OBSAH Obsah ..................................................................................................................................... 1 Úvod .................................................................................................................................... 10 Cíl práce............................................................................................................................... 11 Teoretická část ..................................................................................................................... 12 1
2
Chování betonů za vysokých teplot .......................................................................... 12 1.1
Vliv vysokých teplot na cementový tmel .......................................................... 13
1.2
Vliv vysokých teplot na kamenivo .................................................................... 15
1.3
Vliv vysokých teplot na mechanické vlastnosti betonu .................................... 16
1.4
Vliv vysokých teplot na vláknovou výztuž ....................................................... 17
1.5
Explozivní odprýskávání ................................................................................... 18
Diagnostika poškozené konstrukce .......................................................................... 19 2.1
Všeobecný přehled ....................................... Chyba! Záložka není definována.
2.2
Průzkum jádrových vývrtů a výsledky ......... Chyba! Záložka není definována.
2.3
Závěrečné ustanovení a materiálový průzkumChyba!
Záložka
není
definována. 2.4
Zhodnocení stavu ocelové výztuže v konstrukci po působení požáru ..... Chyba!
Záložka není definována. 2.5
Sanace železobetonové konstrukce haly zasažené požáremChyba!
Záložka
není definována. 2.6
Shrnutí .......................................................... Chyba! Záložka není definována.
2.7
Návrh postupu diagnostiky stavební konstrukce poškozené požárem ..... Chyba!
Záložka není definována. Experimentální část ............................................................................................................. 20 3
Metodika ................................................................................................................... 20 3.1
Metody měření součinitele tepelné vodivosti.................................................... 20
3.2
Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu při laboratorní teplotě .... 21
3.3
Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu při zvýšených teplotách . 22
3.4
Vyhodnocení prováděných zkoušek............. Chyba! Záložka není definována.
3.5
Diskuze výsledků .............................................................................................. 25
Závěr .................................................................................................................................... 27 Seznam použitých zdrojů..................................................................................................... 28 Seznam tabulek .................................................................................................................... 30 Seznam grafů .................................................................. Chyba! Záložka není definována. Seznam obrázků................................................................................................................... 31
ÚVOD Beton, ačkoli je považován za nehořlavý materiál, tak při vysokých teplotách postupně ztrácí své mechanické vlastnosti a to už při teplotách nad 300 °C. V případě explosivní odprýskávání dochází k poškození betonu pod 300 °C. Z tohoto důvodu jsou snahy o zlepšení jeho odolnosti vůči vysokým teplotám. Důležitost odolnosti betonu vůči vysokým teplotám se prokázala při několika haváriích, a to zejména v oblasti tunelů, kde lze jmenovat požár v tunelu pod Mont Blancem, kdy vzrostla teplota v ohnisku požáru až na 1000 °C. Tento incident byl příčinou přísnějších norem o bezpečnosti v silničních tunelech. V dnešní době se betonová směs upravuje na speciální požadavky složení a výborně se k tomu hodí například použití polypropylenových vláken. Vůbec první tunel v České republice s přídavkem polypropylenových vláken byl tunel u Klimkovic v úseku dálnice D47. Ke komplexnímu zhodnocení chování betonu za vysokých teplot je vhodné sledovat i fyzikální vlastnosti betonu zatíženého vysokými teplotami, jako například součinitel tepelné vodivosti. Jeho hodnota závisí na pórovitosti betonu, takže například lehké betony obsahující velké množství malých pórů šíří teplo pomaleji. Po jejich porušení se hodnota součinitele tepelné vodivosti mění v závislosti na probíhajících změnách ve struktuře betonu. V případě rostoucích hodnot dochází k tvorbě větších vzduchových mezer, při jejich poklesu může teoreticky docházet k jejich utěsňovaní vlivem tvorby novotvarů.
10
CÍL PRÁCE Cílem této práce je studium chování cementových betonů za vysokých teplot. V teoretické části je cílem provést popis jednotlivých složek betonu při chování ve vysokých teplotách (vlivy na cementový tmel, kamenivo a vláknovou výztuž), stejně tak jako chování betonu jako celku. Dále provést návrh diagnostiky konkrétního případu poškození konstrukce požárem. V experimentální části bude provedeno měření součinitele tepelné vodivosti za laboratorních teplot a při zvýšených teplotách na vzorcích z lehkého betonu s kamenivem
Liapor
a
vláknovou
výztuží
a
vzorky
s kamenivem
čedič
s polypropylenovými vlákny. Bude uveden postup měření tepelné vodivosti metodou topného drátu.
11
TEORETICKÁ ČÁST 1 CHOVÁNÍ BETONŮ ZA VYSOKÝCH TEPLOT Beton je flexibilní materiál, který má proti ostatním stavebním materiálům i dobré vlastnosti z hlediska působení vysokých teplot. Lze ho zařadit do stupně hořlavosti A – nehořlavý. [1] Avšak při působení vysokých teplot dochází v betonu k fyzikálním, chemickým a mechanickým procesům, které mohou být vratné či nevratné. Přehled těchto procesů je popsán v tabulce č. 1. Tyto změny se projevují zhroucením struktury cementového tmelu a tak ke ztrátě nosné kapacity betonu. Bezpečnost a trvanlivost betonu závisí na tom, jakou má beton pevnost po dobu trvání ohně a pevnost při průběhu ochlazování. Rozhodující jsou teploty od 300 °C do 1000 °C nebo až 1300 °C a délka jejich trvání. Na začátku lze očekávat, že ohřátím na vysoké teploty se pevnost betonu zmenší, jelikož se tmel i kamenné složky žárem mění. Změny se budou lišit dle složení cementu a pevných složek, dle výše žáru a jeho trvání. [2]
12
Teplota betonu θ [°C]
150 200 >
Dochází k uvolnění chemicky vázané vody.
300 >
Pokračuje rozklad hydrosilikátu vápenatého (CSH) a hydroxidu vápenatého Ca(OH)2 - portlandit. Ca(OH)2 → CaO + H2O. Začíná se porušovat kamenivo, nejdříve se porušuje křemičité kamenivo (350 °C).
Dochází k fázové přeměně křemene (silikátové kamenivo) z triklinické 550 - 600 soustavy na hexagonální (573 °C). To vede vlivem rozdílné teplotní roztažnosti k narušování vazeb mezi kamenivem a cementovým tmelem. Vrcholí druhá fáze rozkladu hydrosilikátu vápenatého (CSH). Rozklad 700 - 750 uhličitanu CaCO3. Hydraulické vazby v cementovém tmelu přecházejí na vazby keramické. 800 > Dochází k dekarbonataci kameniva vápencového kameniva, při kterém vzniká oxid uhličitý (CO2) - plynná látka rozrušující beton. 900
Absolutní dekompozice cementového tmelu.
1000 >
Začíná tavení některých složek betonu. Tvorba wollastonitu β (CaO.SiO2)
1200 >
Celkové tavení - rozklad betonu
Explosivní odprýskávání
100
Dochází k hydrataci (přeměna volně vázané voda na chemicky vázanou). Vznik hydrosilikátu (CSH gelu) a hydroxidu vápenatého Ca (OH)2 portlanditu. Začíná dehydratace cemnetového tmele - uvolňování vázané vody za současného rozkladu hydrátů. 80 – 150 °C dehydratace ettringitu. Vrcholí první fáze rozkladu hydrosilikátu vápenatého (CSH). 150 - 170 °C rozklad sádry CaSO4 . 2H2O 170 °C tavení polypropylenových vláken.
Výskyt trhlin
20 - 100
Proces v betonu
Tabulka 1 - Přehled změn probíhajících v betonu při zahřívání[3]
1.1 Vliv vysokých teplot na cementový tmel Zahřívání cementového tmelu způsobuje k odpařování fyzikálně a chemicky vázané vody, která je přítomna v materiálu. Nejprve se postupně uvolňuje z cementového tmelu fyzikálně vázaná voda prostřednictvím kapilár a po zahřátí na vyšší teplotu se začne uvolňovat voda chemicky vázaná. Nicméně při hydrotermální reakci, která může nastat například při autoklávování (uzavřené a vlhké prostředí), může docházet k značným změnám v mikrostruktuře. Charakter těchto změn závisí na několika aspektech: •
na mineralogickém složení cementu,
•
poměr CaO/SiO2,
•
výše jemných podílů (křemičité úlety), 13
•
na úrovni dosažené teploty a tlaku Mechanické vlastnosti cementového tmelu jsou silně ovlivněny chemickými
vazbami a jejich silou mezi listy CSH gelu. Předpokládá se, že okolo 50% pevnosti cementového tmelu je zajištěna soudržností sil mezi listy, které se nachází v CSH gelu. Vypařování vody, která se nachází mezi listy CSH gelu, velmi ovlivňuje mechanické vlastnosti cementového tmelu.
Obr. č. 1 Model CSH fáze [3] Dehydratační proces CSH gelu způsobuje zmenšení objemu cementových hydrátů, a to vede ke zvýšení pórovitosti cementové matrice. Celkový objem pórů roste, a proto dochází ke zvětšení průměrné velikosti pórů. Cementový tmel se rozpíná kolem 200 ºC. To je zapříčiněno odchodem páry z jeho struktury. Jeho intenzivní smrštění začíná až po překročení této teploty. Nejméně vhodné hydraulické pojivo pro zatěžování zvýšenými teplotami je obyčejný portlandský cement (CEM I), protože podléhá rozpadu po ztrátě chemicky vázané vody obsažené v hydratačních produktech. Efekt dehydratace vede k rozpadu portlanditu při teplotách okolo 450 – 550 ºC na CaO a vodní páru. Tato reakce se dá popsat následující rovnicí: (
) →
+
Tato reakce rozpadu portlanditu zvyšuje pórovitost cementové matrice a snižování mechanických vlastností. Nicméně tento proces může být přeměněn a to v případě použití příměsí s pucolánovými vlastnostmi, kdy nastává tvorba CSH gelu při hydrataci. Tyto fáze se rozkládají při relativně širokém intervalu vysokých teplot. Zbytky CSH gelu lze identifikovat v matrici vystavené teplotám 500 – 600 ºC. Z toho důvodu je lepší použití směsných cementů, které mají menší podíl portlandského slinku a více příměsi na bázi 14
popílku a strusky. Hlinitanové cementy vykazují nejvyšší účinnost vůči působení vysokých teplot. Avšak nejsou vhodné pro konstrukční betony a v České republice jsou dokonce zakázány. A to z toho důvodu, že dochází k přeměně metastabilních fází CAH10 a C2AH8 při teplotách nad 20ºC na stabilní kubickou formu C3AH6: →
+
+
Tento děj probíhá i několik let v závislosti na teplotě okolí a jeho důsledkem je zvýšení pórovitosti a snížení pevnosti. [4]
1.2 Vliv vysokých teplot na kamenivo Kamenivo zaujímá v betonu 60-80 %, tudíž je třeba mu věnovat pozornost. Kamenivo, stejně jako téměř všechny pevné látky, zvětšuje svůj objem se zvyšující se teplotou. Proto je důležitá vlastnost kameniva jeho tepelná roztažnost. Míra roztažnosti je dána u kameniva jeho mineralogickým a chemickým složením. Tabulka č. 2 udává hodnoty koeficientu lineární tepelné roztažnosti vybraných hornin. Mineralogické složení rozhoduje o celkovém tepelném přetvoření kameniva. Kromě tepelného přetvoření probíhají i metamorfní přeměny minerálů. Například k metamorfní přeměně u křemenu dochází při 574 °C. Tato změna způsobuje zvýšení objemu o přibližně 0,84 %. Uhličitanové kamenivo jako například vápenec a dolomit se rozpadá okolo teplot 700 °C. Dochází k rozpadu CaCO3 na CaO a CO2. Při hašení požáru a přístupu vody může dojít k hydrataci CaO a vzniku Ca(OH)2, a tak k expanzi až o 40 %. Na obrázku 2 můžeme vidět procesy, které probíhají při zvyšovaní teploty u různých druhů kameniva.[4] Druh horniny
Koeficient lineární tepelné roztažnost [10-6.C-1]
Čedič
3,9
-
9,7
Dolomit
6,7
-
8,6
Pískovec
4,3
- 13,9
Vápenec
0,9
-
12,2
Žula
1,8
-
11,9
Tabulka 2 Koeficienty lineární tepelné roztažnosti pro různé druhy hornin [2]
15
Obr. č. 2 Procesy probíhající v kamenivu vlivem zahřívání [7] S ohledem na reakci při vysokých teplotách je vhodné kamenivo takové, které má nízkou tepelnou roztažnost a zanedbatelné zbytkové přetvoření při ochlazení. Dále pak nesmí měnit své mechanické vlastnosti, primárně pevnost v tlaku. Vhodná přírodní kameniva jsou čedič, diabas či andezit. Čedič obsahuje křemennou složku jen minimálně a tak je stabilní. Nevhodná jsou kameniva křemenná a žula. Pro extrémní teploty nad 1000 °C lze použít jako kamenivo korund či drcený bauxit. [4] Lehké kamenivo Liapor, které je využito v experimentální části této bakalářské práce, je uměle vyrobené kamenivo, které vzniká výpalem při teplotách 1100 až 1200 °C z přírodního jílu, kdy dojde k expanzi vlivem přítomnosti taviv (oxidy železa) a paliv. V České republice se vyrábí v LIASu Vintířov.[6] Liapor má dobré a stabilní chování ve vysokých teplotách až do 800 °C, kdy nedochází k žádným změnám. Jako keramický materiál lze zařadit do stupně hořlavosti A – materiál nehořlavý. [1]
1.3 Vliv vysokých teplot na mechanické vlastnosti betonu Vyšší teploty, které působí na beton, tak ovlivňují nejen jeho pevnosti, ale i do značné míry další vlastnosti jako například modul pružnosti. Pevnost v tlaku do 300 °C 16
klesá jen mírně, až okolo teplot 400 – 500 °C dochází k odchodu chemicky vázané vody a tak k narušení struktury betonu (Obrázek 1 Diagram pevnosti v tlaku vyjádřené jako funkce teploty, kapitola 2.3.) Tento jev platí i pro modul pružnosti. Další jev, který nepříznivě ovlivňuje mechanické vlastnosti, je přeměna křemene, který přechází ze soustavy triklinické na hexagonální soustavu. Tato přeměna je následována nárůstem objemu betonu o cca 5 % a tak vede k dalšímu porušení struktury betonu. [7]
1.4 Vliv vysokých teplot na vláknovou výztuž 1.4.1
Polypropylenová vlákna Polypropylenová vlákna jsou využívána jako rozptýlená výztuž do betonů.
Polypropylen vzniká polymerizací izotaktických polypropylenových molekul. Při porovnání s ostatními polymery je polypropylen pevný, tužší a má vyšší teplotu měknutí. Chemický vzorec polypropylenu je C3H6. [8] Polypropylenová vlákna mají dvě základní využití. Jako první využití těchto vláken v betonu je zabraňování a šíření smršťovacích mikrotrhlin. Tento jev probíhá v rané fázi hydratace betonu. Polypropylenová vlákna na sebe naváží záměsovou vodu, kterou postupně uvolňují, a tak dochází k postupně hydrataci betonu. A pokud trhlinky vzniknou, tak vlákna napříč trhlinkami začnou přenášet tahové napětí. Po zatvrdnutí betonu nemají žádný větší vliv na fyzikálně mechanické vlastnosti. Další využití polypropylenových vláken spočívá ve zvýšení odolnosti betonu vůči vysokým teplotám. Bylo dokázáno, že vlákna při teplotě okolo 130 °C začínají vyhořívat z horních vrstev betonových konstrukcí a při teplotě 200 °C jsou roztavena v celém objemu betonu a tak vytvářejí systém kanálků, kterými může odcházet vodní pára z betonu. Teploty tavení polypropylenových vláken se pohybují okolo 165 – 175 °C. [9] Typy polypropylenových vláken: a) Vlákna monofilamerní – vyráběna rozvlákněním z taveniny, protlačováním do vzduchu. Mikrovlákna mají délku 15 – 40 mm a makrovlána 300 – 1 mm. b) Vlákna fibrilovaná – vyráběna rozvlákňováním upravené plastové fólie dělené na požadovanou délku. c) Vlákna sdružená – vyráběna složením z jednotlivých vláken, která vznikla výrobou a) nebo b) [9]
17
Obr. č. 3 Polypropylenová vlákna a) fibrilovaná, b) monofilamerní [10] Tyto vlákna se přidávají do čerstvého betonu o obvyklé dávce 0,8 – 1,2 kg/m3. Při využití na snížení smršťovacích trhlin a na zvýšení požární odolnosti se doporučuje až 2 kg/m3. Důležitý je ovšem i jejich počet a rovnoměrné rozptýlení v celém objemu cementové matrice.
1.5 Explozivní odprýskávání Explozivní odprýskávání je děj, který vzniká v důsledku nárůstu tlaku páry v horkém betonu. Vlhkost, která je přítomna v pórovém systému betonu, se zvyšující teplotou expanduje a při teplotách nad 100 °C voda přechází do skupenství plynného – vzniká pára, což způsobuje zvýšení tlaku. Když je tlak vodní páry vyšší než pevnost betonu, dojde k porušení – odprýsknutí betonové vrstvy. Tlak vodní páry se může pohybovat okolo 3,0 – 5,0 N/mm2. Tlak se vytváří v závislosti na stupni saturace póru a teplotě.
Obr. č. 4 Odprýsknutí betonové vrstvy v důsledku požáru. [11] Z uvedeného vyplývá, že náchylné na explozivní odprýskávání jsou betony, které mají hutnou strukturu, nízkou pórovitost a nízkou hodnotu vodního součinitele. Mezi ně tedy patří hlavně vysokohodnotné betony. 18
Riziko explozivního odprýskávání lze snížit například použitím polypropylenových vláken a uhličitanového kameniva, které zůstává stabilní i ve velmi vysokých teplotách a má nízkou teplotní roztažnost. Naopak použití křemičitého kameniva zvyšuje riziko explozivního odprýskávání kvůli své přeměně. Stejně tak použití křemičitých úletů není vhodné, právě kvůli snižování propustnosti betonu. [11]
2 DIAGNOSTIKA POŠKOZENÉ KONSTRUKCE V rámci odborné praxe v Německu ve Wismaru u pana prof. Dr. Ing. Diederichse jsem měla možnost zúčastnit se několika odborných průzkumů jako například diagnostika stávajícího tunelu a opatření na zvýšení jeho protipožární odolnosti. Jeden z průzkumů již požárem poškozené konstrukce, na kterém jsem se podílela, jsem se svolením prof. Dr. Ing. Diederichse zpracovala v této práci a uvádím jako příklad zprávy.
19
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3 METODIKA Praktická část této bakalářské práce je zaměřena na měření součinitele tepelné vodivosti betonových zkušebních vzorků. Měření bylo provedeno po dohodě s vedoucí této práce na vzorcích s lehkým kamenivem Liapor s přídavkem rozptýlené výztuže – drátků. Vzorky na měření součinitele tepelné vodivosti byly použity z bakalářské práce pana Bečicy pro komplexní zhodnocení chování lehkých betonů za vysokých teplot. U těchto vzorků byl měřen součinitel tepelné vodivosti λ při teplotě 20 °C. A u 4 vybraných receptur byl měřen součinitel tepelné vodivosti za zvýšených teplot (400 °C a 600 °C). Vzorky s kamenivem čedič byly vybrány na měření z diplomové práce pana Fialy, u kterých byl měřen pouze součinitel tepelné vodivosti za laboratorních podmínek.
3.1 Metody měření součinitele tepelné vodivosti Součinitel tepelné vodivosti lze stanovit několika základními způsoby, které se dělí do dvou skupin. A to metody stacionární a nestacionární. Metoda stacionární vyžaduje ustálenou teplotu ve vzorku a metoda nestacionární vychází naopak z dynamického vývoje teplot a sleduje průběh šíření teplotní vlny daným vzorkem. 1) Stacionární metody: •
Metoda desky
•
Metoda chráněné teplé desky
•
Metoda měřidla tepelného toku
•
Metoda válce
•
Metoda koule.
2) Nestacionární metody •
Metoda nestacionárního tepelného toku
•
Metody tepelných impulsů a) Metoda horkého drátu (Hot Wire Method) b) Záblesková metoda (Laser Flash Method) [16]
20
3.2 Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu při laboratorní teplotě Zkušební tělesa Jako zkušební vzorky byly použity hranoly o rozměrech 230 × 100 × 70 mm, které byly vyřezány z trámců 700 × 150 × 150 mm. Vzorky byly po měření dále využity na měření součinitele tepelné vodivosti za zvýšených teplot. Zkušební zařízení Samotné měření probíhá pomocí měřicího přístroje Shotherm od firmy Shova Deco, který pracuje automaticky a výstupní veličinou je přímo hodnota součinitele tepelné vodivosti.
Obr. č. 5 Měřící přístroj Shotherm Postup měření Měření probíhá v souladu s normou ČSN EN ISO 8894-1 Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu (křížové uspořádání). Dle této metody lze měřit materiály hutné, zrnité i práškové. Pro měření se připraví dva až tři vzorky, jejichž rozměry musí být minimálně 200 × 100 × 50 mm. U zkušebních vzorků musí být zaručena jejich rovinnost. Odchylka od rovinnosti dvou bodů nesmí být větší než 0,2 mm. V případě že je odchylka rovinnosti vyšší než 0,2 mm, musí být vzorky zabroušeny. Na povrch zkušebního vzorku se položí sonda, která se nechá temperovat ideálně 180 sekund a poté se na řídícím přístroji aktivuje měřící proces (stisk tlačítka START).
21
Po ukončení měření se na displeji řídícího přístroje objeví číselný údaj, který představuje naměřenou hodnotu součinitele tepelné vodivosti. Během celého měřícího intervalu je nutné, aby zkušební sonda byla v kontaktu s povrchem zkušebního vzorku. Dojde-li k přerušení kontaktu, musí se měření opakovat. Měření je nutné opakovat na jednom zkušebním vzorku 5x, přičemž při každém měření je nutné opakovaně přiložit zkušební sondu na povrch zkušebního vzorku. Výsledná ekvivalentní hodnota součinitele tepelné vodivosti se stanoví jako aritmetický průměr z naměřených hodnot (případně odlehlé hodnoty je nutné hodnoty vyloučit). [16]
3.3 Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu při zvýšených teplotách Tato zkouška probíhá v souladu s normou ČSN EN ISO 8894-1 Žáruvzdorné materiály - Stanovení tepelné vodivosti Část 1: Metoda topného drátu (křížové uspořádání a uspořádání s odporovým teploměrem). Podstata zkoušky Jak metoda topného drátu v křížovém uspořádání, tak i metoda topného drátu s odporovým teploměrem jsou dynamické měřící postupy, založené na stanovení teplotního nárůstu jako funkce času lineárního zdroje tepla (topného drátu) vloženého mezi dvě zkušební tělesa, která tvoří zkušební sestavu. Zkušební sestava se zahřívá v peci na stanovenou teplotu a udržuje se při této teplotě. Další místní ohřev probíhá pomocí lineárního elektrického vodiče (topného drátu), který je symetricky uložen do zkušební sestavy, a kterým prochází elektrický proud o známém výkonu, konstantním čase a v podélném směru zkušebního tělesa. U křížového uspořádání se nárůst teploty měří termočlánkem, který je přivařen na střed topného drátu. Přívody termočlánku jsou kolmé na topný drát. Zkušební přístroj Základem je pec, která je elektricky vyhřívaná a umožňuje dosažení nejvyšší požadované teploty jedné nebo více zkušebních sestav. Teplota na 2 různých místech uvnitř pece se nesmí lišit o více než 10 K. Topný drát, který je přednostně platinový nebo platino/rhodiový, musí mít délku minimálně stejnou jako je délka vzorku a o průměru minimálně 0,5 mm. Oba konce topného drátu jsou připojeny ke zdroji energie. Zdroj energie se při křížovém uspořádání 22
skládá ze stabilizovaného zdroje střídavého nebo stejnosměrného proudu a jeho výkon nesmí klesat o více jak 2 %. Dále jsou k topnému drátu připojené napěťové odbočky, vyrobené ze stejného materiálu jako topný drát, které regulují výkon topného drátu. Vzdálenost mezi nimi by měla být přibližně 200 mm a průměr nesmí být větší než průměr topného drátu. Při křížovém uspořádání měřící soustavy se používá platino/platino-rhodiový diferenční termočlánek, složený z měřícího termočlánku připevněného ve středu topného drátu a srovnávacího termočlánku připojeného mimo pec. Přívody měřícího termočlánku musejí probíhat kolmo k topnému drátu. Výstupní signál srovnávacího termočlánku se udržuje stabilní tím, že termočlánek je uložen na horní stranu měřící sestavy a přikryt krytem ze stejného materiálu, z jakého jsou vyrobeny zkušební tělesa. Z důvodu minimalizace tepelných ztrát vedením tepla se průměr termočlánku volí nižší než průmět topného drátu. Termočlánky jsou vyvedeny mimo pec, kde jsou připojeny na měřící zařízení. Zkušební tělesa Každá zkušební sestava se musí skládat ze dvou identických zkušebních těles, jejichž velikost je nejméně 200 x 100 x 50 mm. Doporučuje se, aby velikost zkušebních těles byla 230 x 114 x 64 mm respektive 230 x 114 x 76 mm. Aby nedocházelo ke zřetelnému houpání či pohybu, musí být odchylka od rovinnosti dvou bodů vzdálených nejméně 100 mm nejvýše 0,1 mm. Jestli není povolená odchylka od rovinnosti splněna, je třeba tělesa zabrousit. Před samotným měřením se zkušební tělesa vysuší v sušárně po dobu 48 hodin na teplotu 110 ± 5 °C. Pro uložení topného drátu mezi zkušební tělesa se v horní straně spodního tělesa vytvoří zářez. Zářez nesmí být příliš velký, protože by mohlo docházet k nerovnoměrnému přenosu tepla na obě zkušební tělesa. V případě, že je zářez příliš velký, může se topný drát jemně zatmelit rozemletým zkušebním materiálem smíchaný s vhodným pojivem (například 2 % dextrinu ve vodě).
23
Obr. č. 6 Zkušební tělesa
Obr. č. 7 Zkušební sestava Provedení zkoušky Zkušební těleso se zářezy se položilo opatrně pod topný drát na zkušební stůl z nehořlavého materiálu a přiklopilo druhým tělesem hladkou spodní stranou. Drátky se stabilizovaly v zářezech. Na počítači se zadaly teploty, při kterých se provedlo měření součinitele tepelné vodivosti. Hodnota elektrického proudu procházející topným drátem byla 3 Ampéry.
24
Pro zkoušení těles byly zvoleny teploty 400 °C a 600 °C při nárůstu teploty 10 °C/min, který byl probíhal lineárně. Po dosažení maximální teploty se nechaly vzorky samovolně vychladnout. Vyhodnocení zkoušky Pokud jsou změny výkonu topného drátu v průběhu zkoušky větší než 2 %, výsledky se vyloučí a zkouška se opakuje. Zaznamenaný nárůst teploty jako funkce času musí mít lineární semilogaritmický průběh. Pokud není graf zcela lineární, vyloučí se tyto výsledky a zkouška se opakuje. Pokud není graf nárůstu teploty na čase na spodním konci lineární, může to být zapříčiněno vlivem uložení. A pokud není graf naopak na horním konci lineární, tak příčina může být příliš vysoká tepelná vodivost materiálu. Součinitel tepelné vodivosti materiálu, λ [W/(m·K)] se vypočte pro všechny zkušební teploty pomocí následující rovnice:
=
×
∆Ɵ − ∆Ɵ
Kde Pi je elektrický příkon na délkovou jednotku topného drátu [W/m] t1 a t2 je uplynulý čas od připojení zdroje proudu topného drátu [s] ∆Ɵ1 a ∆Ɵ2 je nárůst teploty v časech t1 a t2 od připojení zdroje proudu topného drátu [°C] [17]
3.4 Diskuze výsledků U obyčejného betonu součinitel tepelné vodivosti klesá s nárůstem teploty, protože se odpařuje fyzikálně vázaná voda do teploty 300 °C a při dehydrataci CSH gelu pravděpodobně dochází k tvorbě novotvarů. U lehkých betonů k poklesu součinitele tepelné vodivosti pravděpodobně nedochází, jak vyplývá z výsledků experimentální část. Hodnota součinitele tepelné vodivosti do 400 °C vzrostla (průměrně cca o 0,3 W/(m.K)) a pak mírně klesala. Podobný trend zaznamenala při svých měření Nováková [18], kde při měření zjistila, že hodnota součinitele tepelné vodivosti rostla se zvyšující se teplotou. Lze tedy očekávat jiné chování betonu s lehkým kamenivem oproti betonu obyčejnému při zatěžování vysokými teplotami. Dále lze vypozorovat, že vyšší přídavek rozptýlené ocelové výztuže neměl zásadní vliv na hodnoty součinitele tepelné vodivosti. Receptura C, která se nejvíce odlišovala nižším podílem popílku a vysokým obsahem křemičitého písku, měla nižší 25
součinitel tepelné vodivost při 600 °C než při laboratorních teplotách. Z provedené zkoušky se, ale nedá přesně konstatovat důvod, proč tomu tak je, proto by bylo vhodné zaměřit se například na mikrostrukturu vzorku. Dále by bylo třeba provést další měření součinitele tepelné vodivosti za zvýšených teplot, hlavně u receptury C, která má velký rozdíl mezi teplotami 400 °C a 600 °C. Vzorky s kamenivem čedič měly vyšší hodnoty součinitele tepelné vodivosti než u betonů s lehkým kamenivem Liapor, to lze odůvodnit vyšší objemovou hmotností u těchto vzorků (beton s čedičem – 2560 kg/m3 a beton s Liaporem – 1660 kg/m3). S přídavkem polypropylenových vláken se dá očekávat lepší chování ve vysokých teplotách, zejména zamezení explosivního odprýskávání, než u betonů bez přídavku vláken.
26
ZÁVĚR Bakalářská práce se zabývala studiem chování cementových betonů a byly uvedeny procesy, které probíhají v jednotlivých složkách betonu při vysokých teplotách. Součástí teoretické části byl popis diagnostiky stavební konstrukce, která byla poškozena požárem. Tato část byla zpracována v rámci stáže na Vysoké škole Wismar. Součástí této diagnostiky byl odběr jádrových vývrtů a na nich dále posuzované vlastnosti jako pevnost v tlaku a hloubka karbonatace betonu stanovované na vývrtech. Cílem diagnostiky byla navrhnutá sanační opatření, která se skládala z odstranění poškozené betonové vrstvy pomocí technologie vodního paprsku a nanesení nové betonové vrstvy ze stříkaného betonu. Návrh diagnostiky byl zpracován do následujících bodů: •
Vizuální zhodnocení konstrukce.
•
Výběr míst pro předpokládané jádrové vývrty.
•
Odběr jádrových vývrtů.
•
Stanovení pevnosti v tlaku na vyřezaných tělesech.
•
Stanovení hloubky karbonatace betonu na vývrtech.
•
Zhodnocení stavu konstrukční oceli a výztuže v betonu.
•
Návrh sanace poškozených částí. Experimentální část se zabývala zjišťováním součinitele tepelné vodivosti za
běžných (20 °C) a zvýšených teplot (400 °C a 600 °C) na vzorcích betonu s lehkým kamenivem a přídavkem ocelových drátků. Bylo zjištěno, že součinitel tepelné vodivosti u lehkých betonů stoupá do 400 °C a poté se pohybuje přibližně ve stejných hodnotách při teplotách 600 °C. Měření se provádělo při laboratorních podmínkách i pro vzorky betonu s kamenivem – čedič s polypropylenovými vlákny i bez nich. Zjistilo se, že oba vzorky s čedičem mají vyšší součinitel tepelné vodivosti než vzorky s lehkým kamenivem.
27
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1]
BRADÁČOVÁ, I. Stavby z hlediska požární bezpečnosti. 1. vyd. Brno: ERA group, 2007. ISBN 978-80-7366-090-1.
[2]
HELA, R, L BODNÁROVÁ, K KŘÍŽOVÁ a J VÁLEK. Vytvoření postupů a receptur pro použití betonu s vyšší trvanlivostí vůči působení vysokých teplot v konstrukcích. Dílčí výzkumná zpráva za rok 2010, CIDEAS – Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí. listopad 2010.
[3]
HELA, R, L BODNÁROVÁ A I HAGER. New generation cement concretes. Košice, červen 2009. ISBN 978-80-214-388-3.
[4]
BODNÁROVÁ, Lenka, Jaroslav VÁLEK, Libor SITEK a Josef FOLDYNA. Effect of high temperatures on cementious composite materials in concrete stuctures. Acta Geodyn. Geomater [online]. 2012, (2) [cit. 2015-05-24]. DOI: 10.13168/AGG.2013.0017. Dostupné z: https://www.irsm.cas.cz/materialy/acta_content/2013_doi/Bodnarova_AGG_2013_0 017.pdf
[5]
Fire design of concrete structures: materials, structures and modelling. Lausanne, 2007, 91 s., ISBN 978-2-88394-078-9
[6]
DROCHYTKA, R, P MATULOVÁ. Lehké stavební látky. Brno, 2006 . Studijní opory. VUT Brno.
[7]
FIALA, Jiří. Studium chování betonů při působení vysokých teplot [online]. Brno, 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=96863. Diplomová práce.
[8]
Polypropylen. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Polypropylen
[9]
KOLÍSKO, J. Vliv krátkých všesměrně rozptýlených polypropylenových mikro a mikrovláken na vlastnosti cementových malt a betonů. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební,2008
[10] Concrete fibers. Abcpolymer: an international plastics group [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.abcpolymerindustries.com/concrete-fibers.php
28
[11] WOLFRAM HEINRICH KLINGSCH, Eike. Explosive spalling on concrete in fire [online]. Zürich, 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://ecollection.library.ethz.ch/eserv/eth:8557/eth-8557-02.pdf. Dissertation. [12] ČSN EN 13791. Posuzování pevnosti v tlaku v konstrukcích a v prefabrikovaných dílcích. leden 2007. [13] DROCHYTKA, R. Trvanlivost stavebních materiálů. Brno, 2007. Studijní opory. VUT Brno. [14] SCHNEIDER, Ulrich. Repairability of fire damaged structures. Kassel: Kassel : Gesamthochsch.-Bibliothek, 1989. ISBN 3-88122-499-8. [15] DIEDERICHS, Ulrich. Visuelle Überprüfung der Stahlbetonstützen und Wände der Lagerhalle in Karow im Hinblick auf ihre Schädigung durch am 27.02.2014 erlittene Brandbeanspruchung.: Untersuchungbericht Nr. U14 0560 - Die/So [online]. 2014. Wismar, 2014 [cit. 2015-03-22]. [16] Izolační materiály – návody do cvičení. Brno, 2011. Studijní opory. VUT Brno [17] ČSN EN ISO 8894-1. Žárovzdorné materiály – Stanovení tepelné vodivosti – Část 1: Metoda topného drátu (křížové uspořádání a uspořádání s odporovým teploměrem). květen 2010. [18] NOVÁKOVÁ, Iveta, Studium tepelně izolačních vlastností cementových betonů při zvýšené teplotě. Brno, 2014. 118 s., Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce Ing. Lenka Bodnárová, Ph.D.. [19] FIALA, Jiří, Studium chování betonů při působení vysokých teplot. Brno, 2015. 149s., Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce Ing. Lenka Bodnárová, Ph.D..
29
SEZNAM TABULEK Tabulka 1 - Přehled změn probíhajících v betonu při zahřívání[3] .................................. 13 Tabulka 2 Koeficienty lineární tepelné roztažnosti pro různé druhy hornin [2] ............... 15
30
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. č. 1 Model CSH fáze [3] ............................................................................................. 14 Obr. č. 2 Procesy probíhající v kamenivu vlivem zahřívání [7] ......................................... 16 Obr. č. 3 Polypropylenová vlákna a) fibrilovaná, b) monofilamerní [10] ......................... 18 Obr. č. 4 Odprýsknutí betonové vrstvy v důsledku požáru. [11] ......................................... 18 Obr. č. 20 Měřící přístroj Shotherm ................................................................................... 21 Obr. č. 21 Zkušební tělesa .................................................................................................. 24 Obr. č. 22 Zkušební sestava ................................................................................................ 24
31
