themaSpatgedrag betonconstructies7200944themaSpatgedragbetonconstructies1Modellering vochttransport onder brandomstandighedenSpatgedrag betonconstructies 72009 45Het genoemde onderzoek is uitgevoerd door TNO en geza-menlijk door CUR en TNO gefinancierd. De brandproeven zijnuitgevoerd in samenwerking met Efectis Nederland BV. Deresultaten van het onderzoek worden gebruikt voor de validatievan CUR-Aanbeveling 95 ­ `Rekenkundige bepaling van debrandwerendheid van bouwdelen in hogesterktebeton'. In ditartikel, dat een vervolg is van het eerder in Cement gepubli-ceerde artikel hierover [1], wordt een overzicht gegeven van debelangrijkste resultaten van het uitgevoerde onderzoek.Spraakmakende brandenDe ontwikkelingen op betongebied hebben in de laatste jarengeleid tot vele nieuwe toepassingen. Met betonsoorten als (zeer-)hogesterktebeton en zelfverdichtend beton en met de toepassinghiervan in bijvoorbeeld tunnels en hoogbouwconstructies,komen echter ook vragen naar voren die daarvoor minder vanbelang waren. Door de dichte microstructuur van hogesterktebe-ton worden de sterkte-eigenschappen sterk verbeterd. Daar staatechter tegenover dat deze dichte structuur nadelig is voor despatgevoeligheid. Enkele spraakmakende branden in tunnelszoals de Kanaaltunnel en de Mont Blanctunnel hebben dit pijn-lijk aan het licht gebracht. Als gevolg van deze tunnelbranden enandere recente branden, is de roep verder toegenomen om hetgedrag van constructies onder brandomstandigheden beter tekunnen voorspellen. Het spatgedrag maakt hier deel vanuit.AchtergrondSpatten van beton is een fenomeen dat zich moeilijk laatbeschrijven en van veel factoren afhankelijk is. Omdat in hetverleden al veel proeven zijn uitgevoerd, is in de beginfase vanhet onderzoek een literatuuronderzoek uitgevoerd, waarbij eengroot aantal proeven uit de periode 2000-2005 is geanalyseerd[2]. In het betreffende rapport is inzicht gegeven in de fysischeachtergronden van spatten en is nagegaan welke parametersbepalend zijn voor het spatgedrag. Gebleken is dat vooral deporositeit en permeabiliteit in dit kader van belang zijn. Hoge-sterktebeton (met zijn hoge dichtheid, lage permeabiliteit, lageporositeit en beperkte ductiliteit) is om deze reden dan ookgevoeliger voor spatten dan poreuzer beton met een lageresterkte. De proeven hebben echter aangetoond dat ook beton-soorten in de lage sterkteklassen onder bepaalde omstandighe-den gevoelig kunnen zijn voor spatten.Doordat de proeven uit literatuuronderzoek veelal bestondenuit verificatieproeven op kant-en-klare producten (constructie-onderdelen), en omdat weinig bekend was over de condities vande proefstukken (samenstelling, betonsterkteklasse, porositeit,vochtgehalte enz.), bieden ze relatief weinig inzicht in demechanismen die bij spatten van belang zijn. Hierdoor is hetook niet mogelijk de resultaten te gebruiken voor validatie vande huidige modellen. Mede hierom zijn vervolgens aanvullendeproeven uitgevoerd. De eerste serie proeven is uitgebreidbeschreven in [1]. De proeven die daarna zijn uitgevoerd en hetnumerieke model dat is ontwikkeld, zijn aansluitend toegelicht.Onder auspiciën van CUR-commissie C120-2 is in de periodevan 2005 tot en met 2008 onderzoek gedaan naar het spatgedragvan beton(constructies). Tijdens het onderzoek zijn vele brandproevenuitgevoerd en is een numeriek model ontwikkeld, waarmee hetvochttransport in beton onder brandomstandigheden kan wordenvoorspeld. Hierdoor is het mogelijk een voorspelling te doen van despatgevoeligheid van betonmengsels en -constructies.dr.ir. Adri Vervuurt en ing. Jan BrekelmansTNOir. Arnoud BreuneseEfectis Nederland BVdr.ir. Bart erichTNO/TU Eindhoven1 Proefopstelling in Eindhoven: de MRI-scanner met daarin deproefopstelling met het proefstuk2 Gasdruk (Pg) als functie van de tijd en afstand tot oppervlak(de tussenpozen van de resultaten bedraagt 15 minuten, detotale duur is 7,5 uur). Voor de druk op de verticale as geldt105Pa = 0,01 N/mm2123456780 5 10 15 20 25 30 35 40afstand [mm]gasdruk[108Pa]45 min90 min135 min180 min225 min270 min315 min360 min405 min450 min2themaSpatgedrag betonconstructies7200946Hoewel het model nog niet tot in detail is uitontwikkeld, zijn deresultaten van de berekeningen die tot op heden zijn uitgevoerdveelbelovend. Ze geven een duidelijk beeld van de parameters dievan belang zijn voor het spatgedrag. Een database voor watbetreft de verschillende materiaaleigenschappen ontbreekt echtervooralsnog. Voor de toekomst is het daarom belangrijk dat eenbetere schatting kan worden gemaakt van onder andere de poro-siteit en de permeabiliteit voor water en damp als functie van detemperatuur.De eerste vergelijkingen van het numerieke model met proeven inde NMR-opstelling laten zien dat de vochtprofielen in de tijd goedkunnen worden voorspeld [3]. Voorspeld wordt dat een droogfrontgeleidelijk het proefstuk intrekt. Aanwezige verschillen wordenonder andere verklaard door de verschillen in de aangenomenrandvoorwaarden (isolatie op de randen) en aanwezige defecten(boorgaten voor temperatuurmetingen). Ook de schatting van eenaantal materiaalparameters beïnvloedt de resultaten. De (vocht)-druk in het proefstuk wordt bepaald door de hoge temperatuur inhet beton. Als gevolg van de druk wordt het vocht naar het opper-vlak getransporteerd. Dit is geïllustreerd in de berekeningsresulta-ten in figuur 2. In de figuur is duidelijk te zien dat het aanvankelijklage drukniveau op t = 0 toeneemt in de tijd en verder het proefstukindringt. Opgemerkt wordt dat de resultaten betrekking hebben opeen relatief poreus materiaal, omdat polypropyleenvezels(PP-vezels) zijn meegenomen in de berekening. Voor normaalbeton zijn de betondrukken daarom aanzienlijk hoger, zie [3].SpatproevenAanvullend op de proeven omschreven in [1], zijn door TNO enEfectis nog twee series proeven uitgevoerd, waarbij systematischis gekeken naar een aantal voor spatten van belang zijnde para-meters [4]. In dit kader is aandacht besteed aan de invloed vande betonsterkte, het type toeslagmateriaal, de aanwezigheid vanvoorspanning en het gebruik van PP-vezels. Het sturen op hetvochtpercentage in het beton bleek erg lastig, doordat de uitdro-ging van de proefstukken traag verloopt, niet uniform over dedikte optreedt en bovendien sterk varieert met het betonmengsel.Om de resultaten van de proeven te kunnen vergelijken metonderzoek dat in het buitenland is en wordt uitgevoerd, zijn detoegepaste samenstellingen afgestemd met partners in het Euro-pese project NewCon. Om spatgedrag door drukopbouw in deporiën te kunnen onderscheiden van spatgedrag door spannin-gen als gevolg van thermische uitzetting, is voor een groot aantalproefstukken gekozen voor een lichtgewicht toeslagmateriaal.Dit heeft namelijk een zeer lage thermische uitzettings-coëfficiënt. Verder in dit artikel wordt nader ingegaan op deresultaten van de uitgevoerde proeven in relatie tot CUR-Aanbe-veling 95. Een korte omschrijving van de proeven en de belang-rijkste resultaten is aansluitend gegeven.Numeriek spatmodelSpatten van beton is voor een belangrijk deel afhankelijk van demicrostructuur van het materiaal. Beton is een poreus materiaal,waarvan de poriën onder normale temperatuursomstandighedengedeeltelijk zijn gevuld met vocht (vrij water en waterdamp).Daarnaast bevat de cementmatrix zowel fysisch als chemischgebonden water. Bij het verhitten van het materiaal zal het wateropwarmen en uiteindelijk verdampen, waardoor de gasdruk inhet materiaal toeneemt. Deze gasdruk is de drijvende krachtvoor het vochttransport en de daaraan gerelateerde spanningenin het materiaal. Daarnaast treden chemische veranderingen opin het materiaal die invloed hebben op de mechanische eigen-schappen (sterkte- en stijfheidsveranderingen). Beide processenbeïnvloeden elkaar en hebben invloed op de spatgevoeligheid.In een door TNO ontwikkeld spatmodel worden bovenge-noemde fenomenen gemodelleerd, waarbij temperatuur envochttransport elkaar wederzijds beïnvloeden. Gezien decomplexiteit van de problematiek wordt in het model voorals-nog geen rekening gehouden met de effecten scheurvormingen mechanische belastingen en randvoorwaarden. Het model isin detail omschreven in [3]. Met het model kan een voorspel-ling worden gedaan van het vochttransport en de inwendigedruk die daardoor in het beton ontstaat. Voor de validatie vande resultaten is gebruikgemaakt van een zogenoemde NMR-opstelling (Nuclear Magnetic Resonance). Deze opstelling issamen met de TU Eindhoven ontwikkeld en maakt gebruik vanhet magneetveld van een MRI-scanner zoals deze in ziekenhui-zen worden gebruikt (foto 1).300 mm900mm600 mm600mm300 mm3b3aSpatgedrag betonconstructies 72009 473 Beproefde cilinders (a) en voorgespannenproefstukken (b)4 Resultaten van de tweede serie proefstuk-ken na beproevenEen overzicht van de proefstukken in de oven na het uitvoerenvan de tweede serie proeven, is gegeven in foto 4.De belangrijkste bevinding met betrekking tot de resultaten isdat het gebruik van PP-vezels een overwegend positief effectheeft op het spatgedrag. Over de grootte van het effect kanechter geen uitspraak worden gedaan, mede door de veleonzekerheden. Bij beton zonder PP-vezels blijkt het spatge-drag sterk afhankelijk van het vochtgehalte. Uit de uitge-voerde proeven blijkt verder geen significant verband tussende betondruksterkte en het spatgedrag. In dit kader wordtopgemerkt dat in geen van de proefstukken de aanvankelijkbeoogde betonsterkteklasse van C80/95 is bereikt. Wel blijktduidelijk dat het spatgedrag ongunstig wordt beïnvloed doorde aanwezigheid van drukspanning in het beton. Daarnaastkan worden geconcludeerd dat toepassing van graniet alstoeslagmateriaal in plaats van riviergrind, tot een sterkeafname van het spatgedrag leidt. Dit wordt veroorzaakt doorhet verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten van dezetwee toeslagmaterialen.Ten behoeve van de proeven zijn proefstukken met twee verschil-lende afmetingen gestort: cilinders met een diameter van 300 mm(fig. 3a) en holle, voorgespannen cilinders met een diameter van600 mm en een wanddikte van 150 mm (fig. 3b). Bij de voorge-spannen cilinders is de aanwezige voorspankracht tijdens hetspannen bepaald met behulp van een rekstrookje op de voorspan-staaf.De resultaten van de proeven laten een zeer wisselend beeldzien met een grote spreiding, waardoor het niet eenvoudig iseenduidige conclusies hieraan te verbinden. Om de thermischespanningen en vochthuishouding in de proefstukken niet teverstoren, is ervoor gekozen geen thermokoppeldraden in deproefstukken aan te brengen. Als gevolg van de extreem hogetemperaturen is het ook niet mogelijk andere typen metingente verrichten. Wel is de oventemperatuur geregistreerd en is deovencamera van Efectis ingezet, waarmee tijdens de brandproefvideobeelden van de proefstukken zijn gemaakt. Aangezien hetspatgedrag zich vooral in het begin van de brand (de eerste 30tot 45 minuten) afspeelt, is informatie over deze periode essen-tieel. Het gebruik van de ovencamera is erg effectief geweestom uitspraken te kunnen doen over deze vroege periode vanopwarmen. De uiteindelijke beoordeling is daarom voorname-lijk gebaseerd op een analyse van de videobeelden en op visueleobservatie van de proefstukken na afkoelen.De beoordelingsresultaten van de proeven zijn samengevat intabel 1. Zoals is te zien zijn voor de beoordeling twee tijdstip-pen beschouwd, te weten na 30 minuten brand en na afloopvan beproeven en afkoeling van de proefstukken. De beoorde-ling na 30 minuten betreft een analyse van de videobeelden,waarop te zien was of een proefstuk in de beginfase van debrand spatschade had opgelopen. De beoordeling achterafbetreft de visuele waarneming na afkoelen. In deze beoordelingwordt een proefstuk dat weliswaar niet gespat is maar toch zijnsterkte volledig verloren heeft, als `gedesintegreerd' aangemerkt.4I RefeRenties1 Vervuurt, A.H.J.M. en Breunese, A.J., Onderzoek naar het spatge-drag van beton(constructies) van in het bijzonder hogesterkte-beton en zelfverdichtend beton. Cement 2006/72 Breunese, A.J., Vervuurt, A.H.J.M., en Fellinger, J.H.H., Beoordelingspatgedrag betonconstructies. Literatuuronderzoek en beproe-vingsopzet. TNO rapport 2004-CVB-R0334, december 20043 Erich, S.J.F. et. al., MRI validation of FEM models describing mois-ture induced spalling of concrete. Heron, vol 53, 2008, no 44 Brekelmans, J.W.P.M. en Breunese, A.J., Research on spalling ofconcrete during fire; Part 1-4 TNO rapport 2007-D-R1329/B t.m.2007-D-R1332/B, 2008.5 NEN-EN 1992-1-2, Eurocode 2. Ontwerp en berekening vanbetonconstructies deel 1-2. Algemene regels - ontwerp enberekening van constructies bij brand. NEN, 2007themaSpatgedrag betonconstructies7200948VervolgonderzoekVoor een eventuele vervolgfase van CUR-commissie C120-2 zijngrootschalige proeven beoogd. Het is de verwachting dat het nieteenvoudig zal zijn de resultaten van dergelijke proeven eenduidigte vertalen naar een groter toepassingsgebied. In het beste geval zalvermoedelijk iets kunnen worden gezegd over één of meer typenconstructieonderdelen (wanden, kolommen, segmenten enz.). Hetis de verwachting dat ook bij dergelijke proeven de spreiding grootzal zijn, evenals de invloed van de verschillende parameters.Met betrekking tot de voorspelbaarheid van spatten van betonmoet vervolgonderzoek zich bij voorkeur richten op validatievan het ontwikkelde numerieke model op basis van kleinscha-lige spatproeven en op de bepaling van de relevante materiaalei-genschappen voor verschillende betonsamenstellingen. Daar-naast is een koppeling van het vochttransportmodel aan deconstructieve respons een wenselijke volgende stap in hetonderzoek. Dit is onderdeel van het lopende STW-programmabij de TU Delft en de TU Eindhoven.CUR-Aanbeveling 95In CUR-Aanbeveling 95 zoals die momenteel van kracht is, wordtaandacht besteed aan een aantal gevoeligheden en maatregelen,zoals huidwapening, silicafume, betonsterkteklasse en het gebruikvan PP-vezels. Bij de totstandkoming van de aanbeveling zijn dezemaatregelen ontleend aan de toenmalige versie van Eurocode 2,waarbij in Aanbeveling 95 enkele relevante zaken zijn toegevoegd,zoals een eis aan de verankering van de huidwapening.De uitgevoerde proeven hebben de positieve werking vanPP-vezels bevestigd. De criteria die in de CUR-Aanbevelingworden gesteld, kunnen op basis van het uitgevoerde onderzoekechter niet (verder) worden onderbouwd. In het bijzonder derelatie met de sterkteklasse bleek weinig relevant; een relatie mettype toeslagmateriaal en aanwezige drukspanning lijkt meer opzijn plaats. Het onderzoek bevestigt de grote onzekerheid diebestaat over de gevoeligheid van de vele variabelen die een rolspelen bij het spatten van beton.Sinds enige tijd zijn deel 1 en 2 van Eurocode 2 met betrekkingtot constructies bij brand van kracht [5]. Net als in de CUR-Aanbeveling zijn hierin bepalingen met betrekking tot spattenvan beton opgenomen. Deel 1 en 2 van Eurocode 2 wijken methun bepalingen niet substantieel af van CUR-Aanbeveling 95,maar zijn in een aantal opzichten genuanceerder1). Dit komt totuitdrukking doordat voor bijzondere constructieonderdelen en/of afwijkende betonsamenstellingen specifieke brandproevennoodzakelijk worden geacht. )proefstuknummertoeslag-materiaalPP-vezelsvoor-spanninggerealiseerdekubusdruk-sterktebeoordelingna 30 min.beoordelingna beproeven10448 Lytag 68 MPa 100 10010449 Lytag 68 MPa 100 9810447 Lytag 68 MPa 100 959994 riviergrind 10,8 MPa 116 MPa 100 9310391 Lytag 10,8 MPa 71 MPa 100 9010040 graniet 10,8 MPa 95 MPa 100 8810408 Lytag 50 MPa 50 8510407 Lytag 45 MPa 100 8310409 Lytag 45 MPa 50 809984 riviergrind 18x6-165 49 MPa 0 7510006 riviergrind 18x6-165 43 MPa 20 7310392 Lytag 71 MPa 0 709995 riviergrind 116 MPa 20 6810399 Lytag 18x6-165 66 MPa 0 659973 riviergrind 63 MPa 0 6310348 Lytag 45 MPa 0 6010017 graniet 73 MPa 0 5810469 Lytag 32x12-165 61 MPa 0 5310488 Lytag 18x6-165 68 MPa 0 509972 riviergrind 12,1 MPa 63 MPa 80 4810005 riviergrind 18x6-165 10,8 MPa 43 MPa 80 459983 riviergrind 18x6-165 12,1 MPa 49 MPa 80 4310347 Lytag 12,1 MPa 45 MPa 80 4010016 graniet 12,1 MPa 73 MPa 20 3810027 graniet 18x6-165 12,1 MPa 65 MPa 10 3510489 Lytag 18x6-165 68 MPa 0 3310467 Lytag 32x12-165 61 MPa 10 3010468 Lytag 32x12-165 61 MPa 10 2810470 Lytag 32x12-165 61 MPa 0 2510428 Lytag 18x6-165 42 MPa 0 2310429 Lytag 18x6-165 42 MPa 0 2010427 Lytag 18x6-165 42 MPa 0 1810398 Lytag 18x6-165 10,8 MPa 66 MPa 10 1510487 Lytag 18x6-165 84 MPa 0 1310041 graniet 18x6-165 95 MPa 0 1010052 graniet 18x6-165 87 MPa 0 810051 graniet 18x6-165 87 MPa 0 510028 graniet 18x6-165 65 MPa 0 31) Door CUR wordt momenteel een conversieprogramma uitgevoerd waarbij deCUR-Aanbevelingen, waaronder Aanbeveling 95, zodanig worden herzien dat zijaansluiten bij de Eurocodes.Tabel 1 Beoordeling van het spatgedrag van de proeven na 30 minuten brand en naafloop van de proef [4]geen zichtbare spatschademinimaal lokaal spattenlokaal oppervlakte spattenspatten over delen van hetproefstukernstige spatschadevolledig bezwijken van grotedelen van het proefstuknauwelijks spattenspatten en geendesintegratie na transportspatten en desintegratiena transportvolledig gedesintegreerd0 0-151020 15-505080 50-75100 75-100beoordeling na 30 minuten beoordeling na afloop van beproeven