Beton v extrémn. Vliv extrémn na vlastnosti betonu a výztuže. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí C

Transkript

1 Beton v extrémn mních podmínk nkách Vliv extrémn mních podmínek na vlastnosti betonu a výztuže C 20 C C 0,8 0,8 400 C 400 C σ c /f ck 0,6 0,4 600 C σ s /f yk 0,6 0,4 600 C 20 C 0,2 800 C 1000 C 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 ε c 0,2 800 C 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε s 1000 C ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

2 Vysoké teploty y (požár) beton Nehořlavý materiál. Ve srovnání s jinými stavebními materiály má vynikající vlastnosti z hlediska požární odolnosti. Přesto je chování betonu (resp. betonových a železobetonových konstrukcí) působením požáru negativně ovlivněno. Při vystavení zvýšeným teplotám dochází v betonu k mechanickým, fyzikálním a chemickým procesům vedoucím k nevratným změnám jeho vlastností. 2

3 Vysoké teploty y (požár) beton θ [ C] Procesy a změny v betonu při vystavení požáru Převzato z [1], primární zdroje [2-6] Dochází k hydrataci (přeměna volné vody v chemicky vázanou). Vznik CSH a Ca(OH) Začíná dehydratace cementového tmelu uvolňování volné vody za současného rozkladu hydrátů. 150 Vrcholí první fáze rozkladu CSH Dochází k uvolňování vázané vody Pokračuje rozklad CSH a Ca(OH) 2 za výrazného vzniku mikrotrhlin. Začíná se porušovat kamenivo, nejdříve se porušuje křemičité kamenivo. 3

4 Vysoké teploty y (požár) beton Dochází k fázové změně křemene z triklinické soustavy na soustavu hexagonální. To vede společně s vlivem rozdílné teplotní roztažnosti k narušování vazeb mezi kamenivem a cement. tmelem Vrcholí druhá fáze rozkladu CSH Hydraulické vazby v cementovém tmelu přecházejí na vazby keramické. Dochází k dekarbonataci vápencového kameniva, při které vzniká CO Totální dekompozice cementového tmelu Začíná tavení některých složek betonu Celkové tavení materiálu. 4

5 Vysoké teploty y (požár) beton Mechanické, teplotní a fyzikální vlastnosti betonu v závislosti na teplotě podle ČSN EN Hodnoty vlastností založeny na zkouškách při rychlosti zahřívání 2 50 K min -1 (~ odpovídá normovému požáru). Při dlouhodobém vystavení zvýšené teplotě mohou být vlastnosti jiné. Při výpočtu je nutné uvažovat návrhové hodnoty příslušných vlastností mechanické vlastnosti teplotní a fyzikální vlastnosti X d,fi = k θ X γ k M,fi X d,fi X k,θ =, resp. d,fi M,fi k,θ γ M,fi X = γ X 5

6 Vysoké teploty y (požár) beton Mechanické vlastnosti betonu Obyčejný beton s křemičitým kamenivem: lineární model sestupné větve nelineární model sestupné větve C 20 C C 20 C 0,8 0,8 400 C 0,6 400 C 0,6 σ c /f ck 0,4 600 C σ c /f ck 0,4 600 C 0,2 800 C 1000 C 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 ε c 0,2 800 C 1000 C 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 ε c 6

7 Vysoké teploty y (požár) beton Mechanické vlastnosti betonu Součinitel k c,θ pro redukci charakteristické hodnoty pevnosti betonu v tlaku při zvýšených teplotách 1 0,8 1 beton s křemičitým kamenivem k c,θ 0,6 0, beton s vápencovým kamenivem 0, θ [ C] 7

8 Vysoké teploty y (požár) beton Teplotní a fyzikální vlastnosti betonu Norma udává vztahy vyjadřující teplotní závislost teplotního poměrného přetvoření betonu měrné tepelné kapacity betonu objemové hmotnosti betonu tepelné vodivosti betonu 8

9 Vysoké teploty y (požár) beton Teplotní a fyzikální vlastnosti betonu Tepelná vodivost betonu λ c,θ λ c,θ [W m -1 K -1 ] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, θ [ C] 1 horní mez 2 dolní mez 9

10 Vysoké teploty y (požár) výztuž Norma ČSN EN rozlišuje vlastnosti betonářské a předpínací výztuže. Parametry definující vlastnosti betonářské výztuže jsou v normě uvedeny ve dvou třídách N a X. V ČR se běžně uvažuje třída N. 10

11 Vysoké teploty y (požár) výztuž Mechanické vlastnosti výztuže Pracovní diagramy betonářské výztuže třídy N a třídy tažnosti B: výztuž válcovaná za tepla výztuž tvářená za studena 1 1 0,8 200 C 400 C 0,8 200 C 400 C σ s /f yk 0,6 0,4 600 C 20 C σ s /f yk 0,6 0,4 600 C 20 C 0,2 800 C 1000 C 0,2 800 C 1000 C 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε s 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε s 11

12 Vysoké teploty y (požár) výztuž Mechanické vlastnosti výztuže Součinitel k s,θ pro redukci charakteristické hodnoty meze kluzu (f yk ) tahové a tlakové výztuže třídy N 1 0,8 1 1 tahová výztuž válcovaná za tepla při poměrném přetvoření ε s,fi 2 % 0, tahová výztuž tvářená za studena při poměrném přetvoření ε s,fi 2 % k s,θ 0,4 3 tlaková a tahová výztuž při poměrném přetvoření ε s,fi < 2 % 0, θ [ C] 12

13 Vysoké teploty y (požár) výztuž Teplotní a fyzikální vlastnosti výztuže Norma udává pouze vztahy vyjadřující teplotní závislost teplotního poměrného přetvoření výztuže. 0,018 0,016 1 betonářská výztuž ε s,θ, ε p,θ 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, předpínací výztuž θ [ C] 13

14 Radiace beton Kamenivo zvyšuje svůj j objem vlivem mikrostrukturáln lních změn vznik mikrotrhlin Cementový kámen k ovlivněn n jen minimáln lně, objemové změny vlivem zvýšen ení teploty (pohlcení γ - záření) 14 Neutronová fluence = celkový počet neutronů na jeden centimetr čtvereční Prahová hodnota fluence = n/cm 2 [2] pro pozorovatelné zhoršen ení mechanických vlastností Snížen ení pevnosti betonu v tlaku i v tahu, snížen ení modulu pružnosti

15 Radiace beton Závislost tlakové pevnosti na neutronové fluenci [2] 15

16 Radiace beton Závislost tahové pevnosti na neutronové fluenci [2] 16

17 Radiace beton Závislost modulu pružnosti na neutronové fluenci [2] 17

18 Radiace výztuž Zvýšen ení pevnosti a meze kluzu výztuže Snížen ení tažnosti (duktility) vlivem mikrostrukturáln lních změn n (vyrážen ení atomů z krystalické mřížky) Prahová hodnota fluence = n/cm 2 [2] pro pozorovatelné zhoršen ení mechanických vlastností Úroveň fluence v jaderných elektrárn rnách = i více v než n/cm 2 pro konstrukce v těsnt sné blízkosti reaktoru (biologické štíty) ty) 18

19 Nízké teploty čerstvý beton 19 Záměsová voda se kvůli účinku nízké teploty začne měnit v led dochází k nedostatku kapalné vody potřebné k hydratačním reakcím. Oteplení nad bod mrazu hydratační reakce se nastartují. Situaci můžeme rozdělit do několika případů: Záměsová voda mrzne okamžitě po uložení betonu. Pokud se uložený důkladně převibruje, nemusí ani dojít k poklesu pevnosti. Pokud by se neprovedlo vibrování směsi, došlo by k trvalému znehodnocení betonu. Led má větší objem než voda a struktura takto ztvrdlého betonu by byla plná velkých pórů a diskontinuit velmi nízká hodnota pevnosti betonu Záměsová voda mrzne několik dní po uložení, ale před dosažením plné tlakové pevnosti betonu. Větší objem ledu expanse uvnitř struktury betonu ztráta pevnosti. Směs už ale není možné převibrovat Beton už měl před začátkem působení nízké teploty dostatečnou pevnost na to, aby odolal expansním vlivům způsobených ledem. Záleží to na rychlosti hydratace cementové směsi, resp. kolik volné vody je ještě náchylné ke zmrznutí a na vývoji pevnosti betonu. Neexistují žádná spolehlivá data a přístupy, které by zaručovaly pevnost betonu, který byl vystaven účinkům nízkých teplot před dosažením svojí garantované pevnosti. Proto je doporučeno se účinkům mrazu zcela vyhnout!!!

20 Nízké teploty vyzrálý beton -Bez vlivu CHRL Cyklování teplot (mražení/rozmražení) Teplota klesá mrznutí volné vody v kapilárách betonu tlak narušuje vnitřní strukturu betonu. (Objem ledu vyšší zhruba o 9% než objem vody) Teplota stoupá rozmrzání ledu pronikání vody hlouběji do struktury betonu Nejdříve zamrzá voda ve velkých pórech a postupně i v menších pórech. Póry obsahující gelovou vodu jsou natolik malé, že se v nich netvoří led (teplota by musela klesnout pod cca -80 C), nicméně také přispívá k destrukci betonu. Při snížené teplotě dochází k rozdílu entropie ledu a gelové vody energetický potenciál gelová voda se šíří do větších pórů zmrznutí 20

21 Druhy vnitřních tlaků: Led v pórech vytlačuje volnou vodu tlak na stěny pórů. Takto vzniklý hydraulický tlak je závislý na hydraulickém odporu vnitřní struktury (délka vedoucí k póru, tvar, drsnost ) Difuse vody způsobená osmotickým tlakem. Zvýšení osmotického tlaku (zmrzlá voda je chemicky čistá) vysoká koncentrace dalších rozpuštěných látek (nasycený roztok potřebuje další vodu, aby snížil svoji koncentraci). Takto vzniklý osmotický tlak je velmi nebezpečný například v případě, pokud z jedné strany konstrukce působí nízké teploty a ze strany druhé je zvýšená vlhkost. Dochází tak ke stálému zvyšování vlhkosti až do úplného nasycení. Osmotický tlak je také popisován jako hlavní příčina rozpadu struktury betonu při působení nízkých teplot a chemicky rozmrazujících látek (CHRL). Pokud tlaky překročí tahovou pevnost betonu porušení struktury (odštěpení povrchové vrstvy betonu, porušení struktury vnitřní - snížení pevnost nebo modulu pružnosti) 21 Určujícími faktory: pórová struktura (nasákavost), kvalita povrchu, pevnost

22 Účinky CHRL (chemicky rozmrazujících ch látek) l -Posypové soli: NaCl (Württembergská posypová sůl) (v ČR používaná z 98%) CaCl 2 a MgCl 2 (v malé míře obsaženy i v Württembergské soli) jiné látky (CMA, glykoly atd-zejména na letištích) NaCl nejméně agresivní (vzniká méně chemických produktů) nejmenší molekulu dobře proniká do struktury betonu (snížení Phkoroze výztuže a následnému odprýskávání krycích vrstev betonu od výztuže) Synergický efekt zmrazujících/rozmrazujících cyklů a CHRL Teplotní cyklování způsobuje rozpad struktury cementového tmele beton se stává průchodnější pro chloridové ionty a snižuje se jeho Ph koroze ocelové výztuže a tvorba nových produktů na povrchu výztuže, které svými tlaky odprýsknou krycí vrstvu. 22 Zvýšení vlhkosti betonu vlivem osmózy. Koncentrovaný roztok NaCl, který se vytvoří uvnitř struktury betonu, potřebuje více vody, aby snížil svoji koncentraci více vody do struktury betonu která opět při dalším zmrazovacím cyklu způsobí destrukci struktury.

23 Prevence: pasivace výztuže (soudržnost?), nepoužívat korodující výztuž ( vláknobeton) snížit penetraci chloridovými ionty-zmenšení permeability (nízký w/c) uzavření povrchu betonu siloxany nebo silany. -Vzhledem k tomu, že v ČR se solí hlavně NaCl, rozhoduje penetrace Cl - ionty -Nejvíce škodlivý vliv má na beton 3% roztok NaCl CaCl 2 a MgCl 2. chemicky rozkládají cementový tmel za reakce s volným Ca(OH) 2 Prevence: omezit obsah cementu vhodně za použití popílku, strusky, mikrosiliky (méně portlanditu pro reakce) Stejné jako u NaCl 23

24 Koroze beton Koroze prvního druhu vlivem hladových podzemních vod vyluhování pojivových složek betonu Ca(OH)2 snižování ph betonu koroze ocelové výztuže ohrožuje vodní a podzemní stavby 2. Koroze druhého druhu reakce mezi složkami cementového tmelu a agresivním roztokem, vznik lehce rozpustných produktů kyselinová koroze, karbonatace, alkalické rozpínání a hořečnaté rozpínání 3. Koroze třetího druhu v pórech cementového krystalizují málo rozpustné produkty (vetší objem) krystalizační síranová, solná koroze

25 25

26 Seznam použitých zdrojů vysoké teploty (požár) r): Literatura: [1] Procházka, J. a kol. Navrhování betonových a zděných konstrukcí na účinky požáru. Praha: ČVUT, ISBN [2] Beneš, M. Změny struktury betonu vlivem hydratačních a dehydratačních procesů za vysokých teplot [online]. Praha: CIDEAS, Poslední aktualizace URL < [3] Fire Design of Concrete Structures Material, Structures and Modelling (Bulletin 38). Lausanne: fib, 2007 [4] Khoury, G. A. Effect of fire on concrete and concrete structures. Prog. Struct. Engng Mater. 2 (2000), [5] Kupilík, V. Stavební konstrukce z požárního hlediska. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, s. ISBN [6] Zadražil, T. Vodák, F. Klokočníková, H. Změny struktury a pevnosti betonu vyvo-lané teplotním namáháním. Stavební obzor, 2005, roč. 14, č. 5, s ISSN Normy: ČSN EN Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí Část 1-2: Obecná pravidla Navrhování konstrukcí na účinky požáru. Praha: ČNI,

27 Seznam použitých zdrojů radiace: Literatura: [1] Hilsdorf, H. K.; Kropp, J.; Koch, H. J.: The Effects of Nuclear Radiation on the Mechanical Properties of Concrete. ACI [2] Klik, F.; Daliba, J.: Jaderná energetika. Vydavatelství ČVUT [3] Mirhosseini S. S.: The Effects of Nuclear Radiation on Ageing Reinforced Concrete Structures in Nuclear Power Plants. Diploma Thesis. Waterloo, Ontario, Canada, [4] Hobst, L; Jašek, J.; Vítek, L.: Těžké betony a speciální stínící betony. Betonové konstrukce 21. století betony s přidanou hodnotou. Samostatná příloha časopisu Beton TKS 6/2012, str [5] Jašek J.: Speciální betony Ochrana proti ionizujícímu záření. Beton TKS 6/2009, str [6] International Atomic Energy Agency (IAEA): Radiation Protection Aspects of Design for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standard Series, Safety Guide No. NS-G STI/PUB/1233. Vienna, [7] Report of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation to the General Assembly (UNSCEAR): Annex J: Exposures and Effects of the Chernobyl Accident. Pages New York, [8] Piluso P.: The CEA Severe Accident Program for Corium Behavior Gen 2 and 3 Reactors. Franco-Czech Seminar on Nuclear Safety. Praha, květen [9] Hogg, Ch.; Wrona, M.; Convert, P.; Nemchinov, Y.; Belicard, P.; Kulishenko, V.; Schmieman, E.; Durst, M.: Conceptual Design of the Chernobyl New Safe Confinement An Overview. Pacific Basin Nuclear Conference,

28 Seznam použitých zdrojů nízké teploty: Literatura: [1] DHIR, R.K.; McCARTHY, M.J.; NEWLANDS, M.D.: Concrete for extreme conditions. London: Thomas Telford ISBN [2] PAVLÍKOVÁ M. ; PAVLÍK Z. ; HOŠEK J.: Materiálové inženýrství I. Praha. ČVUT skripta, ISBN [3] NEVILLE, A.M.: Properties of Concrete. Paerson Education Limited, Edinburgh 2003.ISBN [4] RICHARDSON A.E.; COVENTRY K.A.; WARD G.: Freeze/thaw protection of concrete with optimum rubber crumb content. Journal of Cleaner Production. Elsevier Normy: [1] ČSN EN 206-1Změna Z3: Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: ČNI 2008 [2] ČSN Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: ČNI 1969 [3] ČSN Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: ČNI

29 Seznam použitých zdrojů chemie (koroze): Literatura: [1] PAVLÍKOVÁ M. ; PAVLÍK Z. ; HOŠEK J.: Materiálové inženýrství I. Praha. ČVUT skripta, ISBN [2] NEVILLE, A.M.: Properties of Concrete. Paerson Education Limited, Edinburgh 2003.ISBN [3] DHIR, R.K.; McCARTHY, M.J.; NEWLANDS, M.D. : Concrete for extreme conditions. London: Thomas Telford ISBN [4] WITZANY, J; ČEJKA T.; WASSERBAUER, R; ZIGLER, R. : PDR-poruchy, degradace, rekonstrukce. Praha. ČVUT skripta, ISBN [5] JIRÁSEK, J., VAVRO, M. : Nerostné suroviny a jejich využití. Ostrava: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR & Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, ISBN Normy: [1] ČSN EN Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí-část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: ČNI 2006 [2] ČSN EN 197-1: Cement - Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití. Praha: ČNI 2001 [3] ČSN EN 206-1Změna Z3: Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: ČNI 2008

30 Připomínky a návrhy n k prezentaci zasílejte prosím m na radek.stefan@fsv.cvut.cz Materiál l slouží pouze pro studijní a výukové účely v rámcir předmětů vyučovaných na Fakultě stavební ČVUT v Praze! Materiál l vznikl za podpory z Fondu rozvoje vysokých škol v rámci r projektu 1283/2013/B1/b Tvorba předmp edmětu Betonové konstrukce v extrémn mních návrhových n situacích. Radek Štefan,, Josef Sura, Marek Vinkler, Michal Hora,