Brandwerend beton. 1 uur 2 uur 2 uur 1 uur 1 uur 2 uur 1 uur 1 uur tijd [min.]

Transcriptie

1 1 Vereiste brandwerendheid in tunnel 2 RWS brandkromme 3 Berekende temperatuurverdeling werend beton ing. B.P. Van den Bossche, BESIX Voor het project Overkapping A2 te Utrecht specificeerde Rijkswaterstaat maximale temperaturen in het beton en het wapeningstaal tijdens een brand. De invulling van deze eisen moest met brandproeven worden aangetoond. Tijdens de aanbesteding heeft de aannemerscombinatie BESIX-Duravermeer- GTI het idee over brandwerend beton ingebracht. Na gunning is gedurende negen maanden onderzoek op het beton uitgevoerd. Grote nagespannen elementen werden onderworpen aan brandproeven volgens de RWS-brandkromme. Na dit onderzoek werd het brandwerende beton succesvol op de bouwplaats toegepast. Dit artikel gaat over de betonsamenstelling, het beproevingsschema en de resultaten van het beton. De tunnel die ontstaat door de overkapping kan in twee klassen worden ingedeeld: de gebruikszone met één uur brandwerendheid en de veilige zone (noodgangen en technische gebouwen) twee uur (fig. 1). Beide klassen moeten beantwoorden aan de RWS brandkromme (fig. 2). Voor de brandwerendheid van één uur moet aan de volgende temperatuurseisen worden voldaan: voor de trekzone mag de wapening geen hogere temperatuur 1 uur 2 uur 2 uur 1 uur 1 uur 2 uur 1 uur 1 uur ,3,6,9,12,15,18,21,24 plaats [m] overgangsvlakken 6 min. 12 min. bereiken dan de normaal toelaatbare temperatuur die noodzakelijk is om de constructieve veiligheid te garanderen en het beton op 25 mm van de wapening mag niet warmer worden dan 38 C; voor de drukzone kan het beton dat warmer wordt dan 38 C niet in rekening worden gebracht. Interpretatie bij aanbesteding Het alternatief, het mengen van polypropyleenvezels (PP-vezels) in het beton om te beletten dat het explosief zou gaan spatten, werd geïntroduceerd door het BESIX Engineering Department. Over de haalbaarheid van dit alternatief werd besloten aan de hand van een literatuurstudie, met referentieprojecten in Noorwegen, Engeland en Australië. Van informatie van leveranciers en brandproeflaboratoria kon geen gebruik worden gemaakt, omdat deze door intellectueel eigendomsrecht is beschermd. De aannemerscombinatie nam als eerste het risico bij een tunnelproject in de Benelux brandwerend beton te gebruiken, hoewel er nog onvoldoende bekend was over juiste dosering en type PP-vezels en de verwerkbaarheid van het resulterend brandwerende beton. Tijdens het ontwerp werd een berekening gemaakt om de temperatuursverdeling in het beton te kunnen inschatten (fig. 3). Zo kon de minimale betondekking (met verscheidene opties, brandwerende beplating, PP-vezels, ) worden gespecificeerd. Aan de hand van deze informatie bleek het brandwerende beton (ondanks de grotere betondekking) economisch interessanter dan het gebruik van brandwerende bekleding. Voorbereidingen na contractondertekening Zodra het project was gegund, werd tegelijkertijd gestart met de 42 cement 8 4

2 4 Vezelbeton foto s 4 t.m. 6: Gerard Drost engineering en met een onderzoek naar de eigenschappen en mogelijke grondstoffen van het beton. Eerst werd een draaiboek opgesteld om alle stappen te bepalen die moesten worden genomen alvorens het beton kon worden toegepast. Dit Testplan of Betonprotocol werd in een vroeg stadium geaccepteerd door RWS. Om de betonmengsels tijdig klaar te hebben werd de volgende planning opgesteld: start voorbereiding beton: augustus 6; selectie leverancier(s): september 6; proefmengsels: september/oktober 6; proefstukken brandproeven: begin november 6; brandproeven: februari/maart 7; eerste stort: maart 7. Gezien de belangrijkheid van de brandwerendheid van het beton, werd de leverancier van de PPvezels eerder geselecteerd op basis van technische competentie dan op economische basis. PROPEX beschikte over de nodige ervaring en referenties. Geadviseerd werd 32 μm x 12 mm vezels te gebruiken in plaats van de gebruikelijke 18 μm x 6 mm vezels. Hoewel in theorie deze laatste vezel de meest doeltreffende zou moeten zijn, gaf de eerstgenoemde vezel voldoende resultaten qua spatten (zie later). En de voordelen met betrekking tot verwerkbaarheid en luchtgehalte waren veel groter, met als gevolg een kleinere dosering plastificeerder. Als granulaat werd besloten kalksteen te gebruiken. De voordelen zijn de lage bijkomende kosten en het beperken van de risico s. Het kalksteengranulaat laat een betonfabricage toe met een lagere E- modulus en een lagere thermische expansiecoëfficiënt (tabel 1). Omdat kalksteengranulaat bijna dezelfde eigenschappen bezit als de cementpasta, zal bij hoge temperaturen het spatten minder zijn. Proeven op het beton Mengselontwerp Het constructief ontwerp gaf twee betonkwaliteiten: grondplaten, muren: C28/35 XD3; dragend dek: C35/45 XD3. Het bestek gaf de mogelijkheid de water-cementfactor te verhogen tot,5 door het gebruik van CEM III/ Tabel 1 Verschillen tussen grind en kalksteen B. Als cement werd 42,5 N LHHS van ENCI gebruikt. De dosering aan PP-vezels werd ingeschat per soort op 1, 1,5, 2 en 3 kg/m³. Dit gaf acht mengsels die moesten worden opgemaakt en getest door leverancier Mebin. Proefmengsels De volgende proeven werden uitgevoerd tijdens de testprocedure: Vers beton: zetmaat en 6 ; schoktafel en 6 ; luchtgehalte; volumieke massa; watergehalte door verbranding; visueel: verwerkbaarheid en verpompbaarheid. Verhard beton: druksterkte op 3, 7, 28 dagen; splijttreksterkte op 3, 7, 28 dagen; waterindringingsproef; adiabatische temperatuursontwikkeling; ijkgrafiek rijpheid; volumieke massa. De twee eerste proefmengsels werkalksteen grind thermische expansiecoëfficiënt [1-6/ C] 8 12 E-modulus [N/mm²] cement

3 tafel conform EN waren betrouwbaarder en conform de specificaties en de NEN EN Verschillende hyperplastificeerders zijn gebruikt. Sommige gaven een verhoging van het luchtgehalte in het verse beton tot 3,6%. Bij toepassing van andere soorten lag het luchtgehalte tussen 1,5 en 2%. Conclusies uit deze proefmengsels: dosering en type plastificeerder zijn kritisch; extra filler moet worden toegevoegd om mengsel te stabiliseren; zetmaat is niet betrouwbaar; schokmaat moet tussen de 46 en 48 mm zijn; verwerkbaarheid langer dan 6 minuten; druksterkte is voldoende. 5 Prefab wapening voor proefstukken 6 Storten van proefstukken en verharde proefstukken (onder zeil) den aangemaakt volgens de vooropgestelde mengselberekening. Bij gebruik van de PP-vezels en hyperplastificeerders werd ontmenging vastgesteld. Met minder plastificeerders was het beton niet verwerkbaar. Dit probleem werd verholpen door de hoeveelheid fijn (< 25 μm) te verhogen door toevoeging van een filler. Een extra dosering van 2 kg/m³ kalksteenmeel gaf het beton voldoende stabiliteit en verwerkbaarheid (foto 4). De zetmaat conform EN gaf geen betrouwbaar resultaat. De vezels verbonden de korrels van de granulaten en beletten het beton te vloeien. De resultaten van de schok- proeven proefstukken De brandproeven die zijn uitgevoerd moesten voldoen aan de specificaties. Het doel van de proef was de meting van: temperatuur op 25 mm van wapeningsstaal; temperatuur in wapeningsstaal; spatgevoeligheid van beton. Dit laatste punt hangt af van verscheidene parameters, zoals de betonkwaliteit, de normaalkrachten in het beton en de wijze waarop de brandbelasting zal plaatshebben (wand-dak). Het is belangrijk dat de brandproeven een weerspiegeling geven van de werkelijke situatie. Zo moet een onderscheid worden gemaakt tussen het beton dat als wand wordt toegepast en dat in het dak wordt gebruikt. Ook de nabehandeling van de proefstukken, en het vochtgehalte ervan, zijn maatgevend voor het spatgedrag. Tot slot is de proef pas geslaagd als twee opeenvolgende brandproeven, met hetzelfde mengsel, conform de criteria zijn. Per betonmengsel werden twee proefstukken gemaakt. De betonmengsels met 1,5 kg/m³ aan PPvezels werden niet getest. Twaalf 44 cement 8 4

4 proefstukken werden aangemaakt: zes als wand en zes als dak. De proefstukken moesten zo groot mogelijk zijn om neveneffecten uit te sluiten (foto 5). Om praktische redenen zijn de proefstukken 2,5 m x 5 m gemaakt. De dikte die werd gekozen is die temperatuurtolerantie van de oven; temperatuurregistratie; analyse van de test; testrapport; video-opname. In totaal werden vijf brandproeven uitgevoerd: drie met dak proef- Resultaten van de brandproeven Een van de vijf proeven moest vroegtijdig worden onderbroken, omdat het spatten zo hevig was dat de constructieve veiligheid van de oven in gevaar kwam. Dit mengsel is dan ook niet geaccepteerd. 7 proef op dak fig. 7 t.m. 15: Efectis 8 proef op wand van de kleinste wand: 4 mm. Gaines werden ingestort om de naspanning in het proefstuk te kunnen brengen. Verschillende types afstandhouder werden ingestort om het spateffect ervan te onderzoeken. De proefstukken werden uitgerust met thermokoppels op 75 mm, mm en 125 mm diepte en dit op tien meetlocaties per plaat. Tevens werden enkele reserve thermokoppels ingestort. Op deze manier was het mogelijk de temperatuursdistributie in het proefstuk te bepalen, om zo te kunnen verifiëren of het voldoet aan de eisen. Na het storten (foto 6) en ontkisten werden de elementen gedurende drie maanden afgedekt met zeilen en opgeslagen op het terrein van Mebin in Utrecht. proef testen uitgevoerd bij Efectis Om elke discussie tussen RWS en de aannemerscombinatie te vermijden, werd een testprotocol opgesteld dat door de klant werd goedgekeurd. Dit document bevatte volgende eisen: vereisten van de oven; RWS temperatuurcurve; stukken en twee met wand proefstukken (foto 7 en 8). Tijdens de proeven werd de temperatuur continu gemeten en in real time weergegeven in het laboratorium. De video-opname was ook live te bekijken in het laboratorium, en naderhand samen met een chronometer op DVD gebrand. Voordat de brandproef werd uitgevoerd, werden de proefstukken minstens drie dagen in het (niet verwarmde) laboratorium opgeslagen. Dit om een relatieve vochtigheidsgraad in het beton te verkrijgen, vergelijkbaar met die in de tunnel. Tijdens deze periode werden de proefstukken opgespannen. Voor de dakelementen bedroeg de opspanning 14 N/mm², uitgevoerd met 11 Ø32 FeP123 naspanningstaven, opgespannen tot 88 kn per staaf. Deze staven werden excentrisch aangebracht om de excentrische krachten in de dakplaat te simuleren. Voor de wandelementen was 15,3 N/mm² nodig, uitgevoerd met 6 Ø32 FeP123 naspanningstaven, opgespannen tot 91 kn per staaf. Deze staven werden centraal aangebracht. De andere vier proeven gaven goede resultaten met betrekking tot spatten, en voldoende resultaten ten opzichte van de temperatuurseisen. Hieruit volgde de betondekking voor één uur en twee uur brandwerendheid. In de figuren 9 tot en met 14 worden de resultaten van de brandproeven voor het dak en de wand TK 5-1 TK 5-2 TK TK 5-1 TK 5-3 TK Evolutie temperatuur in de tijd, midden in dakproefstuk, op drie diepten (75, en 125 mm) 1 Evolutie temperatuur in de tijd, midden in wandelement, op drie diepten (75, en 125 mm) cement

5 breedte meetpunt I H G F E D C B spatdieptes in mm breedte meetpunt I H G F E D C B spatdieptes A A lengte meetpunt lengte meetpunt 11 Diepte van afregenen dakelement na afkoeling 12 Diepte van afregenen wandelement na afkoeling 13 Verwarmd oppervlak dakelement na afkoeling 14 Verwarmd oppervlak wandelement na afkoeling 15 Verhit oppervlak dakproefstuk met explosief spatten na afkoeling. De foto toont het resultaat van het spatten, met een maximale diepte tot 125 mm weergegeven (bron: Efectis). Om de betondekking te bepalen werd een statistische analyse gemaakt van alle resultaten van de vier geslaagde brandproeven. Voor een brand die zestig minuten zou duren is een dekking van 75 mm vereist ten opzichte van de temperatuursdistributie. Als men hierbij het afregenen van het beton telt, is de minimum vereiste dekking mm. Extra uitvoeringstolerantie werd door de aannemer toegevoegd. Diezelfde analyse werd uitgevoerd voor een 12 minuten durende brand. Hier wordt een dekking van mm vereist voor de temperatuursdistributie. Rekening houdend met het afregenen bedraagt de minimum vereiste dekking 125 mm. ook hier werd extra uitvoeringstolerantie door de aannemer toegevoegd. Geweigerde proef Zoals eerder gemeld, vertoonde één van de vijf proeven explosief spatten met als resultaat een hoge temperatuurstijging in het proefstuk (foto 15). De kans op bezwijken van het proefstuk was groot, waardoor de proef werd stopgezet na 35 minuten. Extra proeven Om de krimp van het massabeton van de overkapping te berekenen werden extra proeven uitgevoerd op het betonmengsel dat werd goedgekeurd tijdens de brandproeven. De kalksteengranulaten geven samen met de PP-vezels een gunstige E-modulus en gunstige lineaire expansiecoëfficiënt. Naast het gebruik van low heat cement, zijn de maatregelen die moeten worden genomen om thermische scheuren te voorkomen minimaal. De volgende proeven werden gedaan: krimpproef op jong beton; kruipproef op jong beton; E-modulus op jong beton en 28 dagen; adiabatische temperatuursontwikkeling; lineaire expansiecoëfficiënt 28 dagen. Tot slot Een tunnel bouwen met brandwerend beton en een opofferingslaag is mogelijk. Het gebruik van brandwerend beton heeft tal van voordelen. De integratie van de passieve brandbescherming in de constructie is goedkoper, minder gevoelig voor lekken, beter bestand tegen mechanische schade bij ongevallen. Tijdens de bouwtijd kan de stortcyclus met één dag worden ingekort; hierdoor wordt een weekcyclus gehaald waardoor het weekend kan worden gebruikt als verhardingstijd van het beton. PP-vezels hebben gunstige eigenschappen tegen vorst-dooiaantasting. Tot slot is het nog belangrijk te vermelden dat spatgedrag, en thermische geleiding van het beton afhankelijk zijn van de grondstoffen en de constructie waarin het wordt toegepast. Voor elk project moet de brandwerendheid worden onderzocht met de specifieke parameters van het project. Het resultaat van dit project kan dus noch worden veralgemeend noch gebruikt voor andere projecten. n Literatuur 1. Versuche zum verhalten von Tünnelinnenschalenbeton met Faserzusatz. Bautechnik 78, Neville, A.M., Properties of concrete Efectis, rapportnr. R347. Delft cement 8 4