk 1997, Radomski 1995). Włókna
polipropylenowe stanowią również składnik prefabrykowanych betonowych ele-mentów obudowy tuneli, ponieważ przeciwdziałają eksplozyjnemu termicznemu odpryskiwaniu betonu (ang. thermal spalling). Polskim przykładem zastosowania fi brobetonu może być metro warszawskie, gdzie ułożono ponad 500 m podto-rzy, uzyskując w ten sposób pożądane własności. Obserwacja nowych tenden-cji w rozwoju technologii betonowej pozwala przypuszczać, że skala zastosowań różnych rodzajów fi brobetonu będzie w najbliższych latach wzrastać. Twierdze-nie to znajduje swe uzasadTwierdze-nieTwierdze-nie w zastosowaniach fi brobetonu w krajach uprze-mysłowionych, przykładami mogą być Japonia czy Stany Zjednoczone (Jasiczak
3. Podstawowe parametry pożaru
wpływające na właściwości
wytrzymałościowe kompozytów
...
cementowych
3.1. Ogólny opis środowiska pożaru w fazie jego rozwoju
Pożary wewnętrzne przebiegają w przestrzeni ograniczonej przegrodami bu-dowlanymi, które wchodzą w skład budynków (ściany, stropy) i dzielą je na ukła-dy funkcjonalne. Podczas takich pożarów następuje gromadzenie się produktów rozkładu termicznego w górnych partiach pomieszczeń, na skutek czego zwiększa się grubość warstwy gazów i wzrasta jej temperatura. W trakcie pożaru w takich warunkach następuje odbicie (zwrócenie) strumienia energii od stropu w stronę zgromadzonych w pomieszczeniu materiałów palnych, co w konsekwencji po-woduje wzrost wydzielania lotnych produktów rozkładu termicznego, które na-stępnie – spalając się – przyczyniają się do tworzenia kolejnych ilości gorących, toksycznych gazów pożarowych (Pofi t-Szczepańska 1994).
Wyróżnia się dwa rodzaje pożarów wewnętrznych (Gałaj 2015):
1) pożary wewnętrzne ukryte – przebiegające w pustych przestrzeniach stropów, ścian budynków czy też wewnątrz urządzeń i aparatur technologicznych, 2) pożary wewnętrzne otwarte – rozwijające się w przestrzeni zamkniętej z
wi-dzialnym ogniskiem pożaru, przy czym widzialność ogniska może być za-kłócona przez dym, przedmioty i urządzenia stanowiące jej wyposażenie.
Pożar w budynku może rozwijać się na bardzo wiele sposobów, zależnych głównie od rodzaju i wielkości źródła inicjacji pożaru, rozmieszczenia materia-łów palnych, ich ilości, orientacji i powierzchni, geometrii pomiesz czenia (ukła-du pomieszczeń w budynku), położenia i wielkości otworów wentylacyjnych
(kierunki przemieszczania się strumieni powietrza i gazów pożarowych)
(Konec-ki 2007, Quintiere 1982). W skład tzw. środowiska pożaru wchodzi strefa spalania
oraz jej bezpośrednie sąsiedztwo. W tej wyodrębnionej objętości przy udziale sił konwekcyjnych następuje transport produktów rozkładu termicznego do strefy podsufi towej (do powierzchni stropu). Strefę spalania stanowi zatem wycinek przestrzeni, w którym przebiega proces spalania. Zasięg tej strefy jest uzależnio-ny od szybkości wydzielania ciepła, strumieni ciepła oraz wentylacji (Pofi
t-Szcze-pańska 1994).
Rozwój pożaru oraz jego szybkość uzależniona jest od: a) rodzaju i liczby znajdujących się materiałów palnych,
b) sposobu rozmieszczenia materiałów palnych oraz powierzchni, jaką zajmują, c) objętości pomieszczenia (wymiarów) i jego usytuowania,
d) rozmieszczenia i powierzchni otworów wentylacyjnych.
Jednym z czynników (jak podano na początku), który ma również istotne znaczenie podczas rozwoju pożarów w pomieszczeniach zamkniętych i odróżnia pożary na otwartej przestrzeni jest występowanie tzw. energii zwróconej. Pod-czas spalania materiałów przemieszczający się strumień ciepła natrafi a na różne-go rodzaju przegrody budowlane (np. ściany, sufi t), przez które częściowo zostaje odbity, a częściowo pochłonięty. W związku z tym odbita część promieniowania cieplnego, intensyfi kując spalanie, wraca ponownie do materiału palnego jako tzw. strumień ciepła zwrócony (Drysdale 1985, Gałaj 2015).
W miarę zwiększania wydzielanego strumienia ciepła i wymiany gazowej wzrasta prędkość rozprzestrzeniania się pożaru, aż osiągnie właściwą dla da-nego materiału wartość. Jeżeli w pobliżu nie znajdują się inne materiały palne, a oddziaływanie cieplne nie jest na tyle duże, pożar może się nie rozprzestrzenić. Wówczas następuje wypalanie materiałów palnych przy niezmiennej powierzch-ni pożaru.
3.1.1. Przebieg pożaru
Badania eksperymentalne w pełnej skali (McCaff rey 1981, Walton i Th omas 1992) i obserwacje pożarów rzeczywi stych (Tewarson 1988, Wolanin 1986, Wo-lanin 1996) w pomieszczeniach, prowadzone od lat 60 . pozwoliły na
uogólnie-nie opisu ich przebiegu przez podauogólnie-nie zależności parametrów pożaru od cza-su. Wyodrębniono trzy fazy jakościowo różnych przebiegów parametru pożaru, jakim jest temperatura gazów spalinowych w pomieszczeniu w funkcji czasu. Do oceny odporności ogniowej konstrukcji metodą eksperymentalną znajduje
zastosowanie charakter krzywej standardowej odpowiadający drugiej fazie po-żaru. Zatem przebieg rozwoju pożaru w pomieszczeniu zamkniętym może być opisywany zmianą średniej temperatury gazu w funkcji czasu trwania spalania (rys. 3.1) (Quintiere 1989).
Rys. 3.1. Krzywa przedstawiająca przebieg pożaru w pomieszczeniu wyrażony średnią
temperaturą gazu (temperatura pożaru) w funkcji czasu (Konecki et al. 2003) Przedstawione na rys. 3.1 fazy można opisać w następujący sposób (Pofi
t--Szczepańska 1994, Drysdale 1985, Gałaj 2015):
a) faza pierwsza – stanowi okres od momentu zainicjowania pożaru, często w li-teraturze określany fazą przedrozgorzeniową lub „pre-fl ashover”. W tej fazie od chwili powstania pożaru spalający się materiał ogrzewa otoczenie, powo-dując rozprzestrzenianie się ognia. Temperatura pożaru jest niska, a strefa spalania znajduje się w pobliżu miejsca inicjacji pożaru,
b) faza druga – to okres w pełni rozwiniętego pożaru, nazywany fazą „post-fl a-shover”. W tej fazie zgromadzone materiały palne znajdujące się w pomiesz-czeniu ulegają spalaniu z niemal jednakową intensywnością, co skutkuje tym, że temperatura prawie się nie zmienia. Szybkość spalania w tej fazie po-żaru uzależniona jest głównie od wielkości otworów wentylacyjnych (przede wszystkim dopływu powietrza do strefy spalania i ilości materiału palnego).
Płomienie wypełniają całe pomieszczenie, a temperatura gazów pożarowych osiąga maksymalną wartość,
c) faza trzecia – to okres wygasania (gaśnięcia pożaru), umownie przyjmuje się za początek tej fazy moment, kiedy temperatura pożaru osiągnie 80% war-tości temperatury maksymalnej. Podczas tej fazy strefa spalania zmniejsza swoje rozmiary, maleją również strumienie cieplne i masowa szybkość spa-lania, a w konsekwencji następuje spadek temperatury oraz wzrost gęstości optycznej dymu.
3.1.2. Podstawowe parametry pożaru
Zjawisko pożaru i jego rozwój prowadzi do wzrostu w czasie wartości pa-rametrów opisujących pożar takich jak:temperatura pożaru, czas trwania, wierzchnia, strumień ciepła (moc pożaru), prędkość rozprzestrzeniania się po-żaru, masowa szybkość spalania, objętość produktów rozkładu termicznego i spalania, stężenie dymu i innych (Konecki 2007, Quintiere 1982). Parametry te charakteryzuje się mierzalną wielkością fi zyczną. Zbiór tych wielkości nazywany jest parametrami pożaru.
Temperatura pożaru. Obecnie dla celów projektowych (w zależności od
ro-dzaju materiałów palnych oraz scenariuszy pożaru) używa się różnych krzywych temperaturowych (standardowa, węglowodorowa, zewnętrzna, pełzająca, tune-lowa itp.), których opis zamieszczono w normie (PN-EN 1991-1-2:2008) Euro-kod 1: Oddziaływanie na konstrukcje – część 1–2: Oddziaływanie ogólne – Od-działywanie na konstrukcje w warunkach pożaru.
Podczas badań zachowania się konstrukcji w warunkach pożaro wych najczę-ściej stosuje się następujące przebiegi czasowe zmian temperatury (Abramowicz
i Adamski 2002):
a) krzywa standardowa (ISO 834, PN-EN 1991-1-2:2008) – opisuje zmiany
tem-peratury podczas standardowego pożaru w pomieszczeniach mieszkalnych, znajduje zastosowanie przy określaniu odporności ogniowej elementów kon-strukcyjnych metodą eksperymentalną,
b) krzywa węglowodorowa – opisuje zmiany temperatury podczas pożaru sub-stancji ropo pochodnych,
c) krzywa zewnętrzna – stosowana w przypadku nienośnych przegród ze-wnętrznych,
d) krzywa pełzająca – stosowana w przypadku dużego obciążenia ogniowego i małej „podaży” tlenu,
e) krzywe parametryczne – stosowane dla pożarów w konkretnych pomiesz-czeniach o znanych parametrach,
f) krzywa tunelowa RABT/ZTY – stosowana w Niemczech krzywa, która opi-suje zmiany temperatury podczas 30–90 minutowego pożaru w tunelu oraz 110-minutowej fazy gaszenia (chłodzenia konstrukcji),
g) krzywa tunelowa RWS (Rijkwaterstaat) – stosowana w Holandii krzywa, któ-ra opisuje zmiany tempektó-ratury podczas pożaru w tunelu.
Najbardziej znana jest krzywa normowa (standardowa), mająca zastoso-wanie w badaniach ogniowych elementów budowlanych, wyrażająca się wzo-rem (3.1). Krzywa normowa odzwierciedla rozwój temperatury w pożarach celulozowych, w których paliwem jest głównie drewno i materiały drewnopo-chodne.
T ORJ t (3.1)
gdzie:
T – temperatura [°C], t – czas [min].
Ponieważ w niektórych przypadkach istnieje konieczność analizowania konstrukcji, w innych sytuacjach wyjątkowych dopuszcza się stosowanie innych krzywych „temperatura – czas”. Do krzywych tych zaliczamy:
– krzywą węglowodorową – stosowana jest podczas analizy pożarów, w któ-rych głównym paliwem jest ropa naft owa lub jej pochodne, czyli magazynów olejów, benzyn, wież wiertniczych. Pożary węglowodorowe symulowane są przez krzywą węglowodorową, której bieg w czasie określa wzór:
T > H[S H[S @ t t (3.2)
T, t – jak we wzorze (3.1).
– krzywą zewnętrzną – opisuje pożar mniej intensywny od pożaru re-prezentowanego przez krzywą „normową”. W przypadku nienośnych przegród zewnętrznych (np. ścian osłonowych) wzrost temperatury po stronie nienagrzewanej jest niższy na skutek chłodzenia powietrzem ze-wnętrznym. Takie przypadki przez okres pierwszych 10 minut symulo-wane są przez krzywą zewnętrzną, której przebieg w czasie jest określany wzorem:
T > H[S H[S @ t t (3.3)
T, t – jak we wzorze (3.1).
– krzywą pełzającą – w przypadkach szczególnych, gdy pożar początkowo roz-wija się wolno (np. przy dużym obciążeniu ogniowym i małej podaży tlenu). Pożar taki może wskutek zmiany warunków przekształcić się w pożar rozwi-nięty. Można go opisać wzorami:
(w zakresie 0<t≤21 min): T t (3.4) (dla t>21): T ORJ t (3.5)
T, t – jak we wzorze (3.1).
– krzywe parametryczne – dają możliwość sporządzenia indywidualnych krzy-wych dla pożarów w konkretnych pomieszczeniach o znanych parametrach, którymi są:
• gęstość obciążenia ogniowego na powierzchni przegród otaczających pomieszczenie,
• wentylacja pożarowa wyrażająca się wskaźnikiem otworów, • pojemność cieplna przegród,
• geometria pomieszczenia.
Szczególną grupę pożarów stanowią pożary w tunelach komunikacyjnych. Wobec znikomego odprowadzania ciepła na zewnątrz, temperatury w pożarach tunelowych osiągają najwyższe wartości. Pożary symulowane przez krzywe tune-lowe:
– niemiecką RABT, według której w Niemczech badane są budowle podziem-ne, a zwłaszcza tunele komunikacyjpodziem-ne,
– holenderską Rijkswaterstaat, według której w Holandii badane są tunele ko-munikacyjne, a która osiąga najwyższe temperatury ze wszystkich krzywych modelowych.
Przebiegi omówionych krzywych „temperatura – czas” przedstawiono na rys. 3.2.
