DE4220274A1 - Gegen Abplatzungen bei Brandbeanspruchung beständiger Beton oder Mörtel - Google Patents
Gegen Abplatzungen bei Brandbeanspruchung beständiger Beton oder MörtelInfo
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Description
Betone nach DIN 1045 werden nach ihrer Rohdichte unter
schieden: Leichtbeton, Normalbeton und Schwerbeton. Die
se Betone werden im wesentlichen aus Bindemitteln - im
allgemeinen Zement nach DIN 1164 - Betonzuschlag gemäß
Anforderungen nach DIN 4226 (Teil 1 bis 3) und Wasser
hergestellt. Zusätzlich werden häufig Betonzusatzmittel
und Zusatzstoffe verwendet. Erstere ändern durch chemi
sche und/oder physikalische Wirkung Betoneigenschaften,
z. B. Erhärtung, Verarbeitbarkeit oder Erstarren. Zusatz
stoffe sind dagegen fein aufgeteilte Zusätze, die be
stimmte Betoneigenschaften beeinflussen und im Gegen
satz zu den Betonzusatzmitteln bei der Mischungsbe
rechnung als Volumenanteile zu berücksichtigen sind,
z. B. latent hydraulische Stoffe oder Körperfarben, die
auch organischen Ursprungs sein können.
Aus Beton hergestellte Bauteile und Bauwerke - Stahl
betonbauteile oder Spannbetonbauteile - müssen eine
Reihe von Anforderungen hinsichtlich Tragfähigkeit und
Standsicherheit erfüllen. Bei ihrer Bemessung und Her
stellung sind die einschlägigen Normen (u. a. DIN 1045
bzw. DIN 4227) sowie die Landesbauordnungen zu beach
ten.
Betonbauteile und Bauwerke müssen aber auch eine Reihe
von Anforderungen hinsichtlich des baulichen Brandschut
zes erfüllen. Maßgeblich hierfür sind ebenfalls die
Landesbauordnungen und insbesondere die DIN 4102.
Unter Brandbeanspruchung verliert der Beton an Festig
keit und die Bauteile versagen nach einer gewissen Be
anspruchungsdauer. Nach dem Beton-Brandschutz-Handbuch
von K. Kordina und C. Meyer-Ottens, Betonverlag GmbH,
Düsseldorf 1981, Seiten 152 bis 167, werden bei brand
beanspruchten Stahlbetonbauteilen insbesondere folgen
de Versagensarten unterschieden: Versagen der Zugzone,
Versagen durch Schub- oder Torsionsbruch, Versagen der
Druckzone, Versagen durch Überschreiten der zulässigen
Temperaturerhöhung auf der dem Feuer abgekehrten Seite
und Versagen durch Abplatzungen.
Bei Bauteilen aus hoch festen Betonen sind explosions
artige Abplatzungen bei Brandbeanspruchung nach den
bisherigen Erfahrungen der Praxis und der Materialprü
fung stets aufgetreten. Unter hochfesten Betonen ver
steht man solche, die hinsichtlich ihrer Festigkeit
über die in der DIN 1045 erfaßte höchste Festigkeits
klasse B 55 hinausgehen, z. B. einen B 85. Um die erfor
derliche hohe Festigkeit des Zementsteins zu erreichen,
werden hochfeste Betone mit einem sehr geringen Wasser/
Zement-Wert von im allgemeinen unter 0,40 hergestellt.
Solche Betone sind für Wasser und Wasserdampf undurch
lässig, d. h. sie trocknen unter normalen Umgebungsbe
dingungen nie vollständig aus. Wegen der vorhandenen
hohen Feuchtigkeit und des hohen Strömungswiderstands
für Wasserdampf entstehen bei Brandbeanspruchung im
Inneren des Betons zwangsläufig sehr hohe Drücke, was
schließlich zu explosiven Abplatzungen führt, insbe
sondere wenn der Beton gleichzeitig hohen mechanischen
Spannungen ausgesetzt ist.
Abplatzungen bei Brandbeanspruchung sind generell bei
Bauteilen beobachtet worden, deren Eigenfeuchtigkeit
und Dichtigkeit gewisse Grenzen überschreitet. Sie
treten auch bei Bauteilen aus Spritzbeton (gemäß DIN
18551), oder Schleuderbeton, Leichtbeton mit geschlos
senem Gefüge und Spritzmörtel auf.
Dadurch sind der Anwendung dieser Baumaterialien, ins
besondere der von hochfestem Beton, sehr enge Anwendungs
grenzen gesetzt, bzw. es sind aufwendige technische Maß
nahmen, wie beispielsweise eine äußere Netzbewehrung zur
Verhinderung des Abfallens der gelösten oder abgeplatz
ten Betonschale oder aufwendige Isolierungen gegen das
schnelle Eindringen von Hitze im Brandfall erforderlich.
Auch die Zugabe von Stahlfasern zur Erhöhung der Beton
zugfestigkeit brachte nicht den gewünschten Erfolg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Bauteilen
aus dichtem Beton oder Mörtel das destruktive Abplatzen
unter Brandbeanspruchung zu verhindern.
Das geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß solche Bau
teile aus dichtem Beton oder Mörtel, wie Konstruktions
beton nach DIN 1045, insbesondere hochfeste Betone, Kon
struktionsleichtbeton mit geschlossenem Gefüge, Spritz
beton, Schleuderbeton oder Spritzmörtel mit im wesent
lichen linearen Kapillaren von mindestens 50 nm Durch
messer und mindestens 5 mm Länge versehen werden. Vor
zugsweise haben diese Kapillaren kreisförmigen Quer
schnitt und Durchmesser von 100 nm bis 350 µm, insbe
sondere 10 bis 100 µm. Längen bis 35 mm, insbesondere
bis 20 mm, sind in der Regel ausreichend. Die Kapillaren
sollten etwa 0,05 bis 1 Vol.-%, vorzugsweise 0,1 bis
0,3 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Betons oder
Mörtels ausmachen.
Diese Mikroporen können ohne Beeinträchtigung der son
stigen gewünschten Eigenschaften des Betons oder Mörtels
im Laufe der Zeit, z. B. bei oder nach dem Aushärten des
Betons, ausgebildet werden oder auch erst unter den Be
dingungen der Brandbeanspruchung entstehen. Das kann mit
Fasern geschehen, die die Kapillaren durch Auflösen,
Erweichen, Zersetzen oder Schmelzen ausbilden und hin
sichtlich ihrer Gestalt, d. h. Durchmesser und Länge,
sowie der eingebrachten Menge den gewünschten Kapillaren
entsprechen. Die Fasern können anorganischer oder orga
nischer Natur sein. Sie brauchen nicht vollständig aus
ein- und demselben Material zu bestehen, sondern können
mit Vorteil für die Festigkeit des erzeugten Betons oder
Mörtels auch eine Kern-Mantel-Faser sein, deren Kern aus
einer Glas-, Metall- oder Kohlenstoffaser besteht. Bei
den Kernfasern handelt es sich in der Regel um Einzel
fasern. Sie besitzen eine Beschichtung (Mantel) aus dem
Material, das spätestens bei Brandbeanspruchung durch
Auflösen, Erweichen, Zersetzen oder Schmelzen entfernt
wird, so daß die Kapillare dann im Schnitt ringförmig
ist und etwa zentrisch noch die Kohlenstoff-, Metall-
oder Glasfaser enthält. Auch andere Querschnittsformen
sind für die Kapillaren und die Fasern möglich. Auch
in diesen Fällen, ebenso wie bei Kapillaren mit freiem
Querschnitt, kann im Brandfall das im Beton gespeicher
te, physikalisch gebundene und partiell auch chemisch
gebundene Wasser rechtzeitig ausströmen, so daß sich
kein Wasserdampfdruck ausbilden kann, der sonst zu den
bekannten Abplatzungen führt. Die bisher unüberwindlich
erscheinenden Anwendungsgrenzen für hochfesten Beton,
Leichtbeton, Spritzbeton oder Spritzmörtel werden
damit aufgehoben.
Eine anorganische Faser, die sich im Laufe der Zeit auf
löst, kann z. B. aus Glas geringer Laugenbeständigkeit,
z. B. der Laugenklasse 3 nach DIN 52322 bestehen, das von
der kalkalkalischen Porenflüssigkeit des Zementsteins
mit einem pH-Wert bis zu 12,6 angegriffen und aufgelöst
wird. Das Gleiche gilt für organische Fasern, insbesonde
re aus Polyestern, die unter diesen Bedingungen nach und
nach verseift werden. Derartige Gläser und Polymere kom
men sowohl für die Fasern selbst, als auch für den Mantel
der erwähnten Kern-Mantel-Fasern in Frage.
Organische Fasern, die die gewünschten Kapillaren im
Brandfall ausbilden können, bestehen aus einem Material,
das bei Temperaturen ab 100°C, insbesondere im Tempera
turbereich von 150 bis 300°C erweicht, schmilzt oder
zersetzt wird. Beispiele sind natürliche Fasern, wie
Wolle oder Seide, insbesondere deren Abfälle oder syn
thetische Fasern, vorzugsweise aus Polyamiden oder Poly
olefinen, wie Polyethylen oder Polypropylen. Auch der
Mantel von Kern-Mantel-Fasern kann aus diesen Materia
lien bestehen.
Für die Zwecke der Erfindung geeignete Fasern haben vor
zugsweise einen Durchmesser von 50 nm bis 350 µm, insbe
sondere 100 nm bis 100 µm und meistens 10 bis 100 µm.
Die Länge der Fasern beträgt vorteilhaft 5 bis 35 mm,
insbesondere 8 bis 20 mm. Der Gehalt der Fasern beträgt
etwa 0,5 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5 kg/m3 Beton, bzw.
0,05 bis 1, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 Vol.-%, bezogen auf
das Volumen des Betons.
Auch die bestimmungsgemäße Verwendung der beschriebenen
Betone oder Mörtel mit künstlich erzeugten oder erst bei
Brandbeanspruchung entstehenden Mikroporen zur Verhinde
rung des destruktiven Abplatzens im Brandfall, insbeson
dere über der Stahlbewehrung, ist Gegenstand dieser
Erfindung.
Aus Beton mit dem folgenden Mischungsaufbau
wurden 6 Probewürfel (15 × 15 × 15 cm) und 6 Probezylinder
(⌀15 cm, Länge 1 = 30 cm) sowie 3 Stützenabschnitte (1 m
lang, Querschnitt 25 × 25 cm, bewehrt mit 6 gleichmäßig
über den Querschnitt verteilten mit 2,5 cm überdeckten
Längsbewehrungseisen (⌀18 mm) und Bügeln (⌀8 mm, Bügel
abstand 15 cm)) hergestellt und geprüft. Das Gleiche ge
schah mit einer Vergleichsmischung mit gleicher Zusammen
setzung, jedoch ohne Polypropylenfasern.
Die Würfeldruckfestigkeit betrug bei beiden Betonmischun
gen bei normgemäßer Erhärtung nach siebentägiger Erhär
tung 79 N/mm2 und nach 28tägiger Erhärtung 105 N/mm2.
Die Zylinderdruckfestigkeit lag bei beiden Mischungen
knapp unter 100 N/mm2. Mithin handelt es sich bei beiden
Betonen um hochfeste Betone.
Bei Prüfungen der mit 50 N/mm2 belasteten Zylinder unter
brandähnlichen Bedingungen zeigten sich bei den Proben
der Vergleichsmischung destruktive Abplatzungen. Bei
den Betonproben, die unter Zugabe der Fasern hergestellt
waren, traten keine Abplatzungen auf. Diese Proben ver
sagten erst durch die bei Oberflächentemperaturen von
750°C erwartete Materialentfestigung.
Die Stützen wurden im Alter von 90 d (normgemäße Lage
rung bei 50% r. F. und 23°C) unter 100% der Lastaus
nutzung (bezogen auf den Gebrauchszustand) sowohl unter
zentrischer als auch unter exzentrischer Belastung
(e ≈ = d/4 = 6 cm) einer Brandbeanspruchung, gemäß der
Einheitstemperaturkurve nach DIN 4102, Teil 2, unter
worfen. Bei den Stützen aus dem Vergleichsbeton (ohne
Fasern) traten nach 20 min. destruktive Abplatzungen
über den Bewehrungen auf. Die exzentrisch belastete
Stütze kollabierte nach 30 min. (10 min. nach Auftre
ten der Abplatzungen). - Die Versuche mit den Stützen
aus Faserbeton wurden nach 185 min. abgebrochen. Damit
war für sie ohne Einschränkungen eine Einstufung in
die Feuerwiderstandsklasse F-180 A möglich.
Claims (21)
1. Gegen Abplatzungen bei Brandbeanspruchung beständi
ger Beton oder Mörtel, gekennzeichnet durch im
wesentlichen lineare Kapillaren von mindestens 50 nm
Durchmesser und mindestens 5 mm Länge.
2. Beton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er ein Konstruktionsbeton nach DIN 1045 ist.
3. Beton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er ein Spritz- oder Schleuderbeton ist.
4. Beton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er ein Leichtbeton mit geschlossenem Gefüge ist.
5. Mörtel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er ein Spritzmörtel ist.
6. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß er Fasern enthält, die
Kapillaren von mindestens 50 nm Durchmesser und
mindestens 5 mm Länge ausbilden können.
7. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern durch Auflö
sen, Erweichen, Zersetzen oder Schmelzen die Kapil
laren ausbilden.
8. Beton oder Mörtel nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Fasern nicht alkalibeständig sind.
9. Beton-oder Mörtel nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Fasern bei Temperaturen ab 100°C,
insbesondere im Temperaturbereich von 150 bis 300°Cc
erweichen, schmelzen oder zersetzt werden.
10. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern organische
Fasern sind.
11. Beton oder Mörtel nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die organischen Fasern aus Polyole
finen, Polyamiden oder Polyestern bestehen.
12. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kern-Mantel-
Fasern mit einem Kern aus nichtschmelzenden Einzel
fasern und einer Beschichtung sind, die durch Auflö
sen, Erweichen, Zersetzen oder Schmelzen entfernt
werden kann.
13. Beton oder Mörtel nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Beschichtung ab 100°C, insbeson
dere ab 200°C erweicht, schmilzt oder zersetzt wird.
14. Beton oder Mörtel nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kern der Faser eine Glas-,
Metall- oder Kohlenstoffaser ist.
15. Mörtel oder Beton nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durch
messer von 50 nm bis 350 µm haben.
16. Mörtel oder Beton nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von 100 nm
bis 100 µm haben.
17. Mörtel oder Beton nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von
10 bis 100 µm haben.
18. Mörtel oder Beton nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Länge von
5 bis 35 mm, insbesondere 8 bis 20 mm haben.
19. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
gekennzeichnet durch einen Gehalt der Fasern von
0,5 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5 kg/m3 Beton oder
Mörtel.
20. Beton oder Mörtel nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einer Kon
zentration von 0,05 bis 1, vorzugsweise 0,1 bis
0,3 Vol.-% des Betons oder Mörtels vorliegen.
21. Verwendung eines Betons oder Mörtels nach einem der
Ansprüche 1 bis 20 zur Verhinderung des destruktiven
Abplatzens bei Brandbeanspruchung, insbesondere
über der Bewehrung.
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