Vlastnosti stavebních materiálů, které jsou vystaveny teplotnímu namáhání, patří mezi parametry, které je nutno zohlednit při návrhu i posouzení konstrukce. Významnost těchto parametrů se vzrůstající teplotou a důležitostí stavby také narůstá. Dopravní stavby, zejména pak tunely a mosty, patří do výše uvedených objektů. Nejen u těchto, ale i u dalších objektů vzniká riziko požáru, jehož šíření je omezováno bezpečnostními opatřeními, jako jsou například skrápěcí systémy.
Obecně je odolnost konstrukce (materiálu) udávána jako časový údaj, po který je daná konstrukce z konkrétního materiálu schopna odolávat požáru jeho účinkům než dojde k jejímu prohoření či ztrátě stability. V případě, kdy nedojde ke kolapsu objektu vystaveného účinkům teploty a je nutno provést statické posouzení, lze z konstrukce odebrat vzorky pro stanovení základních mechanicko-fyzikálních parametrů potřebných pro statický výpočet. Takto získané pevnostní parametry jsou označovány jako residuální pevnosti, jelikož nedochází ke zkoušení za maximální teploty, ale zkoušky jsou prováděny za teploty pokojové.
Experimentální zkoušky a metody stanovení pevnosti
Experimentální zkoušky v oblasti vlastností stavebních materiálů vystavených účinkům vysoké teploty lze v současné době rozdělit do dvou základních typů. Prvním typem zkoušek je stanovování residuálních pevností materiálů (dále označováno „ambient temperature testing“), druhým typem zkoušek je pak stanovování vlastností během teplotního namáhání (dále označováno „hot state testing“). Režim zatěžování teplotou je u obou odvětví stejný až do fáze, kdy je vzorek ochlazován. Při stanovování residuálních pevností je zkušební vzorek nejprve ochlazen na teplotu okolního prostředí a poté vyzkoušen, kdežto v druhém případě je vzorek nejprve odzkoušen a teprve poté je ochlazen, aby mohl být vyjmut ze zkušebního zařízení.
I přes zkoušení residuálních pevností se setkáváme s označením „zkoušení za vysokých teplot“. V drtivé většině případů se jedná o zkoušky těles, která byla zkoušena až po jejich vychladnutí („ambient temperature testing“) nebo o zkoušky na tělesech, která byla vyjmuta z teplotní komory (většinou nižší teploty do Tmax = 400 °C) a poté zkoušena ve standartním zkušebním zařízení.
V rámci experimentálního programu zaměřeného na stanovení vlastností lehkých betonů vystavených účinkům vysoké teploty byla vyrobena série zkušebních těles z různých záměsí, která byla zkoušena v obou režimech, tedy jak v režimu „ambient temperature testing“, tak i v režimu „hot state testing“. Získaná data byla porovnána s údaji uvedenými v normě pro navrhování na účinky požáru. Pro každou výše uvedenou záměs byla odzkoušena minimálně tři zkušební tělesa, která byla uložena 24 hodin ve formě a poté až do stáří 28 dní byla uložena v normovém vodním uložení. Po 28 dnech od výroby byly vzorky přesunuty z vodního uložení do laboratorních podmínek, ve kterých byly vzorky uloženy dalších 90 dní. Po této době byly vzorky vystaveny teplotnímu namáhání.
Čtěte také: Metody zkoušení cementu v tlaku
Vzhledem k rozdílnému tvaru zkušebních těles a režimu zatěžování jsou dále uváděny relativní pevnosti, kdy jako výchozí hodnota je brána pevnost materiálu v tlaku při 20 °C. Všechna tělesa byla zahřáta na následující teploty: 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C. Díky režimu zkoušení „ambient temperature testing“ byly získány residuální pevnosti betonu v tlaku, zatímco v režimu „hot state testing“ byly získány pevnosti odpovídající pevnosti betonu v tlaku přímo při zatížení teplotou.
Stanovení residuálních pevností betonu v tlaku
První část výzkumu byla zaměřena na stanovení residuálních pevností betonu v tlaku. Stanovování residuálních pevností bylo provedeno na zkušebních krychlích o hraně 150 mm z hutného betonu C 30/37 a krychlích z lehkého betonu LC 35/38. Některá zkušební tělesa byla vyztužena krátkými polypropylenovými vlákny. Z betonu C 30/37 byly kromě zkušebních krychlí vyrobeny i válce o průměru 80 mm a výšce 240 mm. Krychle byly vypalovány v elektrické peci po dvojici, válce byly vypalovány samostatně. Po dosažení požadované teploty Tmax a temperování po dobu 90 minut byly vzorky přirozeně ochlazovány na teplotu T0 = 20 °C, poté byla tělesa z pece vyjmuta a zkoušena v běžném zkušebním lisu. Takto získané výsledky pak odpovídají residuálním pevnostem. Z výsledků je patrné, že residuální pevnosti u hutného betonu jsou srovnatelné s residuálními pevnostmi lehkého betonu.
Stanovení pevností lehkého betonu v tlaku za vysoké teploty
V rámci druhé části projektu byly stanoveny pevnosti lehkého betonu v tlaku za vysoké teploty zkoušením v režimu „hot state testing“. V rámci druhé části byla zkoušena pouze válcová zkušební tělesa průměru 80 mm a výšky 240 mm, která byla zkoušena ve stáří minimálně 180 dní. Válce byly zahřívány teplotou v průchozí elektrické peci, ve které byly po dosažení teploty Tmax temperovány po dobu 90 minut a následně byly vzorky odzkoušeny. Po dosažení maximální síly bylo ukončeno temperování a celé zkušební zařízení bylo přirozeně chlazeno na laboratorní teplotu tak, aby bylo možné odzkoušený vzorek vyjmout. Teplotní spád byl 15 °C/min, rychlost zatěžování byla 0,02 mm/sec. Stejné okrajové podmínky byly použity i při stanovování residuálních pevností.
Porovnání metod stanovení pevnosti
Pevnost betonu vystaveného účinkům vysoké teploty lze stanovit jako pevnost residuální, anebo jako pevnost za vysoké teploty. Reziduální pevnosti betonu v tlaku jsou stanovovány na tělesech v běžných zkušebních lisech, jelikož režim zatěžování teplotou obvykle probíhá v samostatně stojící elektrické peci. Tento režim zkoušení je v některých publikacích prezentován jako stanovování pevnosti betonu v tlaku za vysoké teploty, ale z hlediska logiky věci se jedná o stanovení residuálních pevností po vychladnutí zkoušeného tělesa. Další obdobnou variantou je zkoušení do teplot kolem 400 °C, kdy je zahřátý zkoušený vzorek vyjmut z pece, kde probíhá teplotní zatěžování, a následně je zkoušen ve standardním zkušebním zařízení.
Druhou metodou stanovení pevnosti betonu v tlaku za vysoké teploty je provedení zkoušek přímo za vysoké teploty, čili v okamžiku, kdy byl zkoušený vzorek nejen zatížen teplotou, ale také temperován na dané teplotě a následně odzkoušen.
Čtěte také: Hydroizolace Fatra a její testování
V rámci experimentálního programu bylo zjištěno, že odezva lehkého i hutného betonu na vysokou teplotu je obdobná. V normě EN 1994-1-2 [9] je uveden součinitel Kc,θ, který je stanoven pro betony hutné a lehké běžných pevnostních tříd. Tento součinitel ovšem neodpovídá testovaným lehkým betonům, jelikož v normě není uvedeno, pro jakou skupinu lehkých betonů je tento koeficient stanoven. Z tohoto důvodu je potřeba při návrhu konstrukcí vystavených vysoké teplotě stanovit i tuto hodnotu koeficientu Kc,θ pro jednotlivé typy materiálu tak, aby tento koeficient reflektoval dané složení a použití zkoušeného materiálu.
Pevnost betonu (Stress strenght of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Jednodušeji řečeno: je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší. Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou. K rozdělení na třídy podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm.
Čtěte také: Betonová podlaha a nátopná zkouška: Kompletní návod
tags: #zkouška #pevnosti #betonu #v #tlaku #postup