Transportprozesse im Beton bei hohen Temperaturen

Als Partner in der US-Europäischen Forschungsinitiative "High temperature effects on cement-based materials" (Koordinator: Prof. Willam, University of Colorado, Boulder) sollen im Rahmen des gegenständlichen Projektes an der TU Wien Transportprozesse und chemische Reaktionen im Beton unter hohen Temperaturen behandelt werden. Transportprozesse entstehen z.B. durch das Verdampfen des Kapillarwassers und des chemisch gebundenen Wassers. Falls die Permeabilität des Betons nicht ausreicht, um den entstehenden Wasserdampf an die Oberfläche zu führen, kann der Druckanstieg im Porenraum zu einer Überschreitung der Zugspannung im Beton und somit zu Abplatzungen führen. Derartige Abplatzungen wurden an zahlreichen Brandstellen in europäischen Tunneln (Montblanctunnel, Eurotunnel, Tauerntunnel, ). beobachtet. Die Tiefe der Abplatzungen reichte bis zu 50% der Dicke der Tunnelschale. Die Sanierung der Tunnel erwies sich deswegen als langwierig und schwierig. Zusätzlich zu den Sanierungskosten führte die Abnahme der Schalendicke um 50% und die direkte Beflammung der verbleibenden 50% zu einer wesentlichen Abminderung der Tunnelsicherheit. Diese Beobachtungen hatten eine rege Forschungsaktivität auf dem Gebiet der Brandbeständigkeit von Beton zur Folge. In Österreich wurde im Rahmen des Forschungsprojektes "Feuerbeständigkeit von Faser-, Stahl- und vorgespannter Beton" (Projektleiter: Prof. Kusterle, Universität Innsbruck) das Abplatzverhalten verschiedener Tunnelauskleidungsvarianten experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass mit einem Anstieg des Anteils der Polypropylene (PP) Fasern die Abplatztiefe reduziert werden konnte. So erreichte man durch Zugabe von 1.5 bzw. 3 kg PP-Fasern/m3 Beton eine Abnahme der Abplatzungen von 25 cm auf 5cm bzw. wenige Millimeter. Im Rahmen des gegenständlichen Forschungsprojektes soll die theoretische Basis für die Beschreibung von Transportprozessen und chemischen Reaktionen im Beton bei hohen Temperaturen geschaffen und an verschiedenen Betonen getestet werden. Zur Abschätzung der Permeabilitätseigenschaften von Beton soll ein Mehrskalenmodell entwickelt werden. Auf der Basis eines derartigen Modells können die Einflüsse chemischer Reaktionen auf das Transportverhalten (Permeabilität) auf der jeweiligen Betrachtungsebene berücksichtigt werden. Die für die Entwicklung erforderlichen Experimente sollen an den Laboratorien des Instituts für Festigkeitslehre (Vorstand: Prof. Mang) und des Instituts für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz (Vorstand: Prof. Schneider) durchgeführt werden. Diese Experimente umfassen die Bestimmung der Eigenschaften des Porenraums auf der Mikroebene (Differential-Thermal-Analysis, Thermogravimetrie, Quecksilberporosimeter) sowie makroskopische Versuche. Das gegenständliche Forschungsprojekt soll von den Erkenntnissen des Forschungsprojektes "Mehrskalenmodell für Beton unter thermochemomechanischer Belastung" (P15912) profitieren. Aufbauend auf dem zu ermittelnden Porendruck, der eine Funktion der Permeabilität und der Aufheizgeschwindigkeit ist, sollen mittels des im Forschungsprojekt P15912 zu entwickelnden Versagenskriteriums Aussagen über das Abplatzrisiko sowie die zu erwartende Abplatztiefe möglich werden. Die Komplexität der Beschreibung zementgebundener Materialien unter hohen Temperaturen als Konsequenz von Phasenumwandlungen (Verdampfen des Kapillarwassers und des chemisch-gebundenen Wassers), chemischen Reaktionen im Zement (Dehydratation) und den Aggregaten, sowie die Auswirkungen von Zusatzmitteln (PP- Fasern) veranlasste Prof. Willam ein Forschungsteam mit Forschern aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu formieren. Hierzu zählen Wissenschaftler aus dem Bereich der Materialwissenschaften, der Materialmodellierung und der Theoretischen und Numerischen Mechanik. Der Austausch von Ergebnissen der wissenschaftlichen Arbeit soll im Rahmen von Workshops und Forschungsaufenthalten erfolgen.

Die im Rahmen des FWF-Projekts "Transportprozesse im Beton bei hohen Temperaturen" gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse dienen als Grundlage für eine realitätsnahe Analyse der Sicherheit von Tragkonstruktionen aus Stahlbeton bei einem Brandereignis. Die Brandbelastung von Tragkonstruktionen aus Stahlbeton, ausgelöst durch Unfälle, Terrorattacken oder Militäroperationen, verursacht erheblichen Schaden an der Tragstruktur von kritischen Infrastrukturbauten, wie zum Beispiel Straßen- und Eisenbahntunnel, Brückentragwerken und unterirdischen Kommunikationseinrichtungen. Durch das bei erhöhten Temperaturen verdampfende Kapillarwasser kommt es im Beton zu hohem Porendruck, was im schlimmsten Fall zu explosionsartigen Abplatzungen der oberflächennahen, bereits thermisch geschädigten Schichten führen kann. Dadurch wird die Stabilität und Gebrauchstauglichkeit der Struktur massiv beeinträchtigt. Zahlreiche Brandversuche zeigten, dass das Abplatzrisiko von Beton durch die Zugabe von Polypropylenfasern erheblich gesenkt werden kann: ohne zusätzliche PP-Fasern platzten mehr als 50% des Querschnitts ab, durch die Zugabe von geringen Mengen an Fasern konnten die Abplatzungen nahezu auf null gesenkt werden. Dieses grundlegend verbesserte Abplatzverhalten von Faserbeton wird auf die erhöhte Durchlässigkeit des Materials zurückgeführt. Im Rahmen des FWF-Projekts "Transportprozesse im Beton bei hohen Temperaturen" wurden am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen Experimente zur Bestimmung der Durchlässigkeit sowie zur Erforschung der Veränderungen der Porenstruktur von temperaturbelastetem Beton durchgeführt. Der Einfluss der PP-Fasern auf die Durchlässigkeit des Betons konnte mit den erhaltenen Messergebnissen bestätigt werden. Die gemessenen Durchlässigkeiten dienten des Weiteren als Eingangsparameter für ein gekoppeltes Berechnungsmodell, das die im Beton unter Temperaturbelastung stattfindenden Prozesse modelliert. Das entwickelte Berechnungsmodell wurde durch Vergleich der erhaltenen Simulationsergebnisse mit Temperaturmessungen aus Brandversuchen validiert. Zusätzlich wurde die Tragsicherheit von Stahlbetonkonstruktionen unter Brandbelastung mit Hilfe eines am Institut entwickelten Strukturmodells erforscht. Hierbei wurde der Einfluss unterschiedlicher Abplatzszenarien und Brandkurven auf die Stabilität des Bauwerks untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse erlauben eine Abschätzung des Sicherheitsniveaus von bestehenden und neu zu errichtenden Stahlbetonstrukturen im Brandfall.