Polypropylen-Fasern in Hochleistungsbetonen. Wirkungsmechanismen im Brandfall: Fid-Bau Portal

Polypropylen-Fasern in Hochleistungsbetonen. Wirkungsmechanismen im Brandfall

Pistol, Klaus / Weise, Frank / Meng, Birgit

Bauteile bzw. Tragwerke aus Hochleistungsbetonen müssen in der Regel gegen brandinduzierte Abplatzungen mit geeigneten Maßnahmen geschützt werden, um einen ausreichenden Feuerwiderstand im Brandfall zu gewährleisten. Die bisher wirtschaftlich und technologisch sinnvollste Methode zur Verhinderung von explosionsartigen Betonabplatzungen im Brandfall ist die Zugabe von Polypropylen-Fasern. Die Wirksamkeit der Fasern konnte zwar empirisch gezeigt werden, es stellt sich allerdings die Frage, welche Mechanismen zur Verhinderung der Abplatzungen führen. Der vorliegende Beitrag fasst bisherige Theorien zur Wirkungsweise von Polypropylen-Fasern in brandbeanspruchten Hochleistungsbetonen zusammen und stellt eine innovative Methodologie zur Erforschung der mikrostrukturellen Prozesse vor. Der hohe Bindemittelgehalt und die geringe Permeabilität von Hochleistungsbetonen führen im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen. Aufgrund des hohen Bindemittelgehaltes entstehen bei Hochleistungsbetonen vergleichsweise hohe Zwangsspannungen im Betoninneren. Die geringe Permeabilität behindert die Wasserdampfströmung, wodurch sich zusätzlich hohe Wasserdampfspannungen aufbauen. Bei Verwendung von PP-Fasern wird die Permeabilität im kritischen Temperaturbereich bis 300 °C erhöht und somit das Abplatzen wirkungsvoll verhindert. In der Fachliteratur werden unterschiedliche Hypothesen zu den Mechanismen, welche die Permeabilitätserhöhung bewirken, zum Teil widersprüchlich und ohne experimentellen Nachweis diskutiert. Die Autoren haben eine neuartige Methodologie bestehend aus SEA/US-Messungen während der thermischen Beanspruchung und 3D-CT-Untersuchungen im abgekühlten Zustand entwickelt, um bisherige Theorien zu überprüfen und neue Erkenntnisse zu gewinnen. Zusätzlich wurden an Bruchflächen von thermisch geschädigten Proben REM-Untersuchungen durchgeführt. Der vielversprechende Ansatz hat gezeigt, dass durch die thermische Zersetzung der PP-Fasern Mikrokanäle freiwerden, die durch eine gleichzeitig stattfindende Mikrorissbildung netzartig verbunden werden. Die Mikrokanäle sind mikromechanische Fehlstellen im Betongefüge und wirken somit als "Risskeime". Dadurch werden Eigen- und Zwangsspannungen im Beton abgebaut (mechanischer Effekt) und es entsteht ein permeables Transportwegesystem für den ausströmenden Wasserdampf (Permeationseffekt).

Structural members and bearing structures of high performance concrete generally have to be protected against explosive spalling due to fire exposure to guarantee a sufficient fire resistance. Up to now, the economically and technologically most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of polypropylene fibres. Though the effectiveness of the fibres could be shown empirically, the mechanisms preventing explosive spalling are still debatable. The present article summarizes the existing theories concerning the mode of action of polypropylene fibres in fire exposed high performance concretes and presents an innovative methodology for analysing the micro structural processes. The results show that due to the thermal decomposition of the polypropylene fibres micro channels are created and simultaneously connected due to a netlike micro crack formation. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).