Zachowanie się betonu komórkowego w warunkach pożarowych

Odporność na ogień betonu komórkowego związana jest z jego jednorodną strukturą w całej objętości (fot. na górze). Uzyskuje się ją w procesie produkcji, w którym wykorzystuje się naturalne surowce: piasek, wapień i wodę oraz dodaje do nich niewielką ilość cementu. Udział tych składników jest uzależniony od tego, jakie gęstości i odmiany materiału chce się uzyskać. Środkiem porotwórczym używanym w produkcji betonu komórkowego jest proszek aluminiowy lub pasta aluminiowa. Wchodzą one w reakcję z wodorotlenkiem wapniowym i powodują wydzielenie się wodoru, który uchodzi z masy i spulchnia ją, i w ten sposób umożliwia powstanie milionów małych porów o regularnym kształcie. W wyniku tego procesu uzyskuje się beton komórkowy, w którym w materiale o najniższej klasie gęstości na jeden metr sześcienny surowców: piasku, wapna, wody oraz cementu przypada aż pięć metrów sześciennych powietrza.

Odporność betonu komórkowego na działanie ognia

Beton komórkowy zalicza się do materiałów niepalnych i klasyfikowanych do klasy A1. Pod wpływem ognia i działania wysokiej temperatury nie wydziela trujących gazów. Przy bezpośrednim działaniu ognia zachowuje przez długi czas właściwości nośne. Beton komórkowy nie nagrzewa się pod wpływem działania wysokich temperatur. Duży wzrost temperatury otoczenia nie powoduje takich samych zmian temperatury samego materiału. Poprawnie wymurowane przegrody z betonu komórkowego wykazują ponadto wysoką szczelność.

Przeprowadzone badania ścian z betonu komórkowego [1] wykazały ich wysoką odporność na działanie ognia. A mianowicie poddane działaniu wysokich temperatur zachowują one swoje parametry. Podczas działania ognia i wysokiej temperatury beton nie odpada dużymi fragmentami, a rysy termiczne osiągają maksymalną rozwartość 1 mm. Wysoka temperatura nie przenosi się na powierzchnię nieogrzewaną. Spełnione zostają wszystkie kryteria: nośności „R”, szczelności „E” oraz izolacyjności „I”.

Na podstawie badań opracowano klasyfikację ogniową ścian z autoklawizowanego betonu komórkowego (tabela 1).

W kolumnie odpowiadającej poziomowi obciążenia „0” (tabela 1) podano klasyfikację ogniową ścian działowych i osłonowych (nieobciążonych), w odniesieniu do których występują tylko kryteria szczelności „E” oraz izolacyjności „I”. W pozostałych kolumnach zawarta jest klasyfikacja elementów nośnych w zależności od poziomu obciążenia określanego tak jak stosunek projektowych obciążeń do nośności elementu (wartości obliczeniowe).

Opracowana klasyfikacja obejmuje ściany z bloczków klasy gęstości 400, 500, 600 i 700 produkowanych na kruszywie piaskowym, popiołowym lub piaskowo-popiołowym. Do wykonywania murów można stosować zaprawy zwykłe, cienkowarstwowe oraz lekkie o gęstości nie większej niż 1500 kg/m³. Czołowe powierzchnie bloczków mogą być profilowane na pióra i wpusty lub być bez profilowania. Ściany mogą być nieotynkowane lub otynkowane.

Odporność betonu komórkowego na wysokie temperatury

Beton komórkowy ma bardzo wysoką izolacyjność cieplną, dzięki temu gradient spadku temperatury występujący wzdłuż grubości przegrody jest duży. Nagrzewana powierzchnia ściany pod wpływem gradientu temperatury ulega naprężeniom rozciągającym, które powodują łuszczenie się i powierzchniowe spękanie. W efekcie przekrój poprzeczny ściany ulega zmniejszeniu (fot. 1, fot. 2).

Wzrost temperatury nieogrzewanej części powierzchni ściany z betonu komórkowego przedstawiono w tabeli 2.

Z danych przedstawionych w tabeli 2 wynika, że jeżeli ściana nie ulegnie zniszczeniu, przekroczenie kryterium izolacyjności „I” praktycznie nie zachodzi. Beton komórkowy pod wpływem działania wysokich temperatur nie odpada dużymi fragmentami i nie pęka (tak jak to jest w przypadku zwykłego betonu), w związku z tym szczelność „E” nie decyduje o odporności ogniowej ściany.

Zachowanie betonu komórkowego w przedziałach działania wysokich temperatur

Podczas pożaru i działania wysokiej temperatury w betonie komórkowym zachodzą chemiczno-mineralogiczne przemiany struktury betonu.

W normalnych warunkach eksploatacyjnych wilgotność betonu komórkowego wynosi ok. 4% całkowitej masy materiału. W temperaturze 100°C woda absorpcyjna jest uwalniana, co powoduje nieznaczny skurcz materiału. W zakresie temperatur pomiędzy 200°C a 800°C następuje uwalnianie wody skrystalizowanej, występującej w szkielecie struktury materiału. W górnej granicy tego przedziału, czyli przy temperaturze ok. 700°C, następują znaczące zmiany właściwości w strukturze betonu komórkowego. Możliwe jest pojawienie się mikrorys, jednakże nie ma to żadnego wpływu na techniczne właściwości materiału. Wytrzymałość betonu komórkowego na nie ulega zmianie do temperatury ok. 700°C, a nawet w pewnym przedziale nieznacznie wzrasta (rys. 3).

Maksymalne przyswajalne naprężenia wahają się w granicy 80% wartości początkowych. Przy temperaturach wyższych, przekraczających 700°C, zaczyna następować spadek wytrzymałości. W temperaturach ok. 800°C uwodniony tobermoryt przechodzi w bezwodny wollastonit. W wyniku tego procesu następuje całkowite wytrącenie wody chemicznie związanej i zachodzi zmiana objętości materiału, czego konsekwencją jest powstanie rys na powierzchni elementów.

Czasowo beton komórkowy może wytrzymywać temperatury wyższe od 900°C. W takiej temperaturze w ścianie z betonu komórkowego powstają odkształcenia, a przy bezpośrednim działaniu ognia powstaje spękanie powierzchni i powierzchowne kruszenie materiału (fot. 1 i 2).

Podczas badań wyznaczono również strefy działania temperatur w betonie komórkowym. Wysoka temperatura działająca po jednej stronie badanej przegrody nie przenosiła się na drugą jej stronę. Rozkład temperatur w przekrojach ścian przy różnych klasach gęstości przedstawiono na rys. 4 i 5 [1].

Ognioodporność elementów nadprożowych z betonu komórkowego

Badaniom poddano również elementy zbrojone z betonu komórkowego, w tym belki nadprożowe, które narażone są na działanie ognia dwu- lub trójstronnie.

W elementach zbrojonych o klasie ognioodporności decyduje m.in. otulenie zbrojenia. Współpraca zbrojenia z betonem komórkowym wygląda inaczej niż w elementach żelbetowych. W tradycyjnych konstrukcjach żelbetowych istnieje przyczepność pomiędzy zbrojeniem a betonem. W elementach z betonu komórkowego siły pomiędzy zbrojeniem podłużnym (głównym) przenoszą pręty porzeczne (strzemiona). Taki model z punktu widzenia ognioodporności jest korzystniejszy niż belek żelbetowych, ponieważ strzemiona są umiejscowione w środku belki. Działanie wysokich temperatur jest w tym miejscu ograniczone. Widać to dokładnie na mapie izoterm w przekroju belki (rys. 6 i rys. 7).

Na podstawie badań wyznaczono izotermy w przekroju belki (rys. 7).

Praktyczne wykorzystanie odporności ogniowej betonu komórkowego

Z przeprowadzonych badań wynika, że beton komórkowy jest bardzo odporny na wysokie obciążenia ogniowe i temperaturowe. Elementy z betonu komórkowego przyporządkowane są do klasy A1, co oznacza, że beton komórkowy ze względu na swój skład mineralny jest materiałem niepalnym. Nie przyczynia się do powstawania pożaru, nie zawiera substancji palnych i nie wytwarza dymu. Dlatego może być stosowany w miejscach, gdzie mogą wystąpić duże obciążenia ogniowe, np. w ścianach oddzielenia przeciwpożarowego. Swoją cechę niepalności zachowuje również w przypadku zastosowania na jego powierzchni żywicznych powłok malarskich lub zwykłych tapet. Stosowane do murowania betonu zaprawy zwykłe i cienkowarstwowe również odpowiadają klasie A1.

Elementy z betonu komórkowego stosowane są w Europie Zachodniej (np. w Belgii, Niemczech, Holandii) do wykonywania tzw. kompleksowych ścian działowych oddzielenia przeciwpożarowego (fot. 3–5, 6–7, 8). Znajdują zastosowanie przy budowie m.in. wielkich centrów logistycznych, gdzie inwestorzy dbają o wysokie bezpieczeństwo pożarowe składowanych towarów. Wzniesione z zastosowaniem betonu komórkowego ściany są uznawane przez towarzystwa ubezpieczeniowe za ściany oddzielające do rozgraniczenia obszarów produkcji lub składowania i do ograniczenia szczególnego ryzyka pożarowego. Kompleksowe ściany działowe odpowiadają klasie odporności F180 (według klasyfikacji niemieckiej) i w porównaniu ze ścianami przeciwpożarowymi stawiają opór podwyższonemu trzykrotnie obciążeniu udarowemu o sile 4000 Nm.

Beton komórkowy znajduje zastosowanie również w budowie ogniowych komór badawczych Zakładu Badań Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej. Stosowany jest do obudowy komór ciśnieniowych, pieców ceramicznych, kanałów spalinowych i innych (fot. 9, 10). 

Podsumowanie

Beton komórkowy znakomicie nadaje się do budowy przegród o wysokich wymaganiach odporności ogniowej. Przy tego typu konstrukcjach należy zwrócić uwagę na właściwe zaprojektowanie wszystkich węzłów i połączeń.

Literatura

1. U. Schneider, G. Flassenberg, „Porenbeton. Bericht 4: Brandverhalten von Porenbetonbauteilen”, Selbstverlag, Hannover 2008.
2. Badania i ocena odporności ogniowej ścian z betonu komórkowego, CEBET, nr tematu Z043-Z066.
3. Raporty z badań odporności ścian z autoklawizowanego betonu komórkowego Zakładu Badań Ogniowych ITB.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!