favoritter

Brannmotstand

Blog posts

Brannmotstand - er det et problem for UHPC?

 

Brannmotstand er en av egenskapene som skiller betong i forhold til andre materialer som stål eller aluminium, men det snakkes ofte om bekymringer rundt brannmotstanden til høystyrkebetong, UHPC. Det korte og enkle svaret på disse bekymringene er at det er ganske mulig å konstruere en UHPC med en brannmotstand som er minst like bra som for vanlig betong. For CRC i2® krever det bare tilstrekkelig modenhet (for å redusere fuktighetsinnholdet) og i noen tilfeller litt ekstra armering.

 
 

Brannmotstand og spalting - 2 separate problemer

Den største bekymringen for UHPC under branneksponering er spalting - og faktisk kan dette være et problem selv for betong i området 70-80 MPa. Jeg vil skrive om dette nedenfor, og ta den enkleste delen først, for selv om spalting ikke er et problem, er det noen andre områder hvor oppførselen til UHPC skiller seg fra vanlig betong under branneksponering.

 

Termisk lagringsevne

Da UHPC er mye tettere enn vanlig betong (lavere vann/pulverforhold og mindre innblandet luft), er termisk ledningsevne høyere enn for vanlig betong, noe som betyr at en høy temperatur i betongen vil oppnås tidligere i UHPC.

 

Varmekapasitet

Den spesifikke varmekapasiteten er vanligvis lavere for UHPC (det er et tettere materiale og med lavere fuktighetsinnhold). Dette vil i seg selv resultere i en lavere termisk kapasitet, og da UHPC ofte brukes i meget slanke elementer, reduseres elementets termiske kapasitet enda lenger, da det er mindre masse å absorbere varmen i.

 

Lav overdekning mot armeringen

Siden CRC alltid bruker vanlig armering sammen med stålfiber, bør overdekningen vurderes. Vanligvis er det så lite som 15 mm, noe som betyr at hvis strekksiden av elementet er utsatt for brann, kan armeringen nå høye temperaturer forholdsvis raskt sammenlignet med vanlig betong, som ville hatt en mye større overdekning. Dette er ikke et problem for andre typer UHPC, som ofte bruker en kombinasjon av stålfibre og forspenning..

 

Egenskaper ved høye temperaturer

Det har blitt vist (f.eks. ved tester på Imperial College i samarbeid med eksperter fra University of Milan) at trykkstyrken og strekkstyrken opprettholdes mye bedre i UHPC ved høy temperatur (opptil 700 grader celsius) enn i vanlig betong. Dette er sant når det er varmt, men enda mer, når reststyrken måles. Dette er pga den negative påvirkning av kalsiumhydroksid, hvor mengden kalsiumhydroksyd i UHPC er mye lavere enn i vanlig betong.

 

For å oppsummere dette - det er definitivt en utfordring for UHPC på dette området! Måten vi har adressert dette til CRC, er å gjennomføre en rekke tester (på søyler, veggelementer og kileformede bjelker) hvor temperaturøkningen ved forskjellige dybder i betong (10 til 50 mm) er målt ved branneksponering og denne inngangen blir da brukt i brannberegninger. I noen tilfeller kan det være nødvendig å legge til ekstra forsterkningsarmering for å sikre tilstrekkelig brannmotstand. For å teste brannberegningene har forskjellige elementer blitt utsatt for en fullskala branntest - under belastning. Et eksempel på et testoppsett, er vist på bildet nedenfor. Dette var en test utført ved Tammerfors universitet i Finland, hvor den utkragede balkongen klarte seg i 2 timer før deformasjonene ble for store.

 
 
 
En utkraget CRC balkongplate plasseres i ovnen før testing​
 
 

Spalting (avskaling)

Det finnes forskjellige typer spalting under ildeksponering, men den eksplosive avskallingen som vanligvis er forbundet med UHPC - og opplevd i en rekke branner, f.eks Storebælt Link Tunnel i Danmark og Channel Tunnel mellom England og Frankrike, er forårsaket av vanndamptrykk.

Når betongen er utsatt for høye temperaturer, blir vannet i betongen til damp og denne dampen vil forsøke å unnslippe. Dette er ikke et problem i en porøs betong, men hvis porøsiteten er lav, vil et relativt høyt trykk bli bygget opp som dampen forsøker å unnslippe. Hvis trykket overskrider strekkfastheten til betongen, vil betongen knekke for å frigjøre dampen. Hvis betongens strekkfasthet er høy - og porøsiteten er lav - kan trykkoppbyggingen være så stor at når strekkapasiteten overskrides, samt betongspaltene, vil dette bli eksplosivt. Det finnes en rekke parametre som indikerer om eksplosiv spalting sannsynligvis vil oppstå, og noen av faktorene som øker risikoen for eksplosiv spalting er:

 

  • Lavere porøsitet

  • Høyere fuktighetsinnhold

  • Høye trykkspenninger

  • Høyt innhold av kalsiumhydroksid

 

En av de første testene for å sjekke ut eksplosiv spalting ble faktisk utført av oppfinneren av CRC - Hans Henrik Bache - i sitt eget kjøkken. Han lagde et stykke fersk CRC - noen få dager gammel - på en panne og satte den på komfyren. Plutselig eksploderte stykket CRC og små stykker var spredt rundt på kjøkkenet - noe som ga Bache en påminnelse om risikoen.

 

 

Siden da har en omfattende tester på CRC blitt utført-dog med noen ødelagte varmeovner rundt omkring. Testene viste at hvis fuktighetsinnholdet i CRC er tilstrekkelig lavt (ca. 2%), er det ingen risiko for spalting. Dette kan oppnås ved tørking eller bare ved å ha tilstrekkelig modenhet, ettersom sementinnholdet er høyt nok (et vann / bindemiddelforhold på rundt 0,16) for å sikre selvdestruksjon og innholdet av kalsiumhydroksid er svært lavt. For andre typer UHPC - med lavere porøsitet enn CRC - kan det være nødvendig å legge til polypropylenfibre, da dette reduserer risikoen for eksplosiv spalting.

Fullskalatestene har også gitt informasjon om risikoen for spalting. Disse innebærer også faktisk et par branner hvor CRC har vært involvert - alle sammen oppstått under byggeperioden. Tommy presenterer kort disse brannene i et senere innlegg. Jeg vil bare inkludere bildet nedenfor som en forrett til Tommys innlegg. I mitt forsvar er dette et svært komplisert problem, og selv om jeg har forenklet saken så mye som mulig, har jeg ikke kunnet gjøre det i noen korte setninger.

 

Gi meg beskjed hvis du har kommentarer til brannmotstanden til UHPC - eller hvis du har noen praktisk erfaring på dette feltet (kanskje fra en faktisk brann). Hver type UHPC vil være forskjellig, og selv om store forskningsprosjekter har blitt gjennomført (vi har vært involvert i noen få), er det fortsatt ikke mulig å forutsi nøyaktig hva risikoen for eksplosiv spalting vil være for en bestemt UHPC, uten å utføre tester.

 


Brann under byggeperioden på Heilig Harn i Holland

Forfatter av dette innlegget

Bendt Kjær Aarup
Group Material Development Manager