The influence of pore pressure on the fracture behaviour of high performance concrete with and without polypropylene fibres

The gradual or sudden separation of concrete layers or pieces from the surface of structural elements subjected to fire (spalling) is still a hot issue in structural design, since this phenomenon may lead (a) to a sizeable reduction of the cross-sectional area and (b) to the direct exposure of rebar’s to flame. On this topic a great number of studies have been conducted, always looking into the role of both internal material factors (moisture content, porosity, tensile strength, fibre content) and external structural factors (heating rate, applied loads and constraints) in influencing the two main mechanisms responsible for this phenomenon. On the one hand heating generates temperature gradients that induce compressive stresses near the exposed surface (due to restrained thermal dilation) and tensile stresses in the cooler interior region (thermo-mechanical process). On the other hand, heating produces moisture transport and water vaporization (thermo-hygral process), causing the vapour pressure build-up in the pores, which, especially for HPC, substantially contributes to the explosive nature of spalling (explosive spalling). The latter evidence justifies the recent and increasing attention to the thermo-hygral behaviour of concrete exposed to fire, recognizing the vapour pressure build-up as the main provoking spalling phenomenon mechanism. From the experimental point of view, several authors have directly measured the local pressure in concrete specimens subjected to thermal transients in different test conditions, obtaining values as high as 5 MPa in case of HPC and lower values for OPC. Another research trend is based on numerical models simulating heat and mass transport occurring in concrete exposed to high temperature. One of the critical problems of these models in assessing the risk of concrete spalling is the mutual interaction between pore pressure and the mechanical response of the material. In order to clarify this point a special set-up has been designed aiming at performing simple indirect-tension tests (split-cube tests) under different level of sustained pore pressure. These levels are achieved by preliminary heating two opposite’s faces of cubic specimens, whereas the lateral ones are sealed and thermal insulated, so as to create a mono-dimensional thermo-hygral transient field. The fracture is induced in the symmetry plane, where both temperature and pressure are monitored using a customized probe. The self-tensioning effects on the mechanical response of specimens are estimated by means of numerical simulations of heat transfer, based on back-analysis of some experimental results. The numerical results emphasize a good correspondence with experimental evidence in assessing the thermal field and the self-tensioning effects on mechanical response. Moreover, the experimental results show that the pore pressure and the reduction of the apparent tensile strength have comparable values. This evidence, corroborated by simple considerations based on linear-elastic fracture mechanics, contrasts some other models, proposed in literature. In fact, these models assume that gas pressure is exerted inside the pores and suggest to multiply it by the material porosity value, much smaller than the unitary value. After all the experimental campaign show that pore pressure might be, in itself, a sufficient driving force to trigger explosive spalling in concrete members exposed to fire.

La graduale o improvvisa espulsione di strati o frammenti di calcestruzzo dalla superficie esposta all’incendio di un elemento strutturale (spalling) è tuttora un importante argomento di discussione nella progettazione strutturale, in quanto tale fenomeno può comportare una significativa riduzione della sezione resistente e l’esposizione diretta delle barre di armatura alle fiamme. A riguardo sono stati condotti numerosi studi, volti alla valutazione dell’influenza che sia fattori interni al materiale (contenuto di umidità, porosità, resistenza a trazione, contenuto di fibre) che esterni (velocità di riscaldamento, carichi applicati e condizioni di vincolo) esercitano sui due principali meccanismi responsabili del fenomeno (processi termo-meccanico e termo-igrometrico). Da un lato, infatti, il riscaldamento genera dei gradienti termici che inducono sforzi di compressione negli strati prossimi alla superficie esposta (a causa della dilatazione termica impedita) e sforzi di trazione nelle regioni interne, più fredde (processo termo-meccanico). Dall’altro induce il trasporto di acqua (sia allo stato liquido che gassoso) e la sua vaporizzazione, causando l’aumento della pressione di vapore all’interno dei pori (processo termo-igrometrico), contribuendo così, specialmente per i calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC), alla natura esplosiva del fenomeno (explosive spalling). La violenza dello spalling sembra giustificare la grande attenzione rivolta, in tempi relativamente recenti, al comportamento termo-igrometrico del calcestruzzo, riconoscendo nello sviluppo della pressione di vapore il principale meccanismo scatenante. Da un punto di vista sperimentale, alcuni autori hanno misurato direttamente la pressione dei pori localmente in provini di calcestruzzo soggetti a diversi cicli di riscaldamento, ottenendo valori elevati (fino a 5 MPa) per i calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC) e valori più bassi per i calcestruzzi ordinari (OPC). Una seconda metodologia di ricerca, invece, è basata sulle modellazioni numeriche volte a simulare il trasporto di calore e di massa all’interno del calcestruzzo esposto ad alta temperatura. Un problema critico di questi modelli atti alla valutazione del rischio di spalling, consiste nella definizione dell’interazione tra pressione nei pori e risposta meccanica del materiale. Al fine di chiarire tale aspetto, è stato messo a punto un set-up sperimentale, il cui scopo è quello di permettere l’esecuzione di prove di trazione indiretta (prove di splitting su provini cubici) per diversi livelli di pressione interna nei pori. Questi livelli vengono raggiunti attraverso il riscaldamento dei provini cubici su due facce opposte, mentre le rimanenti facce vengono preventivamente impermeabilizzate ed isolate termicamente, in modo da creare un processo termo-igrometrico pressoché monodimensionale. La frattura è indotta sul piano di simmetria del provino, dove vengono costantemente monitorate sia la pressione nei pori che la temperatura, per mezzo di un apposito sensore. L’effetto delle autotensioni termiche sulla risposta meccanica è stato studiato attraverso simulazioni numeriche incentrate unicamente sul trasferimento di calore e, quindi, su una stima sufficientemente attendibile del campo termico che si viene ad instaurare nella tipologia di prova sopra descritta, sfruttando l’analisi inversa di risultati sperimentali precedentemente ottenuti. I risultati delle modellazioni numeriche hanno evidenziato una buona corrispondenza con la realtà sperimentale per quanto riguarda la stima del campo termico e dell’effetto delle autotensioni. I risultati delle prove mostrano, invece, come la pressione nei pori misurata e la conseguente riduzione della resistenza a trazione apparente abbiano valori dello stesso ordine di grandezza. Tale evidenza, corroborata da semplici considerazioni basate sulla meccanica della frattura lineare elastica, si contrappone ad altri modelli proposti in letteratura, che, ipotizzando la pressione agente unicamente all’interno dei pori, suggeriscono di moltiplicarla per il valore della porosità (di molto inferiore all’unità). In definitiva la pressione nei pori sembra essere, da sola, una forza sufficiente all’innesco dello spacco esplosivo di elementi strutturali di calcestruzzo esposto al fuoco.