The Influence of the Physical and Chemical Properties of Hardened Cement Paste on the Fire-Induced Spalling of Concrete

A number of major fire incidents in recent decades, particularly in tunnels and indoor car parks, have increased the awareness among construction designers towards the potential susceptibility of concrete to fire-induced explosive spalling. In some fields of application, this violent breaking-off of concrete layers may reduce the fire resistance time of fire-exposed construction elements. The mechanisms causing explosive spalling are not yet fully understood and discussed controversially among scientists. In cement production, a steadily increasing proportion of the market volume is constituted by cement types with several main constituents. In these types of cement, Portland cement clinker is replaced by granulated blast furnace slag, lime stone, fly ash or other inorganic materials. Fire tests of concrete specimens presented in a previous publication and the present paper have shown that the type of cement may have a marked influence on the susceptibility of concrete to explosive spalling. The main objectives of this thesis were therefore to: - determine the way in which the physical and chemical properties of the hardened cement paste influence the spalling propensity of heated concrete; and in this manner - contribute to a better understanding of the mechanisms causing explosive spalling. A particular focus was placed on the way in which the moisture present in the concrete pores promotes spalling. Three common characteristics of those concretes that were found to have an increased susceptibility of spalling were identified. For each of the three common characteristics, a corresponding hypothesis describing its possible contribution to the fire-induced concrete spalling was proposed. Each of the three hypotheses in turn was verified through a dedicated experimental programme. The evaluation of the experiments showed that explosive spalling was caused by the following principal mechanisms: • In the concretes that showed explosive spalling in the corresponding tests, the interfacial transition zone (ITZ) between the aggregate particles and the hardened cement paste was only weakly developed, and hence there was no pronounced interfacial porosity. Consequently, the differences in thermal strain between the expanding aggregates and the shrinking cement paste caused relevant tensile stresses in the cement paste. • Due to their pore size distribution, the concretes that showed explosive spalling had a comparably high moisture content. The moisture in the concrete pores caused an increase in the thermal gradients in the heated specimens. Beyond that, pressure from trapped water vapour enhanced the local stresses at the contact areas between the aggregate particles and the hardened cement paste. Eventually, this resulted in the formation of fracture planes and the spalling of near-surface concrete layers. The tests carried out confirmed that explosive spalling can be reliably prevented through the addition of polypropylene fibres to the concrete mix. Based on the results of the experimental programme, further potential ways to mitigate spalling are proposed.
Einige größere Brandereignisse der letzten Jahrzehnte, insbesondere solche in Tunneln und Parkhäusern, haben das Bewusstsein von Planern bezüglich der möglichen Neigung von Beton zu explosiven Abplatzungen im Brandfall erhöht. In bestimmten Anwendungsbereichen können diese die Feuerwiderstandsdauer brandbeanspruchter Bauteile verkürzen. Welche Mechanis-men für die explosiven Abplatzungen verantwortlich sind, wird unter Wissenschaftlern kontro-vers diskutiert. In der Zementproduktion entfällt ein stetig wachsender Anteil des Marktvolumens auf Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen. Bei diesen Zementarten wird Portlandzementklinker durch Hüttensand, ungebrannten Kalkstein, Flugasche oder andere anorganische Stoffe ersetzt. In einer früheren Veröffentlichung und der vorliegenden Arbeit beschriebene Brandversuche an Betonprobekörpern haben gezeigt, dass die Zementart einen deutlichen Einfluss auf die Nei-gung von Beton zu explosiven Abplatzungen haben kann. Das Hauptziel dieser Dissertation war es daher - zu bestimmen, in welcher Weise die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Zementsteins die Neigung von erhitztem Beton zum Abplatzen beeinflussen; und auf diese Weise - zu einem besseren Verständnis der Mechanismen beizutragen, die explosive Betonab-platzungen verursachen. In diesem Zusammenhang wurde ein besonderes Augenmerk auf die Frage gelegt, auf welche Weise die in den Betonporen vorhandene Baustofffeuchte Betonabplatzungen begünstigt. Drei gemeinsame Merkmale wurden für diejenigen Betone identifiziert, die eine erhöhte Anfällig-keit für Abplatzungen aufwiesen. Für jedes dieser drei Merkmale wurde eine entsprechende Hypothese hinsichtlich seines möglichen Beitrags zum Betonabplatzen im Brandfall aufgestellt. Jede der drei Hypothesen wurde wiederum durch ein entsprechendes Versuchsprogramm über-prüft. Als Ergebnis der Untersuchungen wurden die folgenden Hauptmechanismen identifiziert, durch die Abplatzungen ausgelöst werden: • Bei den Betonen, bei denen Abplatzungen auftraten, war die Übergangszone (ITZ) zwi-schen Gesteinskörnung und Zementstein nur schwach ausgebildet. Im Bereich um die Gesteinskörner lag somit keine ausgeprägte Porosität vor. Als Folge verursachten die Unterschiede der thermischen Dehnung zwischen der sich ausdehnenden Gesteinskör-nung und dem schwindenden Zementstein maßgebliche Zugspannungen im Zement-stein. • Die Betone, bei denen Abplatzungen auftraten, hatten zu Beginn der Versuche aufgrund ihrer Porengrößenverteilung einen vergleichsweise hohen Feuchtegehalt. Die Feuchte in den Betonporen verursachte eine Erhöhung der Temperaturgradienten in den erhitzten Probekörpern. Darüber hinaus verstärkte der Druck des eingeschlossenen Wasser-dampfs die lokalen Spannungen an den Kontaktflächen zwischen Gesteinskörnung und Zementstein. Dies führte schließlich zur Bildung von Bruchflächen und zum Abplatzen der oberflächennahen Betonschicht. Die durchgeführten Versuche bestätigten, dass explosive Abplatzungen durch die Zugabe von Polypropylenfasern zur Betonmischung zuverlässig verhindert werden können. Basierend auf den Ergebnissen des Versuchsprogramms werden weitere Möglichkeiten zur Vermeidung von Abplatzungen vorgeschlagen.