Degradace betonu vlivem vysokých teplot DSM 2016 JAROSLAVA KOŤÁTKOVÁ Vysoké teploty x beton Běžný ý beton požár Speciální aplikace betonu vyzdívky pecí, zahradní gril, krb, průmysl (sklářství, slévárenství, keramický ýp, p., spalovny ): žlaby, kotle, ocelářské pánve, výlevky, výtlačné bloky.
Hlavní degradační mechanismy Ztráta mechanických h vlastnos betonu ztráta únosnos Obnažení výztuže měknu (kolem 450 C) Zvýšení permeability betonu explozivní odyprýskávání ohrozí poranění osob o snížení í plochy průřezu prvku kce snížení únosnosti Parametry ovlivňující míru degradace (1) vnější Rychlost nárůstu teplot Maximální dosažená teplota Doba trvání vystavení betonu vysokým teplotám (Ne)uzavření bet. prvku jinou vrstvou Způsob následného ochlazování pomalejší šíření tepla kcí (tepelná vodivost betonu) = vyšší teplotní gradient napě odprýsknu, drolení
Parametry ovlivňující míru degradace (2) vnitřní složení betonu typ cementu typ kameniva zásadní vliv na tepelnou vodivost Množství vlhkosti! permeabilita! HPC velice kompaktní voda (vodní pára) málo cest úniku vznik napětí! HPC při 600 C ztráta pevnosti o 50%, při 800 C o 80% některé minerální příměsi mohou mít negativní vliv (metakaolin, křemičitý úlet) PP vlákna při vyšších teplotách se roztaví (171 C) vznik volných cest pro únik vody Děje v betonu v závislosti na teplotě Teplota C CHOVÁNÍ BETONU 20 80 pomalá ztráta volné vody 100 zřetelné zvýšení propustnosti vody 80 150 dehydratace ettringitu 150 170 rozklad sádry CaSO 4.2H 2 O 200 ztráta fyzikálně vázané vody, zvýšení vnitřního tlaku, počátek rozkladu CSH 300 praskání křemičitého kameniva 400 rozklad portlanditu 573 přeměna α křemene na modifikaci ß expanze 600 Druhá fáze rozkladu CSH 700 rozklad uhličitanu vápenatého (CaCO 3 CaO + CO 2 ) 800 Počátek vzniku keramické vazby 1100 1200 1200 Vznik Wollastonitu (metamorfovaný vápenec) 1300 celkový rozklad betonu, tavení některých složek Explosivní odprýskávání Výskyt trhlin
Vznik defektů hlavní příčiny (trhliny, delaminace, porušení vazeb mezi jednotivými i fázemi betonu, odlupování povrchových vrstev, odprýskání) dehydratace CSH smrštění tepelná nekompatibita mezi cementovou pastou a kamenivem objemové změny tlak unikající vodní páry Typ cementu (1) Portlandský cement do 180 C vypařování volné vody 150 300 ztráta fyzikálně vázané vody 400 C rozklad portlanditu Ca(OH) 2 CaO + H 2 O rozpad mikrostruktury cement. pasty Ochlazení opětná hydratace CaO expanze smršťování Směsné cementy méně Ca(OH) 2 vlivem příměsí (puc. reakce) vhodnější
Typ cementu (2) Hlinitanový i cement obs. vysoké množství Al 2 O 3 (ů (různé podle třídy) říd) Velmi dobře odolává vysokým teplotám (dokonce přes 1000 C) Nevýhoda: některé produkty hydratace (CAH 10 a C 2 AH 8 jejich vznik závisí na okolních podmínkách během tuhnutí) jsou metastabilní při zvýšených T konverze na C 3 AH 6 nárůst porozity ztráta mech. vlastností 3 6 Použití v žárobetonech ačkoli podléhá konverzi, nedochází k úplnému rozkladu produktů, zvýšenou porozitu vlivem konverze lze částečně kompenzovat návrhem hutné směsi Typ kameniva (1) Tepelná vodivost tkameniva čím nižší, tím vyšší hrozba odprýskávání Vysoká křemičité k. (křemen 5 7 W/mK) střední čedič (2,9 4,1 W/mK), žula (2,4 W/mK) nízká vápenec (1,2 1,4 W/mK), šamot (0,85 2,5 W/mK) Objemové změny křemen 573 C: α ß modifikace objemová změna vápenec vyšší tepelná kapacita až 10x více tepla je potřeba pro zvětšení objemu v porovnání s křemenem 600 C rozklad CaCO 3 objemové změny Po ochlazení rehydratace CaO objemovézměny
Typ kameniva (1) Vhodná kameniva Do cca 700 C čedič, diabas anebo andezit 800 1000 C drcený keramický střep nad 1000 C: drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit anebo chromit lehčené lehčený ýšamot, keramzit, vermikulit, křemelina, perlit Nevhodná kameniva křemičité kamenivo, žula Křemičitý písek čedič Drcený šamot bauxit Vliv teploty na pevnost betonu Do 90 C rozdíly v objemových změnách cem. pasty a kamenivem zánik vazby matrice kamenivo 90 200 C rychlé vysušování znovu nastartování hydratace nezreagovaného cementu Nad 200 C změny v chemickém a mineralogickém i složení! Značně nižší pevnosti vzorků uzavřených tlak vodní páry! Nižší pevnosti vzorků testovaných po ochlazení oproti okamžitému testování (rehydratace CaO) Převzato z: Concrete Radiation Shielding M.F. Kaplan
Shrnutí Běžné é betony požár Pozor na minerální příměsi zhutňující mikrostrukturu vhodný návrh Vhodné použití vláken PP, čedičová Speciální aplikace = žárobetony NE: křemičité kamenivo, žulu, portlandský cement ANO: hlinitanový cement, čedič, šamot Děkuji za pozornost
Zdroje [1] D.N. Crook, MJ M.J. Murray, Regain of strength after firing of concrete, Magazine of Concrete Research. 22 (1970). [2] A. Petzold, M. Röhrs, Concrete for High Temperatures, Maclaren and Sons Ltd., London. (1970) 190. [3] C.S. Poon, Z.H. Shui, L. Lam, Compressive behavior of fiber reinforced high performance concrete subjected to elevated temperatures, Cement and Concrete Research. 34 (2004) 2215 2222. [4] O. Holčapek, P. Reiterman, P. Konvalinka, High Temperature Composite of Aluminous Cement with Addition of Metakaolin and Ground Bricks Dust, Applied Mechanics and Materials. 406 411. 411 [5] Technology of Monolithic Refractories, Plibrico Japan Company Limited, Tokyo, 1999. [6] Z. Xing, A. Beaucour, R. Hebert, A. Noumowe, B. Ledesert, Aggregate s influence on thermophysical concrete properties at elevated temperature, Construction and Building Materials. 95 (2015) 18 28. [7] http://www.zarohmoty.cz/koksovny%20a%20vysoke%20pece.html [8] http://www.mct.cz/soubor/zarobeton/ cz/soubor/zarobeton/