A numerical and experimental analysis of the influence of water content on explosive spalling phenomena in concretes exposed to elevated temperatures

Os concretos de alta compacidade, com resistências elevadas (acima de 40 MPa), estão começando a ser cada vez mais usados em obras de infraestrutura e em edificações de grande porte, devido às importantes vantagens que os mesmos oferecem em termos de capacidade de carga e durabilidade. Um dos pontos acerca de seu desempenho que levanta dúvidas envolve o seu comportamento frente a elevadas temperaturas. Evidências coletadas em incêndios ocorridos em estruturas reais, como o do Channel Tunnel e do Mont Blanc Tunnel, indicaram que, sob certas circunstâncias, existe a possibilidade de ocorrência de um fenômeno, conhecido como spalling explosivo, que causa sérios danos por lascamento ao material, incrementando de forma significativa a degradação térmica. Isso ocorre porque a reduzida porosidade e a baixa permeabilidade favorecem o aprisionamento do vapor de água nos poros, gerando um acréscimo da pressão interna que ocasiona tensões que podem superar a resistência à tração do concreto. O processo de spalling, bem como a sua probabilidade e severidade de ocorrência, dependem de uma série de fatores interdependentes que influenciam o comportamento do material. Contudo, está se formando um consenso de que o teor de umidade é o parâmetro mais influente para o desencadeamento do processo. Estudos efetuados após o reconhecimento da existência do spalling explosivo demonstraram que o mesmo tende a ocorrer somente quando o concreto apresenta teores muito elevados de umidade em sua estrutura de poros. Isso restringe a preocupação a certos tipos de elementos onde o concreto pode estar muito úmido por ocasião do sinistro. Embora estes sejam casos raros, a gravidade dos danos devido ao spalling explosivo justifica que se investiguem as condições nas quais o mesmo pode acontecer e se implementem medidas mitigatórias. Dado o caráter recente das investigações sobre o tema, ainda existe uma carência de estudos específicos que apontem quais as combinações críticas de porosidade e teores de umidade que desencadeiam o fenômeno. Este trabalho foi concebido para ajudar a superar essa lacuna de conhecimento, coletando dados sobre as condições que favorecem o spalling explosivo, bem como averiguando quais são as propriedades mecânicas residuais e as alterações na microestrutura sofridas por concretos com vários patamares de resistência submetidos a altas temperaturas. O trabalho utiliza os dados coletados para fundamentar a proposição de um modelo simplificado de spalling, elaborado com o objetivo de prover uma forma de considerar os efeitos do fenômeno durante uma análise termomecânica. Essa é uma necessidade fundamental para complementar os softwares atualmente utilizados para analisar os efeitos de incêndios sobre estruturas. O módulo de spalling foi implementado computacionalmente de forma que pudesse ser utilizado em consórcio com a ferramenta computacional VULCAN, o que permitiu simular a ocorrência do fenômeno na deterioração de uma viga durante um incêndio. Os resultados indicaram que a perda de seção transversal causada pela ocorrência do spalling explosivo reduz substancialmente o tempo de resistência ao fogo (TRRF), devido à aceleração dos danos e à redução da capacidade portante dos elementos estruturais de concreto. Conclui-se, portanto, que é fundamental considerar a possibilidade de lascamentos explosivos em estruturas suscetíveis ao fenômeno. De acordo com o presente estudo, estas incluem aquelas fabricadas com concretos de resistência maior que 40 MPa, que apresentem grau de saturação em torno ou superiores a 90%.In the last years, the utilization of high-strength concrete (HSC) in the construction industry, with compressive strength grades greater than 40 MPa, has become wide spread due to remarkable characteristics of durability and load bearing capacity. However, the increased use of HSC has raised concerns regarding the behaviour of such concretes in fire. Evidences which were collected from structures exposed to the effects of fires, like Channel Tunnel and Mont Blanc Tunnel, have indicated that there is a possibility of the occurrence of explosive spalling in this condition. The phenomenon causes serious damages to the material and raises its thermal degradation in a significant way. This occurs because of its low porosity and permeability that contribute for the vapour pressure build-up in the pores, generating stresses which can exceed tensile strength of the material. The probability and severity of spalling process depend on a large number of inter-dependent factors that influence the behaviour of HSC in an unexpected manner. There is a consensus that the moisture content is one of the principal factors of the occurrence of explosive spalling. Recent investigations have demonstrated that spalling tends to occur only when the moisture content in the pores of concrete is elevated. Although fire is considered an exceptional event, the seriousness of spalling in concrete structures justifies the investigation of conditions in that the phenomenon can be happen and the implementation of preventive measures. In spite of the recent advances about the spalling process in HSC at high temperatures, there is still a lack of information in relation to the critical combinations of factors which affect the spalling occurrence. This work intends to help overcoming this lack of knowledge from the experimental data analysis with the purpose of establishing some critical conditions which collaborate in the spalling process as well as investigating the residual mechanical properties and changes in the microstructure of different concrete grades submitted to high temperatures. In addition, the experimental data are used to validate the proposition of a simplified model of spalling which was developed with the objective to take into account the effects of spalling in the thermo-mechanical analysis. This is an important need to complement the fire analysis of concrete structures. The spalling model was incorporated in the VULCAN software to simulate the phenomenon occurrence in a concrete beam exposed to fire. The results shown that the loss of mass in the beam cross-section, caused by spalling, reduces substantially its required time of fire resistance whereas it accelerates the damage in the concrete and aids the reduction of load bearing capacity of structural element. In conclusion, it is essential to consider the possibility of concrete spalling mainly in concrete grades greater than 40 MPa that present a saturation degree higher than 90%