Onderzoekstechnieken voor de evaluatie van brandschade aan betonconstructies

Onderzoekstechnieken voor de evaluatie van brandschade aan betonconstructies Pieter Vandenberghe

Promotor: prof. dr. ir. Luc Taerwe Begeleider: ir.-arch. Emmanuel Annerel Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde

Vakgroep Bouwkundige constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008-2009

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. Gent, mei 2009 De auteur, Pieter Vandenberghe

Woord vooraf Als brandweerman en brandpreventionist heb ik steeds met grote interesse en volle overgave aan deze thesis gewerkt. Dit werk zou nooit geworden zijn tot wat het nu is, zonder de hulp van verschillende personen. Graag wil ik dan ook mijn dank betuigen aan iedereen die op een of ander manier bijgedragen heeft tot het welslagen van deze scriptie. Een woord van dank gaat zeker en vast uit naar Prof. dr. ir. Luc Taerwe die mij de kans gaf om rond dit boeiend onderwerp te werken en mij bijgestuurd heeft daar waar nodig. Daarnaast wil ik ir.‐arch. Emmanuel Annerel bedanken voor de uitstekende begeleiding en de ettelijke uren die hij met mij spendeerde om dit onderzoek in goede banen te leiden. Ook het technisch personeel van het labo, die alle betonbewerking voor mij uitvoerde, mag ik niet vergeten. Verder wens ik mijn vrienden te bedanken voor de vele ontspannende momenten tussen het studeren door en de mooie studententijd die we samen in Gent beleefden. Ook wil ik mijn ouders van harte bedanken omdat ze altijd voor me klaar stonden en zo telkens mijn steun en toeverlaat vormden. Bovendien wil ik hen ook danken voor de kans die ze mij boden om deze studies aan te vatten. Mijn dank gaat speciaal ook uit naar mijn broer Filip, die mij gedurende gans mijn studietraject geholpen heeft wanneer ik iets niet verstond of wanneer het wat moeilijk ging. Ook wil ik hem danken voor de aangename tijd in Gent en op kot. Als laatste wil ik mijn vriendin Annelies bedanken. Ze was er, net zoals mijn ouders en broer, steeds wanneer ik haar nodig had. Bedankt voor de vele steun en geduld die je met mij had.

Overzicht Onderzoekstechnieken voor de evaluatie van brandschade aan betonconstructies door

Pieter VANDENBERGHE

Promotor: prof. dr. ir. Luc Taerwe Begeleider: ir.‐arch. Emmanuel Annerel

Vakgroep Bouwkundige constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008‐2009

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde

Betonconstructies die blootgesteld zijn aan brand hebben doorgaans nog een zekere residuele sterkte. Het kan vanuit economisch standpunt interessant zijn om deze structuren na grondige analyse te herstellen. Voor deze schadediagnose zijn er verschillende methoden voor handen, maar in deze scriptie wordt enkel onderzocht in welke mate de residuele sterkte gekoppeld kan worden aan de scheurontwikkeling, de kleurverandering en het verschil in snelheid van ultrasone golven in betonelementen, onderworpen aan brand. Deze technieken zijn veel belovend want de meting van de kleur, welke verandert van rood (300‐600°C) over witgrijs (600‐900°C) tot geel (900‐ 1100°C), de porositeit en de ultrasoonsnelheid zorgen voor een directe link naar de opgelegde

temperatuur

en

het

daarmee

verbonden

sterkteverlies.

Deze

onderzoeksmethoden worden echter beïnvloed door een aantal invloedsfactoren, zoals de opwarmingsomstandigheden (snelheid en duur), de koeling (in lucht of onder water) en de bewaringsomstandigheden na de brand (in lucht of onder water). Deze scriptie heeft als doel de vooropgestelde problematiek te bestuderen en in kaart te zetten aan de hand van experimenten in het laboratorium. Een algemeen beeld van de evolutie van de kleur, porositeit en residuele druksterkte in functie van de toenemende temperatuur wordt in dit werk weergegeven.

Kernwoorden: brand, colorimetrie, porositeit, druksterkte, ultrasone golven

Methods for the assessment of the damage of concrete structures exposed to fire Pieter Vandenberghe Supervisors: prof. dr. ir. Luc Taerwe, ir.-arch. Emmanuel Annerel

Keywords: fire, concrete, compression strength, colorimetry, porosity, ultrasonic waves

I. INTRODUCTION Generally, concrete has good fire properties. It owns not only a good fire resistance, but it is also incombustible. Also, a concrete construction in most cases is not collapsed after a fire. So it should not be demolished and rebuild afterwards. Depending on the residual strength, the construction can easily be repaired, which involves a huge financial advantage. But the main question is how big the residual strength is after fire. By defining the change in colour and porosity of the concrete, both function of the temperature, it is possible to make a link to the compression strength which is also temperature-dependent. To examine this behaviour, use will be made of the, for Belgium representative concrete compositions: traditional concrete with siliceous or calcareous aggregates (TC and TCk), self-compacting concrete (SCC) and high-performance concrete (HPC). II. RESIDUAL STRENGTH To establish the residual strength, one hundred fifty millimetre HPC and TC cubes and SCC cylinders (height 70mm, diameter 80mm) were heated until 350°C or 550°C. During the three weeks before testing, the samples were dried until constant mass in an oven at a temperature of 70°C. For each test, two cubes were heated for 1050 minutes. Several HPC cubes were loaded with a force of 354kN or 746kN. Afterwards, the cubes undergo a slow cooling in ambient air or a fast cooling in water. The cubes are tested for compression immediately after cooling (0 days) or after a storage of 28 days under water or in an air-conditioned room at RH>90% and a temperature of 20±1°C. The cylinders were heated in pair, but now during 240 minutes instead of 1050 min. The cooling occurred in the ambient air and the test specimens were tested after 28 days storage in a room with a temperature of 20±1°C and a RH>90%. The results show that the compression strength decreases with increasing temperature. The application of loading during heating results in no or a small increase of the observed compressive strength. The best results after 0 days are obtained by cooling in air, while for 28 days cooling by

immersion under water followed by a storage period in air gives the highest value for the compression strength. HPC possesses the highest compression strength compared to SCC and TC. III. COLORIMETRY Concrete, that is heated, changes in colour. The colour shifts from grey (20°C) till red (300°C) to whitish grey (700°C) and buff (1100°C) [1], [2].The colour shift was examined for the concrete compositions ZVB, HPC, TCk and concrete with fly ash (FA) and blast-furnace slag (S). For SCC, HPC and TCk 2 cores were drilled out of one 150mm cube. These cores were sawn in 10 discs, with a diameter of 80mm and a thickness of 15mm. The samples of HPC and TCk were polished. The samples in fly ash and slag were sawn out of a 150 mm cube in such way that a piece of 100x20x50 was obtained. These pieces contain one of the side surfaces of the cube. This surface was milled, resulting in the removal of a few millimetres. Before heating, the test pieces were dried until constant mass during 1 week in an oven at 70°C. The heating occurred step by step until 1000°C for HPC and TCk and 600°C for SCC, FA and S. For each temperature were 2 samples per concrete composition heated. The samples in HPC and TCk were heated during 60 min and cooled slowly in the oven until ambient temperature. The pieces in SCC were heated during 120 min and those of FA and S during 30 min. They undergo a cooling in ambient air. After cooling, the discs were immediately tested for colour with the X-Rite SP60 Spectrophotometer according to the CIE Labcolourspace. The colour is measured, as most as possible, on the cement matrix. Therefore the coarse aggregates of HPC and TCk were masked with black ink to minimize the effect of the aggregates. Figure 1 shows the relationship between a* and b*. 10

300°C 1000°C 250°C 8

400°C

200°C

800°C 7 6

350°C 500°C 300°C 300°C 250°C 200°C 350°C 200°C 300°C 400°C 150°C 400°C 20°C 100°C 200°C 500°C 400°C

800°C

600°C 500°C 300°C 500°C 150°C 600°C 700°C 200°C 600°C 100°C 400°C 100°C 700°C 20°C 500°C 20°C

5 4

600°C

TCk HPC SCC FA S

600°C 3 0

0,5

1

1,5

2

2,5

a* [‐]

Fig. 1: Relationship between a* and b* for increasing temperature

1000°C

9

b* [‐]

Abstract— This article provides an insight in the behaviour of concrete that has been exposed to a fire. Therefore, the change in colour, porosity and compression strength was investigated with different testing methods and for several concrete compositions.

3

storage in a room with a temperature of 20±1°C and a RH>90%. The test and heating conditions are mentioned in section I. Figure 3 show the relationship between the transmission rate and the compression strength for several variants of SCC in function of the heating temperature.

IV. POROSITY Due to the increasing temperature, there will appear extra cracks and cavities because of the difference in expansion between the cement matrix and the aggregates. The porosity was established in two ways namely with barium sulphate (BaSO4) and via the absorption of water under vacuum (H20). BaSO4 concerns the porosity at the surface, while H20 determines a volumetric porosity. H20 was used with HPC, TCk and SCC, BaSO4 only with HPC and TCk. The specimens are the same as those used for the colorimetry. The heating conditions are discussed in section III. For BaSO4, the samples were coloured with black ink, after which they were treated with barium sulphate. The porosity was calculated with the software Image Tool. Before starting H20, the barium sulphate was removed out of the discs with compressed air. The results of the tests, together with the experience in the literature [2], [3], are shown in Figure 2. 45

35 30 25

20

0 400

500

600

700

30 40 50 60 70 80 Compression strength [N/mm²]

90

100 110

50

22,3

0,8544

(1)

VI. CONCLUSIONS Concrete that is exposed to high temperatures, undergoes a change in colour. For several concrete compositions the colour describes an elliptical path with increasing temperature. Concrete with fly ash is more saturated, while concrete with blast-furnace slag less saturated is. A peak is noticeable at 300°C and corresponds to a red tint due to the decomposition of the iron compounds. The examination of the evolution of the total porosity in function of the increasing temperature shows that the porosity is constant until a transition temperature, after which it increases linear with the temperature. The use of ultrasonic waves indicates a link with the compression stress. The relationship between the transmission rate and the compression strength is a quadratic function. This method is promising because of his simplicity and the little preparation of the test object. It can used on site, so drilling cores is not needed.

5

300

10

0,22 ²

10

200

y = ‐0,2233x2 + 50,019x + 22,304 R² = 0,8544

The relationship between both quantities is a quadratic function with equation:

15

100

20°C 350°C 550°C

Fig. 3. Relationship between the transmission time and the compression strength in function of the heating temperature

20

0

3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 0

HPC‐Barium Sulphate TCk‐Barium Sulphate TC SCC Guise HPC‐Water TCk‐Water SCC‐Water cooling SCC‐Air cooling

40

Porosity [%]

Ultrasonic rate [m/s]

During heating the colour of all concrete compositions describes an elliptical path in the a*b*-colour space. A peak is noticeable around 300°C corresponding to the development of a red and yellow tint. The curves are all similar to each other, except for S and FA, where respectively more and less saturation is found.

800

Temperature [°C] Fig. 2. Relationship between the temperature and the total porosity

All the curves have the same development in function of the temperature. The porosity stays constant until a transition temperature, from where it increases linear. This type of curves is also found in [2] for SCC and TC and in [3] for Thames Valley aggregate concrete. The difference in slope with [2] of the linear part is due to the difference in the adjustments of the scanner. The transition temperature differs for the several concrete transitions.

ACKNOWLEDGEMENTS The author would like to acknowledge the suggestions and support of prof. dr. ir. Luc Taerwe and ir.-arch. Emmanuel Annerel during the research and completion of this thesis. REFERENCES

V. ULTRASONIC MEASUREMENTS Ultrasonic measurements are applied to check the quality of concrete, but can also be used to determine the young’s modulus. In this work the intention is to link the transmission rate to the compression strength. Therefore, the cylinders of section I are inspected with ultrasonic waves with a frequency of 50000Hz. The cylinders were first tested just before heating and second before pressure test after 28 days

[1]

[2]

[3]

DENOËL J.F. Brandveiligheid en betonconstructies Febelcem, 2007 ANNEREL E., TAERWE L. Approaches for the assessment of the residual strength of concrete exposed to fire Ghent University GUISE S., PURKISS J., SHORT N. Assessment of fire damaged concrete using colour image analysis Aston University, 20 August 2000

Inhoudsopgave OVERZICHT ................................................................................................................................. 3 LIJST VAN AFKORTINGEN EN SYMBOLEN ..................................................................................... 9 LIJST MET FIGUREN EN TABELLEN ................................................................................................ 1 HOOFDSTUK 1: INLEIDING ........................................................................................................... 1 HOOFDSTUK 2: HET STERKTEGEDRAG VAN BETON BIJ BRAND ..................................................... 3 2.1 NOMINALE CURVEN .............................................................................................................. 3 2.2 DEGRADATIE VAN BETON BIJ BRAND ..................................................................................... 4 2.2.1 FYSISCHE EN CHEMISCHE VERSCHIJNSELEN ........................................................................................ 4 2.2.2 GEDRAG VAN DE GRANULATEN EN DE CEMENTSTEEN .......................................................................... 5 2.2.3 FYSISCHE INTERACTIES .................................................................................................................. 7 2.2.4 CHEMISCHE INTERACTIES ............................................................................................................... 7 2.2.5 RESTSTERKTE VAN BETON .............................................................................................................. 8 2.3 TESTPROGRAMMA .............................................................................................................. 10 2.3.1 KARAKTERISTIEKEN OVENS ........................................................................................................... 10 1. Moffeloven ............................................................................................................... 10 2. Splitoven ................................................................................................................... 12 2.3.2 OVERZICHT PROEF BEPALING DRUKSTERKTEVERLIES .......................................................................... 17 1. Kubussen .................................................................................................................. 17 2. Cilinders .................................................................................................................... 20 2.3.3 RESULTATEN ............................................................................................................................. 20 1. Kubussen .................................................................................................................. 20 2. Cilinders .................................................................................................................... 22 2.4 BESLUIT ............................................................................................................................... 24 HOOFDSTUK 3: KLEURWIJZIGING VAN BETON ONDERHEVIG AAN EEN BRAND ........................... 25 3.1 BEPROEVINGSMETHODIEK .................................................................................................. 25 3.1.1 SPECTROFOTOMETER ................................................................................................................. 25 3.2 RESULTATEN UIT DE LITERATUUR ........................................................................................ 28 3.3 TESTPROGRAMMA .............................................................................................................. 29 3.3.1 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR SCC EN TC ....................................... 29 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 29 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 30 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 33 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 35 3.3.2 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR ZVB ................................................ 37 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 37 PROEF 1: gezaagde schijven, kleur in de massa .............................................................................. 37 PROEF 2: gefreesde schijven, kleur aan het oppervlak ................................................................... 38

2.

Proefresultaten ........................................................................................................ 39

PROEF 1: gezaagde schijven, kleur in de massa .............................................................................. 39 PROEF 2: gefreesde schijven, kleur aan het oppervlak ................................................................... 41

3.3.3 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR BETON MET VLIEGAS EN HOOGOVENSLAK 43 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 43 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 45 3.3.4 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR GECARBONATEERD BETON .................... 46 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 46 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 47 3.4 BESLUIT ............................................................................................................................... 49 HOOFDSTUK 4: BEPALING VAN DE POROSITEIT MET BASO4 VAN BETON ONDERWORPEN AAN BRAND .............. 50 4.1 BEPROEVINGSMETHODIEK .................................................................................................. 50 4.1.1 VOORBEREIDING PROEFSTUKKEN .................................................................................................. 50 4.1.2 KLEURENSCANNER ..................................................................................................................... 51 4.1.3 IMAGE TOOL ............................................................................................................................ 52 1. Instellen thresholdwaarde ........................................................................................ 53 4.2 RESULTATEN UIT DE LITERATUUR ........................................................................................ 58 4.3 TESTPROGRAMMA .............................................................................................................. 60 4.3.1 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR TC EN SCC ....................................... 60 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 60 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 60 4.3.2 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN EN RESULTATEN VOOR TCK EN HPC ..................................... 63 1. Proefvoorwaarden ................................................................................................... 63 2. Proefresultaten ........................................................................................................ 64 3. Vergelijking met literatuurgegevens ........................................................................ 65 4.4 BESLUIT ............................................................................................................................... 69 HOOFDSTUK 5: BEPALING VAN DE POROSITEIT M.B.V. WATERVERZADIGING ............................. 70 5.1 BEPROEVINGSMETHODIEK .................................................................................................. 70 5.1.1 PROCEDURE VOOR WATEROPSLORPING ONDER VACUÜM (NBN B24‐213) .......................................... 71 1. Droging proefstukken ............................................................................................... 71 2. Vacuümverzadiging .................................................................................................. 72 3. Wegen proefstukken ................................................................................................ 73 5.2 TESTPROGRAMMA .............................................................................................................. 74 5.2.1 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN ..................................................................................... 74 1. Proefvoorwaarden TC .............................................................................................. 74 2. Proefvoorwaarden HPC en TCk ................................................................................ 76 3. Proefvoorwaarden ZVB ............................................................................................ 77 5.2.2 PROEFRESULTATEN .................................................................................................................... 78 1. Proefresultaten TC .................................................................................................... 78 2. Proefresultaten HPC en TCk ..................................................................................... 79 3. Proefresultaten ZVB ................................................................................................. 82 4. Vergelijking proefresultaten TC, HPC, TCk en ZVB ................................................... 82 5.3 BESLUIT ............................................................................................................................... 84

HOOFDSTUK 6: .......................................................................................................................... 85 BEPALING VAN HET GEDRAG VAN BETON BIJ BRAND MET BEHULP VAN ULTRASOONMETING ... 85 6.1 INLEIDING ........................................................................................................................... 85 6.1.1 ULTRASOONMETER .................................................................................................................... 85 6.2 TESTPROGRAMMA .............................................................................................................. 89 6.2.1 OVERZICHT VAN DE PROEFVOORWAARDEN ..................................................................................... 89 6.2.2 OVERZICHT VAN DE PROEFRESULTATEN .......................................................................................... 90 1. Elasticiteitsmodulus ................................................................................................. 90 2. Evolutie transmissietijd i.f.v. opwarmingstemperatuur ........................................... 91 3. Ultrasoonsnelheid en bijhorende kwaliteit i.f.v. opwarmingstemperatuur ............. 95 4. Link tussen druksterkte en ultrasoonsnelheid .......................................................... 97 6.3 BESLUIT ............................................................................................................................... 99 HOOFDSTUK 7: ALGEMEEN BESLUIT ........................................................................................ 100 BIBLIOGRAFIE.......................................................................................................................... 102

Lijst van afkortingen en symbolen BaSO4

bariumsulfaat

Ca(OH)2:

calciumhydroxide

CaCO3

kalksteen of calciumcarbonaat

CaO

ongebluste vrije kalk

CH

calciumhydroxide

CO2

kooldioxide

CSH:

tobermoriet‐gel

FA

beton met vliegas

H2O

water

HPC

hogesterktebeton

LITS

load induced thermal strain

MgCO3

magnesiumcarbonaat

S

beton met hoogovenslak

SCC

zelfverdichtend beton

TC

traditioneel beton

TCk

traditioneel beton met kalksteenslag granulaten

ZVB

zelfverdichtend beton

Lijst met figuren en tabellen Figuur 2‐1: Verloop nominale curven .......................................................................................... 4 Figuur 2‐2: Temperatuur in een wand blootgesteld aan brand .................................................. 5 Figuur 2‐3: Evolutie van de reductiefactor van de druksterkte in functie van de temperatuur en het type granulaat ................................................................................................ 9 Figuur 2‐4: Moffeloven .............................................................................................................. 10 Figuur 2‐5: Opwarmingscurve moffeloven ................................................................................ 11 Figuur 2‐6: Splitoven (links) en proefopstelling voor verwarming onder belasting (rechts) ..... 12 Figuur 2‐7: Opwarmingscurve splitoven, moffeloven en ISO‐curve .......................................... 13 Figuur 2‐8: Proefopstelling splitoven ........................................................................................ 14 Figuur 2‐9: Temperatuurverloop opwarming kubussen ............................................................ 15 Figuur 2‐10: Luchtkoeling kubussen .......................................................................................... 16 Figuur2‐11: Waterkoeling kubussen ......................................................................................... 16 Figuur 2‐12: Schikking proefstukken in moffeloven .................................................................. 20 Figuur 3‐1: X‐Rite SP60 spectrofotometer ................................................................................. 26 Figuur 3‐2: Kleur weergegeven in het a*b*‐vlak van het CIE‐Lab systeem ............................... 26 Figuur 3‐3: Het spectrum van het voor de mens zichtbare licht................................................ 27 Figuur 3‐4: Proefstuk juist vóór kleurmeting (SCC 350°C, luchtkoeling, meting op 0 dagen) ... 27 Figuur 3‐5: Evolutie van de a*‐ en b*‐waarden bij toenemende opwarmingstemperatuur ..... 28 Figuur 3‐6: Schematische voorstelling van de proefopstelling bij opwarming van TC en SCC .. 30 Figuur 3‐7: Evolutie van de a*‐ en b*‐waarden voor TC in functie van de recuringperiode (gepolijst, in de massa) ............................................................................................ 32 Figuur 3‐8: Evolutie van de a*‐ en b*‐waarden voor SCC in functie van de recuringperiod (gepolijst, in de massa) ............................................................................................ 32 Figuur 3‐9: verwarming TCk tot 1100°C .................................................................................... 34 Figuur 3‐10: Kleurwijziging bij HPC ten gevolge van opwarming tot 1000°C............................ 35 Figuur 3‐11: Kleurwijziging bij TCk ten gevolge van opwarming tot 1000°C ............................ 35 Figuur 3‐12: b* i.f.v. a* voor TCk en HPC verwarmd tot 1000°C (gepolijst, in de massa) ......... 36 Figuur 3‐13: b* i.f.v. a* voor SCC, HPC, TC en TCk verwarmd tot 1000°C (gepolijst, in de massa) .......................................................................................... 36 Figuur 3‐14: Proefopstelling verwarming proefstukken ZVB (gezaagd, in de massa)............... 37 Figuur 3‐15: ZVB 2 bewerkt met de galvanoschijf ..................................................................... 39 Figuur 3‐16: b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa) .................................................................................................. 39 Figuur 3‐17: b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa) .................................................................................................. 40 Figuur 3‐18: Links: ZVB P2 onverwarmd, rechts: ZVB P2 verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa) .................................................................................................. 40 Figuur 3‐19: Gemiddelde waarden voor b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa) ................................................ 40 Figuur 3‐20: Gemiddelde waarden voor b* i.f.v. a* voor ZVB met rode pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa) ................................................ 41 Figuur 3‐21: b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak)........................................................................................ 41 Figuur 3‐22: b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak)........................................................................................ 42

Figuur 3‐23: Gemiddelde waarde voor b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak) ..................................... 42 Figuur 3‐24: Gemiddelde waarde voor b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak) ..................................... 42 Figuur 3‐25: Proefstuk (FA7) bewerkt met de galvanoschijf ..................................................... 43 Figuur 3‐26: Evolutie van de kleur bij opwarming van beton met FA tot 600°C (gefreesd, kleur aan het oppervlak)........................................................................................ 45 Figuur 3‐27: Evolutie van de kleur bij opwarming van beton met S tot 600°C (gefreesd, kleur aan het oppervlak)........................................................................................ 46 Figuur 3‐28: SCC (links) en TC (rechts) met fenolftaleïne behandeld ter bepaling van de carbonatatiediepte ................................................................................................ 47 Figuur 4‐1: Voorbeeld gepolijste proefstukken vóór opwarming: TCk (links) en HPC (rechts) .. 50 Figuur 4‐2: Voorbeeld van een voorbereid proefstuk na opwarming tot 800°C (HPC) ............. 51 Figuur 4‐3: Kleurenscanner: Canoscan LiDE 70 ......................................................................... 51 Figuur 4‐4: Instellingen kleurenscanner Canoscan LiDE 70 ....................................................... 52 Figuur 4‐5: Voorbeeld threshold van een gescand proefstuk .................................................... 53 Figuur 4‐6a: Ingescand proefstuk HPC, verwarmd tot 700°C .................................................... 53 Figuur 4‐6b: Instelling grenzen threshold (44‐255) ................................................................... 54 Figuur 4‐6c: Instelling grenzen threshold (78‐255) ................................................................... 54 Figuur 4‐6d: Instelling grenzen threshold (92‐228) ................................................................... 55 Figuur 4‐6e: Instelling grenzen threshold (128‐221) ................................................................. 55 Figuur 4‐6f: Binair beeld voor ingestelde threshold (128‐221) ................................................. 56 Figuur 4‐7: Histogram voor ingestelde threshold (128‐221) ..................................................... 56 Figuur 4‐8: Porositeit in functie van de opwarmingstemperatuur ............................................ 58 Figuur 4‐9: Porositeit in functie van de druksterkte .................................................................. 58 Figuur 4‐10: Verloop porositeit i.f.v. de recuringperiode voor SCC en TC ................................. 61 Figuur 4‐11: links: SCC 350°C 0d, water –rechts: TC 350°C 0d, water ....................................... 62 Figuur 4‐12: links: SCC 550°C 0d, lucht –rechts: TC 550°C 0d, lucht .......................................... 62 Figuur 4‐13: links: SCC 550°C 0d, water –rechts: TC 550°C 0d, water ....................................... 62 Figuur 4‐14: Uiteenvallen proefstuk na 48u bewaring in oven op 70°C .................................... 64 Figuur 4‐15: Uiteenvallen proefstuk na 30min in een bak met water ....................................... 64 Figuur 4‐16: Verloop van de porositeit i.f.v. de temperatuur voor HPC en TCk ........................ 65 Figuur 4‐17: Verloop van de porositeit i.f.v. de temperatuur voor verschillende betonsoorten 66 Figuur 4‐18: Ingescand beeld volgens instellingen Figuur 4‐4 met schaalpapier ...................... 67 Figuur 4‐19: Ingescand beeld volgens instellingen Figuur 4‐4 zonder schaalpapier ................. 67 Figuur 4‐20: Ingescand beeld volgens instellingen Figuur 4‐4 zonder schaalpapier en met een gamma monitor van 1 (links) en 2,25 (rechts)......................................... 68 Figuur 5‐1: Evolutie van het watergehalte in functie van droogtijd (TC 600°C) ........................ 73 Figuur 5‐2: Vacuümtank ............................................................................................................ 73 Figuur 5‐3: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur ...................................... 73 Figuur 5‐4: Proefstuk uit TC met kalkuitbloeiingen ................................................................... 79 Figuur 5‐5: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur volgens (1) voor HPC en TCk .............................................................................................................. 80 Figuur 5‐6: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur volgens (2) voor HPC en TCk .............................................................................................................. 80 Figuur 5‐7: Vergelijking van de porositeit verkregen via BaSO4 en wateropslorping in functie van de temperatuur (HPC en TCk) ........................................................... 81 Figuur 5‐8: Proefstukken TCk bewerkt met BaSO4, verwarmd tot 200°C (links) en 700°C (rechts) ..................................................................................................... 81 Figuur 6‐1: Ultrasoonmeter ...................................................................................................... 87

Figuur 6‐2: Zender en ontvanger ultrasoonmeter ..................................................................... 87 Figuur 6‐3: Voorstelling longitudinale, transversale en oppervlaktegolven ............................. 87 Figuur 6‐4: Directe, semi‐directe en indirecte transmissie ........................................................ 88 Figuur 6‐5: Visualisatie meetpunten ......................................................................................... 89 Figuur 6‐6: Spannings‐vervormingsdiagram ............................................................................. 90 Figuur 6‐7: Procentuele toename van de transmissietijd .......................................................... 94 Figuur 6‐8: Procentuele afname van de ultrasoonsnelheid ...................................................... 95 Figuur 6‐9: Verband tussen druksterkte en ultrasoonsnelheid ................................................. 98

Tabel 2‐1: Voornaamste scheikundige transformaties van hydratatieproducten i.f.v. de temperatuur ............................................................................................................... 6 Tabel 2‐2: Kleurveranderingen van siliciumhoudend beton tijdens verhitting ............................ 7 Tabel 2‐3: Opwarmingssnelheid moffeloven voor 3 tijdsintervallen ......................................... 11 Tabel 2‐4: Betonsamenstelling kubussen .................................................................................. 14 Tabel 2‐5: Opwarmingssnelheden kubussen ............................................................................. 17 Tabel 2‐6: Overzicht van de parameters voor de druksterktebepaling van kubussen .............. 18 Tabel 2‐7: Betonsamenstelling cilinders ................................................................................... 19 Tabel 2‐8: Druksterkte kubussen ............................................................................................... 21 Tabel 2‐9: Druksterkte cilinders ................................................................................................ 22 Tabel 3‐1: Overzicht betonsamenstellingen .............................................................................. 29 Tabel 3‐2: Overzicht proefvoorwaarden ................................................................................... 31 Tabel 3‐3: Overzicht betonsamenstellingen .............................................................................. 33 Tabel 3‐4: Overzicht proefvoorwaarden ................................................................................... 34 Tabel 3‐5: Overzicht proefvoorwaarden per mengsel ZVB ........................................................ 38 Tabel 3‐6: Betonsamenstelling gefreesde proefstukken ........................................................... 44 Tabel 4‐1: Overzicht betonsamenstellingen .............................................................................. 60 Tabel 4‐2: Overzicht betonsamenstellingen .............................................................................. 63 Tabel 5‐1: Gewicht TC proefstuk na verzadiging in bak met water en vacuümtank ................. 72 Tabel 5‐2: Overzicht proefvoorwaarden TC .............................................................................. 75 Tabel 5‐3: Overzicht proefvoorwaarden HPC en TCk ................................................................ 76 Tabel 5‐4: Overzicht proefvoorwaarden per variant ZVB .......................................................... 77 Tabel 6‐1: Betonkwaliteit in functie van de ultrasoonsnelheid ................................................. 88 Tabel 6‐2: Elasticiteitsmodulus ................................................................................................. 91 Tabel 6‐3 a: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: directe transmissie ....... 92 Tabel 6‐3 b: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: semidirecte transmissie 92 Tabel 6‐3 c: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: indirecte transmissie .... 93 Tabel 6‐4: Gemiddelde transmissietijd t en ultrasoonsnelheid V i.f.v. temperatuur ................. 93 Tabel 6‐5: Kwaliteit i.f.v. ultrasoonsnelheid .............................................................................. 96 Tabel 6‐6: Vergelijking transmissietijd en druksterkte .............................................................. 97

Hoofdstuk 1: Inleiding

Beton bezit goede brandeigenschappen. Het is niet alleen onbrandbaar, maar bovendien kent het ook een heel goede brandweerstand. Hoewel de schade aan het beton steeds toeneemt bij stijgende temperatuur, gebeurt het zelden dat tijdens een brand de betonconstructie instort. Daarom kan het economisch gezien interessant zijn om deze constructies na een grondige inspectie te herstellen. Voor deze schadediagnose zijn er verschillende methoden voor handen. Eén ervan is de koppeling van de residuele sterkte van aan brand blootgesteld beton aan de scheurontwikkeling en kleurverandering. In Hoofdstuk 2 worden de fysische en chemische reacties weergegeven die het beton, onder inwerking van een brand, ondergaan. Daarnaast wordt uitgelegd hoe een reële brand en een opwarming onder labo‐omstandigheden gerelateerd zijn. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van twee types ovens: de moffel‐ en splitoven. Bovendien wordt de vergelijking gemaakt met de ISO‐curve. Daarnaast wordt in Hoofdstuk 2 het gedrag van de druksterkte onderzocht bij kubussen en cilinders en dit voor verschillende betonmengsels, opwarmingstemperaturen en koelings‐ en conserveringsvoorwaarden. Dit alles wordt nog gecombineerd met een opwarming al dan niet onder belasting. Hoofdstuk 3 behandelt de kleurwijziging van beton onder inwerking van een hoge temperatuur. De kleur van het beton wijzigt van grijs naar roze‐rood bij 300°C over witgrijs bij 700°C om uiteindelijk bij 1100°C zeemkleurig te worden. Dit gedrag wordt onderzocht bij verschillende betonsoorten, opwarmings‐ en koelingsvoorwaarden. Hiervoor wordt gebruikt gemaakt van de X‐Rite SP60 Spectrofotometer. Een derde factor die bij beton wijzigt, onder inwerking van een brand, is de porositeit. Hoofdstukken 4 en 5 onderzoeken op twee uiteenlopende manieren de evolutie van de porositeit bij toenemende temperatuur. In Hoofdstuk 4 gebeurt de bepaling met behulp van bariumsulfaat en de software Image Tool. Deze methode bepaalt de porositeit aan het oppervlak. In Hoofdstuk 5 daarentegen, wordt de porositeit in de massa, de open porositeit, onderzocht aan de hand van wateropslorping onder vacuüm.

1

Hoofdstuk 1: Inleiding

2

In Hoofdstuk 6 wordt het beton geïnspecteerd met behulp van ultrasone golven. Deze methode wordt vaak gebruikt om de elasticiteitsmodulus en de kwaliteit van beton na te gaan. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de ultrasoonsnelheid. Dit is de snelheid waarmee de ultrasone golven zich verplaatsen tussen de zender en ontvanger. In deze scriptie wordt de techniek echter aangewend om een verband te leggen tussen de transmissietijd, en zo dus de ultrasoonsnelheid, en de druksterkte. Deze beproeving gebeurt op cilinders in zelfverdichtend beton verwarmd onder specifieke voorwaarden.

Hoofdstuk 2: Het sterktegedrag van beton bij brand In dit hoofdstuk wordt, aan de hand van laboproeven, het gedrag van beton onder invloed van een brand bestudeerd. Een reële brand wordt gekenmerkt door verschillende parameters. Om de wijziging in de materiaaleigenschappen van beton te kunnen bestuderen, is het nodig dat bepaalde parameters zoals de temperatuur en opwarmingssnelheid afzonderlijk gecontroleerd kunnen worden. Daarom wordt er geopteerd om met 2 ovens te werken, namelijk met de moffel en splitoven. Beide ovens beschikken over uiteenlopende kenmerken. In dit hoofdstuk worden dan ook de kenmerken van de beide ovens uitgediept, terwijl ook het sterktegedrag van beton bij brand wordt aangepakt.

2.1 Nominale curven In België worden de proeven ter bepaling van de brandweerstand van betonnen elementen

uitgevoerd

in

de

laboratoria

van

de

Universiteit

van

Gent

(Warringtonfiregent) en van de Universiteit van Luik. De opwarming verloopt volgens de temperatuur‐tijdscurve zoals voorgeschreven in de internationale norm ISO 834. Deze ISO‐curve is opgenomen in de norm EN 1992‐1‐2 en in de norm NBN EN 13501‐2. De vorm van de curve wordt bepaald volgens de onderstaande formule [1], [2]:

0

345 ·

10

8·

1

(1)

T : de temperatuur in de oven in °C T0 : de begintemperatuur van de oven in °C (20°C ± 1) t: de tijd in minuten

Naast de ISO‐curve, die geldig is voor gebouwen, bestaan er nog 2 andere nominale curven toepasbaar op petrochemische en offshore constructies alsook op tunnels. Deze 3 curven werden opgesteld uitgaande van ervaring opgedaan bij werkelijke branden. In Figuur 2.1 worden de 3 curven afgebeeld [1], [2], [3].

3

Hoofdstuk 2: Het sterktegedrag van beton bij brand

4

1400

Temperatuur [°C]

1200 1000 800 600 ISO‐CURVE

400

KOOLWATERSTOFFENCURVE (TUNNEL) KOOLWATERSTOFFENCURVE (PETROCHEMIE)

200 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tijd [min] Figuur 21: Verloop nominale curven [1], [2], [3]

110

120

130

Kenmerkend voor deze 3 curven is de heel snelle opwarming gedurende de eerste 15 minuten. De koolwaterstoffencurves bereiken na 25 minuten hun constante waarde, terwijl dit voor de ISO‐curve pas na ongeveer 3 uur optreedt. De ISO‐curve wordt in de praktijk het meest aangewend voor de bepaling van de brandweerstand van betonelementen [1], [2], [3].

2.2 Degradatie van beton bij brand 2.2.1 Fysische en chemische verschijnselen [1], [4] Bij een brand veroorzaakt de sterke temperatuurstoename fysicochemische wijzigingen in het beton. Hieronder wordt vooral dehydratatie door uitdroging als decarbonatatie verstaan. Deze fenomenen veroorzaken krimp en een daling van de sterkte en stijfheid van het materiaal beton. De dehydratatie en decarbonatatie zijn endotherme reacties, ze absorberen warmte‐energie. Hierdoor wordt de opwarming van het aan brand blootgestelde beton vertraagd. Aan het opgewarmde oppervlak ontstaat een dehydratatie‐ en verdampingsfront waar de temperatuur ongeveer 100°C bedraagt (Figuur 2‐2). Als de capillaire poriën te fijn zijn, kan de stijgende dampdruk trekspanningen veroorzaken in het beton, tot op het punt dat de sterktegrens van het beton wordt overschreden. Dit fenomeen wordt nog versterkt door een hoge vochtigheid van het beton en een snelle verhitting. Hierdoor kunnen er stukjes beton van het oppervlak afspringen. In de literatuur wordt dit vaak aangeduid met de term “spalling”.


5

Figuur 22: Temperatuur in een wand blootgesteld aan brand [3]

Wat het beton betreft, wordt het sterkteverlies vooral veroorzaakt door interne scheurvorming en degradatie van de cementsteen. Naast deze interne scheuren ontstaan er bij zeer hoge temperaturen ook scheuren in het contactoppervlak tussen de granulaten en de cementsteen. Door de temperatuursstijging ondergaat de cementsteen allerlei

transformaties

waardoor

de

cohesie

ervan

afneemt.

De veranderingen die optreden in het beton bij lagere temperaturen beslaan hoofdzakelijk de wijzigingen in de cementsteen aangezien de kiezelhoudende granulaten stabiel blijven tot ongeveer 300°C.

2.2.2 Gedrag van de granulaten en de cementsteen [1] De volgende scheikundige transformaties hebben meestal een negatieve invloed op de fysische eigenschappen van beton. Maar zelfs wanneer het beton door de opwarming al sterk beschadigd is, werkt het nog als een isolerende laag en hitteschild, waardoor de kern beschermd wordt tegen de volle inwerking van de hoge temperaturen. De nadelige effecten, veroorzaakt door de hitte van een normale brand, zijn over het algemeen slechts te merken in de buitenste laag met een dikte van 3 tot 5cm. Bij temperaturen lagen dan 100°C is er een lichte uitzetting van de cementsteen terwijl het beton zijn vrije water verliest. Het water verdampt uit de capillaire poriën. De inwerking van dergelijke warmte is over het algemeen onschadelijk voor het beton. Boven 100°C krimpt de cementpasta aanzienlijk, omdat zowel het vrije als het chemisch gebonden water ontsnapt uit het beton.


6

Boven 300°C ontbindt de tobermoriet‐gel (CSH) verder. De in de cementsteen aanwezige ijzerhoudende verbindingen oxideren en de kleur van het beton verandert van grijs naar roze‐rood. De cementsteen trekt samen terwijl de kiezelsteenhoudende granulaten verder uitzetten. Bij 400°C start de ontbinding van calciumhydroxide Ca(OH) 2 (afgekort CH), ook wel portlandiet genoemd, in water (H20) en vrije kalk (CaO). De ontbindingssnelheid bedraagt 0 bij 400°C, bereikt een maximum voor 500°C en keert terug tot 0 bij 600°C. Vanaf 575°C ondergaan de kiezelsteenhoudende granulaten, zoals zand en grof grind, een endotherme kristallijne omzetting van kwarts α naar kwarts β. Dit gaat gepaard met een volumetoename van ongeveer 5,7%. Deze volumevermeerdering zal voor schade aan het beton zorgen. De granulaten waarbij dit fenomeen optreedt zijn riviergrind, zandsteen en kwartshoudende rotsen. Kalkhoudende granulaten zoals kalksteen en dolomiet blijven stabiel tot 700°C. Boven 700°C begint de decarbonatatie van kalksteen (CaCO3) in calciumoxide (CaO) of ongebluste kalk en kooldioxide (CO2). Deze endotherme reactie heeft tot gevolg dat er een vertraging van de temperatuursstijging optreedt. Door deze reactie komt een aanzienlijke hoeveelheid CO2 vrij. Tijdens de afkoelingsfase verbindt de ongebluste kalk (CaO), enerzijds afkomstig van de dehydratatie van Ca(OH)2 boven 400°C en anderzijds van de decarbonatatie van CaCO3 boven 700°C, met de luchtvochtigheid om zo Ca(OH)2 te vormen. Deze reactie gaat gepaard met een belangrijke volumevermeerdering van ongeveer 44%. Deze volumetoename veroorzaakt het uiteenvallen van het beton. Bij temperaturen boven 1100°C begint de cementsteen (naargelang de chemische samenstelling) te smelten. De uiteindelijke weerstand van het beton hangt niet enkel van de granulaten en de cementsteen af, maar ook van de overgangszone tussen de betoncomponenten. De interactie tussen de granulaten en de cementsteen kan fysisch (bv. thermische incompabiliteit) of chemisch zijn. Tabel 21: Voornaamste scheikundige transformaties van hydratatieproducten i.f.v. de temperatuur

Temp. [°C]

Dehydratatie en transformaties

Scheik. reacties en rehydratatie

100‐800

Dehydratatie van CSH

400‐600

Ca(OH)2 CaO + H20

575

Kwarts α kwarts β (5,7% dilatatie)

>700

CaCO3 CaOH + CO2

720

CSH βC2S + βCS + H20

afkoeling CaO + H2O Ca(OH)2 (44% dilatatie)


7

Tabel 22: Kleurveranderingen van siliciumhoudend beton tijdens verhitting [4]

normaal

onaangetast

300°C

roze

600°C

witgrijs

900°C

zeemkleurig

correct uitzicht maar belangrijke daling van de weerstand zwakke weerstand, brokkelig

2.2.3 Fysische interacties [4] De cementsteen krimpt, terwijl de granulaten verder uitzetten. In welke mate dit gebeurt, is afhankelijk van het type granulaat: graniet kent de grootste uitzetting terwijl basalt, bruikbaar in tunnels, de kleinste uitzetting kent. De cementsteen weet zich aan te passen aan de grote verschillen in thermische vervormingen tussen cementsteen en granulaten. Dit fenomeen wordt “load induced thermal strain” of kortweg LITS genaamd. Dit komt neer op een relaxatie van het beton onder de opgelegde vervormingen. LITS treedt enkel op bij uitwendige belasting van het beton zoals bij de verwarming van de kubussen gebeurt (2.3.2).

2.2.4 chemische interacties [4] Het magnesiumcarbonaat van bepaalde kalksteenhoudende granulaten reageert onder inwerking van de temperatuur met Ca(OH)2 geproduceerd tijdens de hydratatie van het portlandcement: MgCO

Ca OH

Mg OH

CaCO

Deze reactie is expansief en veroorzaakt een verzwakking en dislocatie van het beton. Dit type reactie kan voorkomen worden door het toevoegen van vliegas. De silicaten van het vliegas reageren bij voorkeur met de Ca(OH)2 en laten de granulaten onbeschadigd. Er wordt een extra hoeveelheid CSH gevormd, de component die het cement bindt. Een tweede methode om de chemische interacties te voorkomen, is het gebruik van dolomietgranulaten te vermijden daar deze veel magnesiumoxide bevatten.


8

2.2.5 Reststerkte van beton [1],[2],[3],[4] Binnen het bestek van deze scriptie is het niet mogelijk om alle parameters die de reststerkte van beton na brand beïnvloeden te behandelen. Onderstaande verschijnselen zijn fundamenteel om de resultaten van de proeven correct te interpreteren: ‐

De belasting gedurende de thermische cyclus: de aanwending van een drukbelasting gedurende verhitting en afkoeling kan de reststerkte bij druk met 30 à 40% verhogen voor maximumtemperaturen van 300 tot 500°C. Dit geldt ook voor de weerstand tijdens de brand.

‐

De thermische behandeling gedurende de afkoeling: het bruusk onderdompelen in water van monsters verhit op een temperatuur hoger dan 400°C, kan 40% vermindering van de reststerkte teweegbrengen in vergelijking met een geleidelijke afkoeling.

De reststerkten na afkoeling hebben bovendien de neiging om zwakker te zijn dan de weerstanden tijdens opwarming. Daarnaast

wordt

de

druksterkte

voornamelijk

bepaald

door

de

verwarmingstemperatuur. In [2] staat het verloop van de reductiefactor van de druksterkte i.f.v de temperatuur afgebeeld. Deze reductiefactor dient vermenigvuldigd te worden met de initiële druksterkte voor opwarming. Figuur 2‐3 is geldig voor normaal beton (tot C50/60). Een beton dat minstens 80% kalksteengranulaten bevat, wordt in dit kader als een beton met kalksteengranulaat beschouwd. De kiezelsteenhoudende granulaten verliezen vlugger hun sterkte ten gevolge van de opwarming dan de kalksteengranulaten.


9

1,2 kiezelhoudende granulaten

Reductiefactor van druktsterkte

1

kalksteengranulaten

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Temperatuur [°C] Figuur 23: Evolutie van de reductiefactor van de druksterkte in functie van de temperatuur en het type granulaat


10

2.3 Testprogramma 2.3.1 Karakteristieken ovens 1.

Moffeloven

De moffeloven (Figuur 2‐4) bestaat uit een keramische binnenbekleding met daartussen verwarmingselementen. Rond de keramische bekleding is langs de buitenzijde een afwerking in staal aangebracht. De oven is langs de binnenkant voorzien van 2 vaste thermokoppels om de temperatuur in de oven te meten. De moffeloven kan slechts langs de voorzijde geopend worden via een speciaal daarvoor voorzien luik. De breedte, hoogte en diepte van de oven bedragen respectievelijk 18, 10 en 30cm. Dit is eerder beperkt zodat met deze oven enkel kleine proefstukken verwarmd kunnen worden.

Figuur 24: Moffeloven


11

In Figuur 2‐5 is de opwarmingssnelheid van de moffeloven weergegeven. Ter vergelijking wordt ook de ISO‐curve op de grafiek geplaatst. In Tabel 2‐3 worden de opwarmingssnelheden voor 3 tijdsintervallen weergegeven. Binnen ieder tijdsinterval kan de opwarmingssnelheid als constant beschouwd worden. 1200 1100 1000

Temperatuur [°C]

900 800 700 600 500 400 300 moffeloven

200

ISO‐curve

100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Tijd [min]

120

130

Figuur 25: Opwarmingscurve moffeloven

Tabel 23: Opwarmingssnelheid moffeloven voor 3 tijdsintervallen

Tijdsinterval [min]

Opwarmingssnelheid [°C/min]

0‐10

42,9

10‐100

8,0

100‐130

1,2

De curve van de moffeloven stijgt, net zoals de ISO‐curve, heel snel gedurende de eerste 15 minuten. Ze bereikt na 15 minuten wel een veel lagere temperatuur dan de ISO‐curve. Daarna stijgt de temperatuur bij de moffeloven sneller dan bij de ISO‐curve, zodat ook de maximumtemperatuur na 120 minuten hoger ligt dan bij de ISO‐curve. Bij de berekening van de equivalente tijdsduur voor de moffeloven t.o.v. de ISO‐curve, geldt dat een opwarming volgens de ISO‐curve gedurende 120 minuten overeenstemt met een opwarming van 130 minuten met de moffeloven. Hieruit kan men besluiten dat beiden curven een behoorlijk gelijkaardig verloop kennen. De opwarmingstijd wordt zodanig gekozen dat een uniforme temperatuur in het proefstuk ontstaat. De maximumtemperatuur bij de moffeloven bedraagt 1160°C.


12

Na opwarming kunnen de proefstukken op 3 totaal verschillende manieren afgekoeld worden. Eerst en vooral is er de koeling in de oven. Concreet betekent dit dat de oven uitgeschakeld wordt en het luik open gezet wordt. De stukken blijven in de oven liggen tot ze de omgevingstemperatuur van 20°C bereiken. De tweede koelingsmethode is de koeling aan de lucht. De proefstukken worden onmiddellijk na de opwarming, bij hun maximale temperatuur, uit de oven gehaald en koelen af aan de lucht tot de omgevingstemperatuur. Koeling in water is de derde koelingsmethode. Na opwarming worden de proefstukken onmiddellijk in een bak met water met een temperatuur van 16°C gelegd. De koeling eindigt wanneer de proefstukken de omgevingstemperatuur bereikt hebben. Waterkoeling wordt toegepast om zo de link te kunnen leggen met het blussen met water van een brand.

2.

Splitoven

De splitoven bestaat uit 2 afzonderlijke ovenhelften die tegen elkaar kunnen geplaatst worden en zo een gesloten cilindrisch geheel vormen (Figuur 2‐6, links). De binnenafmetingen van deze oven, met een diameter van 22cm en een hoogte van 55cm, zijn veel groter dan bij de moffeloven. Deze oven wordt dan ook gebruikt om kubussen met een afmeting van 150x150x150mm te verwarmen. Het is bovendien een heel handig instrument om proefstukken onder drukbelasting te verwarmen (Figuur 2‐6, rechts). De oven wordt als het ware rond de kubussen geplaatst. Om de temperaturen in de oven op te volgen worden 5 mobiele thermokoppels voorzien.

Figuur 26: Splitoven (links) en proefopstelling voor verwarming onder belasting (rechts)


13

Figuur 2‐7 toont het verloop van de opwarmingssnelheid in de splitoven. De grafiek eindigt bij 570°C omdat tijdens de proeven geen hogere temperaturen aangewend worden. Opnieuw wordt, ter vergelijking, de opwarmingscurve van de moffeloven en de

Temperatuur [°C]

ISO‐curve weergegeven. 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

split‐oven moffeloven iso‐curve

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Tijd [min] Figuur 27: Opwarmingscurve splitoven, moffeloven en ISOcurve

De splitoven kent een tragere opwarming dan de moffeloven en de ISO‐curve, maar bij de splitoven is het temperatuurverloop instelbaar. Omwille van de lange verblijftijd speelt de opwarmingssnelheid slechts een geringe rol. De ingestelde opwarmingssnelheid om tot 570°C te komen bedraagt 5°C/min. Tijdens een voorbereidende proef worden kubussen opgewarmd tot 350°C of 550°C, zonder belasting. De temperatuur binnenin de kubussen wordt via thermokoppels opgemeten. Per kubus wordt een thermokoppel zowel in het midden als op ¼ geplaatst. Per proefopstelling worden 2 kubussen boven elkaar opgewarmd. Deze 2 kubussen worden omringd door een stalen koker om de schade aan de oven ten gevolge van spatten van het beton te voorkomen. In Figuur 2‐8 wordt de proefopstelling geschetst.


14

Figuur 28: Proefopstelling splitoven

In Figuur 2‐9 wordt het temperatuurverloop in de kubussen tijdens opwarming tot 570°C weergegeven alsook het verloop van de oventemperatuur en de temperatuur in de zone tussen de kubussen en de stalen mantel. De onderste kubus is uit een traditioneel beton (TC) vervaardigd terwijl de bovenste kubus een hogesterktebeton (HPC) is. De samenstelling van deze betonsoorten kan in Tabel 2‐4 teruggevonden worden. Tabel 24: Betonsamenstelling kubussen

TC

HPC

Zand [kg/m³]

640

650

Grind 2‐8mm [kg/m³]

525

530


700

720

Portlandcement I 52,5 [kg/m³]

350

400

Water [kg/m³]

165

132

Superplastificeerder [l/m³]

‐

16,5

W/C [‐]

0,47

0,33

Druksterkte na 28d [N/mm²]

56,5

77,3


15

600

Temperatuur [°C]

500

400

300 kubus onder,thermo midden 200

kubus onder, thermo 1/4 kubus boven, thermo midden kubus boven, thermo 1/4

100

oven thermo mantel‐kubus

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Tijd [min] Figuur 29: Temperatuurverloop opwarming kubussen

De kubussen worden gedurende 17,5 uren verwarmd. De oven bereikt de temperatuur van 570°C in minder dan 110 minuten. Er valt uit de figuur af te leiden dat de bovenste kubus (HPC) een hogere temperatuur kent van ongeveer 40°C. De reden hiervoor is te vinden in het feit dat de oven bovenaan volledig afgedicht kan worden met isolatie terwijl dit, om praktische redenen, aan de onderzijde niet mogelijk is. Hierdoor ontstaat onderaan een kleine opening waarlangs de warmte gemakkelijk kan ontsnappen. Anderzijds kan uit het gelijkaardige verloop van de curves opgemerkt worden dat de verwarming in het midden en op ¼ van de rand van de kubussen vrij uniform verloopt. Vervolgens wordt ook de afkoeling van beide kubussen onderzocht (Figuur 2‐10 en 2‐11). Dit wordt voor 2 uitersten bepaald namelijk voor luchtkoeling en waterkoeling. De luchtkoeling wordt bekomen door een ventilator op de koker te laten blazen, terwijl de kubus bloot gesteld wordt aan de lucht met een temperatuur van 18°C. Voor de koeling in water wordt de stalen koker samen met de kubussen in een bak met water met een temperatuur van 16°C gelegd.


16

600

Temperatuur [°C]

500 400 300

kubus onder, rand kubus onder, midden kubus boven, rand kubus boven,midden

200 100 0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Tijd [min]

Figuur 210: Luchtkoeling kubussen

600

Temperatuur [°C]

500

400

300

kubus onder, rand kubus onder, midden

200

kubus boven, rand kubus boven,midden

100

0 0

50

100

150

200

250

300

Tijd [min] Figuur211: Waterkoeling kubussen

Zoals te verwachten verloopt de koeling in water veel sneller dan in lucht. Na 65 minuten is de temperatuur van de kubussen in water al gedaald tot 40°C, terwijl dit voor de koeling in lucht pas na 320 minuten optreedt. Bij de grafiek voor waterkoeling (Figuur 2‐11) is er in het begin een horizontaal verloop te merken. Dit is te wijten aan het


17

afbreken van de proefstand en de verplaatsing van de hete kubussen naar de waterbak. Dit deel behoort dus niet tot de eigenlijke koelingsfase. In Tabel 2‐5 wordt de snelheid van respectievelijk het opwarmen en afkoelen van de kubussen uitgezet voor verschillende tijdsintervallen. Tabel 25: Opwarmingssnelheden kubussen

Tijdsinterval

Opwarming

Waterkoeling

Luchtkoeling

[min]

[°C/min]

[°C/min]

[°C/min]

0‐10

0

10,89

2,17

10‐20

0,06

24,44

3,67

20‐30

0,17

10,11

4,33

30‐40

0,44

2,50

4,44

40‐50

0,72

1,28

4,28

50‐60

1,11

0,67

3,89

120‐130

1,94

0

1,67

240‐250

1,27

0

0,44

2.3.2 Overzicht proef bepaling druksterkteverlies Om het sterktegedrag van beton onder opwarming te bestuderen worden er zowel kubussen als cilinders beproefd. De kubussen hebben een afmeting van 150x150x150mm, terwijl de cilinders een diameter van 80mm en een hoogte van 70mm bezitten. Er werden kubussen zowel in traditioneel beton (TC) als in hogesterktebeton (HPC) vervaardigd. De cilinders bestaan uit 12 verschillende mengsels van zelfverdichtend beton (ZVB), waarvan er aan 3 een rood pigment werd toegevoegd [7]. De samenstellingen van HPC en TC worden in Tabel 2‐4 weergegeven. De betonsamenstelling van de cilinders is in Tabel 2‐7 weergegeven.

1. Kubussen De verwarming van de kubussen gebeurt met de splitoven. 2 kubussen worden boven elkaar gezet en tegelijkertijd opgewarmd. Rond de 2 kubussen is een stalen mantel aangebracht ter bescherming van de oven ten gevolge van het spatten van het beton. Een aantal kubussen worden onder een drukbelasting, gelijk aan 20% of 40% van de druksterkte, verwarmd. Daarnaast wordt de koelingsmethode (lucht of water) en de temperatuur (350°C en 550°C) gevarieerd. De koeling bij lucht gebeurt met behulp van een ventilator die op de stalen mantel blaast, terwijl voor de waterkoeling de kubussen, omgeven door de stalen mantel, gedurende 2,5 uur in een bak met water gelegd worden. De bepaling van de druksterkte gebeurt ofwel op 0 dagen ofwel na 28 dagen. Bij de


18

bepaling van de druksterkte na 28 dagen, worden de kubussen bewaard in een ruimte met een omgevingstemperatuur van 20°C±1 en een relatieve vochtigheid van 60%, of in een bak met water. De proefstukken, die verwarmd worden tot 550°C, worden vooraleer opwarming gedurende 2 weken op een temperatuur van 50 tot 70°C gedroogd tot constante massa. Drogen tot constante massa betekent dat het gewichtsverlies na 24u ten gevolge van droging niet meer dan 0,1% van de totale massa mag bedragen. In Tabel 2‐6 wordt een overzicht geschetst van alle gekozen parameters. Tabel 26: Overzicht van de parameters voor de druksterktebepaling van kubussen

Beton

Belasting

Temperatuur

Koeling

Bewaring

HPC

0%

350°C

W

0d,L

HPC

0%

350°C

W

28d,W

HPC

0%

550°C

W

0d,L

HPC

0%

550°C

W

28d,W

HPC

0%

550°C

L

28d,W

HPC

0%

550°C

W

28d,L

HPC

0%

550°C

L

0d,L

HPC

0%

550°C

L

28d,L

TC

0%

550°C

W

28d,W

TC

0%

550°C

L

28d,L

HPC

20% = 354kN

550°C

W

28d,L

HPC

20% = 354kN

550°C

L

0d,L

HPC

20% = 354kN

550°C

L

28d,L

HPC

40% = 746kN

350°C

W

0d,L

HPC

40% = 746kN

350°C

L

0d,L

HPC

40% = 746kN

350°C

L

28d,L

HPC

40% = 746kN

350°C

W

28d,W

HPC

40% = 746kN

550°C

W

0d,L

W=waterkoeling/bewaring in water; L=luchtkoeling/bewaring in lucht


19

Tabel 27: Betonsamenstelling cilinders [5]

2

3

4

5b

7

9

12

13

15

P1

P1BIS

P2

zand 0/4 [kg/m³]

868

791

854

801

822

889

833

805

822

822

822

822

Grind 2/8 [kg/m³]

344

314

338

317

326

352

330

319

326

326

326

326

Grind 8/16 [kg/m³]

426

388

420

393

403

436

409

395

403

403

403

403

CEM I 52,5 [kg/m³]

300

400

360

360

400

300

360

360

‐

360

360

360

CEM III 52,5 [kg/m³]

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

360

‐

‐

‐

Water [kg/m³]

138

183

165

165

165

137

144

198

165

165

165

165

Kalkfiller [kg/m³]

240

240

180

280

200

200

240

240

240

233

233

226

Pigment [kg/m³]

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

7,20

7,20

14,40

P (poeder) [kg/m³]

540

640

540

640

600

500

600

600

600

600

600

600

W/C [‐]

0,46

0,46

0,46

0,46

0,41

0,46

0,40

0,55

0,46

0,46

0,46

0,46

W/P [‐]

0,26

0,29

0,31

0,26

0,28

0,27

0,24

0,33

0,28

0,28

0,28

0,28

C/P [‐]

0,56

0,63

0,67

0,56

0,67

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60


3,50

2,60

2,70

3,04

3,70

3,00

4,00

1,60

2,40

3,48

3,28

3,30


81,90

73,37

80,58

66,23

82,44

81,06

87,39

61,11

86,191

75,40

81,78

79,58

1 Deze druksterkte werd niet na 28 dagen (05/04/05) bepaald maar op 18/05/09

Hoofdstuk 2: Het sterktegedrag van beton bij brand 2.

20

Cilinders

De opwarming van de cilinders gebeurt met de moffeloven. Ieder betonmengsel wordt zowel tot 350°C als 550°C verwarmd. De eindtemperatuur wordt gedurende 4u aangehouden. Voor elke temperatuur en elk mengsel worden er telkens 2 proefstukken voorzien, die tesamen opgewarmd worden. Per opwarmingsbeurt worden er 6 halve cilinders in de oven geplaatst. De proefstukken met dezelfde betonsamenstelling worden naast elkaar geplaatst. De schikking van de stukken in de oven, is op Figuur 2‐12 te zien.

Figuur 212: Schikking proefstukken in moffeloven

Alvorens de proefstukken op te warmen worden ze gedurende 1 week bij een temperatuur van 50 tot 70°C gedroogd tot constante massa. In tegenstelling tot de kubussen, worden deze proefstukken enkel aan de lucht afgekoeld. Nadat de opwarmingsduur verstreken is, worden de cilinders op hun maximale temperatuur uit de oven gehaald met een tang om daarna aan de lucht af te koelen. De druksterktebepaling vindt plaats na 28 dagen bewaring in een ruimte met een temperatuur van 20°C ±1 en een relatieve vochtigheid van 60%.

2.3.3 Resultaten 1.

Kubussen

Tabel 2‐8 vat de resultaten samen van de drukproef uitgevoerd op de verwarmde kubussen. De benaming “boven” en “onder” duidt op de plaats van de kubus in de stalen mantel tijdens de opwarming. Dit betekent concreet dat de onderste kubus aan een lagere temperatuur onderworpen wordt dan de bovenste kubus. Meer informatie hieromtrent is terug te vinden onder 2.3.1. De drukproeven worden uitgevoerd volgens de Belgische Norm NBN B15‐220.


21

Tabel 28: Druksterkte kubussen

Beton Belast.

Temp.

Koeling

Bewaring

[°C]

1

HPC

0%

20°C

L

Referentie

2

HPC

0%

350

W

3

HPC

0%

350

4

HPC

0%

5

HPC

6

Boven

Onder

Gemid.

%

[N/mm²] [N/mm²] [N/mm²]

82,2

‐

82,2

100

0d,L

55,8

50,0

52,9

64,4

W

28d,W

54,3

51,8

53,1

64,6

550

W

0d,L

17,5

31,7

24,6

29,9

0%

550

W

28d,W

34,4

42

38,2

46,5

HPC

0%

550

L

28d,W

47,2

‐

47,2

57,5

7

HPC

0%

550

W

28d,L

40,2

45,6

42,9

52,2

8

HPC

0%

550

L

0d,L

‐

‐

49,3

601

9

HPC

0%

550

L

28d,L

30,5

‐

30,5

37,1

10

TC

0%

550

W

28d,W

‐

30,8

30,8

37,5

11

TC

0%

550

L

28d,L

‐

21,3

21,3

25,9

12

HPC

20%

550

W

28d,L

43,1

47,6

45,4

55,2

13

HPC

20%

550

L

0d,L

52,3

61,1

56,7

69,0

14

HPC

20%

550

L

28d,L

30,4

41,8

36,1

43,9

15

HPC

40%

350

W

0d,L

51,1

53,6

52,4

63,7

16

HPC

40%

350

L

0d,L

74,7

75,0

74,9

91,1

17

HPC

40%

350

L

28d,L

60,0

63,4

61,7

75,1

18

HPC

40%

350

W

28d,W

55,1

54,4

54,8

66,6

19

HPC

40%

550

W

0d,L

STUK

STUK

/

/

1 Deze proef werd niet uitgevoerd. De resultaten worden uit de literatuur [6]overgenomen.

Het streepje bij TC komt doordat 1 kubus TC samen met 1 kubus HPC werd verwarmd. Dit is het geval bij de proef waarbij de opwarmings‐ en afkoelingssnelheid geregistreerd worden. De laatste kolom geeft de procentuele vermindering van de druksterkte weer ten opzichte van het referentiestuk. De kubussen die tot 550°C verwarmd worden, onder een belasting van 40%, hebben de tijdsduur van de proef niet doorstaan. Na 10 uur zijn de kubussen onder de belasting van 746kN bezweken. Uit Tabel 2‐8 kan het volgende opgemerkt worden:

Naarmate de verwarmingstemperatuur hoger is, neemt de druksterkte af.

De belasting heeft weinig invloed op de druksterkte. Voor 0 en 40% belasting, bij een temperatuur van 350°C, een koeling in water en beproeving op 0 dagen (HPC 2 en 15) is er bijna geen verschil in druksterkte te merken. Bij een verwarming tot


22

550°C oefent de belasting een positieve invloed uit op de druksterkte (HPC 7‐12; HPC 8‐13; HPC 9‐14). Dit resultaat wordt ook aangegeven in [4].

Voor een beproeving op 0 dagen oefent de luchtkoeling de meest positieve invloed uit.

Indien de proefstukken in water worden afgekoeld, zorgt de bewaring in lucht na 28 dagen voor het beste resultaat.

De beste resultaten uit de reeks worden verkregen bij beproeving op 0 dagen bij een koeling aan de lucht, terwijl op 28 dagen bij een waterkoeling en een bewaring met blootstelling aan de lucht, ongeacht de belasting bij opwarming.

De druksterkte na 28 dagen, ongeacht de koelings‐ en bewaringsmethode, is duidelijk hoger bij HPC dan bij TC.

2.

Cilinders

De bepaling van de druksterkte van de halve cilinders gebeurt volgens de norm NBN EN 12390‐3. De resultaten van deze drukproef staan in Tabel 2‐9. Voor het betontype ZVB 9 zijn er geen resultaten bij 550°C doordat beide proefstukken tijdens de opwarming zwaar beschadigd werden door spatten en daardoor niet meer konden gedrukt worden. In Figuur 2‐13 wordt de procentuele afname van de drukspanning ten opzichte van de referentie weergegeven. Tabel 29: Druksterkte cilinders

Betontype

20°C [N/mm²]

350°C [N/mm²]

550°C [N/mm²]

ZVB 2

100,3

89,01

47,7

ZVB 3

86,4

49,1

31,6

ZVB 4

78,7

70,21

29,0

ZVB 5b

85,7

46,31

45,0

ZVB 7

97,7

46,71

31,3

ZVB 9

91,8

60,1

‐

ZVB 12

88,5

81,3

52,7

ZVB 13

67,5

59,5

32,7

ZVB 15

70,8

40,6

36,9

ZVB P1

95,9

72,6

51,3

ZVB P1bis

98,0

69,7

43,8

ZVB P2

96,1

71,3

32,61

1 Voor deze betonsamenstellingen is omwille van spatten 1 van de 2 kernen te zwaar beschadigd om nog

gedrukt te kunnen worden.


23

100 90

Reductiefactor van de druksterkte [%]

80 70 60 50 ZVB 2 ZVB 3 ZVB 4 ZVB 5b ZVB 7 ZVB 12 ZVB 13 ZVB 15 ZVB P1 ZVB P1bis ZVB P2

40 30 20 10 0 20

120

220

320

420

520

Temperatuur [°C] Figuur 2‐13: Reductie druksterkte in functie van de temperatuur


24

2.4 Besluit Beton kent een wijziging in structuur wanneer het onderhevig is aan opwarming. Tot 100°C blijven de eigenschappen onveranderd. Vanaf 700° begint het beton zodanig te degraderen dat het zijn samenhang verliest. Ook de druksterkte van het beton neemt af met stijgende temperatuur. Verschillende factoren bepalen de grootte van de druksterkte.

Naast

de

temperatuur

spelen

ook

de

koelingsmethode

en

conserveringsvoorwaarden na afkoeling een niet te onderschatten rol. Daarnaast is ook de betonsamenstelling van belang. Hogesterktebeton (HPC) kent betere sterkte‐ eigenschappen onder verwarming dan traditioneel beton (TC).

Hoofdstuk 3: Kleurwijziging van beton onderhevig aan een brand Ten gevolge van de hitte, veroorzaakt door een brand, ondergaat beton zowel fysische als chemische wijzigingen. Niet alleen de druksterkte ondergaat een wijziging, maar omwille van optredende chemische reacties zal ook de kleur van het beton veranderen. Bij toenemende temperatuur evolueert de kleur bij siliciumhoudend beton van normaal grijs naar roze over witgrijs om bij 1000°C zeemkleurig te worden [1], [4]. Deze wijziging van kleur vormt niet echt een nadeel, integendeel, het is de bedoeling om aan de hand van de kleurbepaling de temperatuur tijdens de brand te bepalen. Hieruit kan dan de resulterende druksterkte bepaald worden (Hoofdstuk 2).

3.1 Beproevingsmethodiek Wanneer

beton

verwarmd

wordt,

ondergaat

het,

afhankelijk

van

de

opwarmingstemperatuur, verschillende fysische en chemische reacties. Onder fysische reacties valt onder meer het verdampen van het vrije en gebonden water. Bij chemische reacties ondergaat het beton een wijziging in moleculaire samenstelling zoals de oxidatie van ijzeroxiden bij een temperatuur van 300°C. Ten gevolge van deze chemische reactie verandert de kleur van grijs naar roze‐rood [1]. Bij nog hogere temperaturen evolueert de kleur van roze‐rood naar witgrijs en uiteindelijk wordt het beton bij een temperatuur van 1100°C zeemkleurig. In dit hoofdstuk wordt de verandering van de kleur onder invloed van de temperatuur bestudeerd voor verschillende betonsoorten. Om de kleur te kunnen bepalen, wordt gebruik gemaakt van een spectrofotometer.

3.1.1 Spectrofotometer De bepaling van de kleur bij de verschillende betonsoorten gebeurt met de X‐Rite SP60 spectrofotometer (Figuur 3‐1). Deze spectrofotometer werkt volgens het CIE‐Lab systeem. Dit systeem werd ontwikkeld om aan kleur een objectieve waarde te kunnen geven. [7]

25

Hoofdstuk 3: Kleurwijziging van beton onderhevig aan een brand

26

Figuur 31: XRite SP60 spectrofotometer

In het CIE‐Lab systeem wordt een kleur weergegeven als een punt in een driedimensionale ruimte, met coördinaten L*, a* en b*. De L*as geeft de helderheid weer: L*=0 betekent zwart, terwijl L*=100 wit voorstelt. De grenzen voor a* en b* variëren tussen ‐60 en +60. De waarde a*=‐60 stelt groen voor, a*=+60 rood. Voor b* gelden de respectievelijke kleuren blauw en geel voor een waarde van b* van ‐60 en +60. De verzameling van alle mogelijke kleuren is niet kubisch, immers iets wat wit is kan niet tegelijkertijd blauw zijn. Er is dus een bepaalde samenhang tussen de maximale en minimale waarden op de drie assen. Figuur 3‐2 toont de samenhang tussen a* en b* volgens het CIE‐Lab systeem. [8]

Figuur 32: Kleur weergegeven in het a*b*vlak van het CIELab systeem [8]


27

De output van de X‐Rite SP60 spectrofotometer bestaat uit één L*‐, a*‐ en b*‐waarde. Naast deze 3 waarden worden ook nog de reflectiewaarden in procent van het zichtbare licht in stappen van 10 nanometer (nm) weergegeven [7]. De grenzen van het zichtbaar liggen voor de mens tussen 380 en 780nm. De kleur van het licht met een golflengte tussen 380nm en 500nm wordt als paars tot blauw ervaren, rond 550nm is het licht groen en licht met golflengten groter dan 620nm wordt als rood gezien [8]. Figuur 3‐3 visualiseert dit. De spectrofotometer geeft de reflectiewaarden weer tussen 400 en 700nm.

Figuur 33: Het spectrum van het voor de mens zichtbare licht [8]

Om de kleurverandering ten gevolge van de stijgende opwarmingstemperatuur te bestuderen, wordt met behulp van de spectrofotometer de kleur gemeten van de cementmatrix. Het oppervlak waarvan in één meting de kleur kan bepaald worden, is een cirkel met een diameter van 0,8cm. Aangezien bij bepaalde betonsoorten de granulaten zodanig dicht bij elkaar zitten, is het niet altijd mogelijk om louter de kleur van de cementmatrix te meten. Daarom worden de granulaten met zwarte inkt gemaskeerd om zo de invloed van de kleurrijke granulaten op het resultaat te beperken. Figuur 3‐4 toont een voorbeeld van een proefstuk, klaar om de kleur op te meten.

Figuur 34: Proefstuk juist vóór kleurmeting (SCC 350°C, luchtkoeling, meting op 0 dagen)


28

3.2 Resultaten uit de literatuur In [9] worden de resultaten voor de kleurwijzigingen beschreven die bekomen worden door de opwarming van zelfverdichtend beton (SCC) en traditioneel beton (TC) tot een temperatuur van 1160°C. Uit een kubus met afmetingen 150x150x150mm worden 2 kernen geboord met een diameter van 80mm. Deze kernen worden daarna in 10 schijven gezaagd, gepolijst en in een oven geplaatst om te drogen tot constante massa. Vervolgens worden telkens 2 proefstukken gedurende 1u opgewarmd (zonder uitwendige belasting) in een moffeloven. Na de opwarming ondergaan de proefstukken een langzame koeling in de oven, waarbij het luik van de oven open staat. Wanneer de proefstukken voldoende afgekoeld zijn, worden ze onmiddellijk beproefd. Figuur 3‐5 toont het verband tussen de a*‐ en b*‐waarden bij een stijgende opwarmingstemperatuur. Het verloop van de kleurwijziging is ellipsvormig voor beide betonsoorten, met uitzondering van de gele tint bij 800°C.

10 290°C

1000°C 250°C

9

350°C 250°C

400°C

200°C

350°C

8

b* [‐]

300°C

1160°C 475°C

150°C

800°C

500°C

7 700°C

20°C 150°C

6

600°C 860°C

5

700°C

SCC

600°C

TC

4 0

0,5

1

1,5 a* [‐]

2

2,5

3

Figuur 35: Evolutie van de a* en b*waarden bij toenemende opwarmingstemperatuur [9]


29

3.3 Testprogramma Om het kleurgedrag van opgewarmd beton te bestuderen, wordt gebruikt gemaakt van verschillende betonsamenstellingen. Aangezien de proefvoorwaarden voor iedere betonsamenstelling min of meer anders zijn, worden deze elk afzonderlijk behandeld. De kleur wordt voor elk mengsel met de X‐Rite SP60 spectrofotometer gemeten.

3.3.1 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor SCC en TC 1.

Proefvoorwaarden

Bij de uitvoering van deze proef wordt gebruik gemaakt van 2 verschillende betonsamenstellingen. Naast het traditioneel beton (TC) worden ook proefstukken uit zelfverdichtend beton (SCC) beproefd. De samenstelling van TC en SCC wordt reeds in Hoofdstuk 2 beschreven. Maar ter vergelijking worden beide samenstellingen nogmaals weergegeven in Tabel 3‐1. Tabel 31: Overzicht betonsamenstellingen

TC

SCC

Zand [kg/m³]

640

782


525

300


700

340


350

400

Water [kg/m³]

165

192

Kalksteenpoeder

‐

300


‐

2,90

W/C [‐]

0,47

0,48


56,5

65,9

De opwarming van de proefstukken verloopt als volgt. In de splitoven (Hoofdstuk 2, 2.3.1‐2) worden 4 halve kubussen gedurende 750 minuten opgewarmd tot respectievelijk 350°C en 550°C. De opwarmingssnelheid wordt hierbij ingesteld op 3,5°C/minuut. Per opwarmingsbeurt worden afwisselend een kubus in TC en SCC op elkaar geplaatst. De SSC proefstukken worden eerst gedurende 3 weken gedroogd tot constante massa in een oven met een temperatuur van 105°C om zo het spatten van het beton te voorkomen. Figuur 3‐6 geeft een schematische voorstelling van de proefopstelling.


30

Figuur 36: Schematische voorstelling van de proefopstelling bij opwarming van TC en SCC

Deze proef heeft tot doel de invloed van de recuringtijd op de kleur na te gaan. Daartoe worden de proefstukken na opwarming gedurende 0, 7, 28 of 56 dagen bewaard aan de lucht met een temperatuur van 20°C en een R.V. van 60% of in een bak met water. Na deze periode worden de proefstukken in een oven op een temperatuur van 60 tot 70°C bewaard. Vervolgens worden de halve kubussen verzaagd tot de proefstukken een afmeting van 75x75x30mm hebben. Deze proefstukken worden daarna in een Pvc‐buis met behulp van epoxy‐lijm vastgezet. Wanneer dit uitgehard is, worden de stukken gepolijst waarna ze opnieuw in een oven met een temperatuur van 60 tot 70°C bewaard worden tot ze op kleur beproefd worden. Deze proefstukken worden na de kleurmeting gezwart en opgevuld met BaSO4 ter bepaling van de porositeit (Hoofdstuk 4). In Tabel 3‐ 2 staat een overzicht van de proefvoorwaarden te lezen. Voor de bepaling van de kleur worden de kleurrijke granulaten met zwarte inkt gemaskeerd zodat hun invloed op het resultaat van de kleurmeting beperkt wordt.

2.

Proefresultaten

Figuren 3‐7 en 3‐8 geven de wijziging van de kleur weer in functie van de recuringperiode en recuringomstandigheden voor TC en SCC. Bij TC verschuift de kleur voor

zowel

een

opwarming

tot

350°C

als

550°C

naar

een

kleinere

a*‐waarde. Deze redenering geldt ook bij SCC, althans voor een opwarming tot 350°C. Bij 550°C wijzigt de kleur niet veel ten opzichte van de initiële curve op 0 dagen.


31

Tabel 32: Overzicht proefvoorwaarden

Beton

Temperatuur

Koeling

Bewaring

Belasting

Aantal

SCC

350°C

L,oven

0d,L

0%

2

SCC

350°C

L,oven

7d,L

0%

2

SCC

350°C

L,oven

28d,L

0%

2

SCC SCC

350°C 350°C

L,oven L,oven

56d,L 0d,W

0% 0%

2 2

SCC

350°C

L,oven

7d,W

0%

3

SCC

350°C

L,oven

28d,W

0%

4

SCC SCC

350°C 550°C

L,oven L,oven

56d,W 0d,L

0% 0%

2 2

SCC

550°C

L,oven

7d,L

0%

3

SCC

550°C

L,oven

28d,L

0%

3

SCC SCC

550°C 550°C

L,oven L,oven

56d,L 0d,W

0% 0%

2 2

SCC

550°C

L,oven

7d,W

0%

3

SCC

550°C

L,oven

28d,W

0%

1

SCC TC

550°C 350°C

L,oven L,oven

56d,W 0d,L

0% 0%

2 2

TC

350°C

L,oven

7d,L

0%

3

TC

350°C

L,oven

28d,L

0%

2

TC TC

350°C 350°C

L,oven L,oven

56d,L 0d,W

0% 0%

3 2

TC

350°C

L,oven

7d,W

0%

3

TC

350°C

L,oven

28d,W

0%

1

TC TC

350°C 550°C

L,oven L,oven

56d,W 0d,L

0% 0%

2 2

TC

550°C

L,oven

7d,L

0%

4

TC

550°C

L,oven

28d,L

0%

4

TC TC

550°C 550°C

L,oven L,oven

56d,L 0d,W

0% 0%

2 3

TC

550°C

L,oven

7d,W

0%

4

TC

550°C

L,oven

28d,W

0%

6

TC

550°C

L,oven

56d,W

0%

6

Hoofdstu uk 3: Kleurw wijziging va an beton on nderhevig a aan een bra and

32 2

10 290°C

1000°C 9

250°C

350° C 350°C

8

b* []

1160°C C 475°°C

7

550° C

TC (literatuurr) T 0 0 dagen Lucht t 7 7 dagen lucht 2 28 dagen Luch ht 5 56 dagen Luch ht 0 0 dagen water r 7 7 dagen Wate er 2 28 dagen Wat ter 5 56 dagen Wat ter

150°C 6

600°°C 8 860°C

5

70 00°C

4 0,0

0,5

1,5 a* []

1,0

2,0

3,0

2,5

Figu uur 37: Evolu utie van de a** en b*waard den voor TC in n functie van de recuringperiode (gepolijst,, in de massa))

11 1

SC CC (literatuur) 0 dagen Lucht 7 dagen lucht 28 8 dagen Lucht 56 6 dagen Lucht 0 dagen water 7 dagen Waterr 28 8 dagen Wateer 56 6 dagen Wateer

10 0

9

b* []

8

300°°C

250°C

350°C C 400°°C

C 200°C

150°C

800°C

7

350° C

C 500°C

20°C

700°C

55 50° C

6

5 600 0°C 4 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

a* [] Figu uur 38: Evolu utie van de a* en b*waard den voor SCC i in functie van n de recuringp periode (gepolijst,, in de massa))


33

3.3.2 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor HPC en TCk 1.

Proefvoorwaarden

Bij deze proef bestaat het doel er in om de wijziging in de kleur onder invloed van de temperatuur te bestuderen. Voor deze proef wordt gebruikt gemaakt van 2 betonsamenstellingen, een hogesterktebeton (HPC) en een traditioneel beton met kalksteenslag (TCk). Tabel 3‐3 geeft hun samenstelling weer. Tabel 33: Overzicht betonsamenstellingen

HPC

TCk

Zand [kg/m³]

650

663


530

‐


720

‐

Kalksteen 2‐6mm [kg/m³]

‐

450


‐

759


400

350

Water [kg/m³]

132

165


16,5

‐

W/C [‐]

0,33

0,47


77,3

60,3

Per betonmengsel worden uit een kubus 2 kernen geboord, die in 10 schijven verzaagd worden, waarna ze gepolijst worden. De gepolijste proefstukken zijn schijfvormig met een diameter van 80mm en hebben een dikte van 20mm. De opwarming gebeurt met de moffeloven (Hoofdstuk 2). Er worden telkens 2 proefstukken per betonsoort verwarmd. De stukken worden plat gelegd om op te warmen. Bovendien worden de proefstukken op een laagje isolatie gelegd zodat ze slechts langs 3 zijden opgewarmd worden. Bij deze proef wordt voor een stapsgewijze opwarming gekozen tussen 50 en 1100°C. Per temperatuurstap worden 2 proefstukken per betonsamenstelling verwarmd. Vooraleer de stukken op te warmen, worden ze gedroogd tot constante massa in een oven met een temperatuur van 60°C. Daarna worden ze gedurende 1 uur op de eindtemperatuur verwarmd. De proefstukken koelen langzaam af in de oven waarbij de deur van de oven open staat. De bepaling van de kleur gebeurt onmiddellijk na het koelen van de opgewarmde proefstukken. Dit betekent een beproeving op 0 dagen en dus zonder enige vorm van recuring. Opnieuw worden de granulaten met zwarte inkt gemaskeerd. Deze proefstukken worden na de kleurmeting volledig zwart gekleurd en


34

opgevuld met BaSO4 ter bepaling van de porositeit (Hoofdstuk 4). Tabel 3‐4 toont een samenvatting van de proefvoorwaarden. Tabel 34: Overzicht proefvoorwaarden

Beton

Temperatuur

Koeling

Bewaring

Belasting

Aantal

HPC/TCk

20°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

150°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

200°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

300°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

350°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

400°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

500°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

600°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

700°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

800°C

L,oven

0d,L

0%

2

HPC/TCk

1000°C

L,oven

0d,L

0%

2

TCk

1100°C

L,oven

0d,L

0%

2

Bij de verwarming tot 1000°C of 1100°C wordt het beton na 1 uur opwarmen roodgloeiend. Figuur 3‐9 toont een paar beelden van de opwarming van TCk tot 1100°C.

Figuur 39: verwarming TCk tot 1100°C

Hoofdstuk 3: Kleurwijziging van beton onderhevig aan een brand 2.

35

Proefresultaten

De Figuren 3‐10 en 3‐11 geven een beeld van de kleurwijzigingen die optreden bij HPC en TCk ten gevolge van een opwarming tot 1000°C. 20°C

1000°C

Figuur 310: Kleurwijziging bij HPC ten gevolge van opwarming tot 1000°C

20°C

1000°C

Figuur 311: Kleurwijziging bij TCk ten gevolge van opwarming tot 1000°C

Figuur 3‐12 stelt het verloop van de kleurwijzigingen bij HPC en TCk voor bij stijgende opwarmingstemperatuur door a* in functie van b* uit te zetten. De beide curven tonen een vrij gelijkaardig elliptisch verloop met een piek rond 300°C voor HPC en 400°C bij TCk. Een minimumwaarde voor a* en b* ligt voor beide betonsoorten rond 700°C. De kleur bij HPC en TCk evolueert van grijs naar een meer roze‐rode tint bij 300°C, respectievelijk 400°C, tot witgrijs bij 700°C om bij 1000°C licht beige (zeemkleurig) te worden (Figuur 3‐10 en Figuur 3‐11).


36

In Figuur 3‐13 wordt een vergelijking gemaakt met het kleurverloop van SCC en TC uit de literatuur [9]. De figuur toont aan dat de gevonden resultaten goed aansluiten bij de resultaten uit de literatuur. 10

1000°C 300°C

9

1000°C 250°C

b* []

8

400°C 500°C

200°C 800°C

150°C

7

200°C

400°C

800°C

6

600°C

700°C 5

350°C

350°C 300°C 250°C

500°C TCk

600°C

150°C

HPC

700°C 4 0

0,5

1

1,5 a* []

2

2,5

3

Figuur 312: b* i.f.v. a* voor TCk en HPC verwarmd tot 1000°C (gepolijst, in de massa)

11 10

1000°C

1000°C

290°C

1000°C

9

300°C 300°C 400°C

b* []

8

150°C 150°C

7

700°C

150°C

6

SCC TC TCk HPC

150°C 700°C

5

700°C 700°C

4 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

a* [] Figuur 313: b* i.f.v. a* voor SCC, HPC, TC en TCk verwarmd tot 1000°C (gepolijst, in de massa)


37

3.3.2 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor ZVB 1.

Proefvoorwaarden

PROEF 1: gezaagde schijven, kleur in de massa Naast de bepaling van de kleurwijziging bij SCC, HPC en TCk zijn nog extra proefstukken uit zelfverdichtend beton (ZVB) onderzocht. De betonsamenstelling van de verschillende mengsels ZVB kan terug gevonden worden in Hoofdstuk 2, Tabel 2‐7. Bij 3 van de 12 mengsels wordt aan de betonsamenstelling een rood pigment toegevoegd. De kleurbepaling gebeurt voor verschillende temperatuurstappen tot een maximale temperatuur van 600°C bereikt wordt. De proefstukken bestaan uit schijven met een diameter van 80mm en een dikte van 10mm. Deze schijven worden gezaagd uit kernen die uit een prisma geboord worden. Alvorens ze op te warmen, worden de proefstukken 1 week in een oven op 60°C gedroogd tot constante massa. Per temperatuurstap worden er 2 proefstukken van eenzelfde mengsel gedurende 2u op eindtemperatuur verwarmd. De schijven worden rechtstaand in de moffeloven opgewarmd, zoals afgebeeld in Figuur 3‐14, zodat er per opwarmingsbeurt 12 stukken verwarmd worden.

Figuur 314: Proefopstelling verwarming proefstukken ZVB (gezaagd, in de massa)

De koeling gebeurt op 2 manieren. Per temperatuursstap is er zowel een koeling aan de omgevingslucht als in water. Voor de kleurbepaling wordt echter enkel gebruik gemaakt van de aan de lucht gekoelde monsters. De in water gekoelde proefstukken worden, samen met de luchtgekoelde, gebruikt bij de bepaling van de porositeit met behulp van wateropslorping onder vacuüm (Hoofdstuk 5). Na afkoeling worden de proefstukken onmiddellijk op kleur getest. Aangezien zelfverdichtend beton minder granulaten bevat dan traditioneel beton, is er meer


38

cementmatrix tussen de granulaten om de kleur te meten waardoor het onnodig is de granulaten zwart te maskeren. Tabel 3‐5 vat de proefvoorwaarden voor 1 mengsel schematisch samen. De resultaten van deze proef zijn terug te vinden in de Figuren 3‐16, 3‐17, 3‐19 en 3‐20. Tabel 35: Overzicht proefvoorwaarden per mengsel ZVB

Beton

Temperatuur

Koeling

Bewaring1

Belasting

Aantal

ZVB

60°C²

REFERENTIE

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

100°C

L, oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

100°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

200°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

200°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

300°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

300°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

400°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

400°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

500°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

500°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

600°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

600°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

1 Met bewaring wordt bedoeld dat de proefstukken in een oven op 70°C geplaatst worden tot wanneer ze

beproefd worden op porositeit (Hoofdstuk 5) ² De proefstukken worden op 60°C gedroogd tot constante massa vooraleer ze beproefd of verwarmd

worden.

PROEF 2: gefreesde schijven, kleur aan het oppervlak Uit de resten van de prisma’s worden proefstukken gezaagd met een afmeting van 50x50x20mm. Deze proefstukken worden zodanig gezaagd dat een deel van het zijvlak van de kubus tot het proefstuk behoort. Dit vlak wordt daarna met een galvanoschijf bewerkt. Met de galvanoschijf wordt een millimeter van het proefstuk gefreesd zodat een ruw oppervlak bekomen wordt. Deze bewerking kan tevens gebruikt worden voor kleurmeting van een beroete betonconstructie na een brand. De proefstukken worden rechtstaand verwarmd gedurende 30min in de moffeloven. Telkens wordt hetzelfde proefstuk verwarmd in stappen van 100°C, tot de maximale temperatuur van 600°C bereikt wordt. Vervolgens worden ze aan de lucht gekoeld. Per proefstuk worden 4 kleurmetingen verricht verspreid over het gefreesde oppervlak. Figuur 3‐15 toont een voorbeeld van een proefstuk met de galvanoschijf bewerkt. De resultaten zijn terug te vinden in de Figuren 3‐21, 3‐22, 3‐23, 3‐24.


39 9

Figuur 31 15: ZVB 2 bew werkt met de g galvanoschijff

2.

Proe efresultaten n

PROEF 1 1: gezaagdee schijven, kleur in dee massa In Figuu ur 3‐16 en Figuur 3‐17 7 is het verloop van alle a mengseels ZVB respectievelijk k zonder en met toevo oeging van p pigment weeergegeven. D De afgebeeld de curve in F Figuur 3‐19 9 is het geemiddelde van v alle variianten ZVB,, weliswaar zonder de ZVB’s met pigmenten.. Deze worrden afgebeeeld in Figuu ur 3‐20. Er wordt vastgestelld dat voorr ZVB zond der pigmentt eveneens een elliptissch verloop p n wordt, meet een piek rrond 300°C‐‐400°C. De p proefstukkeen met pigm ment kennen n gevonden eveneenss een kromllijnig verloo op tot 300°C C gelijkaard dig aan dezee voor de ZV VB’s zonderr pigment. Hierbij neemt de rod de kleur lich ht toe. Vanaaf 300°C is een lineairre daling tee v de a*‐b b*‐curve. Dit betekent dat ten gev volge van dee opwarmin ng het rood d merken van pigment verdwijnt. Figuur 3‐18 8 illustreertt dit voor een onverwaarmd proefsstuk en een n stuk opgeewarmd tott 600°C. 8 7

b* []

300°C C

300°C

6

ZVB 2 2 ZVB 3 3 ZVB 4 4 ZVB 5 5b ZVB 7 7 ZVB 9 9 ZVB 1 12 ZVB 1 13 ZVB 1 15

5 20°C

4

60 00°C

3 0

0,5

1

1,5

a* []

2

2,5

Figuur 3 316: b* i.f.v. a a* voor ZVB zo onder pigmen nt verwarmd t tot 600°C (gezzaagd, kleur in n de massa)


40

9 300°C

8,5

300°C 300°C

8

b* []

20°C

20°C

7,5 7

20°C 6,5 600°C

6

600°C ZVB P1 ZVB P1bis

600°C

5,5

ZVB P2

5 8

9

10

a* []

11

12

13

Figuur 317: b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa)

20°C

600°C

Figuur 318: Links: ZVB P2 onverwarmd, rechts: ZVB P2 verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa)

8 7,5

300°C

7

400°C

b* [‐]

6,5 200°C

6

500°C

5,5 5

100°C

4,5

20°C

ZVB 600°C

4 0

0,5

1 a* [‐]

1,5

2

Figuur 319: Gemiddelde waarden voor b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur in de massa)


41

9 8,5 8

3 300°C 200°C C 100°C

400°C

b* [] b [ ]

7,5

20°C

7

500°C

6,5 6

600°C

ZV VB‐pigment

5,5 5 9

8

10

12

11 a* []

14 1

13

Figuur 320: Gemidde elde waarden voor b* i.f.v. a a* voor ZVB m met rood pigm ment verwarm md tot 600°C (gezaagd, kle eur in de masssa)

PROEF 2 2: gefreesde schijven, kleur aan h het opperv vlak In de Figguren 3‐21 en 3‐22 wo orden de reesultaten geetoond van de kleurmeeting op hett oppervlaak van de gefreesde pro oefstukken. IIn de Figureen 3‐23 en 3 3‐24 zijn de gemiddeldee waarde v voor a* en b* weergegev ven voor de ZVB’s zond der en met pigment weeergegeven. Deze stuk kken kennen een gelijk kaardig verlo oop als de proefstukken n waarbij dee kleur in dee massa geemeten worrdt (Figuren n 3‐16 en 3‐17). De ZVB B’s zonder p pigment doo orlopen een n elliptisch h pad met een piek bij b 300°C. De D betonsam menstellinggen met roo od pigmentt kennen tot t een tem mperatuur van v 300°C een toenam me van de a*‐ en b*‐w waarde watt resulteerrt in een ro odere kleur.. Vanaf 300 0°C is een liineaire afnaame van dee a*‐ en b*‐‐ waarden n te merken. 8

300°C

b* [] b []

7 ZVB 2 ZVB 3 ZVB 4 ZVB 5b b ZVB 7 ZVB 9 ZVB 12 2 ZVB 13 3 ZVB 15 5

6 20°C C 5 600°C 4 3 0

0,5

1

a* []

1,5

2

Figuur 321: b* i.f.v. a* voor ZVB z zonder pigme ent verwarmd d tot 600°C (ge ezaagd, kleur aan het oppervlak)

2,5


300°C

11 10

300°C

9 b* []

42

20°C

20°C 300°C

8

20°C 7

ZVB P1 ZVB P1bis ZVB P2

600°C 600°C

6

600°C

5 8

9

10

a* []

11

12

13

b* []

Figuur 322: b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak)

8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3

300°C 200°C 20°C

100°C

400°C 500°C 600°C

0

0,5

1 a* []

ZVB 1,5

2

Figuur 323: Gemiddelde waarde voor b* i.f.v. a* voor ZVB zonder pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak)

10 300°C

9,5 9

200°C 100°C 20°C

b* []

8,5 8

400°C

7,5 7 6,5

ZVB‐pigment

500°C 600°C

6 8

9

10 a* []

11

12

Figuur 324: Gemiddelde waarde voor b* i.f.v. a* voor ZVB met pigment verwarmd tot 600°C (gezaagd, kleur aan het oppervlak)


43

3.3.3 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor beton met vliegas en hoogovenslak 1.

Proefvoorwaarden

Het doel van deze proef bestaat er in na te gaan welke invloed vliegas en hoogovenslak uitoefent op de kleurverandering tengevolge van opwarming. Daartoe worden er 7 verschillende betonsamenstellingen met vliegas (FA) en 4 samenstelling met hoogovenslak (S) beproefd. Ter vergelijking wordt eveneens 1 proefstuk uit traditioneel beton beproefd. De samenstellingen worden in Tabel 3‐6 weergegeven. De proefstukken worden uit kubussen van 150x150x150mm gezaagd en hebben een afmeting van 100x50x20mm. De kubus wordt op een zodanige manier verzaagd dat er een stuk van het zijvlak van de kubus in het proefstuk vervat zit. Dit vlak wordt vervolgens met de galvanoschijf bewerkt. In Figuur 3‐25 wordt dit proefstuk afgebeeld, klaar voor opwarming. Aangezien er enkel cementmatrix aan het oppervlak aanwezig is, dienen geen granulaten gemaskeerd te worden. Per proefstuk worden 6 metingen uitgevoerd, telkens op dezelfde plaats. De proefstukken worden, net zoals in Proef 2 van 3.3.3, gedurende 30 min verwarmd tot een temperatuur van 600°C. Telkens wordt hetzelfde proefstuk in stappen van 100°C verwarmd tot de eindtemperatuur bereikt wordt. De proefstukken koelen langzaam af aan de lucht vooraleer de kleurmeting van start gaat.

Figuur 325: Proefstuk (FA7) bewerkt met de galvanoschijf

Tabel 36: Betonsamenstelling gefreesde proefstukken

FA 1

FA 2

FA 3

FA 4

FA 5

FA 6

FA 7

S0

S50

S70

S85

TC

Zand 0/4 [kg/m³]

686

668

660

652

668

660

660

791

788

787

785

640

Grind 2/8 [kg/m³]

451

437

432

427

437

432

432

425

423

423

422

525

Grind 8/16 [kg/m³]

694

678

668

660

678

668

668

618

616

615

614

700

CEM I 52,5 [kg/m³]

400

260

200

132

260

200

200

350

174

104

52

350

Vliegas [kg/m³]

0

140

200

268

140

200

200

‐

‐

‐

‐

‐

Water [kg/m³]

160

160

160

160

160

160

160

175

174

174

174

165

Hoogovenslak [kg/m³]

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

0

174

244

295

‐

Percentage vliegas t.o.v. totaal poeder [%]

0

35

50

67

35

50

50

‐

‐

‐

‐

‐

Percentage hoogovenslak t.o.v. totaal poeder [%]

‐

‐

‐

‐

‐

‐

‐

0

50

70

85

‐

Hoofdstuk 3: Kleurwijziging van beton onderhevig aan een brand 2.

45

Proefresultaten

Figuur 3‐26 toont het verloop van de kleur bij stijgende opwarmingstemperatuur voor een beton samengesteld uit vliegas, waarbij de procenten in de legende duiden op de aanwezige hoeveelheid vliegas t.o.v. de totale hoeveelheid vliegas en cement. Uit de figuur valt af te leiden dat het kleurverloop ditmaal geen elliptisch, maar een lineair verloop kent. Dit lineair verloop wordt gekenmerkt door een daling van de b*‐waarde bij een temperatuur van 400°C. FA 1 bezit geen vliegas en is, wat de betonsamenstelling betreft, vergelijkbaar met een traditioneel beton. Door het toevoegen van vliegas ontstaat er, bij toenemende temperatuur, een rodere kleur. 9

600°C 600°C

8

600°C

400°C 7

b* []

20°C

400°C

20°C

400°C

300°C

600°C 600°C

20°C 6

20°C

600°C

400°C

5

FA 1 (0%) FA 2 (35%) FA 3 (50%) FA 4 (67%) FA 5 (35%) FA 6 (50%) FA 7 (50%)

400°C

400°C 20°C 4

20°C 600°C

20°C 3 0

0,5

1

1,5

2

2,5

a* []

3

Figuur 326: Evolutie van de kleur bij opwarming van beton met FA tot 600°C (gefreesd, kleur aan het oppervlak)

Het verloop van de kleur bij beton met hoogovenslak verloopt elliptisch waarbij opnieuw een piek bij 300°C voorkomt (Figuur 3‐27). Het is niet zo dat hoe meer hoogovenslak verwerkt zit in het beton, hoe roder de kleur wordt bij 300°C. S50 kent een rodere kleur dan S0 en S85. S85 kent op zijn beurt dan weer een rodere kleur dan S0. Beton met hoogovenslak kent wel in het algemeen een meer verzadigde kleur dan traditioneel beton. Tussen de betonsoorten met hoogovenslak treedt een verschuiving op onder een hoek van 45°, naar de rechterbovenhoek van de grafiek.


46

8 300°C 300°C

7,5

300°C

7

300°C 20°C 20°C

b* []

6,5

300°C 600°C

20°C

6

600°C 20°C

5,5 5

20°C

S0 S50 S70 S85 TC

600°C

4,5 600°C 4

600°C

3,5 0

0,5

1

1,5 a* []

2

2,5

3

Figuur 327: Evolutie van de kleur bij opwarming van beton met S tot 600°C (gefreesd, kleur aan het oppervlak)

3.3.4 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor gecarbonateerd beton 1.

Proefvoorwaarden

Carbonatatie is een chemische reactie waarbij koolstofdioxide (CO2) reageert met calciumhydroxide (Ca(OH)2) waarbij onoplosbaar calciumcarbonaat (CaCO3) wordt gevormd. Daarvoor zal de koolstofdioxide eerst in water oplossen. De reacties zien er als volgt uit:

2

In de bouwkunde treedt carbonatatie van nature op in beton. Tijdens de verharding van het beton ontstaat calciumhydroxide uit cement. Dit reageert met koolstofdioxide uit de atmosfeer. Calciumhydroxide zorgt voor het alkalisch milieu in het beton en beschermt zo het wapeningsstaal. Door de carbonatatiereactie daalt de pH‐waarde uiteindelijk tot onder de 8 à 9, waardoor corrosie van de wapening (betonrot) mogelijk wordt [10], [11]. De graad van carbonatatie kan opgespoord worden door het proefstuk met fenolftaleïne te besproeien. Het fenolftaleïne, die omslaat bij een pH tussen 8,3 en 10, reageert met het calciumcarbonaat en laat daardoor een paarse kleur na. De breedte van de ongekleurde


47

zone bepaalt de carbonatatiediepte in het proefstuk. Figuur 3‐28 toont de met fenolftaleïne beproefde stukken in TC en SCC.

Figuur 328: SCC (links) en TC (rechts) met fenolftaleïne behandeld ter bepaling van de carbonatatiediepte

De proefstukken zijn uit traditioneel (TC) en zelfverdichtend beton (SCC) vervaardigd. Voor de betonsamenstelling kan Tabel 3‐1 geraadpleegd worden. De stukken werden in een carbonatatiekast geplaatst om zo een snellere carbonatatiereactie te bekomen. Deze gecarbonateerde proefstukken worden met de galvanoschijf bewerkt. De proef‐ en opwarmingsvoorwaarden zijn identiek aan deze uit 3.2.4.

2.

Proefresultaten

In Figuur 3‐29 is de evolutie van de kleur van gecarbonateerd beton, gemeten op het gefreesde oppervlak, weergegeven. Ter vergelijking wordt ook de kleurwijziging bij een niet gecarbonateerd en met de galvanoschijf bewerkte proefstuk uit TC afgebeeld. De gecarbonateerde proefstukken kennen een gelijkaardig verloop als het niet gecarbonateerd proefstuk. Bij 300°C is opnieuw een piek te merken, deze piek kent een veel rodere kleur dan bij het niet gecarbonateerd proefstuk. Het kleurverschil tussen het gecarbonateerd TC en SCC is vrij miniem. In feite treedt een horizontale verschuiving op bij het gecarbonateerd beton t.o.v. het jonge niet gecarbonateerde beton.


48

9 300°C 300°C

8

300°C

b* []

7

20°C

6 20°C 5

20°C 600°C

4

600°C

600°C

1

1,5

SCC‐carbonatatie TC‐carbonatatie TC

3 0

0,5

2

2,5

a* [] Figuur 329: Evolutie van de kleur voor gecarbonateerd beton (gefreesd, kleur aan het oppervlak)


49

3.4 Besluit Het verloop van de kleurwijziging, onder invloed van een opwarming, kan weergegeven worden in een a*b*‐diagram. De kleur wordt opgemeten met de X‐Rite SP60 spectrofotometer volgens het CIE‐Lab systeem. Bij het uitzetten van het kleurverloop in functie van de temperatuur treedt er voor alle betonsamenstellingen (HPC, TCk, ZVB, S, gecarbonateerd beton), met uitzonderlijk van FA, steeds een elliptisch verloop op. Dit kleurverloop wordt gekenmerkt door een piek bij een temperatuur van 300°C. Deze piek gaat gepaard gaat met een verandering van de kleur naar rood. Deze temperatuur is niet toevallig aangezien bij 300°C de ijzerhoudende verbindingen oxideren, die zo voor een rode kleur zorgen. Bij beton met hoogovenslak is een verschuiving van de curve te merken onder een hoek van 45°, waarbij de waarde voor a* en b* stijgt. Deze redenering geldt ook bij gecarbonateerd beton maar hier verloopt de verschuiving horizontaal. Beton met vliegas in verwerkt, wijkt af van het elliptisch verloop. Bij dit beton verloopt de relatie tussen a* en b* lineair waarbij een daling van de b*‐waarde te merken is bij een temperatuur van 400°C.

Hoofdstuk 4: Bepaling van de porositeit met BaSO4 van beton onderworpen aan brand Wanneer beton verwarmd wordt, krimpt de cementpasta terwijl de granulaten uitzetten. Door dit verschil in uitzetting ontstaan er fijne scheurtjes en stijgt de porositeit van het beton. In dit hoofdstuk wordt de verandering van de porositeit van beton onderzocht. Om deze wijziging te kunnen begroten wordt gebruik gemaakt van de fijne vaste stof bariumsulfaat (BaSO4). Met deze methode worden enkel de scheurtjes en poriën in rekening gebracht die aan het oppervlak van de proefstukken aanwezig zijn.

4.1 Beproevingsmethodiek In dit hoofdstuk wordt de wijziging in porositeit aan het oppervlak ten gevolge van de opwarming bepaald. Hiervoor maken we gebruik van de chemische vaste stof bariumsulfaat (BaSO4), een kleurenscanner en het softwareprogramma Image Tool.

4.1.1 Voorbereiding proefstukken Vooraleer de proefstukken beproefd kunnen worden, dienen ze eerst nog voorbereid te worden. Uit 2 kubussen met afmeting 150x150x150mm worden 4 kernen geboord met een diameter van 80mm. Vervolgens worden deze kernen gezaagd in 10 gelijke schijven met een dikte van ± 15mm. Om de granulaten en het contrast met de cementmatrix goed zichtbaar te maken, wordt het proefstuk vóór opwarming langs 1 zijde gepolijst. Figuur 4‐1 toont kleurenscans van gepolijste proefstukken juist vóór opwarming. Figuur 41: Voorbeeld gepolijste proefstukken vóór opwarming: TCk (links) en HPC (rechts)

50

Hoofdstuk 4: Bepaling van de porositeit met BaSO4 van beton onderworpen aan brand

51

Om een betrouwbaar resultaat uit Image Tool (4.1.3) te kunnen halen, moet er een duidelijk contrast heersen tussen de scheurtjes, poriën en de cementpasta. Daarom wordt het monster volledig zwart gekleurd met behulp van een viltstift. Vervolgens worden de scheuren en poriën opgevuld met bariumsulfaat (BaSO4). Dit is een fijn wit poeder met een deeltjesgrootte kleiner dan 2µm. Het opvullen gebeurt met een rubberen stamper, waarmee in alle richtingen een draaiende drukkende beweging wordt gemaakt. Na het inbrengen van BaSO4, wordt het overtollige poeder met de vingers verwijderd. Vervolgens wordt met een zacht doek over het proefstuk gewreven tot er een scherp contrast ontstaat tussen de poriën en de cementpasta. In Figuur 4‐2 is een afgewerkt proefstuk afgebeeld, waarbij rechts een uitvergroting van een stuk uit het linkerbeeld te zien is. De fijne scheurtjes en de luchtporiën, gevuld met BaSO 4, zijn duidelijk zichtbaar.

Figuur 42: Voorbeeld van een voorbereid proefstuk na opwarming tot 800°C (HPC)

4.1.2 Kleurenscanner Een eerste stap in de beproeving is het inscannen van het proefstuk met een Canoscan LiDE 70 kleurenscanner.

Figuur 43: Kleurenscanner: Canoscan LiDE 70


52

De instellingen worden aangepast zodat er in grijswaarden gescand wordt met een resolutie van 600 dpi. Ten gevolge van deze resolutie is de minimale scheurwijdte die opgemeten kan worden gelijk aan 50 µm. De gebruikte instellingen van de scanner staat te lezen in Figuur 4‐4.

Figuur 44: Instellingen kleurenscanner Canoscan LiDE 70

4.1.3 Image Tool UTHSCSA Image Tool is ontwikkeld aan de University of Texas Health Science Center at San

Antonio,

Texas

en

is

http://ddsdx.uthscsa.edu/dig/download.html.

vrij Het

te is

downloaden een

op

standaard

beeldverwerkingsprogramma waarmee het mogelijk is om uitgaande van een gescande foto de porositeit aan het oppervlak te bepalen. Na het inladen van de fotoscan van het proefstuk wordt een binair beeld gemaakt. Dit binair beeld bestaat slechts uit de kleuren wit en zwart, grijswaarden komen er niet in voor. Om dit binair beeld te verkrijgen, dient een gepaste threshold ingesteld te worden op de fotoscan (Figuur 4‐5).


53

2

1

Figuur 45: Voorbeeld threshold van een gescand proefstuk

Figuur 4‐5 toont het verloop van de zwarte en witte pixels in functie van de thresholdwaarde. Het verloop kent 2 pieken. De piek met nummer 1 duidt op de zwart ingekleurde pixels en doelt op de granulaten, terwijl de tweede piek de witte pixels afkomstig van de met BaSO4 gevulde luchtbellen en scheuren vertegenwoordigt.

1.

Instellen thresholdwaarde

Zoals uit het onderstaande zal blijken, is het niet evident om de grenzen voor de threshold te kiezen. De instelling ervan is immers heel subjectief. Het doel van deze methode bestaat er in om de porositeit aan het oppervlak van het proefstuk te bepalen. Bijgevolg moeten na het instellen van de thresholdwaarde enkel de scheurtjes en poriën zichtbaar blijven. Bij het instellen van de threshold kan de verandering op het ingescande proefstuk gevolgd worden. Figuur 4‐6 a, b, c, d en e tonen een paar voorbeelden van het effect van het instellen van verschillende grenzen voor de threshold, bij een proefstuk bestaande uit hogesterktebeton beproefd onmiddellijk na opwarming (zonder uitwendige last) tot 700°C.

Figuur 46a: Ingescand proefstuk HPC, verwarmd tot 700°C


54

Figuur 46b: Instelling grenzen threshold (44255)

In Figuur 4‐6b wordt nog te veel zwart (cementmatrix) in rekening gebracht. Een porositeit van 61% is een veel te hoge waarde en bijgevolg een overschatting.

Figuur 46c: Instelling grenzen threshold (78255)

In Figuur 4‐6c wordt de cementmatrix maar slechts ten dele in rekening meer gebracht. De focus ligt hier voornamelijk op de scheuren maar de randen zijn echter nog niet scherp genoeg. De porositeit bedraagt 14%, wat al een stuk lager ligt dan bij Figuur 4‐6b.


55

Figuur 46d: Instelling grenzen threshold (92228)

Figuur 46e: Instelling grenzen threshold (128221)

In Figuren 4‐6d en 4‐6e is al een duidelijkere afbakening van de scheuren t.o.v. de cementmatrix te merken. De randen van de scheuren worden scherp afgebeeld. Bovendien worden de grote poriën en de ontbrekende granulaten ten gevolge van het spatten van het beton niet in rekening gebracht bij de bepaling van de porositeit. Op basis van de ingestelde thresholdgrens worden voor de Figuren 4‐6d en 4‐6e sterk verschillende waarden voor de porositeit bekomen, respectievelijk 8,39% en 3,58%. Welk beeld, Figuur 4‐6d of e, uiteindelijk dient gekozen te worden, is persoonsgebonden. Voor de ene persoon zal Figuur 4‐6d de beste benadering vormen, terwijl voor een ander het Figuur 4‐6e zal zijn. Hierin ligt juist de subjectiviteit van deze methode. Het uiteindelijke beeld ligt altijd net na de eerste piek voor de linkergrens en net voor de tweede piek voor de rechtergrens. Maar daartussen is er een ruime marge aan mogelijkheden, met een sterk verschillende waarde voor de porositeit, zoals blijkt uit de Figuren 4‐6d en 4‐6e.


56

Figuur 46f: Binair beeld voor ingestelde threshold (128221)

Figuur 4‐6f toont het binair beeld verkregen door de ingestelde threshold van Figuur 4‐ 6e. Dit binair beeld benadert vrij goed het oorspronkelijke beeld (Figuur 4‐6a), rekening houdend dat de zwarte pixels het witte BaSO4 voorstelt. De software bepaalt het porositeitsgetal in procent door het aantal witte pixels te tellen ten opzichte van het totaal aantal pixels in het binair beeld (Figuur 4‐6f). Dit porositeitsgetal is eveneens gelijk aan de verhouding van de oppervlakte onder de kromme gelegen tussen de ingesteld thresholdwaarden (rood gedeelte) tot de totale oppervlakte onder de kromme (Figuur 4‐7).

Figuur 47: Histogram voor ingestelde threshold (128221)

Uiteindelijk kan uit het bovenstaande afgeleid worden dat het instellen van de threshold onderhevig is aan de menselijke interpretatie van het beeld en bijgevolg heel subjectief is. Iedereen die de threshold correct instelt, zal min of meer het juiste beeld benaderen maar geen enkel beeld zal dezelfde waarde voor de porositeit opleveren. Dit kan zeker de bedoeling niet zijn van deze methode waardoor er voor een andere werkwijze gekozen dient te worden.


57

Bij instelling van de threshold bij proefstukken opgewarmd op een verschillende temperatuur liggen de grenzen van de linkerpiek ongeveer altijd tussen 80 en 100. De rechterpiek varieert van proefstuk tot proefstuk. Daarom wordt geopteerd om de threshold per proefstuk in te stellen voor de grenzen 80‐255, 90‐255 en 100‐255 en daaruit het gemiddelde voor de porositeit te bepalen. Voor de rechtergrens wordt 255 gekozen, omdat zo alle bijkomende kleine holtes ten gevolge van de opwarming ook in rekening gebracht worden.


58

4.2 Resultaten uit de literatuur In de literatuur zijn uiteenlopende bronnen terug te vinden die de porositeit in functie van de temperatuur bestuderen. Figuur 4‐8 en 4‐9 tonen respectievelijk het verloop van de porositeit in functie van de opwarmingstemperatuur als in functie van de druksterkte na opwarming [9], [12]. 45 40

Totale porositeit [%]

35 30 25 20 15 TC SCC Guise

10 5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temperatuur [°C]

Figuur 48: Porositeit in functie van de opwarmingstemperatuur [9],[12]

45 40 Totale porositeit [%]

35 30 25 TC 20

SCC

15 10 5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

fc(θ)/fc(θ0) [] Figuur 49: Porositeit in functie van de druksterkte [9]

1

1,2


59

De curve in Figuur 4‐8 vertoont een constant verloop tot een welbepaalde overgangstemperatuur, welke afhankelijk is van het type beton. Voor traditioneel beton bedraagt deze 190°C, terwijl dit voor zelfverdichtend beton op 380°C ligt. Vanaf deze temperatuur stijgt de porositeit bijna lineair met de temperatuur [5]. Hetzelfde verloop werd ook door Guise gevonden voor een beton met “Thames Valley granulaten”, doch met andere hoek voor het lineaire stuk [12]. Het verschil in overgangstemperatuur kan te wijten zijn aan het feit dat er in SCC minder granulaten verwerkt zitten. Door het kleiner gehalte aan granulaten is er een kleiner contactoppervlak tussen de granulaten en de cementmatrix. Hierdoor treedt op een kleinere oppervlakte een verschil in thermische uitzetting op waardoor er in totaal minder scheurtjes ontstaan. De helling van de lineair stijgende lijnstukken is vrij gelijkaardig voor beide betonsoorten. Deze is afhankelijk van de testcondities zoals de grootte van het proefstuk, de opwarmingssnelheid, de opwarmingsduur, koelingsmethode,… [9] Figuur 4‐9 toont de relatie tussen de porositeit en het verlies aan druksterkte ten gevolge van de opwarming. Er kan duidelijk opgemerkt worden dat de druksterkte afneemt bij stijgende porositeit. Bij opwarming beneden de overgangstemperatuur neemt de porositeit ook toe omwille van diverse redenen zoals het verlies van het water, de vorming van ettringiet en het begin van de ontbinding van tobermoriet‐gel (CSH). Deze porositeitstoename kan niet gemeten worden daar de scanresolutie enkel scheurtjes groter dan 50 micrometer kan weergeven [9]. [12] vermeldt in haar werk dat de overgangstemperatuur aanzien kan worden als het moment waarop de sterkteafname start.


60

4.3 Testprogramma 4.3.1 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor TC en SCC 1.

Proefvoorwaarden

Het doel van deze proef bestaat er in om de evolutie van de porositeit te onderzoeken in functie van de recuringperiode. Hierbij wordt gebruik gemaakt van traditioneel (TC) en zelfverdichtend beton (SCC). De samenstelling van beide betonsoorten is terug te vinden in Tabel 4‐1. Tabel 41: Overzicht betonsamenstellingen

TC

SCC

Zand [kg/m³]

640

782


525

300


700

340


350

400

Water [kg/m³]

165

192

Kalksteenpoeder

‐

300


‐

2,90

W/C [‐]

0,47

0,48


56,5

65,9

De proefstukken worden in de splitoven gedurende 750 minuten tot 350°C of 550°C verwarmd. Na verwarming ondergaan ze gedurende 0, 7, 28 of 56 dagen een recuring aan de lucht of in een bak met water. Na deze recuringperiode worden de proefstukken bewaard in een oven op 60‐70°C tot wanneer ze beproefd worden. Voor meer details omtrent de opwarmings‐ en de proefvoorwaarden wordt verwezen naar Hoofdstuk 3, paragraaf 3.3.1.

2.

Proefresultaten

In Figuur 4‐10 is de porositeit weergegeven in functie van het aantal dagen recuring voor de betonsoorten TC en SCC. De porositeit van TC is telkens hoger dan bij SCC, onafhankelijk van de opwarmingstemperatuur en bewaringsmethode. Deze hogere porositeit is te wijten aan het hoger percentage granulaten bij TC dan bij SCC. Voor de 4 verschillende beproevingsmethodes is er een gelijkaardig verloop te merken tussen TC en SCC.


61

De proefstukken die tot 350°C opgewarmd worden, kennen niet echt een wijziging in porositeit. Een lichte wijziging bij TC kan wel opgemerkt worden, maar deze is vrij miniem. Het feit dat de curve voor SCC 350°C water en TC 350°C lucht een kromlijnig verloop kent, is eerder te wijten aan een verschil in aantal luchtbellen van de verschillende proefstukken (Figuur 4‐11). Bij de opwarming tot 550°C ontstaat er tijdens de recuringperiode een verschillend gedrag naargelang de bewaringsmethode. Bij de bewaring onder water kan er na 7 dagen een minimum aan porositeit waargenomen worden, waarna deze lichtjes terug toeneemt om uiteindelijk na 56 dagen te eindigen met een porositeit die ongeveer 5% lager ligt dan de initiële waarde. Bij de bewaring aan de lucht daarentegen, is er na 7 dagen een maximum op te merken. Tussen 7 en 56 dagen recuring neemt de porositeit af om finaal te eindigen met een porositeit die ongeveer gelijk is aan de beginwaarde. 40

SCC 350°C lucht SCC 350°C water SCC 550°C lucht SCC 550°C water TC 350°C lucht TC 350°C water TC 550°C lucht TC 550°C water

35

Totale porositeit [%]

30

25

20

15

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Recuringperiode [dagen]

Figuur 410: Verloop porositeit i.f.v. de recuringperiode voor SCC en TC

Ter illustratie worden in Figuur 4‐11, 4‐12 en 4‐13 nog enkele foto’s afgebeeld om het verschil in porositeit tussen SCC en TC aan te tonen voor verschillende proefvoorwaarden.


4,7%

5,1%

62

Figuur 411: links: SCC 350°C 0d, water –rechts: TC 350°C 0d, water

29,2%

23,7%

Figuur 412: links: SCC 550°C 0d, lucht –rechts: TC 550°C 0d, lucht

14,1%

23,5% Figuur 413: links: SCC 550°C 0d, water –rechts: TC 550°C 0d, water


63

4.3.2 Overzicht van de proefvoorwaarden en resultaten voor TCk en HPC 1.

Proefvoorwaarden

Bij deze proef worden schijfvormige proefstukken met een diameter van 80mm uit hogesterktebeton (HPC) en traditioneel beton met kalksteengranulaten (TCk) gebruikt. De betonsamenstellingen worden in Tabel 4‐2 weergegeven. Tabel 42: Overzicht betonsamenstellingen

HPC

TCk

Zand [kg/m³]

650

663


530

‐


720

‐


‐

450


‐

759


400

350

Water [kg/m³]

132

165


16,5

‐

W/C [‐]

0,33

0,47


77,3

60,3

De opwarming verloopt stapsgewijs tot 1100°C met de moffeloven gedurende 1u. Per temperatuurstap worden voor elke betonsamenstelling 2 gepolijste proefstukken verwarmd. De koeling gebeurt op een langzame manier in de oven. De beschrijving van de opstelling van de proefstukken in de oven en de proefvoorwaarden staan uitgebreid te lezen in Hoofdstuk 3, paragraaf 3.3.2. De bepaling van de porositeit met behulp van BaS04 kan slechts voor proefstukken verwarmd tot 800°C uitgevoerd worden. Na de opwarming van beide betonsamenstellingen tot 1000°C en 1100°C is de cohesie van de proefstukken zodanig gedaald dat ze niet meer beproefd kunnen worden. Na afkoeling worden beide proefstukken in een oven geplaatst op een temperatuur van 70°C tot het moment dat ze beproefd moeten worden. Na 48u in de oven is het proefstuk, vervaardigd uit TCk, uit elkaar gevallen. Het tweede proefstuk wordt, bij wijze van experiment, onder water gedompeld. Na 30 minuten is het proefstuk volledig uit elkaar gevallen en blijft er een papperige materie over. De oorzaak is de binding van het water met de ongebluste kalk (CaO), die omgezet wordt in gebluste kalk (Ca(OH)2). Deze reactie gaat gepaard met een volumetoename van 44% (Hoofdstuk 2, 2.2.2.). Figuur 4‐14 en 4‐15 verduidelijken dit.


TCk, 1100°C, 0d

64

TCk, 1100°C, 48u

Figuur 414: Uiteenvallen proefstuk na 48u bewaring in oven op 70°C

TCk, 1100°C, 0d

TCk, 1100°C, 30min

Figuur 415: Uiteenvallen proefstuk na 30min in een bak met water

2.

Proefresultaten

In Figuur 4‐16 wordt de porositeit in functie van de temperatuur voor de betonsoorten HPC en TCk weergegeven. Daarnaast wordt ook de porositeit voor de boven‐ en ondergrens (80‐255 en 100‐255) van het thresholdinterval afgebeeld. Voor beide curven is eerst een horizontaal verloop waar te nemen waarna het verloop van de porositeit lineair stijgt met de temperatuur. Het punt waarbij deze wijziging in het verloop optreedt, wordt de overgangstemperatuur genoemd. Deze temperatuur bedraagt voor HPC 475°C en is veel hoger dan de overgangstemperatuur van 275°C bij TCk. De initiële porositeit bedraagt voor HPC en TCk respectievelijk 4,8% en 5,3%. Na de verwarming op 800°C is de porositeit al toegenomen tot 15% en 21%. De toename van de porositeit in functie van de temperatuur is voor beide betonsoorten vrij gelijklopend.

Hoofdstuk 4: Bepalingg van de porositeit met B BaSO4 van beeton onderw worpen aan b brand

6 65

Verder k kan er nog opgemerkt w worden dat d de porositeiit van TCk vvoortdurend d beduidend d hoger liggt dan deze bij HPC. Een reden hieervoor is op pnieuw het vverschil in h hoeveelheid d granulateen tussen beeide betonso oorten. 26

80

24 22 20

Porositeit [%]

18

80 100

16 14

100

12 10 8 6 4

HPC‐gem

2

TCk‐gem

0 0

100

200 0

300

400

50 00

600

700

800 8

Tem mperatuur [ [°C]

Figuur 416: Verloop va an de porosite eit i.f.v. de tem mperatuur voo or HPC en TCk k

3.

Verggelijking me et literatuurgegevens

In Figuurr 4‐17 word den zowel d de gegevens uit de literaatuur weerggegeven als deze uit dee uitgevoerde proeven. Er kan opgemerkt worden daat het verlo oop voor alle a soorten n gelijkaardig is. De overgangste o emperatuur is evenwell telkens veerschillend. De laagstee uur kan toeegeschreven n worden aan a de trad ditionele beetonsoorten,, overganggstemperatu zowel met silicieuzee als met kaalkachtige grranulaten. De D hoogste overgangsteemperatuurr h beton met m de groo otste drukstterkte, nameelijk hogestterktebeton. De initiëlee is voor het porositeiit is vrij geliijkaardig. De kleine sch hommelingeen zijn te wiijten aan heet onderlingg verschil in luchtbelllen. De poro ositeit bij 80 00°C is wel beduidend hoger in de literatuurr n eventuelee oorzaak hiervoor iss, in mindeer mate, dee dan deze uit de proeven. Een n instellinggen van dee voorbereeiding van het proefsstuk maar vooral het verschil in kleurenscanner. De invloed van n de instellingen van de kleurensccanner op de porositeitt wordt in de Figuren 4‐18, 4‐19, 4‐20 verduiidelijkt.


66

40 HPC

35

TCk TC

30

SCC

Porositeit [%]

Guise 25 20 15 10 5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temperatuur [°C] Figuur 417: Verloop van de porositeit i.f.v. de temperatuur voor verschillende betonsoorten

Telkens de instellingen van de scanner gewijzigd worden, wijzigt het ingescande beeld. Aangezien er een ander beeld verkregen wordt, verandert eveneens de porositeitswaarde. De in dit Hoofdstuk gebruikte instellingen voor de bepaling van de porositeit, kunnen terug gevonden worden in Figuur 4‐4. Met deze instellingen krijgen we het beeld voor een HPC verwarmd tot 600°C uit Figuur 4‐18. Bovendien wordt “color matching” aangevinkt. Dit betekent dat de scanner de kleuren rondom het proefstuk, afkomstig van het schaalpapier om de grootte van het proefstuk te kennen, zal uitmiddelen over de gehele oppervlakte. Vandaar de grijze achtergrond naast het proefstuk. De porositeitswaarde bedraagt 9,2%.


6 67

Figuur 418:: Ingescande b beeld volgenss instellingen Figuur 44 met schaalpapiier

Figuur 4‐19 4 toont het h beeld wanneer w hett schaalpapiier niet meee ingescand d wordt. Dee grijze raand rond heet proefstuk is verdw wenen doord dat er geen n uitmiddeling van dee kleuren o optreedt. Dee porositeit w wordt dan 1 13,2%

F Figuur 419: I ngescande be eeld volgens in nstellingen Fiiguur 44 zonder schaalpap pier

Daarnaasst wordt heet proefstuk k nogmaals ingescand met schaalp papier, maaar wordt dee “color maatching” uittgevinkt en d de gamma m monitor resp pectievelijk op 1 en 2,25 geplaatst.. Het resulltaat is terugg te vinden in de Figuurr 4‐22. De porositeit vo oor een gamm ma monitorr gelijk aan n 1,1 is 3,29% terwijl deeze voor een n gamma mo onitor van 2 2,2 7,4%bed draagt.


6 68

Figuurr 420: Ingesca ande beeld vo olgens instelliingen Figuur 4 44 zonder scchaalpapier en n met een gamma m monitor van 1 1 (links) en 2,,25 (rechts)


69

4.4 Besluit Algemeen kan er besloten worden dat de porositeit stijgt met stijgende temperatuur. Voor elke betonsoort blijft de porositeit constant tot een bepaalde temperatuur, de overgangstemperatuur. Deze temperatuur is het laagst voor de traditionele betonsoorten met silicieuze of kalkachtige granulaten (TC en TCk), het hoogst voor de betonsoorten met een kleiner gehalte aan grind, in het bijzonder voor hogesterktebeton (HPC) en zelfverdichtend beton (SCC). Eenmaal voorbij de overgangstemperatuur stijgt de porositeit lineair met de temperatuur. Daarnaast kent de porositeit bij SCC en TC een gelijkaardig verloop in functie van de recuringtijd. Hierbij is voor een opwarming tot 350°C geen echte wijziging in de porositeit te merken. Bij verwarming tot 550°C zijn er grotere toenamen in de porositeit waar te nemen, waarbij deze het hoogst is voor bewaring in de lucht. De bepaling van de porositeit met BaSO4 is een heel subjectieve methode. Vooral het instellen van de thresholdgrenzen problemen met zich mee. De keuze voor deze grenzen is persoonsgebonden en iedere grens kent een andere waarde voor de porositeit. Daarnaast zijn de gekozen scannerinstellingen van niet ondergeschikt belang. De wijziging van één instelling zorgt voor een belangrijke wijziging in de porositeitswaarde (Figuren 4‐18, 4‐19, 4‐21).

Hoofdstuk 5: Bepaling van de porositeit m.b.v. waterverzadiging De wijziging in kleur en porositeit aan het oppervlak van beton, bloot gesteld aan brand, worden reeds in de Hoofdstukken 3 en 4 behandeld. Naast deze wijzigingen aan het oppervlak, ontstaan er intern ook extra scheuren en vanaf 700°C is het beton zodanig gedegradeerd dat het zijn samenhang verliest. In dit hoofdstuk wordt de evolutie van de open porositeit in functie van de stijgende opwarmingstemperatuur onderzocht. Deze evolutie kan eenvoudig bepaald worden aan de hand van de methode van de waterverzadiging.

5.1 Beproevingsmethodiek Ten gevolge van de opwarming, krimpt de cementpasta terwijl de granulaten uitzetten. Dit verschil in thermisch gedrag zorgt voor het ontstaan van scheuren aan het oppervlak en in de massa. Hoe hoger de opwarmingstemperatuur, hoe meer interne spanningen er optreden. Deze spanningen zorgen voor een groter aantal scheuren en bijgevolg een hogere porositeit van het proefstuk. Voor het bepalen van de porositeit in de massa bestaan

talrijke

technieken

zoals

tomografie,

kwikporosimetrie,

elektronenmicroscopie,… Deze methoden zijn meestal niet goedkoop en bovendien tijdrovend. Daarom wordt hier de meest eenvoudige en goedkope methode besproken, namelijk de wateropslorping onder vacuüm [13]. De procedure voor vacuümverzadiging verloopt volgens de norm NBN B24‐213. Deze norm werd opgesteld voor proeven op metselstenen. Maar aangezien er geen norm voor beton bestaat, wordt de norm voor metselwerk als leidraad gebruikt. Door middel van wateropslorping onder vacuüm wordt enkel de porositeit bepaald die toegankelijk is vanaf de buitenzijde van het beton. Deze porositeit wordt de open porositeit genoemd [13].

70

Hoofdstuk 5: Bepaling van de porositeit m.b.v. waterverzadiging

71

5.1.1 Procedure voor wateropslorping onder vacuüm (NBN B24213) 1.

Droging proefstukken

Vooraleer de proefstukken in de vacuümtank kunnen, dienen ze eerst gedroogd te worden tot constante massa. Daartoe worden de stukken gedurende één week in een oven op een temperatuur van 70°C bewaard. De evolutie van het drogingsproces wordt in deze inleidende paragraaf kort geïllustreerd aan de hand van een TC proefstuk. Deze evolutie is weergegeven in Figuur 5‐1. Dit proefstuk uit traditioneel beton (TC, samenstelling Tabel 2‐4) wordt gedurende 4u opgewarmd op een temperatuur van 600°C. De proefstukken worden daarna zowel aan de lucht, in de oven of in water afgekoeld. Na de afkoeling worden ze gedurende een voldoende lange periode (> 4 maanden) in een bak met water gelegd tot ze volledig verzadigd zijn. Terwijl de proefstukken drogen in een ruimte met een temperatuur van 20°C ±1 en een R.V. van 60% (zone “lucht” in Figuur 5‐1) worden ze op geregelde tijdstippen gewogen. Wanneer de stukken een constante massa bereiken, worden ze nog verder gedroogd in een oven op een temperatuur van 60°C. 5,5 L,20°C L,OVEN WATER

Gewichtspercentage water [%]

5 4,5 4 3,5 3

LUCHT

2,5

OVEN

2 1,5 1 0,5 0 0

50

100

150

200

250

300 350 Tijd [u]

400

450

500

550

600

Figuur 51: Evolutie van het watergehalte in functie van droogtijd (TC, 600°C, )

Uit Figuur 5‐1 valt af te leiden dat het droogproces voor de verschillende koelingsmethodes vrij gelijkaardig verloopt. Zoals te verwachten is verloopt de droging aan de lucht veel langzamer dan de droging in de oven. Na 380 uur bereiken de


72

proefstukken bij droging aan de lucht een constante massa. De proefstukken zijn nu nog niet volledig droog, aangezien de droging plaats vindt in een ruimte met een RV 60% Daarom worden de stukken in de oven gelegd, waardoor nog een verdere droging optreedt. Na 150u drogen in de oven, is opnieuw een constante massa bereikt. Op dat moment zijn de stukken volledig droog en kan de waterverzadiging onder vacuüm gestart worden. Vervolgens worden de proefstukken onder vacuüm met water verzadigd om te zien of er een verschil is in opgenomen hoeveelheid water ten opzichte van de wateronderdompeling. Tabel 5‐1 geeft een overzicht weer voor het TC proefstuk, verwarmd tot 600°C. Tabel 51: Gewicht TC proefstuk na verzadiging in bak met water en vacuümtank

Koeling Droog Gproefstuk [g]

Onderdompeling Gproefstuk Gwater1 [g] [g]

Vacuüm Gproefstuk Gwater² [g] [g]

Totaal %water³

L,oven

182,02

190,51

8,49

191,6

1,09

11,4

L,20°C

177,25

186,11

8,86

186,9

0,79

8,2

Water

180,40

189,74

9,34

191,3

1,56

14,3

1 G

water = Gproefstuk, onderdompeling ‐ Gproefstuk, droog

2 G

water = Gproefstuk, vacuüm ‐ Gproefstuk, onderdompeling

3 %

water = Hoeveelheid water opgenomen door vacuümverzadiging t.o.v. totale hoeveelheid water:

%

G G

,

,

G

,

ü

Ondanks de voldoende lange bewaring in een bak met water (> 4 weken), blijkt dat de proefstukken, hoewel ze geen water meer opnemen, toch nog niet volledig verzadigd zijn. Door vacuümverzadiging wordt nog een aanzienlijke extra hoeveelheid water opgeslorpt (%water).

2.

Vacuümverzadiging

De proef wordt uitgevoerd met behulp van een vacuümtank (Figuur 5‐2) in een lokaal met een temperatuur van 20°C. De vacuümtank heeft een inhoud van 230 l De proefstukken dienen zodanig in de vacuümtank geplaatst te worden dat het water langs alle zijden kan opgenomen worden. Na het sluiten van het deksel wordt de vacuümpomp gestart en wordt alzo een vacuüm verwezenlijkt met een residuele druk gelijk aan 2,7 kPa. De vacuümtoestand wordt gedurende 2,5u aangehouden. Daarna wordt water aan de vacuümtank toegevoegd, terwijl het vacuüm gehandhaafd blijft door het laten draaien van de pomp. Het instroomdebiet van het water wordt zodanig geregeld dat het


73

waterpeil in de tank op een regelmatige wijze (5cm/u) stijgt tot de proefstukken volledig ondergedompeld zijn. Hierna wordt de vacuümpomp stil gelegd en wordt het deksel van de tank geopend waardoor de vacuümtoestand in de tank verdwijnt. De proefstukken blijven dan nog gedurende 24u ondergedompeld in de tank, waarna ze gewogen kunnen worden.

Figuur 52: Vacuümtank

3.

Wegen proefstukken

[13] beschrijft in haar werk dat voor een waterverzadiging de open porositeit φ met volgende formule bepaald kan worden:

φ

(1)

Anderzijds kan de porositeit ook nog geschreven worden als:

φ met

(2)

m

massa van het proefstuk in droge toestand

m

de massa van het verzadigde proefstuk boven water

m

de massa van het verzadigde proefstuk onder water

Eerst en vooral worden de proefstukken gewogen na droging tot constante massa, dus vooraleer ze in de vacuümtank geplaatst worden. Dit gewicht is het droog gewicht (m ). Na de wateropslorping worden de proefstukken eerst onder water gewogen (m ), waarna ze met een vochtige doek afgedroogd worden en nogmaals gewogen worden. Dit levert de massa van het verzadigde proefstuk boven water (m ). De weging van de 3 waarden gebeurt tot op 0,1g nauwkeurig.


74

5.2 Testprogramma 5.2.1 Overzicht van de proefvoorwaarden Bij deze beproeving wordt met 4 verschillende betonsoorten gewerkt, namelijk traditioneel beton (TC), hogesterktebeton (HPC), traditioneel beton met kalksteenslag (TCk) en zelfverdichtend beton (ZVB). Voor de betonsamenstellingen wordt verwezen naar de respectievelijke Hoofdstukken 2 en 3. De proefstukken worden geboord uit een prisma met afmetingen 150x500mm. Vervolgens worden deze kernen verzaagd in 10 gelijke schijven met een gemiddelde dikte van 1,5cm. De dikte van de stukken in ZVB bedragen gemiddeld slechts 1cm. De proefstukken uit HPC en TCk worden daarna nog gepolijst omdat ze eerst gebruikt werden bij de bepaling van de porositeit aan de hand van BaSO4 (Hoofdstuk 4). Het bariumsulfaat wordt met behulp van perslucht uit de monsters verwijderd. De proefstukken in TC en ZVB worden na het zagen niet meer bewerkt. De opwarming van de proefstukken gebeurt in de moffeloven. De opwarmings‐ en koelingsvoorwaarden zijn voor de verschillende betonsamenstellingen verschillend, vandaar dat de proefvoorwaarden en proefresultaten afzonderlijk behandeld worden.

1.

Proefvoorwaarden TC

De proefstukken worden gedurende 4u verwarmd op een temperatuur tussen 20°C en 600°C. Voor 200°C, 400°C en 600°C worden er enerzijds proefstukken gedurende 1u en anderzijds gedurende 4u verwarmd. De proefstukken worden om op te warmen op hun vlak geplaatst op een laag isolatie. Op die manier treedt er een verwarming op langs 3 zijden. Per opwarmingsbeurt worden er 3 proefstukken op dezelfde temperatuur verwarmd. De 3 proefstukken krijgen elk een andere koelingswijze, namelijk een langzame koeling in de oven (L, oven), een koeling aan de omgevingslucht (L, 20°C) en een koeling in water (water). Na de koeling worden de proefstukken in een bak met water gelegd tot ze met water verzadigd zijn. Tabel 5‐2 geeft een overzicht. [9]


75

Tabel 52: Overzicht proefvoorwaarden TC

Beton

Koeling

Bewaring

Belasting

TC

20°C

REFERENTIE

‐

water

0%

TC

120°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

120°C

4u

L,oven

water

0%

TC

120°C

4u

water

water

0%

TC

200°C

1u

L,20°C

water

0%

TC

200°C

1u

L,oven

water

0%

TC

200°C

1u

water

water

0%

TC

200°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

200°C

4u

L,oven

water

0%

TC

200°C

4u

water

water

0%

TC

300°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

300°C

4u

L,oven

water

0%

TC

300°C

4u

water

water

0%

TC

400°C

1u

L,20°C

water

0%

TC

400°C

1u

L,oven

water

0%

TC

400°C

1u

water

water

0%

TC

400°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

400°C

4u

L,oven

water

0%

TC

400°C

4u

water

water

0%

TC

500°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

500°C

4u

L,oven

water

0%

TC

500°C

4u

water

water

0%

TC

600°C

1u

L,20°C

water

0%

TC

600°C

1u

L,oven

water

0%

TC

600°C

1u

water

water

0%

TC

600°C

4u

L,20°C

water

0%

TC

600°C

4u

L,oven

water

0%

TC

600°C

4u

water

water

0%

Temperatuur Verwarmingsduur

Hoofdstuk 5: Bepaling van de porositeit m.b.v. waterverzadiging 2.

76

Proefvoorwaarden HPC en TCk

Bij deze betonsamenstellingen worden er telkens 2 gepolijste proefstukken per betonsoort en per temperatuurstap samen verwarmd. De stukken worden plat gelegd om op te warmen. Bovendien worden de proefstukken op een laagje isolatie gelegd zodat ze, net zoals bij TC, slechts langs 3 zijden opgewarmd zullen worden. Bij deze proef wordt voor een stapsgewijze opwarming (stappen van 50°C tot 100°C) gekozen tussen 50 en 1100°C. Vooraleer de proefstukken op te warmen, worden ze gedroogd tot constante massa in een oven met een temperatuur van 60°C. Daarna worden ze gedurende 4 uur op de eindtemperatuur verwarmd. De proefstukken koelen langzaam af in de oven, waarbij het luik open staat. Vervolgens wordt de porositeit bepaald met BaSO4 (Hoofdstuk 4). Na het beproeven met bariumsulfaat, wordt deze met behulp van perslucht verwijderd en worden de proefstukken bewaard in een oven op 70°C. De opwarming tot 1000°C en 1100°C heeft de structuur van het beton zodanig gewijzigd dat het zijn interne stabiliteit verliest en na een tijd uit elkaar valt (Figuur 4‐14 en 4‐15). Tabel 5‐3 toont een samenvatting van de proefvoorwaarden voor de bepaling van de porositeit via wateropslorping.

Tabel 53: Overzicht proefvoorwaarden HPC en TCk

Beton

Temperatuur

Koeling

Bewaring1

Belasting

Aantal

HPC/TCk

20°C

REFERENTIE

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

150°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

200°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

300°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

350°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

400°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

500°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

600°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

700°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

HPC/TCk

800°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

1 De proefstukken worden in een oven op 70°C bewaard tot alle stukken verwarmd zijn en met water

verzadigd kunnen worden.


77

Proefvoorwaarden ZVB

Er worden 12 verschillende mengsels ZVB gegoten (ZVB 2, 3, 4, 5b; 7, 9, 12, 13, 15, P1, P1bis en P2). Elk mengsel wordt gedurende 2u opgewarmd op een evenwichtstemperatuur tussen 20°C en 600°C. De periode op constante evenwichtstemperatuur wordt bewust korter genomen dan bij TC, HPC en TCk omwille van de kleinere dikte van de proefstukken. Per temperatuursstap worden er 2 proefstukken van eenzelfde mengsel verwarmd. Zo worden er per opwarmingsbeurt 12 schijven verwarmd. De koeling gebeurt op 2 manieren. Per temperatuursstap is er zowel een koeling aan de omgevingslucht als in water. De luchtgekoelde proefstukken werden reeds beproefd op kleur (Hoofdstuk 3). Voor de opwarmings‐ en koelingsvoorwaarden wordt naar Hoofdstuk 3 verwezen. Na de koeling worden de proefstukken in een oven op 70°C geplaatst tot wanneer ze verder beproefd worden. Tabel 5‐4 vat de proefvoorwaarden voor 1 mengsel schematisch samen. Tabel 54: Overzicht proefvoorwaarden per variant ZVB

Beton

Temperatuur

Koeling

Bewaring

Belasting

Aantal

ZVB

20°C

REFERENTIE

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

100°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

100°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

200°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

200°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

300°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

300°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

400°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

400°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

500°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

500°C

water

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

600°C

L,oven

OVEN, 70°C

0%

2

ZVB

600°C

water

OVEN, 70°C

0%

2


78

5.2.2 Proefresultaten 1.

Proefresultaten TC

Figuur 5‐3 schetst het verloop van de open porositeit, berekend met (1), in functie van de stijgende temperatuur. Voor de duidelijkheid van de figuur wordt de verticale as verschaald. Ten gevolge van de langdurige onderdompeling en drogingsperiode (> 4 maanden), zal er recuring opgetreden zijn waardoor de resultaten uit Figuur 5‐3 niet relevant zijn. Bovendien zullen de kalkuitbloeiingen (Figuur 5‐4) de poriën verstoppen waardoor een te lage waarde voor de open porositeit gevonden wordt. Uiteindelijk is er slechts een verschil van 2% tussen de hoogste en laagste waarde te merken, wat bovenstaande redenering bevestigt (Figuur 5‐3). In onderstaande alinea wordt beschreven wat theoretisch te verwachten valt. Vanaf 100°C krimpt de cementpasta fel doordat zowel het vrij als het gebonden water uit het beton ontsnapt. Vervolgens treedt er een stijging van de porositeit op tot ongeveer 300‐400°C. Deze stijging is te wijten aan de ontbinding van de tobermoriet‐gel. Deze ontbinding gaat gepaard met een krimp van de cementsteen en een uitzetting van de kiezelhoudende granulaten. Ten gevolge van het verschil in uitzetting ontstaan er bijkomende scheuren. Tussen 500°C en 600°C is een daling van de porositeit te merken, althans voor de koeling in water en in de oven. Deze daling is afkomstig van de kristallijne omzetting van kwarts α naar kwarts β van de kiezelsteenhoudende granulaten zand en grof grind. Dit brengt een volumetoename met zich mee, waardoor een gedeelte van de scheuren opnieuw gedicht worden. 15 14,5 14

Porositeit [%]

13,5 13 12,5 12 11,5 L,oven

11

L,20°C

10,5

water

10 0

100

200

300

400

500

Temperatuur [°C] Figuur 53: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur (TC)

600


79

Figuur 54: Proefstuk uit TC met kalkuitbloeiingen

2.

Proefresultaten HPC en TCk

Figuur 5‐5 toont het verloop van de open porositeit, berekend met (1), in functie van de temperatuur. De porositeit bij HPC en TCk kent een kwadratisch verloop met volgende vergelijking: TCk: y = 0,000008x² ‐ 0,0009x + 8,3266 (R²=0,933) HPC: y = ‐0,00002x² + 0,0027x + 4,834 (R²=0,9868) Daarnaast wordt de porositeit via (2) berekend. Figuur 5‐6 toont het resultaat voor beide betonmengsels. Opnieuw wordt een kwadratisch verloop vastgesteld met volgende vergelijking: TCk: y = 0,000006x² ‐ 0,0006x + 3,533 (R²=0,9345) HPC: y = ‐0,00005x² + 0,0018x + 1,9752 (R²=0,9863) Er kan opgemerkt worden dat de waarden uit Figuur 5‐6 veel lager zijn dan deze uit Figuur 5‐5. Figuur 5‐7 vergelijkt de waarden voor de porositeit bekomen met behulp van BaSO4 en de waarden via wateropslorping onder vacuüm. Voor HPC is het verloop vrij gelijkaardig en van dezelfde grootteorde. TCk kent eveneens een vrij gelijkaardig verloop maar bij de wateropslorping is er initieel een hogere porositeit. Vanaf de overgangstemperatuur kent de porositeit bepaald met BaSO4 een hogere waarde. Dit verschil is te wijten aan de beschadiging aan het oppervlak ten gevolge van de hoge opwarmingstemperaturen. Deze bijkomende holtes worden met BaSO4 opgevuld, wat leidt tot een hogere waarde in porositeit. Deze holtes worden echter niet opgevuld met water en tellen bijgevolg niet mee in de totale open porositeit, vandaar de lagere waarde. Figuur 5‐8 toont een voorbeeld van een proefstuk op 200°C en 700°C opgewarmd.


80

18 16

Open porositeit [%]

14 12 10 8 6 4 HPC

2

TCk

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temperatuur [°C]

Figuur 55: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur volgens (1) voor HPC en TCk

8 7

Porositeit [%]

6 5 4 3 2 TCk

1

HPC 0 0

100

200

300

400

500

Temperatuur [°C]

600

700

800

Figuur 56: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur volgens (2) voor HPC en TCk


81

20 18 16

Porositeit [%]

14 12 10 8 HPC

6

TCk

4

HPC‐BaSO4 2

TCk‐BaSO4

0 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Temperatuur [°C]

Figuur 57: Vergelijking van de porositeit verkregen via BaSO4 en wateropslorping in functie van de temperatuur (HPC en TCk)

Figuur 58: Proefstukken TCk bewerkt met BaSO4, verwarmd tot 200°C (links) en 700°C (rechts)


82

Proefresultaten ZVB

Aangezien de samenstelling van de verschillende mengsels ZVB slechts licht van elkaar verschillen, is er slechts een gering verschil in porositeit. Daarom wordt in Figuur 5‐9 het gemiddelde van de porositeit van alle mengsels per koelingsmethode uitgezet. Dit geeft een algemeen beeld van het gedrag van de porositeit van ZVB ten gevolge van een stijgende opwarmingstemperatuur. Er valt op te merken dat de porositeit ten gevolge van de waterkoeling hoger is dan deze bij een koeling aan de omgevingslucht, met uitzondering van 600°C. De porositeit voor beide koelingsmethoden kent een kwadratisch verloop. De vergelijkingen zijn: Luchtkoeling:

y = ‐0,00003x2 + 0,0035x + 9,9389

(R²=0,9537)

Waterkoeling:

y = 0,00002x2 ‐ 0,0017x + 9,9485

(R²=0,9828)

15

Open porositeit [%]

14 13 12 11 10

Luchtkoeling Waterkoeling

9 8 0

100

200

300

400

500

Temperatuur [°C]

600

Figuur 59: Evolutie van de porositeit in functie van de temperatuur (ZVB)

4.

Vergelijking proefresultaten TC, HPC, TCk en ZVB

Figuur 5‐10 vergelijkt de resultaten voor de porositeit van HPC, TCk en ZVB. HPC kent de laagste waarde voor de porositeit. ZVB bezit de hoogste porositeit en TCk ligt tussen deze uitersten. Bovendien kan er opgemerkt worden dat voor ZVB de porositeit constant blijft tot 200°C voor waterkoeling en 300°C voor luchtkoeling, voor HPC is dit tot 350°C en voor TCk tot 250°C.


83

18 16 14

Porositeit [%]

12 10 8 6 HPC

4

TCk ZVB‐lucht

2

ZVB‐water 0 0

100

200

300

400 500 Temperatuur [°C]

600

700

800

Figuur 510: Vergelijking van de evolutie van de porositeit in functie van de stijgende temperatuur (HPC, TCk en ZVB)


84

5.3 Besluit Het verloop van de porositeit is voor de betonsamenstellingen HPC, TCk en ZVB vrij gelijkaardig. Het bestaat steeds uit een parabolische functie. De overgangstemperatuur (de temperatuur tot waar de porositeit constant blijft) is telkens verschillend. HPC kent de hoogste overgangstemperatuur, ZVB de laagste. ZVB bereikt na opwarmen de hoogste waarde voor de porositeit, gevolgd door TCk. HPC kent de laagste porositeit. Bij vergelijking van de porositeit gemeten met behulp van BaSO 4 en deze verkregen via wateropslorping wordt er vastgesteld dat de porositeit in het laatste geval hoger ligt. Dit komt doordat de wateropslorping de porositeit in de massa bepaalt, terwijl de methode met BaSO4 enkel de oppervlaktescheuren in rekening brengt.

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting Ten gevolge van de opwarming van beton worden er zowel inwendige als uitwendige kenmerken van het beton gewijzigd. Naast de wijziging van de kleur, ontstaan er ook bijkomende scheuren. De kleurwijziging en de porositeitsbepaling aan het oppervlak en in de massa worden reeds behandeld in de Hoofdstukken 3, 4 en 5. In dit hoofdstuk zal nogmaals de wijziging in de porositeit in de massa behandeld worden. Daarnaast wordt er ook op zoek gegaan naar een link tussen de druksterkte en de resultaten bekomen via ultrasoonmetingen.

6.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt de wijziging in de structuur van het proefstuk bepaald aan de hand van ultrasoonmetingen. Porositeit wordt in Hoofdstuk 5 al bestudeerd aan de hand van wateropslorping onder vacuüm. Het nadeel van de wateronderdompeling is de nood aan geboorde kernen. Deze geboorde kernen dienen verzadigd te worden met water, waarna ze in de oven gedroogd worden om de porositeit te bepalen. Het is niet altijd mogelijk of toegestaan om kernen uit de structuur van het met brand geteisterde lokaal of gebouw te boren. Daarom wordt er op zoek gegaan naar een methode die ter plaatse kan uitgevoerd worden en waarvoor geen boringen of monsternames nodig zijn. De ultrasoonmetingen lenen zich hier perfect voor. Bovendien zijn er geen voorbereidende werken nodig om deze proefmethode uit te voeren. Het toestel kan gewoon meegenomen worden naar de werf en alle metingen kunnen op een relatief korte periode uitgevoerd worden.

6.1.1 Ultrasoonmeter Ultrasone golven zijn geluidsgolven met frequenties die boven de gehoorgrens (20‐ 20000Hz) liggen. Tijdens de beproevingen wordt gebruik gemaakt van ultrasone golven met een frequentie van 50000Hz.

85

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting 86

De snelheid van ultrasone geluidsgolven in cementgebonden materialen is een functie van de elasticiteitsmodus volgens onderstaande formule (2) [14]: · ·

met

·

·

(1)

V

de ultrasoonsnelheid [m/s]

E

de elasticiteitsmodulus [N/m²]

ρ

massadichtheid van materiaal (massa/volume) [kg/m³]

ν

modulus van Poisson [‐]

De elasticiteitsmodulus E is een materiaaleigenschap die een maat is voor de stijfheid en die ten dele de rek van het materiaal onder een belasting beschrijft. vergelijking (2) kan gebruikt worden om de elasticiteitsmodulus van beton te bepalen die op zijn beurt in verband staat met de druksterkte (fcm) van dit materiaal. Deze relatie wordt weergegeven door vergelijking (3) [8]. 22000 · met

,

(2)

E

de elasticiteitsmodulus [N/m²]

fcm

de druksterkte [N/m²]

De ultrasoonsnelheid kan niet zo maar gebruikt worden als een algemene indicator voor de druksterkte aangezien bijvoorbeeld het type en de hoeveelheid granulaten de relatie tussen ultrasoonsnelheid en druksterkte beïnvloeden. Deze relatie kan echter wel, via bijkomend onderzoek in het labo, voor verschillende betonsamenstellingen experimenteel bepaald worden [14]. Het ultrasoontoestel (Figuren 6‐1 en 6‐2) bestaat uit een zender en een ontvanger. De zender wordt in contact gebracht met het oppervlak en geneert een puls van ultrasone trillingen. De tijd die de puls nodig heeft om van de zender doorheen het proefstuk naar de ontvanger te bewegen, de transmissietijd, wordt gemeten met behulp van een elektrische meeteenheid. De ultrasoonsnelheid wordt dan berekend door de lengte van het pad doorheen het proefstuk te delen door de transmissietijd, die wordt afgelezen op de display van het toestel.


Figuur 61: Ultrasoonmeter

Figuur 62: Zender en ontvanger ultrasoonmeter

In feite produceert de zender longitudinale, transversale en oppervlaktegolven (Figuur 6‐3). Longitudinale golven zijn gelegen volgens de as van de zender, transversale golven staan loodrecht op de as. De oppervlaktegolven liggen tussen de longitudinale en transversale golven [14].

Figuur 63: Voorstelling longitudinale, transversale en oppervlaktegolven [14]


Om een maximale gevoeligheid te bereiken, moet een directe transmissieopstelling (Figuur 6‐4) gebruikt worden. De ontvanger wordt hierbij gepositioneerd op het oppervlak recht tegenover het vlak waar de zender gepositioneerd is. De twee alternatieve meetmethodes, de semidirecte transmissie en de indirecte transmissie (Figuur 6‐4), maken gebruik van de aanwezigheid van transversale en oppervlaktegolven. Deze meetmethoden kunnen aangewend worden indien de tegenoverliggende zijde van het meetoppervlak onbereikbaar is [14].

Figuur 64: Directe, semidirecte en indirecte transmissie [14]

Aan de hand van deze ultrasoonmetingen kunnen interne scheuren en holten gedetecteerd worden aangezien de puls zich niet doorheen lucht kan verplaatsen. Deze techniek wordt bijgevolg vaak gebruikt om schade ten gevolge van vorst en chemische reacties te detecteren [14]. In Tabel 6‐1 wordt de klassering naar de kwaliteit aangegeven in functie van de ultrasoonsnelheid (V). Hoe lager de transmissietijd, hoe hoger de ultrasoonsnelheid wordt en hoe beter de betonkwaliteit. Tabel 61: Betonkwaliteit in functie van de ultrasoonsnelheid [14]

V [m/s]

Kwaliteit

> 4000

hoog

3000‐4000

redelijk

2000‐3000

matig tot laag

< 2000

Zeer laag/slecht verdicht/ gescheurd of gedegradeerd


6.2 Testprogramma 6.2.1 Overzicht van de proefvoorwaarden De proef wordt uitgevoerd op de cilinders die eveneens voor de bepaling van de druksterkte gebruikt worden (Hoofdstuk 2, 2.3.2). De proefstukken zijn vervaardigd uit zelfverdichtend beton (ZVB). De cilinders hebben een hoogte van 70mm en een diameter van 80mm. Voor de betonsamenstelling van de cilinders wordt verwezen naar Tabel 2‐7. De cilinders worden een eerste maal getest juist vóór opwarming om zo een referentiewaarde te bekomen. Na opwarming gedurende 4 uur op 350°C of 550°C ondergaan ze een recuring gedurende 28 dagen in een ruimte met een temperatuur van 20°C ± 1 en een R.V. van 60%. Na deze recuringperiode worden de cilinders voor een tweede maal beproefd. Per opwarmingstemperatuur zijn er 2 proefstukken voorhanden. De transmissietijd wordt op verschillende punten van het proefstuk gemeten. Figuur 6‐5 geeft hieromtrent meer duidelijkheid.

1

1

1

2 4 2

2

2

4

3

1 directe transmissie

3 semidirecte transmissie

indirecte transmissie

Figuur 65: Visualisatie meetpunten

Bij de directe transmissie wordt er eenmaal in de lengte‐ en de dwarsrichting gemeten. Bij de indirecte transmissie worden zender en ontvanger naast elkaar geplaatst in het centrum van het vlak. Dit gebeurt voor het onder‐ en bovenvlak en twee maal op het zijvlak. De richtingen op het zijvlak worden daarbij loodrecht op elkaar gekozen. Voor de semidirecte transmissie worden 4 metingen uitgevoerd volgens de koppels 1‐2, 2‐3, 3‐4 en 4‐1. De zender en ontvanger dienen steeds loodrecht op het vlak gericht te worden. Bij de directe

transmissie

wordt

gebruik

gemaakt

van

een

stalen

frame

(Figuren 6‐1 en 6‐2) waarbij de zender en ontvanger zonder verder krachtzetting tegen het proefstuk gehouden worden. Bij de andere methoden rusten ze onder invloed van hun eigen gewicht op het proefstuk. Er wordt geen enkele menselijke kracht toegevoegd.


De menselijke handeling bestaat enkel uit het in evenwicht houden van zender en ontvanger. Wanneer de transmissietijd gemeten is, dient enkel nog het gewicht, de hoogte en de diameter van de cilinders bepaald te worden, om zo de ultrasoonsnelheid en elasticiteitsmodulus te kunnen bepalen.

6.2.2 Overzicht van de proefresultaten 1.

Elasticiteitsmodulus

Om na te gaan of de vooropgestelde meetmethode voldoende correct is, worden op de zijvlakken van een kubus in traditioneel beton (TC) met een afmeting van 150x150x150mm de transmissietijd gemeten volgens de methode van de directe transmissie. De betonsamenstelling van de kubus is terug te vinden in Tabel 2‐4 van Hoofdstuk 2. De elasticiteitsmodulus wordt m.b.v. formule (1) berekend en is weergegeven in Tabel 6‐2. Anderzijds wordt de elasticiteitsmodulus ook nog verkregen uit een drukproef voor de bepaling van het spannings‐vervormingsdiagram (Figuur 6‐6) op een cilinder (Ø150 x 300mm). Uit het spannings‐vervormingsdiagram wordt een elasticiteitsmodulus van 36751 N/mm² afgelezen. De experimenteel bepaalde waarde voor de elasticiteitsmodulus en deze afgeleid uit de ultrasoonsnelheid liggen dus bijzonder goed dicht bij elkaar. 55 50

Spanning [N/mm²]

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

Rek [] Figuur 66: Spanningsvervormingsdiagram

0,0025

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting 91 Tabel 62: Elasticiteitsmodulus

2.

Betontype

L

t

V

ρ

E

TC

[mm]

[µs]

[m/s]

[kg/m³]

[N/m²]

zijvlak 1‐3

150,23

25,90

3890,95

2426

34784

zijvlak 2‐4

150,09

26,87

4032,56

2426

37362

zijvlak 5‐6

150,12

26,56

3986,48

2426

36513

GEMIDDELDE

150,15

26,44

3970

2426

36220

Evolutie transmissietijd i.f.v. opwarmingstemperatuur

Tabel 6‐3a, b en c geven voor elke transmissiemethode (Figuur 6‐5) de waarden voor de transmissietijd en ultrasoonsnelheid weer in functie van de opwarmingstemperatuur. Per proefstuk wordt het gemiddelde van de transmissietijd voor de verschillende opeenvolgende metingen berekend. De uiteindelijke waarde in de tabel is het gemiddelde van 2 proefstukken. Tabel 6‐4 toont de gemiddelde waarde over de 3 methodes heen voor de transmissietijd en de ultrasoonsnelheid. Deze waarde is onafhankelijk van de transmissiemethode. De waarde in de tabel is het gemiddelde van de metingen per transmissiemethode voor de 2 proefstukken die per opwarmingstemperatuur voorzien worden. Door het bepalen van het gemiddelde wordt er geen grote fout gemaakt, aangezien de hoogte en de diameter slechts weinig van elkaar verschillen. Bij een langgerekt proefstuk zou het gemiddelde voor de transmissietijd niet toegelaten zijn, aangezien de transmissietijd bij de meetpunten onderling te veel van elkaar verschilt. Tussen de verschillende transmissiemethoden is een verschil te merken in de gemiddelde ultrasoonsnelheid (Tabellen 6‐3a, 6‐3b en 6‐3c). Vooral de indirecte methode kent een grote afwijking ten gevolge van de kleinere padlengte van 4cm. In het vervolg van dit hoofdstuk wordt met de gemiddelde waarden uit Tabel 6‐4 gewerkt. Het voordeel hierbij is dat bepaalde toevallige lokale scheuren en holtes te wijten aan het gieten van het proefstuk uitgemiddeld worden. Zo wordt een uniformer beeld van het proefstuk verkregen.

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting 92 Tabel 63 a: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: directe transmissie

Betontype

Transmissietijd

Ultrasoonsnelheid

20°C

350°C

550°C

20°C

350°C

550°C

[µs]

[µs]

[µs]

[m/s]

[m/s]

[m/s]

ZVB 2

24,9

22,1

51,2

2850,4

3208,1

1375,6

ZVB 3

23,8

32,8

55,4

2932,3

2126,1

1263,2

ZVB 4

19,9

29,0

65,7

3553,3

2444,2

1064,9

ZVB 5b

23,4

33,9

50,9

2986,7

2067,0

1401,7

ZVB 7

21,0

‐

66,4

3350,0

‐

1060,3

ZVB 9

24,6

43,3

‐

2861,9

1612,0

‐

ZVB 12

21,4

27,9

37,7

3294,6

2520,1

1859,4

ZVB 13

26,0

24,8

49,5

2687,2

2816,0

1411,8

ZVB 15²

23,0

38,1

34,6

2996,9

1809,8

2035,2

ZVB P1

22,1

32,7

41,8

3208,6

2177,5

1690,1

ZVB P1bis

22,5

28,8

51,6

3071,1

2403,0

1369,0

ZVB P2

21,6

33,4

59,6

3278,2

2124,4

1190,4

Gemiddelde

22,8

31,5

51,3

3089,3

2300,8

1429,2

Tabel 63 b: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: semidirecte transmissie

Betontype

Transmissietijd

Ultrasoonsnelheid

20°C

350°C

550°C

20°C

350°C

550°C

[µs]

[µs]

[µs]

[m/s]

[m/s]

[m/s]

ZVB 2

21,0

20,5

40,5

2550,7

2601,4

1312,0

ZVB 3

22,7

26,0

44,9

2331,7

2038,9

1180,3

ZVB 4

20,7

23,0

59,0

2573,5

2314,1

901,4

ZVB 5b

20,0

28,6

38,3

2650,0

1857,5

1391,1

ZVB 7

19,9

‐

48,9

2674,6

‐

1084,0

ZVB 9

19,8

30,0

‐

2689,1

1763,0

‐

ZVB 12

20,7

20,6

29,1

2577,6

2581,6

1819,6

ZVB 13

19,8

20,5

42,3

2678,4

2586,6

1259,8

ZVB 15²

20,6

34,2

28,9

2554,8

1538,3

1840,3

ZVB P1

21,0

20,5

40,5

2550,7

2601,4

1312,0

ZVB P1bis

19,4

24,1

49,3

2744,7

2214,6

1082,4

ZVB P2

18,9

23,5

32,5

2823,0

2267,9

1641,8

Gemiddelde

20,4

24,7

41,3

2616,6

2215,0

1347,7

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting 93 Tabel 63 c: Transmissietijd en ultrasoonsnelheid i.f.v. temperatuur: indirecte transmissie

Betontype

Transmissietijd

Ultrasoonsnelheid

20°C

350°C

550°C

20°C

350°C

550°C

[µs]

[µs]

[µs]

[m/s]

[m/s]

[m/s]

ZVB 2

38,9

42,4

46,7

1028,6

942,8

857,4

ZVB 3

38,1

46,1

55,8

1051,3

868,6

717,1

ZVB 4

38,8

43,3

66,0

1032,3

923,3

606,6

ZVB 5b

38,2

50,7

55,2

1046,6

789,7

755,5

ZVB 7

37,6

‐

53,5

1064,0

‐

748,4

ZVB 9

38,1

43,9

‐

1049,3

911,7

‐

ZVB 12

38,2

40,7

50,9

1046,8

984,7

788,4

ZVB 13

38,7

41,3

53,2

1034,3

968,8

755,5

ZVB 15²

37,0

50,0

47,2

1082,2

799,4

848,7

ZVB P1

38,3

46,7

55,1

1045,1

858,0

733,2

ZVB P1bis

38,2

45,2

48,4

1048,3

884,2

858,5

ZVB P2

38,3

49,8

68,0

1045,4

805,8

588,0

Gemiddelde

38,2

45,5

54,5

1047,8

885,2

750,7

Tabel 64: Gemiddelde transmissietijd t en ultrasoonsnelheid V i.f.v. opwarmingstemperatuur

Betontype

Transmissietijd

Ultrasoonsnelheid

20°C

350°C

550°C

20°C

350°C

550°C

[µs]

[µs]

[µs]

[m/s]

[m/s]

[m/s]

ZVB 2

27,36

28,45

47,08

2143,3

2250,8

1181,7

ZVB 3

27,74

34,03

52,68

2105,1

1677,9

1053,5

ZVB 4

26,44

30,59

64,42

2386,4

1893,9

857,6

ZVB 5b

27,44

38,29

48,12

2227,7

1571,4

1182,8

ZVB 7

27,14

‐1

54,52

2362,9

‐1

964,2

ZVB 9

26,78

36,91

‐1

2200,1

1428,9

‐1

ZVB 12

26,49

28,72

40,89

2306,3

2028,8

1489,1

ZVB 13

27,98

29,04

48,70

2133,3

2123,8

1142,3

ZVB 15²

26,39

40,08

38,58

2211,3

1382,5

1574,7

ZVB P1

27,48

34,81

43,17

2288,0

1834,0

1103,3

ZVB P1bis

27,36

32,82

45,13

2382,2

1732,7

1140,1

ZVB P2

27,68

36,50

58,86

2268,1

1879,0

1245,1

1 Beide proefstukken waren gebroken na de opwarming en zodoende zijn geen gegevens beschikbaar.

² De waarden zijn weinig betrouwbaar aangezien de kubus waaruit de cilinder geboord werd, gegoten werd uit een ontmengde betonsamenstelling.


Uit Tabel 6‐4 valt er duidelijk af te leiden dat bij een stijgende temperatuur, de transmissietijd toeneemt. Dit is logisch aangezien er ten gevolge van de opwarming extra scheurtjes en poriën zullen ontstaan. Omdat het signaal zich niet doorheen lucht kan verplaatsen, dient het een omweg te maken en vandaar de hogere transmissietijd. Wanneer de procentuele toename van de transmissietijd ten opzichte van deze van de referentietemperatuur van 20°C uitgezet wordt in functie van de temperatuur wordt Figuur 6‐7 verkregen. Figuur 6‐8 toont het verband tussen de ultrasoonsnelheid en de

Toename transmissietijd [%]

temperatuur voor de verschillende betonsamenstellingen. 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

ZVB 2 ZVB 3 ZVB 4 ZVB 5b ZVB 12 ZVB 13 ZVB P1 ZVB P1bis ZVB P2

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Temperatuur [°C]

Figuur 67: Procentuele toename van de transmissietijd

Tussen 20°C en 350°C is de toename van de transmissietijd veel kleiner dan tussen 350°C en 550°C. De verklaring hiervoor is te vinden in het feit dat de proefstukken uit zelfverdichtend beton vervaardigd zijn. De temperatuur vanaf wanneer er bij ZVB een toename van de porositeit en afname van de druksterkte optreedt, de overgangstemperatuur, ligt rond 400°C. Tussen 20°C en 350°C is er weinig verandering in de structuur en druksterkte van de proefstukken (Hoofdstukken 2 en 4).


110 100

Afname ultrasoonsnelheid [%]

90 80 70 60 50

ZVB 2 ZVB 3 ZVB 4 ZVB 5b ZVB 12 ZVB 13 ZVB P1 ZVB P1bis ZVB P2

40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Temperatuur [°C] Figuur 68: Procentuele afname van de ultrasoonsnelheid

Tussen 20°C en 350°C is er een langzamere afname van de ultrasoonsnelheid te merken dan tussen 350°C en 550°C. De curves zijn gelijklopend met deze voor de transmissietijd, zij het nu in dalende lijn (Figuur 6‐7). De curve met de hoogste toename in transmissietijd is hier logischerwijze de curve met de hoogste afname in ultrasoonsnelheid.

3.

Ultrasoonsnelheid en bijhorende kwaliteit i.f.v. opwarmingstemperatuur

In 6.1.1. wordt reeds aangehaald dat een lage ultrasoonsnelheid gekoppeld wordt aan een hoge kwaliteit. Tabel 6‐1, in het begin van dit hoofdstuk, geeft een klassering. Voor alle betontypes ZVB kan de ultrasoonsnelheid en de bijhorende kwaliteit afgeleid worden uit de gemeten transmissietijd. Tabel 6‐5 geeft een overzicht van de verschillende waargenomen kwaliteiten.

Hoofdstuk 6: Bepaling van het gedrag van beton bij brand met behulp van ultrasoonmeting 96 Tabel 65: Kwaliteit i.f.v. ultrasoonsnelheid

Betontype

20°C

350°C

550°C

V

V

V

[m/s]

[m/s]

[m/s]

ZVB 2

2143,3

2250,8

1181,7

matig

matig

gedegradeerd

ZVB 3

2105,1

1677,9

1053,5

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB 4

2386,4

1893,9

857,6

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB 5b

2227,7

1571,4

1182,8

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB 7

2362,9

STUK

964,2

matig

‐1

gedegradeerd

ZVB 9

2200,1

1428,9

STUK

matig

gedegradeerd

ZVB 12

2306,3

2028,8

1489,1

matig

laag

gedegradeerd

ZVB 13

2133,3

2123,8

1142,3

matig

matig

gedegradeerd

ZVB 15²

2211,3

1382,5

1574,7

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB P1

2288,0

1834,0

1103,3

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB P1bis

2382,2

1732,7

1140,1

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

ZVB P2

2268,1

1879,0

1245,1

matig

gedegradeerd

gedegradeerd

1 De streep betekent dat beide proefstukken gebroken waren na de opwarming en zodoende geen

gegevens beschikbaar zijn. ² De waarden zijn weinig betrouwbaar aangezien de kubus waaruit de cilinder geboord werd, gegoten werd uit een ontmengde betonsamenstelling.

De kwaliteit vóór opwarming kan aanzien worden als matig. Naarmate de temperatuur stijgt tot 350°C en 550°C evolueert de kwaliteit respectievelijk naar laag maar vooral naar gedegradeerd. Deze afname in kwaliteit is te wijten aan het toenemende aantal scheuren, dat zich voordoet ten gevolge van de hogere temperatuur. Deze


kwaliteitsclassificatie is niet echt relevant aangezien de hier toegepaste meettechniek verschilt van deze voor de bepaling van de kwaliteit.

4.

Link tussen druksterkte en ultrasoonsnelheid

De cilinders worden na opwarming ook onderworpen aan een druksterkteproef. Alvorens deze proef gestart wordt, wordt eerst de ultrasoonmeting uitgevoerd. In Tabel 6‐6 wordt de ultrasoonsnelheid (V) vergeleken met de druksterkte (σ). Figuur 6‐9 toont het verband tussen de druksterkte en de ultrasoonsnelheid. Tabel 66: Vergelijking transmissietijd en druksterkte

20°C

350°C

550°C

20°C

350°C

550°C

V

V

V

σ

σ

σ

[m/s]

[m/s]

[m/s]

[N/mm²]

[N/mm²]

[N/mm²]

ZVB 2

2143,3

2250,8

1181,7

100,3

89,0

47,7

ZVB 3

2105,1

1677,9

1053,5

86,4

49,1

31,6

ZVB 4

2386,4

1893,9

857,6

78,7

70,2

29,0

ZVB 5b

2227,7

1571,4

1182,8

85,7

46,3

45,0

ZVB 7

2362,9

‐

964,2

97,7

46,7

31,3

ZVB 9

2200,1

1428,9

‐

91,8

60,1

‐

ZVB 12

2306,3

2028,8

1489,1

88,5

81,3

52,7

ZVB 13

2133,3

2123,8

1142,3

67,5

59,5

32,7

ZVB 15²

2211,3

1382,5

1574,7

70,8

40,6

36,9

ZVB P1bis

2288,0

1834,0

1103,3

98,0

69,7

43,8

ZVB P2

2382,2

1732,7

1140,1

96,1

71,3

32,6

ZVB 12P

2268,1

1879,0

1245,1

95,9

72,6

51,3

Betontype


3000

y = ‐0,1468x2 + 38,289x ‐ 29,46 R² = 0,8537

Ultrasoonsnelheid [m/s]

2500

2000

1500

1000

20°C

500

350°C 550°C 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Druksterkte [N/mm²]

100

110

Figuur 69: Verband tussen druksterkte en ultrasoonsnelheid

Uit Tabel 6‐6 is duidelijk af te leiden dat met een stijging van de ultrasoonsnelheid een stijging van de druksterkte gepaard gaat. Bovendien is het zo dat het betontype met de laagste ultrasoonsnelheid, de laagste druksterkte kent. Het omgekeerde is ook waar, hoe hoger de ultrasoonsnelheid hoe hoger de druksterkte. De reden hiervoor ligt in het feit dat de grootte van de transmissietijd afhankelijk is van het aantal interne scheuren en holtes. De druksterkte is eveneens afhankelijk van het aantal scheuren en holtes, en bijgevolg van de kwaliteit van het beton. Hoe meer scheuren aanwezig in het proefstuk, hoe hoger de transmissietijd, en dus hoe lager de ultrasoonsnelheid, en hoe lager de betondruksterkte. Bij 20°C is deze redenering minder uitgesproken omdat het onderling verschil in scheuren daar beduidend lager ligt dan voor 350°C en 550°C. Het verschil in betondruksterkte is hier meer te wijten aan het verschil in de betonsamenstelling en verdichting. Bij het uitzetten van de druksterkte in functie van de ultrasoonsnelheid, ontstaat een tweedegraads kromme. De vergelijking van deze kromme is: 0,1486 ²

38,289

29,46

Waarbij x de druksterkte voorstelt en y de ultrasoonsnelheid.

0,8537


6.3 Besluit Ten gevolge van de opwarming van het beton ontstaan er bijkomende scheuren. Met behulp van een ultrasoonmeting kunnen de scheuren in de massa van het beton opgespoord worden. De ultrasoonsnelheid is een duidelijke maat voor de hoeveelheid scheuren en holtes die het beton bevat en bijgevolg ook voor de kwaliteit van het beton. Hoe lager de ultrasoonsnelheid, hoe meer scheuren er aanwezig zijn en hoe minder de kwaliteit. Uit de proeven kan opgemaakt worden dat er een lichte stijging van de ultrasoonsnelheid optreedt voor de verwarming tot 350°C, gevolgd door een sterke stijging bij de verwarming tot 550°C. Alle geteste types ZVB vertonen een gelijkaardig verloop. Bovendien is het zo dat het proefstuk met de hoogste transmissietijd, de laagste druksterkte kent. De techniek met de ultrasoonmetingen levert heel goede resultaten zodat ze in de toekomst nog zeker dieper onderzocht dient te worden. Bovendien is deze techniek uiterst geschikt om in de praktijk aan te wenden. De metingen kunnen gewoon in het geteisterde gebouw en zonder monstername doorgaan en vergen slechts weinig ervaring en tijd.

Hoofdstuk 7: Algemeen besluit

Beton dat onderhevig is aan opwarming ondergaat fysische en chemische reacties. Onder fysische reacties worden vooral de verdamping van het vrije en gebonden water en de ongelijkmatige uitzetting van de cementmatrix en granulaten verstaan. Met chemische reacties wordt de wijziging in moleculaire samenstelling bedoeld zoals de ontbinding van calciumhydroxide of portlandiet (Ca(OH)2) in water (H20) en vrije kalk (Ca0). Ten gevolge van deze fysicochemische transformaties, verandert zowel het kleur als de porositeit, en onrechtstreeks de druksterkte, van het beton. Tot 100°C blijven de eigenschappen onveranderd. Bij een hogere temperatuur treedt er degradatie van het beton op en vanaf 700°C is het beton zodanig gedegradeerd dat het zijn samenhang verliest. Ten gevolge van de opwarming en de toegenomen scheuren en holtes, verliest het beton aan druksterkte. Naarmate de temperatuur hoger is, neemt de druksterkte meer af. De invloed van de belasting tijdens de opwarming oefent slechts een geringe invloed uit op de druksterkte. Beton verwarmd tot 550°C en beproefd op 0 dagen bezit de hoogste druksterkte bij een koeling aan de lucht, terwijl bij een beproeving op 28 dagen dit optreedt voor een waterkoeling en bewaring aan de omgevingslucht (op basis van het beperkte proefprogramma). Bij het bestuderen van het kleurverloop volgens het CIE‐Lab systeem van beton onderhevig aan hoge temperaturen, wordt vastgesteld dat het verloop een elliptisch curve volgt bij toenemende temperatuur. Een piek is te merken rond 300°C. Dit gaat gepaard met een toename van de rode tint in het beton. De verklaring hiervoor is te vinden in het feit dat bij 300°C een oxidatie van de ijzerhoudende verbindingen optreedt. Wanneer de temperatuur stijgt tot 700°C, wijzigt de kleur naar witgrijs. Bij nog hogere temperatuur, wordt de kleur vanaf 1000°C zeemkleurig. Dit verloop wordt voor verschillende betonsamenstelling teruggevonden. Daarbij treedt voor beton met hoogovenslak een verschuiving op die respectievelijk gepaard gaat met een gelijkmatige afname en toename van de a*‐ en b*‐ waarde. Voor gecarbonateerde proefstukken wordt een horizontale verschuiving vastgesteld en dus een stijging van de a*‐waarde, die voor een meer roze tint zal zorgen. Beton met vliegas vormt een uitzondering. Het kent een lineair i.p.v. een elliptisch verloop bij toenemende temperatuur, met een daling van de b*‐waarde bij 400°C.

100

Hoofdstuk 7: Algemeen besluit

101

Door onder andere een verschil in uitzetting tussen de granulaten en de cementmatrix, en door de kristallijne omzetting van kiezelsteenhoudende granulaten van kwarts α naar kwarts β wijzigt de porositeit van het beton bij stijgende temperatuur. Om dit te onderzoeken wordt gebruik gemaakt van twee testmethodes. De eerste methodes werkt met bariumsulfaat en houdt vooral rekening met de porositeit aan het oppervlak. De tweede beproevingswijze gebeurt via wateropslorping onder vacuümtoestand. Deze werkwijze bepaalt de open porositeit en houdt dus rekening met de interne scheuren en holtes. Voor beide methodes wordt een gelijkaardig verloop van de totale porositeit in functie van de temperatuur vastgesteld. De porositeit blijft constant tot een bepaalde temperatuur, de overgangstemperatuur genoemd, waarna ze lineair toeneemt met de stijgende temperatuur. De waarde voor de open porositeit ligt hoger dan deze bekomen via de methode met bariumsulfaat. Dit verschil is logisch aangezien de wateropslorping de porositeit in de massa bepaalt. Er dient wel nog opgemerkt te worden dat de werkwijze met bariumsulfaat een subjectieve meetmethode is. Door toepassing van ultrasoon onderzoek op verwarmde betonnen proefstukken kan eveneens inzicht verkregen worden in de verandering van de porositeit. Bovendien kan, aan de hand van de transmissietijd en de ultrasoonsnelheid, een link gelegd worden naar de druksterkte. De transmissietijd is de tijd die de ultrasone golven nodig hebben om de afstand tussen de zender en ontvanger van het toestel te bereiken, de ultrasoonsnelheid wordt verkregen door de afstand tussen zender en ontvanger te delen door de transmissietijd. Hoe hoger de transmissietijd, en dus hoe lager de ultrasoonsnelheid, hoe meer holtes en scheuren het proefstuk bezit, aangezien ultrasone golven zich niet kunnen verplaatsen door lucht en dus een “omweg” dienen te maken. Daarnaast wordt een kwadratisch verband gevonden tussen de ultrasoonsnelheid en de druksterkte. De vergelijking voor dit verloop heeft volgende gedaante: 0,1486 ²

38,289

29,46

0,8537

Waarbij y de ultrasoonsnelheid en x de druksterkte voorstelt. Deze methode levert op het eerste zicht heel bruikbare resultaten en is daarom veelbelovend. In de toekomst dient deze proefmethode zeker en vast nog verder onderzocht te worden.

Bibliografie [1]

[2]

DENOËL J. Brandveiligheid en betonconstructies Febelcem, 2007

EN 1992‐1‐2 Eurocode 2: Ontwerp en berekening van betonconstructies, deel 12: Algemene regels Ontwerp en berekening bij brand CEN, december 2004

[3]

BRÜLS A., VANDEVELDE P. Brandveiligheid in gebouwen. Deel 1: passieve beveiliging ISIB, mei 2000

[4]

DENOËL J. Brandbescherming door betonconstructies Dossier Cement nr. 37, Febelcem, april 2006

[5]

ANNEREL E. Structuur en uitzicht van zelfverdichtend beton Master’s thesis, Universiteit Gent, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Laboratorium Magnel voor betononderzoek, juni 2005

[6]

POON C., AZHAR S., ANSON M., WONG Y. Strength and durability recovery of firedamaged concrete after postfirecuring Polytechnic University Hong Kong, 18 juni 2001

[7]

X‐RITE, INCORPORATED SP 60 Series, Operators Manual Michigan, 31 January 2002

[8]

ZIJP J. Kleurmeten: het berekenen van kleurpunten in het CIELab systeem Rijksuniversiteit Groningen, 12 maart 2009 http://www.jaapzijp.nl/kleurmeten.pdf

[9]

ANNEREL E., TAERWE L. Approaches for the assessment of the residual strength of concrete exposed to fire Universiteit Gent, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Laboratorium Magnel voor betononderzoek, november 2007

[10]

TAERWE L. Betontechnologie Universiteit Gent, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Laboratorium Magnel voor betononderzoek, 1997

102

Bibliografie

103

[11]

RITZEN J. Betonbouw deel 4: Materiaalstudie, Technologie, Duurzaamheid, Renovatie Academia Press, Gent, 2004

[12]

GUISE S.E., PURKISS J., SHORT N. The use of Colour Image Analysis for Assessment of Fire Damaged Concrete Aston University, 20 August 2000

[13]

AUDENAERT K. Transportmechanismen in zelfverdichtend beton in relatie met carbonatatie en chloridepenetratie Doctoraatsthesis, Universiteit Gent, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Laboratorium Magnel voor betononderzoek, 22 mei 2006

[14]

STEINKAMP G. Handbuch für den Gebrauch des ultraschallprüfgerätes, Typ BP III

Onderzoekstechnieken voor de evaluatie van brandschade aan betonconstructies

Recommend Documents