Fast transient analysis of spalling phenomenon using neutron radiography

Concrete is one of the most used material in building constructions and probably will remain in use into future. However, as other materials, it has some defects which constantly researchers look forward to mitigating them. Although lower conductivity in comparison with steel which translates into more resisting structures, spalling phenomenon is a great potential threat to fire resistivity of concrete structures. This phenomenon can reduce the effective cross section dramatically and easily cause rebars exposure which can finally lead to collapse of the structure. Complexity of this phenomenon due to interaction of thermal, physical, chemical processes, makes spalling not fully known and predictable. Risk of spalling is even more in high performance concrete which has higher mechanical and durability performance, which is preferable in high rise building and infrastructures. Spalling occurred in tunnels and caused interruption in transportation all around world (Channel tunnel fire 1996 Mont Blanc Tunnel fire (1999, lasting for 53 hours), Moorfleet Underpass fire in Hamburg(1999), Germany (destroying 34m of PSC lining and causing 30cm spalling), Guadarrama Underpass fire in Spain, etc.). The object of the thesis is a deeper understanding of the basic mechanisms that give rise to the phenomenon, with particular regard to the role of thermal energy. In fact, after just a few minutes of exposure to fire, the heat accumulated in the concrete cover exceeds by some orders of magnitude the energy required to fracture and detach the concrete fragments from the exposed surface. Therefore, it is important to understand the role of water contained in the pores which, by drawing thermal energy, can vaporize very quickly, producing the mechanical work necessary for the development of the phenomenon. This principle was first verified with simple laboratory tests. Subsequently, a special experimental device was devised for the study of hygral transients within a neutron radiography facility, capable of visualizing the evolution of the water content within the materials. The results, supported by advanced numerical analyses, show how the contribution of a thin layer of moist concrete facing a fracture in the concrete is sufficient to feed this discontinuity with pressurized vapour, favouring a rapid crack opening, with the explosive effects that are usually associated with the splinters detachment. The work therefore proposes a new and very promising perspective towards the formulation of design criteria useful for the prevention or mitigation of the phenomenon.

Il calcestruzzo è uno dei materiali più utilizzati nelle costruzioni civili e probabilmente il suo impiego continuerà a essere diffuso in futuro. Tuttavia, come altri materiali, presenta alcuni difetti sulla cui mitigazione si concentra l'attività dei ricercatori. Sebbene la conduttività termica sia relativamente bassa, il che si traduce in strutture più resistenti al fuoco, i forti gradienti termici che si sviluppano in caso di incendio sono responsabili del fenomeno dello spacco superficiale, che può minare severamente la resistenza al fuoco delle strutture in calcestruzzo. Questo fenomeno può ridurre drasticamente la sezione trasversale efficace e causare facilmente l'esposizione di armature che possono infine portare al collasso della struttura. La complessità di questo fenomeno, dovuta all'interazione di processi fisici e chimici, rende lo spacco superficiale non completamente noto e prevedibile. Il rischio è ancora maggiore nel calcestruzzo ad alte prestazioni, che presenta caratteristiche meccaniche e durabilità più elevate e il cui impiego è preferibile in edifici alti e infrastrutture. Si infatti possono citare diversi esempi in cui si sono verificati distacchi del copriferro nei tunnel con conseguenti interruzioni dell'operatività (tunnel della Manica, 1996; tunnel del Monte Bianco, 1999; sottopassaggio Moorfleet ad Amburgo, sottopassaggio a Guadarrama in Spagna, ecc.). L'oggetto della tesi è una comprensione più approfondita dei meccanismi di base che danno origine al fenomeno, con particolare riguardo per il ruolo dell'energia termica. Di fatto, già dopo pochi minuti di esposizione al fuoco, il calore accumulato nel copriferro supera di alcuni ordini di grandezza l'energia necessaria per fratturare e distaccare violentemente i frammenti di calcestruzzo dalla superficie esposta. Diventa quindi importante comprendere quale sia il ruolo dell'acqua contenuta nei pori che, attingendo energia termica, può vaporizzare molto rapidamente, producendo il lavoro meccanico necessario per lo sviluppo del fenomeno. Questo principio è stato dapprima verificato con delle semplici prove di laboratorio. Successivamente, è stato costruito un apposito dispositivo sperimentale per lo studio dei transitori igrometrici all'interno di un'apparecchiatura per radiografie neutroniche, capace di visualizzare l'evoluzione del contenuto d'acqua all'interno dei materiali. I risultati, supportati da analisi numeriche avanzate, mostrano come il contributo di un sottile strato di calcestruzzo umido che sia affaccia su una frattura nel calcestruzzo sia sufficiente ad alimentare questa discontinuità con vapore in pressione, favorendone una rapida apertura, con gli effetti esplosivi che solitamente vengono associati ai distacchi superficiali. Il lavoro propone quindi una prospettiva nuova e molto promettente verso la formulazione di criteri progettuali utili alla prevenzione o mitigazione del fenomeno.