Beton. De mooiste projecten komen tot stand vanuit beton. Naast hout en steen is het sinds mensenheugenis het meest toegepaste materiaal om mee te bouwen. Aan de buitenkant robuust en sterk ogend, aan de binnenkant een kunstwerk van verbindingen. Eenmaal uitgehard is beton geen dood materiaal. Het is onderhevig aan invloeden van buitenaf. Vocht, warmte of extreme verhitting lijken ogenschijnlijk het beton koud te laten. Intern spelen zich er wel degelijk processen af die van groot belang zijn op de uiteindelijke sterkte van beton. In dit blog aandacht voor de reacties van beton bij brand en de daaruit voort vloeiende gevolgen.
Specificatie van beton
Beton is gemaakt van cement (bindmiddel), water en toeslagmaterialen als zand, grof en fijn grind. Het cement in beton is gemaakt van calcium en silicium die verbindingen met water tot stand brengen. Het water reageert met het cement en gaat zich binden aan de toeslagmaterialen. Een goede mengverhouding is een eerste vereiste voor sterk beton:
-te veel water: het beton blijft te nat
-te weinig water: de reactie met het cement en de hechting aan de toeslagmaterialen komt niet optimaal op gang
-te weinig toeslagmateriaal: geeft zwakker beton
Zodra cement in aanraking komt met water gaat het een verbinding aan met de toeslagmaterialen. Het vormt een netwerk van kleine draden en poriën wat uiteindelijk een CSH (calcium- silicaat-hydraat) matrix vormt. Het hydraterend component is opgebouwd uit chemisch gebonden water en fysisch gebonden water. Chemisch gebonden water is een belangrijke speler in het maken van nieuwe matrixstructuren, fysisch gebonden water bevindt zich in de poriën van de CSH matrix . Dit water draagt niet bij aan het maken van nieuwe structuren, maar blijft aan de draden kleven. Het hydraterend component is een belangrijk aspect in de reactie van beton bij brand.
Verdamping fysisch gebonden water, structuur omkeerbaar, ˂ 250°C
Beton is een prachtig product op het gebied van brandveiligheid. Beton zelf brandt niet, het draagt zelfs bij om een brand te beperken tot het brandcompartiment waarin de brand woedt. Daarnaast rookt beton niet en verspreidt het geen gevaarlijke gassen die slecht zijn voor mens en milieu. Bij een beginnende brand is het zelfs in staat de originele structuur weer aan te nemen van voordat de brand ontstond. We spreken over de verdamping bij nog relatief lage temperaturen van het fysische water rondom en tussen de matrixdraden. Is het fysisch water verdampt en daalt hierna de temperatuur door het blussen van de brandhaard, dan zal er intern geen gevolgschade optreden als sterkteverlies van het beton. Zodra de temperatuur voldoende gereduceerd is, is het beton in staat weer vocht vanuit de omgeving tot zich te nemen en zal het in zijn oude structuur en vochtbalans herstellen. Dit proces is mogelijk tot maximaal 250°C. Beton is in deze zin veerkrachtig in zijn gedrag. Toch kent het een temperatuurgrens waarna wel degelijk onomkeerbare processen in werking treden die de sterkte van het beton wél beïnvloeden.
Verdamping chemisch gebonden water, proces onomkeerbaar, ˃ 250°C
Boven de 250°C zal het chemisch gebonden water wat verantwoordelijk is voor de intensiteit van de matrixstructuur gaan verdampen. Doordat het vocht volledig verdwijnt uit de kern, verandert de structuur van de cementsteen. Het beton wordt hierdoor bros en poreus en sterkteverlies treedt op. Alhoewel beton ook in deze staat redelijk makkelijk weer te repareren is, is de beschadiging in de structuur onomkeerbaar. Vanaf 300°C is het chemische water compleet verdampt en treedt de ontbinding van de gehele CSH-matrix in werking. Silicium houdende toeslagmaterialen zetten uit en zorgen voor zichtbare schade aan het beton door middel van scheurvorming. Bij een oplopende temperatuur van 1100°C zal uiteindelijk zelfs het cementsteen in het beton gaan smelten.
Wapening
Beton komt in constructies onder grote kracht te staan. Drukkrachten kan het goed verwerken, tegen trekkrachten is beton minder goed bestand. Op plekken waar tegen de drukkracht geen ondersteuning aan het beton geboden kan worden, zal de trekkracht aan de onderkant te hevig zijn waardoor er scheurvorming ontstaat. Om dit op te lossen wordt wapeningsstaal toegepast. Staal en beton gaan uitermate goed samen. Door de hoge pH waarde in beton wordt het staal beschermd tegen roestvorming/corrosie. Daarnaast hechten beton en staal goed aan elkaar waardoor een ijzersterke verbinding tot stand komt. Bij gelijke verhitting is het uitzettingscoëfficiënt van staal nagenoeg gelijk aan dat van beton. Kanttekening hierbij is dat de beschermende betondeklaag minimale 2,5 cm dikte moet hebben. Des te dikker de beschermlaag is, des te trager de verhitting van het staal verloopt, des te langer het staal zijn sterkte behoudt. De kritieke temperatuurgrens voor staal ligt op 450°C.
Spatten
Een serieus gevaar voor de wapening en dus de sterkte van beton is het spatten van de toplaag. Bij een snelle temperatuurstijging zal het vocht in de poriën van het beton verdampen en vormt zich stoom. Door de toenemende (stoom) druk zal de toplaag afspatten, waarmee de wapening bloot komt te liggen. De beschermende laag valt weg waardoor het staal sneller in temperatuur zal stijgen en zijn kritieke grens bereikt. Daarnaast is een blootliggende wapening een makkelijke prooi voor de uiteindelijke beïnvloeding van zuurstof (corrosie/betonrot) wat uiteraard de sterkte van het beton niet ten goede komt. Doordat de structuur van hogesterktebeton (hsb) fijner is, is hsb gevoeliger voor spatten dan regulier beton. Opgehoopte interne druk kan minder goed ventileren door de fijnere dichte structuur poriën, waardoor er stoomexplosies kunnen ontstaan in het beton. Om geen concessies te doen aan de sterkte van hsb maar wel een handvat te bieden aan het ventileren, worden polypropyleenvezels toegevoegd aan het beton. Door deze toevoeging is hsb beter bestand tegen de opbouw van interne drukverschillen en is daardoor langer de beschermer van zijn basis; zijn robuust stalen hart.
Meer weten over beton, verhitting en het brandgedrag van beton? Jesse Munnik is graag uw gesprekspartner over dit vernuftig bouwmateriaal en denkt graag mee in brandgerichte oplossingen rondom uw betonvragen. Jesse is te bereiken via 0598-395979 of stuur hem een mail j.munnik@munnikbrandadvies.nl.
