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Forschungsprojekt

Entwicklung einer intumeszierenden Brandschutzbeschichtung für Ultra-Hochfesten Beton (UHPC)

Ultra-Hochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter Beton mit einer stahlähnlich hohen Druckfestigkeit von bis zu 250 N/mm². Er ist bis zu 10-mal fester als üblicher Normalbeton. Unter Brandbelastung kommt es bei UHPC aufgrund der schnellen Erwärmung zu explosionsartigen Abplatzungen. Diese werden im Wesentlichen durch den Massentransport in Form von Wasser, Wasserdampf und Luft durch das Porensystem des Betons beeinflusst. Im Brandfall steigt der Porendruck an. Das sehr dichte Gefüge von Ultra-Hochfestem Beton unterstützt diesen Prozess, so dass die Gefahr von explosionsartigen Abplatzungen steigt. Im Ergebnis kann es zu einem vorzeitigen Tragfähigkeitsverlust kommen. Im Rahmen eines Projekts des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig wurden Maßnahmen untersucht, die Abplatzungen unter Brandbelastung zu minimieren und damit den Brandschutz von UHPC zu verbessern. 

Aufgabe der Wissenschaftler des Fraunhofer WKI war es, im Unterauftrag der TU Braunschweig zu untersuchen, ob die im Holzbereich erfolgreich entwickelten Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen einen Lösungsansatz bieten können. Die Idee war, dass mittels der intumeszierenden Brandschutzbeschichtung die Erwärmung der Bauteile minimiert werden sollten. Eine langsamere Erwärmung, insbesondere in der Anfangsphase des Brandes, sollte zum Abbau der Temperaturgradienten im Randbereich des Betonquerschnitts und folglich zur Reduktion des Porendrucks und der für Abplatzungen mitverantwortlichen Eigenspannungen führen.

Die Wirkungsweise von intumeszierenden Brandschutzbeschichtungen ist grundsätzlich bekannt. Dämmschichtbildende Beschichtungen reagieren im Brandfall auf die Temperaturerhöhung der umgebenden Gasphase. Wird eine bestimmte Grenztemperatur überschritten, so bildet sich eine voluminöse kohlenstoffhaltige Schicht, die das darunter liegende Substrat isoliert und vor Wärmeeintrag schützt. Die Bildung der Dämmschicht basiert auf einer Reihe temperaturabhängiger chemischer Reaktionen. Die Brandschutzbeschichtungen bestehen in der Regel aus den Komponenten Bindemittel, Gasbildner, Kohlenstoffbildner, einem sauren Katalysator und weiteren Additiven. Intumeszierende Brandschutzbeschichtungen werden z. B. zum Schutz von Stahl- und auch zum Schutz von Holzbauteilen heran gezogen. Für Betonbauteile sind zwar grundsätzlich Systeme verfügbar, die z. B. zur Ertüchtigung des Feuerwiderstands historischer unterdimensionierter Stahlbetondecken herangezogen werden können. Diese eignen sich aber nicht zum Schutz von UHPC, da sie erst bei höheren Temperaturen reagieren.

Ausgangspunkt für die Entwicklungsarbeiten waren die im Holzbau bereits erfolgreich entwickelten Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen. Im Rahmen der Arbeiten erfolgte zunächst ein Bindemittelscreening der kommerziell erhältlichen, für mineralische Untergründe geeigneten, Bindemittel. Der Schwerpunkt lag auf wässrigen Polymerdispersionen, die auf einem Copolymer aus Vinylacetat (VAc) und/oder Acrylat (Acr) und Vinylester der Versaticsäuren (VeoVa) basieren. Die untersuchten Bindemittel unterscheiden sich in der Polymerteilchengröße, Emulgatortyp, pH-Wert und Mindestfilmbildetemperatur. Eine intumeszierende Grundmischung wurde in das jeweilige Bindemittel eindispergiert.

© Foto Fraunhofer WKI

Abb.1: Mit Brandschutzbeschichtung BB3 beschichtete UHPC-Platten nach Beflammung im Laborbrand.

© Foto Fraunhofer WKI

Abb.2: Laborbrandergebnisse einiger Brandschutzbeschichtungen ohne und mit Additiven, Trockenauftrag 1,1 kg/m².

© Foto Fraunhofer WKI

Abb. 3: Maximale Aufschäumhöhe und Aufschäumhöhe bei 450 °C mittels TMA und T (°C) aus den Laborbrandversuchen nach 30 Minuten.

Das Brandverhalten der beschichteten UHPC-Platten wurde im Labormaßstab in einem Beflammungsstand nach WKI-Methode untersucht. Bei ungeschützten 1 cm dicken UHPC-Proben wurden Temperaturbelastungen auf der Rückseite von bis zu 350 °C nach 15 Minuten erreicht. Im Gegensatz dazu gelang es mit der besten Grundrezeptur und Trockenauftrag von 1,1 kg/m2 nach 15 Minuten die Rückseitetemperatur auf 213 °C zu senken. Durch Intumeszenz bildete sich ein rissfreier, homogener, kompakter Schaum, mit weißer Krone und annährend spitz zulaufender Aufwölbung. Kein offener Hohlraum wurde beobachtet (Abb.1). Bei allen Probekörpern blieb noch unreagierte Beschichtung unter dem entwickelten isolierenden Schaum. Die Rezeptur BB3 wurde weiterhin optimiert um die Brandschutzwirkung zu steigern. Der Temperaturverlauf der Rezepturen BB7 und BB3 im Laborbrand ist bis zu einer Temperatur von 140 °C identisch. Für weitere 15 Minuten der Beflammung weist die BB7 eine Verbesserung der Brandschutzleistung auf (Abb.2). Dies ist auf endergonische Zusätze zurückzuführen, die in die Rezeptur eingeführt wurden.

Im nächsten Schritt wurden der Grundrezeptur BB3 Verarbeitungs- oder Dispergieradditive zugesetzt. Mit der Rezeptur BB21 ist es gelungen, die Brandschutzwirkung über die gesamte Beflammungszeit zu verbessern (Abb. 2). Die Probe BB21 wies eine homogene Aufschäumung ohne Rissbildung und Aufklaffen des Schaums auf.

Die substratunabhängige Volumenzunahme der Brandschutzbeschichtungen wurde mittels thermomechanische Analyse (TMA) untersucht. Daraus kann geschlossen werden, ob das ausgewählte Bindemittel eine Intumeszenz erlaubt, bei welcher Temperatur diese einsetzt und wie hoch die Formulierung aufschäumt. Zusätzlich liefert die TMA-Kurve Information über die Stabilität des Schaums.

In Abb. 3 sind die Ergebnisse aus der TMA und den Laborbrandversuchen zusammengefasst. Die höchste Aufschäumhöhe, sowie der stabilste Schaum und beste Schutz wurde mit der Brandschutzbeschichtung BB21 erreicht. Zwei Rezepturen wurden für weitergehende Untersuchungen an das iBMB für Ofenbrandversuche gegeben. Hier wurden Stützenabschnitte aus UHPC unter Normbrandbedingungen untersucht. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass mittels Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen eine Verbesserung erzielt werden kann. Diese ist zum derzeitigen Stand allerdings noch nicht ausreichend. Weitere Entwicklungsarbeiten konnten aufgrund des beschränkten Budgets leider nicht mehr durchgeführt werden. Diese Arbeiten bleiben daher weiteren Forschungsprojekten vorbehalten.