C3-V2.3-I-a: Hochtemperaturbeanspruchung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title TP C3-V2.3-I-a: Materialverhalten von Carbonbeton unter Hochtemperaturbeanspruchung im Verbundvorhaben C3-V2.3: Brandverhalten von Carbonbeton | TP C3-V2.3-I-a: Material behaviour of carbon reinforced concrete exposed to high temperatures as part of the joint research project C3-V2.3: Fire behavior of carbon reinforced concrete Förderer | Funding Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Projektträger: FZ Jülich GmbH / C3 – Carbon Concrete Composite Zeitraum | Period 05.2017 – 09.2020 Leiter Teilvorhaben | Subproject manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter*in | Contributors Dipl.-Ing. Karoline Holz, Dr.-Ing. Daniel Ehlig, Dipl.-Ing. Olga Diring, Dipl.-Ing. Elisabeth Schütze, Dipl.-Ing. Ronghua Xu Projektpartner | Project Partners 4 Partner, davon 1 aus der Forschung und 3 Firmen |
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
CARBONBETON UNTER HOCHTEMPERATURBEANSPRUCHUNG
Versuchsaufbau für Dehnkörpertests unter Hochtemperaturbeanspruchung
Die bisher durchgeführten Hochtemperaturversuche an Carbonbetonstrukturen zeigten, dass bei höherer Temperatur oft ein Betonversagen durch Aufspalten in der Gelegeebene auftrat. Beispielsweise ist das Betonversagen bei den Zugversuchen der Materialkombination aus Bewehrungstextil solidian Q95 und hochfestem Beton C3-HF2-145-5 ab einer Temperatur von 400 °C zu beobachten. Die Zugfestigkeit bei 400 °C beträgt ca. 2000 MPa, was nahezu 70 % der Referenzwerte bei 20 °C entspricht und damit sehr zufriedenstellend ist. Zur Optimierung der Betone wurde ein bereits auf dem Markt verfügbarer kunststoffmodifizierter Reparaturmörtel StoCrete TG203 der Feuerwiderstandsklasse F90 gewählt und in Zug- und Verbundversuchen mit Epoxidharz- bzw. Acrylatgetränkten Textilien untersucht. Im Vergleich zu Normalbetonen weist der Mörtel Polypropylenfasern (PP-Fasern) auf, die sich bei Hochtemperatur rückstandslos zersetzen und dadurch ein poröses System erzeugen. Dadurch wird eine zerstörungsfreie Diffusion von Wasserdampf ermöglicht und in Folge können Betonabplatzungen verhindert werden. Allerdings wirkt sich die Zugabe von PP-Fasern negativ auf die Verarbeitbarkeit aus und setzt auch die Druckfestigkeit herab. Die Ergebnisse zeigten, dass Betonabplatzungen mithilfe des Mörtels zwar verhindert werden können, jedoch nicht das Aufspalten der Prüfkörper in der Gelegeebene.
Ein temperaturabhängiges Tragverhalten von textilbewehrtem Carbonbeton ist schon seit langem bekannt. Anhand zahlreicher Dehnkörper- und Verbundversuche mit Carbonbeton zeigt sich eine Abnahme sowohl der Zugfestigkeit als auch des Verbundflusses über die Temperatur. Allerdings sind nur wenige Kenntnisse über den Carbonstab vorhanden. Um mehr Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften von Carbonstäben zu gewinnen, wurden stationäre Dehnkörperversuche durchgeführt. Die begleitenden Auszugversuche zur Untersuchung der Verbundfestigkeit wurden seitens MFPA Leipzig GmbH vorgenommen. Als Bewehrung kam der Carbonstab Carbon4ReBar mit einem Kerndurchmesser von 8,5 mm der Firma thyssenkrupp zum Einsatz. Der für die Versuche verwendete Beton war ein Hochfestbeton, welcher im Vorhaben C3-V2.3 entwickelt wurde. Die Probekörper wurden in einem Betonalter von mehr als 56 Tagen getestet, um mögliche Betonabplatzungen während des Versuchs zu vermeiden. Aus den Ergebnissen der Versuche wird annähernd ein linearer Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Temperatur gebildet. Bei einer Temperatur von 300 °C werden nur ca. 45 % des Ausgangswertes erreicht.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
BRANDSCHUTZMASSNAHMEN ZUR ERHÖHUNG DER FEUERWIDERSTANDSDAUER
Temperaturberechnung für die Stahlbetonplatte mit einer 16 mm Verstärkungsschicht und der Brandschutzbeschichtung Sika ® Unitherm® Concrete S
Im Vorhaben C3-V2.3 des Projekts C3 – Carbon Concrete Composite wird angestrebt, das Materialverhalten von Carbonbeton unter Brand- und Hochtemperaturbeanspruchung und die Feuerwiderstandsdauer eines mit Carbonbeton bewehrten Bauteils zu ermitteln. Die Analyse der gemessenen Materialkennwerte von Carbonbeton zeigte, dass die Zugfestigkeit und Verbundfestigkeit mit steigender Temperatur schnell abnehmen, weil die Tränkung der Carbonfasern beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur stark erweicht. Ab einer Temperatur von ca. 600 °C verliert die Carbonbewehrung vollständig ihre Festigkeit. Deswegen sind zusätzliche Brandschutzmaßnamen notwendig, um die Feuerwiderstandsklasse eines Bauteils zu erhöhen. Im Rahmen des Projekts wurden drei verschiedene Brandschutzsysteme hinsichtlich der Verbesserung der Feuerwiderstandsfähigkeit theoretisch und experimentell untersucht.
Zur Beurteilung der Brandschutzsysteme wurde ein mit Carbonbeton verstärkter Stahlbetonbalken mit einer Verstärkungsschicht von 16 mm gewählt. Zunächst wurde der mit Carbonbeton verstärkte Stahlbetonbalken ohne weitere Brandschutzmaßnahmen bei einer 90 min Einwirkung der Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) erhitzt. Die Untersuchung ergab, dass die Temperatur in der Verstärkungsschicht in Höhe der Carbonfasern über 800 °C betrug. Das führte dazu, dass die Verstärkungswirkung komplett verloren ging. Als zusätzliche Brandschutzmaßnahmen wurden jeweils die Brandschutzbeschichtung Sika® Unitherm® Concrete S, der Brandschutzputz Dossolan-Thermique mit einer Dicke von 10 mm und die Brandschutzplatten der Firma Promat eingesetzt.
Temperaturberechnung für die Stahlbetonplatte mit einer 16 mm Verstärkungsschicht und dem Brandschutzputz Dossolan-Thermique
Durch die Brandschutzbeschichtung ist die Temperatur in der Ebene der Carbonbewehrung bei der Einheitstemperaturkurve (ETK) von 90 min auf 300 °C bis 400 °C gesunken. Die Schichtdicke des Materials ist sehr gering und schäumt im Brandfall auf. Im Vergleich dazu lag die Temperatur in der Carbonverstärkungsschicht mit dem Brandschutzputz zwischen 100 und 200 °C. Damit wird eine Mitwirkung der Verstärkungsschicht bei einer 90 min Belastung mit der ETK gewährleistet. Bei den Brandschutzplatten ergab sich eine Temperatur in der Verstärkungsschicht von ca. 200 bis 300 °C. Anhand der Ergebnisse ist die Brandschutzbeschichtung für geringere Anforderungen an den Brandschutz geeignet. Bei höheren Anforderungen muss auf den Brandschutzputz oder die Brandschutzplatten zurückgegriffen werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
HOCHTEMPERATURBEANSPRUCHUNG VON CARBONBETON - ZUGPRÜFUNG
Heizkammer und Dehnkörper in der Heizkammer mit Messtechnik
Um auf das Materialverhalten bei einer Brandbeanspruchung schließen zu können, werden Hochtemperaturversuche durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wurde das Materialverhalten sowohl in Zug- als auch Verbundversuchen betrachtet. Zunächst war es angedacht, die Prüfungen, wie bei mit Epoxidharz getränkten Gelegen unter Raumtemperatur üblich, am Faserstrang durchzuführen. Jedoch ist dies mit der vorhandenen Heizkammer nicht möglich, da die gegenüberliegenden Infrarotheizstrahler sich gegenseitig heizen würden. Deshalb wurde als Zugprobekörper der Dehnkörper gewählt. Damit ist eine Erwärmung des Verbundwerkstoffs möglich und es können auch Effekte des Zusammenwirkens von Bewehrung und Beton beobachtet werden.
Aufspalten in der Gelegeebene während des Erwärmens
Es wurden zwei Materialkombinationen hinsichtlich ihres Verhaltens unter Hochtemperatur untersucht: zum einen ein mit Epoxidharz getränktes Textil, zum anderen ein Textil mit einer Tränkung auf Acrylatbasis. Die beiden Materialien sollen die beiden Carbonbetonanwendungsfälle Neubau und Verstärkung repräsentieren. Zur Untersuchung des reinen Materialverhaltens unter Temperaturbeanspruchung wurden stationäre Versuche bei definierten Temperaturen durchgeführt, die temperaturspezifische Spannungs-Dehnungs-Linien ergaben. Um die Übertragbarkeit der aus den stationären Versuchen gewonnenen Ergebnisse auf das Bauteil zu überprüfen, wurden Versuche bei einem definierten Lastniveau durchgeführt, während die Temperatur kontinuierlich erhöht wurde. Dies stellt den realen Fall im Bauteil dar, da auch im Brandfall das Bauteil einer Belastung ausgesetzt ist und die Temperatur ansteigt. Als Ergebnis aus diesen Untersuchungen wird eine Temperatur-Abminderungs-Kurve erhalten. Es konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen stationären und instationären Versuchen festgestellt werden.
Bei den Versuchen der Materialkombination für Neubauteile kam eine hochfeste Betonmatrix zum Einsatz. Schon beim Aufheizen kam es aufgrund der Temperatureinwirkung zum Aufspalten des Verbundwerkstoffs in Gelegeebene. Dies zeigt, dass bei dieser Betonmatrix zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, damit die Matrix für den Einsatz unter Brandbeanspruchung geeignet ist. Auch bei dem Material für die Verstärkungen kam es während der Versuche ohne vorheriges Erzeugen eines Rissbildes zu Abplatzungserscheinungen auf Grund der geringen Permeabilität.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
WAS PASSIERT, WENN ES BRENNT?
Ein möglicher Verbundprobekörper im Test
Hinsichtlich eines größeren Anwendungsbereiches von Carbonbeton im Hochbau ist eine Untersuchung des Materialverhaltens unter Hochtemperatur- und Brandbeanspruchung dringend erforderlich. Die Ermittlung der Kenngrößen zur Herleitung einer Heißbemessung ist eine weitere Grundlage zur Marktfähigkeit von Carbonbeton.
Die grundlegenden Anforderungen, die an das Material hinsichtlich des Brandschutzes gestellt werden, sind in verschiedenen nationalen und europäischen Vorschriften dargelegt. Diese Anforderungen wurden zu Projektbeginn zusammengetragen und daraus die erforderlichen Prüfungen abgeleitet. Die Prüfungen zur Bestimmung der Baustoffklasse und Feuerwiderstandsklasse werden bei der MFPA Leipzig GmbH im Rahmen des Projektes durchgeführt.
Weiterhin ist ein Schwerpunkt die experimentelle Bestimmung von Kennwerten für Carbonbeton mit textiler Bewehrung unter Hochtemperaturbeanspruchung. Hierfür sind für die einzelnen textilen Gelege, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, geeignete Versuchsaufbauten zu entwickeln. Die Untersuchungen beinhalten das Zug- und Verbundverhalten unter Hochtemperatur. Aufbauend auf den Prüfempfehlungen des Basisvorhabens C3-B3 werden die Versuche für die Hochtemperaturbeanspruchung angepasst. Gerade bei textilen Gelegen mit einer Tränkung auf Epoxidharzbasis gibt es noch Optimierungspotenzial. Es ist bei diesen Gelegen möglich, die Zugfestigkeit an einem Faserstrang oder einem Dehnkörper zu prüfen. Da die dafür verwendete Probekörpergeometrie von der für Probekörper mit Styrol-Butadien-Tränkung (SBR) abweicht, muss der Versuchsstand angepasst werden. Ein weiterer Grund für die Modifikation ist, dass bei der Prüfung am Faserstrang die Steuerung der Temperatur eine Herausforderung darstellt, da sich die beiderseitig angebrachten Strahler gegenseitig beeinflussen. Die in C3-B3 empfohlenen Versuche zur Prüfung der Verbundfestigkeit sind bei Hochtemperaturbeanspruchung ebenfalls nur für SBR-getränkte Textilien anwendbar. Für Textilien mit einer Tränkung auf Epoxidharzbasis ist ein geeigneter Versuchsaufbau zu entwickeln.
Aus den experimentell bestimmten Kennwerten können dann Beiwerte ermittelt werden, die einen Abfall der Festigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur berücksichtigen und somit Eingang in die praktische Anwendung, z. B. bei der Bemessung, finden. Eine Übertragbarkeit des Sicherheitskonzeptes aus dem Eurocode 2 auf die ermittelten Kennwerte bildet den finalen Schritt der Untersuchungen.