11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
1
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
11.
Í
Í
Ï
Ï
Î
Î
PRZEBIEG OBRÓBKI CIEPLNEJ PREFABRYKATÓW BETONOWYCH
11.1. Schemat obróbki cieplnej betonu i konsekwencje z niego wynikające
W rozdziale 6 wskazano na zależność dynamiki narastania wytrzymałości betonu od temperatury. Z zależno-
ści tych korzysta się także w prefabrykacji betonowej, dążąc w sposób celowy do przyspieszonego uzyskania
przez beton w prefabrykacie tzw. wytrzymałości rozformowania. Uzyskanie tej wytrzymałości zależne jest od
składu mieszanki i klasy betonu, temperatury dojrzewania betonu, wymiarów i smukłości elementu oraz typu
urządzenia formującego. Wartości tych wytrzymałości są przedmiotem rozważań technologów produkcji. Jeśli
brak szczegółowych danych, wartości wytrzymałości można przyjmować następująco:
−
prefabrykaty wielkowymiarowe formowane w formach bateryjnych - 10
÷
12 MPa,
−
prefabrykaty wielowarstwowe z keramzytobetonu wykonywane w formach standowych - 5
÷
7 MPa,
−
stopy
wielokanałowe formowane poziomo - 8 MPa,
−
dźwigary sprężone 30 metrowe - 30
÷
35 MPa,
−
drobne elementy budowlane produkowane metodą wibroprasowania - bezpośrednio po procesie formowania.
Żądana wytrzymałość betonu na ściskanie zapewnia obliczony cykl obróbki termicznej o schemacie jak na rys.
11.1.
Ogólny schemat cyklu obróbki cieplnej metodą powierzchniową z podziałem na poszcze-
gólne fazy przedstawia się na rys. 11.1.
Rys. 11.1 Ogólny schemat obróbki termicznej betonu
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
2
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
Fazy te są następujące:
Faza I - wstępne dojrzewanie betonu. Czas trwania fazy I ma duży wpływ na wytrzymałość betonu bezpo-
średnio po obróbce cieplnej jak i po dalszym okresie twardnienia. Optymalny czas wstępnego dojrzewania betonu
zależy od rodzaju cementu, składu betonu, początkowej i maksymalnej temperatury obróbki oraz jej metody.
Czas wstępnego dojrzewania betonu me powinien być krótszy niż 3 godziny; dalsze jego skrócenie możliwe jest
tylko przy masie betonowej o konsystencji gęsto-plastycznej. Nie ma również potrzeby przedłużenia tego okresu
powyżej 8 godzin, gdyż nie daje to już praktycznie żadnych korzyści.Skrócenie okresu wstępnego dojrzewania
poniżej 6 godzin bez uszczerbku dla wytrzymałości betonu może mieć miejsce tylko wtedy, gdy sztucznymi za-
biegami doprowadzi się beton do takiego stanu pod względem właściwości fizycznych, jakie osiąga się w nor-
malnych warunkach po 6 godzinach. Do zabiegów tych należą: domieszki chemiczne (chlorki), podwyższona
temperatura początkowa masy betonowej (nie wyżej niż -30°C), zwiększenie stopnia rozdrobnienia cementu.
Faza II - podnoszenie temperatury. Szybkość podnoszenia temperatury zależy od sposobu oddziaływania
na beton czynnika grzejnego, konsystencji masy i czasu trwania fazy I. Dopuszczalne szybkości podnoszenia
temperatury betonu wynoszą:
- 30°C/h przy długim okresie wstępnego dojrzewania i gęsto-plastycznej konsystencji masy;
- 20°C/h przy krótkim dojrzewaniu wstępnym (poniżej 3 godzin) i półciekłej konsystencji masy.
Faza III - nagrzewanie w temperaturze maksymalnej (nagrzewanie izotermiczne). Narastanie wytrzymałości
betonu jest proporcjonalne do wzrostu temperatury i czasu nagrzewania tylko w pewnych granicach, przy prze-
kroczeniu których efektywność ekonomiczna obróbki cieplnej gwałtownie spada. Tak np. przy stosowaniu ce-
mentów portlandzkich i temperatur do 60°C nie jest celowe przedłużanie nagrzewu powyżej 12 godzin, przy
temperaturach 8O°C - powyżej 8 godzin, a przy temperaturach 100°C powyżej 4 godzin.
Faza IV - studzenie betonu. Dopuszczalna szybkość studzenia elementów zależy od ich wielkości i wytrzy-
małości na ściskanie. Im wytrzymałość betonu jest większa, a przekroje elementów mniejsze, tym studzenie be-
tonu może następować szybciej. W przeciętnych warunkach obniżenie temperatury powinno odbywać się w
tempie me większym niż 20°C/h i trwać do czasu, gdy różnica temperatury betonu i otaczającego środowiska nie
przekracza 40°C.
Jeżeli ze względów organizacji produkcji nie zależy na szybkim studzeniu elementów, czas trwania fazy IV
może być wykorzystany dla dalszego narastania wytrzymałości betonu. Przeciętnie przy powolnym stygnięciu
elementu trwającym około 10 godzin przyrost wytrzymałości betonu dochodzi do 135 % wytrzymałości jaką
osiągnął beton w chwili rozpoczęcia jego studzenia.
W praktyce cykle dzieła się. w zależności od poziomu izotermicznego nagrzewu i czasu trwania na:
•
krótkie
•
średnie
•
długie
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
3
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
Schematy cykli przedstawiono na rys. 11.2
Rys.11.2 Schemat cykli obróbki termicznej betonu
Rys. 11.3 Krzywa wzrostu wytrzymałości w zależności od temperatury.
Tem
peratura
,
Czas
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
4
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
Przykłady obliczeń.
1) Schematy
Rys. 11.4 Schematy obróbki termicznej przyjęte do obliczeń
2) Dane wyjściowe : beton klasy B20; B20 = R
G
b
=20 MPa;
__
R = R
G
b
+ 1,645
SR
=20 + 1,645 o 3,0
≅
25Mpa
R
28
= 25Mpa
R – wytrzymałość rozformowania
R
=
10,0MPa
Obliczenia :
- cykl w temperaturze 80
°
C
_
t = 50
°
C, h = 3 godz., z wykresu dla
_
t =50
°
C, h = 3godz.,
28
)
3
,
50
(
R
R
°
∆
=
0,19
∆
R = 0,19 o 25 = 4,75MPa
R -
∆
R = 10,0 – 4,75 = 5,25Mpa (dla obróbki w temp. 80
°
C)
25
25
,
5
= 0,21 (dla temp. 80
°
C) – odczytany z wykresu czas x = 1,5 godz. (3 + 1,5 = 4,5godz.)
- cykl w temperaturze 60
°
C
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
5
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
_
t = 40
°
C, h = 3 godz.,
28
R
R
∆
= 0,16;
∆
R
)
3
,
40
(
°
= 4Mpa
→
6Mpa (60
°
C)
25
0
.
6
= 0,24 (temp. 60
°
C); czas x = 3godz.(3,0 + 3,0 = 6godz.)
3)beton klasy B15
R
28
= 20MPa; R = 10MPa;
_
t = 50
°
C; h = 3godz.
28
R
R
∆
= 0,19;
∆
R = 0,19 o 20 = 3,8MPa
R -
∆
R = 10,0 – 3,8 = 6,2MPa
20
2
,
6
= 0,31; x = 2,5godz.
cykl = 3 + 2,5 = 5,5godz.
11.3.Bilans ciepła
Ustalenie rzeczywistego schematu obróbki termicznej betonu umożliwia wykonanie bilansu ciepła, zapotrze-
bowania na ciepło oraz porównano efektywności obróbki termicznej przy różnych urządzeniach formujących.
Obliczenia przeprowadza się dla fazy II i fazy III, tj. dla okresu podnoszenia temperatury (przedział A) oraz
okresu izotermicznego nagrzewu (przedział B).Przyjęty do obliczeń schemat i przedziały temperatur podano na
rys. 11.5. W tablicy 11.1 porównano procentowe zużycie ciepła na ogrzanie betonu (Q
1
), na ogrzanie formy,
obudowy i pokrycie strat przez powierzchnie przewodzące (Q
2
, Q
3
, Q
4
). W zależności od rodzaju formy efek-
tywność wykorzystania ciepła jest różna: przy pojedynczej formie jedynie 19,3% ciepła ogrzewa beton, w tunelu
naparzalniczym aż 44,5%.
Rys. 11.5 Schemat obróbki termicznej dla przedziału A i B
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych
6
Józef Jasiczak - „Technologie budowlane II” 2003r.
Alma Mater
A. Podnoszenie temperatury 20
°
C
→
60
°
a) ogrzanie betonu Q
1
= c
b
o m
b
o (t
2
– t
1
) ; kJ
b) ogrzanie formy, stojaków Q
2
= (c
m
o m
m
+ c
d
o m
d
) o (t
2
-t
1
)
c) ogrzanie obudowy Q
3
=
∑
c
i
o m
i
o (t
3
-t
1
) ; kJ
d) straty ciepła przez powierzchnie przewodzące
Q
4
= h
1
o
∑
F
i
o k
i
o (t
2
-t
4
) ; Wh
e) nieszczelności komory Q
5
= 0,1
÷
0,2 o
∑
=
4
1
i
Q
i
; kJ
Zapotrzebowanie
ciepła dla fazy A
Q
A
=
∑
=
5
1
i
Q
i
; kJ
B. Izotermiczny nagrzew
f) straty ciepła Q
6
= h
2
o
∑
F
i
o k
i
o (t
2
-t
4
) ; Wh
g) nieszczelności Q
7
=
1
2
h
h
o Q
5
; kJ
Zapotrzebowanie
ciepła dla fazy B
Q
B
= Q
6
+ Q
7
; kJ
RAZEM Q
AB
= (Q
A
+ Q
B
)
o
ν
; kJ
c
b
– ciepło właściwe beto-
nu
K
kg
kJ
o
m
b
– masa betonu, kg
t
3
– średnia temp. obu-
dowy
h
1
– czas trwania II fazy
F
i
– powierzchnie odda-
jące ciepło
h
2
– czas trwania III fazy
k -
K
m
W
2
t
4
– temp. otoczenia
1Wh = 3,6kJ
ν
- ogólny współczynnik
strat ciepła
Tablica 11.1 Zapotrzebowanie i straty ciepła w zależności od rodzaju formy;
%
;
Ilość ciepła
Pojedyncza forma
Komora naparzalnicza
Tunel naparzalniczy
Q
1
Q
2
Q
3
+Q
4
Q
5
Kondensat
19,3
1,7
64,6
1,2
13,2
41,0
11,8
32,7
1,6
12,9
44,5
27,3
28,2
-
-
Suma 100 100 100