Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad ÚČINEK VYSOKÝCH TEPLOT NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI CEMENTOVÝCH KOMPOZITŮ Ondřej Holčapek 1), Pavel Reiterman 1), Petr Konvalinka 2) 1) Experimentální centrum, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6 2) Materiály a konstrukce budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Následující článek shrnuje poznatky získané při vývoji žáruvzdorného kompozitu na bázi cementu vyztuženého čedičovými vlákny. Problematika interakce plnivových a pojivových složek betonu s teplotou dosahující 1000 C představuje složitý a komplexní proces, na jehož konci vykazuje beton výrazně odlišné vlastnosti. Celkem čtyři odlišné směsi byly podrobeny analýze vlivu teploty 600 C a 1000 C na výsledné mechanické vlastnosti. Pevnost v tahu, pevnost v tlaku, dynamický modul pružnosti a lomová energie byly základní mechanické charakteristiky vyšetřované na vzorcích tvaru kvádru o rozměrech 40 x 40 x 160 mm. Markantní rozdíly se projevily především při porovnání žáruvzdorného a nežáruvzdorného kompozitu. Jak pevnost v tahu za ohybu tak pevnost v tlaku byla po vystavení teplotě 1000 C výrazně vyšší v případě použití žáruvzdorných komponent. Vhodně zvolená kombinace čedičových vláken dvou odlišných délek výrazně přispěla ke zlepšení tahových vlastností jak před výpalem, tak po samotném zatěžování vysokou teplotou. SUMMARY This contribution summarizes results of experimental programed focused on development of refractory cement composite reinforced by fibres. The interaction of filler and binder parts of concrete means complex process. Mechanical properties of four different mixtures of concrete were measured before and exposure to temperature 600 C and 1000 C. Flexural strength, compressive strength, bulk density, dynamic modulus of elasticity and fracture energy were measured on specimens 40 x 40 x 160 mm. Positive effect of refractory components (filler and binder) has been confirmed. The combination of two lengths of basalt fibres significantly improved tensile and fracture characteristics before and after temperature loading. ÚVOD Problematika interakce stavebních materiálů a konstrukcí s účinky vysokých teploty, např. v průmyslové výrobě, při požáru či jiných extrémních situacích je předmětem výzkumu mnoha renomovaných pracovišť po celém světě. V souvislosti s celosvětovým rozšířením betonu, coby materiálu pro nosné konstrukce pozemních staveb, dopravních staveb či jiných speciálních konstrukcí nabývá poznání v oblasti chování betonu po účinku vysokých teplot na významu. První chemické změny probíhají v betonu s portlandským cementem již při 400 C, kdy dochází k rozpadu portlanditu [1]. V případě opravy či rekonstrukce nosné konstrukce zatížené požárem je vždy zbytková pevnost betonu předmětem stavebně-technického průzkumu, než se rozhodne o rozsahu případných zesilujících prací, která jsou nezbytná pro další bezpečné fungování konstrukce. Rovněž kompozity vysokých užitných vlastností na bázi vysokopevnostních betonů (HPC) a ultra-vysoko-pevnostních betonů (UHPC) nejsou schopny odolávat účinkům vysokých teplot. I přes snahu maximálně redukovat vodní součinitel až pod 93
hranici 0,22 dochází již při 600 C k poklesu pevnost v tlaku na 30 % původní hodnoty, což je typické právě pro kategorie HPC a UHPC [2]. V případě vysoko-pevnostních betonů se projevuje další negativní jev ve formě explosivního odprýskávání (explosive spalling) povrchu betonového prvku, což doprovází výrazné zvukové projevy [3]. Z požárních důvodů často přidáváme do betonu polypropylenová vlákna, která při požáru vyhoří a do uvolněného prostoru může expandovat vodní pára, jejíž tlakový účinek na vnitřní strukturu betonu se tím redukuje [4]. Hlavním činitelem snižující pevnostní charakteristiky betonu je SiO2, obvykle přítomný v kamenivu. Tento oxid křemičitý není mineralogicky stabilní a při teplotě 573 C dochází k přeměně α-křemene na β-křemen, což doprovází nárůst objemu [5]. Právě objemová expanze vyvolá namáhání na úrovní mikrostruktury, které v případě překročení tahové pevnosti jednotlivých komponent materiálu vede k makroskopickým projevům ve formě trhlin a ztrátě mechanických charakteristik. Z těchto důvodů je ve speciálních případech nezbytné chránit nosnou konstrukci dodatečným protipožárním materiálem, na který mohou být kladeny specifické požadavky. V případě zvýšených nároků na pevnost mohou tyto desky být zhotoveny např. ze speciálního žáruvzdorného cementového kompozitu vyztuženého vlákny. Pojivová složka žáruvzdorných kompozitů může být tvoře na základě hydraulické báze (vodní sklo, Solerův cement, atd.) či na základně cementové báze (hlinitanový cement). Pro aplikace, kde teploty nepřevyšují 700 C, lze s úspěchem použít přírodní kameniv, především vyvřelých hornin jako čedič, diabas, andezit, atd. Zvyšování teploty znamená nutnost použít umělé kamenivo (šamot, drcený korund, karborundum či elektroporcelán). V kontextu k prokazatelným zdravotním rizikům azbestu přestavují čedičová vlákna vhodnou alternativu pro použití v oblasti vysokých teplot. Vzhledem k nižší ceně oproti vláknům uhlíkovým a vyšší pevnosti oproti vláknům skleněným se jeví jejich použití jako ekonomičtější volba [6]. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM V průběhu experimentálního programu byly na základě přecházejících laboratorních zkoušek navrženy, vyrobeny a odzkoušeny čtyři cementové kompozity, jejich složení je uveden v tab. 1 a popis v této kapitole. Z hlediska celkové produkce cementu představuje hlinitanový cement poměrně okrajový materiál, proto se některým jeho vybraným vlastnostem věnuje následující text. Složení použitých směsí Experimentální program obsahoval celkem čtyři směsi cementového kompozitu, které vykazovaly společné rysy, ale odlišovaly se v jednotlivých komponentech. Složení směsi A odpovídalo čistě žáruvzdornému kompozitu, tedy čedičové kamenivo maximální velikosti zrna 5 mm a hlinitanový cement Secar 71. Směs D se naopak skládala z materiálů nežáruvzdorných, tedy portlandského cementu 52,5 R a křemičitého kameniva o maximální velikosti zrna 4 mm. Směsi B (portlandský cement 52,5 R a čedičové kamenivo) a směs C (hlinitanový cement Secar 71 a křemičité kamenivo) doplňují experimentální program. Vyšší měrný povrch v případě cementu 52,5 R způsobil odlišné chování čerstvé směsi ve vztahu ke zpracovatelnosti při zachování konstantního vodního součinitele. Na základě předchozích výzkumů byla zvolena optimální kombinace dvou délek čedičových vláken (12,7 mm a 6,35 mm) v poměru 9:1 ve prospěch vláken větší délky. 94
Základní pojivovou složkou žáruvzdorných cementového kompozitu představuje hlinitanový cement, v našem případě Secar 71 z produkce firmy Lafarge. Dle materiálů dostupných od výrobce obsahuje 70,8 % oxidu hlinitého (Al2O3), jehož množství rozhoduje o výsledné odolnosti vůči účinkům vysokých teplot. Pevnost v tahu cementové pasty s vodním součinitelem 0,25 dosahovala hodnoty 8,1 MPa v laboratorních podmínkách. Vlivem účinku teploty 600 C a 1000 C postupně klesla na 3,1 MPa resp. 0,6 MPa. Pokles tlakové pevnosti z původních 107,5 MPa při laboratorních podmínkách na 93,4 MPa po výpalu na 600 C není tak rapidní. Finální pevnost v tlaku vlivem teploty 1000 C poklesla na hodnotu 40,1 MPa. Z těchto provedených experimentů vyvstal požadavek na použití plastifikační přísady, která sníží vodní součinitel finálního kompozitu a zároveň zajistí zpracovatelnost čerstvé směsi. Tab. 1 Složení použitých směsí. Složka Popis Směs A Směs B Směs C Směs D [ kg/m -3 ] [ kg/m -3 ] [ kg/m -3 ] [ kg/m -3 ] Secar 71 900 0 900 0 CEM 52,5 R 0 900 0 900 Čedičové kam. 0/4 mm 1080 1080 0 0 Čedičové kam. 2/5 mm 220 220 0 0 Křemenné kam. 0,1/0,6 mm 0 0 465 465 Křemenné kam. 0,3/0,8 mm 0 0 297 297 Křemenné kam. 0,6/1,2 mm 0 0 234 234 Křemenné kam. 1,0/4,0 mm 0 0 168 168 Voda Pitná 224 224 224 224 Plastifikátor SVC 1035 22,75 22,75 22,75 22,75 Čedičová vlákna 6,35 mm 1,45 1,45 1,45 1,45 Čedičová vlákna 12,7 mm 13,05 13,05 13,05 13,05 Vyšetřované vlastnosti Všechny vzorky byly podrobeny nedestruktivní impulsní ultrazvukové zkoušce, na jejímž základě byl vypočten dynamický modul pružnosti. Pevnost v tahu za ohybu byla zjišťována tří bodovým ohybem se vzdáleností podpor 100 mm pomocí zařízení MTS 100. Celá zkouška byla řízena přírůstkem deformace odpovídající 0,2 mm/min. Na rozlomených trámcích z ohybové zkoušky následně proběhla zkouška pevnosti v tlaku a to na zařízení EU 40. Rovněž tato zkouška byla řízena přírůstkem deformace. Před i po výpalu se průběžně sledovala objemová hmotnost vzorků, která se vlivem účinku vysokých teplot postupně snižovala. Ze záznamu ohybové zkoušky byly vypočteny hodnoty lomové energie Gf (J/m 2 ) jako podíl plochy pod pracovním diagramem a průřezové plochy dle rovnice (1). G f = 1 F(w)dw (1) (d a) b Teplotní zatěžování Čerstvá směs byla uložena do ocelových forem pro vzorky 40 x 40 x 160 mm a po odbednění uložena na dobu 28 dnů v prostředí s vysokou vlhkostí. Po dosažení potřebného stáří bylo z vzorků všech směsí odebráno celkem devět kusů a ty po dobu 72 hodin vysušeny při teplotě 105 C. První tři vzorky byly ponechány jako referenční, další tři absolvovaly tři hodiny trvající výpal při 600 C a poslední tři stejně dlouhý výpal, ale při teplotě 1000 C. Schéma teplotního zatěžování je patrné z Obr. 1. 95
Obr. 1 Schéma teplotního zatěžování. VÝSLEDKY Následující tabulky uvádějí výsledky zkoušek provedených v rámci experimentálního programu. Vždy se jedná o průměrné hodnoty ze souboru tří vzorků, resp. šesti v případě tlakové pevnosti (dvě zkoušky provedené na jednom vzorku). Obr. 2 až Obr. 4. ilustrují závislost napětí na deformaci a byly získané z tříbodové ohybové zkoušky vzorků 40 x 40 x 160 mm. Tab. 2 Průměrné hodnoty pevnosti v tlaku (fcm) a pevnosti v tahu (ftm). Směs 105 C 600 C 1000 C fcm [MPa] ftm [MPa] fcm [MPa] ftm [MPa] fcm [MPa] ftm [MPa] A 64,5 10,0 39,3 4,4 19,6 3,4 B 85,3 9,7 54,5 7,6 13,7 2,4 C 47,9 8,3 35,6 2,6 22,8 1,5 D 82,6 16,5 38,2 2,4 4,1 0,7 Tab. 3 Průměrné hodnoty objemové hmotnosti (ρ) a dynamického modulu pružnosti (Ecu). Směs 105 C 600 C 1000 C ρ [kg/m -3 ] Ecu [MPa] ρ [kg/m -3 ] Ecu [MPa] ρ [kg/m -3 ] Ecu [MPa] A 2280 26,2 2180 22,1 2150 13,9 B 2220 28,2 2185 23,5 2105 13,1 C 2095 34,2 2030 19,8 1945 8,8 D 2110 37,0 2065 22,5 2010 12,5 Tab. 4 Průměrné hodnoty lomových energií (Gf). Směs 105 C 600 C 1000 C Gf [J/m 2 ] Gf [J/m 2 ] Gf [J/m 2 ] A 200,6 92,6 88,6 B 198,0 61,0 42,1 C 187,6 38,9 32,5 D 270,8 31,2 14,5 96
Obr. 2 Pracovní diagramy směsí vysušených při 105 C. Obr. 3 Pracovní diagramy směsí vypálených při 600 C. Obr. 4 Pracovní diagramy směsí vypálených při 1000 C. ZÁVĚR Provedený experimentální program byl zaměřen na studium vlivu vysokých teplot na mechanické vlastnosti cementových kompozitů různého složení. Dynamický modul pružnosti nedestruktivně popisuje trend klesajících mechanických parametrů vlivem působení vysokých teplot. Především ze záznamu ohybových zkoušek můžeme vysledovat změnu chování kompozitu před a po vystavení působení vysokých teplot. Zatímco vzorky referenční, pouze vysušené, se všech čtyřech případech porušovaly křehce a pracovní diagramy nevykazovaly sestupnou větev, v případě teploty 600 C a obzvláště 1000 C můžeme pozorovat odlišné chování. Účinek výpalu můžeme pozorovat při zatěžování, kdy v momentě dosažení maximální hodnoty pevnosti v tahu za ohybu, neidentifikujeme křehké porušení, ale pracovní diagram vykazuje 97
znatelnou sestupnou větev. Provedené experimenty a výsledky měření jednoznačně poukazují na destruktivní vliv vysokých na mechanické vlastnosti kompozitu na bázi portlandského cementu a křemičitého kameniva (směs D). Přestože tato směs vykazovala nejlepší mechanické parametry při laboratorních podmínkách, po 1000 C již z makroskopického hlediska jevila známky nesoudržnosti (pevnost v tlaku klesla na 5 % a pevnost v tahu za ohybu na 4 % původní hodnoty). Oproti tomu směs A, obsahující výhradně žáruvzdorné komponenty, vykazovala tlakovou pevnost na úrovni 30 % a pevnost v tahu za ohybu 24 % původních hodnot. Rovněž hodnoty lomových energií vykazují pokles vlivem účinku teplotního zatěžování. Původně nejvyšší hodnoty v případě směsi D zaznamenaly pokles na nejnižší hodnotu po zatížení teplotou 1000 C (270,8 J/m 2 resp. 14,5 J/m 2 ). Vhodná kombinace hlinitanového cementu s vysokým obsahem Al2O3 (více jak 70 %) spolu s přírodním drceným čedičovým kamenivem, kombinací dvou délek čedičových vláken a dávky super-plastifikační přísady vede k vytvoření cementového kompozitu s vysokou odolností vůči prostředí s vysokými teplotami. Teplotní zatížení odpovídající 1000 C znamená snížení mechanických parametrů, nicméně zbytkové pevnosti jsou stále na výborné úrovni a zcela postačují možnému praktickému využití. LITERATURA [1] SIČÁKOVÁ a kol. New generation cement concretes Ideas, Design, Technology and Aplication, 156 p., 2008 [2] BEHNOOD A., HASAN, Z. Effects of Silica Fume Addition and Water to Cement Ratio on the Properties of High-strength Concrete After Exposure to High Temperatures, Cement and Concrete Composites, 2008 [3] YUFANG F., LIANCHONG L. Study on Mechanism of Thermal Spalling in Concrete Exposed to Elevated Temperatures, Materials and Structures 44, 2010 [4] PENG G. F., YANG W. W., ZHAO J. Explosive Spalling and Residual Mechanical Properties of Fiber-toughened High-performance Concrete Subjected to High Temperatures, 2005 [5] ROVNANÍK P., ROVNANÍKOVÁ P., BAYER P. Concrete resistance against high temperatures, Centre for Integrated Design of Advanced Structures, 2008 [6] COLOMBO S., VERGANI L., BURMAN M. Static and Fatigue Characterization of new Basalt Fiber Reinforced Composites, Composite Structures, 2012 PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 98