Termicznie zróżnicowane warunki dojrzewania betonu w kontekście budownictwa podziemnego

Transkrypt

1 Dariusz Hajto 1, Paweł Proficz 2 AGH w Krakowie Termicznie zróżnicowane warunki dojrzewania betonu w kontekście budownictwa podziemnego Wstęp Zgodnie z prenormą ENV :2000 [3], betonowanie i pielęgnacja młodego betonu są przewidziane w temperaturach otoczenia z przedziału od +5 ºC do +25 ºC oraz, że temperatura wewnątrz elementu nie powinna przekraczać +65 ºC. W czasie realizacji obiektów inżynierii lądowej warunki termiczne dla betonowania wynikają głównie z temperatury powietrza zewnętrznego (atmosferycznego). W przypadku wykonywania budowli podziemnych zasadnicze znaczenie dla warunków dojrzewania betonu ma naturalna lub sztucznie obniżona temperatura skał zalegających w miejscu wykonawstwa danego obiektu. Podczas budowy podziemnej infrastruktury komunikacyjnej (tunele, stacje metro) oraz górniczych wyrobisk nierzadko występuje potrzeba wykonawstwa betonowych konstrukcji monolitycznych zarówno, przy dużo niższych, jak i znacząco wyższych temperaturach otoczenia, niż wskazane w powyższej prenormie. Poniżej przeanalizowano warunki wykonywania podziemnych konstrukcji betonowych oraz proces wiązania cementu w środowisku zgodnym z wytycznymi normowymi oraz przy podwyższonych i obniżonych temperaturach otoczenia. Warunki mrożenia górotworu Mrożenie, jako stabilizacja ośrodka gruntowego o niekorzystnych parametrach, jest kojarzona z górnictwem. Jednak metoda znajduje również szerokie zastosowanie w budownictwie komunikacyjnym, a jego historia sięga lat 40 XIX wieku [9]. W przypadku wykonawstwa tuneli komunikacyjnych lub metra stosuje się, tzw. płytkie mrożnie [7]. W przypadku górniczych wyrobisk logistyczno-transportowych mamy do czynienia z mrożeniem głębokim przekraczającym 1000 m [7, 16]. W obu przypadkach ogólną zasadą jest zamrożenie zawodnionego ośrodka gruntowo/skalnego. Szczególnymi wskazaniami do stosowania metody mrożenia jest występowanie: skał ilastych przewarstwionych skałami wodonośnymi, skał kurzawkowych, małospoistych, o współczynniku filtracji mniejszym od m/s lub występowanie skał zwięzłych, wodonośnych o dużych wypływach wody pod znacznym ciśnieniem [16]. Przeciwwskazaniami do zastosowania metody zamrażania górotworu jest wysoka temperatura wód, ich znaczna prędkość w górotworze lub duże zasolenie [5]. W praktyce wykonawczej, zależnie od czynnika mrożącego wyróżnia się dwie metody mrożenia, z zastosowaniem różnych mediów mrożących: solanki lub skroplonych gazów o niskich temperaturach wrzenia. W przypadku instalacji solankowej, układ mrożący składa się z parownika, chłodnicy, kompresora oraz zaworu rozprężnego, Rys. 1. Solanka o temperaturze, zwykle z przedziału od -15 C do -30 C, niekiedy 1 Mgr inż., D. Hajto; doktorant, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki 2 Mgr inż., P. Proficz, doktorant, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki 4315

2 dochodzącej nawet do -55 C [14], doprowadzana jest do gruntu szeregiem przewodów połączonych ze sobą równolegle po czym wraca do agregatu chłodniczego. Przepływ solanki wymuszają pompy. Przewody mrożące znajdujące się poza gruntem są izolowane w celu zmniejszenia strat ciepła [1]. Rys. 1. Schemat instalacji mrożącej z zastosowaniem solanki Źródło: Opracowanie własne W przeciwieństwie do instalacji solankowej w przypadku zastosowania ciekłego azotu nie wykorzystuje się agregatów chłodniczych. Ciekły azot (o temperaturze nawet -196 C) lub dwutlenek węgla są dostarczane ze zbiornika do przewodów mrożących podobnie jak w przypadku solanki, Rys. 2. Po ochłodzeniu gruntu azot lub dwutlenek węgla jest uwalniany bezpośrednio do atmosfery, gdyż nie są to gazy toksyczne [1, 14]. Rys. 2. Schemat instalacji mrożącej z zastosowaniem ciekłego azotu Źródło: Opracowanie własne Zamrożenie nawodnionego gruntu skutecznie go uszczelnia przez co następuje naturalna likwidacja przecieków, gdyż ewentualnie penetrująca woda ulega zmrożeniu, a powstały lód zamyka nieszczelności. Zasadniczemu polepszeniu ulegają charakterystyki wytrzymałościowe, umożliwiające przeniesienie dużych obciążeń. Wadą metody mrożenia górotworu jest konieczność wykonywania robót w niekorzystnych, ujemnych temperaturach, które na ociosie wykonywanego wyrobiska wynoszą od -10 do -15 C. 4316

3 Naturalne temperatury górotworu Wyższe temperatury w środowisku betonowania, niż przewidziane w prenormie [3] występują w górotworze, na większych głębokościach pod powierzchnią Ziemi. Na przykład w podziemnych kopalniach w Legnicko-Głogowskim Okręgu Miedziowym temperatury sięgają +48 C [16]. Przyrost temperatury skał, wraz z głębokością związany jest ze strumieniem ciepła płynącym z wnętrza Ziemi do jej powierzchni. Strumień ten jest przyczyną wyższych temperatur skał na coraz niższych poziomach zalegania. Zmienność temperatury charakteryzuje stopień geotermiczny (tj. współczynnik określający, co ile metrów w głąb ziemi temperatura wzrosła o 1 C). Zgodnie z Majorowiczem [11, 12] na większości obszaru Polski stopień geotermiczny waha się w zakresie od 40 m/ C do 67 m/ C. Zgodnie z Kostrzem [9] wartość strumienia ciepła płynącego od górotworu mieści się w przedziale kj/m 2 h. Warunki te są niekorzystne z punktu widzenia wykonawstwa betonowych konstrukcji podziemnych, gdyż taki strumień ciepła płynący od górotworu powoduje ogrzewanie mieszanki betonowej. Bardziej intensywne ogrzewanie ma miejsce przy wysokich temperaturach górotworu, głównie na większych głębokościach. Równocześnie przy dojrzewaniu betonu musi zostać odprowadzone ciepło hydratacji cementu. Wpływ niskich temperatur na dojrzewający beton Zgodnie z PN-EN206-1:2003 [13], mieszanka betonowa w chwili wbudowania powinna mieć temperaturę nie niższą niż 5 C. Planując prace betoniarskie, gdy temperatura otoczenia jest poniżej 5 C lub powyżej 25 C należy przewidzieć środki zabezpieczające młody beton przed uszkodzeniami wynikającymi z negatywnego wpływu takiej temperatury. Zgodnie z ENV :2000 [3], temperatura powierzchni dojrzewającego betonu oraz złącz technologicznych nie powinna spadać poniżej 0ºC, dopóki powierzchnia betonu nie osiągnie wytrzymałości, przy której jest odporna na zamarzanie bez uszkodzeń (zazwyczaj ma to miejsce, gdy f c > 5 MPa). Zgodnie z Instrukcją ITB-282 uzyskanie przez beton granicy wytrzymałości równej 5 MPa nie gwarantuje, iż niska temperatura nie wpłynie negatywnie na dalszy przebieg procesu hydratacji. Instrukcja ITB ITB-282 z 1995 r. [8], uzależnia dodatkowo wytrzymałość betonu na zamarzanie od rodzaju zastosowanego cementu co ujęto na Rys. 3. Równocześnie, wg tej Instrukcji [8]: jeśli przed osiągnięciem wytrzymałości betonu na zamarzanie jego temperatura spadnie do -1 C, nastąpi zniszczenie struktury młodego betonu przez zamarzanie. Rys. 3. Niezbędne wytrzymałości betonu na ściskanie, przy których niskie temperatury nie wpływają negatywnie na dalszy przebieg procesu hydratacji, według Instrukcji ITB-282 Źródło: [8] 4317

4 Wyniki badań doświadczalnych Henga [6] wykazują, że beton dojrzewający w warunkach obniżonych temperatur charakteryzuje się znacznie mniejszą wytrzymałością niż próbki referencyjne dojrzewające w warunkach normowych określonych przez PN-EN Ciepło hydratacji cementu Procesy chemiczne zachodzące podczas wiązania i twardnienia cementu charakteryzują się intensywnym wydzielaniem ciepła [2]. Emisja ciepła jest wynikiem hydratacji poszczególnych mineralnych składników cementu. Obok składu mineralnego cementu, zgodnie z Kurdowskim [10], na intensywność procesu wydzielania się ciepła hydratacji mają wpływ: temperatura zaczynu, rozdrobnienie spoiwa, wartość współczynnika wodno-cementowego oraz zawartości domieszek. Całkowity efekt termiczny reakcji jest określany mianem ciepła twardnienia. Zgodnie z Witakowskim [18], do opisu niestacjonarnego pola temperatury twardniejącego betonu wymagana jest znajomość, tzw. funkcji źródeł W, która wynika z mocy ciepła twardnienia. Flaga w monografii [4], funkcję źródeł W, opisuje zależnością odpowiednio dostosowaną do wyników doświadczalnych. Wpływ temperatury na przebieg funkcji źródeł uwzględnia poprzez zastosowanie, tzw. funkcji temperatury, która jest następująca: f gdzie: T 20 9,8 t Tt 78 ( T ) 2 (2) T t temperatura twardnienia cementu. Po uwzględnieniu temperatury twardnienia, funkcja źródeł (2) przyjmie następującą postać: W gdzie: a1 C q f( t f( T) dt 0 T) 1, 5 e t a 2 ( T) 0 f 1 dt (3) α 1 współczynnik wyznaczony eksperymentalnie, C zawartość cementu w 1 m 3 mieszanki betonowej, q całkowite ciepło twardnienia jednostki masy cementu. Wydzielające się ciepło hydratacji podnosi temperaturę betonu tym bardziej, im bardziej utrudnione jest odprowadzanie ciepła na zewnątrz. Zgodnie z prenormą ENV :2000, punkt 8.5 [3] Najwyższa temperatura wewnątrz konstrukcji betonowej nie powinna przekraczać 65 C, z zastrzeżeniem sytuacji, kiedy na podstawie oddzielnych analiz wykazano, iż wyższa temperatura nie będzie miała szkodliwego wpływu na zachowanie się betonu. Przenikanie ciepła na powierzchni styku górotworu z betonem Problemem są szczególnie elementy masywne, gdzie występuje konieczność odprowadzenia dużych ilości ciepła hydratacji (za pomocą specjalnych systemów chłodzących), aby zgodnie z prenormą ENV :2000, temperatura młodego betonu, nie przekroczyła 65 C. Zdolność betonowanej konstrukcji (w tym podziemnej) do oddawania ciepła hydratacji cementu, zgodnie z Witakowskim [17] można scharakteryzować, tzw. współczynnikiem masywności -m k, obliczanym według relacji: m k = S/V gdzie: 4318

5 S powierzchnia zewnętrzna betonowanego elementu, m 2, V objętość elementu (betonowanego), m 3. Konstrukcję określa się, jako: masywną, w przypadku m k < 2 m -1, średnio masywną, jeśli m k = 2 15 m -1 oraz mało masywną, przy współczynniku m k > 15 m -1. Przyjmując, grubość betonowej obudowy tunelu nie mniejszą, niż z przedziału od 0,35 m do 0,5 m (oraz w uproszczeniu, że odbiór ciepła będzie następował tylko od zewnętrznych stron ściany, przez powierzchnię styku betonu z górotworem i przez deskowanie od wnętrza szybu) obliczony zgodnie z relacją (1) współczynnik masywności wynosi 5,7 m -1 < m k 4 m -1. Oznacza to, że takie betonowe ściany obudowy są konstrukcjami średnio masywnymi i w typowych obiektach inżynierii lądowej najczęściej nie występuje problem z odprowadzeniem ciepła hydratacji cementu. Natomiast, gdy odprowadzenie energii cieplnej jest utrudnione, np. w podwyższonej, naturalnej temperaturze górotworu, zagadnienie wymaga analizy nie tylko w przypadku konstrukcji masywnej [17]. Temperatury od strony ociosu zazwyczaj są większe od 25ºC. Niekiedy występują również temperatury wysokie, nawet wyższe od maksymalnej normowej na powierzchni dojrzewającego, młodego betonu wynoszącej 65 ºC [15]. W związku z tak wysokimi temperaturami musi zostać przeanalizowany zwrot strumienia przepływającej energii cieplnej. Zależnie od temperatury powierzchni dojrzewającego młodego betonu - t b, i temperatury górotworu - t g, występują trzy odmienne przypadki: t b > t g wówczas ma miejsce odprowadzanie ciepła hydratacji z betonu do ociosu, t b = t g nie ma przepływu energii oraz t b < t g zamiast odbioru ciepła hydratacji występuje przepływ odwrotny, to jest dostarczanie energii cieplnej z ociosu do młodego betonu. Inne warunki odbioru ciepła z dojrzewającego, młodego betonu występują od strony deskowania. Wtedy intensywność strumienia ciepła przenikającego od betonu przez deskowanie, zgodnie z Wacławikiem [15] jest zależna od: wydatku i prędkości powietrza przepływającego w wyniku wentylacji oraz od wymiarów geometrycznych wyrobiska i chropowatości jego powierzchni. Podsumowanie Budowa podziemnych obiektów budowlanych, a w szczególności komunikacyjnych n nierzadko wymaga zastosowania specjalnych metod wykonywania. Zastosowanie metody mrożenia gruntu pozwala na wykonanie obiektu w trudnych warunkach geologicznych. Metoda ta, jednak wymaga prowadzenia prac budowlanych w niskich temperaturach. Temperatura ściany wyrobiska sięgająca, na ogół -15 C, zgodnie z obowiązującymi normami wymaga zabezpieczenia betonu przed szkodliwym działaniem niskiej temperatury. Należy podkreślić, że przed osiągnięciem przez beton wytrzymałości na ściskanie z przedziału od 5 MPa do 10 MPa (zależnie od zastosowanego cementu) obniżenie temperatury dojrzewania, już do -1 C powoduje zniszczenie struktury młodego betonu przez zamarzanie oraz znaczący spadek jego wytrzymałości względem betonu dojrzewającego w warunkach normowych. Procesy chemiczne zachodzące podczas wiązania i twardnienia cementu mają charakter egzotermiczny. Intensywność wydzielania się ciepła hydratacji wynika, z tzw. mocy ciepła twardnienia, opisanej funkcją źródeł W. Zgodnie z Flagą [4] na funkcję W istotnie wpływa temperatura twardnienia betonu, uzależnia od, tzw. funkcji temperatury - f (T). Wykonując betonowe konstrukcje podziemne na dużych głębokościach należy uwzględnić strumień ciepła płynący od skał wyrobiska do dojrzewającego betonu obudowy. Strumień ten może powodować znaczne przyspieszenie procesu hydratacji oraz znaczny wzrost temperatury w młodym betonie. W takim przypadku należy zbadać czy temperatura w młodym betonie nie przekroczy wartości normowej, równej +65 C. 4319

6 Wykonywanie konstrukcji betonowych oraz pielęgnacja betonu zarówno przystosowaniu metody mrożenia górotworu, jak też przy wykonywaniu robót na dużych głębokościach wymagają zbadania wpływu nie normowej temperatury otoczenia na proces dojrzewania młodego betonu. Streszczenie W artykule przedstawiono termiczne warunki dojrzewania betonu podziemnych budowli takich jak: obudowy tuneli komunikacyjnych, stacji metra oraz wyrobisk górniczych. Warunki gruntowe dla tych konstrukcji wymagają nierzadko wykonywania metody mrożenia górotworu. W takim przypadku warunki dojrzewania betonu znacząco odbiegają od wartości przewidzianych w normach. Opisano wpływ tych warunków na proces dojrzewania betonu, oraz wydzielania ciepła hydratacji. Słowa kluczowe: beton podziemnych budowli, ciepło hydratacji, mrożenie górotworu THERMALLY DIVERSIFIED CONCRETE CURING CONDITIONS IN THE CONTEXT OF UNDERGROUND CONSTRUCTION Abstract The paper presents the thermal curing conditions of concrete for underground structures such as casing communication tunnels, subway stations and mining excavations. Ground conditions for these constructions often require performing the method of freezing the rock mass. In this case, the concrete curing conditions differ significantly from the values provided in the standards conditions. The paper discusses the influence of these conditions, on the maturation process and hydration heat release of concrete. Keywords: concrete, heat of hydration, ground freezing, rock mass temperature Literatura [1] Andersland B., Ladanyi B.: Frozen Ground Engineering, 2nd edition, John, [2] Czarnecki L., Broniewski T., Heinning O.: Chemia w budownictwie, Arkady, Warszawa, [3] ENV :2000 Wykonywanie konstrukcji betonowych. Część 1: Uwagi ogólne, Prenorma Europejska, Norma [4] Flaga K., Energetyczne podstawy wzrostu wytrzymałości betonu tężejącego w warunkach obróbki termicznej: Zeszyty naukowe Politechniki Krakowskiej, nr 3/1971. [5] Głuch P. Szczepaniak Z.: Głębienie szybów, Dział wydawnictw PŚ, Gliwice, [6] Heng S.: Wpływ obniżonej temperatury na rozwój wytrzymałości betonu, Dni betonu, Wisła, [7] Hydzik J.: Betony nowej generacji w budownictwie podziemnym: obudowa szybu głębionego w sztucznie zamrożonym górotworze nowe podejście, Wydawnictwo Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, Kraków, [8] Instrukcja ITB-282: Wytyczne wykonywania robót budowlano-montażowych w okresie obniżonych temperatur, ITB, Warszawa, [9] Kostrz J.: Górnictwo, t., Wydawnictwo Śląsk, Katowice, [10] Kurdowski W.: Chemia cementu, PWN, Warszawa,

7 [11] Majorowicz J.: Analiza pola geotermalnego Polski na tle Europy ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień tektonicznych i hydrogeotermalnych, Przegląd geologiczny nr 3/1977. [12] Majorowicz J.: Przebieg wartości stopnia geotermicznego w Polsce w przedziale głębokości m, Kwartalnik Geologiczny, t. 15, nr 4/1971. [13] PN-EN 206-1:2003 Beton - Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. [14] Stoss J., Valk. K.: Uses and limitations of ground freezing with liquid nitrogen, Engineering Geology, Vol. 13, Issues 1 4, [15] Wacławik J.: Wentylacja kopalń, Wydawnictwa AGH, Kraków, [16] Wichur A.: Uwagi o projektowaniu technologii zamrażania górotworu dla potrzeb głębienia szybów, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 31, Zeszyt 3, Wydawnictwa AGH, Kraków, [17] Witakowski P.: Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu, "Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych", XIII Konferencja Naukowa, Korbielów, [18] Witakowski P.: Termodynamiczna teoria dojrzewania, zastosowanie do konstrukcji masywnych z betonu, Zeszyt naukowy nr 1, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków,