DE4220274A1 - Gegen Abplatzungen bei Brandbeanspruchung beständiger Beton oder Mörtel - Google Patents

Gegen Abplatzungen bei Brandbeanspruchung beständiger Beton oder Mörtel

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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.
Beispiel
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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