1 D5 8 Beton og brand Kristian Hertz, BYG - DTU Nedenfor behandles de processer, der kan optræde i konstruktionsbeton under brand, samt processernes materialemæssige forudsætninger. Fænomenet eksplosiv afskalning påpeges særskilt. Fremstilling af varmebestandig beton omtales kort. Egentlig brandteknisk dimensionering må søges i speciallitteraturen. Processer under brandpåvirkning Op til 300 0 C. Når beton opvarmes, vil tilslag, armering og cementpasta først udvide sig, og frit vand i porestrukturen vil koge og fordampe. Når temperaturen kommer over 150-200 ºC, vil krystallerne i cementpastaens kalciumsilikathydrater begynde at afgive vand. Denne proces har et lokalt maksimum ved 270 ºC, og den har til resultat, at cementpastaen svinder. Samtidig vil armering og tilslag fortsat udvide sig termisk. Derfor vil de fleste betonkonstruktioner blive gennemskåret af mikrorevner ved 300 ºC. Beton, som har været opvarmet til denne temperatur er skadet permanent, og bør fjernes efter en brand. Hvis den maksimale temperatur har været lavere, kan betonen genvinde sine oprindelige egenskaber efter brandpåvirkningen. Omkring 300 ºC vil visse jernilter skifte farve fra gul til rød. Hvis betonen er udført med tilslag, der har sådanne jernilter, kan en rød farve derfor vise, hvor betonen skal fjernes efter en brand. H 2 O Fig. 1 Nedbrydning af beton ved genlæskning af calciumhydroxid under og efter afkøling. Pilene viser vandindtrængningen. Op til 650 0 C. Øges temperaturen yderligere, vil calciumhydroxiden dekomponere til brændt kalk og vand Ca(OH) 2 CaO + H 2 O Denne proces forløber fra ca. 450 ºC til ca. 650 ºC og har et maksimum ved 535 ºC. Resultatet er et betydeligt svind i cementpastaen og deraf følgende store synlige revner og et kraftigt tab af trykstyrke, stivhed og varmeledningsevne. Efter en brand vil den brændte kalk genlæske, idet der optages vand fra luften, og der dannes nye calciumhydroxidkrystaller CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Disse krystaller vil imidlertid i vid udstrækning ikke placere sig på deres oprindelige pladser i strukturen, men i stedet dannes i mikrorevnerne, som de åbner yderligere under og efter afkølingen. Dette giver et yderligere tab af trykstyrke på op til 25 % i løbet af afkølingsfasen. For konstruktioner med store dimensioner kan denne proces tage flere dage, men den største effekt ser man i timerne efter en brand er slukket. Dette er en af flere årsager til, at en betonkonstruktion ofte er svagest i afkølingsfasen efter branden. (Fig. 1) Mineralet kvarts omdannes ved 573 o C fra α-kvarts (lavkvarts) til β- kvarts (højkvarts) under en betydelig volumenudvidelse, jf. fig. 2. Tilslag indeholdende dette mineral vil derfor bidrage yderligere til revnedannelsen, når denne temperatur nås.
2 Hvis beton opvarmes hurtigt, vil der ske et større styrketab ved temperaturer under 500 ºC og et mindre over 500 ºC. Dette skyldes, at materialet ikke får tid til at krybe omkring tilslagene ved de lave temperaturer, og at calciumhydroxiden ikke får tid til at dekomponere ved de høje [4]. Op til 800 o C. Når betonen opvarmes yderligere vil vandafgivelsen fra de hydratiserede calciumsilikater igen tage til og processen vil have et andet maksimum omkring 710 ºC. Herefter vil en almindelig konstruktionsbeton være totalt ødelagt. Efter en opvarmning til 800 ºC med tilhørende afkøling, vil materialet ofte kunne pilles fra hinanden med fingrene. Betonen er reduceret til en grusbunke, der evt. kan genanvendes som tilslag i ny beton. Højere temperaturer. Hvis man varmer videre op, vil feldspat smelte omkring 1150 ºC. Det, der er tilbage af klinkermineralerne, sintrer til en glasfase ved ca. 1200 ºC. Betonen kan her boble som et glasagtigt skum. Der kan læses mere om processerne i referencerne [1], [2] og [3]. Fig. 2 Længdeudvidelsen hos komponenterne i beton under opvarmning til brandtemperaturer. Efter [10]. Tilslagets indflydelse Fig. 2 viser længdeudvidelsen hos komponenterne i beton under opvarmning til brandtemperaturer. Det ses, at kvarts er det materiale, som udvider sig mest. Samtidig har kvarts en meget stor varmeledningsevne. Beton med kvartsholdigt tilslag vil derfor få de værste revnedannelser og største styrketab. Internationale normer for brand angiver ofte materialedata for disse betontyper, da det anses for at være på den sikre side i forhold til andre betontyper. Danske sø- og bakkematerialer er blandinger af mange forskellige bjergarter, hvoraf mange indeholder kvarts. Betoner med disse tilslag har nogenlunde de samme brandtekniske egenskaber, svarende til kurven for granitbeton på fig. 2. De betegnes her for hovedgruppen (main). Det ses
3 af figuren, at beton med tilslag af ren kalksten kan have en mindre længdeudvidelse end granitbeton. Ekspanderet ler og vulkanske tilslag anvendes i letklinkerbeton. Disse tilslag giver en noget mindre termisk udvidelse, hvorfor styrketabet ikke er helt det samme som for de tunge betoner. Letklinkerbetonerne har generelt en lav varmeledningsevne, men til gengæld har de også en lav massefylde, hvorfor temperaturen i konstruktioner af disse materialer ikke reduceres så meget i forhold til de tungere betoner, som man kunne forvente ud fra varmeledningsevnerne. Materialeparametre Betonens trykstyrke vil, som nævnt ovenfor, falde med temperaturen; den laveste værdi vil optræde efter afkølingen. Som en tommelfingerregel vil trykstyrken være reduceret til ca. halvdelen efter en opvarmning til 500 ºC for en almindelig konstruktionsbeton, jf. fig. 3. E-modulerne vil reduceres ca. som kvadratet på faldet i trykstyrken, dvs. når trykstyrken er halveret, bliver E-modulet en fjerdedel. Dette hænger sammen med, at tøjningerne bliver større for den samme spænding for en brandskadet beton. Desuden øges brudtøjningen. Varmeledningsevnen falder med temperaturen, idet materialet bliver mere porøst og gennemskåret af mikrorevner. Varmekapaciteten er nogenlunde uændret med temperaturen, hvis man ser bort fra effekten af det frie vand i systemet. Ved belastning under opvarmning kan en stor del af den termiske udvidelse blive hindret. Denne del betegnes transient tøjning og giver betydelige bidrag til tøjningsforløbet. Det er derfor helt afgørende, at de transiente tøjninger er indregnet korrekt, hvis man vil beregne bæreevnen af en ensidigt og evt. excentrisk belastet væg, en excentrisk belastet søjle eller en søjle med en brandpåvirkning, der ikke er ensartet på alle sider. Fig. 3 Trykstyrkereduktioner efter brand for beton med tilslag af: Hovedgruppen (Main) _._._._ Kvarts (Silic). Letklinker (Leight) Eksplosiv afskalning Eksplosiv afskalning er betegnelsen for et fænomen, hvor betonen sprænges i stykker under opvarmningen. Det har navnlig været observeret på våde betoner påvirket af hurtige brandforløb. Derfor er det ofte set i forbindelse med fuldskalatest, hvor en konstruktion, som er en måned gammel, påvirkes af en standardbrand, eller på konstruktioner på byggeplad-
4 ser, hvor nyudstøbte konstruktioner udsættes for brand i forskallingsbrædder osv. Generelt kan man sige, at traditionelle betonkvaliteter ikke vil afskalle, hvis de står i indendørs miljø, hvor deres fugtighed holdes under ca. 2.5 vægtprocent [7]. I de senere år er der imidlertid udviklet nye tætte betonkvaliteter med høj styrke, hvor porestrukturen er tætnet med partikler, der er mindre end cementkornene. Det kan eksempelvis være mikrosilika i højstyrkebetoner eller kalkfiller i selvkompakterende betoner. Omkring 1980 opdagede forfatteren, at disse betontyper har en langt større tilbøjelighed til at give eksplosiv afskalning end de traditionelle betontyper [5, 6]. Der observeredes således sprængninger for beton, som blev opvarmet med 1 ºC per minut til 350 ºC, dvs. særdeles langsom opvarmning og forholdsvis lav temperatur. Det står klart, at den ekstremt store tæthed er årsagen til dette fænomen, idet der opbygges damptryk på helt op til 250 atm. i materialet, der afstedkommer afskalningen, hvor damptrykkene, der forårsager afskalning i den traditionelle beton er på omkring 25 atm. Senere har forskningen i emnet ved DTU vist, at trykspændinger i overfladen eksempelvis fra hindret termisk udvidelse kan være en stærkt medvirkende faktor. Hvis man anvender beton tætnet med partikler mindre end cementkornene eller med større fugtighed, er der grund til at undersøge forholdene nærmere, hvis man vil undgå eksplosiv afskalning. Til det formål er der udviklet en prøvningsmetode ved DTU, hvor man ud fra test af standardbetoncylindre kan afgøre, om en given beton vil lide af eksplosiv afskalning [8]. I visse sammenhænge vil en armering med polypropylenfibre kunne forbedre en tæt betons egenskaber med hensyn til eksplosiv afskalning. Dosering og valg af fibertype kan ske i forhold til den omtalte testmetode. Varmebestandig beton I Rusland har man i over 100 år kunnet fremstille varmebestandige betontyper [3, 9]. Det har man gjort dels ved at anvende tilslag med lav varmeudvidelse, dels ved at sikre sig, at cementen binder af i mere varmestabile krystaller. Man har kunnet fremstillet betontyper, der kan bevare trykstyrken op til 1100 ºC. Denne teknologi har bl.a. været anvendt i sværindustrien. Den russiske udvikling af denne teknologi er nu truet, da de institutioner, hvor den har været forvaltet, er nedlagt efter liberaliseringen af landet. Forfatteren har studeret de russiske recepter. Ud fra disse er der med danske råmaterialer blevet fremstillet beton, der har kunnet bevare sin styrke op til 800 ºC. Forfatteren har også i udlandet hjulpet med fremstilling af varmestabile betoner med lokale materialer. Det er således en mulighed at designe en beton til at modstå høje temperaturer, hvis man har brug for det eksempelvis ved en brandteknisk dimensionering eller i industrielle anlæg. I de vestlige lande har man anvendt aluminatcement til at opnå varmestabilitet, men disse betontyper kan ikke tåle moderate varmegrader samtidig med fugt, og benyttes derfor ikke konstruktivt. Brandteknisk dimensionering
5 Det er absolut nødvendigt at designe en betonbygning for et fuldt udviklet brandforløb, der både vokser op og dør hen, hvis man vil sikre sig, at bygningen kan overleve branden. Hvis man ikke positivt ved, at en betonbygning er designet for hele branden, bør bygningen afspærres, så brugerne ikke går derind igen, før dens stabilitet er vurderet af ingeniører med kendskab til betonkonstruktioners dimensionering for fuldt udviklede brandforløb. Det er ikke nok at forlade sig på, at konstruktionerne i bygningen er godkendt ved en traditionel standardbrandprøvning, da man ved denne type prøvninger tillader aflastning, når branden er varmest, hvorfor man aldrig ser effekten af afkølingen. Anvisninger for brandteknisk dimensionering kan eksempelvis findes i [11]. Litteratur [1] K.D.Hertz: Concrete Strength for Fire Safety Design. Magazine of Concrete Research Vol.57, No.8, pp.445-453. Thomas Telford Ltd. October 2005. [2] K.D.Hertz: Betonkonstruktioners brandtekniske egenskaber. (Fire Properties of Concrete Constructions) Part 1 of Ph.D.-Thesis. Rapprort Nr.140. Instituttet for Husbygning DTH. Lyngby 1980. 210p. [3] K.D.Hertz: Reference List on Concrete Constructions Exposed to High Temperatures. Part 3 of Ph.D.-Thesis. Report No.141. Institute of Building Design, Technical University of Denmark. 1980. 63p. [4] K.D.Hertz: Residual Properties of Concrete Heated Rapidly. ACI American Concrete Institute, Special Publication SP-92, pp.143-152. Detroit 1986. [5] K.D.Hertz: Explosion of Silica-fume Concrete. Fire Safety Journal Vol.8, No.1, p.77. Elsevier Sequoia. Lausanne 1985. [6] K.D.Hertz: Danish Investigations on silica Fume Concretes at Elevated Temperatures. ACI Materials Journal. Vol.89, No.4. pp.345-347. American Concrete Institute, July-august 1992. [7] K.D.Hertz: Limits of Spalling of Fire-Exposed Concrete. Fire Safety Journal. Vol.38, No. 2, pp.103-116. Elsevier Science Ltd. 2003.
6 [8] K.D.Hertz and L.S.Sørensen: Test Method for Spalling of Fire Exposed Concrete. Fire Safety Journal Vol.40, No.5, pp.466-476. Elsevier Science Ltd. July, 2005. [9] K.D. Nekrasov: Hitzebeständiger Beton. Wiesbaden og Berlin, 1961. [10] A.D. Herholdt et al: Beton-Bogen, Aalborg Portland. Aalborg, 1985. [11] K.D.Hertz: Funktionsbaserede brandkrav til bygningskonstruktioner. Vejledning udarbejdet for Dansk Byggeri og Erhvervs- og Byggestyrelsen. Version 1-2, december 2005 eller senere.