CC BY
14
Please cite as: BiTP Vol. 41 Issue 1, 2016, pp. 27-35 DOI: 10.12845/bitp.41.1.2016.3
dr inz. Bartosz Zegardlo1 st. kpt. dr inz. Pawel Ogrodnik2
Przyj^ty/Accepted/Принята: 30.06.2015; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 21.02.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 31.03.2016;
Analiza destrukcyjnego wplywu nas^czenia wod§ na parametry wytrzymalosciowe betonow poddanych warunkom pozarowym3
An Analysis of the Destructive Influence of Water Saturation on the Durability of Concrete Exposed to a Fire
Анализ деструктивного воздействия воды на параметры устойчивости бетона, который подвергается влиянию огня
ABSTRAKT
Cel: Celem artykulu bylo przedstawienie wynikow badan betonu skomponowanego z uzyciem odpadow ceramiki sanitarnej, jako kruszywa w aspekcie odpornosci na dzialanie wysokich temperatur. Znormalizowane probki betonowe zostaly poddane wstfpnemu nas^czeniu wod^ a nastfpnie wygrzane zgodnie z zalozonym rozkladem „temperatura-czas". Autorzy artykulu opieraj^c sif na wczesniejszych doswiadczeniach uzyskali beton o podwyzszonej odpornosci na warunki pozarowe jednoczesnie odporny na zjawisko eksplozyjnego odpryskiwania. Metody: Probki betonowe do badan wytrzymalosciowych zostaly zaprojektowane w oparciu o cement glinowy i kruszywo na bazie stluczki ceramicznej. Pierwsz^ seria probek poddano nas^czeniu poprzez calkowite zanurzenie w wodzie na okres 5 minut po wyjfciu poddano je wstfpnemu osuszeniu przez 10 minut. Probki drugiej serii przebywaly zanurzone calkowicie w wodzie przez okres 12 godzin a nastfpnie jak poprzednie zostaly wstfpnie osuszone. Tak przygotowane probki umieszczono w sredniotemperaturowy piec komorowy typu PK 1100/1 a nastfpnie rozpoczfto proces grzewczy zgodnie z zalozonym rozkladem „temperatura-czas" az do osiqgnifcia temperatury 1000°C. Badania wytrzymalosciowe probek prowadzono po 30 dniach od ich wygrzewania Wyniki: Uzyskane wyniki badan potwierdzily znacz^cy wplyw warunkow wilgotnosciowych w jakich przebywaly probki betonowe a nastfpnie oddzialywania wysokiej temperatury na ich wytrzymalosc. Beton porowaty zaprojektowany w oparciu o doswiadczenia projektowania betonow ogniotrwalych po poddaniu wygrzewaniu symuluj^cemu warunki pozarowe cechowal sif wytrzymalosci^ na sciskanie rzfdu 27 MPa. Ten sam beton po zanurzenie w wodzie na okres 5 minut a nastfpnie wygrzaniu uzyskal sredni^ wytrzymalosc 6,42 MPa. Natomiast beton poddany nas^czaniu przez okres 12 godzin posiadal sredni^ wytrzymalosc na sciskanie rown^ 5,79 MPa. Pomimo tego ze probki poddawane byly tym samym zabiegom wytworczym i pielfgnacyjnym z powodu ich niestandardowej porowatej struktury jak pokazalo wazenie wchlanialy rozne porcje wody. Przyczynf takiego stanu rzeczy upatruje sif w stosunkowo duzej nasi^kliwosci samego kruszywa ceramicznego. Jednoczesnie podczas wygrzewania do temperatury 1000°C we wszystkich przebadanych probkach nie zaobserwowano eksplozyjnego odpryskiwania betonu porowatego. Wnioski: Wyniki przeprowadzonych badan dowodzjk bardzo destrukcyjnym czynnikiem moze byc wilgotnosc dla betonu, ktory poddanyjest warunkom pozarowym. Jako przyczynf tej sytuacji upatruje sif zjawisko naruszania struktury kompozytu przez zawart^ w porach wodf, ktora zwifksza swoj^ objftosc podczas nagrzewania. Szczegolnym wnioskiem z przeprowadzonych badan jest fakt koniecznosci kazdorazowej oceny parametrow wytrzymalosciowych elementow betonowych ktore poddane byly oddzialywaniu pozaru. Elementy takie bowiem pomimo zachowania swoich cech zewnftrznych, spoistosci niezmiennej struktury i postaci mog^ posiadac znaczqco nizsze parametry wytrzymalosciowe co mozna jedynie okreslic podczas badan laboratoryjnych.
Slowa kluczowe: beton zaroodporny, temperatury pozarowe, ceramika sanitarna Typ artykulu: oryginalny artykul naukowy
ABSTRACT
Aim: The purpose of this paper is to present the results of a study involving concrete, containing sanitary ceramic waste as an aggregate, in context of resistance properties to high temperatures. Standardized concrete specimens were subjected to initial saturation with water and subsequently exposed to a heating process according to a predefined "temperature-time" schedule. Based on the previous experiments, the authors obtained a concrete with increased resistance to the effect of fire and, simultaneously, resistant to effects of thermal spalling. Methods: Concrete specimens used for strength studies were developed using alumina cement mixed with sanitary ceramics waste aggregate. The first batch of specimens were saturated by complete submersion in water for a period of 5 minutes. Subsequently, the removed specimens were dried for 10 minutes. A second batch of specimens was fully submerged for 12 hours, and similarly to the first batch, the specimens were dried. Next, the prepared specimens were placed in a PK 1100/1 type medium range temperature furnace. The heating process was initiated at
1 Uniwersytet Przyrodniczo-Humanistyczny w Siedlcach / Siedlce University of Natural Sciences and Humanities; e-mail: [email protected];
2 Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej w Warszawie / The Main School of Fire Service, Warsaw, Poland;
3 Autorzy wniesli rowny wklad merytoryczny w powstanie artykulu / The authors contriubuted equally to this article;
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
a predefined "temperature-time" schedule, until a temperature of 1000°C was achieved. Durability tests were performed 30 days after heating. Results: The derived test results verified the significant impact of moist conditions, in which concrete specimens were placed and secondly, the high temperature impact on the specimen durability. A porous concrete prepared based on the design experiences of refractory concrete after heating, which simulated fire conditions, was characterised by a compressive strength of 27 MPa. For the same concrete after submersion in water for 5 minutes and heating, the average strength value was 6.42 MPa. While for the concrete saturated for 12 hours the obtained compressive strength value was 5.79 MPa. Although specimens were subjected to the same manufacturing treatments and care, they absorbed different amounts of water. This was revealed by weighing and is attributable to their non-standard porous structure and significantly high absorption level of ceramic aggregate. The specimens were heated to 1000°C and no thermal spalling was observed for all tested specimens. Conclusions: Study results reveal the destructive impact that moisture can have on concrete, when exposed to the influence of fire. The cause of such a development is perceived to stem from the disturbance caused to the composite structure by the ingress of water, which increases in volume during the heating process. From a performed experiment it is evident that there is a need to conduct an evaluation of durability for all concrete elements, which are exposed to the influence of fire. Such elements, despite constancy associated with their external features, apparent invariable structure and form, in fact can have significantly lower durability parameters, which can only be revealed during laboratory tests.
Keywords: refractory concrete, fire temperatures, sanitary ceramics Type of article: original scientific article
АННОТАЦИЯ
Цель: Цель данной статьи - представить результаты исследований бетона, состоящего из отходов санитарной керамики с точки зрения устойчивости крошки к воздействию высоких температур. Стандартизированные бетонные образцы предварительно насыщались водой, а затем нагревались, в соответствии с заранее определенным распределением „температура-время". На основе предыдущих опытов авторы статьи получили бетон повышенной устойчивости к огню, в то же время, устойчивый к явлению взрывного откалывания. Методы: Образцы бетона для испытаний на прочность были разработаны на основе глиноземистого цемента и крошки из керамических отходов. Первая серия образцов была подвергнута замачиванию путем полного погружения в воду в течение 5 минут. После того они были предварительно осушены в течение 10 минут. Образцы второй серии оставались полностью погружены в воду в течение 12 часов, а затем, как и предыдущие, были предварительно высушены. Таким образом подготовленные образцы были помещены в среднетемпературную камерную печь типа РК 1100/1. Затем продолжался процесс нагревания в соответствии с установленным распределением „температура-время" до тех пор, пока температура не достигла 1000°С. Испытания прочности образцов проводились по истечении 30 дней после выгревания. Результаты: Полученные результаты подтвердили существенное влияние условий влажности, в которых оставались бетонные образцы, а затем высокой температуры на их прочность. Несмотря на это, образцы подвергались таким же процессам производства и обработки, в связи с их нестандартной пористой структурой, как показало их взвешивание, они поглощали неодинаковые порции воды. Причина этого состояния заключается в относительно высокой абсорбционной способности керамической крошки. В то же время в процессе нагревания до температуры 1000°С во всех опытных образцах не появилось явление взрывного откалывания.
Выводы: Результаты данного исследования показывают насколько разрушительными фактором для бетона, который подвергается влиянию пожара, может быть влажность. В качестве причины такого состояния рассматривается нарушение составной структуры из-за содержащейся в порах воды, объем которой увеличивается во время нагрева.
Из проведенного эксперимента следует, что каждый раз после возникновения воздействий пожара, необходимо оценить показатели прочности бетонных элементов. Это связано с тем, что такие элементы, несмотря на сохранение их всех внешних характеристик, неизменную монолитность структуры и формы, могут иметь значительно низкие показатели прочности, а это можно определить только в ходе лабораторных исследований.
Ключевые слова: жаростойкий бетон, пожарные температуры, санитарная керамика Вид статьи: оригинальная научная статья
1. Wstfp
Przenoszenie obci^zen przez materialy konstrukcyjne w warunkach wysokich temperatur to zagadnienie wnikliwie analizo-wane przez szereg zespolow badawczych. Doswiadczenia nauko-we obieraje dwa bliskie sobie kierunki. Z jednej strony poszukuje si§ materialow, ktore moge bezawaryjnie pracowac w srodowi-sku o stale zwi^kszonej temperaturze, z drugiej strony bada si§ zachowanie materialow, dla ktorych obci^zenie wysoke temperature stanowi jedynie sytuaj awaryjne (wyjetkowe). Na rynku betonow towarowych znajduje si§ szereg kompozytow spelnia-jecych pierwsze kryterium. Betony ogniotrwale i zaroodporne znajduje wiele zastosowan na przyklad jako obudowy piecow hutniczych, posadzki w odlewniach stali, elementy kominow czy piecow grzewczych. Kompozyty te, dzi^ki zastosowaniu w ich produkcji specjalnych skladnikow, moge pracowac bezawaryjnie w temperaturach si^gajecych nawet 1500°C. Pomimo tego, ze w przypadku pozarow zakres wyst^pujecych temperatur jest znaczenie nizszy, specyficzne warunki sprawiaje, ze wciez trad-no jest otrzymac kompozyty betonowe, ktore posiadalyby zdol-nosc do bezawaryjnej pracy pod tego typu obciezeniem.
Autorzy artykulu opierajec si§ na wczesniejszych doswiad-czeniach przedstawionych w pracach [1], [2], [3], uzyskali beton z dodatkiem recyklingowych kruszyw ceramicznych odporny na warunki pozarowe. Kompozyt ten cechowala niezmiennosc postaci oraz stosunkowo zadowalajece parametry wytrzyma-
losciowe po obci^zeniu temperaturami symulujecymi warunki pozaru. Artykul przedstawia wyniki kolejnych prób badawczych prowadzonych na wymienionym kompozycie. Zaprojektowany beton zostal poddany oddzialywaniu wysokich temperatur oraz wczesniejszemu procesowi nas^czania wode, co symulowalo na-turalne warunki dla betonów pracujecych w stale zawilgoconych obiektach takich jak piwnice lub tunele komunikacyjne. Wplyw nadmiernej wilgoci okazal si§ znacz^co niekorzystny. Wnioski z wyników eksperymentu moge stanowic wazne spostrzezenia zarówno w swietle bezpieczenstwa ekip ratowniczych, jak i póz-niejszej bezpiecznej eksploatacji obiektów, które w warunkach wilgotnych poddane zostaly dzialaniu pozaru.
2. Projektowanie betonów zaroodpornych i ogniotrwalych
2.1. Betony z cementu portlandzkiego
Podczas projektowania betonu odpornego na wysokie tem-peratury najwazniejszy jest odpowiedni dobór skladników. Dla spoiwa z cementu portlandzkiego maksymalna bezpieczna temperatura wynosi 250°C [4]. Betony pracujece w wyzszych temperaturach zalicza si§ do betonów specjalnych i uznaje si§, ze do ich otrzymywania cement portlandzki nie powinien byc sto-sowany. Rozróznia si§ betony zaroodporne - przeznaczone do
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
pracy w podwyzszonych temperaturach (wyzszych niz 250°C) i ogniotrwale - pracuj^ce w wysokich temperaturach (nawet 1000°C i wiçkszych). Nie istnieje scisla granica temperaturowa po-miçdzy zaroodpornosci^ a ogniotrwaloscrç betonow. Spotyka siç rozne wartosci takie jak 1000°C [4], 1200°C [5] lub nawet 1500°C.
Graniczna temperatura stosowania cementow portlandz-kich w wysokich temperaturach wynika z szeregu procesow zachodz^cych podczas wygrzewania. Stan ten reguluj^ na-stçpuj^ce zjawiska fizykochemiczne zachodz^ce podczas na-grzewania stwardnialego zaczynu [5-6]:
• w temperaturze ok. 100°C nastçpuje odparowanie wolnej wody,
• w temperaturze ok. 180°C nastçpuje usuniçcie wody zwi^zanej fizycznie (wysychanie zelow C-S-H),
• w temperaturze ok. 500°C w wyniku przejscia wodoro-tlenku wapnia, wchodz^cego w sklad utworzonej podczas wi^zania sieci krystalicznej w wolne wapno zdolne do samoczynnego powtornego wi^zania, zostaje usuniç-ta woda zwi^zana chemicznie (Ca(OH)2 CaO + H2O),
• w temperaturze 570°C nastçpuje przemiana (topnienie) kwarcu,
• w temperaturze 700°C nastçpuje rozklad wçglanu wapnia na tlenek wapnia i dwutlenek wçgla (CaCO3 CaO + CO2). Podczas wygrzewania zmienia siç wytrzymalosc betonu.
Jest to zwi^zane z opisanymi wyzej przemianami wody wolnej i zwi^zanej chemicznie oraz procesami zachodz^cymi pomiç-dzy zaczynem cementowym a kruszywem. Typowa j est utrata wytrzymalosci (o okolo 50%) postçpuj^ca do okolo 550oC, kiedy nastçpuje oddzielenie siç wody zwi^zanej chemicznie. Po osi^gniçciu tej temperatury wytrzymalosc betonu wzrasta
0 5-10% wraz z pojawieniem siç wi^zarï ceramicznych.
W odniesieniu do betonow zawieraj^cych w swym skla-dzie duze ilosci Ca(OH)2 procesem szczegolnie niekorzystnym jest usuniçcie wody zwi^zanej chemicznie. Pomimo tego, ze reakcja ta nie wywoluje bezposredniej destrukcji kompozytu, okazuje siç, ze w sposob szczegolny niekorzystna jest powtorna ekspozycja na wilgoc atmosferyczn^, ktora powoduje ponowne wi^zanie wody (CaO + H2O Ca(OH)2). Reakcji tej towarzy-szy wzrost objçtosci zwi^zkow wapnia o okolo 40%, co spra-wia, ze beton ulega znacznemu pçkaniu, trac^c swoj^ nosnosc
1 wytrzymalosc. Zjawiska te nie zachodz^ jednak bezposrednio w czasie wygrzewania, lecz z pewnym opoznieniem. Co wiçcej
Tabela 1. Zakresy temperaturowe zastosowarï kruszyw wykorzystywar Table 1. Temperature ranges of the applications of aggregates used for
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3 s^ dlugotrwale, a ich efekt widoczny jest po kilku tygodniach.
2.2. Betony z cementu glinowego
Bardziej odporne na wysokie temperatury niz cementy portlandzkie s^ tzw. cementy glinowe zawieraj^ce w swym skladzie znaczne ilosci tlenku glinu Al2O3. Eliminacja obec-nosci wodorotlenku wapnia - Ca(OH)2, ktorego glownym zrodlem s^ alit i belit oraz wymiana na wi^z^ce tlenki glinu sprawia, ze cementy glinowe nie ulegaj^ wymienionym de-strukcyjnym reakcjom zachodz^cym w wysokich temperaturach. Odpornosc tak przygotowanych betonow na dzialanie wysokich temperatur zalezy od zawartosci tlenku glinu. Przy-kladowo cementy wysokoglinowe o zawartosci 80% Al2O3 mog^ pracowac nawet w temperaturach wyzszych niz 1800°C.
2.3. Kruszywa do betonow odpornych na wysokie temperatury
Podczas projektowania betonow odpornych na wysokie temperatury rownie istotny jest odpowiedni dobor kruszywa. Odpor-nosc kruszywa na wysokie temperatury podobnie jak w przypad-ku spoiwa zalezy glownie od jego skladu chemicznego. Warunkuje to ten sam szereg procesow, ktory zachodzi w stwardnialym zaczy-nie cementowym. Zakresy temperaturowe zastosowarï roznych kruszyw oraz ich opis przedstawia tabela 1. Innymi czynnikami, ktore dyktj mozliwosc stosowania kruszyw do betonow odpornych na wysokie temperatury s^ ich cechy fizyczne. Wsrod nich wyroznic mozna np.: zmianç stanu skupienia pod wplywem wy-sokiej temperatury - np. topnienie (piaski kwarcowe), czy tez od-ksztalcalnosc termiczn^ kruszywa, a w szczegolnosci to, w jakim stopniu jest ona zblizona do odksztalcalnosci zaczynu wi^z^cego ziarna kruszywa. Wiçksza lub mniejsza odksztalcalnosc termiczna kruszywa niz zaczynu powoduje wewnçtrzne naprçzenia prowa-dz^ce do zniszczenia struktury betonu.
Pobocznymi wytycznymi odnosnie zastosowania kon-kretnego rodzaju kruszywa do betonu pracuj^cego w wyso-kiej temperaturze s^ cechy posrednie takie jak przewodnosc cieplna lub odpornosc na srodowiska agresywne. Dotyczy to np. ogniotrwalych betonow izolacyjnych wykorzystywanych jako wykladziny piecow i kominow przemyslowych. Czçsto ich pracy warunki wymagaj^ odpornosci na wysokie temperatury oraz agresywne chemicznie srodowisko.
i do betonu [4] concrete [4]
Kruszywo (Aggregate) Zastosowanie do temperatury [oC] (Application to temperature)[oC] Opis i wlasnosci (Description and properties)
Piasek (Sand) 350 W wyzszej temperaturze ulega topieniu (Melts at higher temperature)
Wapien (Limestone) 650 W wyzszej temperaturze trac^ swoje wlasciwosci (In higher temperature loses its properties)
Bazalty, Andezyt, Diabaz (Basalts, andesite, diabase) 800 W wyzszej temperaturze trac^ swoje wlasciwosci (In higher temperature loses its properties)
Spiekane gliny, zuzle, keramzyt (Sintered clay, slag, ceramsite) 1400 Stosowane do betonow izolacyjnych pracuj^cych w wysokich temperaturach (Applied for insulating concretes operating in high temperatures)
Szamot (Chamottebrick) 1400 Jedno z najczfsciej stosowanych kruszyw. Uzyskuje sif go przez wypalanie kaolinu lub innych glin ogniotrwalych. (One of the most commonly used aggregates. It is obtained by burning kaolin or other refractory clay)
Chromit (Chromite) 1900 Mineral z grupy tlenkow, zaliczany do grupy spineli chromowych (Mineral from oxides group, included in the group of chrome spinels)
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
Kruszywo (Aggregate) Zastosowanie do temperatury [oC] (Application to temperature)[oC] Opis i wlasnosci (Description and properties)
Korund (Corundum) 1950 Posiada duz^ wytrzymalosc mechaniczna oraz odpornosc na srodowisko agresywne chemicznie. Zawiera Al2O3 (Has a high mechanical strength and resistance to chemical aggressive conditions. Contains AlA)
Magnezyt spiekany (Singered magnesite) 2000 Posiada duzy wspolczynnik rozszerzalnosci cieplnej oraz przewodnosc cieplna (Has a high coefficient of thermal expansion)
Fosteryt (Forsterite) 2000 Uzyskiwany przez spieczenie fosterytu naturalnego (Obtained by sintering of natural forsterite)
Karbokorund (Karbokorund) Powyzej 2000 Uzyskiwany przez spiekanie piasku z koksem. Wysoka wytrzymalosc mechaniczna, wysoka odpornosc na srodowisko agresywne chemicznie. (Obtained by sintering of sand with coke. High mechanical resistance, high resistance to chemical aggressive conditions)
3. Odpady ceramiki sanitarnej jako kruszywa do betonu odpornego na wysokie temperatury
Jednym z priorytetowych kierunkow rozwoju nauki jest poszukiwanie sposobow utylizacji substancji odpadowych. Szczegolnie skomplikowanym zagadnieniem jest utylizacja odpadow, ktore nie podlegaj^ biodegradacji. Przykladem ta-kiego wyrobu s^ materialy ceramiczne. Ich rozklad naturalny szacuje si§ na okolo cztery tysi^ce lat. Stosunkowo nowym trendem w przypadku tego typu materii odpadowej jest jej wykorzystanie w przemysle betonowym [3], [7], [8-11].
Wczesniejsze prace autorow artykulu ukazuje proby podej-mowane w kierunku wtornego wykorzystania odpadowych wy-robow ceramiki sanitarnej, ktore uwzgl^dniaj^ specyficzne cechy tych kruszyw [1], [2], [3]. Jak wykazuj^ badania laboratoryjne kruszywo takie posiada szereg cech szczegolnych, ktore przewyz-szaje pod wieloma wzgl^dami kruszywa tradycyjne. Odksztalcal-nosc termiczna ceramiki sanitarnej jest bliska tej, jak^ wykazuje stwardnialy zaczyn cementowy. Ceramika jest znacznie bardziej odporna na czynniki agresywne, duze znaczenie odgrywj row-niez jej wysokie parametry wytrzymalosciowe. Analizuj^c sklad chemiczny wymienionych odpadow [2], stwierdzono natomiast, ze zawieraje znaczne ilosci zwi^zkow glinowych, podobnie jak wykorzystywany w betonach zaroodpornych cement glinowy. Podobn^ bliskosc chemiczny ceramiki sanitarnej oraz cementu
glinowego mozna zauwazyc w stosunkowo niskiej zawartosci tlenku wapnia. Powyzsze sklonilo autorow do zaprojektowania betonu zaroodpornego opartego na bazie cementu glinowego i kruszywa z odpadow ceramiki sanitarnej. Projektowanie skla-du betonu przedstawiono blizej w pracy [3]. Uzyskane wyniki badan pozwolily stwierdzic, ze beton na kruszywie ceramicznym i cemencie glinowym posiada bardzo wysokie parametry wytrzymalosciowe, ktore klasyfikuj^ go jako beton wysokowarto-sciowy. Srednia wytrzymalosc na sciskanie betonu na kruszywie ceramicznym wynosila 90,54 MPa, a na rozci^ganie 9,56 MPa.
4. Projektowanie betonu odpornego na warunki pozarowe
Pozytywne wyniki testow temperaturowych prowadzonych na kompozycie betonowym, ktorego sklad oparto o cement gli-nowy i recyklingowe kruszywo ceramiczne sklonily autorow artykulu do proby obci^zenia betonu warunkami symuluj^cy-mi pozar.
Podczas badan wstçpnych [12] probki betonowe obci^zo-ne zostaly temperaturami wzrastaj^cymi zgodnie z zalozonym rozkladem normowym „temperatura-czas" symuluj^cym wa-runki rzeczywistego pozaru. Podstawowym elementem stano-wiska badawczego byl piec komorowy typu PK1100/1. Rozklad temperatury w czasie badan zostal przedstawiony na rycinie 1.
CZAS [min]
Ryc. 1. Rozklad temperatury w komorze pieca w czasie badan wstfpnych [12] Fig. 1. Temperature distribution in furnace chamber during preliminary studies [12]
RESEARCH AND DEVELOPMENT ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
Procès grzewczy rozpoczçto od temperatury 20°C, nastçpnie po uruchomieniu pieca w czasie 120 minut komora osi^gniç-la temperaturç 1000°C, ktora byla utrzymywana przez kolejne 480 minut. Probki byly pozostawione w piecu przez kolejne 24 godziny az do ich ostygniçcia.
Probç do badan wstçpnych przygotowano w formie prostopa-dlosciennej o wymiarach 15x15x15 cm o skladzie odpowiadaj^-cym betonom zaroodpornym (jak podano w [3]). Jako probkç po-rownawcz^ przygotowano probkç tych samych rozmiarow z beto-nu na bazie odpadow ceramiki sanitarnej oraz cementu glinowego, przy czym zalozono, ze beton bçdzie porowaty tj. w jego przestrze-ni znajdowac siç bçd^ celowo wprowadzone pory powietrzne. Po rozformowaniu probki poddano j^ pielçgnacji wilgotnosciowej poprzez umieszczenie jej w szczelnie zamkniçtym opakowaniu foliowym z niewielk^ iloscrç wody, w ktorej probki zanurzone byly do 1/5 swojej wysokosci. Po 7 dniach probki wyjçto z opakowania. Probç przeprowadzono po 30 dniach od zaformowania - do tego
Please cite as: BiTP Vol. 41 Issue 1, 2016, pp. 27-35 D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
zawierala porow ulegla uszkodzeniu podczas badania na skutek zjawiska spallingu tj. termicznego odpryskiwania fragmentow betonu. Czçsci probki o wymiarach okolo 3x3x5 cm na skutek wzrostu objçtosci i prçznosci pary wodnej wewn^trz elementu oderwaly siç i wbily w okladzinç pieca na glçbokosc okolo 1 cm. Porowata probka porownawcza pozostala nienaruszona, zacho-wala ksztalt i spojnosc, jak^ wykazywala przed badaniem. Wynik tego doswiadczenia sklonil autorow do zaprojektowania betonu porowatego opartego na skladnikach wyzej przedstawionego betonu ogniotrwalego. Projektowanie przeprowadzono metod^ doswiadczaln^ - znanego zaczynu. Skladniki komponowanego betonu byly jednakowe jak w betonach prezentowanych w [3]. Sklad ziarnowy kruszywa wynikal z technologii pracy kruszarki, ktor^ wytwarzano kruszywo. Doswiadczalne proby dozowania zaczynu tak, aby nie wypelnial szczelnie przestrzeni pomiçdzy kruszywem doprowadzily do uzyskania receptury. Ostatecznie otrzymany sklad przedstawiono w tabeli 2.
Ryc. 2. Probki prostopadloscienne w komorze pieca
A) beton szczelny, B) beton porowaty [17] Fig. 2. Rectangular specimens in the furnace chamber A) dense concrete B) porous concrete [17]
czasu probki dojrzewaly nieosloniçte w warunkach normalnych w temperaturze 20°C. Probki umieszczone w piecu przed bada-niem przedstawiono na rycinie 2.
Po wlozeniu probek do pieca typu PK1100/1 przyst^piono do wygrzewania zgodnie z zalozonym rozkladem. Probki pozo-stawaly w piecu przez 240 min, w tym czasie po okolo 200 min nast^pilo eksplozyjne oderwanie kawalka probki szczelnej. Wy-buch byl na tyle silny, ze badanie przerwano. Z obserwacji probek po badaniu mozna bylo stwierdzic, ze szczelna probka, ktora nie
Z betonu o takich proporcjach przygotowano probki w formie walcow o srednicy 10 cm i wysokosci 20 cm - odpowiadaj^cych probkom normowym. Srednia gçstosc tak uzyskanego betonu po wysuszeniu do stalej masy wynosila ok. 1795 kg/m3. Czçsc probek poddano badaniom w temperaturze normalnej 20°C, pozostale natomiast zostaly wygrzane zgodnie z zalozonym rozkladem tem-peratura-czas identycznie jak podczas badan wstçpnych. Widok probek betonowych umieszczonych w piecu przedstawiono na ry-cinie 3.
Tabela 2. Sklad betonu odpornego na warunki pozarowe sporz^dzonego na bazie odpadowego kruszywa z ceramiki Tabela 2. Composition of fire resistant concrete based on ceramic waste aggregate
Skladnik (Component) Ilosc skladnika [kg/m3] (Component volume [kg/m3])
Cement glinowy (Alumina cement) 225,18
Kruszywo frakcji 0-4 mm (Aggregate fraction 0-4 mm) 1217,22
Kruszywo frakcji 4-8 mm (Aggregate fraction 4-8 mm) 486,89
Woda (Water) 142,22
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
Ryc. 3. Probki z betonu porowatego umieszczone w piecu PK1100/1 Fig. 3. Specimens of porous concrete placed inPK1100/1 furnace
Wyniki badan wytrzymalosci na sciskanie przedstawiono w tabeli 3. Pomimo spodziewanego spadku (o ok. 31%) wytrzymalosc probek porowatych po wygrzaniu zachowala siç na stosunkowo wysokim poziomie - okolo 27 MPa. Probki pomimo szybkiego wzrostu temperatur nie ulegly zjawisku spallingu, zachowaly ksztalt i spojnosc, a otrzymane po wy-grzewaniu wyniki wytrzymalosci na sciskanie odpowiadaly wartosciom betonow konstrukcyjnych.
5. Analiza wplywu zawilgocenia na parametry wytrzymalosciowe porowatego betonu odpornego na warunki pozarowe
Kolejna proba badawcza prowadzona na porowatym beto-nie miala na celu okreslenie wplywu nas^czenia wod^ betonu poddawanego oddzialywaniu pozaru. Do badan przygotowa-no probki z betonu porowatego, ktorego sklad przedstawiono w tabeli 3. Probki przygotowano w formie walca o srednicy 10 cm i wysokosci 20 cm. Plan eksperymentu zakladal nas^czenie probek betonowych wod^ w dwoch konfiguracjach. Probki serii pierwszej zanurzono calkowicie w wodzie na czas 5 minut, po czym pozostawiono na 10 min do wstçpnego osuszenia. Probki serii drugiej przebywaly calkowicie zanurzone w wodzie przez 12 godzin, po czym rowniez przed wlozeniem do pieca zostaly
wstçpnie czçsciowo osuszone przez 10 minut w celu ods^czenia wody znajduj^cej siç pomiçdzy porami.
Tak przygotowane probki umieszczono w piecu, a nastçpnie rozpoczynano proces grzewczy zgodnie z zalozonym rozkladem „temperatura-czas", ktory zostal przedstawiony na rycinie 1. Wyjç-te z pieca i studzone przez 24 godziny probki nie posiadaly wyraz-nych uszkodzen - jedynie na jednej zaobserwowano dosc wyraz-ne pçkniçcie, ktore jednak nie wplynçlo na zwiçzlosc calej probki. W czasie wygrzewania pomimo duzego zawilgocenia, w obydwu seriach nie wyst^pilo zjawisko termicznego odpryskiwania betonu (spallingu). Probki dziçki porowatej strukturze pozostaly zwarte. Badania wytrzymalosciowe probek prowadzono po 30 dniach od ich wygrzania. Do badan wykorzystano maszynç wytrzymalosciowe LaboTest 6.100SP.1-2-2300, ktorej oprzyrz^dowanie pozwolilo na okreslenie dla kazdej z probek parametrow takich jak: sila nisz-cz^ca, wytrzymalosc na sciskanie, a takze modul Younga. Ostatni parametr okreslany byl na podstawie elektronicznego pomiaru calkowitych odksztalcen probek sciskanych oraz ich przeliczenia przez zestaw steruj^cy. Ze wzglçdu na fakt dlugosci pomiarowej rownej calej dlugosci probki wyniki badania modulu sprçzystosci podano jako pogl^dowe i nie komentowano ich w szczegolowej analizie. Stanowisko badawcze do badan wytrzymalosciowych przedstawiono na rycinie 4. Wyniki pomiarow zamieszczono w tabeli 4 oraz na rycinie 5.
Tabela 3. Wyniki badan wytrzymalosciowych probek z betonu porowatego o wilgotnosci naturalnej z kruszywem ceramicznym po wygrzewaniu w warunkach pozarowych
Table 3. Strength test of porous concrete specimens in natural humidity with ceramic aggregate after heating in fire conditions
Numer prôbki/ Specimen's number Wytrzymalosc i-tej probki, [MPa] / Durability of i-specimen [MPa] Wytrzymalosc srednia, [MPa] / Average durability [MPa] Odchylenie standardowe, [MPa] / Standard deviation [MPa] Wskaznik zmiennosci [%]/ Variability rate [%]
Wytrzymalosc na sciskanie probki porowatej bez wygrzewania Compression strength of porous specimen without heating
1 38,85
2 40,12 39,92 0,97 2,4
3 40,76
Wytrzymalosc na sciskanie probki porowatej po wygrzewaniu Compression strength of porous specimen after heating
1 26,11
2 27,39 27,39 1,27 4,6
3 28,66
Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
Ryc. 4. Stanowisko do badan wytrzymalosciowych LaboTest 6.100SP.1-2-2300 A) widok stanowiska B) probka umieszczona na stanowisku Fig. 4. Research stand for strength studies LaboTest 6.100SP.1-2-2300 A) stand's view B) sample located in the stand
W swietle uzyskanych wynikow badan mozna stwier-dzic znacz^cy wplyw warunkow wilgotnosciowych, w jakich betony poddawane s^ oddzialywaniu pozaru. Beton zapro-jektowany w oparciu o doswiadczenia w projektowaniu be-tonow ogniotrwalych, przy zastosowaniu porow i poddaniu go obci^zeniom symuluj^cym warunki pozarowe, cechowal siç stosunkowo dobrymi parametrami wytrzymalosciowymi. Taki beton pod wplywem temperatur pozarowych i dojrze-niu w warunkach naturalnych cechowal siç wytrzymalosci^ na sciskanie rzçdu 27 MPa. Ten sam beton po zanurzeniu w wodzie, a nastçpnie wygrzaniu, posiadal znacznie nizsze parametry. Przy zanurzeniu na 5 minut jego srednia wytrzy-malosc po wygrzewaniu wynosila 6,42 MPa, natomiast po
zanurzeniu w wodzie na 12 godzin 5,79 MPa. Pomimo tego ze próbki poddawane byly tym samym zabiegom wytwór-czym i pielçgnacyjnym, z powodu ich niestandardowej po-rowatej struktury, jak pokazaly kolejne wazenia, wchlanialy rózne porcje wody. Przyczynç takiego stanu rzeczy upatruje siç w stosunkowo duzej nasi^kliwosci samego kruszywa ce-ramicznego oraz (pomimo intensywnego zagçszczania mie-szanki betonowej) róznej wielkosci powstalych porów. Wsku-tek nas^czania wod^ otwartych porów kruszywa, wszystkie próbki ulegaly róznemu zawilgoceniu. W tej przyczynie upatruje siç wyjasnienie stosunkowo wysokich wspólczynników zmiennosci dla przeprowadzonych prób.
Tabela 4. Wyniki badan wytrzymalosciowych probek z betonu porowatego z kruszywem ceramicznym po nawilgoceniu i wygrzewaniu symuluj^cym warunki pozarowe
Table 4. Strength results of studied specimens of porous concrete with ceramic aggregate after saturation and heating in simulated fire conditions
Numer prôbki (Specimen number) Waga po zawilgoceniu[kg] (Weight after saturation [kg]) Waga po wygrzaniu[kg] (Weight after heating [kg]) Sila niszcz^ca [kN] (Destructive force[kN]) Wytrzymalosc i-tej próbki, [MPa] (Strength of i-specimen, [MPa]) Modul i-tej próbki [MPa] (Modulus of i-specimen [MPa]) Wilgotnosc srednia [%] (Average humidity) [%] Wytrzymalosc srednia, [MPa] (Average strength, [MPa]) Odchylenie standardowe, [MPa] (Standard deviation, [MPa]) Wskaznik zmiennosci Wytrzymalosci [%] (Strength rate variability [%])
SERIA 1 - warunki sredniego zawilgoceni (SERIES 1 - medium level moisture conditions)
1 3,190 2,830 48,60 6,19 565,30 12,5% 6,42 MPa 1,19 MPa 18,48%
2 3,130 2,805 39,80 5,08 474,10
3 3,165 2,855 64,37 8,20 661,76
4 3,290 2,785 50,67 6,45 590,10
5 3,155 2,860 47,44 6,04 678,15
6 3,135 2,855 44,02 5,61 554,40
7 3,225 2,670 43,55 5,55 579,52
8 3,005 2,895 64,60 8,23 664,73
зз
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
Numer probki (Specimen number) Waga po zawilgoceniu[kg] (Weight after saturation [kg]) Waga po wygrzaniu[kg] (Weight after heating [kg]) Sila niszcz^ca [kN] (Destructive force[kN]) Wytrzymalose i-tej probki, [MPa] (Strength of i-specimen, [MPa]) Modul i-tej probki [MPa] (Modulus of i-specimen [MPa]) Wilgotnose srednia [%] (Average humidity) [%] Wytrzymalose srednia, [MPa] (Average strength, [MPa]) Odchylenie standardowe, [MPa] (Standard deviation, [MPa]) Wskaznik zmiennosci Wytrzymalosci [%] (Strength rate variability [%])
SERIA 2 - warunki silnego zawilgocenia (SERIES 2 - high moisture level conditions)
1 3,140 2,765 45,30 5,77 555,10 14,36% 5,79 MPa 1,05 MPa 18,22%
2 3,230 2,815 56,60 7,21 584,84
3 3,160 2,770 39,35 5,01 504,30
4 3,320 2,845 37,97 4,84 559,90
5 3,155 2,760 47,98 6,11 485,30
6 3,145 2,955 36,97 4,71 378,90
7 3,360 2,925 40,97 5,22 540,87
8 3,255 2,695 58,28 7,42 661,44
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
30
25
g 20
U 15 S £
10
27,39
6,42
5,79
naturalna (natural) 12,50%
Wilgotnosc [%] (humidity [%])
14,36%
Ryc. 5. Wyniki badan wytrzymalosciowych probek z betonu porowatego z kruszywem ceramicznym po nawilgoceniu i wygrzewaniu
symuluj^cym warunki pozarowe - schemat graficzny Fig. 5. Strength results for studied specimens of porous concrete with ceramic aggregate after saturation and heating simulating in fire
conditions - graphical view Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
6. Podsumowanie
Przedstawione wyniki badan dowodz^, jak destrukcyj-nym czynnikiem dla betonu poddanego warunkom wyso-kich temperatur odpowiadaj^cych pozarowi, moze bye jego wilgotnosc. Pomimo zaprojektowania betonu, dla ktorego w warunkach suchych obci^zenie temperaturami pozaro-wymi nie bylo destrukcyjne (wytrzymalose na sciskanie po wygrzewaniu symuluj^cym zjawisko pozarowe wynosila ok. 27 MPa) ten sam beton w warunkach duzego zawilgocenia po wygrzewaniu cechowal siç znacz^co nizszymi parame-trami (wytrzymalose na sciskanie ok. 6 MPa). Zawilgocenie kompozytu wynosz^ce ok. 13% spowodowalo spadek wytrzy-malosci materialu az o ok. 78%, pomimo poddawania probek
tym samym warunkom badawczym. Przyczyn^ takiej sytuacji jest zjawisko naruszania struktury samego kompozytu przez zawart^ w porach wod§, ktora zwi^ksza swoj^ obj^tosc pod-czas nagrzewania - niszcz^c struktur^ materialu w skali mi-kroskopijnej niewidocznej dla oka ludzkiego.
Zaprojektowany beton, w przeciwienstwie do betonow szczelnych, nie cechowal si§ termicznym odpryskiwaniem. Probki zarowno po wyj^ciu z pieca, jak i po 30 dniach w mo-mencie badania posiadaly zwart^ struktur^ oraz nie posiadaly innych cech, ktore pozwalalyby przypuszczac, ze nast^pil tak znaczny spadek parametrow wytrzymalosciowych. Szczegol-nym wi^c wnioskiem z przeprowadzonych badan jest fakt koniecznosci kazdorazowej oceny parametrow wytrzymalo-sciowych elementow obiektow betonowych, ktore poddane
5
0
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
byly dzialaniu pozaru. Elementy takie bowiem pomimo za-chowania swoich cech zewnçtrznych, spoistosci i niezmien-nej postaci mog^ posiadac zanizone parametry wytrzymalo-sciowe, ktore mozna jedynie okreslic podczas badan labora-toryjnych. Sytuacja ta w zwi^zku z zachodz^cymi procesami wodnymi nastçpuje juz podczas wrzenia wod kapilarnych tj. gdy temperatury siçgaj^ 100°C i wiçcej. Jesli procesy te i wzrosty temperatur nastçpuj^ w sposob szybki i gwaltowny, naruszenie struktury kompozytow nastçpuje juz w sytuacji pozarowej, co moze byc przyczyn^ znacznej utraty parame-trow wytrzymalosciowych podczas trwania pozaru. W takim przypadku, szczegolnie w odniesieniu do betonow zawilgo-conych, konstrukcje mog^ tracic swoje pierwotne zdolnosci do przenoszenia obci^zen, co nalezy brac rowniez pod uwagç w stosunku do bezpieczenstwa ekip prowadz^cych dzialania ratownicze.
Literatura
[1] Halicka A., Zegardlo B., Odpady ceramiki sanitarnej jako kruszywo do betonu, „Przegl^d Budowlany" Issues 7-8, 2011, pp. 50-55.
[2] Ogrodnik P., Zegardlo B., Halicka A., Wstçpna analiza mozliwosci zastosowania odpadów ceramiki sanitarnej w funkcji kruszywa do betonów pracujqcych w warunkach wysokich temperatur, BiTP Vol. 25 Issue 1, 2012, pp. 49-56.
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.3
[3] Halicka A., Ogrodnik P., Zegardlo B., Using ceramic sanitary ware waste as concrete aggregate, "Construction und Building Materials" Vol. 48, 2013, pp. 295-305.
[4] Jamrozy Z., Beton i jego technologie, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa 2006.
[5] Montgomery R., Advanced Concrete Technology, Elsevier 2006.
[6] Kowalski R., Mechanical properties of concrete subjected to high temperature, "Architecture Civil Engineering Environment" Issue 2, 2010, pp. 49-56.
[7] Niemiecka norma budowlana DIN 4163. Beton ze skruszonymi ceglami - specyfikacja produkcji i uzycia, 1951.
[8] De Brito A., Pereira J., Correia R., Oliviera C., Mechanical behavior of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates, "Cement and Concrete Composites" Vol. 27, 2005, pp. 429-433.
[9] Senthamarai RM., Devadas M., Manoharan P., Gobinath D., Concrete made from ceramic industry waste: Durability propertis, "Construction and Building Materials" Vol. 25, 2001, pp. 2413-2419.
[10] Lopez V., Llamas B., Juan A., Moran J., Eco-efficient Concretes: Impact of the Use of White Ceramic Powder on the Mechanical Properties of Concrete, "Biosystems Engineering" Vol. 96 Issue 4, 2007, pp. 559-564.
[11] Guerra I, Vivar I., Liamas B., Juan A., Moran J., Eco-efficient concretes: The effect of using recycled ceramic material from sanitary installations on the mechanical properties of concrete, "Waste management" Issue 29, 2009, 643-646.
[12] Ogrodnik P., Zegardlo B., Ekologiczne betony na kruszywach odpadowych w zagadnieniach bezpieczenstwa ekip ratowniczych w warunkach pozarowych, „Logistyka" Issue 4, 2014.
AAA
dr inz. Bartosz Zegardlo - absolwent Wydzialu Inzynierii L^dowej Politechniki Warszawskiej (kierunek: budownictwo). Do 2008 roku inzynier budownictwa pelni^cy funkcjç kierownika budowy oraz projektanta. W 2008 roku rozpocz^l pracç jako wy-kladowca. W 2012 roku uzyskal uprawnienia budowlane do kierowania robotami budowlanymi bez ograniczen, a w 2014 roku uprawnienia budowlane do projektowania bez ograniczen. W 2014 roku obronil rozprawç doktorsk^ pt. Zastosowanie odpadów ceramiki sanitarnej jako kruszywa do betonów specjalnych.
st. kpt. dr inz. Pawel Ogrodnik - absolwent Wydzialu Inzynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechniki Lubelskiej (kierunek: budownictwo). W 2001 roku rozpocz^l pracç w Zakladzie Mechaniki Stosowanej Szkoly Glównej Sluzby Pozarniczej. W 2006 roku obronil rozprawç doktorsk^ pt. Wptyw temperatur wystçpujqcych w czasiepozaru naprzyczepnoscpomiçdzy stalq a betonem.
