O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandEen van de eisen waaraan beton-constructiesmoetenvoldoen,isdebrandwerendheid met betrekkingtot de dragende en/of scheidendefunctie. Recente rampen zoals debrand in de Mont Blanctunnel, deTauerntunnelendeKanaaltunnel,hebben laten zien dat de draag-kracht van een betonconstructiegedecimeerd kan worden doordathet beton spat als gevolg van deblootstelling aan extreme tem-peraturen van soms meer dan1000 oC. Zo werd de dikte van debetonconstructie in de Kanaaltun-nel plaatselijk gereduceerd totslechts 50 mm van de oorspronke-lijke 400 mm. Slechts het geluk-kige toeval dat de grond om de ver-zwakte constructie zelfdragendwas, heeft instorten kunnen voor-komen. Zelfs als het spatten niettot bezwijken leidt, kan de schadeerdoor enorm zijn, zowel doordirectereparatiekostenalsdoorin-directe economische schade van-wege de lange tijd dat een tunnelbuiten gebruik is. Zo heeft debrand in de Mont Blanctunnel totmeer dan 150 miljoen directeschade geleid en was de tunnelruim twee jaar buiten gebruik [2].W a t i s s p a t t e n ?Spatten van beton is een nauwe-lijks voorspelbaar verlopend pro-ces, waarbij brokken beton aan deverhitte zijde van het beton af-springen.Debelangrijksteoorzakenvanhetspattenspelenzichafopzowelhetmicroniveau van de poriestruc-tuur in de cementsteen als op hetmacroniveau van de gehele con-structie met haar oplegcondities.Enkele voorbeelden hiervan zijn:? De verandering van mechani-sche eigenschappen door che-mische processen bij verhittingzoals dehydratatie.? De opbouw van spanningen inhetporiestelseldoordathetvrijevocht in het beton bij verhittinguitzet of verdampt. De tempera-tuurverhoging veroorzaakt mo-gelijkeenvochtstromingnaardekoelere delen van het beton,waardoor daar de druk nogverder kan oplopen.? De opbouw van thermischespanningen als gevolg van hetuitzetten van de toeslagkorrelsen het krimpen van de cement-matrix. Als gevolg hiervankomen de toeslagkorrels onderdrukspanning en komt de ce-mentsteen onder trekspanning.Bovendien ondergaan sommigechemische componenten in hetbeton een faseverandering bijhoge temperatuur, die gepaardgaat met een onmiddellijk op-tredende volumeverandering.? De opbouw van thermischespanningen doordat wapeningbij verhitting anders uitzet danbeton. Bovendien geleidt wape-ning warmte veel sneller, waar-dooreenlokaleverstoringvandetemperatuurverdeling over debetondoorsnede ontstaat diemogelijk extra splijtspanningenveroorzaakt.? De opbouw van thermischespanningen door een ongelijketemperatuurverdeling in de be-tondoorsnede. De thermischespanningen hangen sterk af vande oplegcondities. De verhittebuitenschil zet meer uit dan dekoele zones dieper in het betonen komt daardoor onder relatiefhoge drukspanning te staan.Het is belangrijk te onderkennendat de opbouw van spanningenzoals hiervoor beschreven, hetgevolg is van opgelegde vervor-mingen. Dit betekent dat nietzozeer sterkte, maar vooral ver-vormingscapaciteit bepalend isvoor de weerstand van betontegen spatten.Spatten kent verschillende ver-schijningsvormen. Het proceskan explosief verlopen of zich re-cement 2004 288Spatten van betonir. J.H.H. Fellinger en ir. A.J. Breunese, TNO Bouw, Centrum voor Brand-veiligheidprof.dr.ir. K. van Breugel en dr.ir. E.A.B. Koenders, TU Delft, Faculteit derCiviele Techniek en Geowetenschappen, sectie BetonconstructiesHet spatten van beton is een prestatiefacet van beton waarover nog veelonduidelijkheid bestaat. De bestandheid van een betonsoort tegen hoge tem-peraturen is een maatschappelijk relevant vraagstuk, dat om een fundamen-tele aanpak vraagt, hetgeen binnen het kenniscentrum DuCon is opgestart[1]. In dit artikel zal worden ingegaan op het binnen DuCon ontwikkelde tra-ject, op de onderzoeksfacetten en op de ontwikkelde technologie?n.1 | Schade door spatten vanbeton; delen van hetafgespatte beton zijnduidelijk zichtbaar in hetscheurpatroonO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandlatief rustig ontwikkelen. Debrokken kunnen zo groot zijn alseen toeslagkorrel of zodanig dateen heel lijf uit een balk in ??nkeer wordt weggeblazen. Spattenis waargenomen bij verschillendebetonsoorten en ?sterktes, bijzeer langzame en zeer snelle ver-hitting, vaak korte tijd na hetbegin van een brand, maar somspas na uren. Soms houdt hetspatten tijdens de brand op, somsgaat het gestaag verder, somshoudt het bij de wapening op,soms gaat het door tot diep achterde wapening.V e r s c h i j n i n g s v o r m e nDe verschijningsvormen vanspatten zijn ruwweg onder te ver-delen in vijf typen:? Progressief spatten: Relatief klei-ne stukjes beton of toeslagkor-rels `schieten' uit het betonop-pervlak door het ontstaan vaneen combinatie van poriedruken thermische drukspannin-gen in de toeslagkorrels in debuitenschil (zie foto 1).? Afregenen: Relatief kleine stuk-jes beton of toeslagkorrelsvallen `rustig' uit het oppervlakals gevolg van verlies aansterkte in combinatie met ther-mische spanningen.? Spatten van hoeken: In kolom-men en balken met grote staaf-kenmiddellijnen springt dedekking in de hoeken eraf tengevolge van splijtspanningenrondom de wapening.? Explosief spatten: Relatief grotebrokken worden uit het beton`weggeblazen'. Deze verschij-ningsvorm wordt met nametoegeschreven aan oplopendeporiedrukken en kan vooral op-treden in balken en kolommendie aan meer dan ??n zijdeworden verhit. Ook zeer hogethermische spanningen doorvolledige verhindering van dethermische uitzetting kan totexplosief spatten leiden.? Spatten tijdens of na afkoelen: Re-latief kleine brokjes betonvallen uit het beton. Rehydrata-tie tijdens afkoelen en later vanCaO naar Ca(OH)2, in betonmet kalksteentoeslag, gaat ge-paard met een onmiddellijk op-tredende volumeveranderingvan 40%, waardoor scheurvor-ming ontstaat en de interne sa-menhang mogelijk verlorengaat.Progressief spatten en afregenenzijn vormen van spatten die ge-durende de verhitting doorgaanterwijl spatten in de hoeken en ex-plosief spatten in principe alleenin het eerste uur van de verhittingvan het betonoppervlak optreden.Thermische isolatie van het be-tonoppervlak kan het tijdstipwaarop spatten begint, uitstellen.Schade door progressief spattenenafregenenisveelkleineraanderand van een betonoppervlak daninhetmidden,hetgeeneropduidtdat thermische spanningen doorde thermische gradi?nt in beideverschijningsvormen een domi-nante rol speelt. In tabel 1 zijn debelangrijkste relaties gegeventussen de mechanismen en deverschijningsvormen.De combinaties van oorzaken ende vele verschijningsvormen lei-den tot een veelheid aan groothe-den die het spatgedrag be?nvloe-den. Het poriestelsel en dehoeveelheid vrij water worden be-?nvloed door de mengselsamen-stelling, toevoeging van vezels,water-cementfactor, type cement,plastificeerders, mengprocedure,stortrichting, conditionering, ou-derdomenz.Dethermischespan-ningen worden bepaald door hettype toeslag, het type cement, debrandomstandigheden, de afme-tingen van de constructie, de me-chanische belasting en de opleg-condities. Bovendien kan wape-ning het spatrisico verminderendoordat het spanningen kan over-nemen, maar kan ook spatten ver-oorzaken door splijtspanningenen verhindering van de vervor-ming.H o e o m t e g a a n m e ts p a t t e n ?Het mag duidelijk zijn dat deenorme negatieve gevolgen vanhet spatten het nodig maakt omin het ontwerp het risico vanspatten te beoordelen. In dehuidige regelgeving [3, 4] zijnvoor een beperkt aantal van bo-vengenoemde grootheden getal-cement 2004 2 89Tabel 1 | Onderlinge relaties tussen mechanismen en verschijningsvormen van spattenchemische porie- incompatibele incompatibele splijt-processen drukken thermische thermische werkinguitzettingen gradi?nten wapeningprogressief spatten X X Xafregenen X X Xspatten op de hoeken X Xexplosief spatten X Xspatten na afkoelen X X2 | Microniveaua. hydratatie van droogcement tot cementsteenb. resulterende porie-structuurc. temperaturen in kleuren dampdruk op de verti-cale as, als resultaat vaneen gekoppelde warmte-en vochtstroombereke-ning in 1/4 van een kolom-doorsnedeabcO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandwaarden gegeven waarbinnen hetspatrisico aanvaardbaar kleinmag worden verondersteld. Dezeregels zijn voor een groot deel vande standaardsituaties toepasbaar.Echter voor niet-standaardtoepas-singen, waaronder brand intunnels, en niet-standaardbeton-soorten zoals beton met nieuwetoeslagmaterialen, geeft de regel-geving geen uitsluitsel. Boven-dien geeft CUR-Aanbeveling 95aan dat er slechts kwalitatieve in-dicaties bekend zijn van deinvloed van bovengenoemde fac-toren op het spatgedrag. De toe-passing van de regelgeving geeftderhalve geen garantie dat de con-structie daadwerkelijk niet spat.Met name voor grote bouwwer-ken waarbij de gevolgen vanspatten groot zijn, is het daaromraadzaam tijdens het ontwerp hetrisico van het spatgedrag te veri-fi?ren.D o e l v a n h e t s p a t o n d e r -z o e kBinnen het kenniscentrum Du-Con zullen in de komende jarenfundamentele numerieke model-len worden ontwikkeld, onder-steund en gevalideerd door ver-nieuwende experimenten, omvoor de betonindustrie de beper-kingen weg te nemen die hetspatten van beton momenteeloplegt. Met de fundamentele mo-dellen zal het mogelijk zijn:? innovaties in beton sneller enveel goedkoper dan nu te reali-seren, zowel op het gebied vanbetontechnologie als op hetgebied van ontwerp, vervaardi-ging en constructie. Met de mo-dellen kan de betonindustriebesparen op tijdrovende en uit-gebreide proeven die nu nodigzijn om het spatgedrag van eeninnovatie experimenteel vast testellen;? het toepassingsgebied van ex-perimentele resultaten uit tebreiden naar een situatie dieniet is getest;? de beproevingsprocedure teverbeteren, zodat deze op con-servatieve wijze de werkelijk-heid representeert en tegelij-kertijd niet te conservatief is;? het veiligheidsniveau van be-tonconstructies te kwantifice-ren. Hierdoor is het mogelijkeen optimale afweging te ma-ken tussen veiligheid en econo-mie.Deontwikkelingvandekennisende modellen komt ten goede aande gehele betonindustrie, vangrondstofproducenten en beton-centrales tot aannemers en con-structeurs. Maar ook eigenarenvan betonconstructies, toezicht-houders en gebruikers zijn ge-baat bij de mogelijkheid hetveiligheidsniveau beter in teschatten.O n d e r z o e k s a a n p a kDe afgelopen decennia is ondermeer bij TNO Bouw veel onder-zoek verricht naar het spatgedragvan beton. Doordat dit onderzoektelkens was gericht op specifieketoepassingen, zijn de resultatentot op heden van beperkte waardevoor het fundamentele begrip tenaanzienvanhetkwantificerenvanhet risico op spatten.cement 2004 2904 |Macroniveau:Thermische spanningenten gevolge van incom-patibele thermische gra-di?nten voor een in ditgeval statisch bepaaldopgelegde vloer die aande onderzijde wordt ver-hit3 | Mesoniveau:Scheurpatroon in proef-stuk voor een directetrekproef, ten gevolgevan verschillen in uitzet-ting tussen toeslag encementsteena. na de trekproef bij20 ?Cb. na verhitting tot400 ?Cc. na de trekproef bij400 ?Ca b ctemp.- + - + - + T tot TO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandIn het samenwerkingsverbandDuCon zal fundamenteel weten-schappelijk onderzoek plaatsheb-ben om de achterliggende pro-cessen te gaan doorgronden enkwantificeren.Het fundamentele onderzoek isonderverdeeld in drie niveaus:micro - meso - macro.? Op microniveau wordt eenmodel ontwikkeld van cement-steen met de bijbehorende po-riestructuur. In dit model zal deverandering van de poriestruc-tuur door chemische processenen het transport van warmte envocht in al haar fasevormenworden berekend bij verhoogdetemperatuur (fig. 2).? Op mesoniveau wordt eenmodel ontwikkeld van cement-steen met toeslagkorrels. In hetmodel wordt het warmte- envochttransport berekend, reke-ning houdend met de verschil-len in thermische en mecha-nische eigenschappen van ce-mentsteen en toeslagkorrels.De cementsteen wordt alseen homogeen materiaal be-schouwd, waarvan de sterkte ende poriedrukken worden over-genomen uit de resultaten be-rekend op microniveau (fig. 3).? Op macroniveau wordt betonals homogeen materiaal be-schouwd, waarbij de materiaal-eigenschappen volgen uit de be-rekeningen op mesoniveau. Opdit niveau worden thermischespanningen door thermischegradi?nten in de constructiebepaaldonderinvloedvanbloot-stelling aan een brand, rekeninghoudend met de uitwendige be-lastingenoplegcondities(fig.4).Naast de ruimtelijke schaalni-veaus zal ook rekening wordengehouden met de verschillendetijdschalen waarop de transport-fenomenen, de chemische pro-cessen en de tijdsafhankelijke ver-vormingen optreden.Momenteel wordt bij TNO Bouwreeds onderzoek uitgevoerd naarde mesoscopische effecten bij hetspatten van beton. Voor het on-derzoek op micro- en macroni-veau worden door het kennis-centrum DuCon momenteelonderzoeksvoorstellen voorbe-reid. Het fundamentele onder-zoek is complementair met prak-tijkonderzoek dat onder meerdoor TNO, CUR en Rijkswaters-taat wordt uitgevoerd in Europeesverband. In dit praktijkonderzoekworden goed ge?nstrumenteerdebrandproevenopwaregrootteuit-gevoerd ter validatie van demodellen op micro-, meso- enmacroniveau. Het onderzoeks-programma is weergegeven intabel 2. L i t e r a t u u r1. Vervuurt, A.H.J.M., J.H.M.Visser, J.C. Walraven en K.van Breugel, DuurzaamOntwerp en Onderhoud vanBetonconstructies. Cement2003 nr. 7.2. FIT WP2, Design Fire Scena-rios. STUVA, 2003.3. NEN 6071:2001, Rekenkun-dige bepaling van de brand-werendheid van bouwdelen;betonconstructies. NEN,Delft.4. CUR-Aanbeveling 95, Reken-kundige bepaling van debrandwerendheid van bouw-delen in hogesterktebeton.CUR, Gouda, 2003.cement 2004 2 91jaar micro meso macro1 thermodynamisch gekoppeld warmte-vochtmodel integraal TNO2 model cementsteen spatmodel CUR3 ontwikkeling RWS4 materiaaltesten5 ontwerp richtlijnentest: vochtmetingen materiaalkundige testen spatproevenTabel 2 | Overzicht van het totale onderzoeksprogramma op het gebied van spatten van beton