Betonabplatzungen bei Tunnelbränden

Mechanismen der Betonabplatzungen 

Bei einem Brand entstehen mechanische Spannungen und chemische Veränderungen im strukturellen Beton. Diese Veränderungen können mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Elastizität beeinträchtigen. Der Beton erhitzt sich von den äußeren Rändern, was zu Entwässerungs- und Verdampfungsprozessen führt. Dies führt zu einem Dampfdruckaufbau, der zu explosiven Rissen im Beton führt, bekannt als Abplatzungen oder Temperaturschock.
 

Chemische Umwandlungen im Beton während des Tunnelbrands

Die Infografik zeigt mehrere wichtige chemische Umwandlungen, die im Beton während eines Brandes auftreten, jeweils verbunden mit spezifischen Temperaturbereichen:


 

• Verlust von chemisch und physikalisch gebundenem Wasser bei 1 atm:

  • Temperaturbereich: Etwa 100°C (212°F).
  • Prozess: Physikalisch gebundenes Wasser geht verloren, was zu einer anfänglichen Schwächung der Betonstruktur führt.

• Hydrothermale Reaktionen und Verlust von chemisch gebundenem Wasser:

  • Temperaturbereich: Beginnt bei niedrigeren Temperaturen und setzt sich bis etwa 300°C (572°F) fort.
  • Prozess: Mit steigender Temperatur beginnt das chemisch gebundene Wasser im Beton zu verdampfen. Dies erhöht die Permeabilität des Betons und macht ihn anfälliger für weitere Schäden.

• Dehydration einiger Feuersteine:

  • Temperaturbereich: Etwa 300°C (572°F).
  • Prozess: Feuersteine im Beton beginnen zu dehydrieren, was zur allgemeinen Schwächung des Materials beiträgt.

• Dehydration von Portlandit:

  • Temperaturbereich: Etwa 400°C (752°F).
  • Prozess: Portlandit (Calciumhydroxid) dehydriert, was zu einem erheblichen Festigkeitsverlust im Beton führt.

• β-Quarz-Übergang in den Zuschlägen:

  • Temperaturbereich: Etwa 573°C (1063,4°F).
  • Prozess: Quarzzuschläge im Beton durchlaufen einen Phasenübergang, was zu inneren Spannungen und möglichen Abplatzungen führt.

• Deutlicher Anstieg des thermischen Kriechens:

  • Temperaturbereich: Etwa 600°C (1112°F).
  • Prozess: Das thermische Kriechen nimmt erheblich zu, was dazu führt, dass sich der Beton bei anhaltend hohen Temperaturen verformt.

• Zersetzung von Karbonaten:

  • Temperaturbereich: Etwa 700°C (1292°F).
  • Prozess: Karbonate im Beton zersetzen sich, setzen Kohlendioxid frei und schwächen das Material weiter.

• Bildung einer keramischen Bindung:

  • Temperaturbereich: Etwa 800°C (1472°F).
  • Prozess: In diesem Stadium bildet sich eine keramische Bindung im Beton, die vorübergehende Stabilität bieten kann, aber letztlich spröde ist.

• Vollständiger Verlust des Hydratationswassers:

  • Temperaturbereich: Etwa 800°C (1472°F).
  • Prozess: Alles Hydratationswasser geht verloren, was zu einem vollständigen Zusammenbruch der inneren Struktur des Betons führt.

• Beton im Schmelzstadium:

  • Temperaturbereich: Beginnt bei etwa 1200°C (2192°F) und steigt weiter an.
  • Prozess: Der Beton beginnt in ein Schmelzstadium überzugehen, wobei seine strukturelle Integrität stark beeinträchtigt wird.

 

Faktoren, die Abplatzungen beeinflussen 

Die Neigung zu Abplatzungen nimmt mit der Festigkeit des Betons zu. Hochfeste Betone haben ein geringeres Porenvolumen, was ihre Permeabilität verringert und sie anfälliger für Abplatzungen macht. Hochleistungsbetone sind besonders anfällig für dieses Phänomen. Darüber hinaus kann Rauch durch Haarlinienrisse, die während eines Brandes entstehen, in den Beton eindringen, die Karbonatisierung beschleunigen oder Chloride einführen, die die Bewehrung korrodieren können.
 

Folgen des Abplatzungsverhaltens von Beton bei Tunnelbränden 

Die durch Abplatzungen und anschließende Brandschäden verursachten Schäden in unterirdischen Transportsystemen können schwerwiegende finanzielle Auswirkungen für Tunnelbetreiber haben. Reparaturen und Ausfallzeiten können zu erheblichen Kosten führen, und die Auswirkungen auf die umliegende Infrastruktur, wie wichtige Verkehrswege, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Die strukturelle Integrität des Tunnels wird beeinträchtigt, was zu langfristigen Sicherheitsbedenken und potenziellen rechtlichen Haftungen für die Betreiber führen kann.
 

Wie kann man Betonabplatzungen bei Tunnelbränden verhindern? 

Die Implementierung passiver struktureller Brandschutzmaßnahmen ist entscheidend, um Abplatzungen zu verhindern und die tragende Bewehrung zu schützen. Aestuver®-Brandschutzplatten können beispielsweise Betonstrukturelemente vor schädlichen Temperaturen schützen, die Dauer und Kosten von Reparaturen reduzieren und die Schließungszeiten von Tunneln minimieren. Diese Platten wirken als Barriere und verhindern, dass die Hitze den Beton erreicht, wodurch seine strukturelle Integrität während eines Brandes erhalten bleibt.

Neben der Verhinderung von Betonabplatzungen haben Aestuver-Brandschutzplatten zahlreiche einzigartige Eigenschaften. Weitere Informationen, warum Sie sich für Aestuver-Brandschutzplatten entscheiden sollten, finden Sie hier.
 

Bei welcher Temperatur tritt Betonabplatzung auf? 

Es ist äußerst schwierig, die genaue Temperatur vorherzusagen, bei der Abplatzungen auftreten können. Verschiedene Betonzusammensetzungen verhalten sich unterschiedlich. In den Brandschutzspezifikationen sehen wir normalerweise die Anforderung, dass die Betonoberfläche eine maximale Temperatur von 380°C nicht überschreiten darf. Aestuver-Brandschutzsysteme wurden jedoch in Tunneln eingesetzt, bei denen die maximal geplante Betonoberflächentemperatur viel niedriger war.

Basierend auf unserer Erfahrung ist die einzige Methode, die Abplatzungstemperatur von Beton korrekt zu bewerten, ein realer Brandtest mit der tatsächlichen Betonzusammensetzung. Ein Beispiel für einen solchen Test finden Sie in “Fire testing procedure for concrete tunnel linings and other tunnel components” von Efectis.
 

Fazit 

Das Verständnis und die Minderung von Betonabplatzungen bei Tunnelbränden sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Sicherheit und Integrität von unterirdischen Transportsystemen. Durch den Einsatz effektiver Brandschutzmaßnahmen können wir die Risiken und finanziellen Auswirkungen von Tunnelbränden erheblich reduzieren. Die detaillierte Analyse der chemischen Umwandlungen und Temperaturbereiche in der Infografik unterstreicht die Komplexität des Abplatzungsprozesses und die Bedeutung umfassender Brandschutzstrategien. Durch eine Kombination aus passiven und aktiven Maßnahmen sowie regelmäßiger Wartung und Notfallvorsorge können wir die Widerstandsfähigkeit von Tunneln verbessern und die Sicherheit ihrer Benutzer gewährleisten.

Wenden Sie sich an unser Aestuver-Team, um weitere Unterstützung in Fragen des Tunnelbrandschutzes zu erhalten.