Fibrous concretes of enhanced fire performance

Abstract

One of the goals of civil engineering is to develop materials and structural solutions that will allow improving the reinforced concrete structure`s reactions when subjected to the action of different scenarios. One of the possible scenarios to which a concrete may be subjected is the one involving the fire action. In this context, various studies have been made (scientific community) by experimental tests and numeric simulations, in a way that allows predicting the concrete’s behaviour when exposed to high temperatures. Nevertheless, given the complexity of this thematic and due to the elevated number of factors that interfere in the thermodynamic behaviour of the concrete, it is not yet possible to present a theoretical model capable of translating its real behaviour when subjected to high temperatures. The main objective of this research was the development and mechanical characterisation of high strength fibrous concretes with enhanced fire performance. Moreover, simultaneously, contribute to a better understanding of its behaviour when subjected to high temperatures, allowing the construction of concrete infrastructures with a better structural response when subjected to extreme fire action such as the case of the tunnels. The laboratory work involved the realisation of mechanical tests of resistance to uniaxial compression, direct tensile and flexural tests at ambient and high temperatures. The influence of the temperature (ambient, 300, 500 and 700 ºC), the content (45 and 75 kg/m³) and the geometry (3D and 5D) of the steel fibres in these mechanical properties were evaluated. In the flexural tests, the effect of the preload was also studied. Besides, models were proposed that translate the mechanical behaviour of the concrete as a function of temperature for the different mechanical properties studied and made comparisons with experimental data and models proposed by other authors. The correlations between the different properties studied are also presented. In addition to the mechanical tests, additional thermogravimetric (TGA/DTA), X-ray diffraction and scanning electron microscope (SEM) observations were performed in order to evaluate the effect of temperature on the concrete microstructure. In this sense, five concrete compositions with different steel fibres and types have been tested: one without steel fibres (reference composition), two with 45 and 75 kg/m³ of current steel fibres (3D) and two with 45 and 75 kg/m³ of new steel fibres (5D). All compositions had 2 kg/m³ of polypropylene fibres. A special focus on this new type of steel fibre (5D) was given to evaluate its influence on the mechanical properties when compared to the current fibre (3D) at ambient and high temperatures. The results of the compression tests revealed that at ambient temperature and 300 °C, the composition 5D_75 and 3D_45 exhibited a strength gain of 15% and 16% respectively when compared to the composition without steel fibres. About the direct tensile tests, Eurocode 2, part 1.2, predicts that concrete at 600 °C has a tensile strength of 0, while the experimental results indicate that at 700 °C, the concrete may still have 15% of the value presented at ambient temperature. The flexural tests showed that the effect of the preload at high temperatures could translate into a decrease in the ultimate load of tensile strength by flexural tests and fracture energy in 11.7% and 22.5% at 300 °C and 11.6% and 22.6% at 500 °C, verified in the composition 3D_45. In addition, the preloading effect at 700 °C proved to be too devastating since all specimens failed before reaching 700 °C.

Um dos âmbitos da engenharia civil passa por desenvolver materiais e soluções estruturais que permitam melhorar a reação das estruturas de betão armado face às solicitações impostas em diferentes cenários. Um dos cenários possíveis a que uma estrutura de betão armado pode estar sujeita, é o incêndio. Neste contexto, vários estudos têm sidos realizados pela comunidade científica, através de ensaios experimentais e modelações numéricas, de maneira a prever o comportamento do betão armado quando exposto a altas temperaturas. No entanto, dada a complexidade desta temática e devido ao elevado número de fatores que interferem no comportamento termomecânico do betão, ainda não foi possível apresentar um modelo teórico capaz de traduzir o seu real comportamento quando sujeito a elevadas temperaturas. A realização deste trabalho de investigação teve como principal objectivo o desenvolvimento e caracterização mecânica de betões fibrosos de alta resistência com um comportamento melhorado ao fogo, e em simultâneo, contribuir para uma melhor compreensão do seu comportamento quando submetido a altas temperaturas, possibilitando a construção de infraestruturas em betão com melhor resposta estrutural quando sujeitas à ação extrema, o incêndio, como por exemplo, o caso dos túneis. O trabalho laboratorial compreendeu a realização de ensaios mecânicos de resistência à compressão uniaxial, à tração directa e ensaios de flexão à temperatura ambiente e a altas temperaturas, sendo avaliada a influência da temperatura (ambiente, 300, 500 e 700 ºC), da dosagem (45 e 75 kg/m3) e geometria (3D e 5D) das fibras de aço nestas propriedades mecânicas. Nos ensaios de flexão, também foi estudado o efeito da pré-carga. Além disso, foram propostos modelos que traduzem o comportamento mecânico do betão em função da temperatura para as diferentes propriedades mecânicas estudadas e realizadas comparações com dados experimentais e modelos propostos por outros autores. São ainda apresentadas as correlações entre as diferentes propriedades mecânicas estudadas. Além dos ensaios mecânicos, e com o intuito de avaliar o efeito da temperatura na microestrutura do betão, foram realizados ensaios complementares de análise termogravimétrica (TGA/DTA), difração por Raio X e observações ao microscópio eletrónico por varrimento (SEM). Nesse sentido, foram testadas cinco composições de betão com dosagens e geometria de fibras de aço diferentes: uma sem fibras de aço (composição de referência), duas com 45 e 75 kg/m3 de fibras de aço correntes (3D) e duas com 45 e 75 kg/m3 de fibras de aço (5D). Todas as composições tinham 2 kg/m3 de fibras de polipropileno. Foi dada uma especial atenção ao novo tipo de fibra de aço (5D) para avaliar a sua influência nas propriedades mecânicas quando comparado com a fibras correntes (3D) à temperatura ambiente e a altas temperaturas. Os resultados dos ensaios de compressão revelaram que, à temperatura ambiente e a 300 ºC, a composição 5D_75 e 3D_45 apresentaram um ganho de resistência de 15% e de 16% respetivamente, quando comparadas com a composição sem fibras de aço. Em relação aos ensaios experimentais de tração directa, o Eurocódigo 2, na sua parte 1.2, prevê uma resistência do betão à tração direta igual a 0 aos 600 ºC, enquanto que os resultados experimentais indicam que aos 700 ºC o betão ainda pode apresentar 15% do valor apresentado à temperatura ambiente. Os ensaios de flexão revelaram que o efeito da pré-carga a altas temperaturas pode traduzir-se numa diminuição do valor último de resistência à tração por flexão e da energia de fractura em 11.7% e 22.5% a 300 ºC e 11.6% e 22.6% a 500 ºC, verificado na composição 3D_45. Além disso, o efeito da precarga a 700 ºC revelou-se demasiado penalizador pois todos os provetes entraram em rotura antes de atingirem a pretendida.