Wpływ ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej z płaszczem mrożeniowym

Transkrypt

1 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud CUPRUM nr 2 (67) 2013, s Sławomir Fabich 1), Sławomir Świtoń 1) Wpływ ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej z płaszczem mrożeniowym Streszczenie Przedstawiono analizę wpływu ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej płaszcza mrożeniowego z wykonywaną w warunkach zamrożonego górotworu obudową szybową. Ilość ciepła emitowana w procesie wiązania betonu może mieć kluczowe znaczenie dla stanu zamrożenia ociosów, co bezpośrednio może przełożyć się na bezpieczeństwo podczas głębienia szybu. Analiza ta została wykonana z zastosowaniem metody elementów skończonych. Do obliczeń posłużono się rzeczywistymi wartościami parametrów termicznych skał oraz betonu. W wyniku analizy uzyskano informacje odnośnie dynamiki zmian temperatury strefy kontaktowej, a w szczególności określono czas, po którym nastąpi powtórne jej zamrożenie. Słowa kluczowe: mrożenie górotworu, głębienie szybów, ciepło hydratacji Concrete hydratation heat influence into the thermal properties of ice-wall at the contact between rock and linen Abstract In this paper hydratation heat influence into the thermal processes that occurs in the contact zone between frozen wall and concrete lining has been analysed. Amount of heat that is emitted by this concrete may be crucial for freezing wall condition which may be important in matter of safety during the shaft sinking. This analysis was conducted using Finite Elements Method. Real thermal properties of rock and concrete were used within the calculations. Information about the dynamics of temperature changes at the contact zone as well as the time of refreezing were gained during this analysis. Key words: rock freezing, shaft sinking, hydratation heat Wstęp W chwili obecnej do skutecznego głębienia szybów w trudnych warunkach geologicznych i hydrogeologicznych wykorzystywana jest technika mrożenia górotworu, podczas której wytwarzany jest odpowiedniej grubości i wytrzymałości płaszcz mrożeniowy. Jego zadaniem jest ochrona wyrobiska szybowego przed wdarciem się wody, zapewniając jednocześnie stateczność ociosów do chwili wykonania obudowy. W tym celu przed rozpoczęciem procesu głębienia szybu wykonuje się z zewnętrznego kręgu orurowane otwory mrożeniowe, do których, po ich uzbrojeniu 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, Wrocław

2 6 Sławomir Fabich, Sławomir Świtoń w rury wewnętrzne (tzw. opadowe) wprowadza się oziębioną substancję chłodniczą (najczęściej chlorek wapnia CaCl 2 ) o temperaturze dochodzącej do -35 C. Substancja ta ma za zadanie stopniowe odbieranie ciepła z poszczególnych pakietów skalnych, aż do całkowitego ich zamrożenia. Ze względów wytrzymałościowych oraz technologicznych dla potrzeb bezpiecznego głębienia szybu w strefie mrożonej niezbędne jest spełnienie przez płaszcz mrożeniowy dwóch warunków: osiągnięcie wymaganego stanu zamrożenia górotworu, tj. zamrożenie tylko ociosów głębionego szybu lub też zamrożenie górotworu łącznie z jądrem; uzyskanie wymaganej grubości płaszcza mrożeniowego w poszczególnych pakietach skalnych. Technologia głębienia szybu w zamrożonym górotworze uzależniona jest od rodzaju skał oraz zaprojektowanej obudowy. W praktyce górniczej, w strefie mrożonej najczęściej stosowana jest obudowa dwuwarstwowa murowo-betonowa, panelowobetonowa z hydroizolacją, betonowa monolityczna oraz w warunkach spodziewanych dużych obciążeń ze strony zawodnionego górotworu obudowa betonowa z wkładką stalową lub obudowa tubingowa. Obudowa dwuwarstwowa murowobetonowa oraz panelowo-betonowa z hydroizolacją wykonywana jest przeważnie w dwóch fazach: faza I wznoszenie muru z cegły lub paneli jako obudowy wstępnej wykonywanej za postępem głębienia szybu, faza II wznoszenie obudowy ostatecznej (oraz zabudowa hydroizolacji) od dołu do góry. Pozostałe dwa rozwiązania obudowy, tj obudowa betonowa z wkładką stalową oraz tubingowa wykonywane są przeważnie za postępem głębienia szybu, minimalizując tym samym wielkość otwarcia jego dna, co jest ważne w warunkach głębienia szybu, przy dużych obciążeniach oddziaływujących na płaszcz mrożeniowy od strony górotworu. Konsekwencją stosowania w praktyce górniczej tych rozwiązań jest to, iż wiążący beton ma bezpośredni kontakt z zamrożonym górotworem. Taki stan rzeczy sprawia, że przy dużych objętościach betonu, na skutek ciepła, jakie wydzielane jest podczas hydratacji cementu może dochodzić do częściowego rozmrażania się płaszcza mrożeniowego na kontakcie z betonem obudowy. Powyższe, w granicznych przypadkach i przy niekorzystnych uwarunkowaniach związanych z właściwościami geomechanicznymi mrożonych skał oraz technologicznych może prowadzić do utraty przez płaszcz mrożeniowy swojej wytrzymałości, a w konsekwencji szczelności. Zbyt znaczące rozmrożenie strefy kontaktowej betonu z zamrożonym górotworem, przy długo utrzymującym się tym stanie, może również uniemożliwić poprawną współpracę obudowy z górotworem w aspekcie przekazywania na górotwór obciążeń związanych z ciężarem samej obudowy. Może to prowadzić do nadmiernych przemieszczeń pionowych segmentów obudowy betonowej lub w przypadku kolumny tubingowej do powstawania nadmiernych rozwarć na złączach poziomych, przy jednoczesnym uszkodzeniu śrub tubingowych. W dostępnych opracowaniach naukowych problem ten nie był szczegółowo analizowany, a w praktyce wykonawczej radzono sobie z nim poprzez bardzo intensywne zamrożenie górotworu i dostosowanie prędkości głębienia szybu do stanu tego zamrożenia. W celu określenia stopnia wpływu temperatury pochodzącej od hydratacji cementu postanowiono zbudować prosty model odzwierciedlający wycinek obudowy z górotworem oraz wykonać metodą elementów skończonych obliczenia przepływów cieplnych dla zadanych warunków termicznych.

3 7 Wpływ ciepła hydratacji betonu 1. Wpływ zjawiska hydratacji w betonie na płaszcz mrożeniowy Zjawisko hydratacji występuje w momencie, gdy w twardniejącej mieszance betonowej następuje proces łączenia się cząsteczki cementu i wody. Na skutek utraty masy na poziomie cząsteczkowym ich połączenie się skutkuje uwolnieniem energii (w tym przypadku energii cieplnej). Proces wiązania cementu jest zatem typową reakcją egzotermiczną. Wpływ na ilość emitowanego ciepła mają takie czynniki jak [1]: skład mineralny cementu, klasa cementu; zawartość dodatków (np. popiołu lub żużla). W przypadku betonów wykonywanych na bazie zwykłych cementów portlandzkich blisko połowa ciepła hydratacji wydzielana jest pomiędzy pierwszym a trzecim dniem po zakończeniu robót betonowych, zaś 75% całkowitej ilości ciepła wydzielane jest w okresie do 7 dni [2]. Zjawisko wydzielania ciepła z hydratacji betonu ma znaczenie przy dużych obiektach technicznych, gdyż powstałe w wyniku dużego zróżnicowania temperatur wewnątrz struktury betonu naprężenia mogą doprowadzić do spękań i zarysowań, co owocuje obniżeniem trwałości i wytrzymałości betonu [3]. Nieco inaczej proces ten przebiega w warunkach wiązania betonu w niskich temperaturach w obecności płaszcza mrożeniowego. Przy małych objętościach betonu może dojść do zamarznięcia wody zarobowej, jeszcze przed związaniem betonu. W takich warunkach beton nie zwiąże, ulegnie tylko zamarznięciu, któremu będzie towarzyszył wzrost objętości lodu utworzonego z wody zarobowej. Proces wiązania betonu będzie tu wstrzymany, aż do osiągnięcia przez beton dodatniej temperatury, w której beton zwiąże bez utraty swojej wytrzymałości. Inaczej proces ten będzie wyglądał w momencie, gdy beton ulegnie zamrożeniu po częściowym jego związaniu. Proces zamrożenia niszczy strukturę betonu obniżając znacznie jego wytrzymałość. Najbardziej optymalną sytuacją będzie ta, gdy ilość betonu będzie gwarantowała, że energia pochodząca z hydratacji cementu wchodzącego w jego skład będzie równoważona przez zimno dopływające z zamrożonego górotworu, stwarzając tym samym idealne warunki do wiązania. Najgorszą z możliwych, w aspekcie współpracy płaszcza mrożeniowego z betonem obudowy, jest sytuacja nadmiarowej ilości ciepła hydratacji, nie mogącej być zrównoważoną przez zimno dopływające z płaszcza mrożeniowego. Prowadzi to do jego rozmrażania, czego skutkiem mogą być zjawiska opisane we wstępie niniejszego artykułu. 2. Modelowanie przepływów termicznych opis wykorzystywanego narzędzia Do analiz posłużono się programem Solidworks Simulation z modułem do obliczeń termicznych. Moduł ten pozwala na obliczanie temperatury, gradientów temperatury oraz przepływów ciepła w oparciu o warunki generowania, przewodzenia, konwekcji i promieniowania ciepła. Badania termiczne pomagają unikać niepożądanych warunków cieplnych, takich jak przegrzanie i topnienie, a także modelować rozprzestrzenianie się temperatur w różnych ośrodkach. Oprogramowanie to wyko-

4 8 Sławomir Fabich, Sławomir Świtoń rzystuje do symulowania przepływu ciepła pomiędzy warstwami skalnymi o różnych parametrach metodę elementów skończonych. Tworzenie siatki elementów skończonych odbywa się z wykorzystaniem dwóch różnych mechanizmów obliczeniowych. Pierwszym jest siatka standardowa oparta na prostokątach, oraz siatka oparta na krzywiźnie. We wszystkich modelach zbudowanych na potrzeby niniejszego artykułu wykorzystywano siatkę opartą na krzywiźnie. Siatka ta bowiem lepiej dopasowuje się do stosunkowo małych elementów poprzez zagęszczenie w najbardziej newralgicznych dla modelu miejscach. Program umożliwia modyfikację rozmiaru elementów skończonych dla całej siatki, w obrębie jednego bądź wielu regionów. Oprogramowanie Solidworks Simulation do obliczeń termalnych wykorzystuje solver FFEPlus, dający dokładniejsze wyniki obliczeń dla analiz termicznych aniżeli inny wykorzystywany również przez oprogramowanie Solidworks Simulation solver DirectSparse. Technika obliczeń polega ona na rozwiązaniu określonej ilości równań dla każdego z elementów odpowiadającej ilości stopni swobody dla danej analizy. Siatka elementów skończonych została zaprojektowana tak, aby spełniała kryteria oczekiwanego rozwiązania danego problemu, oraz aby zbudowany model przedstawiał uproszczoną wersję realnego modelu geometryczno-geologicznego. 3. Parametry modelu oraz założenia obliczeniowe Dla potrzeb analizy numerycznej wykonanej w programie Solidworks Simulation zbudowano model obliczeniowy (rys.1) oraz zdefiniowano dane wyjściowe. Rura mrożeniowa Rys. 1. Model obliczeniowy geometria

5 9 Wpływ ciepła hydratacji betonu Uznano, iż na potrzeby wykazania wpływu ciepła pochodzącego z hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej płaszcza mrożeniowego wystarczającym będzie uproszczony model, składający się jedynie z przykładowej warstwy skalnej z usytuowanym w niej otworem mrożeniowym. Ponadto umieszczono w omawianym modelu obudowę betonową o grubości 1 metra. Do obliczeń przyjęto następujące parametry i założenia: średnia temperatura płaszcza mrożeniowego = -10 o C temperatura betonu = +30 o C temperatura rur mrożeniowych = -30 o C parametry materiałowe [4]: o Górotwór Piaskowiec gruboziarnisty współczynnik przewodzenia ciepła = 0,84 W/m*K ciepło właściwe = 1000 J/kg*K masa właściwa = 2400 kg/m 3 o Beton współczynnik przewodzenia ciepła = 3,8 2,4 W/m*K ciepło właściwe = J/kg*K masa właściwa = 2030 kg/m 3. Na potrzeby niniejszego opracowania w obliczeniach pominięty został wpływ temperatury powietrza w szybie, z uwagi na fakt, iż będzie on miał znikomy wpływ na wyniki analizy. 4. Wyniki przeprowadzonej analizy Analizę przeprowadzono dla zadanych we wcześniejszym rozdziale parametrów wejściowych i założeń. Obliczenia obejmowały okres czasu od 0 do 50 dni z interwałem jednodniowym. Na rys. 2 przedstawiono stan temperaturowy w momencie pełnej hydratacji cementu obudowy betonowej - T bet =+30 o C. Na kontakcie betonpłaszcz mrożeniowy temperatura wynosi +4 o C. Maksimum temperaturowe na kontakcie przypada na 3 dzień po wykonaniu obudowy i wynosi 4,9 o C. Na rys. 3 pokazano rozkład temperatur po 13 dniach od wykonania obudowy. W tym momencie na kontakcie beton-płaszcz mrożeniowy temperatura wynosi 0 o C. Na rys. 4 zaprezentowano dystrybucję temperatur na kontakcie pomiędzy betonem, a płaszczem mrożeniowym po 20 dniach od wykonania obudowy. Na kontakcie tym temperatura wynosi -4 o C. Po 30 dniach od wykonania obudowy na kontakcie beton-płaszcz mrożeniowy temperatura wynosi -8,0 o C i jest to początek procesu zamarzania obudowy betonowej, a po 40 dniach w strefie kontaktowej pomiędzy obudową betonową a płaszczem mrożeniowym temperatura wynosi -12 o C, a na licu wynosi -4 o C. Rozkład zmiany temperatur w czasie w trzech najbardziej newralgicznych punktach modelu tj.: na kontakcie pomiędzy górotworem, a obudową betonową, w środku grubości obudowy betonowej, na licu obudowy betonowej, przedstawiono na rys. 5.

6 10 Sławomir Fabich, Sławomir Świtoń Rys. 2. Wyniki analizy stan wyjściowy z chwilą wykonania robót betonowych Rys. 3. Wyniki analizy rozkład temperatur po 13 dniach

7 11 Wpływ ciepła hydratacji betonu Rys. 4. Wyniki analizy rozkład temperatur po 20 dniach Rys. 5. Rozkład temperatur na licu i w środku przekroju obudowy betonowej oraz w płaszczu mrożeniowym

8 12 Sławomir Fabich, Sławomir Świtoń Wnioski 1. Proces hydratacji betonu w warunkach wykonania obudowy betonowej o grubości 1,0 m w zamrożonym górotworze wyzwala ilość ciepła powodującą rozmrożenie górotworu na kontakcie z koszulką betonową na głębokość kilkunastu centymetrów. Maksimum temperaturowe na kontakcie obudowa-płaszcz mrożeniowy przypada na trzeci dzień po wykonaniu obudowy i wynosi około +5 o C. Po tym czasie następuje stopniowy spadek temperatury na kontakcie z górotworem oraz w obudowie. Po 13 dniach temperatura na kontakcie wynosi 0 o C i dopiero od tego momentu następuje powolne zjawisko zamarzania górotworu w strefie przylegającej do obudowy. Po około 15 dniach płaszcz mrożeniowy ulega odbudowie i następuje proces powolnego zamarzania obudowy betonowej. 2. W sytuacji jak powyżej, przy założeniu, iż za obudową występują zawodnione skały luźne lub spoiste (piaski, iły, gliny), w początkowym okresie po wykonaniu obudowy nie można liczyć na przeniesienie przez górotwór jej ciężaru. Dopiero po około 20 dniach górotwór uzyskuje wytrzymałość gwarantującą stabilność obudowy. 3. Przeprowadzone obliczenia modelowe wskazują na brak możliwości wykonywania w zamrożonych skałach luźnych lub spoistych obudowy betonowej o grubości 1,0 m bezpośrednio za postępem przodka, gdyż nie ma gwarancji przeniesienia przez rozmrożony górotwór jej ciężaru. W takich warunkach jedną z możliwych technologii jest głębienie szybu dłuższymi odcinkami w obudowie wstępnej podwieszanej i wykonywanie obudowy ostatecznej, betonowej z dołu do góry, przy czym odcinek wznoszonej obudowy betonowej winien być wsparty na stopie podstawowej o parametrach gwarantujących przeniesienie ciężaru wznoszonego odcinka obudowy. Bibliografia [1] Neville A.M., 2000, Właściwości betonu. Wydawca: Polski cement Sp. z o.o. Kraków. [2] Bogue R.H., 1955, Chemistry of Portland Cement. Reinhold, New York. [3] [ ] [4] Chmura K., 1970, Własności Fizyko-termiczne skał niektórych polskich zagłębi górniczych, Wydawnictwo Śląsk, Katowice.