Palonkestävyys – onko se ongelma korkealujuusbetonille?

Hyvä palonkestävyys on yksi ominaisuuksista, joka erottaa betonin muista materiaaleista, kuten teräksestä tai alumiinista, mutta korkealujuusbetonin (UHPC) palonkestävyys herättää usein huolenaiheita. Lyhyt ja yksinkertainen vastaus on, että korkealujuusbetonilla on täysin mahdollista suunnitella rakenteita, joiden palonkestävyys on vähintään yhtä hyvä kuin tavanomaisella betonilla. Hi-Conin korkealujuusbetonilla CRC i2® se vaatii riittävän kypsyyden (kosteuspitoisuuden vähentämiseksi), ja joissain tapauksissa jonkin verran lisäraudoitusta.

 

 

Palonkestävyys ja lohkeilu – kaksi erillistä ongelmaa

Suurin huolenaihe korkealujuusbetonille paloaltistuksen yhteydessä on lohkeilu - ja se voi olla ongelma jopa betoneille puristuslujuudeltaan 70-80 MPa tai enemmän. Käsittelen tätä jäljempänä, mutta käsittelen ensin helpointa osaa, koska vaikka lohkeilu ei ole ongelma, on olemassa muutamia muita alueita, joissa korkealujuusbetonin käyttäytyminen eroaa tavanomaisesta betonista palon aikana.

 

Lämmönjohtavuus

Koska korkealujuusbetoni on paljon tiheämpää kuin perinteinen betoni (alhaisempi vesi-sideainesuhde ja vähemmän huokosilmaa), sen lämmönjohtavuus on suurempi kuin tavanomaisella betonilla, mikä tarkoittaa, että korkea lämpötila saavutetaan nopeammin korkealujuusbetonissa.

 

Lämpökapasiteetti

Korkealujuusbetonilla on tyypillisesti pienempi ominaislämpökapasiteetti (johtuen jälleen tiheämmästä materiaalista ja alhaisemmasta kosteuspitoisuudesta). Tämä jo itsessään johtaa pienempään lämpökapasiteettiin, ja koska korkealujuusbetonia käytetään usein hyvin ohuissa elementeissä, tämä alentaa elementin lämpökapasiteettia entisestään, koska massaa on vähemmän lämmön absorboimiseksi.

 

Ohut raudoituksen betonipeite

Koska Hi-Conin korkealujuusbetonissa CRC käytetään aina tavanomaista raudoitusta yhdessä teräskuitujen kanssa, tulee raudoituksen betonipeite aina ottaa huomioon. Yleensä tämä betonipeite on niinkin pieni kuin 15 mm, mikä tarkoittaa, että jos elementin vetopuoli altistuu tulelle, raudoitusteräkset voivat saavuttaa korkean lämpötilan suhteellisen nopeasti verrattuna tavanomaiseen betoniin, jossa olisi paljon suurempi raudoituksen betonipeite.

 

Ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa

On osoitettu (esim. testeissä Imperial Collegessa Milanon yliopiston asiantuntijoiden avustamana), että puristuslujuus ja vetolujuus säilyvät korkealujuusbetonilla korkeammassa lämpötilassa (jopa 700 celsiusastetta) huomattavasti paremmin kuin perinteisellä betonilla. Tämä on totta myös kuumana mitattuna, mutta vielä enemmän, kun lujuus mitataan jäähdytyksen jälkeen. Tämä johtuu kalsiumhydroksidin negatiivisesta vaikutuksesta, ja kalsiumhydroksidin määrä on korkealujuusbetonissa paljon pienempi kuin tavanomaisessa betonissa.

 

Yhteenvetona - tämä aihealue on ehdottomasti haaste korkealujuusbetonille! Tapa, jolla me olemme käsitelleet tätä CRC-korkealujuusbetonin osalta, on tehdä useita testejä (pilareille, seinäelementeille ja kiilamaisille palkeille), joissa lämpötilan nousu betonin eri syvyyksillä (10-50 mm) on mitattu palon aikana, ja näitä tuloksia käytetään sitten palolaskelmissamme. Joissakin tapauksissa voi olla tarpeen lisätä ylimääräisiä raudoitusteräksiä riittävän palonkestävyyden varmistamiseksi. Palolaskelmiemme testaamiseksi eri elementit on sitten altistettu täyden mittakaavan palotesteille - kuormitettuna. Alla olevassa kuvassa on esimerkki koejärjestelystä. Tämä oli testi, joka tehtiin Tampereen yliopistossa Suomessa, ja jossa ulokeparveke kesti normaalia tulipaloa 2 tuntia ennen kuin muodonmuutokset tulivat liian suuriksi testirakenteelle.

 

CRC-ulokeparveke on asennettu polttouuniin palokoetta varten.

 

Lohkeilu

Tulipalo aiheuttaa betonirakenteille erityyppisiä lohkeiluja, mutta räjähdysmäinen lohkeilu on se, joka tyypillisesti liitetään korkealujuusbetoniin. Sitä on todettu useissa tulipaloissa, kuten tulipalossa Tanskan Iso-Beltin tunnelissa sekä tulipalossa Englannin ja Ranskan välisessä kanaalitunnelissa - ja sen aiheuttaa vesihöyryn paine.

 

Kun betoni altistetaan korkeille lämpötiloille, betonin sisällä oleva vesi muuttuu höyryksi ja tämä höyry pyrkii ulos betonista. Tämä ei ole ongelma huokoisessa betonissa, mutta jos huokoisuus on alhainen, muodostuu suhteellisen korkea paine, kun höyry yrittää paeta. Jos tämä paine ylittää betonin vetolujuuden, betoni halkeilee höyryn vapauttamiseksi. Jos betonin vetolujuus on korkea - ja huokoisuus on alhainen - muodostunut vesihöyryn paine voi olla niin suuri, että vetolujuuden ylittyessä betoni lohkeilee räjähdysmäisesti. On olemassa joukko parametrejä, jotka ilmaisevat kohonneesta räjähdysmäisen lohkeilun todennäköisyydestä. Tekijöitä, jotka lisäävät räjähdysmäisen lohkeilun vaaraa ovat mm.:

 

• Matala huokoisuusaste

• Suurempi kosteuspitoisuus

• Korkeat puristusjännitykset

• Suuri kalsiumhydroksidipitoisuus

 

CRC:n keksijä, Hans Henrik Bache, teki yhden ensimmäisistä testeistä räjähdysmäisen lohkeilun tarkistamiseksi. Omassa keittiössään. Hän pani kappaleen nuorta CRC-korkealujuusbetonia - muutaman päivän vanhan - pannuun ja lämmitti sitä liedellä. Yhtäkkiä kappale räjähti, ja pienet palat levisivät ympäri keittiötä - mikä antoi Bachelle erittäin selvän kuvan tämän riskin olemassaolosta.

 

Tämän jälkeen tehtiin laaja testisarja - vaurioittaen muutamia uunien lämmityselementtejä yritettäessä selvittää, missä rajat olivat. Testit osoittivat, että jos CRC:n kosteuspitoisuus on riittävän alhainen (noin 2%), ei ole lohkeilemisen vaaraa. Tämä voidaan saavuttaa kuivaamalla betonia tai yksinkertaisesti saavuttamalla riittävä kypsyysaste, koska korkea sementtipitoisuus varmistaa kuivumisen, ja kalsiumhydroksidipitoisuus on hyvin pieni. Toisen tyyppisiin korkealujuusbetoneihin - joissakin on jopa alhaisempi huokoisuusaste kuin CRC:ssä - voi olla tarpeen lisätä polypropeenikuituja, koska ne vähentävät räjähdysmäisen lohkeilun vaaraa. Tätä ratkaisua - lisätä betoniin yksisäikeisiä polypropeenikuituja räjähdysmäisen lohkeilun riskin vähentämiseksi - on käytetty laajasti tunneleissa, rakennuksissa ja offshore-rakenteissa, myös betoneissa, joiden lujuustasot alkavat 70 MPa:sta.

 

Täyden mittakaavan palokokeet ovat myös antaneet tietoja lohkeiluriskistä, samoin kuin ne pari tulipaloa, joissa CRC-elementtejä on ollut mukana - kaikki rakennusvaiheen aikana. Tommy esittelee lyhyesti nämä todelliset tulipalot myöhemmässä blogikirjoituksessaan, koska pelkään, että olen jo ollut vähemmän kuin lyhyt tässä kirjoituksessani. Lisään alla olevan kuvan vain johdatukseksi Tommyn tulevaan kirjoitukseen. Puolustuksekseni täytyy todeta, että tämä on erittäin monimutkainen ongelma, ja vaikka olen yksinkertaistanut asioita niin paljon kuin mahdollista, en ole pystynyt tekemään sitä vain muutamalla lyhyellä lauseella.

 

Kerro, jos sinulla on kommentteja korkealujuusbetonien palonkestävyydestä - tai jos sinulla on käytännön kokemusta tällä alalla (ehkä tosiasiallisesta tulipalosta). Jokainen korkealujuusbetoni-tyyppi on erilainen ja vaikka laajoja tutkimushankkeita on toteutettu (olemme olleet mukana joissakin), ei silti ole mahdollista ilman kokeita ennustaa tarkalleen, mikä räjähdysmäisen lohkeilun riski on tietylle korkealujuusbetonille.

 

Tulipalo Heilig Harnin työmaalla Den Helderissä Hollannissa

 

Käännös englanninkielisestä tekstistä: Jarmo Manninen