Mechanical characterization of cement and gypsum based mortars with nano and micro silica particles for passive fire protection of steel structures

Abstract

As estruturas metálicas são utilizadas em diversos tipos de projetos de engenharia civil à escala global devido ao grande número de benefícios que estas oferecem, tais como: facilidade de modelação, montagem e desmontagem, tempos reduzidos de construção, versatilidade de reutilização, tipo de construção sustentável e elevada capacidade para suportar esforços consideráveis com um peso próprio reduzido. No entanto, em situação de incêndio, as propriedades mecânicas do aço vão sendo reduzidas à medida a que a temperatura vai aumentando e, a partir dos 500 ºC, considerada normalmente como temperatura crítica do aço estrutural, estas reduções mecânicas são mais significativas. Portanto, para salvaguardar a estabilidade parcial e global de uma estrutura metálica, preservar os bens existentes e salvaguardar a vida dos seus ocupantes, é fundamental a adoção de medidas de proteção passiva que garantam os níveis de segurança exigidos pelos regulamentos estruturais.O objetivo principal do trabalho desta dissertação é o desenvolvimento e a caracterização mecânica de diferentes argamassas de proteção passiva contra o fogo à base de gesso ou cimento com a adição de micro e nano partículas de sílica (NMS). Estas argamassas são constituídas por diversos materiais tais como vermiculite, perlite, fibras de polipropileno e partículas de NMS. A caracterização mecânica das argamassas será realizada através de ensaios não destrutivos e destrutivos. Os ensaios não destrutivos englobam a determinação dos módulos de Young, módulos de elasticidade transversal e coeficientes de Poisson e, através de ensaios destrutivos, serão determinadas as resistências à compressão e à flexão de cada argamassa. Além disso, serão também realizados testes TGA, XRD e SEM, definidos aqui como testes complementares. O trabalho experimental enquadra-se na execução do projeto NanoFire: Comportamento térmico e mecânico de Nano Cimentos e sua aplicação na construção de aço como revestimento de proteção passiva contra incêndios, atualmente em curso na Universidade de Coimbra.

Steel structures are worldwide used in several civil engineering projects for its wide range of benefits such as: easy modelling, assembly and disassembly, reduced time of construction, reuse versatility, type of green construction and high capacity of resist to considerable loads while having a reduced weight. However, under a fire situation, the steel’s mechanical properties suffers a softening process as the temperature grows and, from 500 ºC, usually considered as the structural steel’s critical temperature, these reductions tend to be more expressive. Therefore, to safeguard the steel structure’s partial and global stability, preserve the existing goods and its users’ lives, it’s fundamental the adoption of passive protection measures which ensures the safety levels required by structural regulations.In this context, the main objective of this dissertation is the development and the mechanical characterization of cement and gypsum based passive fire protection mortars with nano and micro silica (NMS) particles. The mortars are constituted by different materials such as vermiculite, perlite, polypropylene fibers and NMS particles. The mortars` mechanical characterization will be carried out trough non-destructive and destructive tests. The non-destructive tests proceeding includes the determination of the Young’s modulus of elasticity, shear modulus and Poisson’s ratio and, through the destructive tests, the flexural and the compression strengths of each mortar composition are going to be determined. Moreover, will also be carried out TGA, XRD and SEM, here defined as complementary tests.The experimental work frames within the scope of NanoFire research project: Thermal and Mechanical behavior of Nano Cements and their application in steel construction as fire protection, currently in progress at University of Coimbra.