O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrand66 cement 2008 7Beton bevat meer water dan voorde hydratatie nodig is, zelfs in hetgeval van hogesterktebeton metlage water-cementfactor (wcf). Hetovertollig water blijft na het ver-harden van het beton achter in depori?n. Wanneer het beton aanbrandbelasting wordt blootgesteld,zal het pori?nwater, zodra het eentemperatuur van 100?C bereikt,stoom vormen. Bij klassiek beton,met een wcf in de orde van 0,5,kan deze stoom door de pori?n-structuur heen snel genoeg wor-den afgevoerd. In het geval vanhoogwaardig beton, met wcf in deorde van 0,3, is dit evenwel eenprobleem. Door het dichte pori?n-systeem kan de stoom niet snelgenoeg worden ge?vacueerd.Daardoor wordt een stoomdruk inhet beton opgebouwd. Een opper-vlaktelaag kan op vrij explosievewijze door te hoge stoomdrukkenworden afgeduwd. Dit verschijn-sel, dat typisch optreedt geduren-de de eerste dertig minuten nablootstelling aan brand, wordt hetspatgedrag van beton bij brandgenoemd [1]. Dit kan een pro-bleem vormen bij gebouwen entunnels in hoogwaardig beton.Ook zelfverdichtend beton (zvb)lijkt gevoelig te zijn voor spatgedragbij brandbelasting [2,3]. Door hetaanwenden van een hoog poeder-gehalte is de microstructuur vanzelfverdichtend beton vergelijkbaarmet deze van hogesterktebeton(hsb), met vergelijkbare risico's opspatgedrag [3,4]. In dit onderzoekwerd dan ook aandacht besteed aanbeide materialen, met en zondertoevoeging van PP-vezels.P o l y p r o p y l e e n v e z e l sDe toevoeging van PP-vezelswordt algemeen beschouwd alseen effectieve methode voor hetvermijden van explosief spattenvan beton bij brand. Bij eerderonderzoek [5] werd experimenteelvastgesteld dat door de aanwezig-heid van PP-vezels de inwendigepori?ndrukken (stoomdrukken)sterk worden gereduceerd. Demeeste onderzoekers vermeldendat door het smelten van de PP-vezels bij hoge temperatuur(171?C) een hogere porositeitwordt verkregen, waardoor vochten stoom sneller kunnen ont-snappen. Hierdoor dalen depori?ndrukken in vergelijkingmet beton zonder PP-vezels. Heteffect van PP-vezels werd doorXian Liu op fundamentele wijzebestudeerd op microniveau. Eengedetailleerde rapportage is tevinden in [3, 4]. Hierna wordende belangrijkste besluiten toege-licht. De in dit onderzoek toege-paste PP-vezels hebben een diktevan 18 ?m en een lengte van 12mm. De vezels smelten bij 171?C,verdampen bij 341?C, en brandenbij 460?C.C e m e n t p a s t aHet onderzoek werd uitgevoerd oppastaniveau. De dosering PP-vezelsbedroeg 0,5 of 1 kg/m?. Dit stemtovereen met een absoluut volume-percentage gelijk aan 0,75% of1,5%. De beschouwde samenstel-lingen zijn gegeven in tabel 1.Voor de vervaardiging van de pas-ta's werden de droge materialensamen met het water gemengdgedurende twee minuten. Nadienwerd de superplastificeerder toege-Nut van polypropyleenvezels op microniveau geverifieerdSpatgedrag van betonblootgesteld aan brandprof.dr.ir. G. De Schutter, prof.dr.ir. L. Taerwe, Universiteit Gent,Laboratorium Magnel voor BetononderzoekX. Liu, Y. Yuan, Tongji University, Shanghai, China, School of CivilEngineeringG. Ye, Technische Universiteit Delft, Microlab/Universiteit Gent,Laboratorium Magnel voor BetononderzoekHet gebruik van polypropyleenvezels (PP-vezels) ter verbetering van de brand-weerstand van hogesterktebeton is alom gekend. Het succes van deze vezelswordt vaak toegeschreven aan een verhoging van de porositeit van het betondoor het wegsmelten van de vezels. Wordt het spatten van beton bij brandbe-lasting effectief vermeden door een verhoogde porositeit? Verificatie opmicroniveau brengt meer licht aan de zaak.00,050,10,150,20,250,30,350,41000 100 10 1 0,1 0,01 0,001extrusion curvesecond intrusionfirst intrusiontotal porosityeffectiveporosityink-bottleporositypressure [MPa]cumulativeintrusion[ml/g]1 |Typisch resultaat vankwikporosimetrieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandcement 2008 7 67voegd, en werd nog drie minutengemengd. Er werden proefstukkenvervaardigd met afmetingen175x90x100 mm3. Deze proefstuk-ken werden in verzegelde toestandbewaard bij 20?C.P r o e v e n i n e l e k t r i s c h eo v e nTeneinde het effect van hoge tem-peratuur op de microstructuurvan de pasta te kunnen bestude-ren, werden de pastaproefstukkenopgewarmd in een elektrischeoven, met een opwarmingssnel-heid van 10?C per minuut. Ver-schillende `target'-temperaturenwerden beoogd:? 130?C: op deze temperatuur ishet vrije pori?nwater verdampt.? 200?C: net boven de smelttem-peratuur van de PP-vezels(171?C). Een deel van hetgebonden water is dan ook alverdwenen.? 300?C en 400?C: gebied waarineventueel spatten kan optreden.Tevens verdwijnt in dit gebiedhet gelwater, en verdampen dePP-vezels (bij 341?C).? 500?C: decompositie van port-landiet (Ca(OH)2).Bij het bereiken van de target-tem-peratuur werden de proefstukkengedurende acht uren in de ovenbewaard. Nadien werden de proef-stukken afgekoeld tot 105?C, enverder op deze temperatuurbewaard teneinde mogelijke rehy-dratatie te vermijden. Later werdende proefstukken traag afgekoeld tot20?C, net voor de uitvoering van demicroproeven (kwikporosimetrieen elektronenmicroscopie) en debepaling van de gasdoorlatendheid.K w i k p o r o s i m e t r i eHet pori?nvolume en de pori?naf-metingen in de cementpasta kun-nen op indirecte wijze via kwikpo-rosimetrie worden bestudeerd.Het principe van deze methode isgebaseerd op de theoretische rela-tie tussen de pori?ndiameter vaneen cilindrisch verondersteldeporie en de benodigde druk omdeze porie met kwik te vullen (ver-gelijking van Washburn, zie [4]).Hoe kleiner de pori?n, hoe groterde druk die nodig is om deze pori-en met kwik te vullen. Door hetopmeten van de benodigde druken het ingedrongen kwikvolumekan een idee worden verkregenvan het pori?nvolume en depori?nafmetingen, zoals ge?llu-streerd in figuur 1. De resultatenmoeten met de nodige omzichtig-heid worden geanalyseerd, ondermeer door het optreden van hetzogenoemde `ink-bottle effect'.Door de resultaten te bekijken vanzowel de intrusie als de extrusievan het kwik kan evenwel eengoed idee van dit effect wordenverkregen. Het voordeel van kwik-porosimetrie is het zeer grootbereik aan pori?ndiameters datkan worden opgemeten. In voor-liggend onderzoek werd een kwik-druk gerealiseerd tot 212 MPa,wat overeenstemt met een theore-tische pori?ndiameter van 7 nano-meter (0,007 ?m).E l e k t r o n e n m i c r o s c o p i eNaast kwikporosimetrie werdende proefstukken ook bestudeerdmet elektronenmicroscopie. Opdeze wijze kan een direct (tweedi-mensionaal) beeld van de micro-structuur worden verkregen, enkan de invloed van de opwarmingworden bestudeerd.G a s p e r m e a b i l i t e i tNaast het onderzoek op microni-veau werd tevens de gaspermeabi-liteit van de proefstukken bepaald,voor en na blootstelling aan dehoge temperaturen. Dit gebeurdemet een gaspermeabiliteitsmeter,zoals voorgesteld in figuur 2. Dekennis van de gaspermeabiliteit isvan belang in voorliggend onder-zoek, vanwege de belangrijke rolSCCPPPF0SCCPPPF0,5SCCPPPF1HPCPPPF0HPCPPPF0,5HPCPPPF1cement CEM I 52,5 400 400 400 400 400 400water 165 165 165 132 132 132kalksteenmeel 200 200 200 0 0 0superplastificeerder 3,2 (l) 4,42 (l) 5,55 (l) 5 (l) 7 (l) 8,45 (l)polypropyleenvezels 0 0,5 1 0 0,5 1totaal poedergehalte 600 600 600 400 400 400water-cementfactor 0,41 0,41 0,41 0,33 0,33 0,33water-poederfactor 0,28 0,28 0,28 0,33 0,33 0,332 |GaspermeabiliteitsmeterTabel 1 |Samenstelling van de beproefde pasta's (in kg, tenzij anders vermeld)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrand68 cement 2008 7van de stoomafvoer met betrek-king tot het spatgedrag.I n v l o e d t e m p e r a t u u r o pp o r i ? n v o l u m eBij toenemende temperatuurneemt de totale porositeit van decementpasta toe, zoals ge?llustreerdin figuur 3 voor het geval vanHPCP PPF0 (dus zonder PP-vezels). De grootste toename is tezien tussen 400?C en 500?C (factor1,5). In dit temperatuurgebied heeftimmers de decompositie van port-landiet plaats, wat aanleiding geefttot een opener pori?nstructuur.Tevens ontstaat in dit temperatuur-gebied microschade (zie verder).Figuur 4 toont de evolutie van detotale porositeit voor het tempera-tuurgebied van 130?C tot 500?C, endit voor alle pasta's vermeld in tabel1. De totale porositeit neemt toe bijtoenemende temperatuur. De toe-name tussen 130?C en 200?C(smelttemperatuur PP-vezels171?C) toont echter geen significan-te invloed aan van de aanwezigheidvan PP-vezels. Door het smeltenvan de vezels wordt klaarblijkelijkgeen significante toename van hetpori?nvolume verkregen. Dit kontrouwens worden verwacht. Devolumepercentages PP-vezel zijn inde orde van 0,75% en 1,5%, watrelatief weinig is in vergelijkingmet de totale porositeit van de pas-ta, in de orde van 14%.C o n n e c t i v i t e i tMet elektronenmicroscopie kanhet werkelijke effect van de PP-vezels nader worden bestudeerd.Bij 130?C (fig. 5) zijn de vezelsnog niet gesmolten. Er is een goe-de aanhechting tussen de vezel ende hydratatieproducten. Een over-gangszone is nauwelijks merk-baar. Na blootstelling aan 200?C(fig. 6) zijn de vezels gesmolten.Het vloeibare vezelmateriaal wordtgeabsorbeerd in de naastliggendepori?n. Tijdens dit absorptiepro-ces wordt in zekere mate schadeveroorzaakt aan de microstructuurrondom de vezel. Bij nog hogeretemperatuur verdampt het vezel-materiaal, en blijft het vezelkanaalleeg achter (fig. 7). Het resultaat iseen pori?nnetwerk met een grote-re connectiviteit. Dit werd tevensgeverifieerd met driedimensionalecomputertomografie.M i c r o - e n m a c r o s c h e u r -v o r m i n gZonder toevoeging van PP-vezelskan bij de opwarming een duide-lijke microscheurvorming ont-staan, zoals ge?llustreerd in figuur8 voor het geval HPCP PPF0. Degetoonde scheurbreedte is onge-veer 3 ?m, en de scheur looptdoor over vrij grote afstand. Deinvloed van deze microscheurenzit impliciet ook vervat in dehoger vermelde resultaten van dekwikporosimetrie. Op grotereschaal worden ook thermischemacroscheuren zichtbaar vanafhet oppervlak van het proefstuk.Deze micro- en macroschadewordt allicht veroorzaakt door deoptredende stoomdrukken.S p a t t e nIn het geval van zelfverdichtendbeton zonder PP-vezels (SCCPPPF0) werd tijdens het experi-menteel programma effectief spat-gedrag vastgesteld bij bewaringvan het proefstuk op 500?C. Hetexplosieve spatgedrag was duide-lijk hoorbaar, en uiteraard ookachteraf zichtbaar (fig. 9). Er werdgeen spatgedrag vastgesteld in hetgeval van hogesterktebeton zondervezeltoevoeging (HPCP PPF0), enevenmin in alle gevallen m?tvezeltoevoeging.I n v l o e d t e m p e r a t u u r o pg a s p e r m e a b i l i t e i tEen algemene evolutie van degaspermeabiliteit in functie vande temperatuur is weergegevenin figuur 10. Na blootstelling aan130?C is de gaspermeabiliteitnagenoeg identiek voor allesamenstellingen. De gaspermea-biliteit neemt duidelijk toe nablootstelling aan hogere tempera-tuur. Een sterke toename ismerkbaar bij 200?C voor de00,050,10,150,20,250,35004003002001300,001 0,01 0,1 1 10 100 1000pori?n [nanometer]130 C?500 C?400 C?300 C?200 C?Total porosity(ml/g)0,080,120,160,20,240,280 100 200 300 400 500 600SCCP PPF0SCCP PPF05SCCP PPF1HPCP PPF0HPCP PPF05HPCP PPF1SCCP PPF0HPCP PPF0SCCP PPF1HPCP PPF1HPCP PPF05SCCP PPF05temperatuur [C?]3 |Resultaten kwikporosi-metrie na verschillendeblootstellingstemperatu-ren (HPCP PPF0)4 |Invloed van de blootstel-lingstemperatuur op detotale porositeit van depastaO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandcement 2008 7 69samenstellingen met PP-vezels.Bij een hoger vezelgehalte wordteen hogere toename vastgesteld.Deze toename is te wijten aanhet smelten van de PP-vezels,zoals eerder vermeld. Voor desamenstellingen zonder PP-vezels komt de toename pas nabewaring bij 300?C ? 400?C. Indit geval is de toename eerder tewijten aan het ontstaan vanmicroscheurvorming ten gevolgevan de hoge stoomdrukken.B e t o nEr wordt beklemtoond dat degerapporteerde onderzoeksresulta-ten betrekking hebben op cement-pasta. Het spatgedrag van betonkan afwijken van het spatgedragvan cementpasta gezien het belangvan de overgangszone tussenmatrix en granulaatkorrels. Dezeovergangszone kan microdefectenbevatten, waarlangs de stoomdruk-ken sneller dan in cementpastakunnen worden afgebouwd.Brandproeven op betonniveau wer-den ondertussen in een volgendefase van het project uitgevoerd. Deresultaten worden op dit ogenbliknog in detail geanalyseerd. Opbetonniveau werd evenwel geenspatgedrag vastgesteld, ook niet bijhet zelfverdichtend beton.C o n c l u s i e sOp basis van voorliggend onder-zoek kunnen volgende conclusiesworden geformuleerd:? Bijhogeretemperatuurverdwijntchemisch gebonden water, enwijzigt de microstructuur. Hettotaal pori?nvolume neemt toe.? EventueelaanwezigePP-vezelssmelten bij 171?C, en wordengeabsorbeerd door de omliggen-de pori?n. De totale porositeitwijzigt echter nauwelijks doorhet smelten van de vezels.? Deconnectiviteitvandepori?nwordt significant be?nvloed doorhet smelten van de PP-vezels.Schade bij hoge temperatuurkan door deze verhoogde con-nectiviteit worden vermeden.Globaal gezien kan wordengesteld dat PP-vezels het risico opspatgedrag bij brandbelasting opsignificante wijze verminderendoor de verhoogde connectiviteitvan het pori?nnetwerk na hetsmelten van de vezels, en nietdoor een verhoging van het totaalpori?nvolume. nL i t e r a t u u r1. Vervuurt, A., & A. Breunese,Spatgedrag van beton bijbrand. Cement 2006 nr. 7.2. De Schutter, G., P.J.M. Bartos,P. Domone & J. Gibbs, Self-Compacting Concrete. Whit-tles Publishing, Caithness,UK, CRC Press, Taylor & Fran-cis Group, Boca Raton, USA,2008.3. Liu, X., Microstructural inves-tigation of self-compactingconcrete and high-perfor-mance concrete during hydra-tion and after exposure to hightemperatures. Doctoraats-proefschrift, Universiteit Gent,Tongji University, 2006.4. Liu, X., G. Ye, G. De Schutter,Y. Yuan & L. Taerwe, On themechanism of polypropylenefibres in preventing fire spal-ling in self-compacting andhigh-performance cement pas-te. Cement and ConcreteResearch, 38, 2008.5. Kalifa, P., F.D. Menneteau &D. Quenard, Spalling and porepressure in HPC at high tem-peratures. Cement and ConcreteResearch, 30, 2000.105 130 200 300 400 5001?10-14SCCP PPF0SCCP PPF05SCCP PPF1HPCP PPF0HPCP PPF05HPCP PPF19?10-158?10-157?10-156?10-155?10-154?10-153?10-152?10-151?10-150temperatuur [?C]5 |Elektronenmicroscopischeopname van HPCP PPF1 nablootstelling aan 130?C6 |Elektronenmicroscopischeopname van SCCP PPF1 nablootstelling aan 200?C7 |Leeg vezelkanaal na het ver-dampen van het vezelmate-riaal (bij HPCP PPF1)8 |Elektronenmicroscopischeopname van HPCP PPF0 nablootstelling aan 300?C9 |Proefstuk SCCP PPF0 na hetspatten bij 500?C10 | Invloed van de tempe-ratuur op de gasperme-abiliteit