Betons mikrostruktur og egenskaber før og efter opvarmning til høje temperaturer

Transkript

1 Diplom afgangsprojekt Betons mikrostruktur og egenskaber før og efter opvarmning til høje temperaturer Hovedrapport Juni 2010 Udarbejdet af: Rasmus Jenlar og Andreas Houlberg Kristiansen Vejledere: Kurt Kielsgaard, DTU Byg Björn Johannesson, DTU Byg Kristian Dahl Hertz, DTU Byg Bent Grelk, Rambøll Danmark

2

3 Studie: Diplom Bygning på Danmarks Tekniske Universitet. Projektperiode: 1. februar juni Tema: Vejledere: Censor: Dansk titel: English title: Beton & Brand. Kurt Kielsgaard Hansen, DTU Byg Björn Johannesson, DTU Byg Kristian Hertz, DTU Byg Bent Grelk, Rambøll Danmark Tommy Bunch-Nielsen Betons mikrostruktur og egenskaber før og efter opvarmning til høje temperaturer. Concrete Microstructure and Properties before and after Exposure to Elevated Temperatures Afleveringsdato: 7. juni Antal sider: 48 sider, ved 2400 anslag pr. side. Udarbejdet af: Rasmus Jenlar Andreas Houlberg Kristiansen i

4 Resumé Denne rapport omhandler de fysiske og mikrostrukturelle egenskaber for beton før og efter udsættelse for høje temperaturer. Der er lavet undersøgelser af fire forskellige betonrecepter hvoraf to af disse indeholder polypropylene-fibre (PP-fibre) for at undersøge om tilsætning af plastfibre har nogen indvirkning på ændringerne i mikrostrukturen såvel som de fysiske egenskaber. Der er støbt 120 betonkerner i størrelsen ø100 x 200 mm hvor halvdelen er med v/c-forhold 0,40 og den anden halvdel med v/c-forhold 0,55. Ved begge v/c-forhold er der til halvdelen af kernerne tilsat PP-fibre. Betonprøverne er brugt i forskellige opvarmningsforsøg, for derefter at blive undersøgt for fysiske ændringer vedrørende dimensioner, farve, klang, ultralydshastighed, rekylværdi og trykstyrke. Derudover er der lavet syv tyndslib af forskellige prøver, som er analyseret i polarisationsmikroskop. Opvarmningsforsøgene består af to hoveddele, langsom og hurtig opvarmning. Den langsomme opvarmning (ca. 1 C/min) er foregået i en konvektions ovn, hvor prøverne er varmet op til henholdsvis 300, 600 og 800 C. Til den hurtige opvarmning (ca. 10 C/min) er benyttet en traditionel mikrobølgeovn, hvor prøverne er opvarmet til henholdsvis 300 og 600 C. Efter opvarmning har prøverne stået ved almindelig luftfugtighed i mindst en uge, før de er prøvet for ændringer af overnævnte egenskaber. Alle forsøg viser en klar tendens til forringede værdier jo højere temperatur prøverne har været udsat for. Forskellen på v/c-forhold bliver uvæsentlig fra 600 C og opefter, og tilsætningen af fibre har kun haft lille indflydelse ved enkelte forsøg. Ved forholdet mellem langsom og hurtig opvarmning, har der ikke umiddelbart været tendens til større forskelle i målte værdier tilhørende de fysiske egenskaber. De syv tyndslib er fremstillet af beton med v/c-forhold på 0,40 som er varmet langsomt op. Analyserne har givet nogle tydelige billeder af, hvordan betonens mikrostruktur har ændret sig under opvarmning. Nøgleord: Beton, brand, tyndslib, mikrostruktur og fysiske egenskaber. ii

5 Abstract This report deals with the physical and microscopic properties of concrete before and after exposure to elevated temperatures. There has been made an investigation of four different concrete recipes, where two of these contain polypropylene fibers (PP-fibers), to examine if adding plastic fibers have any effect on the changes in the microstructure and the physical properties. There has been cast 120 concrete cylinders with the size ø100 x 200 mm where half are with w/cratio of 0,40 and the other half with w/c-ratio of 0,55. At both w/c-ratio s half the amount of cylinders are cast containing PP-fibers. The concrete cylinders were used in different heating experiments so that an examination of the concrete s physical property changes could be made. This includes the study of dimensions, color, sound, ultrasonic s, recoil value and finally testing the compressive strength. As a last study, seven thin sections are made of various cylinders and analyzed in a polarization microscope. The heating experiments consists of two main parts; slow and rapid heating. The slow heating experiment (approx. 1 C/min) has been carried out in a convection oven where the samples have been heated to respectively 300, 600 and 800 C. For the rapid heating experiment (approx. 10 C/min) an ordinary microwave oven has been used and the samples have been heated to respectively 300 and 600 C. After heating, all of the concrete cylinders will stand at normal relative humidity for at least one week. All of the experiments carried out show a clear tendency for reduced values the higher the temperature the cylinders have been exposed to. The difference in w/c-ratio becomes insignificant from 600 C and up, and the adding of fibers has only had a small influence in some of the experiments. When looking at the difference in slow and rapid heating there is no noticeable tendency for great differences in the measured values in physical properties. The seven thin sections have been made by samples with a w/c-ratio of 0,40 heated slowly. Analyzes have given clear ideas to how the concretes microstructure has changed during heating. Keywords: Concrete, fire, thin section, microstructure and physical properties. iii

6 Forord Denne rapport er skrevet som afgangsprojekt på DTU Byg s diplom retning. Fordelingen af arbejdet mellem rapportens forfattere er ligeligt fordelt. Vi har gennem hele vores studieforløb begge haft en stor interesse for beton, så da muligheden for at skrive afgangsprojekt, om netop beton, bød sig, valgte vi at gå sammen og finde et interessant projekt vi kunne fordybe os i. Det er det første projekt af så stor omfang nogen af os har haft mulighed for at udarbejde, og hele forløbet har været virkelig spændende, udfordrende og utroligt lærerigt. Beton har altid haft vores interesse da materialet er så alsidigt, så at kunne arbejde med det og undersøge nogle af dets egenskaber på egen hånd tiltalte os begge. Denne rapport henvender sig til folk, som os selv, med interesse for beton, hvor fokus i dette projekt er rettet mod beton udsat for brand. Vi vil gerne benytte lejligheden til at takke følgende personer som har bidraget med vejledning og kundskab undervejs i projektet: Kurt Kielsgaard Hansen, DTU Byg, vejleder. Bjørn Johannesson, DTU Byg, vejleder. Kristian Hertz, DTU Byg, vejleder. Bent Grelk, Rambøll Danmark, ekstern vejleder. Rolf Henriksen, DTU Byg, værkstedsmedarbejder i betonstøberi. Ebba Cederberg Schnell, DTU Byg, laborant. Anja Margrethe Bache, DTU Byg, lektor. Lárus Helgi Lárusson, DTU Byg, Ph.d.-studerende. Samt flere ansatte ved DTU s værksted i bygning 119. iv

7 Indholdsfortegnelse Resumé... ii Abstract... iii Forord... iv Indholdsfortegnelse... v Tabelliste...vii Figurliste... ix 1. Indledning Problemformulering Afgrænsning Projektbeskrivelse Teori Omdannelser under brand Tyndslibsanalyse Mikroskopi Porøsitet og v/c-forhold Fibre Revner definitioner Tæt sort flint Calciumhydroxid Trykstyrke Rekylværdi Ultralydmåling Farve Klang Udstøbning Fremgangsmåde Resultater Recepter Sætmål Luftindhold Densitet Færdige prøver Diskussion Konklusion Metoder Langsom opvarmning Hurtig opvarmning Klang Ultralyd Trykstyrke Prøve til vandbad Eksikatorer Tyndslib...24 v

8 7. Hydratiseringsforsøg Fremgangsmåde Resultater Densitet Rekylværdi Trykstyrke Diskussion Konklusion Resultater langsom opvarmning Visuel inspektion og klang C C C Ultralyd Densitet Rekylværdi Trykstyrke Resultater hurtig opvarmning Visuel inspektion og klang C C Ultralyd Densitet Rekylværdi Trykstyrke Undersøgelse af mikrostruktur ved analyse af tyndslib Referenceprøver (beton ved 20 C) Beton opvarmet til 300 C Beton opvarmet til 600 C Beton opvarmet til 600 C og opbevaret i eksikator Beton opvarmet til 800 C og opbevaret i eksikator Sammenfatning Diskussion Forskel mellem langsom og hurtig opvarmning Ultralyd Densitet Rekylværdi Trykstyrke Revnedannelse, farve og klang Sammenligning af forskellige forsøg Ultralydsmålinger og rekylværdi v/c-forhold fra tyndslib og trykstyrke Procentvis reduktion af resultater Tyndslibsanalyse Termogravimetrisk analyse Konklusion Perspektivering Litteraturliste vi

9 Tabelliste Tabel 4.1. Fysiske og kemiske omdannelser i betonen Tabel 4.2. Farveskift for brandpåvirket beton med jernholdige tilslagsmaterialer (efter Hertz) Tabel 4.3. Klang for brandpåvirket beton (efter Hertz) Tabel 5.1. Recepter for beton med v/c-forhold 0, Tabel 5.2. Recepter for beton med v/c-forhold 0, Tabel 5.3. Målte sætmål for de forskellige recepter Tabel 5.4. Målt luftindhold i de forskellige recepter Tabel 5.5. Teoretisk og faktisk densitet af de fire recepter...19 Tabel 6.1. Influerende faktorer på prøvningsresultaterne Tabel 7.1. Prøvernes målte størrelser og masser efter opvarmning Tabel 7.2. Prøvernes målte rekylværdier efter opvarmning Tabel 7.3. Prøvernes målte trykstyrker efter opvarmning Tabel 7.4. Sammenligning af resultater fra hydratisering forsøg med referenceprøver Tabel 7.5. Trykstyrke af referenceprøver Tabel 8.1. Ultralydsmålinger...30 Tabel 8.2. Gennemsnitlige værdier af målte størrelser og masser Tabel 8.3. Gennemsnitlige rekylværdier Tabel 8.4. Gennemsnitlige trykstyrker Tabel 9.1. Ultralydsmålinger...33 Tabel 9.2. Gennemsnitlige værdier af målte størrelser og masser Tabel 9.3. Gennemsnitlige rekylværdier Tabel 9.4. Gennemsnitlige trykstyrker Tabel Syv tyndslib til mikroanalyse Tabel Ultralydsmålinger for langsom og hurtig opvarmning Tabel Målte størrelser og masser af betonprøver varmet langsomt og hurtigt op Tabel Målte rekylværdier ved de forskellige opvarmnings hastigheder Tabel Forskel på reference prøvers trykstyrke fra henholdsvis langsom og hurtig opvarmning..48 Tabel Forskel på prøvers trykstyrke, varmet op til 300 C, fra henholdsvis langsom og hurtig opvarmning Tabel Forskel på prøvers trykstyrke, varmet op til 600 C, fra henholdsvis langsom og hurtig opvarmning...49 vii

10 Tabel Forskel i revnedannelse ved langsom og hurtig opvarmning Tabel Forskel i klang ved langsom og hurtig opvarmning Tabel Forskel i farve ved langsom og hurtig opvarmning Tabel Sammenhæng mellem ultralydsmålinger og rekylværdi for langsomt opvarmede prøver Tabel Sammenhæng mellem ultralydsmålinger og rekylværdi for hurtigt opvarmede prøver.. 53 Tabel Vurdering af v/c-forhold ud fra lysstyrke af tyndslib Tabel Teoretiske trykstyrker for de vurderede v/c-forhold Tabel Resultater opnået ved langsom opvarmning i de forskellige forsøg Tabel Resultater opnået ved hurtig opvarmning i de forskellige forsøg Tabel De tilbageværende procentvise værdier ved de forskellige forsøg. Både resultaterne for langsom og hurtig opvarmning er angivet viii

11 Figurliste Figur 1.1. Typiske temperaturgradienter i beton udsat for en standardbrand (kilde: Rambøll) Figur 1.2. Eksempel på zonar opdeling i betonen under og efter et brandforløb Figur 4.1. Fremstilling af tyndslib (kilde: Rambøll ) Figur 4.2. Polarisationsmikroskop udstyret med flourescensmodul (kilde: Rambøll)...10 Figur 4.3. To standardprøver med kendt v/c-forhold, på henholdsvis 0,35 i prøven til venstre og 0,60 i prøven til højre (kilde: Rambøll)...10 Figur 4.4. Fiberholdig cementpasta. Til venstre set i parallelle nicoller, til højre set i krydsede nicoller (kilde: Rambøll)...11 Figur 4.5. Fine og grove revner kan ses i almindeligt lys med parallelle nicoller. Udsnit måler ca. 2,5 x 3,5 mm (kilde: Rambøll) Figur 4.6. Tæt sort flint i almindelig lys med henholdsvis parallelle (til venstre) og krydsede (til højre) nicoller (kilde: Rambøll) Figur 4.7. Calciumhydroxid ses ofte som pladeformede krystaller. Til venstre i parallelle nicoller, til højre i krydsede nicoller Figur 4.8. Karakteristiske eksempler på udvikling af styrke og stivhed for beton under brandpåvirkning. Kilde: Beton-Bogen (venstre), K. D. Hertz (højre)...13 Figur 4.9. Aflæsning af rekylværdi på Schmidt-hammer Figur Eksempel på diagram til vurdering af betonens styrke ud fra måling med ultralyd og betonhammer Figur 6.1. Opvarmningsforløb til de tre maks. temperaturer Figur 8.1. Prøve varmet op til 300 C. Mikrorevner bliver synlige ved vandpåførelse Figur 8.2. Prøve varmet op til 600 C. Revner er synlige og flere steder er betonen afskallet Figur 8.3. Prøve varmet op til 800. Hele strukturen er fyldt med revner og prøven falder fra hinanden Figur Mikrorevner i cementpastaen. Beton er ikke opvarmet. Udsnit ca. 2,0 x 2,8 mm i flourescens Figur Calciumhydroxid ses i vedhæftningsrevne. Beton er ikke opvarmet. Udsnit ca. 0,2 x 0,28 mm i parallelle nicoller Figur En fin revne løber forbi to luftporer efter en smeltet fiber. Beton er varmet op til 300 C. Udsnit ca. 0,6 x 0,75 mm i parallelle nicoller Figur Tæt sort flint kalcinerer. Beton er varmet op til 600 C. Udsnit ca. 2,0 x 2,8 mm i parallelle nicoller...40 Figur Gendannelse af calciumhydroxid er opstået lokalt. Beton er varmet op til 600 C. Udsnit ca. 2,5 x 3,5 mm i krydsede nicoller ix

12 Figur Grove revner er opstået. Beton er varmet op til 600 C og derefter opbevaret i eksikator. Udsnit ca. 2,0 x 2,8 mm i krydsede nicoller Figur Granit og grove revner. Beton er varmet op til 800 C. Udsnit 2,0 x 2,8 mm i fluorescens. 42 Figur Kalksten er intakt. Beton er varmet op til 800 C. Udsnit ca. 2,5 x 3,5 mm i krydsede nicoller Figur Ultralydsmålinger som funktion af den temperatur prøverne er varmet op til Figur Ændringen af densiteten som funktion temperaturen Figur Oversigt over opvarmede betoners trykstyrke afhængig af opvarmningshastig hed og v/cforhold Figur Opvarmningsforløb for beton kerner varmet op til 300, 600 og 800 C Figur Vægttabs- % for C 3 S Figur Vægttabs- % for C 2 S Figur Vægttabs- % for C 3 A x

13 Indledning 1. Indledning Dette projekt omhandler problematikken vedrørende brandskadede betonkonstruktioner, med særlig fokus på betonens omdannelser under en varmepåvirkning og efterfølgende vurdering af betonens mikrostruktur og kvalitet. Dette sker på baggrund af mikroskopianalyse af tyndslib samt prøvning af betonens fysiske egenskaber. Beton kan i sig selv ikke brænde, men varmepåvirkningen under et brandforløb forårsager fysiske og kemiske omdannelser i betonen. Dette kan have alvorlige konsekvenser for betonens struktur, såvel mikro- som makrostrukturen, og dermed også kvaliteten. De høje temperaturpåvirkninger giver umiddelbart anledning til bl.a. volumenændringer, afskalning, revnedannelser, forøget porøsitet og ændringer i mikrostrukturen. Efterfølgende vil betonen stå som et mere åbent materiale (pga. forhøjet porøsitet) der gør det nemmere for skadelige forbindelse at trænge ind, og dermed øge risikoen for korrosion af armeringen. I sidste ende kan det hele lede til en betydelig nedsættelse af betonens bæreevne og holdbarhed, og i værste tilfælde kan det medføre et kollaps af konstruktionen. Når en brand har huseret en bygningskonstruktion af den ene eller anden art, står man for det meste altid tilbage med et reparationsarbejde i et større eller mindre omfang. Vurderingen af skaderne på en beton som følge af en brand, sker ud fra både økonomiske og sikkerhedsmæssige aspekter. Det er naturligvis profitabelt at kunne afgrænse de skadeslidte områder præcist, for at mindske omfanget af reparationer, men samtidig skal det dog også sikres at man ikke efterlader beskadiget dele af betonen der kan udgøre en fare for konstruktionens bæreevne. Den generelle holdning i branchen er, at en normal beton der har været påvirket af temperaturer over ca. 300 C ikke vil være egnet til konstruktive formål. For en brandskadet betonkonstruktion er det derfor yderst vigtigt, at kunne fastlægge dybden, hvor netop denne temperatur er nået. Som et godt udgangspunkt for dette, er det vigtigt at være klar over, hvilke temperaturgradienter man typisk vil kunne komme ud for i forbindelse med en brand. Figur 1.1 viser et eksempel på sådanne gradienter. I det aktuelle tilfælde, er der tale om en standardbrand, som efter 60 minutter når op på ca. 950 C inden den slukkes. Som det ses på grafen, vil betonens temperatur blot 25 mm inde, kun nå op på ca. 425 C (knap halv så højt som på eksponeret overflade) efter ca. 70 minutters brand. At temperaturen ikke udvikler sig mere drastisk skyldes følgende. Beton nærer ikke ilden og afgiver ikke brandbare gasser. Den har stor varmekapacitet og en forholdsvis dårlig varmeledningsevne. Efter Figur 1.1. Typiske temperaturgradienter i beton udsat for en standardbrand (kilde: Rambøll). 1

14 Indledning brandpåvirkning i længere tid, sker der ofte det, at de yderste lag af betonen springer af som følge af trykket fra indespærret vanddamp. Dette åbner op for yderligere eksponering af den indre beton og øger dermed dybden af temperaturens påvirkninger. På baggrund af overstående, ønsker fagfolkene under inspektion og vurdering af en brandskadet bygning så mange oplysninger som muligt vedrørende brandens forløb, slukningsarbejdet og hvordan betonen har været påvirket. Brandvæsenet kan her være behjælpeligt med oplysninger om brandens varighed, udbredelse og slukningsarbejdet, men dette er naturligvis ikke tilstrækkelig til en samlet vurdering af konstruktionens fortsatte funktionsdygtighed. Derudover kan man også anvende beregninger og modeller baseret på standardbrande til vurdering af temperaturudviklingen i betonen. Vurderingen af betonens tilstand kan række fra uskadt konstruktion til totalskadet, der bør nedrives. Mellem disse yderpunkter vil der være en række tilfælde, hvor der er behov for reparation i større eller mindre grad. Afgørende for dette er en yderligere vurdering af: - Art og omfang af nedbrydninger i betonen. - Den maksimale temperaturbelastning, ikke mindst i armeringsniveauet. - Indtrængning af skadelige forbindelser i betonen. Til dette formål er der ofte behov for mere detaljerede undersøgelser af betonen. Ser man nærmere på beton der har været udsat for brand, vil man ofte opleve, at når man bevæger sig fra den eksponerede overfalde og ind, har betonen fået en zonar opbygning. Figur 1.2 er et tænkt eksempel, og viser en illustration af temperaturudviklingen, styrketabet og risikoen for indtrængning af skadelige stoffer, for de yderste 50 mm af en brandpåvirket beton. I zone A (0-20 mm) vil der ske store revnedannelser og evt. eksplosiv afskalning i det yderste lag. Tilsatte fibre smelter, og porøsiteten er meget høj. Konsekvensen er en stor trykaflastning. I zone B (20-30 mm) kan der endnu være gode fibre tilbage, men porøsiteten er stadig forhøjet, og styrken er stærkt reduceret. I zone C (30-50 mm) er der lav porøsitet. Det frie vand er fordampet til de ydre zoner. Figur 1.2. Eksempel på zonar opdeling i betonen under og efter et brandforløb. Eksemplet herover viser hvordan en zoneopdeling i en brandpåvirket beton typisk kan se ud. Til at undersøge disse forhold, anvendes ofte mikrostruktuelle analyser, hvor et meget populært redskab er tyndslib. Ved at analysere et tyndslib i mikroskop, registreres de mange omdannelser der er sket under og efter brandforløbet. De fysiske og kemiske reaktioner der er sket, er med til at indikere 2

15 Indledning hvilken maks. temperatur betonen har været varmet op til i det pågældende område. Reaktionerne sker nemlig ofte ved helt bestemte temperaturer, eller inden for et nærmere afgrænset temperaturinterval. På den måde kan de forskellige omdannelser opfattes som temperaturfølere i betonen, og man kan ud fra disse observationer optegne temperaturprofiler, som igen kan være afgørende for hvor dybt i betonen man vil lave reparationer. De store temperaturforskelle ( C) der kan være inden for meget små afstande (2-3 mm) gør dog, at det kan være svært at bestemme temperaturgradienterne præcist på baggrund af omdannelserne, hvis disse ikke nødvendigvis er at finde i det givne område. Det vil derfor være interessant at lave kontrollerede brandforsøg med beton, hvor prøver varmes op til en ensartet temperatur gennem hele tværsnittet. Ved efterfølgende analyse af tyndslib, vil det give gode muligheder for at afgøre, hvilke omdannelser der sker ved den aktuelle temperatur, eftersom hele tyndslibet viser beton der er varmet op til samme temperatur. Dette projekt handler om materialet beton og dets ændringer i mikrostrukturen og fysiske egenskaber i forbindelse med brand. Projektet tager ikke udgangspunkt i specifikke konstruktioner, men derimod er fokus rettet mod bestemte typer af beton. 3

16 Problemformulering 2. Problemformulering Formålet med dette projekt er at undersøge, hvordan betonens mikrostruktur og egenskaber ændrer sig som funktion af temperaturen ved henholdsvis langsom og hurtig opvarmning. Ved hurtig opvarmning tænkes der på en beton der er i direkte kontakt med brand, mens en langsom opvarmning skal illustrere den beton der, i en afstand fra branden, opvarmes af gasser, røgudvikling og lignende. Eksperimentelt set skal der laves forsøg med nogle betoncylindere af forskellige betonsammensætninger (forskellige v/c-forhold og med/uden plasticfibre), hvor det undersøges hvordan betonen opfører sig når den varmes op til forskellige høje temperaturer. Projektets omfang og afgrænsninger er beskrevet nedenfor. Efter betonen har været udsat for høje temperaturer undersøges følgende: Hvordan betonens mikrostruktur ændrer sig. Her vil tyndslib blive undersøgt og der fokuseres på revneomfang, v/c-forhold, tæt flint, granit og kvarts og hvordan disse forhold ændrer sig ved forskellige temperaturer. Hvordan betones fysiske egenskaber, såsom trykstyrke, ultralydshastighed, klang og farve, vil ændre sig som funktion af temperaturen? Er ændringerne i betonens mikrostruktur og i de fysiske egenskaber afhængig af, om betonen har været varmet hurtigt eller langsomt op? Har v/c-forholdet og/eller plasticfibrene nogen indflydelse på ændringer i mikrostrukturen såvel som de fysiske egenskaber? Gennem forsøg og analyser arbejdes mod at opnå større og bedre forståelse af ændringerne i betonens egenskaber, når den bliver udsat for høje temperaturer. Med forsøgsresultaterne redegøres for, hvilke karakteristiske ændringer der forekommer i betonen under opvarmning, og hvilke konsekvenser dette har for dens fysiske egenskaber. Med baggrund i dette opstilles nogle karaktertræk for de benyttede betonrecepter samt temperaturer, som kan benyttes i fremtiden til at vurdere en betons tilstand efter den har været udsat for brand. Mikrostrukturens ændringer vurderes ligeledes og er med til at opstille karaktertrækkene Afgrænsning Til forsøgene anvendes to forskellige v/c-forhold, 0,40 og 0,55, henholdsvis med og uden tilsat polypropylen fibre (PP-fibre), i alt fire blanderecepter. Størrelsen af de støbte beton cylindre er ø100 x 200 mm. Antallet af forsøg vil endvidere afhænge af de valgte maks. temperaturer som betonen varmes op til. I dette projekt er valgt følgende tre temperaturer: 300 C, 600 C og 800 C. Den langsomme og hurtige opvarmning vil foregå ved henholdsvis ca. 1 C/min og ca. 10 C/min. 4

17 Projektbeskrivelse 3. Projektbeskrivelse Der er i dette projekt udført en hel del forsøg som har dannet grundlag for det videre arbejde og analyser. Det følgende er skrevet for at give læseren et overblik over projektets forløb. Da der skulle laves mange forsøg med betoncylindre, skulle disse først støbes. Dette blev gjort i DTU s betonstøbekælder hvor der blev brugt en uge i starten af projektet til at støbe 120 betoncylindre. På daværende tidspunkt var det ikke helt klart hvor mange prøver der skulle bruges til de forskellige efterfølgende forsøg, så der blev lavet rigeligt for en sikkerheds skyld. Umiddelbart efter udstøbningen blev det diskuteret hvor mange prøver der skulle bruges til de forskellige forsøg og planlægningen til disse gik i gang. Ovnen, der skulle bruges til forsøgene med langsom opvarmning, blev undersøgt og testet med nogle test cylindre som var til overs i støbekælderen (ikke fra vores egen produktion). Efter 28 dages hærdning var betoncylindrene klar til forsøg. Forud for alle opvarmningsforsøg blev der målt ultralydshastighed på hver prøve der skulle bruges. Når betonprøverne havde været varmet op til henholdsvis 300 C, 600 C og 800 C, og var kølet ned igen, blev de taget ud af ovnen og fik lov til at stå i mindst en uge for at optage fugt fra luften. Enkelte prøver blev lagt i eksikator straks efter nedkøling, og fik derved ikke mulighed for at optage fugt. Efter nogen tid blev prøverne igen undersøgt, denne gang: størrelse, ultralyd, klang, visuel inspektion og til sidst trykstyrkeprøvet. Det var dog ikke alle prøver der blev brugt til styrkeprøvning, nogle skulle anvendes til tyndslib og blev derfor kørt til Rambøll som stod for dette. Der skulle ligeledes laves forsøg med hurtig opvarmning, og til dette blev brugt en ganske almindelig mikrobølgeovn. Det var nødvendigt her at udtørre alle prøverne inden, for at undgå eksplosive afskalninger i mikrobølgeovnen, og til dette blev brugt en stor grustørringsovn som befandt sig i DTU s betonstøbekælder. Her stod prøverne i flere uger ved 100 C for at tørre helt ud. Før de egentlige forsøg gik i gang blev der lavet testforsøg med overskydende cylindre (igen ikke fra egen produktion) for at få en idé om hvor lang tid hver prøve skulle varmes op. Ligesom ved forsøgene med langsom opvarmning blev alle prøver også undersøgt før og efter opvarmning, og her var der ligeledes prøver der blev kørt til Rambøll som skulle laves til tyndslib. Der blev produceret syv tyndslib som blev undersøgt hos Rambøll under et polarisationsmikroskop. 5

18 Teori 4. Teori I dette afsnit beskrives kortfattet den kendte teori inden for området beton og brand som har været aktuelt at undersøge i dette projekt, jf. rapportens indledning og problemformulering. Fokus er derfor rettet mod de områder af teorien der danner grundlag for forsøgenes formål og resultater samt diskussionen vedrørende disse. Den, i det følgende, beskrevne teori giver et billede af, hvad der kan forventes af forsøgs resultaterne, samt hvordan der kan drages sammenhæng mellem de fysiske og kemiske omdannelser i betonen sammenholdt med de resultatmæssige fremkomster af forsøgene. Følgende punkter omtales i dette teoriafsnit: Omdannelser under brand Under et opvarmningsforløb og ved en efterfølgende nedkøling vil der i betonen ske forskellige kemiske og fysiske reaktioner. Nogle af disse omdannelser sker ved helt bestemte temperaturer andre inden for et nærmere afgrænset temperaturinterval. Når man ved hvilke omdannelser der sker ved hvilke temperaturer, kan de, ved en nærmere undersøgelse af den brandpåvirkede beton, bruges som indikationer for hvilken temperatur den givne beton har været varmet op til. Tyndslib Tyndslib er et populært anvendt redskab til undersøgelse af en betons mikrostruktur. Ved at studere et tyndslib i mikroskop kan man observere og analysere sig frem til hvilke fysiske og kemiske omdannelser der er sket i betonen. Dette hjælper til med at bestemme dens kvalitet og bestemme hvilken temperatur betonen har været varmet op til i det givne område. Trykstyrke Som en naturlig konsekvens af de fysiske og kemiske omdannelser i betonen, vil dens egenskaber også ændre sig under forløbet. For de fleste betonkonstruktioner vil den mest betydningsfulde størrelse selvsagt være bæreevnen. I dette afsnit beskrives hvordan trykstyrken ændrer sig som funktion af temperaturen. Rekylværdi og ultralyd Til at bestemme betonens kvalitet og styrke kan redskaberne rekylværdi og ultralydsmåling anvendes. Dette er de såkaldte NDT-metoder (NDT = Non Destructive Testing), som ved en ikke-destruktiv prøvning kan hjælpe til at fastslå betonens aktuelle tilstand og give et billede af betonens styrkeforhold. Klang og farve En betons ændring i farve og klang er to termiske indikationer, der kan fastlægge en nærmere bestemt maks. temperatur som betonen har været udsat for. 6

19 Teori 4. 1 Omdannelser under brand Følgende er en samling af teorier, der beskriver hvilke omdannelser der forekommer i en beton under opvarmning til høje temperaturer, samt hvilke konsekvenser dette har for mikrostrukturen og betonens øvrige egenskaber. Afslutningsvis er de vigtigste af disse omdannelser opskrevet i et skema, jf. tabel 4.1, som funktion af temperaturen. Kildemateriale til dette afsnit er, foruden vidensdeling med projektets vejledere, følgende litteratur: (Aalborg Portland, 1985)(Strunge, Beton og brand, 1991)(Strunge, Concrete and fire - Determination of Temperature, 1995)(Jørgensen, Vurdering fa brandskader / 1, 1991)(Jørgensen, Vurdering af brandskader / 2, 1991)(Hertz, Betonkonstruktioners brandtekniske egenskaber, 1980)(Hertz, Brandpåvirkede betonkonstruktioner, 1981) Cementpastaen og tilslaget i betonen opfører sig væsentlig forskelligt under opvarmning. Porevandet, også kaldet det fysisk bundne og frie vand, fordamper ved ca. 100 C. Dette sker under dannelse af mikrorevner i cementpastaen. Ved yderligere opvarmning frigøres også vand, der er kemisk bundet til cementens hydrationsprodukter. Denne gradvise vandafgivelse får cementen til at krybe og der dannes svindrevner i pastaen. Mellem 400 og 500 C afgives der særligt meget vand. Herefter, over 500 C, er der afgivet så meget vand i cementpastaen, at varmeudvidelsen atter bliver dominerende. Jo mere vand cementen afgiver, desto større bliver porøsiteten. Dette medfører en nedsættelse af cementpastaens styrke og betonen mister gradvis sin matrix. Tilslagsmaterialerne og armeringsstålet udvider sig ved opvarmningen. De to fasers indbyrdes forskellige bevægelser bevirker, at der inde i betonen opstår store spændingsforskelle og revnedannelser til følge. De omtalte udvidelser og den omstændighed, at cementpastaen taber styrke ved afvandingen, bevirker, at betonens styrke og stivhed mindskes med øgende temperatur. Efter opvarmning til 800 C er betonen blevet så mør, at den kan smuldres med fingre. Tæt sort flint vil ved opvarmning skifte farve fra sort til grå og ved yderligere temperaturstigning til hvid hvor krystallerne ødelægges. Der udvikles karakteristiske mikrorevner i kornenes indre (flinten kalcinerer). Laboratorieforsøg har vist, at ændring i flintens farve og mikrostruktur først optræder ved opvarmning til over 400 C. Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ) spaltes til calsiumoxid (CaO), også kaldet brændt kalk, og vand (H 2 O) ved ca. 450 C. Ved senere optagelse af vand, gendannes calciumhydroxid som læsket kalk, men med en anden mikrostruktur, der i mikroskop let kan adskilles fra de oprindelige. Før opvarmning vil krystallerne som regel ligge jævnt fordelt i cementpastaen, og i eventuelle vedhæftningsrevner omkring tilslagene. Efter nedkøling og optagelse af vand, vil de nydannede krystaller ligge sig mere tilfældigt, typisk i de opståede revner. Granit og andre kvartsholdige tilslag har stor varmeudvidelse ved høje temperaturer. Her skal det specielt fremhæves, at kvarts undergår en omdannelse ved nøjagtig 573 C, hvor α-kvarts går over til β-kvarts ved en øjeblikkelig transformation. Processen medfører en ekspansion med stor revnetilbøjlighed og stort styrketab til følge. Processen er endvidere reversibel, hvilket betyder, at β- kvarts straks omdannes til α-kvarts når temperaturen igen er under 573 C, men de fysiske omdannelser i den omliggende cementpasta er blivende. 7

20 Teori Calciumkarbonat (CaCO 3 ), også kaldet kalksten, nedbrydes ved ca. 850 C. Ved brændingen uddrives kuldioxid (CO 2 ) af kalkstenen, og der dannes calciumoxid (CaO). Når betonen nedkøles, og på ny optager vand, vil den brændte kalk reagere med vand og der dannes calciumhydroxid, læsket kalk, under kraftig udvidelse og revnedannelse til følge. Kan man i betonen finde kalksten, viser dette, at temperaturen ikke har oversteget 850 C. I det karbonatiserede område, vil tilstedeværelsen af små krystaller af calciumhydroxid, være et tegn på at temperaturen her har været oppe på 850 C. Er der i betonen tilsat plastikfibre, og kendes de pågældende fibres smeltepunkt, kan denne relation udnyttes som en tydelig indikator for, om betonen har været varmet op til en højere temperatur end hvor fibrene smelter. Under og efter afkøling vil betonen forsat øge sit tab af styrke og stivhed. Dette skyldes bl.a. den nydannede læsket kalk, som bevirker volumenudvidelser og dermed nye indre spændinger og revner. Vandindtræningen tager tid, og gendannelsen af calciumhydroxid er en langsom proces. Efter et slukningsarbejde vil man, på brandstedet, i mange tilfælde kunne høre denne proces, ved at betonen knitrer fordi den eftergiver for de store indre spændinger. Først efter en uge eller mere, har betonen nået sin laveste styrke. Temperatur [ C] Reaktion Konsekvens 100 > 300 Porevandet begynder at fordampe. Dannelse af jernilte (rust) i jernholdige tilslagsmaterialer. Dette medfører større porøsitet og dermed mindre styrke. Dannelse af mikrorevner i cementpastaen. Cementpastaen slår mikrorevner omkring tilslaget. 374 > Vand når sit kritiske punkt, hvor det befinder sig i en fase midt mellem gas og væske. Kalcinering: Den sorte flint skifter farve fra sort til grå (senere hen til hvid). Der afgives særligt meget vand i dette interval Kan medføre eksplosive revnedannelser og afskalning. Karakteristiske mikrorevner i kornenes indre. 450 Calciumhydroxid bliver til brændt kalk. Store revnedannelser. > 500 Der er her afgivet så meget vand, at varmeudvidelsen atter bliver dominerende. α-kvarts omdannes til β-kvarts ved en Ekspansioner med revnetilbøjlighed og 573 øjeblikkelig transformation. styrketab til følge. Processen er reversibel, med blivende fysiske omdannelser i cementpastaen. 850 Omdannelse af calciumkarbonat Tabel 4.1. Fysiske og kemiske omdannelser i betonen. 8

21 Teori 4. 2 Tyndslibsanalyse Tyndslibets store fordel er, at man ved en mikrostruktuel analyse kan indsamle en masse informationer omkring betonens sammensætning, struktur og omdannelser, og derved tegne et billede af dens aktuelle tilstand. En sådan tyndslibsanalyse er en meget detaljeret metode til at vurdere de temperaturpåvirkninger betonen har været udsat for. Fremstillingen af tyndslib er en forholdsvis enkelt proces, jf. tabel 4.1. En udboret kerne fra den brandskadede betonkonstruktion, eller en anden beton prøve, udskæres til en mindre klods med målene 35 x 45 mm. Klodsen imprægneres med fluorescerende epoxy og monteres herefter på en glasplade. Prøven slibes ned til en tykkelse på blot 20 µm og beskyttes med et dækglas. Figur 4.1. Fremstilling af tyndslib (kilde: Rambøll ) Mikroskopi Tyndslib gennemlyses og undersøges i et polarisationsmikroskop. Tyndslibet observeres gennem to polariserende filtre (nicoller), siddende på hver side af objektbordet og tyndslibet. Kun lys der svinger parallelt med nicolleren går gennem filteret. Således vil der umiddelbart kun være lysgennemgang fra kilden til okularet, og gennem tyndslibet, når nicollerne står parallelt med hinanden. Står nicollerne derimod krydset i forhold til hinanden, kan der ikke gå noget lys direkte igennem dem. Polaroid benyttes til at forøge kontrast af strukturer, der udviser polarisationsafhængige egenskaber som dobbeltbrydning. Dette gælder bl.a. for krystaller, der i krydsede nicoller bryder lyset fire gange når tyndslibet drejes en omgang på objektbordet. På grund af betonens gennemsigtighed i tyndslib, vil materialerne i betonen fremstå med andre farver set gennem mikroskop, end man ser dem på makroniveau. Mikroskopet kan udstyres med et fluorescensmodul, jf. figur 4.2. Ved belysning gennem et blåt filter inden tyndslibet og derefter et gult UV-filter, vil epoxy som er trængt ind i revner og hulrum lyse op (fluorescere). Herved kan forekomst og fordeling af revner og porøsiteter studeres nærmere. 9

22 Teori Figur 4.2. Polarisationsmikroskop udstyret med flourescensmodul (kilde: Rambøll) Porøsitet og v/c-forhold Den fluorescerende epoxy vil i almindeligt lys (parallelle nicoller) have farven gul. Jo mere porøst materialet er, jo lettere kan epoxy trænge ind og farve betonen. Porøsiteten kan derfor vurderes ud fra omfanget af den gule farve. Mere nøjagtigt kan porøsiteten bestemmes ved at se på tyndslibet i fluorescens. Luftporer og revner indeholder ren epoxy, hvilket svare til en porøsitet på 100 %. Omvendt er stenmaterialet mørkt hvor porøsiteten er 0 %. Med det rette IT-måleudstyr kan man registrere mængden af fluorescerende epoxy, og derved bestemme porøsiteten meget nøjagtigt. Udover at imprægnere luftporer og revner bliver også kapillarporerne i cementpastaen imprægnerede ved processen. Denne imprægnering af kapillarporerne gør det muligt at bestemme v/c- forholdet af betonen ved at observere gennem fluorescensmodulet. En tæt beton med et lavt v/c-forhold virker mørk, mens en beton med højt v/c-forhold virker lys. Ved at bestemme farvenuancerne (lys-intensiteten) af cementpastaen og sammenligne denne med en række standardprøver med kendt v/c-forhold kan v/c-forholdet for den aktuelle prøve bestemmes, jf. figur 4.3. Figur 4.3. To standardprøver med kendt v/c-forhold, på henholdsvis 0,35 i prøven til venstre og 0,60 i prøven til højre (kilde: Rambøll) 10

23 Teori Fibre I mikroskop kan fibrene let genkendes i cementpastaen, jf. figur 4.4. I almindeligt lys (parallelle nicoller) er fibrene gråhvide, mens de i krydset nicoller bryder lyset, og de fremstår med flere farver (bl.a. rød, blå og grøn). Omfanget af fibre og deres fordeling i cementpastaen kan vurderes. Ved en dårlig blanding og vibrering af betonen, kan man risikere, at fordelingen ikke bliver homogen, og at fibrene i stedet klumper sammen. Dette kan medføre luftlommer ved fibrene og dermed en forhøjet porøsitet Revner definitioner Revnebilledet i beton beskrives med følgende tre størrelser: Grove revner > 0,10 mm Fine revner 0,01 0,10 mm Mikrorevner < 0,01 mm Figur 4.4. Fiberholdig cementpasta. Til venstre set i parallelle nicoller, til højre set i krydsede nicoller (kilde: Rambøll) Mikrorevner kan normalt kun ses i fluorescens, mens fine og grove revner kan ses i almindeligt lys med parallelle nicoller, jf. figur 4.5. Figur 4.5. Fine og grove revner kan ses i almindeligt lys med parallelle nicoller. Udsnit måler ca. 2,5 x 3,5 mm (kilde: Rambøll). 11

24 Teori Tæt sort flint Tæt sort flint ses som en hvid sten i almindelig lys med parallelle nicoller, mens man i krydsede nicoller kan fornemme de mange små sorte og lyse prikker af bittesmå kvartskrystaller som flinten består af, jf. figur 4.6. Figur 4.6. Tæt sort flint i almindelig lys med henholdsvis parallelle (til venstre) og krydsede (til højre) nicoller (kilde: Rambøll). Ved opvarmning ses det, at farven ændrer sig fra hvid til brun (kalcinering), og strukturen af mikrokrystallin kvarts ødelægges Calciumhydroxid Kendetegnene ved calciumhydroxid er ofte pladeformede krystaller, som er hvide i almindeligt lys, og viser stærke interferens farver (bl.a. røde, gule og blå) i krydsede nicoller, jf. figur 4.7. Figur 4.7. Calciumhydroxid ses ofte som pladeformede krystaller. Til venstre i parallelle nicoller, til højre i krydsede nicoller. 12

25 Teori 4. 3 Trykstyrke Det er helt naturligt og logisk, at betonens bæreevne bliver påvirket, af de omdannelser der sker som konsekvens af høje temperaturpåvirkninger. Hvor meget betonens styrke er reduceret, er et vigtigt spørgsmål i sammenhængen med brandskadet beton. Særligt dette forhold er afgørende for, om en brandskadet beton skal nedrives eller den kan bevares. Betons styrkeudvikling som funktion af temperaturen er i figur 4.8 vist ved to eksempler fra henholdsvis (Aalborg Portland, 1985) og (Hertz, Brandpåvirkede betonkonstruktioner, 1981). Figur 4.8. Karakteristiske eksempler på udvikling af styrke og stivhed for beton under brandpåvirkning. Kilde: Beton-Bogen (venstre), K. D. Hertz (højre) Begge eksempler antyder, at styrken falder jævnt indtil C hvor den er reduceret til ca. 85 %. Over 300 C falder styrken drastisk, og ved 600 C er den på et niveau omkring % af oprindelig styrke Rekylværdi En rekylværdi kan anvendes som et mål for betonens styrke. Til bestemmelse af rekylværdien anvendes en betonprøvehammer (Schmidt-hammer), hvorpå værdien kan aflæses, jf. figur 4.9. Metoden er en såkaldt ikke-destruktiv prøvning af betonen, da hammeren kun efterlader overfladiske skrammer. Hammerens stempel trykkes mod betonoverfladen. Når den indre fjeder er blevet sammentrykket et bestemt stykke, udløses den og slynger en stålklods tilbage mod stemplet. Herved overføres et slag til betonkonstruktionen med en fastlagt kraft, som herefter giver stålklodsen et tilbageslag. Dette tilbageslag kaldes også rekylen. Dens størrelse afhænger af betonens elasticitetskoefficient, indre dæmpning, fugtindhold og af konstruktionens stivhed. Metoden er standardiseret i DS

26 Teori Figur 4.9. Aflæsning af rekylværdi på Schmidt-hammer. Metoden er ikke beregnet til at erstatte den almindelige styrkeprøvning af beton. Betonens styrke kan dog groft skønnes ved brug af en Schmidt-hammer under forudsætning af, at værdierne er kalibreret mod beton med identisk sammensætning som det objekt, hvis styrke skal vurderes. Schmidt-hammeren kan derudover anvendes til undersøgelse af betonens ensartethed mht. styrke. Ved brug af hammeren over flere måleområder på samme konstruktion, vil afvigende kvaliteter give sig til udtryk i rekylværdierne. Således er metoden et godt værktøj og hjælp til afgrænsning af et brandskadet område i betonen Ultralydmåling Med ultralydsmåling kan man udnytte følgende sammenhæng mellem lydhastighed v, gennemgangstid t, tykkelse l, dynamisk elasticitetsmodul E dyn og densitet ρ: v = l t = E dyn ρ Denne sammenhæng gælder for længdesvingninger i lange, tynde konstruktionsdele. I andre tilfælde, fx målinger på vægge, afhænger lydhastigheden også af Poissons forhold: v = l t = E dyn ρ 1 ν 1 + ν 1 2ν Den dynamiske stivhed er en af betonens lydtekniske egenskaber. Dens indflydelse på lydmiljøet indgår derfor i udtrykket for lydhastigheden gennem beton. Den dynamiske elasticitetskoefficient vil typisk være MN/m 2 (20-40 GPa) (Aalborg Portland, 1985). Ultralydsprøvning åbner mulighed for kontrol af betonkvaliteten og kan også give en vis opfattelse om betonens styrkeniveau. Resultatet er dog noget afhængigt af betonens fugtindhold, som er mindre ved de høje styrkeniveauer. På samme måde som Schmidt-hammeren kan ultralydsprøvning anvendes til undersøgelse af betonens ensartethed, og kan hjælpe til afgrænsning af et brandskadet område. 14

27 Teori Prøvning af hærdnet beton af ukendt sammensætning og forhistorie er behæftet med så stor usikkerhed, at pålidelige styrkeresultater sjældent kan opnås. Styrkevurderingen kan dog forbedres ved at kombinere ultralydsmålingen med måling med Schmidt-hammeren. Figur 4.10 viser et eksempel på et diagram til vurdering af styrken af betonen ud fra måling med ultralyd og betonhammer. Figur Eksempel på diagram til vurdering af betonens styrke ud fra måling med ultralyd og betonhammer. Figur 4.10 giver erfaringsmæssigt en lav vurdering af styrken. 15

28 Teori 4. 6 Farve Under de høje temperaturpåvirkninger ved en brand vil mange betontyper ændre farve. Farveændringerne skyldes, at jernforbindelserne i tilslaget oxideres. Tilslagets art er derfor afgørende for ændringernes omfang. Således vil dansk beton med bakkematerialer ændre farve, mens beton med ikke-jernholdige tilslagsmaterialer, typisk sømaterialer, ikke ændrer farve. Er der jernforbindelser i tilslaget i en given betonkonstruktion, kan farveskiftet anvendes til vurdering af ødelæggelsernes omfang efter en brand. De typiske farveskift for beton med jernholdige tilslagsmaterialer er vist i tabel 4.2 (Hertz, Betonkonstruktioners brandtekniske egenskaber, 1980). Omslagstemperatur [ C] Farve Normal, grå Rosa, rødlig Grågrøn Brun Gul, brune pletter Tabel 4.2. Farveskift for brandpåvirket beton med jernholdige tilslagsmaterialer (efter Hertz). Som det ses i tabel 4.2, sker de første farveændringer omkring de 300 C, hvor betonen får en mere rødlig nuance. Eftersom denne temperatur normalt er kritisk for hvornår en beton er egnet til konstruktionsmæssige formål, kan man med rette sige, at al farvet beton bør hugges væk inden en reparation foretages. Da farveskift ikke altid forekommer, bør en brandhærget, ufarvet betons kvalitet naturligvis også undersøges ved andre metoder Klang Det er et kendt fænomen, at betonens klang kan ses som en entydig termisk indikator, i forbindelse med brandpåvirkede konstruktioner. Ifølge (Hertz, Brandpåvirkede betonkonstruktioner, 1981) kan følgende om betonens klang beskrives: I takt med den tiltagende sammenspænding af materialet ved opvarmning vil tonehøjden i betonens klang øges. De højeste frekvenser forekommer lige før mikrorevnedannelsen ved 300 C. Herefter aftager niveauet; men med en anden spektral fordeling end under opvarmningen, idet materialet nu består af dele med høj klang adskilt af revner. Hertz fortæller endvidere, at det ved flere lejligheder har været muligt at bestemme den maksimale temperatur, et materiale har været påvirket med, inden for 50 C ved hjælp af klangen alene. Netop derfor kan betonens klang være en vigtig indikator, og metoden er populært anvendt i branchen ved inspektion af betonkonstruktioner der har været udsat for brand. 16

29 Teori Sammenhængen mellem betonens klang og dens maksimalt udsatte temperatur, er ligeledes beskrevet i (Hertz, Brandpåvirkede betonkonstruktioner, 1981). Resultatet er vist her i tabel 4.3 Temperatur [ C] Klangbillede 100 Klinker 200 Porcelæn 300 Krystalglas 400 Almindeligt glas 500 Stentøj 600 Revnet tegl 700 Træ 800 Papmaché Tabel 4.3. Klang for brandpåvirket beton (efter Hertz). 17

30 Udstøbning 5. Udstøbning Før de egentlige forsøg blev udført blev de nødvendige prøver støbt. Følgende afsnit handler om hvordan udstøbningen foregik samt hvilke resultater der blev fundet frem til Fremgangsmåde For at kunne lave alle de ønskede forsøg var det først nødvendigt at støbe de nødvendige betonprøver. Dette blev gjort i starten af projektet således at prøverne havde tid til at hærde. Der blev udstøbt fire forskellige recepter, to med v/c-forhold 0,40 henholdsvis med og uden PP-fibre og to med v/c-forhold 0,55 henholdsvis med og uden PP-fibre. Forud for støbningerne skulle laves en betonproportionering for at bestemme de rigtige mængder materialer der skulle bruges til de forskellige recepter. Proportioneringen er vist i Bilagsrapporten afsnit 2. En betonblander med en kapacitet på 60 liter benyttes til selve blandingen af materialerne. Både før og efter blanding, bliver der lavet målinger på materialer (vandindhold i tilslag) og beton (sætmål og luftindhold) for at sikre at disse lever op til de forudsatte krav. Når betonen har den ønskede homogenitet fyldes den i forme som får lov til at stå i et døgn før de bliver afformet. Efterfølgende placeres kernerne i vandbad, for yderligere at hærde i mindst 28 dage hvorefter de vil være klar til at blive brugt til forsøg. Hele processen for udstøbningen samt kontrolmålingerne er beskrevet i Bilagsrapporten afsnit Resultater Forud for de endelige udstøbninger af betonkerner, blev udført nogle teststøbninger som skulle afgøre, om recepterne levede op til de forventede værdier mht. bearbejdelighed, luftindhold, sætmål og densitet. Da disse resultater var tilfredsstillende blev betonkernerne til projektet udstøbt. Resultaterne beskrevet i det følgende er dem opnået ved de endelige udstøbninger Recepter Ud fra Aalborg Portland metoden er der fundet frem til følgende fire recepter. Mængden af PP-fibre tilsat er sat til 0,1 volumen- % af satsstørrelsen. I disse recepter er der justeret for vandindholdet i tilslagene. v/c-forhold 0,40 Sats størrelse 60 liter PP-fibre Nej PP-fibre Ja Vand 10,877 liter Vand 10,892 liter Cement 26,250 kg Cement 26,250 kg Sand 44,096 kg Sand 44,081 kg Sten I 20,877 kg Sten I 20,877 kg Sten II 41,636 kg Sten II 41,636 kg PP-fibre 54,6 g Tabel 5.1. Recepter for beton med v/c-forhold 0,40. 18

31 Udstøbning v/c-forhold 0,55 Sats størrelse 60 liter PP-fibre Nej PP-fibre Ja Vand 10,880 liter Vand 10,873 liter Cement 19,091 kg Cement 19,091 kg Sand 52,164 kg Sand 52,170 kg Sten I 20,154 kg Sten I 20,154 kg Sten II 40,195 kg Sten II 40,195 kg PP-fibre 54,6 g Disse recepter gav følgende målinger. Tabel 5.2. Recepter for beton med v/c-forhold 0, Sætmål Der var beregnet et sætmål på mm ved proportioneringen. De faktiske sætmål blev målt til. Sætmålsundersøgelserne blev udført i henhold til DS Recept [v/c-forhold, fibre] Målt sætmål [mm] 0,40 uden PP-fibre 70 0,40 med PP-fibre 40 0,55 uden PP-fibre 75 0,55 med PP-fibre 40 Tabel 5.3. Målte sætmål for de forskellige recepter Luftindhold Betonen var proportioneret til at have et luftindhold på 1-2 %. Betonernes luftindhold blev målt til. Luftindholdet blev undersøgt i henhold til DS Recept [v/c-forhold, fibre] Målt luftindhold [%] 0,40 uden PP-fibre 1,00 0,40 med PP-fibre 1,80 0,55 uden PP-fibre 0,85 0,55 med PP-fibre 2,50 Tabel 5.4. Målt luftindhold i de forskellige recepter Densitet Den faktiske densitet ved udstøbningen blev ligeledes målt samtidig med at den teoretiske densitet blev beregnet ud fra recepterne. Densiteterne blev undersøgt i henhold til DS Recept [v/c-forhold, fibre] Teoretisk densitet [kg/m 3 ] Målt densitet [kg/m 3 ] Afvigelse [%] 0,40 uden PP-fibre ,26 0,40 med PP-fibre ,52 0,55 uden PP-fibre ,51 0,55 med PP-fibre ,72 Tabel 5.5. Teoretisk og faktisk densitet af de fire recepter. 19

32 Udstøbning Færdige prøver Efter afformning af kernerne, var der en del der var fyldt med luftbobler i den side der havde ligget opad under hærdningen. Derudover var der også nogle prøver hvor det var tydeligt at formene ikke havde været fyldt helt med beton. I siden der lå opad, i disse prøver, havde der været en stor luftansamling. Det var heldigvis kun i enkelte prøver dette var tilfældet Diskussion De fundne recepter har givet værdier som ligger inden for det forventede ved alle prøver, dog med undtagelse af sætmålene hvor der har været tilsat fibre. Her er sætmålet lavere end forventet. Fibrene må holde bedre sammen på den friske beton hvilket resulterer i det lavere sætmål. Dette må ligeledes være årsagen til at luftindholdet er højere i prøverne iblandet fibre. Fibrene virker til at holde luftboblerne fanget i betonen. Afvigelserne mellem de teoretiske og målte densiteter er så små at de kan tilskrives simple usikkerheder i betonsammensætningen. De prøver som var fyldt med luftbobler i siden der havde ligget opad har højst sandsynligt ikke været vibreret nok. Der blev heldigvis lavet flere prøver end der skulle bruges til alle forsøgene, så de prøver der ikke var pæne kunne frasorteres senere Konklusion Udstøbningen af betonkerner er forløbet i henhold til standardiserede metoder og resultaterne fra disse har været gode. Sætmål, luftindhold og densitet har alle ligget indenfor et interval som er acceptabelt, og årsagen til afvigelserne kan i alle tilfælde forklares. På trods af at nogle af prøverne ikke har været så pæne og velstøbte som man kunne have håbet på, var det ikke noget problem da der blev lavet ekstra prøver og derved kunne de grimme kerner undgås ved senere forsøg. 20

33 Metoder 6. Metoder Da der er lavet en del forsøg og delforsøg er der ligeledes en hel del fremgangsmåder at gennemgå. Fremgangsmåderne er beskrevet i udførlig grad fra Bilagsrapporten afsnit Langsom opvarmning Disse forsøg blev udført i en stor konvektionsovn hvor temperaturer på op til 1000 C var mulige. Ovnen er tidligere blevet brugt til den samme slags forsøg som dem der bliver udført i dette projekt, nemlig opvarmning af beton. I prøver fra virkelige brande er der kun små zoner på op til 3-4mm der har været udsat for en bestemt temperatur, hvorimod hele tværsnittet af prøverne fra alle disse forsøg vil have haft samme temperatur. Disse kontrollerede forhold vil give et bedre indblik i hvordan mikrostrukturen vil se ud efter opvarmning til bestemte temperaturer. Der blev lavet forsøg til tre forskellige temperaturer; 300, 600 og 800 C. Test forsøg viste dog at ovnens maks. temperaturen skulle sættes noget højere for at betonens temperatur skulle nå de ønskede højder. Derfor blev ovnen sat til at varme op til 315, 615 og 815 C, hvilket viste sig at give den ønskede temperatur i betonen. Hele processen for forsøgene til langsom opvarmning er beskrevet i Bilagsrapporten afsnit 3.2. Disse figurer giver et overblik over opvarmningstiden for de udførte forsøg. Figur 6.1. Opvarmningsforløb til de tre maks. temperaturer. 21