Zjawiska termiczne występujące w elementach betonowych

Tomasz Antkowiak

WILiŚ, Grupa 3

Według normy PN-EN 206-1:2003 betonem nazywamy materiał powstały ze zmieszania cementu, kruszywa grubego i drobnego oraz ewentualnych domieszek i dodatków, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji cementu. W celu otrzymania mieszanki, o wymaganej wytrzymałości oprócz już wymienionych dodatków muszą również zostać spełnione określone warunki termiczne w czasie wiązania. Celem tego referatu jest ukazanie istotności czynnika termicznego zarówno w czasie wiązania betonu jak i w czasie jego użytkowania.

Wpływ wysokich temperatur na mieszanki betonowe.

Zgodnie z powszechnie znanymi badaniami wielu autorów wzrost temperatury powoduje szybsze twardnienie zaczynu cementowego. W warunkach krajowych normowe zaczyny cementowe badane przy temp. otoczenia 18°C +/- 20°C wykazują następujące czasy początku wiązania:

- cementy portlandzkie 35: od 2 godz., 10 min., do 5 godz., 5 min.

- cementy portlandzkie 45 i cementy szybko twardniejące: od 1 godz., 55 min., do 3 godz.

Zwykłe cementy portlandzkie produkowane za granicą (USA) charakteryzują się czasami początku wiązania zaczynu z przedziału 1 godz., 50 min., do 2 godz. Wpływ wzrostu temp. na skrócenie czasu początku wiązania zaczynów jest wyraźne. Autorzy zagraniczni, m.in. J. Brocard podają następujące czasy początku wiązania zaczynów z cementem portlandzkim przy zmieniających się temp. zaczynu:

- 15°C - 3godz.., 15 min.

- 30°C - 2godz., 40 min.

- 50°C - 1 godz., 15 min.

- 70°C - 30 min.

Początek wiązania świeżego betonu w stosunku do zaczynu może być opóźniony, o ile wskaźnik wodo-cementowy betonu jest wyższy od wskaźnika wodo cementowego zaczynu. W przypadku wskaźnika wodo-cementowego w betonie z przedziału 0.3-0.6 współczynnik opóźnienia czasu początku wiązania w stosunku do zaczynu

waha się od 0.7 do 1.8 .

Konsekwencją wzrostu temperatury wyprodukowanej i transportowanej mieszanki betonowej jest zmiana jej konsystencji. Zachowanie projektowane urabialności wymaga

w takim przypadku uzupełnienia straconej wody. Znając warunki prowadzenia robót oraz przewidując możliwą zmianę konsystencji z tytułu działania wysokich temperatur, można z obliczyć procentowe zwiększenie wody zarobowej.

Zjawisko utraty wody z ułożonej już mieszanki potęgują dodatkowo wiatry oraz niedosyt wilgotności. Znając temp. powietrza, wilgotność względną powietrza, temperaturę betonu i prędkość wiatru można obliczyć ubytek wody w ciągu godziny z 1 m² zabetonowanej powierzchni. Szczególnie niekorzystnie na wielkość wyparowania działa wiatr. Wielkość wyparowania wody większa od 0,5 kg/m2 w ciągu godz. zmusza wykonawcę do podjęcia środków ostrożności przeciw zmianie konsystencji mieszanki oraz przedwczesnemu wysuszeniu betonu i zjawiskom skurczowym. Zmniejsza się również - pod wpływem zwiększających się temperatur - parcie mieszanki betonowej na deskowanie. Parcie poziome można wyrazić wzorem:

Pm = 38,88 Vm*n1 *n1 *n3 KN/m²

Vm - prędkość układania mieszanki w deskowaniu, m/godz,

n1 - współczynnik zależny od konsystencji mieszanki,

n2 - współczynnik zależny od temperatury mieszanki,

n3 - współczynnik zależny od składu mieszanki, nie komentowany szerzej ze względu na niezależność od warunków klimatycznych.

Określone dla warunków normalnych wielkości parcia poziomego na deskowanie o wysokości 2,5m wahają się- w zależności od prędkości układania i konsystencji mieszanki - od 23 KN do 45 KN (tj.2300kg i 4500 kg) na 1 m² powierzchni deskowania.

Wpływ wzrostu temperatur na wytrzymałość betonu w okresie początkowym po 28

dniach dojrzewania.

Decydujący wpływ na przebieg procesu narastania wytrzymałości mają: temperatura, czas tężenia i ilość wody będącej do dyspozycji uwadnianego cementu. Wykonywane w warunkach normalnych betony żwirowe na cementach portlandzkich i dojrzewające w temperaturach od 10ºC do 25ºC wykazują stałą tendencję przyrostową wytrzymałości. Przy wyższych temp. dynamika przyrostów wytrzymałości w początkowym okresie jest jeszcze wyższa, lecz w późniejszych okresach dojrzewania (po 10 dniach od momentu ułożenia) obserwuje się systematyczne zaniżanie wytrzymałości w stosunku do betonów dojrzewających w temp. 18ºC+/- 20ºC. Można stwierdzić, że „bezpieczna” temperatura mieszanki betonowej wynosi około 32ºC bowiem przy tej temperaturze zaniżenia wytrzymałości po 28 dniach są minimalne (rzędu kilku%).

Przyczyny zaniżeń wytrzymałości w stosunku do tężenia betonu w warunkach normalnych doszukiwać się należy w szybszym wyparowywaniu ze świeżej mieszanki oraz gwałtowniejszej hydratacji. Prowadzi to do przyspieszonego wiązania i niższej wytrzymałości stwardniałego betonu, ponieważ utworzony z żelu szkielet jest mniej jednorodny.

Skurcz betonu i zarysowanie zaformowanej powierzchni.

Na skutek odparowania wody z pow. ułożonego betonu tworzy się w przekroju betonowym nierównomierne pole wilgotności, a warstwy betonu znajdujące się bliżej pow. mają mniejszą wilgotność od warstw położonych głębiej. Różnice wilgotności wywołujące skurcz betonu powodują występowanie w górnych warstwach naprężeń rozciągających σr zgodnie z zależnością :

σr = β * Er * ∆u

gdzie: ß - jednostkowe odkształcenie betonu np. w m/m wywołane jednostkową zmianą

wilgotności wagowej kg/kg przy równomiernym wysychaniu

Er - moduł odkształcenia tężejącego betonu,

∆u - różnica wilgotności wagowej Ukr - Uτ

Szczególnie niebezpieczne jest parowanie z konstrukcji o dużym module pow. wyparowania m (m=F/V, m-1, gdzie F jest pow., a V objętością elementu; przyjęto przy tym, że m<2 odnosi się do konstrukcji masywnych, 2< m < 15 dla średniej masywności, m> 15 dla nie masywnych). W takich przypadkach straty wody w wyniku wyparowania są na ogół większe od ilości wody dopływającej z wnętrza betonu i po krótkim okresie U<Ukr. Prowadzi to do powstawania w tych elementach rys, jeśli występujące naprężenia rozciągające przekroczą wytrzymałość betonu na rozciąganie. Powyższe spostrzeżenia potwierdzają wykonawcy robót betonowych w Iraku. Na betonowych pow. kanałów melioracyjnych o grubości płyt 0.09m. pojawiają się rysy mimo zabezpieczeń pow. powłokami syntetycznymi i nawilgacania podłoża przed betonowaniem. Za warunki krytyczne uważa się przypadki, gdy wielkość wyparowania wody ze świeżego betonu przekracza 0.98 kg/m2/godz. przy prędkości wiejącego wiatru V> 16km/godz.

Zjawiska powstające w betonie w wyniku obniżania się temperatur.

Przyjmuje się, iż temperatura dojrzewającego betonu powinna mieścić się w zakresie 15º+20 ºC. Przy temperaturach niższych następuje spowolnienie wiązania betonu, przy czym proces ten jest wyraźnie widoczny, jeśli temperatura tężenia jest niższa od 10º C. Dlatego też okres, podczas którego średnie dobowe temperatury są niższe od +10º C, uznano w wielu państwach za okres zimowy, wymagający specjalnej troski przy wytwarzaniu i układaniu betonu. Przy dalszym obniżaniu się temp. do 0º C procesy tężenia są coraz wolniejsze, a poniżej 0ºC proces twardnienia praktycznie zanika, jeśli nie dodaje się soli obniżających punkt zamarzania wody. Jeśli dopuści się do zamarznięcia betonu, który jeszcze nie związał, działanie mrozu da efekt podobny do zjawiska wysadzin w nasączonym wodą gruncie - woda zarobowa zamarza, czemu towarzyszy wzrost całkowitej objętości betonu oraz opóźnienie wiązania. Beton, który zamarzł bezpośrednio po ułożeniu nie będzie wiązał i w związku z tym nie nastąpi rozrywanie struktury zaczynu przez formujący się lód . Przy utrzymującej się niskiej temperaturze proces wiązania zostanie zatrzymany.

W przypadku, gdy w okresie późniejszym nastąpi odmrożenie, beton należy ponownie zawibrować, po czym zwiąże on bez spadku wytrzymałości. Brak zawibrowania prowadzi do pojawienia się w betonie porów (na skutek topienia się zamarzniętej wody zarobowej, która ma mniejszą objętość niż lód), w wyniku czego nastąpi obniżenie wytrzymałości. Zamarznięcie po związaniu betonu lecz przed osiągnięciem znacznej wytrzymałości, wywoła zjawiska pęcznienia i naruszenie struktury oraz nieodwracalny spadek wytrzymałości. Zamarznięcia w tym okresie działają wybitnie niekorzystnie na późniejszą wytrzymałość betonu, a stopień szkodliwości może wynosić 100% . Wzrost objętości betonu jest w tym okresie stosunkowo duży. Jeśli jednak beton uzyska dostateczną wytrzymałość może znieść temperatury zamarzania bez uszkodzenia, a to dlatego, że większość wody wejdzie w związki ze składnikami cementu i nie będzie mogła ulec zamarznięciu.

Wpływ zamrożenia betonu na wytrzymałość późniejszą.

Beton, który po jednym dniu tężenia uzyskał już pełną wytrzymałość, a następnie został zamrożony, wykazuje nieznaczne przyrosty wytrzymałości po 28 dniach w stosunku do dojrzewającego w warunkach normalnych. Ewentualne przyrosty wytrzymałości są zależne od temperatury zamrożenia. Zamrożenie betonu na okres 3 dni po 6 godz. dojrzewania

w temp. dodatnich powoduje po 28 dniach zaniżenie wytrzymałości o 65% w stosunku do betonu tężejącego w warunkach normalnych. Im później nastąpi zamrożenie, tym niższy jest spadek wytrzymałości. Zamrożenie po 7 dniach tężenia (również na okres 3 dni) oraz ponowne dojrzewanie w temp. dodatnich wywołuje nieznaczne (około 10%) zaniżenie wytrzymałości. Spostrzeżenia są te istotne dla praktyki, wskazują bowiem na konieczność ochrony betonu w początkowej fazie dojrzewania.

Zabiegi umożliwiające betonowanie w obniżonych temperaturach

Istnieje szereg zabiegów umożliwiających wykonywanie robót w obniżonych temperaturach. Można je sklasyfikować w trzech grupach:

- metody umożliwiające tężenie betonu bez dostarczania ciepła z zewnątrz

- metody obróbki wymagające dostarczania ciepła z zewnątrz

- kombinacje wymienionych metod

Do pierwszych z nich należy użycie dodatków chemicznych obniżających temperaturę zamarzania wody oraz powodujących przyspieszenie procesów wiązania. Do dodatkowych obniżających temp. zamarzania wody zalicza się chlorki sodu, potasu, glinu oraz wapnia, azotyny sodu i potasu oraz azotan sodu. Do domieszek przyspieszających wiązania należą także chlorki wapnia i magnezu, węglany sodu i potasu oraz siarczan potasu.

Układaną w okresie obniżonych temp. mieszankę betonową można pobudzać do wiązania poprzez stworzenie warunków powodujących ogrzewanie tej mieszanki a tym samym i narastanie wytrzymałości. Wyróżnia się tutaj 2 grupy metod intensyfikacji dojrzewania betonu ułożonego bezpośrednio na placu budowy:

- metodą zachowania ciepła,

- metody obróbki wbudowanej mieszanki betonowej.

Stosując metodę zachowania ciepła dąży się do maksymalnego spowolnienia oddawania ciepła przez beton ułożony w deskowaniu. Skumulowanie ciepła jest możliwe dzięki stosowaniu ciepłych mieszanek betonowych przygotowywanych na bazie wysokokalorycznych i szybkotwardniejących cementów. Spowalnianie odpływu ciepła zapewnia konstrukcja urządzeń formujących, które powinny być wykonane z drewna lub materiałów drewnopodobnych i dodatkowo ocieplone materiałem izolującym (wełna mineralna, styropian itp.). Powierzchnie stropów powinny być dodatkowo zabezpieczone osłonami z brezentu lub wełny mineralnej i styropianem.

Metody obróbki cieplnej betonu ułożonego w okresach obniżonych temp. wymagają również stosowania ciepłej mieszanki, która nie może schłodzić się do 0°C przed rozpoczęciem obróbki. Obok znanych od dawna metod obróbki termicznej (cieplaki ogrzewane parą, bezpośredni elektronagrzew ) opracowano ostatnio w kraju następujące sposoby obróbki termicznej ułożonej mieszanki betonowej:

- ogrzewanie uformowanych przegród gorącym powietrzem,

- przyspieszenie dojrzewania betonu prądem indukcyjnym,

- nagrzew elektrooporowy ELTER.

Czas trwania nagrzewu uzależniony jest od kilku czynników, z których najważniejsze to: klasa betonu, izolacyjność osłon, typ agregatu wytwarzającego gorące powietrze, rytm rozformowania konstrukcji. Z przeprowadzonych analiz wynika, iż korzystniejsze jest zwiększanie izolacyjności osłon kosztem zmniejszenia wydajności cieplnej agregatu, a tym samym i zużycia paliwa .

Metoda przyspieszania dojrzewania betonu prądem indukcyjnym polega na nagrzewie ułożonej mieszanki betonowej ciepłem wytworzonym przez prąd indukcyjny. Prąd sieciowy o napięciu 380/220V przetworzony na prąd o napięciu 20 V i natężeniu 500A doprowadzony jest do elementów grzejnych mocowanych na stałe do stalowych urządzeń formujących. W wyniku przepływu przez elementy grzejne tego bezpiecznego dla ludzi prądu następuje wyidukowanie się w otaczającej je blasze prądów wirowych , które z kolei powodują ogrzewanie się form. Elementy grzejne w postaci izolowanych przewodów miedzianych rozmieszczone są w postaci jednakowo obciążonych, zamkniętych obwodów elektrycznych, co zapewnia szybki i równomierny nagrzew form.

Metoda ELTER oparta jest na zasadzie nagrzewu elektrooporowego. Jako źródło energii wykorzystuje się ciepło Joule`a wytwarzane przez uzwojenia grzejne rozmieszczone bezpośrednio pod powierzchnią formującą. Wytwarzany strumień cieplny, dzięki zastosowaniu odpowiedniego ekranu termicznego, jest kierowany bezpośrednio do betonu poddawanego obróbce termicznej. Górna blokada termiczna ma za zadanie zabezpieczyć go przed stratą ciepła na zewnątrz. Stwierdzona wytrzymałość betonu klasy B-15 po 12 godzinach wynosiła 11 Mpa.

Efekty dojrzewania betonu w czasie zimowym można zwiększyć stosując kombinacje wymienionych metod. Wymienione dodatki chemiczne przyspieszające twardnienie. Stosowane być mogą przy metodzie zachowania ciepła oraz metodach nagrzewu. Można również łączyć metodę zachowania ciepła z metodą nagrzewu indukcyjnego oraz elektrooporowego. Przy stosowaniu cementów szybko twardniejących oraz betonów wysokich klas możliwa jest superpozycja metod, tj. produkcja ciepłej mieszanki betonowej z dodatkami chemicznymi oraz metoda zachowania ciepła i metody obróbki termicznej. Stosowanie wymienionych kombinacji wymaga z jednej strony prób laboratoryjnych w celu stwierdzenia czasu początku wiązania mieszanki betonowej, z drugiej - analiz ekonomicznych potwierdzających słuszność wybranych koncepcji.

Bibliografia:

1. Jasiczak J., 2003, Technologie budowlane II, Alma Mater, Poznań

2. Jasiczak J., Mikołajczak P., 2003, Technologia Betonu Modyfikowanego Domieszkami i Dodatkami, Alma Mater, Poznań

3. Jamrozy Z., 2008, Beton i jego technologie, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa

---