Odpryskiwanie betonu w warunkach pożarowych

Cele ochrony przeciwpożarowej są w Polsce sformalizowane od niemal 500 lat, kiedy to Andrzej Frycz Modrzewski w swoim dziele O poprawie Rzeczypospolitej, napisał: „Aby budowanie nie podejmowało szkody od ognia”.

Obecnie te cele wyrażone są w wielu dokumentach o charakterze prawnym, m.in. rozporządzeniu Unii Europejskiej nr 305/2011 (zwanym powszechnie rozporządzeniem CPR - z ang. Construction Products Regulation), ustawie Prawo budowlane i licznych aktach wykonawczych.

Według Prawa budowlanego obiekty budowlane należy projektować i budować zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. Jednym ze źródeł tej wiedzy jest Polska Norma PN-EN 1992-1-2:2008. Poza kwestiami związanymi z weryfikacją lub obliczaniem nośności ogniowej zawiera ona informacje dotyczące najbardziej palącego problemu w przypadku konstrukcji betonowych - odpryskiwania.

Konstrukcje betonowe w pożarze

Na dobrą izolacyjność i wytrzymałość betonu w podwyższonej temperaturze zwracał uwagę już prawie sto lat temu Józef Tuliszkowski (1927). Do dzisiaj w obiektach, w których wymagania dotyczące odporności ogniowej są znaczne, preferuje się konstrukcje betonowe. Choć jednak konstrukcje tego typu mają wiele zalet, w czasie pożaru mogą towarzyszyć im zgoła niechciane zjawiska, w najgorszym wypadku umniejszające te zalety.

Największą wadą betonu w warunkach pożarowych wydaje się być odpryskiwanie. Liczne pożary pokazały, że beton niezabezpieczony przed odpryskiwaniem, ale też beton zabezpieczony nieodpowiednio, mogą powodować problemy.

Definicja odpryskiwania

Odpryskiwanie to zjawisko polegające na odspajaniu się kolejnych warstw betonu pod wpływem wysokiej temperatury. To proces rozsadzania betonu od wewnątrz, spowodowany parowaniem wody oraz wzrostem ciśnienia pary wodnej w porach wewnątrz betonu. Odpryskiwanie może mieć charakter stopniowy (łuszczenie się warstwa po warstwie) lub nagły, z uwagi na swój charakter zwany też eksplozyjnym. W trakcie pożaru może również dojść do odpadania większych fragmentów betonu - na przykład całych narożników.

Omówienie problematyki odpryskiwania można znaleźć m.in. w pracach Mróz i Hager (2017) oraz Kowalskiego (2019). Wpływ odpryskiwania na rozwój temperatury w prętach zbrojeniowych stropów żelbetowych omówiono w pracy Turkowskiego i Aleksandrowicz (2014). W artykule opiszemy czynniki wpływające na odpryskiwanie oraz przeanalizujemy, na ich podstawie, sposoby zabezpieczania konstrukcji z betonu przed odpryskiwaniem.

Czynniki wpływające na odpryskiwanie betonu

Szczegółowy opis czynników wpływających na odpryskiwanie można znaleźć m.in. w pracach Hertza (2003) oraz Liu i in. (2018). Przedstawimy ich podsumowanie, starając się opisać problematykę w sposób przystępny - inżynierski.

Czynniki mające wpływ na odpryskiwanie można zatem podzielić na dwie grupy: środowiskowe (zewnętrzne) i materiałowe (wewnętrzne).

Czynniki środowiskowe to te, na które nie mamy wpływu, wśród nich przede wszystkim dwa:

• wysoka temperatura - w razie pożaru należy uwzględniać szybkość wzrostu temperatury,
• wilgotność względna otaczającego powietrza - wpływa bezpośrednio na zawartość wody wolnej (wilgoci) w betonie.

Czynniki materiałowe możemy zaś kształtować w zależności od potrzeb. Zaliczamy do nich między innymi:

• rodzaj kruszywa,
• porowatość betonu,
• dodatki do betonu (takie jak popiół lotny, pył krzemionkowy) - wpływają na jego przepuszczalność,
• wytrzymałość betonu,
• rozkład prętów zbrojeniowych,
• zawartość włókien polipropylenowych w betonie,
• zabezpieczenia konstrukcji w postaci siatki lub obudowy.

Rozpoznanie czynników środowiskowych jest podstawą do określenia wymogów, które powinien spełnić beton, aby w danym środowisku zachował pożądane właściwości. Czynniki środowiskowe są niezależne od projektantki/projektanta konstrukcji. Projektantka/projektant może jednak odpowiednio kształtować czynniki materiałowe. Co ważne, wpływając na czynniki materiałowe, można przeciwdziałać odpryskiwaniu.

Polska Norma PN-EN 1992-1-2:2008 podaje cztery metody przeciwdziałania odpryskiwaniu. Zanim jednak o nich, przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo wybranym czynnikom wpływającym na odpryskiwanie. Dzięki temu łatwiej będzie zrozumieć zasady działania oraz mocne i słabe strony metod zawartych w normie.

Wpływ szybkości nagrzewania na odpryskiwanie betonu

Pierwszym z wymienionych czynników środowiskowych jest oddziaływanie wysokiej temperatury. Odpryskiwanie spowodowane jest parowaniem wody oraz wzrostem ciśnienia pary wodnej w porach wewnątrz betonu - gdy beton jest nagrzewany powoli, para wodna ma czas, by w nim migrować. Gdy oddziaływanie temperatury jest bardzo intensywne, odpryskiwanie jest bardziej prawdopodobne, z uwagi na brak odpowiednio długiego czasu na migrację wody do sąsiednich porów. Badania nad odpryskiwaniem zintensyfikowano po pożarach tuneli: w Nowym Jorku (1949), Velser (1978), Mont Blanc (1999), pod kanałem La Manche (1996), gdzie, jak wiadomo, rozwój pożaru jest dużo szybszy niż w przypadku pożarów standardowych (por. modele krzywej standardowej temperatura-czas i model krzywej RWS (rozporządzenie MTiGM w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie, DzU z 2000 r. nr 63, poz. 735; raport „Fire testing procedure for concrete tunnel linings and other tunnel components”, Efectis-R0695 2020).

W przypadku tuneli ww. rozporządzenie odnosi się do odpryskiwania wprost:

„6. Tunel, o którym mowa w ust. 2, z betonowych elementów konstrukcyjnych powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby w warunkach pożarowych, określonych w ust. 2, nie występowało ryzyko eksplozyjnego odpryskiwania betonu”.

Innymi przykładami intensywnych oddziaływań są pożary, dla których powstał model krzywej węglowodorowej lub tzw. jet-fire dla instalacji w przemyśle paliwowym.

Wpływ wilgotności względnej powietrza

Drugim z czynników środowiskowych jest wilgotność względna otaczającego powietrza, wpływająca bezpośrednio na zawartość wilgoci w betonie. Okazuje się, że gdy wody w betonie jest mało, ciśnienie wewnątrz porów nie będzie duże, a odpryskiwanie jest mało prawdopodobne. Z inżynierskiego punktu widzenia należy jednak doprecyzować pojęcia „mało” oraz „duże”.

Według PN-EN 1992-1-2:2008 beton o wilgotności do 3% wykazuje niskie prawdopodobieństwo odpryskiwania. Dodatkowe zapisy poświęcono też betonom wysokich wytrzymałości. Obszerny przegląd badań, na podstawie których zaproponowano tę graniczną zawartość wilgoci, znajduje się w pracy Khoury i Anderberg (2000). Należy zaznaczyć, że próg 3% jest kwestionowany, m.in. z uwagi na brak możliwości precyzyjnego określenia wilgotności na etapie projektowania. Natychmiast jednak nasuwa się pytanie - co w praktyce oznacza 3% wilgotność betonu?

Czynniki środowiskowe i materiałowe a wilgotność betonu

Wilgotność lub zawartość wilgoci w betonie to stosunek masy wody, która odparuje z badanej próbki w temperaturze 105°C, do masy wysuszonej w tej temperaturze próbki. Na wilgotność betonu będą miały zatem wpływ dwa czynniki: jego porowatość oraz wilgotność względna powietrza, w którym ten beton się znajduje.

Im mniejsza porowatość, tym mniejsza maksymalna zawartość wilgoci w betonie. Niestety, wraz ze zmniejszającą się porowatością maleje też przepuszczalność, co może skutkować zwiększonym prawdopodobieństwem odpryskiwania. Niska przepuszczalność jest cechą betonów wysokich wytrzymałości. W 1984 r. Hertz odkrył, że betony wysokich wytrzymałości są bardziej narażone na odpryskiwanie. Z drugiej strony im większa porowatość, tym większa maksymalna zawartość wilgoci w betonie. Jednocześnie w takich betonach pory mogą być stosunkowo duże i połączone ze sobą, co umożliwi migrację wody zarówno w stronę warstw nagrzewanych, jak i nienagrzewanych - bez powstawania tzw. korka (Kowalski 2019).

Z uwagi na wysoką wilgotność młodego betonu normy sugerują kilkumiesięczne okresy sezonowania przed przystąpieniem do badań (trzy miesiące według PN-EN 1363-1 lub 5 miesięcy według PN-EN 1994-1-2).

Wróćmy do postawionego wcześniej pytania: co w praktyce oznacza graniczna wilgotność betonu, wynosząca 3%, do której odnosi się PN-EN 1992-1-2:2008? Na podstawie norm i badań możemy przyjąć, że zawartość wody w betonach zwykłych w środowisku o wilgotności względnej do 50-60% będzie poniżej tej granicy.

Problem odpryskiwania pojawia się więc nie tylko w przypadku betonów wysokich wytrzymałości, ale też w przypadku betonów zwykłych, wystawionych na działanie warunków atmosferycznych, lub w konstrukcjach o zwiększonej wilgotności, takich jak garaże i parkingi podziemne, piwnice czy schrony. W przypadku garaży sytuację komplikuje fakt, że pożary samochodów charakteryzują się dużą dynamiką wzrostu. Ujmując rzecz prosto, są „intensywniejsze” niż krzywa standardowa. Wówczas norma prEN 1992-1-2:2021 zaleca podjęcie dodatkowych kroków w celu zapobiegania odpryskiwaniu.

Na takie czynniki, jak wilgotność betonu czy jego przepuszczalność projektant ma niewielki wpływ. Trudno wyobrazić sobie badania jednej czy drugiej cechy po wykonaniu i paromiesięcznym sezonowaniu konstrukcji - i podejmowanie na tej podstawie decyzji dotyczących konieczności zabezpieczania przed odpryskiwaniem. Z uwagi na poziom skomplikowania zjawiska odpryskiwania oraz jego losowy charakter przewidywanie go jest bardzo skomplikowane i wymaga uwzględnienia informacji, które nie są dostępne bez specjalistycznych badań stwardniałego betonu (Gawin et al. 2011). Dlatego w dalszej części artykułu skupimy się na metodach, które pozwalają na ograniczenie skutków odpryskiwania lub wyeliminowanie go.

Rozwiązanie problemu

Polska Norma PN-EN 1992-1-2:2008 podaje cztery metody, które można wykorzystać w celu przeciwdziałania odpryskiwaniu:

• metoda A: siatka zbrojeniowa,
• metoda B: zastosowanie betonu, dla którego eksperymentalnie potwierdzono, że w danych warunkach nie ulegnie odpryskiwaniu,
• metoda C: zastosowanie warstw ochronnych, np. z wełny mineralnej, płyt gipsowo-kartonowych lub tynków,
• metoda D: stosowanie dodatku w postaci włókien polipropylenowych.

Geneza, mechanizm działania wraz z uzasadnieniem oraz wady i zalety poszczególnych metod A-D opisane są się poniżej.

Metoda A

Siatki zbrojeniowe to rozwiązanie znane od lat, niekiedy funkcjonujące pod nazwą siatek Rabitza lub Ledóchowskiego. Początkowo służyły jako środek zapobiegający odpadaniu tynku ze stropu, z historią sięgającą przynajmniej połowy XIX w. Wpływ dodatkowej siatki zbrojeniowej na odporność ogniową słupów został przebadany już w latach 20. XX w. W PN-EN 1992-1-2:2008 siatki zbrojeniowe proponowane są jako środek do zapobiegania lub przynajmniej ograniczania odpryskiwania betonu (przyjmuje się, że głębokość odpryskiwania sięga wierzchniej warstwy zbrojenia, którą jest właśnie siatka). Zgodnie z normą powinna być wykonana z drutów o średnicy co najmniej 2 mm i stosunkowo gęstym oczku, o wymiarach 50 x 50 mm. Sama siatka powinna mieć otulenie nominalne wynoszące 15 mm, co rodzi pytania o jej odporność na korozję.

Dodatkowo Eurokod wymaga, aby przy odległości osiowej prętów zbrojeniowych (liczonej od lica przekroju do środka pręta zbrojeniowego) wynoszącej 70 mm i więcej stosować dodatkowe siatki zbrojeniowe. Odległości osiowe rzędu 70 mm i więcej spotykamy często w elementach, którym stawia się wymaganie zachowania nośności ogniowej przez 240 min. Siatki mają na celu ograniczenie odpadania większych fragmentów betonu - a w przypadku ich odspojenia - utrzymanie ich na miejscu. Dzięki temu, mimo niespełniania już roli nośnej, beton izoluje termicznie pręty zbrojeniowe, wciąż „wisząc” na siatce. Rozwiązanie w postaci siatek jest problematyczne w przypadku elementów konstrukcyjnych takich jak belki czy słupy i bywa zaniedbywane.

Metoda B

Polega na zastosowaniu betonu, dla którego eksperymentalnie potwierdzono, że w danych warunkach nie ulegnie odpryskiwaniu, a jej opis normowy jest bardzo ogólny. Niestety, mimo upływu niemal dwóch dekad od wprowadzenia metody do PN-EN 1992-1-2:2008 wciąż nie ma normy ani nawet uznanej przez świat naukowy metody badawczej, która pozwoliłaby na eksperymentalne potwierdzenie, że odpryskiwanie nie nastąpi.

Zgodnie z normą klasyfikacyjną PN-EN 13501-2 aspekty wpływające na liczbę badań powinny obejmować np. zakres warunków oddziaływania, zamocowania, typ i poziom obciążenia oraz szczegóły konstrukcyjne. Trudno sobie wyobrazić, żeby każdy rodzaj betonu był badany dla kilku rodzajów elementów konstrukcyjnych, w tak zróżnicowanych warunkach. Nie istnieje też sposób na ilościowe określenie tego, czym jest beton, który nie ulega odpryskiwaniu. Czy jeśli 1 na 10 próbek ulegnie odpryskiwaniu, to poziom ochrony przed odpryskiwaniem jest zadowalający? Nie ma odpowiedzi na tak postawione pytanie.

Sytuacja poprawi się w niedalekiej przyszłości, gdyż swoje prace kończy Komitet Techniczny RILEM 256-SPF: Spalling of concrete due to fire: testing and modelling, którego zadaniem jest zaproponowanie nowych wytycznych w zakresie badań odpryskiwania. W prace Komitetu zaangażowane były prof. Izabela Hager i dr Katarzyna Mróz z Politechniki Krakowskiej.

Metoda C

Problem rozwiązuje się tu przez użycie zewnętrznych warstw ochronnych. Przykładem mogą być płyty gipsowo-kartonowe. Ciekawostką jest fakt, że stosowanie okładzin ochronnych to rozwiązanie znane, opisane już ponad 120 lat temu - tzw. płyty Sacketta (od nazwiska twórcy, Augustine’a Sacketta) zostały opatentowane w 1894 r. Innym przykładem może być tynk na siatce - np. wzmacnianie tynków siatką, aby ich przyczepność do betonu spełniała wymogi PN-EN 13381-3.

Metoda D

Włókna polipropylenowe w betonie powodują zwiększenie przepuszczalności betonu podczas pożaru, dzięki czemu maleje ciśnienie pary wodnej wewnątrz porów. Efektywność włókien polipropylenowych w zapobieganiu odpryskiwaniu została wielokrotnie wykazana zarówno w badaniach materiałowych (Szymkuć i Tokłowicz 2020), jak i badaniach elementów konstrukcyjnych. Włókna są efektywnym sposobem zapobiegania odpryskiwaniu dla betonów zwykłych i betonów wysokich wytrzymałości.

Dopiero przy wytrzymałościach na ściskanie rzędu 120 MPa konieczne staje się stosowanie tzw. włókien hybrydowych - mieszanki polipropylenowych i stalowych. Zaletą włókien jest ich niski koszt (w porównaniu do innych metod), natomiast wadą - konieczność uprzedniego zaplanowania ich obecności w mieszance betonowej. Eurokod zaleca stosowanie włókien w ilości 2 kg/m³ betonu. Włókna są najlepszą metodą zabezpieczenia przed odpryskiwaniem - ich stosowanie jest poparte wieloletnimi doświadczeniami, a w warunkach pożaru nie rodzą problemów, takich jak np. utrata przyczepności.

Problemy związane z warstwami ochronnymi

Wykorzystanie biernych materiałów ogniochronnych (org. passive fire protection materials) omawiają m.in. Turkowski i Wróblewski (2016). Poza spełnieniem wymogów normy EN 1992-1-2:2008, norm wyrobu, takich jak np. PN-EN 15037-1 (w przypadku stropów belkowo-pustakowych) lub norm dotyczących zabezpieczeń (PN-EN 13381-3) istotne jest zrozumienie, dlaczego duży nacisk kładzie się na przyczepność.

Zagadnienie to ma wiele wspólnego z pierwszym z wymienionych czynników środowiskowych - intensywnością oddziaływania pożaru. Znane są przypadki, gdy elementy zabezpieczone przeciwpożarowo ulegały awarii szybciej niż elementy niezabezpieczone. Dlaczego? W tym momencie można wyobrazić sobie betonowy element konstrukcyjny, ogrzewany zgodnie ze standardową krzywą temperatura-czas. Temperatura wokół elementu sięga 678°C po 10 min i 842°C po 30 min. Jest to nagrzewanie stosunkowo wolne. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę element zabezpieczony ogniochronnie, którego zabezpieczenie odpada np. po 30 min - wtedy „zimna” warstwa wierzchnia betonu (około 20°C) zostaje nagle narażona na działanie temperatury 842°C.

Skoro szybkość nagrzewania jest jednym z decydujących czynników, mających wpływ na odpryskiwanie, to element, od którego odpadnie zabezpieczenie, może nagle ulec zniszczeniu poprzez odpryskiwanie. W tym wypadku więcej nie znaczy lepiej. Dlatego tak istotne jest zapewnienie, aby warstwy izolacji nie odpadały przez wymagany czas. Przedstawiony przykład pokazuje, dlaczego nie można mówić o konstrukcji R60, zabezpieczonej dodatkowo „na” R60, która osiągnęłaby klasę odporności ogniowej R120.

Dyskusja i podsumowanie

Artykuł ma przybliżyć tematykę odpryskiwania betonu, skupiając się na czynnikach, wywołujących to zjawisko oraz omówić sposoby zabezpieczania konstrukcji przed odpryskiwaniem, wymienione w normie PN-EN 1992-1-2:2008. Lepsze zrozumienie zjawiska oraz czynników na nie wpływających, takich jak dynamika rozwoju pożaru (będąca szczególnym zagrożeniem, np. w przypadku pożarów parkingów) oraz zwiększona wilgotność powietrza (również dotycząca niektórych parkingów), pozwolą na bardziej świadome podejście do tematu projektowania ochrony przeciwpożarowej konstrukcji betonowych.

Szczególnie zwracamy uwagę na to, że kwestie ochrony przed odpryskiwaniem najłatwiej rozwiązywać jeszcze na etapie projektu. Przepisy techniczno-budowlane (DzU z 2019 r. poz. 1065) nakazują wprost projektowanie i wykonywanie budynków w taki sposób, aby oddziaływania nie prowadziły do zniszczenia w  stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny. Niezawodność konstrukcji musi być uwzględniana nie tylko w trakcie normalnego użytkowania, ale również w aspekcie oddziaływań wyjątkowych, do których zaliczamy między innymi pożar. W ocenie autorów pożar w jednej strefie pożarowej nie powinien doprowadzać do zniszczenia całego budynku.

mgr inż. Wojciech Szymkuć jest asystentem w Instytucie Analizy Konstrukcji Politechniki Poznańskiej oraz ekspertem Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego CEN /TC 127 Fire Safety of Buildnigs, zajmuje się analizą wpływu pożaru na nośność konstrukcji budowlanych;
dr inż. Michał Malendowski jest adiunktem w Instytucie Analizy Konstrukcji Politechniki Poznańskiej, w swojej pracy łączy zagadnienia dynamiki pożaru, przepływu ciepła i mechaniki konstrukcji, z uwzględnieniem szerokiego zakresu zjawisk fizycznych;
dr inż. arch. Kamila Sikorska-Podyma jest doktorem nauk technicznych o specjalności bezpieczeństwo pożarowe obiektów zabytkowych, adiunktem na Wydziale Geografii Społeczno-Ekonomicznej i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu;
inż. Jacek Podyma jest rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych i założycielem portalu internetowego poświęconego ochronie przeciwpożarowej PAP24.PL

Literatura

[1] Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2019 r. poz. 1065)
[2] Rozporządzenie ministra transportu i gospodarki morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (Dz.U. z 2000 r. nr 63, poz. 735).
[3] Fire testing procedure concrete tunnel linings and other tunnel components, Efectis-R0695,
[4] Gawin, F. Pesavento, B.A. Schrefler, What physical phenomena can be neglected when modelling concrete at high temperature? A comparative study. Part 1: Physical phenomena and mathematical model, „International Journal of Solids and Structures” 2011, 48, pp. 1927-1944.
[5] Hertz, Limits of spalling of fire-exposed concrete, „Fire Safety Journal” 2003, 38, pp. 103-116.
[6] A. Khoury, Y. Anderberg, Concrete spalling review. Report, Swedish National Road Administration, 2000.
[7] Kowalski, Konstrukcje żelbetowe w warunkach pożarowych, PWN, Warszawa 2019.
[8] C. Liu, K.H. Tan, Y. Yao, A new perspective on nature of fire-induced spalling in concrete, „Construction and Building Materials” 2018, 184, pp. 581-590.
[9] Mróz, I. Hager, Przyczyny i mechanizm powstawania odprysków betonu pod wpływem wysokiej temperatury wywołanej pożarem, „Cement Wapno Beton” 2017, 6, pp. 445-456.
[10] Szymkuć, P. Tokłowicz, Lightweight cementitious composites containing cenospheres and polypropylene fibres after exposure to high temperatures, MATBUD’2020 - Scientific-Technical Conference: E-mobility, Sustainable Materials and Technologies, 19-21.10.2020, Kraków, Polska; MATEC Web of Conferences 322, 2020, pp. 01028-1-6.
[11] Tuliszkowski, Obrona przed pożarami, t. 1, cz. 3: Podstawy budownictwa ogniotrwałego, Warszawa 1927.
[12] Turkowski, K. Aleksandrowicz, Opis betonu na potrzeby dwuwymiarowych analiz numerycznych przepływu ciepła w świetle aktualnej wiedzy technicznej i przeprowadzonych badań odporności ogniowej, „Materiały Budowlane” 2014, 10, pp. 109-111.
[13] Turkowski, B. Wróblewski, Zwiększenie odporności ogniowej konstrukcji żelbetowych i stalowych za pomocą płyt ze skalnej wełny mineralnej, „Przegląd Budowlany” 2016, 10, pp. 39-42.