background image

1

Autor: dr inż. Marek Pańtak

STOPIEŃ MASYWNOŚCI 

ELEMENTÓW BETONOWYCH

(SAMOOCIEPLENIE BETONU)

Opracowano na podstawie:

K.Flaga: Zarysowania termiczne 

ś

cian przyczółków i 

ś

cian oporowych obiektów mostowych w pobli

ż

styku z fundamentami, In

ż

ynieria i Budownictwo 1-2/2009, s. 11-20.

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Samoocieplenie betonu w wyniku procesu hydratacji cementu zale

ż

ne jest od stopnia 

masywno

ś

ci  elementu.  Za  najprostsze  kryterium masywno

ś

ci  elementu  betonowego 

mo

ż

na przyj

ąć

 warto

ść

 tzw. modułu powierzchniowego „m”

[ ]

1

=

m

V

F

m

gdzie:

F - powierzchnia zewn

ę

trzna elementu, przez któr

ą

 odbywa si

ę

       

wymiana ciepła (ewentualnie wilgoci) z otoczeniem w m

2

V - obj

ę

to

ść

 elementu, m

3

.

Dla  elementów  o  skomplikowanych  kształtach  nale

ż

y  do  obliczenia  warto

ś

ci  „m” 

skorzysta

ć

 z powy

ż

szego wzoru.

background image

2

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Dla  elementów  płytowych  lub  tarczowych  o  grubo

ś

ci  „h”  w  [m]  i  pozostałych 

wymiarach l

1

, l

2

mo

ż

na skorzysta

ć

 z wzoru uproszczonego: 

[ ]

1

2

=

m

h

m

za

ś

  dla  elementów  pryzmatycznych,  o  przekroju  kwadratowym  o  boku „a”  w  [m]  lub 

kolistym o 

ś

rednicy „d” w [m]:

[ ]

1

4

4

=

=

m

d

a

m

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

W zale

ż

no

ś

ci od warto

ś

ci modułu „m” wyró

ż

niamy:

a)  elementy masywne - m  

2,0  m

-1

,

b)  elementy o 

ś

redniej masywno

ś

ci - 2,0 < m < 15 m

-1

,

c) elementy niemasywne - m  

15 m

-1

.

Ś

ciana o grubo

ś

ci h = 1,0 m ma „m” = 2,0 m

-1

, a wi

ę

c jest masywna; za

ś

 słup 

ś

rednicy  d  =  1,0  m  ma  „m”  =  4,0  m

-1

i  jest  elementem  o 

ś

redniej 

masywno

ś

ci. 

Zdecydowana  wi

ę

kszo

ść

  elementów  budowli  mostowych  s

ą

  to  elementy

masywne lub o 

ś

redniej masywno

ś

ci 2,0 < m 

7,0 m

-1

background image

3

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Samoocieplenie  betonu  w  wyniku  procesu  hydratacji  cementu  wynosi
orientacyjnie:
a) dla elementów masywnych -

t

ś

r

= 20-50 

o

C (

ś

rednio 35

o

C),

b) dla elementów o 

ś

redniej masywno

ś

ci -

t

ś

r

= 5-35 

o

C,

c) dla elementów niemasywnych -

t

ś

r

= 1-5 

o

C.

Dla  elementów  budowli  mostowych  o  2,0  <  m 

7,0  m-1  mo

ż

na 

t

ś

r

oszacowa

ć

 na poziomie 15-35 

o

C. 

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Warto

ść

 

t

ś

r

zale

ż

y  od  wielu  czynników,  z  których  – oprócz  warto

ś

ci 

współczynnika „m” – mo

ż

emy wymieni

ć

:

• ilo

ść

 cementu w 1 m

3

mieszanki betonowej,

• rodzaj u

ż

ytego cementu,

• rodzaj u

ż

ytego deskowania,

• warunki pogodowe panuj

ą

ce  wokół  zabetonowanego  elementu,  zwłaszcza  

temperatura zewn

ę

trzna t

z

i pr

ę

dko

ść

 wiatru n

w

.

background image

4

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

γ

=

c

Q

C

t

adiab

Warto

ść

 

t

ś

r

jest  w  pewnym  stopniu  proporcjonalna  do  warto

ś

ci  tzw. 

samoocieplenia  betonu  w  warunkach    adiabatycznych  (tzn.  bez  wymiany 
ciepła z otoczeniem), które wynosi:

gdzie:

C - ilo

ść

 cementu w 1 m3 mieszanki betonowej, kg,

Q

- pełne ciepło hydratacji cementu, kJ/kg,

c  - ciepło  wła

ś

ciwe  betonu, kJ/kg·K  – mo

ż

na  przyjmowa

ć

  c  =  0,96

kJ/kg·K,

g - g

ę

sto

ść

 obj

ę

to

ś

ciowa betonu, kg/m

3

.

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Np. dla: C = 350 kg/m

3

, Q 

= 400 kJ/kg, c = 0,96 kJ/kg · K, g = 2600 kg/m

3

6

,

51

2600

96

,

0

400

350

=

=

adiab

t

o

C

O  tak

ą

  warto

ść

samoociepli si

ę

  wn

ę

trze betonu  w  elemencie masywnym 

(m  

2,0 m

-1

), bez mo

ż

liwo

ś

ci wymiany ciepła z otoczeniem.

Warunki  takie  mog

ą

  zaistnie

ć

  np.  we  wn

ę

trzu  du

ż

ych,  betonowych  zapór 

wodnych.

background image

5

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

W elementach obiektów mostowych (nawet masywnych) dochodzi najpierw do tzw. 
szoku  termicznego  (pierwsze  50-80  godzin  t

ęż

enia  betonu,  2-3  dni) po  czym 

temperatura wewn

ą

trz betonu spada na skutek odpływu ciepła przez powierzchnie 

zewn

ę

trzne  przy  równocze

ś

nie  słabn

ą

cym  ju

ż

  tempie  wydzielania  ciepła  hydratacji 

cementu.  Z  do

ś

wiadcze

ń

  autora  wynika, 

ż

e  w  trakcie  szoku  termicznego  wydziela 

si

ę

 w elementach mostowych nie wi

ę

cej ni

ż

Q

h

= 0,7 Q 

Warto

ść

pełnego ciepła hydratacji cementu Q

i tempo jego wydzielania zale

żą

od 

rodzaju  cementu  oraz  od  temperatury  dojrzewania  (wewn

ą

trz  betonu).  Przyjmuje 

si

ę

tu podział cementów na:

a) niskokaloryczne

-

Q

3

= 100-140  kJ/kg

Q

= 250¸350 kJ/kg

b)

ś

redniokaloryczne -

Q

3

= 175-225  kJ/kg

= 350¸450 kJ/kg

c) wysokokaloryczne -

Q

3

= 310-380  kJ/kg

= 450-550  kJ/kg

Autor: dr inż. Marek Pańtak

okres „szoku termicznego”

400

300

3

500

100

200

Orientacyjne  przebiegi  ciepła  hydratacji Q

h

(

τ

)  dla  tych  3  rodzajów  cementu  (w 

warunkach izotermicznych) oraz przebiegi tzw. funkcji 

ź

ródeł

obrazuj

ą

cej intensywno

ść

wydzielania ciepła hydratacji w czasie, pokazano na rys.

τ

d

dQ

h

Rys. 1. Orientacyjne przebiegi Q

h

(

τ

) i 

, dla ró

ż

nych cementów

τ

d

dQ

h

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

background image

6

Autor: dr inż. Marek Pańtak

t

b

= 5

o

C

W mostownictwie stosuje si

ę

przede wszystkim cementy 

ś

redniokaloryczne (CEM I i 

CEM  II),  do  fundamentów  dopuszcza  si

ę

stosowanie  cementów  niskokalorycznych 

(CEM  III).  Szybko

ść

wydzielania  ciepła  hydratacji  (w  warunkach  izotermicznych) 

zale

ż

y od temperatury betonu, co pokazano na rys.

Rys. 1. Orientacyjne przebiegi Q

h

(

τ

) i 

, dla cementu 

„b” w funkcji temperatury betonu

τ

d

dQ

h

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E

Autor: dr inż. Marek Pańtak

Typowy  przebieg  temperatury  wewn

ą

trz  elementu 

ż

elbetowego  o 

ś

redniej 

masywno

ś

ci m = 4,0 m

-1

pokazano na rys. 

Przyk

ł

ad rozwoju temperatury wewn

ą

trz elementu 

ż

elbetowego o przekroju 0,60 x 3,00 m 

(badania CEMEX Polska)

Ć

W

IC

Z

E

N

IA

 P

R

O

J

E

K

T

O

W

E