MASTEROPPGAVE Brannmotstand til betong tilsatt mikro polypropylenfiber. The Fire Resistance of Concrete with Polypropylene Fibers

Transkript

1 Institutt for konstruksjonsteknikk Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi NTNU- Norges teknisk- naturvitenskapelige universitet TILGJENGELIGHET Åpen MASTEROPPGAVE 2013 FAGOMRÅDE: Betong og brannbestandighet DATO: ANTALL SIDER: TITTEL: Brannmotstand til betong tilsatt mikro polypropylenfiber The Fire Resistance of Concrete with Polypropylene Fibers UTFØRT AV: Ann Kristin Fossan SAMMENDRAG: Det er blitt sett på hvilken effekt 2 kilogram per kubikkmeter mikro polypropylenfiber (PP-fiber) har på brannmotstanden til konstruksjonsbetong. I denne sammenheng er det blitt gjennomført følgende testserier; småskala branntesting av plateelement, prøving av trykkfasthet ved økte temperaturer og strukturanalyse av brannpåkjent betong. Plateelementene bestod av betong med og uten fiber, og hadde to fukttilstander; lufttørket eller vannmettet. Det ble sett på virkningen til tre typer PP-fiber med diameter 18, 25 og 32 mikrometer og lengde henholdsvis 6, 6 og 12 millimeter. Etter 30 minutt HC-kurve viste platetestingen at betong uten PP-fiber får avskalling og betong tilsatt fiber ikke får avskalling, uavhengig av hvilken fibertype som er anvendt. Det ble observert kraftigere avskalling for platene med høyt fuktinnhold enn for platene med lavt fuktinnhold. Trykkfastheten ble prøvet for betong uten fiber, samt for betong tilsatt fiber med diameter 18 mikrometer og lengde 6 millimeter. Betongen ble påkjent temperaturer opp mot 800 C. Forsøket viser at trykkfastheten til betong reduseres hurtig etter 300 C, og ved 800 C gjenstår kun 11 prosent av den opprinnelige fastheten. Av ukjente grunner hadde betongen med fiber vesentlig høyere trykkfasthet enn betongen uten fiber, men tilsetting av fiber så ikke ut til å ha noen effekt på fasthetsreduksjonen ved økte temperaturer. Strukturanalysen ble gjennomført med tynnslip tatt fra betong tilsatt fiber med diameter 18 mikrometer og lengde 6 millimeter. Mikroskoperingen viste at fibrene smelter eller fordamper mellom 105 og 300 C, slik at det dannes nye passasjer i betongen. Analysen viste ingen tegn til dannelse av heftsoner eller økt antall mikroriss rundt fibrene. FAGLÆRER: Terje Kanstad VEILEDER(E): Terje Kanstad (NTNU) og Claus Kenneth Larsen (Statens vegvesen) UTFØRT VED: Institutt for konstruksjonsteknikk

2

3 !"#"#$% Denne masteroppgaven er utarbeidet ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) våren 2013, og er en avsluttende del av det toårige masterprogrammet ved Bygg og miljøteknikk. Oppgaven utgjør en arbeidsbelastning på 30 studiepoeng og er skrevet i samarbeid med Statens vegvesen. Jeg vil med dette takke mine to veiledere; Terje Kanstad ved NTNU og Claus Kenneth Larsen ved Statens vegvesen, Vegdirektoratet, for god hjelp med oppgaveskrivingen og faglig dialog. Marit Haugen ved SINTEF Byggforsk fortjener en stor takk for utførelse og veiledning under strukturanalysen av tynnslipene. Jeg vil også takke Karen Klemetsrud ved Statens vegvesen, Vegdirektoratet, for hjelp med branntestingen av plateelementene. Det rettes også en takk til NTNUs laboratorium i Trondheim, Statens vegvesens sentrallaboratorium i Oslo, Sverre Smeplass ved Skanska og min kjære, gode samboer. Trondheim 8.juli 2013 Ann Kristin Fossan Masteroppgave 2013 i

4 ii Masteroppgave 2013

5 !"##$%&'"() Oppgaven har tatt for seg brannbestandighet av konstruksjonsbetong til bruk i tunnelkonstruksjoner. Tidligere forskning har vist at tilsetting av mikro polypropylenfiber (PP-fiber) i betongen bidrar til å forhindre eksplosiv avskalling [1, 2]. Det er likevel usikkerheter rundt effekten av PP-fibrene, og det er derfor blitt utført følgende testserier i denne masteroppgaven: småskala branntesting av plateelement, prøving av trykkfasthet ved økte temperaturer og strukturanalyse av brannpåkjent betong. Statens vegvesen spesifiserer bruk av én type PP-fiber for brannsikring av betong i tunneler, og dette er monofilamente fibre med diameter 18 mikrometer ( ) og lengde 6 millimeter (mm) [3]. For å se om andre typer PP-fiber kan være like effektive for å forhindre avskalling, ble det støpt ut seksten plateelement tilsatt tre ulike typer mikro PP- dosering 2 kilogram per kubikkmeter betong (kg/m 3 ) betong. Platene hadde i tillegg to ulike fukttilstander; lufttørket og vannmettet. Femten plateelement ble branntestet horisontalt i en pilotovn etter hydrokarbonkurven. Brannprøvingen viste at betong uten fiber hadde avskalling, mens betong med fiber ikke hadde avskalling. Avskalling ble dermed forhindret uavhengig av fibertype, og dette åpner for muligheten til bruk av andre fibertyper enn hva som er spesifisert av Statens vegvesen. Platetestingen viste også at betong med høyt fuktinnhold er mer utsatt for avskalling enn betong med lavt fuktinnhold, og dette bekrefter tidligere teorier rundt sammenhengen mellom fukt og avskalling [4]. Trykkfastheten til betong reduseres ved økte temperaturer. Det ble i denne sammenheng undersøkt om tilsetting av 2 kg/m 3 PP-fiber med diameter ha noen innvirkning på fasthetsreduksjonen sammenlignet med betong uten fiber. Fastheten til betongen ble målt ved temperaturer opp mot 800 C. Forsøket viste av trykkfastheten økte ved 105 C, før den hadde en hurtig reduksjon etter 300 C. Ved 800 C gjensto kun 11 prosent av den opprinnelige fastheten. Betongen med fiber hadde vesentlig høyere trykkfasthet enn betongen uten fiber, og forskjellen var større enn hva som er forventet. Årsaken til fasthetsforskjellen er ukjent, men det er lite trolig at det var tilsettingen av PP-fiber som utgjorde forskjellen. Fasthetsprøvingen viste imidlertid at betong med og uten fiber hadde omtrent identisk fasthetsreduksjon, og det ses derfor at tilsetting av PP-fiber har liten påvirkning på fasthetsendringen ved økte temperaturer. Ved vurdering av in-situ trykkfasthet ble betongen vurdert å ha for lav trykkfasthet ved temperaturer over 400 C. Dette vil være veiledende ved vurdering av hvor store deler av betongen som må erstattes etter en tunnelbrann. Strukturanalysen ble utført på tynnslip tatt fra konstruksjonsbetong tilsatt 2 kg/m 3 PPfiber med diameter 105 og 300 C, og at dette fører til dannelse av nye hulrom i betongen. Det ble ikke sett noen tegn til heftriss rundt fibrene, og det ble heller ikke observert et økt antall riss i nær omkrets rundt fibrene. På bakgrunn av dette er det sannsynlig å tro at PPfibrene forhindrer avskallingen ved å danne passasjer for vanndampen, slik at strekkspenningene i betongen reduseres. Resultatene av masteroppgaven viser at det er mange fordeler ved å benytte mikro PP-fiber til brannsikring av betong i tunneler. Optimal fibertype og fiberdosering er fremdeles ukjent, og det er behov for grundigere forståelse av fibrenes funksjon ved økte temperaturer for å komme fram til dette. Ytterligere forskning er anbefalt. Masteroppgave 2013 iii

6 !"#$%!&$' This thesis has dealt with the fire resistance of concrete used in tunnel constructions. Various studies have shown that adding micro polypropylene fibers (PP-fibers) to the concrete mix reduces the risk of explosive spalling [1, 2]. Some factors concerning the mechanism of the fibers are still unknown, and in relation to this the following three test trials have been conducted: testing of fire resistance of small-scale plate elements, evaluation of residual compressive strength of concrete at elevated temperatures and a structural analysis of concrete after fire loading. Statens vegvesen (the Norwegian Public Roads Administration) approve use of one type of PP-fibers in tunnel structures in Norway, and those are monofilament fibers with diameter 18 micrometers ( ) and length 6 millimeters (mm) [3]. To evaluate if other kinds of fibers could prevent spalling, sixteen plate elements containing three different types of PP-fibers were casted. The diameter of the tested fibers was 18, 25 and kilograms per cubic metre (kg/m 3 ) concrete. Additionally there was introduced two moisture contents for the test specimens; air-dried and saturated. Fifteen specimens were placed horizontally in a pilot oven and exposed for the hydrocarbon fire. The fire exposure caused spalling of the specimens without fibers, but no spalling was observed for the specimens containing fibers. The results indicate that the three types of fibers are equally effective at preventing spalling, and this opens the possibility of using other types of fibers than the ones approved by Statens vegvesen. Spalling was more extensive for the saturated specimens than for the air-dried specimens, which confirms earlier studies on the effect of moisture on spalling of concrete [4]. High temperatures cause a reduction of the concrete compressive strength. In this thesis it was researched if adding PP-fibers with diameter and a dosage of 2 kg/m 3 concrete would influence the compressive strength reduction. The compressive strengths were measured for temperatures up to 800 C. Up to 105 C the compressive strength increased, but after 300 C there was a great strength reduction. At 800 C the residual compressive strength was about 11 percent of the initial strength. The compressive strength of the specimens containing fibers was considerable higher than of the specimens without fibers. The cause of the strength difference is unknown, but it is unlikely that the addition of fibers increased the compressive strength. Concrete with and without fibers had an almost identical strength reduction, which indicates that the addition PP-fibers do not influence the compressive strength reduction at elevated temperatures. At temperatures over 400 C the in-situ compressive strength of the concrete was considered too low. This observation can be helpful after a tunnel fire, when it may be necessary to substitute the damaged concrete. A structural analysis was performed on concrete thin sections containing PP-fibers with diameter 2 kg/m 3 concrete. The analysis showed that the fibers melt or evaporate at temperatures between 105 and 300 C and leaves behind new cavities in the concrete. It was not observed any interfacial transition zones between the cement paste and the fibers, neither a specific concentration of cracks around the fibers. The structural analysis indicates that the fibers prevent spalling by creating additional passages for the steam to get transported out of the concrete, reducing the internal stresses and preventing spalling. The results of this thesis indicate that micro PP-fibers have advantageous effects on the fire resistance of concrete in tunnel structures. The optimized type and amount of fibers is still unknown, and additional research regarding the mechanism of the fibers is needed. iv Masteroppgave 2013

7 !""#$%&'($)*+,"+%'+- ($)$)&-...-/! '011+"&)0,-...-///! 02'*)03*-...-/4!!""#$%&'($)*+,"+%' ! *02+%%!'* //! (!,5)%!'* //! 6.!!""%+&"!",-...-6! 7.! %!**+)0*5)'*5&! ! "#$#! %&'()*&)+!&*&)+,-.&/!0&1!%/-))###########################################################################################!"! "#"#! -0+,-223)*!########################################################################################################################################!4!!"!"#"! $%&'())*+,&'(-.,/0*.01"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""12!!"!"!"! 3('-/0.01&/4156%*0'.01(%&'())*+,.+1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""12! "#5#! '/6,,7-+'8&'!0&1!9,'&!'&:.&/-';/&/!#################################################################################!<!!"7"#"! 8.-/9.1/,1-*9)*,.0.1:/0&'+*+,1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1;!!"7"!"! B40.,+*+,&:('-/0.01:/01&=)* ?)*'.1>C9D:/0>/)91"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1#A! #"#"#"! E+D&*-?1-0='':(&->.-1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1#!!!"7"F"! G&*''.0>.-1%.9146)*+,1(%1-0='':(&->.-1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1#7! 8.! 2)0""'!9)!",-0:-*5""+%+)-...6;! 5#$#! 8&)+3,'&)!:&1!=!+3,/&!';))&2&/!###########################################################################################!$>! 5#"#! 5#5#! :&'(1&/!7(/!%/-))%&+,6''&2+&!-0!%&'()*!3!';))&2&/!###############################################!$<! 5#>#!.(26./(.62&)73%&/!A..B73%&/C!##############################################################################################!$D! 7"F"#"! H%/09(+1:?+,.0.01IID:*J0.+.K1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!A! 7"F"!"! H%*)'.+19/&.0*+,1%*)1%L0.14.&-1/5-*4()K1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!!! ;.! 2)0""*+'*!",-0:-<%0*++%+1+"*-...7=! >#$#! %-,*/;))!7(/!7(/+9,+./(*/-::&'!####################################################################################!"4! >#"#! F"!"#"! M.-/+,0.&.5-1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!N! F"!"!"! O-P51/,1,./4.-0*1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!Q! F"!"7"! E+&-0?4.+-.0*+,1(% (-?0?-%*')*+,1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!;! F"!"F"! 3?'--*)&-(+91"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1!R! F"!"2"! G+9.0&P'-.1J.-/+,.,.+&'(5.01"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""17A! >#5#! %&+,/30&2+&!-0!'&+'(..+&''!(*!'&+'./(+&16/&!7(/!%/-))'&+'3)*!-0!.2-'&&2&:&)'!##############################################################################################################################################!5E! F"7"#"! M.&'0*%.)&.1(%1-.&-/%+1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""17#! F"7"!"! S*9D-.45.0(-?0'?0%.1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""17!! F"7"7"! S.&-4(-0*&.1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""177! F"7"F"! 30.4,(+,&4.-/9.1:/01J0(++-.&-*+,1(%15)(-..).4.+-1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""17F! F"7"2"! <.,*&-0.0*+,&50/&.9=0.1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""172! >#>#! F"F"#"! 3/-/,0(:*1(%15)( J0(++-.&-1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1FA! F"F"!"! 3?'-*++>/)91/,19.+&*-.-1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1F7! F"F"7"! S.45.0(-?01*1-.&-/%+1"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1FF! F"F"F"! S.04/.) &15)(&&.0*+,1""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1FN! F"F"2"! S.45.0(-?01*15)(-.01"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1FN! Masteroppgave 2013 v

8 Avskalling Riss Fargeforandringer EVALUERING AV RESULTATER Fukt og densitet Temperatur i testovn Graden av nøyaktighet ved måling av temperaturer i platene Temperatur i plater Estimert temperaturprofil for platene Avskalling Riss Fargeforandringer OPPSUMMERING PRØVING AV TRYKKFASTHET BAKGRUNN FOR FORSØKSPROGRAMMET BESKRIVELSE AV SYLINDRE Betongresept og støp Utboring av kjerner Saging og sliping av sylindre Undersøkte betongegenskaper BESKRIVELSE AV TESTOPPSETT OG TESTPROSEDYRE FOR OPPVARMING AV SYLINDRE Beskrivelse av ovn Tid- temperaturkurve Fremgangsmetode for oppvarming av sylindre BESKRIVELSE AV TESTOPPSETT OG TESTPROSEDYRE FOR PRØVING AV TRYKKFASTHET Trykkprøvingsmaskin Testmatrise Fremgangsmetode for trykkprøving av sylindre RESULTATER Temperatur i ovn Temperatur i sylindre Densitet Karakteristisk trykkfasthet In- situ trykkfasthet EVALUERING AV RESULTATER Temperatur i ovn Temperatur i sylindre Densitet Karakteristisk trykkfasthet In- situ trykkfasthet Vurdering av ulike omregningsfaktorer OPPSUMMERING STRUKTURANALYSE AV BRANNPÅKJENT BETONG BAKGRUNN FOR FORSØKSPROGRAMMET BESKRIVELSE AV TYNNSLIP RESULTATER EVALUERING AV RESULTATER OPPSUMMERING KONKLUSJON REFERANSER...86 VEDLEGG...91 vi Masteroppgave 2013

9 Masteroppgave 2013 )&*+,%&'!$( W./7-&'()()&!$-5.:4&41+, $0&:15&;7+4:L1+&"2&0$56$-"07-(&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8! W./7-&'()('&X6$:.;.44&2"-5$4"6":.0$0&:15&;7+4:L1+&"2&0$56$-"07-&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&A! 8 &((((((((((((((((((((&A! W./7-&'('()&[%%7:0-":L1+&"2&"2:4"%%.+/&/-7++$0&340$&0$56$-"07-$-&1/&61-$0-H44((&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&N! W./7-&8('()&W":0:$00$%:$&"2&07++$%4%"::$(&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&)F! W./7-&8('('&!.,Q0$56$-" $-&:15&#$+H00$:&2$,&#-"++,.5$+:L1+$-.+/&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&)S! W./7-&8(A('&U7%0.;.%"5$+0$&PPQ;.#-$(&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'@! W./7-&8(A(8&E$002$-4&"2& ::&-7+,0&PPQ;.#-$+$((&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&''! W./7-&8(A(A&R-"2&0.%&"+0"%%&;.#$-&;1-&"0&#$01+/$+&"447-"0&:4"%&2\-$&/L$++150-$+/$%./(&(((((((((((((((((((((((((((&'8! W./7-&A('()&X4.::$&"2&6%"0$$%$5$+0$+$:&70;1-5.+/&1/&,.5$+:L1+$-((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'F! W./7-&A('('&!15&;1-5&;1-&70:036.+/&"2&6%"0$$%$5$+0((&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'S! W./7-&A('(8&EH%./&:0360&#$01+/(&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'S! W./7-&A('(A&!$:06%"0$+$&:$00&;-"&12$-:.,$+(&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'<! W./7-&A('(C&X+.00&MQM&2.:$-&6%"::$-.+/$+&1/&+"2+:$00.+/$+&0.%&=2$-0&0$-51$%$5$+0&.&;1-=1%,&0.%& 6%"0$=3H,$+(&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&'<! W./7-&A('(F&P%"0$&+-(&'CQ)&6%"::$-0&6?&0$:012+$+((&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8@! W./7-&A(8('&R"+"%$-&"2&.%,;":0&:0$.+&;1-"+&/"::#%?:$-+$(&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8)! W./7-&A(8(8&!$:012+&;1-&6%"0$0$:0.+/&70$+&6%"0$$%$5$+0(&(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8'! W./7-&A(8(A&!$:012+&5$,&6%"0$&)SQ8&1/&+"2+:"00$&:.,$4"+0$-(&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8'! W./7-&A(8(C&!$56$-"07-$+&.&12+$+&:47%%$&:0H-$:&$00$-&>JQ47-2$+((&((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8'! W./7-&A(8(N&966:$00&;1-&"2:4"%%.+/:-$/.:0-$-.+/((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((&8C!

10 Masteroppgave 2013

11 !" #$$%&'$#$() Det er forsket mye innenfor temaet brann og tunnelsikkerhet. Tunnelkonstruksjoner har ofte hvelv av betongelementer eller sprøytebetong, og det er vist at betongens brannmotstand øker ved tilsetting av mikro polypropylenfiber (PP-fiber). Den eksakte mekanismen bak PP-fibrenes funksjon er ukjent, men faktorer som damptrykk og indre strekkspenninger antas å stå sentralt [2, 5]. Masteroppgaven har som mål å gi en oversikt over hvordan betong reagerer ved høye temperaturer og hvordan tilsetting av PP-fiber påvirker brannmotstanden. Vurderingen vil bli gjort basert på tre forsøksserier. Første del av oppgaven består av et litteraturstudie. Her gis det informasjon om generelle egenskaper til betong ved høye temperaturer, samt informasjon om tunnelbranner og konsekvensene av dette. Litteraturstudiet gir i tillegg et innblikk i ulike teorier rundt effekten av PP-fiber for brannbeskyttelse av betong. I andre del av oppgaven ses det på et småskala brannforsøk som ble utført i samarbeid med Statens vegvesen. Femten plateelement ble eksponert for hydrokarbonbrannen i 30 til 120 minutt, og forsøket hadde som mål å undersøke effekten av PP-fiber på betongens motstand mot avskalling. Statens vegvesen anbefaler i dag bruk av mikro PP-fiber med diameter 18 mikrometer ( ) og dosering 2 kilogram per kubikkmeter (kg/m 3 ). På bakgrunn av dette ble det sett på tre typer mikro PP-fiber; fiber med diameter 18, 25 og 32. Resultatene kan åpne for muligheten til bruk av andre typer fiber enn hva som er spesifisert av Statens vegvesen. Sammenhengen mellom fukt og avskalling vil også bli vurdert. Det ble utført en rekke fasthetsprøvinger for betong påkjent høye temperaturer, og disse forsøkene faller innen for del tre av oppgaven. Prøvingen skal gi et innblikk i hvordan fastheten til konstruksjonsbetong endres ved økte temperaturer. Det skal fokuseres på hvorvidt tilsetting av PP-fiber med diameter 18 og dosering 2 kg/m 3 betong har noen effekt på fastheten og fasthetsendringen, sammenlignet med tilsvarende betong uten fiber. Dette vil gi et innblikk i effekten av PP-fiber basert på betongens fasthetsvariasjon. SINTEF Byggforsk utførte en strukturanalyse av betong tilsatt PP-fiber med diameter 18 og dosering 2 kg/m 3 betong, og denne analysen definerer siste del av oppgaven. Strukturanalysen gir et innblikk i hvordan betongen og PP-fibrenes struktur endres ved økte temperaturer, og det åpnes for mulighet til å sammenligne med kjente teorier rundt PP-fibrenes funksjon. Masteroppgave

12 !" #$%%&'(%)'*%)+$&, Det er blitt utført et litteraturstudie med fokus på branner i tunneler og hvordan høye temperaturer påvirker betongens egenskaper. Spesielt fokus er lagt på de faktorene som er undersøkt i de aktuelle forsøkene som er omtalt i Kapittel 4, 5, og 6.!"-"./0123/24,/3/24567/8,9/:,;8622, Betong har to hovedproblemer ved brannutvikling og økte temperaturer; reduksjon av mekaniske egenskaper og avskalling. Reduksjonen av mekaniske egenskaper er avhengig av betongens materialegenskaper. I denne oppgaven tas det utgangspunkt i materialegenskapene gitt i Eurokode 2 [6]. Både termiske og mekaniske egenskaper vil bli omtalt i dette kapittelet. Avskalling beskrives mer detaljert i Kapittel 2.2, og reduksjon av trykkfasthet beskrives i Kapittel 2.3. Når betong oppvarmes, reduseres kapasiteten grunnet fysiske og kjemiske reaksjoner i betongblandingen. I Tabell er det listet opp en rekke temperaturintervall og hovedforandringene betongen går gjennom ved disse temperaturene. Tabell Endringer i betongen ved økte temperaturer Temperatur Konsekvens C Det frie vannet fordamper ved 100 C og betongens elastisitet reduseres med prosent [7]. Vanntapet kan føre til mikrosprekker og opp mot 10 prosent tap av trykkapasiteten [8]. Mellom 50 og 110 C dehydreres ettringitt (3CaOAl 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O) og det frigjøres 32 mol vann. Vannet fordamper og transporteres ut av betongen [9]. Styrketapet frem mot 250 C er i stor grad forårsaket av termisk inkompatibilitet mellom tilslaget og sementpastaen. Ved temperaturer over 40 C ekspanderer tilslagsmaterialene, mens sementpastaen trekker seg sammen. Dette fører til indre termiske spenninger og tap av heft i overgangssonen mellom tilslag og sementpasta [10] C Det frie vannet har fordampet og vannet som er kjemisk bundet starter å skille seg fra sementpastaen Ved 300 C starter dannelsen av mikroriss. Betong som er oppvarmet til mindre enn 300 C kan få tilbake opprinnelig kapasitet ved å reabsorbere fuktighet fra luften (rehydrering av betongen), men når mikrorissene er dannet er styrketapet permanent [11]. 300 C er ofte omtalt som punktet hvor betongens styrkereduksjon starter. Ved 300 C har betongen i henhold til Norsk Standard [6] mistet 5-15 prosent av sin opprinnelige trykkapasitet, avhengig av hvilket tilslag som er brukt. Når klinkermaterialene reagerer med vann (hydratiseringsprosessen), dannes det C-S-H-gel og kalsiumhydroksid. Ved temperaturer over 400 C spaltes kalsiumhydroksidet, og det dannes kalsiumoksid og vanndamp, som vist i Formel [12]. Videre hydratasjon av kalsiumoksidet vil skje etter spaltning. Under avkjøling og tilgang på fuktighet er denne prosessen ekspansiv og virker sprengende på betongen. Formel 2.1.1: 2 Masteroppgave 2013

13 C Betongens opprinnelige trykkapasitet er redusert med 50 til 75 prosent [8] C Kvart gjennomgår en min - -kvarts ved rundt 575 C. Dette fører blant annet til en volumøkning på omlag 5,7 prosent [13]. Ved temperaturer over 800 C går kalksteinen gjennom en dekarbonatisering hvor det dannes kalsiumoksid og karbondioksid, som vist i Formel [12]. Karbondioksidet unnslipper betongen i form av gass, men dersom gassen ikke får fri bane ut av betongen vil det bygges opp et innvendig trykk. Formel 2.1.2: Alt vannet er fordampet og det er ingen interaksjon mellom betongkomponentene. Betongen har mistet over 90 prosent av sin opprinnelige kapasitet C Betongen starter å smelte. Når betong oppvarmes, vil temperaturen gradvis endres gjennom tverrsnittet. Hastigheten på temperaturøkningen er avhengig av mange faktorer, hvorav den termiske konduktiviteten, den spesifikke varmekapasiteten og densiteten vil ha stor påvirkning. Temperaturprofilet vil også avhenge av andre faktorer, som for eksempel hvor mange sider som er brannpåkjent, elementets orientering og elementets form. Den termiske konduktiviteten for normaltemperert betong varierer mellom 1,4 og 2,0 W/m C, avhengig av betongens sammensetning. Betongens termiske konduktivitet minsker med økt temperatur, og ulikhetene mellom betongsammensetningene blir mindre viktige. Figur viser termisk konduktivitet som funksjon av temperatur. Figur Termisk konduktivitet som funksjon av temperatur. Figur: Gjengitt fra Eurokode 2 [6]. Betongens spesifikke varmekapasitet øker når temperaturen øker, som vist på Figur Kurven illustrerer spesifikk varmekapasitet for betong med et fuktinnhold på henholdsvis 3 vektprosent, 1,5 vektprosent og 0 vektprosent. Den bratte stigningen ved 100 C tar hensyn til at vannet fordamper under oppvarmingen. Masteroppgave

14 Figur Spesifikk varmekapasitet som funksjon av temperatur. Figur: Gjengitt fra Eurokode 2 [6]. Betongens densitet minsker etter hvert som temperaturen øker. Figur viser et eksempel på hvordan densiteten reduseres ved økt temperatur når det antas at densiteten ved 20 C er 2300 kg/m 3. Figur Densitet som funksjon av temperatur når densiteten ved 20 C er 2300 kg/m 3. Figur: Gjengitt fra Eurokode 2 [6]. Temperaturprofilet til betongen kan estimeres på flere ulike måter, blant annet ved bruk av differensialligninger. Det er viktig at differensialligningene utledes slik at de gjelder for det aktuelle tilfellet. Differensialligningene kan være enten èn-, to- eller tredimensjonale, avhengig av hvor nøyaktig beregningene må være. Ofte vil endimensjonale differensialligninger gi godt nok resultat. Temperaturprofilet kan også beregnes ved hjelp av beregningsprogram som DIANA og ANSYS. Dette er relativt avanserte regneverktøy, som tar hensyn til et vidt spekter av variabler. 4 Masteroppgave 2013

15 !"!" #$%&'(()*+, Når et betongelement blir oppvarmet, vil det være fare for at avskalling inntreffer. Avskalling innebærer at store eller små biter av betongen løsner og faller vekk fra elementet. Avskalling fører til at tverrsnittsdimensjonene til betongkonstruksjonen reduseres. I noen tilfeller kan avskallingen være så omfattende at tverrsnittet ikke lenger kan motstå de påkjente lastene. Avskalling kan også føre til blottlegging av armeringsjernene. Betongen fungerer som et isolerende og beskyttende lag i en brannsituasjon, og avskalling vil derfor føre til blottlegging og hurtig temperaturøkning i armeringsjernene. Armeringsstålets flytspenning reduseres drastisk ved høye temperaturer, og avskalling kan derfor føre til at armeringen mister sin bæreevne. Dersom det dannes hull og sprekker i betongkonstruksjonen grunnet avskalling, vil konstruksjonens integritet svekkes. Tynne betongkonstruksjoner er spesielt utsatt for dette [1].!"!"#" $%&'())*+,&'(-.,/0*.01 Avsk [14] [1]. De tre førstnevnte forekommer i de første tjue til tretti minutt av brannen, mens hjørneavskalling inntreffer etter tretti til seksti minutt. I flere studier er overflateavskallingen inkludert som en tidlig fase av eksplosiv avskalling, og vil derfor ikke bli omtalt videre her. Tilslagsavskalling forekommer tidlig i brannen og innebærer at små stykker brytes av overflatene. Denne avskallingen inntreffer hovedsakelig grunnet volumendring av tilslaget ved økte temperaturer, men fører sjeldent til store skader. Hjørneavskalling forekommer senere i brannforløpet, og fører til at store deler av hjørnene på søyler, bjelker og lignende konstruksjonsdeler brytes av. Branntemperaturen er relativt lav ved slutten av brannen, og blottlegging av armeringsjern vil derfor ikke være spesielt kritisk. Hjørneavskalling kan derimot være svært kritisk dersom den høye temperaturen vedvarer. Eksplosiv avskalling inntreffer også i starten av brannen, og kan ofte bli svært voldsom. Cather [8] angir at avskallingshastigheten kan være opp mot 3 millimeter per minutt for normalbetong og opp mot 8 millimeter per minutt for lettbetong. Risikoen for eksplosiv avskalling øker ved hurtig oppvarming, høye trykkspenninger og små tverrsnittsdimensjoner. Spesielt kan dette være kritisk i fersk betong med relativt høy fuktighet [15]. Eksplosiv avskalling er det mest kritiske for betongkonstruksjoner utsatt for brann, mens tilslags- og hjørneavskalling er mer lokalisert og har ofte mindre alvorlig konsekvens. Når det refereres til avskalling senere i dette kapittelet, menes det derfor eksplosiv avskalling. Dersom det er en annen avskallingskategori som omtales, nevnes dette spesifikt.!"!"!" 2('-/0.01&/3145%*0'.01(%&'())*+,.+1 Det er et velkjent faktum av avskalling inntreffer for betong ved høye temperaturer. Kritisk overflatetemperatur for avskalling ligger mellom 250 og 420 C, avhengig av oppvarmingsraten og betongens materialegenskaper [1]. Forsking gjort av Hertz [4] indikerer at avskalling som regel inntreffer rundt 374 C. Det er flere årsaker til at avskalling inntreffer, og det er uenigheter rundt hvilken faktor som har størst påvirkning. Hovedteorien er at avskalling inntreffer på grunn av Masteroppgave

16 økt poretrykk ved fukttransport gjennom betongen, men det fins også teorier som påstår at avskalling inntreffer ved høye termiske spenninger og ekspansjon av tilslagsmaterialene. Khoury [1] og Schroeder [9] har sammenfattet disse teoriene. Det er i tillegg flere faktorer som påvirker graden av avskalling, men som ikke kan forårsake avskalling alene. Alle disse teoriene og faktorene vil bli omtalt i de følgende avsnittene.!"#$%&&'()*)+,((-.*/$.* $$* All betong inneholder vann, både kjemisk bundet og fritt porevann, og fuktinnholdet i betongen er vurdert å være en av hovedårsakene til at avskalling inntreffer [8]. Figur illustrerer fukttransporten gjennom betongen og hvordan dette kan føre til avskalling. Figur Illustrasjon av avskalling grunnet økte temperaturer og poretrykk. Figur: Oversatt og gjengitt fra Zeiml med flere [2]. Ved høye temperaturer vil det skje en forflytning av fuktighet fra oppvarmet mot kald sone. Noe av vanndampen vil dry zone mens noe vil strømme innover mot betongens kjerne. Etter hvert vil den oppvarmede sonen bli tømt for fordampbart vann, og sonen tørker ut. I områder hvor temperaturen er mindre enn 100 C, vil vanndampen kondensere. Det eksisterende vannet i betongen vil på denne måten tilføres kondensert vanndamp, og dette fører til vannmetting av betongens porevolum. Det mettede laget danner en vegg, hvor Dersom vanndampen ikke finner passasjer i betongens porestruktur vil det oppstå en trykkøkning, og avskalling inntreffer når poretrykket og varmespenningene overstiger betongens strekkapasitet [2]. 6 Masteroppgave 2013

17 I en forsøksserie av Kalifa med flere [16] ble det konkludert med at poretrykket var hovedårsaken til at avskalling oppstod. Mindeguia med flere [17] fikk derimot motsatt resultater i en tilsvarende forsøksserie: treg temperaturøkning førte til et høy poretrykk og ingen avskalling, mens hurtig temperaturøkning førte til et lavt poretrykk og avskalling. Mindeguia konkluderte dermed med at økt poretrykk ikke kan være den eneste årsaken til avskalling av betong. Shorter og Harmathy [18] fastsatte at betong med et visst fuktighetsnivå vil være utsatt for avskalling, men at eksplosiv avskalling ikke vil inntreffe dersom fuktinnholdet er under et kritisk nivå. Det kritiske fuktinnholdet vil variere med betongtypen. I Norsk Standard [6] er det angitt at det er liten sannsynlighet for eksplosiv avskalling dersom fuktigheten i betongen er mindre enn 3 vektprosent. Er fuktigheten over 3 vektprosent, bør det foretas en vurdering av betongens fuktinnhold, tilslagsmateriale, permeabilitet og oppvarmingsrate. Forskning viser at det er liten sannsynlighet for at avskalling inntreffer dersom fuktinnholdet er mindre enn 4 vektprosent [4, 9].!"#$%&&'()*)+,((-.*.-+/'#$-*#0-(('()-+*1)*-$#0%(#21(*%"*.'&#&%)#/%.-+'%&-+* Den andre teorien dreier seg om at avskalling inntreffer på grunn av indre spenninger i betongen, både grunnet termiske spenninger og ekspansjon av tilslagsmaterialene. Termiske spenninger kommer av termiske gradienter. Disse øker ved asymmetrisk oppvarming, variabel tykkelse og innspente knutepunkt [4]. Temperaturgradientene skaper trykkspenninger nær den oppvarmede overflaten grunnet hindring av termisk utvidelse, samt strekkspenninger i den kaldere, indre kjernen. De indre spenningene i betongen vil øke dersom elementet er belastet eller oppvarmingshastigheten er høy. Khoury [1] oppgir at avskalling kan oppstå for tørr betong, om enn sjeldent, dersom betongen er påkjent tilstrekkelig store termiske og mekaniske laster. Tilslagmaterialene utvides under oppvarming og innfører strekkspenninger i betongen. Tilslag med stor størrelse vil derfor innføre større strekkspenninger enn småkornet tilslag. Tilslagets termiske ekspansjon vil også ha en sentral rolle. Eksempelvis ekspanderer kvarts mye mer enn kalk ved økte temperaturer [4]. Ønskede egenskaper for tilslag er dermed lav termisk ekspansjon (forbedrer termisk kompatibilitet med sementpastaen), grov og kantete overflate (forbedrer fysisk heft med pastaen) og tilstedeværelse av silisium (forbedrer kjemisk heft med pastaen). Flere forskere har oppgitt at avskalling oppstår hovedsakelig på grunn av ekspansjon av tilslagsmaterialer [9].!(3+-*4%$.1+-+*#1/*05"'+$-+*%"#$%&&'()-(* Permeabiliteten til betongen vil ha stor påvirkning på fukttransporten. Porøsiteten beskriver det totale antallet porer og porenes størrelse, og har derfor betydning for hvor mye vann betongen kan inneholde. Lav porøsitet tilsier en tett betong med få og små porer, og porene inneholder derfor en mindre mengde fordampbart vann. Ulempen med lav porøsitet er at vanndamp og gasser har vanskelig for å slippe ut fra betongen gjennom porestrukturen, og at dette bidrar til økning av poretrykket. Høyfast betong er ofte mer utsatt for avskalling enn normalbetong på grunn av høyere densitet og mindre fritt porevolum. Porene blir dermed fylt med vann mye raskere enn for normalbetong [19]. Forholdet mellom vann og sement (v/c-tallet) er tett knyttet opp mot porøsitet og permeabilitet. Et lavt v/c-tall vil si at betongblandingen inneholder mye sement. Sement inneholder kalsiumhydroksid, og dette spaltes ved om lag 400 C som vist i Formel Spaltingen fører til dannelse av vann, som igjen vil øke poretrykket i betongen. Et lavt v/c-tall betyr et større innhold av kalsiumhydroksid og et lavt v/c-tall er dermed ugunstig i denne sammenhengen. V/c-tallet vil også påvirke Masteroppgave

18 permeabiliteten til betongen, siden betong med høy v/c-tall ofte har høy porøsitet og permeabilitet. Et lavt v/c-tall tilsier derimot et lite prosentantall kapillærporer, og dermed dårligere mulighet for vanndamp og gasser til å slippe ut av betongen. V/ctallet kan eksempelvis reduseres ved bruk av slagg, flyveaske eller silikastøv [1]. Tilstedeværelse av armeringsjern vil også ha en påvirke avskalling. Høy armeringstetthet vil fører til større termisk ekspansjon enn lav armeringstetthet, og vil derfor innføre større strekkspenninger. Det kan derimot se ut som armeringen ikke påvirker avskallingen før overdekningen har blitt brutt vekk, samtidig som avskallingen har en tendens til å øke med økt overdekningstykkelse [8]. Innspente forbindelser vil hindre termisk ekspansjon. Dette vil introdusere ekstra tilleggslaster på konstruksjonen. Grunnet temperaturpåkjenning fra flere sider er ofte innspente hjørner ekstra utsatt for avskalling [4]. Hurtig oppvarming øker de indre spenningene i betongen og dermed også sannsynligheten for avskalling. Mindeguia [17] observerte at elementer med hurtig temperaturøkning fikk avskalling, mens elementer med treg temperaturøkning ikke fikk avskalling. Avskalling er spesielt kritisk når oppvarmingsraten er større enn 3 C per minutt [1]. Hertz [4] observerte eksplosiv avskalling for varmerater på så lite som 1 C per minutt, men dette var for betong med høy tetthet og vil ikke inntreffe for tradisjonell betong. Til sammenligning har en normal brann en oppvarmingsrate på C per minutt eller mer. Elementets lastsituasjon vil ha påvirkning på strekk- og trykkspenningene i tverrsnittet. Laster som nyttelast og permanent last, samt kreftene som medfører oppspenning av spennarmering, vil bidra til å øke trykkspenningene i den oppvarmede delen av betongen [1]. I følge Hertz [11] kan betong med påkjente trykkspenninger være opp mot 25 prosent sterkere enn en ubelastet betong, dersom de pålastede trykkspenningene tilsvarer mellom 25 og 30 prosent av den opprinnelige trykkfastheten.!"#" $%&''()*+,-+./-0.1' %)+4%-%. Det finnes ulike fremgangsmetoder for å måle trykkfastheten til betong, og tre av disse vil bli omtalt i Kapittel Her vil det også bli vist til tidligere forskningsprosjekt gjort på betongens trykkfasthet ved økte temperaturer. Trykkfastheten til betong kan måles ved å teste støpte prøvestykker eller utborede kjerner. I Kapittel 5 foretas det fasthetskontroll av utborede sylindere, og informasjonen i følgende kapittel vil derfor kun omhandle tilsvarende prøvestykker. I Kapittel gis det retningslinjer for hvordan trykkfastheten til en sylinder med annet høyde/diameter-forhold (h/d-forhold) enn 2,0 bør omregnes til ekvivalent trykkfasthet. For å fastsette den eksisterende trykkfastheten i konstruksjoner, må trykkfasthetene omregnes til in-situ trykkfastheter. Ved vurdering av de målte trykkfasthetene er det flere usikkerheter som spiller inn. Disse er oppsummert i Kapittel !"#"$" %&'()&*(+*',)-,+&.&*/(.012,2+* Det er flere ulike metoder for å måle betongens trykkfasthet ved økte temperaturer. I [20]. temperaturøkningen. Når prøvestykket når den ønskede temperaturen, blir lasten økt 8 Masteroppgave 2013