1. Wprowadzenie. Dr hab. inż. Barbara Klemczak, prof. Pol. Śl. Mgr inż. Agnieszka Knoppik-Wróbel Politechnika Śląska. Streszczenie

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Barbara Klemczak, prof. Pol. Śl. Mgr inż. Agnieszka Knoppik-Wróbel Politechnika Śląska Wpływ wybranych czynników materiałowo technologicznych na temperatury twardnienia betonu w masywnej płycie fundamentowej Influence of chosen material and technological factors on concrete temperatures in massive foundation slab Streszczenie Główną przyczyną powstawania wczesnych rys termiczno skurczowych w betonowych konstrukcjach masywnych są nierównomierne zmiany objętościowe twardniejącego betonu. Spowodowane są one wzrostem temperatury betonu wywołanym egzotermicznym procesem hydratacji cementu oraz wymianą wilgoci twardniejącego betonu z otoczeniem. W artykule omówiono wpływ wybranych czynników materiałowo technologicznych na temperatury twardnienia betonu, które decydującą o wielkości zmian objętościowych betonu w konstrukcji masywnej. Analizy numeryczne, których wyniki przedstawiono w artykule, wykonano autorskim programem TEMWIL a przedmiotem analizy była masywna płyta fundamentowa. Analizowano wpływ typu i ilości cementu na rozkład temperatur twardnienia betonu, uwzględniając trzy typy cementu o zróżnicowanym cieple hydratacji oraz zróżnicowaną ilość cementu w mieszance betonowej. Szczególną uwagę zwrócono na wpływ rodzaju kruszywa na temperatury twardnienia generowane w analizowanych płytach. Przedstawiono również rozkłady temperatury w przedmiotowej płycie z uwzględnieniem zróżnicowanych warunków betonowania i dojrzewania. Abstract The main cause of early age cracks often observed in massive concrete structures are inhomogeneous volume changes associated with thermal and moisture gradients occurring in these structures due to the hydration process. The paper discusses the influence of selected technological and material factors contributing to the increase of temperature, which is the main reason for significant changes in concrete volume. The presented numerical analyses are conducted for a massive foundation slab with use of the original computer program TEMWIL. First, the influence of the type and amount of cement on the distribution of temperature are analyzed. Three types of cements with different heat of hydration development are considered in numerical simulations. Additionally, two different amounts of cement in concrete are included. A special attention is paid to the influence of aggregate type on temperature development in the analyzed slab. The temperature development is also investigated for different conditions of concreting and curing. 1. Wprowadzenie Wzrost temperatury betonu w trakcie jego twardnienia jest wywołany egzotermicznym procesem hydratacji cementu. Ma to szczególne znaczenie w elementach o znacznej grubości, we wnętrzu których panują warunki zbliżone do adiabatycznych, a maksymalna temperatura może osiągnąć nawet C [1, 2, 3]. Jedną z przyczyn wpływających na wysoki wzrost

2 temperatury i jej nierównomierny rozkład pomiędzy warstwami powierzchniowymi a wnętrzem elementu jest niska przewodność cieplna betonu hamująca naturalne jego schładzanie. Jednocześnie w twardniejącym betonie powstają odkształcenia skurczowe, które są skutkiem zachodzących reakcji chemicznych oraz wymiany wilgoci z otoczeniem. Konsekwencją nierównomiernych zmian objętościowych twardniejącego betonu jest powstawanie naprężeń termiczno skurczowych w konstrukcji. Naprężenia te często osiągają znaczne wartości i mogą być przyczyną powstawania zarysowań i spękań konstrukcji, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia trwałości konstrukcji betonowych. Wielkość powstających w twardniejącym betonie naprężeń termiczno skurczowych zależy od wielu czynników technologiczno materiałowych, takich jak na przykład skład mieszanki betonowej i rodzaj stosowanych materiałów, warunki betonowania czy warunki dojrzewania betonu. Istotne znaczenie mają też wymiary, geometria oraz warunki podparcia określające możliwość swobody odkształceń elementu betonowego poddanego zmianom objętościowym [4]. Główny wpływ na wielkość zmian objętościowych betonu w konstrukcji masywnej mają generowane temperatury twardnienia. Ryzyko zarysowania betonu zwiększa się więc wraz ze wzrostem temperatur twardnienia oraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem a powierzchnią. Podejmowane środki zaradcze ograniczające to ryzyko to przede wszystkim zabiegi technologiczne mające na celu obniżenie maksymalnych temperatur twardnienia oraz zmniejszenie wspomnianych różnic temperatur pomiędzy wnętrzem i powierzchnią elementu. Większość zaleceń w tym zakresie sugeruje aby różnica ta nie przekraczała C, a maksymalna temperatura, która generowana jest w procesie twardnienia nie była wyższa niż 65 C. [3, 5, 6, 7, 8]. 2. Czynniki wpływające na generowane temperatury twardnienia Wartości temperatur twardnienia i ich rozkład w elemencie są przede wszystkim kształtowane przez: ilość i rodzaj zastosowanego cementu, co wpływa na ilość wydzielanego w procesie hydratacji ciepła, termiczne właściwości betonu, zależne od zastosowanego rodzaju kruszywa, warunki prowadzenia robót betonowych, takie jak temperatura początkowa betonu, zastosowanie izolacji termicznej, chłodzenia wewnętrznego czy też betonowania etapowego, warunki środowiskowe, takie jak temperatura i wilgotność otoczenia oraz siła wiatru, wymiary i proporcje geometryczne elementu. Potencjalne metody ograniczanie generowanych temperatur twardnienia betonu odnoszą się bezpośrednio do czynników wymienionych wyżej. Za najprostszą i najbardziej skuteczną metodę uważa się właściwy dobór składników mieszanki betonowej. Stosowane są więc cementy o niskim cieple uwodnienia, zaleca się tutaj stosowanie cementów o cieple twardnienia nie przekraczającym J/g po 7 dniach twardnienia [1]. Przy doborze cementu istotna jest również szybkość wydzielania ciepła w procesie twardnienia. Istotne znaczenie ma tutaj stopień rozdrobienia cementu, nie należy stosować więc cementów o dużej powierzchni właściwej. Ograniczana jest też zawartość cementu w mieszance betonowej. Podaje się tutaj, że wzrost temperatury w warunkach adiabatycznych wynosi około 12 o C na 100kg cementu, niezależnie od rodzaju użytego cementu [3]. Istotna jest również ilość wody oraz stosunek w/c w betonie konstrukcji narażonej na powstanie wysokich temperatur. W tym przypadku zaleca się ograniczenie ilości wody i stosowanie możliwie niskiego stosunku w/c [1, 3]. Równie istotny wpływ na generowane temperatury twardnienia w konstrukcji masywnej i ryzyko jej zarysowania ma rodzaj zastosowanego kruszywa, które kształtuje właściwości

3 termiczne betonu. Wartości współczynnika przewodnictwa ciepła betonu i ciepła właściwego z uwzględnieniem jego składu i rodzaju zastosowanego kruszywa mogą być obliczone na podstawie wzorów [1, 9]: n n Gi f1 i, cb = Gi f 2i i= 1 i= 1 λ = (1) gdzie G i oznacza % zawartość poszczególnych składników w 1 m 3 betonu, dla poszczególnych składników mieszanki (Tablica 1). Tablica 1. Współczynniki do wzoru (1) [1, 9] SKŁADNIK f λi WSPÓŁCZYNNIK woda 0,0060 0,0418 cement 0,0128 0,0056 piasek 0,0308 0,0074 bazalt 0,0191 0,0077 dolomit 0,0432 0,0082 granit 0,0294 0,0047 kwarc 0,0460 0,0072 riolit 0,0188 0,0078 Tablica 2. Właściwości cieplne betonu z uwzględnieniem rodzaju kruszywa RODZAJ KRUSZYWA PÓŁCZYNNIK PRZEWODNICTWA CIEPŁA BETONU, W/mK f ci CIEPŁO WŁAŚCIWE BETONU, kj/kgk [wg wzoru (1)]*** kwarcyt 3,41 [wg wzoru (1)]*** 3,5 [3, 5, 6] 3,1 4,1 [10] 1,00 3,27 [wg wzoru (1)]*** dolomit 3,2 [5, 6] 3,3 [3, 10] 2,57 [wg wzoru (1)]*** granit 2,6 2,7 [5, 6] 0,82 2,6 [3, 10] 2,04 [wg wzoru (1)]*** bazalt 1,9 2,2 [5, 6] 0,98 1,9 2,0 [3, 10] piaskowiec 2,9 [3] - wapień 3,2 [3] - f i, f 2i 1 wartości SPÓŁCZYNNIK ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ*, 10-6 / o C 13,5 [5, 6] 13,0** [1] 12,8 [3] 0,95 7,9** [1] 10,2** [1] 9,5 [3] 9,0 [5, 6, 8] 8,3 [5, 6] 9,6** [1] 13,4** [1] 11,7 [3] 5,4 8,6 [5, 6] 6,0 [10] 7,4 [3] Tablica 2 przedstawia wartości współczynników termicznych betonu wykonanego na różnych kruszywach sugerowane w literaturze [3, 5, 6, 8, 10] oraz obliczone według wzoru (1) dla przykładowego składu mieszanki betonowej (cement 350kg/m 3, woda 175l/m 3, piasek 660kg/m 3, kruszywo 1230kg/m 3 ). Najkorzystniejsze w konstrukcji masywnej jest stosowanie kruszywa o możliwie wysokim współczynniku przewodnictwa ciepła i dużym cieple właściwym. W tym kontekście najlepsze właściwości ma kruszywo kwarcytowe i dolomitowe (Tablica 2). Warto również zwrócić uwagę na kruszywo bazaltowe, które ma stosunkowo duże ciepło właściwe, co w przypadku elementów masywnych prowadzi do obniżenia maksymalnych temperatur twardnienia. Istotne znaczenie ma współczynnik rozszerzalności cieplnej, który decyduje o generowanych w procesie twardnienia zmianach objętościowych. W tym zakresie najlepsze właściwości ma wapień i dolomit. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej ma granit, który w niektórych pracach jest też kruszywem polecanym do stosowania w konstrukcji masywnej [8]. Istotny wpływ na generowane temperatury twardnienia betonu konstrukcji masywnej mają również warunki prowadzenia robót betonowych oraz warunki środowiskowe, takie jak temperatura początkowa mieszanki betonowej, temperatura otoczenia oraz wzajemna

4 korelacja tych temperatur. Generalnie za korzystne warunki betonowania konstrukcji masywnych uważa się niską ale dodatnią temperaturę otoczenia oraz obniżanie temperatury początkowej mieszanki betonowej w stosunku do temperatury otoczenia. 3. Założenia i zakres analizy Wpływ wybranych czynników materiałowo technologicznych na temperatury twardnienia betonu analizowano dla masywnej płyty fundamentowej o wymiarach podstawy 10x10m i grubość 3m. Zbrojenie płyty stanowiła siatka powierzchniowa z prętów o średnicy 12 mm w rozstawie 20cm 20cm (stal RB400). Przyjęto, że górna powierzchnia płyty jest zabezpieczona folią a na powierzchniach bocznych ułożone jest deskowanie grubości 1,8cm. Analizy numeryczne rozkładu temperatur twardnienia, których wyniki przedstawiono w artykule wykonano autorskim programem TEMWIL, w którym uwzględniono pełne sprzężenie pól termicznych i wilgotnościowych [11]. Tabela 3. Współczynniki termiczno-wilgotnościowe przyjęte w obliczeniach POLA TERMICZNE tość betonu 3 kg / m 2340 półczynnik uwzględniający wpływ zmian stężenia wilgoci na ruch ciepła półczynnik wymiany ciepła z otoczeniem pło hydratacji 2 W, m K/s 9, W/m 2 K dnie z równaniem: 0,5 (, ) [ ate t = Q e ] Q T 5,80 (powierzchnia z folią) 3,58 (powierzchnia z deskowaniem) 0,66 (powierzchnia z izolacją) 0,81 (powierzchnia dolna, kontakt z gruntem) - CEM I 42.5R: a = t e 0.17, Q = 508 kj/kg - CEM II/B-S 42.5R: a = t e 0.115,Q = 466kJ/kg - CEM V/A 32.5R: a = t e 0.091, Q = 396 kg/kj. POLA WILGOTNOŚCI półczynnik proporcjonalności cieplno-wodnej cementu m 3 /J 0, półczynnik dyfuzji wilgoci 2 W, m /s miczny współczynnik dyfuzji wilgoci 2 T, m /sk półczynnik wymiany wilgoci z otoczeniem, m/s 0, , (powierzchnia odkryta) 0, (powierzchnia z deskowaniem) 0, (powierzchnia z izolacją) 0, (powierzchnia dolna, kontakt z gruntem) Temperatury twardnienia generowane w przykładowej płycie fundamentowej w czasie 20 dni twardnienia betonu wyznaczono uwzględniając trzy typy cementu o zróżnicowanym cieple hydratacji oraz zróżnicowaną ilość cementu w mieszance betonowej. Przyjęto cement CEM I 42,5R, cement CEM II/B-S 42,5R oraz cement CEM V/A 32,5R, każdorazowo zakładając 350kg lub 400kg cementu w 1m 3 betonu. Ciepło hydratacji cementów przyjęto na podstawie badań doświadczalnych (Rys.1) opisując rozwój ciepła hydratacji zgodnie ze wzorem podanym w Tabeli 3. W obliczeniach przyjęto, że beton wykonany jest na kruszywie granitowym. Założono stałą temperaturę zewnętrzną 20 C i temperaturę początkową równą temperaturze zewnętrznej; cztery rodzaje kruszywa; przyjęto kruszywo bazaltowe, dolomitowe, kwarcytowe i granitowe. Współczynnik przewodnictwa ciepła i ciepło właściwe betonu z uwzględnieniem tych kruszyw obliczono zgodnie ze wzorem (1), wartości te zestawiono w Tabeli 2. Obliczenia przeprowadzono dla następującego składu mieszanki betonowej: cement CEM II/B-S 42,5R 350kg/m 3, woda 175l/m 3, piasek 660kg/m 3, kruszywo 1230kg/m 3. W tym przypadku również założono, że temperatura zewnętrzna i temperatura początkowa mieszanki betonowej wynosi 20 C;

5 zróżnicowane warunki betonowania i dojrzewania; Przyjęto trzy dobowe zmiany temperatur i wilgotności dla trzech wybranych miesięcy z roku 2011 [12]. Dobowe zmiany temperatury T min /T max wynosiły odpowiednio: w miesiącu kwietniu 10 C/17 C (oznaczenie kw ), w miesiącu lipcu 18 C/32 C (oznaczenie lip ) i w listopadzie 6 C/10 C (oznaczenie list ). Dodatkowo temperatury twardnienia określono dla zróżnicowanej godziny rozpoczęcia betonowania płyty w tym zakresie przyjęto czas rozpoczęcia betonowania przy najniższej temperaturze dobowej (godzina 2 w nocy) i najwyższej temperaturze dobowej (godzina 12 w południe). Pełny obraz zmian temperatury i wilgotności w trakcie doby pokazano na Rys.2. Obliczenia wykonano dla betonu z kruszywem granitowym o takim samym składzie jak w przypadku analizy wpływu kruszywa. Rys.1. a) Ciepło hydratacji analizowanych cementów, b) Gęstość ciepła hydratacji analizowanych cementów Rys.2. Warunki zewnętrzne przyjęte w obliczeniach: a) dobowa zmiana temperatury otoczenia b) dobowa zmiana wilgotności względnej otoczenia 4. Wyniki analiz numerycznych Prezentowane wyniki obliczeń ograniczono do prezentacji zmian temperatur twardnienia betonu, mimo że program TEMWIL umożliwia również analizę zmian wilgotności. Rozwój temperatur twardnienia przedstawiono dla wnętrza masywnej płyty fundamentowej oraz dla powierzchni górnej płyty. Rysunek 3 przedstawia wpływ typu i ilości cementu na temperatury generowane w masywnej płycie fundamentowej. Zgodnie z oczekiwaniami najwyższą temperaturę (58,7 C przy 350kg cementu i 64,0 C przy 400kg cementu) we wnętrzu płyty odnotowano dla

6 cementu CEM I 42,5R, charakteryzującego się największym ciepłem twardnienia. Stosunkowo niewielkie obniżenie temperatur otrzymano dla cementu CEM II/B-S 42,5R, dla ilości cementu 350kg temperatura maksymalna osiągnęła wartość 57,0 C i 62,0 C dla 400kg cementu. Najniższym ciepłem twardnienia charakteryzuje się cement CEM V/A 32.5R i tutaj odnotowano znacznie niższe maksymalne temperatury twardnienia: 52,2 C przy 350kg cementu i 56,8 C przy 400kg cementu. Warto również zwrócić uwagę, że zwiększenie ilości cementu w 1m 3 betonu o 50kg niezależnie od zastosowanego cementu skutkowało zwiększeniem maksymalnej temperatur o około 5 C. Rys.3. Rozwój temperatur twardnienia we wnętrzu oraz na powierzchni płyty fundamentowej dla różnego typu i ilości cementu w 1m 3 betonu Rysunek 4 przedstawia rozwój temperatur twardnienia we wnętrzu oraz na powierzchni płyty fundamentowej wyznaczony z uwzględnieniem różnego rodzaju kruszywa w betonie. W tym przypadku najwyższą temperaturę twardnienia we wnętrzu płyty wynoszącą 57 C otrzymano dla betonu z kruszywem granitowym. Dla betonu z kruszywem bazaltowym, dolomitowym i kwarcowym wartości maksymalnych temperatur są zbliżone i wynoszą odpowiednio 53 C, 51 C i 52 C (Rys.5). Jednak porównując generowane odkształcenia termiczne we wnętrzu płyty można zauważyć, że w przypadku zastosowania kwarcu są one największe ze względu na wysoki współczynnik rozszerzalności termicznej betonu z kruszywem kwarcowym.

7 Rys.4. a) Rozwój temperatur twardnienia we wnętrzu oraz na powierzchni płyty fundamentowej przy różnym rodzaju kruszywa w betonie b) Odkształcenia termiczne we wnętrzu płyty przy różnym rodzaju kruszywa w betonie Rys.5. Porównanie maksymalnych temperatur twardnienia we wnętrzu płyty i maksymalnych różnic temperatur pomiędzy wnętrzem i powierzchnią górną płyty fundamentowej dla różnego typu i ilości cementu i różnego rodzaju kruszywa w betonie Rozwój temperatur twardnienia we wnętrzu oraz na powierzchni płyty fundamentowej dla zróżnicowanych warunków betonowania pokazano na rysunku 6. Można zauważyć, że warunki prowadzenia robót betonowych mają istotny wpływ na wartości temperatur generowanych w trakcie twardnienia betonu. Widoczny jest szczególnie korzystny wpływ niskiej temperatury zewnętrznej i niskiej temperatury początkowej betonu na temperatury twardnienia betonu. W przypadku betonowania przy temperaturze dobowej T min /T max = 6 C/10 C maksymalna temperatura wnętrza płyty (Rys.6, oznaczenie list_2) wyniosła 37,8 C dla temperatury początkowej 6 C (Rys.6, oznaczenie list_2) i 41,4 C dla temperatury początkowej 10 C (Rys.6, oznaczenie list_12). Przy bardzo wysokiej temperaturze zewnętrznej T min /T max = 18 C/32 C maksymalna temperatura wnętrza wzrosła aż do 72,3 C dla temperatury początkowej 32 C (Rys.6, oznaczenie lip_12) i 56,3 C dla temperatury początkowej 18 C (Rys.6, oznaczenie lip_2). Wyraźnie widać jak duże znaczenie dla generowanych temperatur twardnienia ma temperatura początkowa betonu. Warto zwrócić również uwagę na wartości maksymalnej różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem i powierzchnią elementu. W tym przypadku, pomimo znacznych różnic w temperaturze maksymalnej dla poszczególnych warunków betonowania, wartości różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem i powierzchnią elementu są zbliżone (od 18,6 C dla list_2 do 22,3 C dla kw_12), poza serią lip_12, gdzie omawiana różnica ta wynosi aż 28 C.

8 Rys.6. Rozwój temperatur twardnienia we wnętrzu oraz na powierzchni płyty fundamentowej dla różnych warunków betonowania płyty 5. Podsumowanie Ocena ryzyka wystąpienia rys termiczno skurczowych w konstrukcjach masywnych jest zadaniem trudnym ze względu na znaczną liczbę czynników decydujących o wielkości i charakterze wczesnych zmian objętościowych. W artykule omówiono wpływ wybranych czynników materiałowo technologicznych na temperatury twardnienia betonu, które decydują o wielkości zmian objętościowych betonu w konstrukcji masywnej. Większość zaleceń dotyczących ograniczania temperatur twardnienia betonu w konstrukcji masywnej koncentruje się przede wszystkim na stosowaniu cementów o niskim cieple twardnienia i ograniczaniu ilości cementu w 1m 3 betonu. Przedstawione w artykule obliczenia temperatur twardnienia w masywnej płycie fundamentowej potwierdziły zasadność tych zaleceń. Jednocześnie jednak wykazano, że równie istotne znaczenie na wielkość generowanych temperatur oraz ich rozwój w czasie twardnienia betonu ma rodzaj zastosowanego kruszywa, które decyduje o właściwościach cieplnych betonu. Wydaje się, że zalecenia dotyczące konstrukcji masywnych niedostatecznie podkreślają znaczenie kruszywa. Niezależnie od właściwego doboru składu mieszanki betonowej dla konstrukcji masywnej szczególną uwagę należy zwrócić na dobór okresu betonowania. Przedstawione w pracy obliczenia przykładowej płyty fundamentowej wskazują, że dobierając odpowiednio okres betonowania można uzyskać znaczne obniżenie maksymalnej temperatury twardnienia.

9 LITERATURA [1] W. Kiernożycki: Betonowe konstrukcje masywne. Polski Cement, Kraków [2] P. Witakowski: Termodynamiczna teoria dojrzewania, zastosowanie do konstrukcji masywnych z betonu. Prace Naukowe Politechniki Krakowskiej, [3] A.M. Neville: Właściwości betonu, Polski Cement, [4] Klemczak B., Knoppik-Wróbel A.: Early age thermal and shrinkage cracks in concrete structures description of the problem, Architecture Civil Engineering Environment, Vol. 4, nr 2/2011, s [5] ACI Committee No 207.4R-93 (reapproved 1998): Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete. [6] ACI Committee No 207: Mass Concrete for Dams and other Massive Concrete Structures, ACI Journal, [7] RILEM TC 119-TCE: Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. Materials and Structures, V. 30, October 1997, s [8] J. Gajda, E. Alsamsam: Engineering Mass Concrete Structures, Professional Development Series, Structural Engineer, Portland Cement Association, [9] S.W. Alieksandrowskij: Raszczet bietonnych i żelaziobietonnych konstrukcyj na izmienienija temperatury i włażnosti s uczetom połzuczesti. Stroizdat, Moskwa [10] A.K. Schindler, T. Dossey, B. F. Mccullough: Temperature Control During Construction To Improve The Long Term Performance Of Portland Cement Concrete Pavements. Final Report, Texas Department Of Transportation, [11] B. Klemczak: Prediction of Coupled Heat and Moisture Transfer in Early-Age Massive Concrete Structures. Numerical Heat Transfer. Part A: Applications, Vol.60, No.3, 2011; s [12]