Az alagúttüzek által okozott hősokk hatása a cementkő reziduális tulajdonságaira

Doktori kutatások a BME Építőmérnöki Karán 2007

1

Az alagúttüzek által okozott hősokk hatása a cementkő reziduális tulajdonságaira

Fehérvári Sándor Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Témavezető: Dr. Salem Georges Nehme A közúti és vasúti alagutakban az elmúlt két évtizedben bekövetkezett tűzesetek felhívták a figyelmet az alagúttüzek veszélyességére. A balesetek során bebizonyosodott, hogy a tűzeset során kibocsátott, gyorsan felhalmozódó, nagymennyiségű hő az alagút falazatának vasbetonjára káros hatással van. A tűztehernek hosszabb ideig ellenálló falazat tervezésekor elengedhetetlen az egyes alkotók hőmérséklettel és lökésszerű hőterheléssel (hősokk) szembeni viselkedésének megismerése. Cikkemben különböző összetételű cementköveken végzett hőterheléses vizsgálataink eredményeit értékeljük Kulcsszavak: alagút, tűz, tűzteher, cement, reziduális jellemzők, kohósalak, mészkőliszt

1. Bevezetés Modern életünk és társadalmunk mozgatórugója és létének alapja a megbízható, gyors és biztonságos közlekedési infrastruktúra, valamint a hatékony nagyvárosi tömegközlekedés. Az utóbbi évtizedek motorizációs robbanása és a népesség növekedése, urbanizálódása nyomán a közlekedési létesítmények terheltsége jelentősen emelkedett. A fejlődés elengedhetetlen velejárója a közlekedés alagútrendszerekbe történő kényszerítése. A zárt térbe, föld alá kényszerített forgalom biztonsági kockázatai jelentősen meghaladják a „nyitott” közlekedésre jellemzőket. Az üzemszerű működéstől eltérő viselkedés esetén mind az alagútban tartózkodókra, mind annak szerkezetére komoly fenyegetést jelent. Az utóbbi évek forgalomnövekedése, a sebesség növekedése az egyre hosszabb alagutak miatt az elmúlt évtized baleseti statisztikái, minden, a biztonságot fokozó intézkedés ellenére, növekednek.

2. Alagúttüzek A komoly katasztrófák ráirányították a figyelmet az alagútban keletkező tüzek által okozott hatások vizsgálatára, valamint a bent rekedtek túlélési esélyeinek és a szerkezet maradó biztonságának növelésére. A tűzesetek során keletkező füst kezelése és elvezetése külön tudományterületté nőtte ki magát a gépészet világában. A beépített oltó és szellőző-berendezések [2], valamint a füstáramlások vizsgálata elengedhetetlen a személyi sérülések számának mérséklése, a menekülő útvonalak helyes kialakítás érdekében [1]. A füstképeződéssel együtt nagy mennyiségű hő is felszabadul a baleset során. Ez hőmennyiség a falazatra is hat, abban anyagszerkezeti változásokat indukál, amely a szerkezet degradációjához,


2

tönkremeneteléhez vezethet. Az alagútfalazat szerkezeti anyagainak vizsgálata az elmúlt évtizedek egyik jelentős kutatási témája. A szerkezetet érő különleges hatások és nem az „anyag” eltérése okozza a kutatások ilyen elválását más hasonló, tűzterheléssel kapcsolatos kísérletsorozatokról. Mint látni fogjuk az alagúttűz hőfelhalmozódása jelentősen eltér a „szokványos” magasépítési tüzektől.

3. A tűzteher A szerkezeti anyag vizsgálatához elsősorban az azt érő hőterhelés jellegét és időbeli eloszlását kell ismernünk. Az alagúton áthaladó járművek ismeretében tervezés során egyenértékű hőterhet [7], illetve pl. metróalagutaknál egyedi hőterhelést is [1] meghatározhatunk. Európai szabványok is foglalkoznak a járművek égése során felszabaduló hőmennyiség csökkentésével [12]. Mindezen hőmennyiségek összegzésével illetve 1:1-es nagymodell-kísérletek segítségével Nyugat-Európa országaiban ún. tűzgörbéket dolgoztak ki. Amint az a 1. ábrán látható a feltűntetett „szabványos” magasépítésben használatos (ISO 834, BS 476:part 20, DIN 4102, AS 1530) hőmérséklet-idő görbéhez képest az alagúttüzek számára sokkal gyorsabban emelkedő és nagyobb maximális értékeket határoznak meg [6]. Jól látható, hogy a hőterhelés a tűz környezetének léghőmérsékletében lökésszerű. 5-10 perc szükséges az 1000 °C-os hőmérséklet kialakulására. Szabványos ISO Szénhidrogén (módosított) RABT-ZTV (közút)

Szénhidrogén RABT-ZTV (vasút) RWS, RijksWaterStaat

1400 1200

Hőmérséklet [°C]

1000 800 600 400 200 0 0

30

60

90

120

150

180

t (min)

1. ábra: Szabványos tűzgörbék; lég(gáz)hőmérsékletek a tűz környezetében[1] alapján A numerikus számítások és a nagyminta-kísérletek kiértékelés során természetesen születtek eredmények a léghőmérséklet keresztmetszeti eloszlására [3], ahol is a főte (az alagút „teteje”) környezetében összpontosul a legnagyobb hőmérsékletek izotermája [8]. Hasonlóképpen meghatározásra kerültek a hosszirányú eloszlások is [1] minden járműtípusra (közút, nagyvasút, földalatti vasút) külön-külön. Az izotermák eltérése kimutatható, ugyanakkor a „leghűvösebb” terület hőmérséklete is meghaladja a 600 °C-ot. A tűzvédelmi tervezés során mindazonáltal a legnagyobb hőmérséklet kell a falazat tervezésénél figyelembe venni.

4. Alagúti vasbetonfalazatok viselkedése tűz esetén A hatások ismeretében nyílik lehetőségünk a műtárgy szerkezetének és a benne lévők épségének megóvását szakszerű tűzvédelmi tervezéssel elvégezni. A tűvédelem többtényezős rendszerének


3

egyik, jelentős ága a szerkezet védelme. Ennek keretében kell biztosítani a tűz alatt és után is jelentős terheket viselő műtárgyszerkezet állékonyságát. Ehhez mind a szerkezetet hűtő aktív védelmi berendezések (pl. vízködoltók), a szerkezetre felhelyezett védőbevonatok [1] valamint a szerkezet anyagának tűzállósága hozzájárul. Ahhoz hogy a szerkezeti anyagra gyakorolt hatást minél hatékonyabban mérsékelhessük, pontosan meg kell, hogy ismerjük a beton és vasbeton hő hatására bekövetkező fizikai és kémiai változását.

5. A betonfalazat tűzállósága A vasbeton-szerkezetű alagútfalak tűzállóságának vizsgálatakor a beton és a betonacél anyaga és a köztük lévő tapadás viselkedése külön-külön is döntő jelentőségű a falazat teherbíróképességének szempontjából. A szokványos betonacélok szilárdsága hő hatására cca. 400 °C-os környezetben rohamosan csökkeni kezd. A szilárdság degradációja 800 °C-on már közel 90%-os [11]. A beton és a betonacél közötti tapadás kimerülése cca. 600-700 °C hőmérsékleten következik be. Mivel ezeken az anyagtulajdonságokon technológiai eszközökkel nem vagy csak minimális mértékben tudunk változtatni, a vasbeton-szerkezetek védelme érdekében elsődleges fontossággal bír az acélbetétek magasságában jelentkező hőmérsékletek minél hatékonyabb csökkentése. Ennek egyik lehetséges módja tűzvédő (hővédő) bevonatok alkalmazása, míg a másik magának a beton anyagának a tűztűrővé tétele. Utóbbi esetben a betonfedést, mint hőszigetelő közeget felhasználva, a gyakorlatban alkalmazott 40-50 mm-es betonfedést feltételezve jelentős hőszigetelő hatást ér el [7]. A betonfedés betonjának a pontos megismerése, a benne lezajló fizikai és kémiai változások tanulmányozása segítheti a betonfedés tűzállóságának a fejlesztését. A hőmérséklet emelkedésével először a betonban lévő kötetlen és fizikailag kötött víz távozik. Ehhez járul kb. 150 °C-on az alkotók ettringit (cementkémiai jelöléssel: C3 A  3Cs  H 32 ) valamint a monoszulfát ( C3 A  Cs  H12 ), a Ca(OH)2 dehidratációja (400°C)., valamint a CaCO3 hőbomlása (800°C). 850-900 °C-os hőmérsékleten a beton alkotóelemeiben (pl. CSH) még meglévő hidrátvizek és felszabadulnak [4]. A beton belsejében kialakuló magasnyomású gőz és gáz elvezetésére nincs lehetőség és a pórusrendszerrel a felszínnel már nem közvetlen összeköttetésben nem lévő rétegekben egy ún. vízgőz gát keletkezik (2. ábra). A zóna nyomása kiegészülve a kvarc 575 °C-on bekövetkező térfogat-növekedésével [10] a felületi rétegeket lefeszítheti, lehámlaszthatja, létrehozva az ún réteges leválás, spalling jelenséget (3. ábra).

1.

párolgása nyílt pórusokon 2. keresztül

vízgőz feldúsulása a betonszerkezetben

3.

párolgás teljes lezárása a feldúsult „vízgőzgáttal”

gőznyomás következtében létrejövő réteges leválás

4.

gőz hő

2. ábra: Betonfelület réteges leválásának folyamata Blennemann és Girnau [1] szerint A réteges leválás jelenségében rejlő legnagyobb problémát és veszélyt a leválással együtt bekövetkező betonfedés-csökkenés jelenti, mivel a betonfedés a „szokásos” feladatán kívül tűz esetén az acélbetét hőszigetelésének szerepét is betölti. Azonban a réteges leválás jelensége miatt


4

bekövetkezik a betonfedés csökkenése illetve eltűnése, amint azt a 4. ábrán bemutatom. A betonacélok felszínre kerülése az acél szilárdsági tulajdonságainak jelentős csökkenését illetve megszűnését eredményezi tűz esetén. A beton nyomószilárdságának változása is követi a hőmérséklet-eloszlási görbe alakulását. A tűzzel érintkező felületen a nyomószilárdsági értékek lecsökkenek (5. ábra). Kvarc alapú adalékanyag

100%

Mészkő alapú adalékanyag

80% 60% 40% 20% 0% fc,q/fc 0

3. ábra: Betonfelület réteges leválása [9]

4. ábra: Betonfelület és felszínre került vasalás a Csatorna Alagútban kitört tűz után [1]

400

800 T (°C)

1200

5. ábra: Beton relatív szilárdságának változása a hőmérséklet függvényében [11]

6. Cementkő tulajdonságaink kísérleti vizsgálata A cementkő tulajdonságainak megváltozását vizsgálta a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék laboratóriumában lefolytatott kísérletsorozatom. A kísérletek célja, hogy meghatározza a cementkő fizikai és mechanikai paramétereinek megváltozását hőterhelés hatására. 6.1 Kísérleti receptúrák Vizsgálataim során először az eltérő őrlésfinomságú portlandcementek viselkedését tanulmányoztam. Felhasznált cementek: CEM I 52,5 R (fehércement); CEM I 42,5 R és CEM I 32,5 RS. A víz/cement tényezőt minden esetben 0,3-ban határoztam meg. A bedolgozhatósághoz szükséges konzisztenciát Glenium 51 folyósító adagolásával értem. Az adagolás mértéke 0,4 m% a cement tömegére vonatkoztatva. A kiegészítő anyagok vizsgálatánál egységesen CEM I 32,5 RS jelű cementet alkalmaztam. Kiegészítő anyagként mészkőlisztet és kohósalakot adagoltam. Az adagolás során a cement tömegének 20%-35%-45%-60%-át helyettesítettem kiegészítő anyaggal. A vízadagolást minden esetben a finomrész tömegének 30 m%-ban határoztam meg (tehát a portlandcementre vetített víz/cement tényező rendre 0,375; 0,462; 0,545 ill. 0,750 értékre módosult). 6.2 Kísérletek A cementkő reziduális, maradó jellemzőinek meghatározására 30 mm élhosszúságú kockákat készítettem. A kockákat egy napos korig sablonban, egy hetes korig víz alatt tároltam. Egy hetes kortól a vizsgálat időpontjáig laborlevegőn tartottam a próbatesteket. A vizsgálatokra a próbatestek 28 napos korában került sor. Először meghatároztam a hőterhelés előtti tömeget és geometriai méreteket, majd az adott hőmérsékletű elektromos fűtésű kemencébe helyeztem a próbatest sorozatot. Az egységesen 120 percig tartó hőterhelés után a kemencéből


5

kivéve laborlevegőn tároltam a próbatesteket, majd a teljes kihűlés után ismét meghatároztam a tömegét és a geometriai méretét. Ezt követően eltörtem a próbatesteket. Az így kapott eredményeket dolgoztam fel. A kísérletsorozat során minden receptúrából 120 db-os sorozatot készítettem, amit laborlevegőn (20 db.) illetve 10 hőlépcsőn terhelve (50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750 és 900 °C) 1010 db.-os sorozatokkal határoztam meg a reziduális jellemzőket, melyeket a laborlevegőn vizsgált duplasorozat értékeivel hasonlítottam össze. Fontos megjegyezni, hogy minden hőlépcsőnél a kemence hőmérsékletét először az adott hőmérsékletre fűtöttem és csak ennek az elérése után kezdtem meg a hőterhelést, így biztosítva az alagúttüzek által okozott hősokkhoz hasonló hatást. 6.3 Előzetes vizsgálatok A tömegváltozás kalibrálására elvégeztem a vizsgált jellemzőkkel készült cementkő derivatográfiás vizsgálatát amelyből megállapítható, hogy a 120 próbatesten, 11 lépcsőben meghatározott maradó tömegek jól közelítik az egy mintán meghatározott detrivatográfiás eredményeket. Amint az a 6.-7. ábrákon látható a két görbe mind jellegében mind numerikus értékeit tekintve, a mérések különbözőségének figyelembevételével, kellő egyezést mutat. 100% 95%

CEM I 42,5 DTG vizsgálat

CEM I 32,5 30 mm élhosszúságú kockákon mérve

90%

Maradó relatív tömeg

Maradó relatív tömeg

100%

CEM I 32,5 DTG vizsgálat

85% 80%

95% CEM I 42,5 30 mm élhosszúságú kockákon mérve

90% 85% 80%

75% 70%

75% 0

200

400 600 Hőmérséklet [°C]

800

1000

0

6. ábra: CEM I 32,5 RS cement maradó tömegének derivatográfiás kalibrálása

200

400 600 800 Hőmérséklet [°C]

1000

7. ábra: CEM I 42,5 R cement maradó tömegének derivatográfiás kalibrálása

6.4 Eredmények értékelése 6.4.1 Portlandcementek vizsgálata Tömegcsökkenés Kísérleti eredményekből megállapítható, hogy őrlésfinomságtól függetlenül a tiszta portlandcement tömege hőmérséklet hatására azonos jelleggörbe szerint csökken (8. ábra). Jól megfigyelhető a fizikailag kötött víz felszabadulása 50-100 °C-ok környezetében, az ettringit és a monoszulfát vízvesztése 150-200 °C –on valamint 400 °C után a Ca(OH)2 hőbomlása során keletkező tömegveszteség. Térfogatváltozás A térfogatváltozás pontos meghatározását nehezíti, hogy a minták közül több berepedt illetve felrobbant a vizsgálat során. Ezért csak a kb. 400 °C-ig tartó tartományban kaphatunk valós eredményeket a 15. ábra vizsgálatakor. Látható, hogy a térfogatcsökkenés 400 °C-ig cca. 4%-os.

5


6

Szilárdság változása A szilárdság változásának bemutatására két módszert alkalmazható. Lehetőség van a szilárdság abszolút értékben történő ábrázolására, ekkor a valós viselkedést láthatjuk, míg a 20 °C-os etalonhoz értékéhez számított relatív érték meghatározásával a tendenciák válnak követhetővé, valamint az egyes sorozatok jobban összehasonlíthatóak. A két ábrázolási mód követhető végig a 10. és 11. ábrákon.

0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

-2% 0

-5% CEM I 52,5 R -10%

CEM I 42,5 R CEM I 32,5 RS

-15% -20%

100 200 300 400 500 600 700 800 900

-4% -6% -8% -10%

CEM I 52,5 R

-12%

CEM I 42,5 R

-14%

CEM I 32,5 RS

-25% -30%

-16%

8. ábra: Tiszta Portlandcementek relatív tömegvesztesége

9. ábra: Tiszta Portlandcementek térfogatváltozása

120

140%

100

120%

Relatív nyomószilárdságok (20 °C-os etalonhoz viszonyítva)

Nyomószilárdság [MPa]


0%

Térfogatváltozás

Relatív tömegcsökkenés (20°C-os etalonhoz viszonyítva)

2%


0%

80 60 40 CEM I 52,5 R CEM I 42,5 R CEM I 32,5 RS

20 0 0

100% 80% 60% 40% CEM I 52,5 R CEM I 42,5 R CEM I 32,5 RS

20% 0% 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet [°C]

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet [°C]

10. ábra: Tiszta Portlandcementek maradó 11. ábra: Tiszta Portlandcementek maradó nyomószilárdságának változás nyomószilárdságának relatív változás A görbék elemzése során megállapítottam, hogy az 50 °C-os próbatesteken mért szilárdság jellemzően magasabb, mint az etalon sorozatokon mért, kiinduló érték. Ezt követi a szilárdság visszaesése 80-100%-os szintre a 100-150 °C-os tartományban, majd ismét egy jelentős emelkedés, aminek tetőpontját mindhárom esetben a 300 °C-os sorozaton mért szilárdsági értékek jelentik. Ennek oka az elbomló ettringit és monoszulfát helyét kitöltő CSH kristályok szilárdságnövelő hatásában keresendő. Mindhárom eredménygörbe a 400 °C után folyamatosan veszíti el maradó szilárdsági értékeit. A lefutásbeli különbözőséget az őrlésfinomsággal összefüggő tömörségi viszonyok befolyásolják. A legdurvább őrlésű CEM I 32,5 RS cement degradációja a leglassabb, cca. 700 °C környezetében metszi az 50 %-os szilárdságértékhez tartozó egyenest. A legmagasabb kísérleti hőmérsékleten, 900 °C-on mért eredmények ugyanakkor hasonló, cca. 20%-os maradó szilárdsági értéket mutatnak. Kísérleti eredményeim alapján megállapítottam, hogy a tiszta portlandcementek tűzterheléssel szembeni ellenálló képessége 400°C-ig – biztonság javára történő közelítéssel – 90-100 %-osnak tekinthető. Ezt követően a maradó szilárdsági értékek cca. 700 °C-ig még elfogadhatóak. Ugyanakkor az ennél magasabb hőmérséklettel terhelt próbatestek szilárdsága már jelentősen

6


7

kevesebb mint a kiindulási érték, ami a szerkezet szempontjából lokális (spalling jelensége) és globális (szilárdsági tönkremenetel) degradációhoz vezethet. 6.4.2 Mészkőliszt tartalmú keverékek vizsgálata A mészkőliszt adagolásával egy alapvetően inertnek tekintett anyaggal helyettesítettem a cementtartalmat. A CaCO3 hőbomlási tulajdonságainak ismeretében a mészkő bomlásáig a keverék viselkedését tehát, mint növekvő víz/cement tényezőjű pép viselkedését vártam. Azt követően számítani lehetett a mészkő kiégésére és ezáltal a tulajdonságok jelentős, hirtelen változására. A vizsgálat eredményei igazolták feltételezéseimet. A vizsgálati eredménysorok kiértékelése során minden esetben az aktuális ábrán közlöm a mészkőliszt adagolás nélküli CEM I 32,5 RS cementpépen mért referenciaértéket is. Tömegcsökkenés A sorozatok vizsgálata során, várakozásaimnak megfelelően, a tömegcsökkenés követte a mészkőliszt tartalom változásából járó hatásokat. A 12. ábrán látható, hogy az eredeti, referenciagörbéhez képeset mind kisebb tömegveszteségeket szenvedett a minta a 20-750 °C-os tartományban. Ugyanakkor a CaCO3 CaO-dá történő alakulásának hőmérsékleti tartományában annál nagyobb lett a tömegveszteség. Ezzel párhuzamosan, ahogy az a tömegcsökkenési adatokból megállapítható, a felszabaduló CO2 mennyisége is jelentősen megnőtt. Térfogatváltozás A térfogatváltozás mérése során az 6.4.1 pont vonatkozó megfigyeléseit is helytállóan találtam. Megállapítottam, hogy 400 °C-os tartományig a térfogat 2-4%-ot csökken. A 400 °C feletti tartományban a próbatestek repedései, törései a pontos térfogat-meghatározást megnehezítették. A 13. ábrán jól látható ugyanakkor, hogy a mészkőliszt tartalom növekedésével a térfogatveszteség csökkent, sőt térfogat-növekedésbe csapott át. A nagy mészkőliszt tartalmú próbatestek 900 °C-on történő égetése során megfigyelhető volt, hogy a próbatestek a hőterhelést követő 2 napon belül, laborlevegőn való tárolás során szétestek. Ennek oka a CaO levegő páratartalmának hatására történő átalakulása Ca(OH)2-dá, amely folyamat cca. 2-2,5-szeres térfogat-növekedéssel jár. Ekkor a térfogat és a szilárdság megállapítása okafogyottá vált.

0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

5%

-10%

Térfogatváltozás


-5%

10%


0%

-15% -20% -25% -30% -35% -40%

CEM I 32,5 RS ref. 20% mészkőliszt 35% mészkőliszt 45% mészkőliszt 60% mészkőliszt


0% 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

-5%

-10%

-15%

CEM I 32,5 RS ref. 20% mészkőliszt 35% mészkőliszt 45% mészkőliszt 60% mészkőliszt

12. ábra: Mészkőliszt tartalmú keverékek 13. ábra: Mészkőliszt tartalmú keverékek tömegcsökkenése térfogatváltozása Szilárdság változása A szilárdság változását szintén a már ismertetett két módszer szerint ábrázolva látható a 14-15. ábrákon. Megfigyelhető a mészkőliszt adagolással párhuzamosan a szilárdsági értékek csökkenése, ami a víz/cement tényező növekedésének hatása. Az adagolás növelésével ugyanakkor már a görbe lefutása is megváltozik. Az eredménygörbékből látható, hogy a tiszta 7


8

portlandcementeknél, 300 °C környezetében tapasztalható szilárdsági maximumok eltűnnek, a görbe ellaposodik, monoton csökkenővé válik. A relatív szilárdságok alakulásának vizsgálatakor megállapítottam, hogy a mészkőliszt adagolásával a kiindulási értékhez viszonyított szilárdságok is jelentősebben csökkennek. Mindezeken túl a nagy mészkőliszt adagolásnál megfigyeltem a fent már említett spontán szétesés jelenségét is. Kísérleti eredményeim alapján a cementpép szilárdságára és a szilárdság változásának tendenciájára kedvezőtlenül hat, ha azonos víz/finomrész tényező mellett a cementtartalmat mészkőliszt tartalommal helyettesítem. Heterogén cementeknél a hősokk-tűrés szempontjából kísérleteim szerint max. 20 tömeg% mészkőliszt adagolása megengedhető. 140% Relatív nyomószilárdságok (20 °C-os etalonhoz viszonyítva)

Nyomószilárdság [MPa]

100 80 60 40 20 0 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet [°C] CEM I 32,5 RS ref. 20% mészkőliszt 35% mészkőliszt 45% mészkőliszt 60% mészkőliszt

120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet [°C] CEM I 32,5 RS ref. 20% mészkőliszt 35% mészkőliszt 45% mészkőliszt 60% mészkőliszt

14. ábra: Mészkőliszt tartalmú keverékek maradó nyomószilárdságának változás

15. ábra: Mészkőliszt tartalmú keverékek maradó nyomószilárdságának relatív változás

6.4.3 Kohósalak tartalmú keverékek vizsgálata Kohósalak adagolásakor a rendszerbe egy reagens, nagy őrlésfinomságú anyagot jutattam be. A finom szemcséjű kohósalak adagolásával a cementkő tömörsége növelhető. Ezzel párhuzamosan a reakcióképes kohósalak szilárdságnövelő hatása (azonos v/c tényező mellett) is ismert. Vizsgálataimat ebben az esetben is ugyan azokkal a paraméterekkel és állandókkal végeztem mint mészkőliszt adagolás esetén. Az eltérő viselkedésű kiegészítő-anyag hatása azonban lényegesen különbözött a mészkőliszt adagolású sorozatokétól. A kohósalak hőterhelés (ISO tűzgörbe alapján) során tapasztalt kedvező hatásait Lublóy és Balázs [5] tanszéki vizsgálatai már igazolták. A vizsgálati eredménysorok kiértékelése során most is az aktuális ábrán közlöm a kohósalak adagolás nélküli CEM I 32,5 RS cementpépen mért referenciaértéket is. Tömegváltozás A vizsgált 4 db., eltérő kohósalak adagolású sorozaton elvégzett vizsgálatok után a próbatesteken mérhető tömegcsökkenés mértékét mutatja a 16. ábra. Megállapítható, hogy a kohósalak adagolásával a tömegcsökkenés, tehát a felszabaduló gázok mennyisége csökken. A csökkenés azonban minimális, mintegy 4%. A felszabaduló gázok csökkenésének pozitív hatását rontja a szerkezet tömöttségéből származó gázáteresztés-csökkenés. Térfogatváltozás A 17. ábrán megfigyelhető a sorozatok térfogatváltozása. A mérést ebben az esetben is nehezítette a próbatestek egy részének robbanása. Ugyanakkor az épen maradt próbatestek kevés repedést mutattak és térfogatuk jól megállapítható volt. A vizsgálat során megállapítottam, hogy a kohósalak hatására a heterogén cementpép térfogata kisebb mértékben csökken, mint a referenciaértékként szolágáló tiszta portlandcement azonos értékei. Az eltérés a végértéknél már közel 6 térfogat%-os. 8

Doktori kutatások a BME Építőmérnöki Karán 2007 2%


0% 0 -5%

-2% 0

-10% -15% -20%

100 200 300 400 500 600 700 800 900

-4% -6% -8%

-10%

-25% -12% -30% CEM I 32,5 RS ref. 35% kohósalak 60% kohósalak

CEM I 32,5 RS ref. 35% kohósalak 60% kohósalak

-14%

20% kohósalak 45% kohósalak

-16%

16. ábra: Kohósalak tartalmú keverékek tömegcsökkenése

20% kohósalak 45% kohósalak

17. ábra: Kohósalak tartalmú keverékek térfogatváltozása 140% Relatív nyomószilárdságok (20 °C-os etalonhoz viszonyítva)

100 Nyomószilárdság [MPa]


0%

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Térfogatváltozás


9

80 60 40 20 0 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet [°C] CEM I 32,5 RS ref. 20% kohósalak 35% kohósalak 45% kohósalak 60% kohósalak

120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Hőmérséklet [°C] CEM I 32,5 RS ref. 20% kohósalak 35% kohósalak 45% kohósalak 60% kohósalak

18. ábra: Kohósalak tartalmú keverékek 19. ábra: Kohósalak tartalmú keverékek maradó nyomószilárdságának változás maradó nyomószilárdságának relatív változás Szilárdság változása A térfogat és tömegváltozások tekintetében, az előbbiek alapján kis mértékben kedvező tulajdonságokat mutattam ki. A maradó nyomószilárdságok vizsgálatakor ugyanakkor jelentős eltéréseket tapasztaltam a mészkőliszt-adagolású sorozatok eredményeihez képest. Ahogy az a 18-19. ábrákon látható, a maradó szilárdságok abszolút és relatív értékei is közel hasonló pályán, hasonló értékeket felvéve mozognak. Saját kísérleti eredményeim kiértékelésekor megállapítottam, hogy a kohósalak adagolása a 35-45 tömeg%-os értéknél optimális. Kisebb, 20%-os adagolásnál még a szilárdság csökkenését eredményezi a kohósalak adagolása, míg a nagy, 60%-os adagolásnál ismét csak visszaesés tapasztalható. Az optimális érték környezetében a tiszta portlandcement közel értékeivel megegyező, sőt magas hőmérsékleten terhelt próbatestek esetén azt meg is haladó, maradó szilárdsági értékeket kaptam.

7. Megállapítások Cikkemben rámutattam az alagúttüzek természetének speciális tulajdonságaira. A balesetek során zárt térben felszabaduló és ott hamar felhalmozó jelentős hőmennyiség az alagútban tartózkodókra és annak szerkezetére is rendkívül veszélyes. Jelen cikkemben a portlandcementek és a mészkőliszt valamint kohósalak adagolással elkészített cementkövek hőterhelés utáni maradó jellemzőinek vizsgálatával foglalkoztam. Több mint 1300 próbatest vizsgálata után megállapítottam, hogy a portlandcementek szilárdsága 400 °C-os tartományig 90-100%-osnak tekinthetőek és még 700 °C-on is cca. 40%-os értéket

9


10

produkál. Kimutattam, hogy a portlandcementek magas hőmérsékleti viselkedésére az őrlésfinomság is hatással van. Az őrlésfinomság és a 400-750 °C környezetbeli viselkedés fordítottan arányos, legkedvezőbbnek a CEM I 32,5 R(S) cementet találtam. A CEM I 32,5 R(S) cement és mészkőliszt ill. kohósalak adagolással előállított heterogén cementek vizsgálatakor (azonos víz/finomrész de változó víz/cement tényező mellett) kimutattam, hogy a mészkőliszt adagolása szilárdsági szempontból kedvezőtlen. 20 tömeg% felett kifejezetten kedvezőtlenül befolyásolja a cementkő viselkedését. Nagy mészkőliszt-adagolás és mészégetési hőmérséklet felett hőterhelés után az égetett mész mészkővé történő visszaalakulása a próbatestek spontán széteséséhez vezet. Kohósalak adagolása során megállapítottam, hogy szilárdsági szempontból 35-45 tömeg% kohósalak esetén optimális az adagolás, amikor a kiindulási cementhez képest kismértékű javulást tapasztaltam a magas hőmérsékletű terhelés után a maradó szilárdsági jellemzőkben.

8. Köszönetnyilvánítás A szerző köszönetét fejezik ki a Holcim Zrt.-nek és a Danubius Betonkészítő Kft.-nak a kísérleti anyagok biztosításáért. A derivatogrammok elkészítéséért Dr. Kopecskó Katalinnak, míg a laboratóriumi vizsgálatok során folytatott közreműködéséért Tóth Patriknak és Eipl Andrásnak tartozom köszönettel.

9. Felhasznált irodalom Blennemann, F., Girnau, G. (eds.): „Brandschutz in Fahrzeugen und Tunneln des ÖPNV”, Alba Fachverlag, Düsseldorf, 2005 [2] Fehérvári, S.: „A füstgázok keletkezése és kezelése alagúttüzek esetén” - Közúti és Mélyépítési Szemle 2007. június, pp 11-15, 2007 [3] Fehérvári, S.: „Az alagúttüzek természetéről”, Vasbetonépítés 2007/1 pp 13-17, 2007 [4] Fehérvári, S.: „Alagúttüzek hatása a beton falazatra” - Vasbetonépítés 2007/2 pp. 56-62, 2007 [5] Lublóy, É., Balázs, L. Gy.: Concrete properities in fire depending on type of cement, aggregate and fibre, CCC2007 Visegrád Proceedings, pp. 327-332., 2007 [6] Promat: „Fire Curves”, www.promat-tunnel.com, 2006 [7] Putz, U.: „Brandbeanspruchung von Tunnelbeton“; 45. Forschungskolloquium des DAfStb, 100. Jahrgang Beton- und Stahlbetonbau, pp. 173-176, 2005 [8] Richter, E.: „Heißgasentwicklung bei Tunnelbränden mit Straßen- und Schienenfahrzeugen – Vergleich gemessen und in Vorschriften enthaltener Temparatur-Zeit-Verläufe“, STUVA Tagung ’93 in Hamburg, STUVA, Köln, pp. 131-137, 1993 [9] Wetzig, V.: „Zerstörungsmechanismen beim Werkstoff Beton im Brandfall Schutzsysteme”, Tunnel 7/2000, pp. 19-26, 2000 [10] Winterberg, R. és Dietze, R.: „Efficient fire protection system for high performance shotcrete”, Proceedings of the Second International Conference on Engineering Development is Shotcrete, Cairns, Queensland, Australia, 2004 [11] MSZ EN 1992-1-2 (2005. március): „Eurocode 2: Betonszerkezetek tervezése; 1-2. rész: Általános szabályok: Tervezés tűzteherre” [12] DIN 5510-2 (2003. 09.): Vorbeugender Brandschutz in Schienenfahrzeugen - Teil 2: Brennverhalten und Brandnebenerscheinungen von Werkstoffen und Bauteilen; Klassifizierungen, Anforderungen und Prüfverfahren [1]

10

Az alagúttüzek által okozott hősokk hatása a cementkő reziduális tulajdonságaira

Recommend Documents