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The mechanical and microstructural properties of geopolymer concretes were assessed before, during and after high temperature exposure in order to better understand the engineering properties of the material. Fly ash based geopolymer concretes with either quartz aggregate or expanded clay aggregate were exposed to various temperatures up to 750 °C using a thermo-mechanical testing apparatus. Microstructural investigations were also undertaken to better understand the measured changes in the mechanical properties. It was found that dehydration of capillary water caused cracking and strength losses at temperatures ≤300 °C, an effect that was more severe in the quartz aggregate geopolymer due to its lower permeability. At higher temperatures (T ≥ 500 °C) sintering promoted strength increases which enabled both concrete types to yield significant strength advantages over conventional materials. Stress–mechanical strain curves, which form the basis of the fire design of concrete structures, are reported.
It has been shown in fire tests that polypropylene fibres reduce or avoid explosive spalling of high performance concrete. In the critical temperature ränge up to 300 °C the permeability of HPC increases by using polypropylene fibre. Due to this the water vapour, which is the main reason for explosive spalling, can escape. There exist different theories in the literature conceming the micro structural mechanisms, which cause an increase in the permeability. Within the framework of an internal research project at BAM an innovative methodology was developed for experimental verifying of existing theories and to get new insights into this problem The methodology used is unique and has been undertaken here for the first time. This consists of the combination of acoustic emission and ultrasonic measurement during temperature loading and the non-destructive micro structural analysis of cooled down samples with the aid of micro X-ray computed tomography. For the validation of the nondestructive test methods scanning electron microscopic images of prepared samples were undertaken. The results show that due to the thermal decomposition of the polypropylene fibres micro canals emerge. These are connected due to a simultaneous micro cack formation.
Although concrete in general is a non-combustible material, the fire resistance of concrete structures depends, to a large extent, on the mechanical material behaviour. Fire tests have shown that SCC is often susceptible to explosive spalling due to fire exposure, in a similar manner to HPC. But there are hardly any studies available that report properties of specimens at high temperatures.
This chapter report the most recent experimental results on mechanical behaviour at high temperature of high-performance concretes. After a short introduction, subsection 5.2 describes the main testing methods that were used in the analysed studies.
Sub-section 5.3 collects and compares; the temperature-dependency of the compressive strength and modulus of elastici1ty of many experimental studies. The influence of parameters such as the initial compressive strength, the type of aggregate, the presence of additions, the W/C ratio, the moishrre content and the way the mechanical test was performed is analysed. Sub-section 5.4 presents the experimental results obtained under a constant temperature, i.e. creep tests at high temperature.
Sub-section 5.5 presents experimental results obtained under increasing temperahrre.
These results allow assessing the free thennal strain of concrete (when no mechanical load is applied) and the so-called "transient the1mal strain". Finally, subsection 5.6 collects and analyses the few results conceming the temperature-dependency of the tensile strength of high-perfo1mance concretes.
Als umweltschonende Alternative zu portlandzementgebundenen
Betonen werden derzeit in der Betonindustrie und in der
Baustoffforschung Betone mit alkaliaktivierten Bindemitteln,
sog. Geopolymerbetone, intensiv erforscht. Die auf industriellen
Reststoffen wie Flugasche und Hüttensand basierenden anorganischen
Bindemittel weisen bei geeigneter Zusammensetzung
einen hohen Widerstand gegenüber aggressiven Salzlösungen
und Säuren auf. Als Grundlage für den rechnerischen
Nachweis der Tragfähigkeit von brandbeanspruchten Betonbauteilen
auf Basis von alkaliaktivierten Bindemitteln werden
deshalb an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(BAM) die mechanischen Hochtemperatureigenschaften
von flugaschebasierten Geopolymerbetonen systematisch
untersucht.
Die bis zu 750 °C erhitzten Probekörper mit quarzitischer
und leichter Gesteinskörnung zeigen einen Festigkeitsverlust
bis ca. 300 °C, der auf entwässerungsbedingte Mikrorissbildung
zurückgeführt werden kann. Bei weiter zunehmender
Temperatur steigt aufgrund von Sinterungsprozessen ab
ca. 500 °C die Festigkeit der untersuchten Geopolymerbetone
wieder an. Diese im Vergleich zu herkömmlichem Beton günstigere
Materialeigenschaft eröffnet potenziell auch Anwendungsmöglichkeiten
in brandschutztechnisch kritischen Infrastrukturbereichen.
Die Ergebnisse der thermomechanischen
Prüfungen werden für numerische Bauteilberechnungen als
temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen aufbereitet.
Die Bemessungsnorm für Stahlbeton- und Spannbetontragwerke DIN EN 1992-1-2 (EC 2-1-2) erlaubt die Anwendung von vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahren für den Tragfähigkeitsnachweis im Brandfall (Heißbemessung). Als Grundlage für die Heißbemessung werden für Normalbeton und für Hochfesten Beton temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen angegeben, mit denen der Festigkeits- und Steifigkeitsverlust von Beton bei zunehmender Temperatur berücksichtigt wird. Im vorliegenden Aufsatz wird herausgearbeitet, dass die aktuelle betontechnologische Entwicklung und die damit einhergehende Diversifizierung in der stofflichen Zusammensetzung neuartiger Betone bei der Heißbemessung berücksichtigt werden muss. Die in dem Beitrag zusammengestellten temperaturabhängigen Druckfestigkeiten neuartiger Betone verdeutlichen den Einfluss der stofflichen Zusammensetzung auf das Hochtemperaturverhalten von Beton.
Die Bemessungsnorm für Stahlbeton- und Spannbetontragwerke DIN EN 1992 (EC 2) erlaubt die Anwendung von vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahren für den Tragfähigkeitsnachweis im Brandfall (Heißbemessung). Als Grundlage für die Heißbemessung werden für Normalbeton und für Hochfesten Beton temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen angegeben, mit denen der Festigkeits- und Steifigkeitsverlust von Beton bei zunehmender Temperatur berücksichtigt wird. Im vorliegenden Aufsatz wird herausgearbeitet, dass die aktuelle betontechnologische Entwicklung und die damit einhergehende Diversifizierung in der stofflichen Zusammensetzung innovativer Betone bei der Heißbemessung berücksichtigt werden muss. Zum einen muss bei Verwendung von innovativen Betonen untersucht werden, ob bei Feuereinwirkung zerstörende Abplatzungen auftreten, die sich auf die Tragfähigkeit der untersuchten Tragstruktur auswirken. Zum anderen müssen die temperaturabhängigen Festigkeits- und Verformungseigenschaften innovativer Betone experimentell untersucht werden, da das Hochtemperaturverhalten von Beton vor allem von der stofflichen Zusammensetzung und weniger von der Kaltdruckfestigkeit abhängt.
The recommendation is based on the co-authors’ work organized by the RILEM TC 256-SPF “Spalling of concrete due to fire: testing and modelling”. It aims to provide useful information, guidance and best practices in fire spalling assessment to laboratories that perform large-scale tests based on fire resistance test standards. It provides guidance on the spalling observation techniques during testing, as well as post-test spalling quantification/assessment methods. This document is intended to be used in conjunction with the fire resistance test standards, e.g. EN 1363-1 and ISO 834-1.
Monitoring of fire damage processes in concrete by pore pressure and acoustic emission measurements
(2011)
This paper presents the combined use of acoustic emission (AE), gas pore pressure and temperature measurements (PT). The simultaneous application of both techniques represents a new methodology in the context of fire spalling and contributes to a better understanding of the mechanisms of fire spalling, particular with regard to the interaction of micro cracking and pore pressure evolution. The study presents fire tests on normal strength concrete specimens with and without reinforcement at ISO Standard fire and at hydrocarbon (HC) fire. Supported by AE-analysis, it can be shown that due to the higher heating rate of the HC-fire in comparison to the ISO Standard fire the damage processes inside the concrete during the exposure are increased combined with augmenting the concrete permeability. As a consequence lower pore pressures were measured. However, despite the lower pore pressures, explosive spalling was observed.
Spannbeton-Hohlplatten (engl.: hollow core slabs, HC-Platten) werden insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen als Deckensysteme im Hochbau eingesetzt. Bei einem 2007 aufgetretenen Brandereignis in einem Parkhaus in Rotterdam kam es zu einer teilweisen Ablösung des unteren Plattenspiegels. Dies hatte eine europaweite Diskussion zur brandschutztechnischen Bewertung dieser Bauart zur Folge. Mittlerweile liegen eine Vielzahl von gutachterlichen Stellungnahmen, Literaturauswertungen und auch jüngeren Forschungsarbeiten zum Brandverhalten von Konstruktionen aus Spannbeton-Hohlplatten vor. In den Untersuchungen wurde unter anderem das Tragverhalten von HC-Platten bei starrer Auflagerung, insbesondere hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, untersucht.
Ein weiterer bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung. Um zu untersuchen inwieweit die Tragfähigkeit der HC-Platten von der Querdehnungsbehinderung beeinflusst wird, wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Deckenfeldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit variierender seitlicher Zwängung durchgeführt. In der Praxis kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn beispielsweise eine sehr steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereiches vorliegt, z.B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Deckenfelder bei lokaler Brandbeanspruchung. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durchgeführten Brandversuche ausführlich beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt.
Anhand der an der BAM durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei einer Zunahme der seitlichen Zwängung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu und die Längsrissbildung abnimmt. Die unterschiedlich starke, thermisch bedingte horizontale Verformung der Plattenober- und -unterseite bewirkte aufgrund der Dehnungsbehinderung am Übergang zur seitlichen Zwängungskonstruktion eine Schubbeanspruchung in Plattenquerrichtung. Die Schubspannung wurde durch Horizontalrissbildung in den Plattenstegen abgebaut. Trotz der ausgeprägten Horizontalrissbildung kam es in den Brandversuchen nicht zu einer Ablösung des unteren Plattenspiegels. Ebenso zeigte sich kein negativer Einfluss der Horizontalrisse auf das Trag- und Verformungsverhalten der brandbeanspruchten Deckenkonstruktion. Die in den Brandversuchen erfassten thermischen und mechanischen Messwerte sowie die Ergebnisse aus Materialuntersuchungen stehen zukünftig als umfangreiche Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle zur Verfügung.