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Titelaufnahme

Titel
Permeabilität von Beton unter kombinierter thermischer und mechanischer Belastung / Hans Lun
VerfasserLun, Hans
Begutachter / BegutachterinLackner, Roman ; Bergmeister, Konrad
Betreuer / BetreuerinLackner, Roman
Erschienen2015
Umfang150 S. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
Datum der AbgabeMärz 2015
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Beton / Permeabilität / Heißpermeabilität / Residualpermeabilität / Temperatur / Druckspannung / Experiment / Hohlraumbauten
Schlagwörter (EN)concrete / permeability / hot-permeabilität / residual-permeabilität / temperature / compressive stress / experiment / underground structures
Schlagwörter (GND)Beton / Permeabilität / Mechanische Beanspruchung / Thermische Belastung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-2407 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
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Permeabilität von Beton unter kombinierter thermischer und mechanischer Belastung [29.46 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Moderne Hohlraumbauten, wie Tunnels oder Tiefgaragen, welche üblicherweise in Stahlbeton hergestellt werden, sind aufgrund des behinderten Abtransports heißer Gase durch einen rasanten Temperaturanstieg bereits in den ersten Minuten eines Brandgeschehens gekennzeichnet. Diese Art der Temperaturbelastung führte in den letzten Jahrzehnten zu massiven Schäden an Tunnelstützkonstruktionen aus Stahlbeton, die neben der temperaturbedingten Dehydratation des Zementsteins auch durch das massive Abplatzen schollenförmiger Betonstücke an der beflammten Oberfläche gekennzeichnet waren. Letztere wurden in der Literatur durch das Auftreten thermischer Zwangsspannungen und/oder durch die Volumenzunahme im Zuge des Verdampfens des im Beton befindlichen Wassers erklärt.

Der nachweislich schädigenden Wirkung des Wasserdampfs kann durch eine Erhöhung der Durchlässigkeit des Betons entgegengewirkt werden. Diese Zunahme der Permeabilität wird in modernen Betonrezepturen für Hohlraumbauten über die Zugabe von Polypropylenfasern erzielt. Diese verdampfen bei Temperaturen über ca. 320C und hinterlassen damit das vorher von ihnen besetzte Volumen, worin sich der im Brandfall entstehende Wasserdampf ausbreiten kann. In diesem Sinne wurde die Durchlässigkeit (Permeabilität) als Schlüsselparameter für das Abplatzrisiko von Beton im Brandfall identifiziert.

In den letzten Jahren wurde in verschiedenen Arbeiten die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität von Beton untersucht. Hierfür wurden die Proben thermisch vorbelastet und der eigentliche Versuch vereinfacht bei Raumtemperatur und an mechanisch unbelasteten Proben durchgeführt. Eine auf diese Weise bestimmte Durchlässigkeit wird als Residualpermeabilität bezeichnet. Ziel der gegenständlichen Arbeit ist dagegen die Untersuchung der Permeabilität von Beton an thermisch und/oder mechanisch belasteten Versuchskörpern. Dies kommt den realen Belastungen der Tragkonstruktion in Hohlraumbauten im Brandfall wesentlich näher.

Zu diesem Zweck mussten folgende Aufgaben gelöst werden:

1. Entwicklung eines Messsystems für die Bestimmung der Permeabilität.

2. Entwicklung eines Versuchsapparates für thermisch belastete Proben im Temperaturbereich 20C bis 350C. Mit dieser Versuchsapparatur wurde die Permeabilität an Betonproben mit und ohne Polypropylenfasern bestimmt, womit der Einfluss der Faserzugabe auf die Durchlässigkeit des Betons untersucht wurde.

3. Erweiterung des Versuchsapparates zur Implementierung der mechanischen Belastung (P max =20MPa). Mit dieser Versuchsapparatur wurde die Permeabilität von Versuchskörpern in den Laststufen 5, 10 und 15MPa bestimmt, womit der Einfluss der kombinierten thermischen und mechanischen Belastung auf den Beton untersucht wurde.Die Versuche der ersten Versuchsapparatur an den Versuchsserien mit und ohne Polypropylenfasern zeigten, dass der vorab auf Gewichtskonstanz getrocknete Beton unabhängig von der Faserbeigabe ähnliche Durchlässigkeit besitzt. Von diesem Ausgangswert ausgehend steigt die Permeabilität von Beton ohne Fasern im untersuchten Temperaturbereich

im logarithmischen Maßstab linear an, wogegen die Permeabilität der Proben mit Fasern schon vor der Schmelze des Polypropylens sich leicht und nach der Schmelze deutlich davon abhebt. Unter der Berücksichtigung der Materialeigenschaften von Beton und Polypropylen kann die Änderung der Permeabilität dieser beiden Versuchsserien auf die Phasenänderung des Polypropylens im Temperaturbereich 110C bis 130C zurückgeführt werden. Dieser Phasensprung führt zu einem plötzlichen Volumenzuwachs des Polypropylens und resultiert in einem dichten Netz feiner Risse innerhalb der Betonmatrix. Sobald

das Polypropylen unter Temperaturzunahme verdampft, ist dieses Netz schlussendlich für die deutliche Zunahme der Permeabilität des mit PP-Fasern versetzten Betons verantwortlich.

Zudem zeigte sich, dass die Permeabilität heißer Proben in Abhängigkeit von der Materialschädigung deutlich über den Residualwerten derselben Proben liegen kann (bis zu 23%).

Dieses Ergebnis kann auf die Volumenausdehnung und dessen Einfluss auf die Poren- und Rissgröße eines Festkörpers unter Temperaturzunahme zurückgeführt werden.

Die Ergebnisse der Versuche der zweiten Versuchsapparatur an den mechanisch belasteten Proben zeigen, dass die Permeabilität von auf Gewichtskonstanz getrocknetem Beton mit zunehmender Last abnimmt. Unter steigender kombinierter Temperatur- und Druckbelastung reagiert der Beton dagegen mit lokaler Materialerweichung und vermehrter Rissbildung, welche sich entgegengesetzt auf die Permeabilität auswirken (Materialerweichung, Rissbildung).

Die Messergebnisse wurden zudem für die Evaluierung von in der Literatur vorgestellten Korrelationen zwischen den Versuchsparametern genutzt. Diese für verschiedene Materialien vorgestellten Beziehungen würden die Ermittlung der Permeabilität eines Betonfestkörpers wesentlich vereinfachen. Dabei musste festgestellt werden, dass der Großteil dieser Beziehungen nicht mit den Versuchsergebnissen dieser Arbeit korrelieren. Einzelne können zwar für die Abschätzung der Permeabilität angewendet werden; eine genaue Bestimmung dieser Größe können sie aber nicht ersetzen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die entwickelten Versuchsapparaturen neue Möglichkeiten zur Untersuchung von porösen Materialien bieten. Die damit erhaltenen Ergebnisse ermöglichen eine detailliertere Kenntnis über den Baustoff Beton, womit die Schädigung im Brandfall von Betontragwerken reduziert und die Sicherheit von Hohlraumbauten erhöht werden kann.

Zusammenfassung (Englisch)

Modern underground structures, such as tunnels or underground car parks, which are usually made of reinforced concrete, are characterized by a rapid temperature rise in the first minutes of burning. This type of temperature stress led in recent decades to massive damage to tunnel support structures made of reinforced concrete, which in addition to the temperature-induced dehydration of the cement paste relies in the severe spalling of scholl shaped concrete pieces on the surface exposed to the flame. The latter was explained in the literature by the occurrence of thermal stress and/or by the volume increase during the evaporation of the in concrete contained water.

The proven harmful effect of water vapor can be counteracted by increasing the permeability of concrete. The increase in permeability in concrete formulas may be achieved through the addition of polypropylene fibres. Those evaporate at temperatures above 320C, leave their previously occupied space and increase through this mechanism the permeability of concrete. In this sense, the permeability was identified as a key parameter for the spalling mechanism of concrete in case of fire.

In recent years, the temperature dependence of permeability of concrete was investigated in various works. In most studies, to simplify the experiment, the samples were thermally pre-stressed and afterwards the test was performed at room temperature on mechanically unstressed specimen.

Such a determined permeability is referred as residual permeability. However, the aim of this work is the study of the permeability of concrete subjected to thermal and/or mechanical load, which is much closer to the real load of the supporting structure made of concrete in case of fire. To achieve this goal, the following tasks had to be solved:

1. Development of an appropriate measurement system.

2. Development of an experimental apparatus for permeability measurements for thermally loaded samples in the temperature range of 20C to 350C. This experimental apparatus was used to study the influence of polypropylene fibres on the permeability of concrete.

3. Extension of the experimental apparatus for the implementation of the mechanical stress (P max =20MPa). This experimental apparatus was used to investigate the permeability of test specimens under the influence of temperature and mechanical stress (5, 10 and 15 MPa).

The results of the first experimental apparatus showed that the fibres have no significant influence on the permeability of the dried samples. From this starting value, the permeability of concrete without fibres increases on a logarithmic scale linearly through temperature influence, whereas the permeability of the samples with fibres slightly lift off before and rise significantly after the melting of polypropylene. Taking into account the material properties of concrete and polypropylene the differences within the permeability of these two test series can be returned to the phase change of the polypropylene, which lies between 110C and 130C. This phase shift leads to a sudden increase in volume of the polypropylene, which results in a dense network of fine cracks within the concrete matrix. As soon as the polypropylene liquefies, this network is ultimately responsible for the marked permeability of this type of concrete. These experiments showed in addition that the permeability of hot specimens can be significantly higher than the permeability of specimens cooled to room temperature (up to 23 %). This result was attributed to the temperature induced volume expansion, which influences the pore and crack size within the solid.

The results of the second experimental apparatus showed that the permeability decreases with increasing mechanical load. However, under combined temperature and pressure load the solid reacts with local material softening and increased cracking, which has opposite effects on the permeability of concrete (material softening , cracking ).

In addition, the measurement results of this work were used to evaluate different, in the literature proposed, correlations between the test parameters. These relationships, which where proposed for different materials, would substantially simplify the permeability measurement. It has to be noted that most of these relationships do not correlate with the experimental results of this work. Some of these correlations can be used to estimate the permeability of concrete, but can not replace exact measurements.

In summary it can be stated that the developed test apparatuses provide new opportunities for the study of porous materials. The obtained results allow a more detailed knowledge of concrete, whereby the safety of underground structures can be further increased.