PROJEKTOWANIE BETONÓW ŻAROODPORNYCH

W pracy przedstawiono, jak składniki betonu, a dokładniej składniki mineralne cementu, wpływają na żaroodporność betonu. Zaprezentowano wyniki badań, kruszyw, mieszanki betonowej i stwardniałego betonu, które miały w założeniu pokazać, jak zachowują się betony o różnym składzie oraz jak zmieniają się ich właściwości w sytuacji pożaru.

inż. Jakub Bona
Wydział Budownictwa
Lądowego i Wodnego,
Politechnika Wrocławska

Opiekun naukowy:
dr inż. Marta Moczko
Wydział Budownictwa
Lądowego i Wodnego,
Politechnika Wrocławska

Zagadnienie ognioodporności betonu jest niezwykle ważne, biorąc pod uwagę elementy nośne obiektów inżynieryjnych, a w szczególności części, które są na kondygnacjach garażowych lub podziemnych. W związku ze wzrostem cen cementów spotyka się często cementy z dodatkami mineralnymi, które powszechnie uważa się za niepożądane. Chodzi tutaj głównie o granulowany żużel wielkopiecowy, który wytwarzany jest przez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla o odpowiednim składzie, otrzymywanego przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu. Zwiększona jego ilość w mieszance cementu zmniejsza cenę. Cement taki, nazywany hutniczym, wykazuje się w przeciwieństwie do cementu portlandzkiego dłuższym czasem wiązania i twardnienia, niższym ciepłem hydratacji, mniejszym skurczem twardnienia, ale również większą odpornością na działanie siarczanów i wysokiej temperatury.

Graniczną bezpieczną temperaturą, w której można stosować betony zwykłe na cemencie portlandzkim, jest 250°C. Betony pracujące w wyższych temperaturach zalicza się do betonów specjalnych. Mają one skład skomponowany na bazie specyficznych spoiw ogniotrwałych. Rozróżnia się betony żaroodporne – przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach (wyższych niż 250°C) oraz ognioodporne, pracujące nawet w 1500°C i więcej. Literatura nie wyznacza ścisłej granicy pomiędzy żaroodpornością a ogniotrwałością betonu. Według [1] beton wykonany ze składników, które spełniają obowiązujące normy, jest zaklasyfikowany do klasy Euro A i nie wymaga przeprowadzania badań. Oznacza to, że beton jest materiałem niepalnym oraz o minimalnej wartości ciepła spalania i przy zastosowaniu go w konstrukcji nie występuje zjawisko rozgorzenia, czyli gwałtownego rozprzestrzeniania się ognia oraz powstawania gorących kropli.

Użyte materiały
W celu uzyskania miarodajnych wyników wykonano badania dla 3 różnych cementów. Dla każdego cementu wykonano dwie serie próbek, każda po 3 próbki. Łącznie wykonano 18 próbek sześciennych o boku 15 cm. Do badań zostały użyte cementy od firmy Górażdże oraz Odra: CEM I 42,5 R, CEM II/BS 32,5 R oraz CEM III/A 42,5N-LH/HSR/ NA. Wszystkie cementy spełniają wymagania według [2].

Do badań użyto kruszywa naturalnego o uziarnieniu do 16 mm. Według składu podzielono kruszywo na piasek i żwir. Piasek pochodzi z kopalni „Brzezinki”, natomiast żwir z kopalni „Mietków”. Trzeba zaznaczyć, że w przygotowywanym kruszywie zakładano obecność wody. W celu uzyskania miarodajnych wyników wodę zawartą wewnątrz ziaren kruszywa wliczono do wody zarobowej. Próbki kruszyw badano w dzień po ich pobraniu (próbki zostawiono na noc w suszarce). Oprócz analizy sitowej sprawdzono zawartość zanieczyszczeń organicznych w kruszywie o wymiarze ziaren od 2 do 16 mm.

Zastosowano wodę pitną, którą według [1] uznaje się za przydatną do stosowania w betonie i woda ta nie wymaga badań.

W badaniach wykorzystano domieszkę regulującą konsystencję mieszanki, obniżającą ilość potrzebnej wody zarobowej. Domieszka, której użyto, to Chryso Omega 132. Dodatkiem jest popiół lotny od firmy Edf Ekoserwis. Zarówno domieszka, jak i dodatek spełniają wszystkie wymagania według normy [3] oraz [4].

Badania mieszanki betonowej
Wykonano następujące badania konsystencji mieszanki betonowej: metoda opadu stożka, VeBe, stopnia zagęszczalności oraz stolika rozpływowego. Badania wykonano według [6], [7], [8], [9]. Oprócz badań konsystencji sprawdzono zawartość powietrza w mieszance betonowej metodą ciśnieniową zgodnie z normą [10]. Próbki pobrano, wykonano i pielęgnowano zgodnie z [5], [11] oraz [12]. Po wykonaniu próbek umiejscowiono je w pomieszczeniu o temperaturze 20°C i wilgotności względnej 98%. Rozformowanie nastąpiło 24 godziny po zagęszczeniu próbek. Następnie dojrzewały w wodzie o temperaturze 18°C, w zakrytej wannie. Próbki dojrzewały 56 dni.

Badania stwardniałego betonu
Badanie odporności na wysokie temperatury przeprowadzone zostało w Zakładzie Materiałów Polimerowych i Węglowych na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Najważniejszym elementem stanowiska do wykonania badań był piec komorowy firmy Czylok typu FCF22S. Badanie miało na celu sprawdzić, jak próbki o różnym składzie zachowują się w sytuacjach pożarowych. Przebieg doświadczenia wyglądał następująco:
1) Nagrzanie pieca do temperatury 800°C.

2) Włożenie dwóch próbek (ze względu na rozmiary pieca).

3) Nagrzewanie próbek przez godzinę – dochodzenie do 800°C.

4) Wyciągnięcie próbek i odłożenie do kuwety z piaskiem, a następnie na matę izolującą termicznie.

5) Zostawienie próbek na noc do ostygnięcia do temperatury pokojowej.

Oprócz badań termicznych przeprowadzono również badanie wytrzymałości na ściskanie według [13]. Głównym założeniem badania było uzyskanie podobnych wyników dla wytrzymałości na ściskanie próbek kontrolnych. W związku z tym, dla użytych receptur, badanie zdecydowano się przeprowadzić po 56 dniach. Wszystkie próbki badano po 56 dniach, ponieważ ze względu na różne rodzaje cementu starano się uzyskać porównywalną wytrzymałość na ściskanie we wszystkich recepturach. Wytrzymałość próbek na cemencie portlandzkim wieloskładnikowym oraz cemencie hutniczym po 56 dniach jest porównywalna.

Analiza wyników
Ze względu na to, że pierwsze prażenie próbek nie było dokładne (słaba znajomość aparatury), przez co temperatura w piecu znacznie się obniżyła, postanowiono wydłużyć czas przechowywania próbek w piecu o 10 minut, aby to zrekompensować. Nie zmienia to faktu, że przyrost temperatury dla betonu wykonanego z cementu hutniczego jest najmniejszy. Próbki o recepturze z „czystym” cementem portlandzkim doznały największego spadku wytrzymałościoraz masy. Jak opisuje [14], głównym czynnikiem wpływającym na te wyniki jest skład cementu, w tym przypadku cement z większą zawartością granulowanego żużla wielkopiecowego uzyskuje lepsze wyniki odporności na wysokie temperatury. Pomimo najmniejszej ilości cementu w recepturze beton wykonany z czystego cementu doświadczył największego średniego spadku wytrzymałości w porównaniu do receptur z cementami mieszanymi. Trzeba jednak zaznaczyć, że cementy te były pozyskane od innego producenta i sposób ich przechowywania mógł się różnić. Różnicę pomiędzy jakością cementu potwierdza badanie zawartości powietrza w mieszance betonowej, gdzie dla CEM I było to o 2% więcej. Cement portlandzki wykazał większą wytrzymałość na ściskanie, jednakże przedstawione wyniki wyraźnie pokazują, że beton wykonany na tym cemencie najgorzej zachowuje się w sytuacji pożaru. Należy też zwrócić uwagę na wielkość rys, która dla CEM III była zdecydowanie mniejsza.

Podsumowanie
Odporność ogniowa konstrukcji, a szczególnie konstrukcji żelbetowych, jest najczęściej zapewniana poprzez zastosowanie grubszej otuliny. Większa odległość prętów zbrojeniowych od źródła ognia, jak również większa masa betonu, który musi się nagrzać, w odpowiedni sposób zapewniają projektowaną wytrzymałość elementu.

Obecne normy nie zakładają właściwości ognioodpornych cementów. Być może w przyszłości czynnik ten zostanie uwzględniony na etapie projektowania konstrukcji. Spowoduje to zmniejszenie się wymiarów konstrukcji, a co za tym idzie, kosztów jej wykonania – dla cementu, który teoretycznie nie jest dobrej jakości.

Z wyników przeprowadzonych badań można wywnioskować, że betony wykonane z cementów o podobnej deklarowanej klasie wytrzymałości, a różniące się składem mineralnym spoiwa, znacznie się między sobą różnią.

Cement portlandzki wykazał większą wytrzymałość na ściskanie, jednakże przedstawione wyniki wyraźnie pokazują, że beton wykonany na tym cemencie najgorzej zachowuje się w sytuacji pożaru. Nagrzewa się on najszybciej, przez co w krótszym czasie jego spadek wytrzymałości jest większy w porównaniu do cementu hutniczego. Ilość wody, która wydostała się ze stwardniałego betonu, jest najmniejsza dla betonu wykonanego z cementu hutniczego, co tylko potwierdza założone wymagania dla tego spoiwa.

DOI: 10.5604/01.3001.0013.2443

Bibliografia
[1] PN-EN 206-1. Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
[2] PN-EN 197-1:2002. Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.
[3] PN-EN 934. Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, znakowanie i etykietowanie.
[4] PN-EN 450-1:2012. Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności.
[5] PN-EN 12350-1:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 1: Pobieranie próbek.
[6] PN-EN 12350-2:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 2: Badanie konsystencji metodą opadu stożka.
[7] PN-EN 12350-3:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 3: Badanie konsystencji metodą VeBe.
[8] PN-EN 12350-4:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 4: Badanie konsystencji metodą oznaczania stopnia zagęszczalności.
[9] PN-EN 12350-5:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 5: Badanie konsystencji metodą stolika rozpływowego.
[10] PN-EN 12350-7:2001. Badania mieszanki betonowej. Część 7: Badanie zawartości powietrza. Metody ciśnieniowe.
[11] PN-EN 12390-1:2001. Badania betonu. Część 1: Kształt, wymiary i inne wymagania dotyczące próbek do badania i form.
[12] PN-EN 12390-2:2001. Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych.
[13] PN-EN 12390-3:2001. Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.
[14] Piasta J., Piasta W.G., Beton zwykły: dobór kruszyw i cementów, projektowanie betonu, trwałość betonu, odporność chemiczna i termiczna. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1994.