De tussen haakjes geplaatste cijfers verwij-zen naar de literatuuropgave aan het eind vanhet artikel.ir.W.J.CopierIBBC-TNO, RijswijkCement XXXI (1979) nr. 11Spatten van grind-enlichtbeton bij brandInleidingOnder spatten van beton wordt verstaan het 'explosief' afspringen van grote of kleine stukkenbeton uit het aan verhitting blootgestelde oppervlak. Het optreden van spatten hangt af vanzekere condities die doorgaans slechts in geringe mate onder praktijkomstandigheden aan-wezig zijn. Bij brandproeven is het echter mogelijk zodanige condities te scheppen dat hetspatten in de meest extreme vormen optreedt. Het afspringen van het beton kan zowel plaatse-lijk als over het gehele oppervlak optreden en gaat met zachte of harde 'knallen' gepaard. Het isvoorgekomen dat tijdens brandproeven het lawaai elk stemgeluid overtrof. Een betonelement,geplaatst in een oven, kan men bij bepaalde condities zelfs in zijn geheel laten exploderen.Wellicht is de gegeven beschrijving voor velen verrassend omdat men bij vuur veel meervertrouwd is met het knetteren van hout terwijl beton thermisch goed resistent wordt geacht. Uitproeven blijkt echter ook dat het mogelijk is om bij veranderde condities het optreden vanspatten te vermijden of de intensiteit ervan te laten afnemen.Bij betonconstructies na brand ziet men vaak dat delen van het oppervlak door spatten zijnaangetast. Over het algemeen geldt echter dat het verschijnsel beperkt is gebleven tot enkeleplaatsen of tot geringe diepte (minder dan de dekking). Kennelijk zijn de noodzakelijke conditiesvoor het hevig optreden van spatten doorgaans niet of slechts in geringe mate aanwezig. Treedtspatten op, dan kan hierdoor de dekking op de wapening verloren gaan. De dekking speeltechter een belangrijke rol in de brandwerendheid van een betonelement.Daarom is de kennis omtrent het spatten van belang en is hieromtrent onderzoek verricht bijIBBC~TNO in samenwerking met CUR-commissie C 29. De resultaten van dit onderzoek zijnvermeld in [1] en zullen binnenkort in een CUR-VB-rapport verschijnen [2] *.In dit artikel worden in grote lijnen de onderzoekresultaten besproken. Tevens zal wordenaangegeven onder welke condities de kans op het optreden van spatten gering is en als gevolgdaarvan de beoordeling van de brandwerendheid niet door spatten wordt verstoord.Experimenteel onderzoek en theorie?n omtrent spattenVerschijningsvormen van spattenAan de hand van bestudeerde literatuur blijkt dat er nog geen sluitende verklaring is voor hetoptreden van spatten. Uit proeven blijkt tevens dat spatten een grillige gebeurtenis is. Dit wordtveroorzaakt door het feit dat het al dan niet optreden afhangt van vele factoren die alle op zich ofin combinatie in meer of mindere mate aanwezig kunnen zijn. In de literatuurwordt gesteld datfactoren als drukspanning, vochtgehalte, wapening, dikte, alsmede het soort toeslagmateriaalen ??n- of twee-zijdige verhitting van invloed zijn. Met in achtname van deze factoren zijn eenaantal brandproeven uitgevoerd op gewapende en voorgespannen balken van zowel grindbetonals lichtbeton. Op grond van deze proeven kan het spatten in grote lijnen in de volgende vierverschijningsvormen worden ingedeeld:a.explosief afspringen van enkele grote stukken beton uit het oppervlak (foto 1); dit treedt optussen de eerste 10 tot 50 minuten; het is ook voorgekomen dat een overeenkomstig proefstukals getoond in foto 1als geheel explodeerde en wel zonderook maar de geringste waarschuwingvooraf (foto 2);b. plaatselijk afvallen van enkele stukjes beton uit het oppervlak of langs de randen; hetverschijnsel blijft beperkt tot enkele plaatsen (foto 3);c. geleidelijke doorsnedevermindering; dit kan optreden bij zeer hOge temperaturen; de bindingtussen cement en de toeslagmaterialen gaat verloren;d. explosief afspringen van kleine stukjes beton uit het oppervlak; vooral lichtbeton vertoont ditverschijnsel; het gebeurt in tegenstelling tot de onder a. genoemde vorm bij voortduring en weltussen de 8 en.25 minuten; het materiaal kan tot verachter de wapening worden 'weggevreten'(foto 4).De onder b. en c.genoemde verschijningsvormen zijn voor de volledigheid genoemd. Dit omdathierdoor de doorsnede of het oppervlak kan worden aangetast. Het plaatselijk afvallen vanenkele stukjes (verschijningsvorm b.) is meestal niet van dien aard dat een voortijdig bezwijkenoptreedt. Voor hoge eisen van brandwerendheid (langer dan 2 uur) kan c. een rol gaan spelen.4993Voorgespannen balk van lichtbeton na eenbranqproefr = 0,12 m; Ob = 1,2 ~8,3 N/mm2;fb = 31 N/mm2; 1j? = 2,3 % (v/v)'geen' wapening en tweezijdige verhitting1Plaat na brandproefr = 0,12 m; Ob = 1,2 - 8,6 N/mm2;tb = 31 N/mm2;'Ij! = 3 % (v/v)geen wapening en tweezijdige verhitting2Blik in de oven na het exploderen van hetproefstuk r = 0,1 m; Ob = 10 N/mm2;fb =35 N/mm2; 'Ij! = 5,3 % (v/v)geen wapening en tweezijdige verhittingEisen groter dan 2 uur worden echter zelden gesteld, ook al omdat de vuurbelasting dit door-gaans niet rechtvaardigt. Hiermee resteren de explosieve vormen van spatten met enkele grotestukken of bij voortduring met kleine stukjes (a. resp. d.). Hierdoor kan een voortijdig bezwijkenontstaan waardoor de geeiste brandwerendheid niet wordt bereikt.Theorie?n omtrent het optreden van spattenIn de literatuur wordt het spatten wel in verband gebracht met de mineralogische opbouw van detoeslagmaterialen, gering verschil in uitzetting tussen beton en staal en temperatuurspanningendoor verhinderde uitzetting. Wellicht dat deze factoren een bijdrage leveren zij het dat hiermeeop geen enkele manier de soms hevige vormen van spatten in verband kunnen wordengebracht. Het vochtgehalte daarentegen moet als de belangrijkste oorzaak voor het spattenworden aangemerkt. Hierbij geldt wel dat een hoog vochtgehalte op zich nog niet gevaarlijkbehoeft te zijn. Uit het uitgevoerde onderzoek is komen vast te staan dat de explosieve vormenvan spatten (zoals genoemd onder a. en d. in paragraaf 2.1) optreden indien een hoog vocht-gehalte wordt gecombineerd met andere factoren. Deze factoren hebben het karakter dat zeieder voor zich of in combinatie het inwendig vochttransport be?nvloeden. Voor een nader begripvan dit uitgangspunt wordt een opgestelde verklaring volgens [3] nader toegelicht. Doorverhitting van een betonoppervlak ontstaat desorptie van vocht in een dunne laag bij het opper-vlak. Een groot deel hiervan diffundeert naar de koudere achterliggende lagen en wordt weergeabsorbeerd in de pori?n. Bij doorgaande verhitting groeit de droge laag en zal op enigeafstand een verzadigde laag van bepaalde dikte ontstaan. Deze verzadigde laag zal zich steedsverder naar binnen verplaatsen met een snelheid die onder meer afhangt van de pori?nstructuuren de opwarmsnelheid. Het gedesorbeerde vocht kan zich op een zeker ogenblik niet verder ofniet snel genoeg naar binnen verplaatsen indien de achterliggende lagen verzadigd zijn c.q. depori?nstructuur geen snellere verplaatsing toelaat. Hierdoor zal het warmtefront de verzadigdelaag bereiken. De op het 'scheidingsvlak' gevormde damp zal de hete droge laag willenbinnendringen. Doordat de temperatuur naar buiten toe toeneemt, zal de d?lmp een steedsgroter volume willen aannemen. De pori?n bezitten echter een bepaalde afmeting zodat deweerstand bij het doorstromen steeds groter wordt. Hierdoor kan slechts weinig dampontsnappen waardoor de dampdruk op het scheidingsvlak tussen de verzadigde laag en deverhitte buitenste laag steeds verder toeneemt. Dit veroorzaakt trekspanning in het beton even-wijdig aan het verhitte oppervlak. Wordt deze trekspanning gelijk aan de treksterkte bij deheersende temperatuur dan springt een schil uit het oppervlak met een dikte gelijk aan de ver-warmde droge buitenschil.Een variatie op deze gedachtengang wordt gegeven in [4].Hier vindt men de opvatting dat er trekspanning in het beton ontstaat door stroming van water-damp waarbij wrijvingskrachten langs de pori?nwanden optreden. Deze benadering lijkt voorgrindbeton toepasbaar, echter niet voor lichtbeton [5]. Aan de hand van de literatuur blijkt dat ernog geen sluitende verklaring is voor het optreden van spatten. Bij de bespreking van de proef-resultaten volgens [1] zullen de geconstateerde fenomenen, zij het enigszins speculatief, inverband worden gebracht met de hier aangehaalde theorie volgens [3].Cement XXXI (1979) nr. 11 5004Kop van een voorgespannen balk vanlichtbeton na de brandproefr = 0,12 m; ab = 1,2 - 10,3 N/mm2;fb = 33 n/mm2; 'i' = 12,5 % (v/v)?'geen' wapening en tweezijdige verhittingCement XXXI (1979) nr. 115Plaat na de brandproefr = 0,1 m; ab= 0; fb = 34 N/mm2;'i' = 6,7 % (v/v)geen wapening en tweezijdige verhittingAnalyse van de resultaten op brandproevenBij spatten onderkent men factoren die elk voor zich bijdragen in de mogelijkheid dat hetaanwezige vocht druk kan opbouwen. Enkele van de belangrijkste factoren worden hiergenoemd en wel verdeeld in twee groepen I en 11. Tot groep I behoren die factoren die uitbrandproeven een aanwijsbare invloed hebben, zij het niet altijd even duidelijk.Genoemd worden:1-1) het vochtgehalte; naarmate dit hoger is zal de kans op het ontstaan van een verzadigdelaag toenemen;1-2) ??n of tweezijdige verhitting; bij tweezijdige verhitting kunnen de verzadigde lagen elkaarvan weerszijden ontmoeten; bij ??nzijdige verhitting kan het vocht aan de koude zijde ontsnap-pen; soms ontstaat een 'plas' water op de bovenzijde als het proefstuk van onderen wordtverhit;1-3) de dikte; deze speelt voornamelijk een rol bij tweezijdige verhitting; in [4] wordt gesteld datbij een dikte r > 200 mm de nadelige invloed van tweezijdige verhitting gering is geworden;1-4) drukspanning; is geen drukspanning aanwezig dan kan interne scheurvorming optreden(temperatuurspanningen) hierdoor kan het vocht zich beter verplaatsen;1-5) wapening; de invloed hiervan is overeenkomstig de invloed van drukspanning.Tot groep 11 behoren factoren die men niet zodanig kan vari?ren dat een invloed op het spatten,bij een fenomenologisch onderzoek met behulp van brandproeven, kan worden aangetoond. Ditkomt omdat onder meer moet worden uitgegaan van het materiaal beton en van een verloop vande omgevingstemperatuur zoals die bij brand verwacht moet worden, bijvoorbeeld de stan"daardbrandkromme of geringe variaties daar omheen. Voor het optreden van spatten zullenbepaalde factoren echter wel een rol spelen.Genoemd worden:11-1) materiaaleigenschappen als porositeit, doorlatendheid warmtegeleiding en treksterkte;11-2) voor lichtbeton, het soort licht toeslagmateriaal (voor zover onderzocht);11-3) de verdeling van het vocht over de doorsnede;11-4) de opwarmsnelheid; deze is naar onderen gelimiteerd omdat men over brand spreekt enniet over droging;11-5) de grootte van de drukspanning; de aanwezigheid van drukspanning is belangrijker dan degrootte ervan;11-6) de hoeveelheid wapening (mits niet te dicht bijelkaar);het onderscheid 'al of nietwapening' is belangrijker dan de hoeveelheid.Foto 5 toont een plaat na een brandproef. Het vochtgehalte alsmede de andere factoren warenvan dien aard dat spatten niet is opgetreden. Foto 6 toont een plaat na de brandproef waarbijzich over het hele oppervlak zogenaamde craquel? heeft gevormd. Daar noch wapening nochdrukspanning werd toegepast, kon deze craquel? ontstaan, waardoor het vocht (hoog vocht-gehalte in dit geval) kon ontsnappen zonder dat spatten optrad. Dit is een van de redenenwaarom spatten bij kubussen zelden optreedt.Worden alle proefresultaten volgens [1] en [5] verzameld met betrekking tot de explosievevormen van spatten dan ontstaat het beeld volgens figuur 7. Hierbij is onderscheid gemaakt.tussen het spatten gepaard gaande met'enkele grote stukken' en/of 'vele kleine stukken' en metvele kleine stukken alleen (verschijningsvormen a. en/of d. en d. alleen). Verder zijn de factorenbehorende tot groep I met uitzondering van de dikte als variabelen ingevoerd. De variatie in dedikte r van de beproefde elementen was te gering om enige invloed hiervan op het spatten tekunnen vaststellen (80 < r < 120 mm).5016Plaat na de brandproefr = 0,1 m; Ob = 0; fb = 44 N/mm2;'Ijl = 13 % (v/v)geen wapening en tweezijdige verhittingHet explosieve spatten met vele kleine stukjes (verschijningsvorm d.) treedt niet op voor eenlager vochtgehalte dan 7% (vN)' (het gemiddelde vochtgehalte in een doorsnede). Dit isongeacht de hoeveelheid wapening; de grootte van de drukspanning dan wel ??n of twee;zijdigeverhitting. Ten aan;zien van explosief spatten met 'enkele grote stukken' (verschijningsvorm a.)is een laag vochtgehalte (ij) < 7% (v/v? duidelijk gunstiger. Ondanks dat is het optreden van a.niet uitgesloten indien er wapening dan wel drukspanning aanwe;zig is. Dit in tegenstelling totverschijningsvorm'd'. Uit proeven [1] blijkt wel dat het verschijnsel a. zich dan nog slechtsincidenteel voordoet en beperkt van omvang is. Daarbij geldt dat bij groter wordende dikte r >200 mm het gevaar afneemt [4].Uit de gegeven analyse blijkt dat vooral bij dunne elementen een zo laag mogelijk vochtgehaltemoet worden nagestreefd. Hierop wordt in het vervolg nader ingegaan.Vochtgehalte van beton [1 en 6JHet vochtgehalte 'Ijl wordt gedefinieerd als het gemiddelde vochtgehalte over een 100rsnede opeen bepaald tijdstip. Het beginvochtgehalte van beton, 28 dagen na het storten varieertdoorgaans tussen de 10 en 15% (v/v). Door droging en doorgaande hydratatie zal ditvochtgehalte kunnen dalen. De tijd die verloopt voordat 'Ijl tot een zekere waarde, zeg 7% (vN)is afgenomen, hangt af van:? het klimaat (temperatuur en relatieve vochtigheid);? de betonsoort (pori?nstructuur);? de dikte;? het beginvochtgehalte; uit proeven blijkt dat de invloed hiervan gering is.Uit metingen in woon- en kantoorgebouwen met centrale verwarming blijkt dat voor het bepalenvan het vochtgehalte met de volgende twee gewogen klimaten kan worden gerekend:? 16?C/65% HV gedurende de eerste 2 jaar na het storten; hierbij is ervan uitgegaan dat hetgebouw 4,5 maand na het storten glasdicht is;? 20?C/55% RV of 25?C/40% RV in de periode na de eerste 2 jaar.In de uitdrukking % (v/v) betekent v/v:'volume/volume'Cement XXXI (1979) nr. 11De invloed van de soort beton op de droogsnelheid kan langs theoretische weg wordenbeschreven. De materiaaleigenschappen die hiermee samenhangen kunnen worden vast-gelegd met:? de hygroscopische curve; deze geeft aan welk evenwichtsvochtgehalte bij een bepaaldetemperatuur en relatieve vochtigheid zal worden bereikt;? het diffusieweerstandsgetal IJ.; dit geeft de verhouding aan tussen de waterdampsgeleidings"co?ffici?nt van lucht ?a en de ? van het beschouwde materiaal; de waterdampgeleidings-co?ffici?nt bepaalt het verband tussen de hoeveelheid damp die per tijdseenheid en peroppervlakte-eenheid dooreen laag van zekere dikte diffundeertbij een zekerdampdrukverschil.De invloed van de verschillende grootheden op het droogproces kan worden aangegeven methet getal van Boekwijt aangeduid als Bo dat luidt:(p' . ?a) tPtBo = = constant!!'r2 &'cpWaarinp' de verzadigingsdampspanningt de tijdPL de soortelijke massa van waterr de dikte'Ijl het evenwichtsvochtgehaltecp de relatieve luchtvochtigheidUit Bo blijkt dat? door een verdubbeling van het diffusieweerstandsgetal IJ. de droogtijdverdubbelt. Een verdubbeling van de dikte verviervoudigt de droogtijd. De factor p' ?a is bijpl15?c gelijk aan 0,33.10-9 m2/s. Deze factor verdubbelt bij een stijging van 10?C. De droogtijdverloopt dan tweemaal zo snel. De invloed van de factor : is niet eenvoudig af te schatten.Uit berekeningen (zie hierna) blijkt dat de droogtijd (en dus impliciet de factor*) in hoge matebepaald wordt door de vorm van de hygroscopische curve [6].Naastdeze kwalitatieve beschouwing kan het droogproces kwantitatief worden beschreven metbehulp van een differentiaalvergelijking. Tijdens het droogproces zullen de randvoorwaardenals temperatuur en relative vochtigheid zich steeds wijzigen. Maakt men geen gebruik vangewogen klimaten dan kan de differentiaalvergelijking worden opgelost met een elektrischanalogon. Het analogon is zo geconstrueerd dat het verband tussen een aantal elektrischegrootheden door een gelijksoortige differentiaalvergelijking als geldt voor het droogproceswordt beschreven. Door het proces in het electrisch model in de tijd te volgen, kan gegeven desteeds wisselende randvoorwaarden, het verloop van het droogproces worden berekend.Berekent men het droogproces met een werkelijk gemeten klimaat en met de eerder genoemdegewogen klimaten dan blijken de verschillen in het berekende vochtgehalte verwaarloosbaarklein [6].5027Gestileerd beeld van de resultaten volgens(1 en S] voor een dikte van r: 807'/.~ niet onderzocht maar toch veilig geachtIl)o=J geen proef resultatenCement XXXI (1979) nr. 11Omtrent het droogproces valt nu het volgende op te merken. Uit de uitgevoerde metingen blijktdat het hygroscopisch vochtgehaltebij 65% RV voor alle onderzochte betonsoorten gelegen istussen 5,5 tot 7,5 % (v/v). Zoals gezegd behoort bij de gewogen klimaten in gebouwen enrelatieve vochtigheid van 65 % of minder. Het hierbij behorende hygroscopisch of evenwichts-vochtgehalte komt praktisch gesproken overeen met een gemiddeld vochtgehalte waarbij dekans op explosieve vormen van spatten gering is (fig. 7). Uitgaande van de genoemde gewogenklimaten en een dikte van 220 mm blijkt uit metingen en berekeningen dat na 2 jaar hetgemiddelde vochtgehalte, afhankelijk van het toegepaste toeslagmateriaal zich tussen 7,5 en10% (v/v) kan bevinden.Voor afwijkende uitgangspunten zal de droogtijd worden be?nvloed overeenkomstig detendenzen zoals genoemd bij de bespreking van het getal van 'Boekwijt'. Hierbij wordt tenslottenog herinnerd aan de stelling dat voor een dikte r > 200 rnm de kans op spatten afneemt [4].Samenvatting en conclusiesZoals gezegd blijkt uit proeven dat spatten een grillige gebeurtenis is. Dit wordt veroorzaakt doorhet feit dat het al dan niet optreden afhangt van vele factoren die alle op zich of in combinatie inmeer of mindere mate aanwezig kunnen zijn. Dit heeft tot gevolg dat het resultaat van elkeempirische of theoretische beschouwing bij vertaling naar praktijkornstandigheden een be-paalde onzekerheid zal blijven bevatten. Over het algemeen mag echter gesteld worden dat vanalle factoren de grootte van hetvochtgehalte hetbelangrijkste is. Gebleken is datafhankelijk vande omstandigheden het vochtgehalte in woon- en kantoorgebouwen in een periode van 2 tot 5jaar na het storten beneden een kritische grens gedaald kan zijn. Explosief spatten met velekleine stukjes, bij voortduring optredend (verschijningsvorm d.)zal dan niet meer optreden. Dekans op het optreden van explosief spatten met enkele grote stukken (verschijningsvorm a.) zalnooit geheel kunnen worden weggenomen. Wel geldt dat naarmate de dikte groter wordt(r > '200 mm) de kans op ernstige vormen hiervan afneemt (ook bij tweezijdige verhitting).Verder geldt dat bij de beschouwingen is uitgegaan van een ontwikkeling van de omgevings-temperatuur volgens de standaardbrandkromme.Bij echte branden kan de opwarmsnelheid lager zijn dan overeenkomt met de standaardbrand.Dit door de aanwezigheid vaneen plafond of een afscherming van andere aard. Tevens geldtdataan een uitslaande brand vaak een aanloopfase voorafgaat. Door deze factoren zal hetaanwezige vocht minder snel opgesloten worden. Verder zal van alle br