Rafał Gajewski
A
ukasz Szabat
System symulacji i monitorowania cech
młodego betonu w konstrukcji  przykłady
zastosowania
SYSTEM FOR SIMULATIONS AND MONITORING PROPERTIES OF EARLY-
-AGE CONCRETE IN CONSTRUCTION  EXAMPLES OF APPLICATIONS
Streszczenie
Autorzy prezentują w referacie kompleksowy system symulacji i kontrolowania cech
młodego betonu w konstrukcji, oparty na rozwiązaniach Danish Technological Institute,
który jest wykorzystywany przez Dział Technologii Betonu CEMEX Polska Sp. z o.o.
W referacie przedstawione zostały przykłady praktycznego wykorzystania systemu w
różnych obszarach budownictwa i w różnych elementach konstrukcji na terenie Polski.
Opisywany system pozwala nie tylko monitorować temperatury, jakie powstają w ele-
mencie konstrukcji w początkowym okresie twardnienia betonu. Daje również możliwość
wykonywania badań porównawczych pod kątem ilości wydzielanego ciepła, dla różnych
betonów i receptur przy wykorzystaniu  kabiny hydratacyjnej . Pozwala symulować
zachowanie się betonu w różnych elementach konstrukcji z uwzględnieniem kształtu
elementu, zastosowanego deskowania, temperatur zewnętrznych, prędkości wiatru,
sposobu pielęgnacji itp.
Abstract
In the article authors want to present a complex system for simulation and monitoring
some properties of early-age concrete in the construction. System was created by Danish
Technological Institute and now is used by Department of Concrete Technology  CEMEX
Polska Sp. z o.o. Authors showed in this article examples of practical applications this sys-
tem in a different areas of building and at different construction sites in Poland. Described
system allow to test not only temperatures of concrete in constructions, during hardening
of concrete, but also is possible to test and compare quantity and dynamic of hydration
mgr inż. Rafał Gajewski, mgr inż. A
ukasz Szabat  CEMEX Polska Sp. z o.o.
heat for different concrete mixes and recipes in  hydration cabin . It is possible to simulate
some properties of concrete in different construction elements, depending on shape of
element, applied forms, external temperatures, velocity of wind, curing systems, etc.
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
1. Wstęp
W trakcie realizacji nowoczesnych inwestycji budowlanych, aby sprostać ostrym wymaga-
niom jakościowym, inwestor oraz wykonawca potrzebują wielu informacji o materiałach,
które stosują, a które to informacje wykraczają daleko poza standardowy poziom wymagań
charakteryzujących produkt w świetle obowiązujących norm, aprobat technicznych itp.
Znajomość podstawowych cech mieszanki betonowej i stwardniałego betonu, takich jak:
konsystencja i parametry reologiczne, wytrzymałość na ściskanie, parametry charaktery-
zujące jego trwałość, np. mrozoodporność, nie są już wystarczające.
Procesy zachodzące w młodym betonie, między innymi związane z egzotermiczną
reakcją hydratacji cementu, które są charakterystyczne dla danej mieszanki betonowej,
pozwalają doświadczonemu technologowi, za pomocą odpowiednich narzędzi, na osza-
cowanie niektórych cech twardniejącego betonu w konstrukcji. Najbardziej interesującą,
z inżynierskiego punktu widzenia, jest możliwość przeprowadzenia symulacji zachowania
się twardniejącego betonu w konstrukcji, w zależności od szeregu zmiennych występują-
cych w trakcie betonowania na placu budowy. Wiedza taka pozwala na wybór optymal-
nego rozwiązania materiałowego w zależności od rodzaju i gabarytów betonowanego
elementu, zewnętrznych warunków atmosferycznych, systemu szalowania itp. Możliwe
jest również opracowanie szczegółowego planu betonowania z uwzględnieniem procesu
pielęgnacji, np. system chłodzący, grzewczy lub izolacja.
W niniejszym artykule opisano kompleksowy system symulacji i kontrolowania
cech młodego betonu w konstrukcji, oparty na rozwiązaniach Danish Technological
Institute (twórca systemu), wykorzystywany przez Dział Technologii Betonu CEMEX
Polska Sp. z o.o.
2. Ogólne informacje na temat systemu
Podczas twardnienia betonu w elemencie konstrukcji powstaje pewna ilość ciepła, która
spowodowana jest procesem hydratacji cementu. W połączeniu z warunkami otoczenia
w betonowanym elemencie generowane są wewnętrzne naprężenia wywołane gradienta-
mi temperatur. Z powodu występujących gradientów temperatur beton będzie usiłował
rozszerzać się lub kurczyć. Jeżeli powierzchnia betonu jest chłodniejsza niż wewnętrzna
część betonowego elementu, wówczas kurczenie się betonu przy powierzchni może
wywołać naprężenia większe niż jego wytrzymałość na rozciąganie, a wówczas pojawią
się spękania. Sytuacja taka występuje zazwyczaj przy dużych różnicach temperatur po-
między powierzchnią a wnętrzem elementu. Tego typu wewnętrzne naprężenia nazy-
wane są naprężeniami termicznymi pierwszego rodzaju. Dodatkowo często występują
czynniki zwiększające składowe odkształceń, takie jak: deformacje, skurcz, pełznie czy
wysuszanie [1].
Gdy betonowany element powiązany jest z istniejącą już konstrukcją, wówczas do-
datkowe czynniki, związane z ograniczeniem jego  swobody będą miały duży wpływ
na powstawanie pęknięć. Opisywane zjawisko może wystąpić, na przykład, gdy ściana
betonowa jest wylewana na istniejącą konstrukcję betonową (rys. 1).
Dzięki analizie procesów cieplnych zachodzących w twardniejącym betonie jesteśmy
w stanie oszacować wielu jego właściwości w konstrukcji. Możemy ocenić ryzyko po-
wstania spękań podczas twardnienia betonu, dzięki czemu jeszcze przed wbudowaniem
betonu można podjąć działania minimalizujące to zagrożenie. Przez dobór optymalnych
3
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
rozwiązań materiałowych możliwe jest zapewnienie maksymalnie niskich gradientów
temperatur w dojrzewającym elemencie oraz zbadanie wpływu takich operacji, jak chło-
dzenie, ogrzewanie lub izolacja. Prezentowany system pozwala przewidywać i kontro-
lować rozwój dojrzałości, wytrzymałości i temperatur betonu w elemencie konstrukcji.
W związku z czym możliwe jest zaplanowanie:
 koniecznego czasu i rodzaju pielęgnacji,
 bezpiecznego terminu rozszalowania elementu,
 bezpiecznego terminu obciążenia elementu.
Rys. 1. Ściana wylewana na istniejący podkład
Zastosowany przez autorów artykułu system składa się z trzech podstawowych modu-
łów:
 moduł do uzyskiwania podstawowych danych wejściowych  Moduł A;
 moduł do symulacji cech młodego betonu w elemencie konstrukcji  Moduł B;
 moduł do zdalnego monitorowania  Moduł C.
Każdy z wyżej wymienionych modułów może być wykorzystywany niezależnie
w ramach swojej funkcjonalności. Najlepsze jednak efekty uzyskuje się łącząc w jedną
całość możliwości, które daje każdy z pojedynczych modułów. Możliwe jest wtedy kom-
pleksowe podejście do analizy procesów zachodzących w betonie i konstrukcji.
Moduł do uzyskiwania podstawowych danych wejściowych  Moduł A
W skład podstawowego modułu systemu do symulowania i monitorowania cech młodego
betonu w konstrukcji wchodzi urządzenie o nazwie  kabina hydratacyjna z rejestratorem,
oprogramowaniem 4C-Heat oraz dodatkowym osprzętem. Jest to beczka (fot. 2) izolowana
z każdej strony warstwą pianki poliuretanowej o znanej przewodności cieplnej. W środku
4
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
beczki jest miejsce na 5-litrową próbkę betonu, w której umieszcza się czujnik do pomia-
ru temperatury. Na skutek procesu hydratacji cementu w betonowej próbce następuje
wzrost temperatury, a póz
niej powolny spadek, który jest mierzony i rejestrowany w
funkcji czasu. Badania prowadzone są w stałej temperaturze otoczenia 20oC +/- 2oC. Dla
takiego układu łatwo jest obliczyć straty ciepła, przez warstwę izolacji, dlatego o kabinie
hydratacyjnej można mówić jako o póładiabatycznym kalorymetrze.
Fot. 2. Kabina hydratacyjna
Znajomość kinetyki i ilości wydzielanego ciepła indywidualnie dla każdej mieszanki
betonowej jest podstawą do dalszych analiz. Dzięki danym z  kabiny hydratacyjnej można
porównywać kalorymetryczność różnych mieszanek betonowych. Uzyskiwane wyniki
pokazują kinetykę wydzielanego ciepła oraz całkowite wydzielone ciepło w procesie
hydratacji. Ilość wydzielonego ciepła oraz jego dynamika zależy od:
 rodzaju i pochodzenia zastosowanego cementu oraz jego ilości w 1m3 betonu;
 rodzaju wprowadzonych dodatków mineralnych i ich ilości w 1m3 betonu;
 rodzaju i ilości wprowadzonych domieszek chemicznych;
 stosunku w/c.
Kabina hydratacyjna daje możliwość poznania wpływu poszczególnych składników
betonu na ilość i kinetykę wydzielanego ciepła. Pozwala to technologowi na dobór najlep-
szego rozwiązania materiałowego pod kontem ciepła wydzielanego w procesie hydratacji
 uwzględniając przeznaczenie betonu i warunki atmosferyczne (np. porę roku).
Badania w kabinie hydratacyjnej dają pełniejszy obraz na temat ciepła hydratacji
mieszanki betonowej niż badania ciepła hydratacji samego tylko cementu (np. zgodnie
z PN-B-19707), ponieważ pozwalają uwzględnić wpływ, takich czynników jak zawartość
i rodzaj domieszki chemicznej, wprowadzone dodatki mineralne  ich ilość i rodzaj oraz
specyficzny skład mieszanki betonowej: w/c; ilość cementu itp. (rys. 3)
5
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
Rys. 3. Porównanie ciepła hydratacji dla przykładowych receptur  wyniki z kabiny hydrata-
cyjnej
Oprócz badań w kabinie hydratacyjnej konieczne jest wykonanie badań wstępnych
betonu. Najistotniejsze dla dalszych symulacji są badania rozwoju wytrzymałości na
ściskanie, wykonane na próbkach dojrzewających w warunkach normowych. W począt-
kowym okresie twardnienia do 7 dni  częstotliwość badań wytrzymałości powinna być
większa, tak aby było możliwe dokładne określenie dynamiki przyrostu wytrzymałości
betonu w pierwszych dniach dojrzewania.
Nie trudno zauważyć, że zarówno badania w kabinie hydratacyjnej, jak i badania
wytrzymałości na ściskanie mają jedną wspólną cechę. Prowadzone są w tych samych
warunkach zewnętrznych  w funkcji czasu. Ponieważ jednak właściwości danego betonu
(np. wytrzymałość, ilość wydzielonego ciepła hydratacji) zależą nie tylko od wieku be-
tonu (czasu dojrzewania), ale również od temperatury, dlatego też w niektórych krajach
wprowadzone zostało pojęcie dojrzałości:
Dojrzałość = Ł( " czasu � temperatura) [3]
Aby możliwa była analiza dojrzałości betonu w zależności od wieku i warunków,
konieczne jest wprowadzenie pewnego punktu odniesienia. Za punkt odniesienia do
dalszych analiz przyjęto dojrzałość betonu w 28 dniu twardnienia, który dojrzewał przez
28 dni w temperaturze 20oC i wilgotności > 90%. Dojrzałość ta wynosi S2 = 19800oC�h
[3]. Zależność wytrzymałości na ściskanie betonu (stopnia dojrzałości) od logarytmu
dojrzałości jest funkcją liniową. Tak więc możliwe jest wyrażanie wytrzymałości betonu
(stopnia jego dojrzałości S1) przy pewnej dojrzałości jako procentu wytrzymałości (stopnia
dojrzałości S2) przy innej dojrzałości:
S1 / S2 = A + B � log ( dojrzałość � 10-3 ) [3]
6
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
W rzeczywistości obliczenia są bardziej złożone ze względu na zmienność warunków
dojrzewania. Dlatego bardzo istotna jest znajomość  historii termicznej betonu. Bardziej
szczegółowe opisy funkcji dojrzałości można znalez
ć w pracach [1, 2, 3, 8].
Moduł do symulacji cech młodego betonu w elemencie konstrukcji  Moduł B
Kolejnym ważnym elementem systemu jest oprogramowanie 4C-Temp&Stress służące
do symulowania niektórych właściwości młodego betonu w procesie jego dojrzewania
w konstrukcji. Oprogramowanie składa się z edytora projektu, w którym definiowana
jest geometria elementu (jego wymiary), warunki graniczne, warunki początkowe, ma-
teriały itp. (rys. 4). Oprogramowanie korzysta z wyników badań wykonanych w kabinie
hydratacyjnej oraz wyników przyrostu wytrzymałości na kostkach normowych. Algo-
rytmy zawarte w programie pozwalają, w celu zdefiniowanego elementu konstrukcji,
na obliczenie rozkładu i rozwoju w czasie: temperatur, przybliżonych naprężeń, a także
dojrzałości i wytrzymałości betonu. Wyniki mogą być prezentowane w postaci wykresów
XY oraz w postaci izolinii [2, 4, 5].
Rys. 4. Uproszczony schemat uzyskiwania danych przez system symulacji
Symulacja temperatur prowadzona jest dla danej recepty i geometrii elementu oraz
dla dodatkowych założonych przez operatora systemu parametrów, takich jak:
 zewnętrzna temperatura powietrza;
 początkowa temperatura świeżej mieszanki betonowej;
 szybkość wbudowywania betonu (plan betonowania);
 rodzaj podłoża pod betonowanym elementem;
 rodzaje połączeń między elementami;
 prędkość wiatru;
 typ szalunków i stosowana izolacja;
 zakładany czas demontażu szalunków i izolacji;
 używanie rur chłodzących, prętów lub mat grzejnych.
7
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
Ryzyko powstania spękań betonu w elemencie we wczesnym okresie twardnienia okre-
ślane jest na podstawie porównania powstałych naprężeń wewnętrznych z wytrzymałością
na rozciąganie betonu. Obliczenia naprężeń uwzględniają następujące parametry:
 rozwój właściwości mechanicznych betonu jako funkcji dojrzałości (moduł E, współ-
czynnik Poissona, pełzanie i relaksacja, wytrzymałość na rozciąganie);
 deformacje termiczne (współczynnik rozszerzalności termicznej);
 samoczynny skurcz;
 obciążenia zewnętrzne działające na element oraz warunki podparcia (przeciwdziałające
swobodnej deformacji).
Oprogramowanie do symulacji daje operatorowi systemu informacje odnośnie do
zagrożeń oraz najbardziej newralgicznych miejsc konstrukcji. Mechanizmy wpływające
na ryzyko powstania rys we wczesnym stadium dojrzewania betonu, które uwzględniane
są w obliczeniach przez program, pokazano poniżej (rys. 5).
Rys. 5. Mechanizmy wpływające na ryzyko powstania rys we wczesnym stadium dojrzewania
betonu
Dwa podstawowe obszary wykorzystania modułu to:
 betonowe elementy masywne i hydrotechniczne,
 betonowanie w warunkach zimowych.
Wykorzystując system doświadczony technolog może dobrać najbardziej optymalne
rozwiązanie materiałowe. Może dać wytyczne dotyczące betonowania, uwzględniając
pielęgnację i zabezpieczenia poszczególnych elementów. Korzyści w przypadku zasto-
sowania systemu do analizy elementów masywnych są następujące:
 niedopuszczenie do powstania zbyt dużych gradientów temperatur w elemencie;
 niedopuszczenie do powstania rys termicznych, a tym samym do utraty monolitycz-
ności konstrukcji;
8
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
 dobór sposobu zabezpieczenia młodego betonu (pielęgnacja);
 dobór systemu chłodzącego.
W przypadku planowania betonowania w warunkach zimowych system można
wykorzystać w celu:
 niedopuszczenia do przemrożenia betonu w elemencie;
 doboru sposobu zabezpieczenia młodego betonu (sposobu pielęgnacji);
 doboru systemu grzewczego;
 oszacowania rozwoju wytrzymałości na ściskanie w obniżonych temperaturach  in
situ w dowolnym punkcie konstrukcji.
Poniżej przedstawiono przykład przeprowadzonych symulacji dla stropu betonowego
(rys. 6). Strop ma być betonowany w warunkach zimowych.
Rys. 6. Schemat betonowanego elementu (strop)
Charakterystykę betonowanego elementu oraz warunków brzegowych przyjętych
do symulacji pokazano w tablicy 1.
Tablica 1. Warunki brzegowe przyjęte do symulacji
9
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
Wyniki symulacji niektórych właściwości betonu in situ w konstrukcji dla wariantu 1
 bez zabezpieczenia górnej powierzchni i wariantu 2  z zabezpieczoną górną powierzch-
nią pokazane są na rys. 7 i 8.
Rys. 7. Wykres temperatury maksymalnej i minimalnej w płycie stropowej
Rys. 8. Wykres przyrostu wytrzymałości na ściskanie (minimalnej i maksymalnej w stropie)
Jak widać na podstawie rysunków (rys. 7 i 8), możliwe jest dobranie odpowiedniego
sposobu zabezpieczenia elementu. Rozpatrywany przypadek pokazuje, że przykrycie sty-
ropianem górnej powierzchni stropu, pozwala zabezpieczyć element przed wychłodzeniem
i zamrożeniem. Brak zabezpieczenia spowoduje zamarznięcie górnej powierzchni stropu
w momencie, kiedy nie jest ona jeszcze odporna na pierwsze zamrożenie. Strop ulegnie
złuszczeniu na górnej powierzchni, co może stanowić zagrożenie dla konstrukcji. Zdjęcie
styropianu po 7 dniach od betonowania jest możliwe, ponieważ beton w elemencie po tym
czasie będzie miał wytrzymałość na ściskanie około 15MPa, czyli wyższą niż minimalna
wytrzymałość betonu, przy której może on ulec zamrożeniu (10 MPa) bez wpływu na jego
póz
niejsze cechy, pod warunkiem, że nie ma do niego dostępu woda z otoczenia [3, 9, 10].
Moduł do zdalnego monitorowania  Moduł C
Przeprowadzenie badań wstępnych oraz symulacja właściwości młodego betonu w kon-
strukcji stanowi jedynie część możliwości systemu. Niezmiernie istotne i użyteczne narzą-
dzie to moduł umożliwiający zdalne monitorowanie właściwości betonu w konstrukcji.
Warunki atmosferyczne (zewnętrzne) w trakcie dojrzewania betonu w elemencie prawie
zawsze są różne od tych, które przyjmowaliśmy do symulacji. Dlatego monitorowanie
betonu w elemencie konstrukcji podczas procesu jego dojrzewania oraz pomiar takich
zmiennych, jak: temperatura betonu w specyficznych punktach konstrukcji, monitorowanie
10
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
warunków dojrzewania i dojrzałości betonu (wytrzymałości), pozwala na dokonywanie
korekt on line w sposobie pielęgnacji i zabezpieczenia betonu. Korzyści dla uczestników
procesu budowlanego są następujące:
 kontrola powstających gradientów temperatur w masywnych elementach konstrukcji
 sprawdzenie prawidłowości wybranego rozwiązania materiałowego;
 kontrola warunków dojrzewania betonu w konstrukcji  możliwość dokonywania
korekt on line w sposobie zabezpieczenia i pielęgnacji;
 kontrola dojrzałości betonu w konstrukcji:
- wskazanie bezpiecznego czasu rozszalowania elementu (skrócenie cyklu budowla-
nego; uniknięcie tzw. szoku termicznego);
- oszacowanie wytrzymałości młodego betonu w konstrukcji in situ (przyspieszenie
robót budowlanych w warunkach zimowych; wskazanie bezpiecznego terminu sprę-
żania dla elementów sprężanych).
Moduł do zdalnego monitorowania betonu w elemencie konstrukcji składa się z re-
jestratora wraz z modemem do transmisji danych drogą GSM. Rejestrator zostawia się
na budowie, w pobliżu betonowanego elementu. Rejestrator ma 12 lub 48 kanałów do
rejestracji mierzonych parametrów w zależności od modelu. Do rejestratora jest możliwość
podłączenia stacji meteorologicznej (pomiar temperatury powietrza, wilgotności powie-
trza, kierunku i prędkości wiatru)  4 kanały. Do pozostałych 8 kanałów (lub wszystkich
12) podłącza się termopary do pomiaru temperatury wewnątrz konstrukcji. Dane trans-
mitowane są do komputera z oprogramowaniem Guardnian. Operator systemu może być
zlokalizowany w dowolnym miejscu w Polsce, gdzie jest łącze telekomunikacyjne. Możliwe
jest zdalne uruchamianie procesu monitorowania, jak i zakończenie badań. Dane mogą
być odczytywane z rejestratora on line przez operatora systemu. Program Guardnian jest
wyposażony dodatkowo w narzędzia graficzne do interpretacji wyników [2, 4, 5].
3. Przykłady praktycznego zastosowania
Opisywany w niniejszym artykule system, zastosowany był przez Dział Technologii Beto-
nu CEMEX Polska Sp. z o.o. na kilkunastu budowach na terenie całej Polski. Ze względu
na ograniczenia ramowe autorzy przedstawili dwa przykłady wykorzystania systemu
na polskich placach budów.
Świątynia Świętej Opatrzności Bożej w Warszawie
W ramach budowy Świątyni Świętej Opatrzności Bożej kierownictwo budowy wraz
z zespołem projektantów zasygnalizowało możliwy problemem z masywnymi betono-
wymi słupami świątyni. Klasa betonu przewidziana projektem konstrukcyjnym wynosiła
C 40/50. Betonowane słupy miały przekrój kwadratowy o wymiarze boku 0,80 m i wy-
sokość 6 m. Ze względu na dość wysoką klasę betonu oraz gabaryty słupów zrodziło
się pytanie: czy monolityczność słupa zostanie zachowana, czy powstające gradienty
temperatur oraz maksymalna temperatura w słupie nie będą za wysokie? Pojawienie się
spękań w betonowanych słupach znacznie obniżyłoby ich trwałość. Zadaniem dostawcy
betonu było opracowanie mieszanki betonowej, która spełniłaby wymagania zespołu
projektantów i konsultantów  zarówno pod kątem składu, jak i ciepła generowanego
w procesie hydratacji. Ustalono, że maksymalna temperatura wewnątrz słupa nie może
przekroczyć 60oC, a maksymalny gradient przypowierzchniowy 20oC.
11
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
W celu wyboru optymalnej mieszanki betonowej wykonano wiele badań kaloryme-
tryczności różnych recept. Wykonano również badania wstępne z uwzględnieniem dyna-
miki narastania wytrzymałości w pierwszych dniach twardnienia. Po przeprowadzonych
badaniach zdecydowano się wybrać mieszankę betonową przygotowaną z mieszaniny
spoiw: CEM III/A 32,5N NA HSR LH; CEM I 42,5R oraz popiołu lotnego. Dla tego rozwią-
zania materiałowego przeprowadzono symulacje rozwoju temperatury w betonowanym
słupie z uwzględnieniem rodzaju szalowania, spodziewanej początkowej temperatury
mieszanki betonowej (22oC) oraz spodziewanych temperatur zewnętrznych (15oC  25oC).
Przewidywany czas rozszalowania elementu wynosił: 12 godzin od zakończenia beto-
nowania. Przeprowadzone symulacje (rys. 9) pokazały, że założone przez projektantów
wymagania dla betonu powinny zostać spełnione.
Rys. 9. Symulacja powstających
temperatur w słupie ŚŚOB
Punkt 1 na wykresie przedstawiono temperaturę w środku słupa, a punkt 2 obrazuje
temperaturę 5 cm od powierzchni zewnętrznej słupa. W wyniku symulacji stwierdzono,
że: maksymalną temperaturę beton osiągnie po około 20 godzinach od rozpoczęcia be-
tonowania. Maksymalna temperatura w konstrukcji wyniesie około 54oC, a maksymalny
gradient przypowierzchniowy wyniesie 11oC. Dla słupa przeprowadzono również analizę
przyrostu wytrzymałości betonu w konstrukcji (rys. 10).
Rys. 10. Symulacja przyrostu
wytrzymałości na ściskanie
betonu w konstrukcji słupa
12
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
W ramach sprawdzenia prawidłowości wykonanych badań i symulacji w dniach 14-
-19 czerwca 2006 roku, w trakcie betonowania, przeprowadzono monitorowanie rozwoju
temperatury w konstrukcji. Monitorowanym elementem był słup o przekroju 80x80 cm
i wysokości 5,90 metra. Termopary umieszczono w słupie na wysokości 2,70 metra. Jeden
z czujników umieszczono w środku przekroju, drugi w pobliżu krawędzi bocznej prze-
kroju w odległości 5 cm od powierzchni deskowania. Wyniki monitorowania pokazano
poniżej.
Rys. 11. Wyniki monitorowania betonu w konstrukcji słupa ŚŚOB
Rys. 12. Pomiar temperatury otoczenie w trakcie monitorowania betonu
13
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
Pomiary temperatury wykazały, że:
 temperatura dostarczonej mieszanki betonowej wyniosła 25oC,
 maksymalna temperatura osiągnięta została po około 21 godzinach i wyniosła 57�C
(rys. 11),
 temperatura otoczenia w okresie monitorowania wahała się w granicach 14 36oC
(rys. 12).
Porównanie wyników monitorowania betonu w konstrukcji oraz przeprowadzonych
wcześniej symulacji wykazały, że:
 maksymalna temperatura w ustroju była o 3oC wyższa niż wynikało to z przeprowa-
dzonych symulacji,
 czas od zakończenia betonowania do osiągnięcia maksymalnej temperatury wyniósł
nieco ponad 20 godzin, czyli niemal dokładnie tyle, ile oszacowano w symulacji,
 po 120 godzinach temperatura spadła do 30oC. Spadek temperatury był mniej dyna-
miczny od symulowanego, co było wynikiem póz
niejszego zdjęcia deskowania niż to
założono w symulacji,
 maksymalna temperatura w konstrukcji nie przekroczyła założonej maksymalnej tem-
peratury 60oC, mimo wyższej początkowej temperatury mieszanki betonowej (25oC)
w stosunku do założeń (22oC),
 gradient przypowierzchniowy nie wyniósł więcej niż 7oC.
Różnice, które wystąpiły między symulacją a rzeczywistym monitorowaniem nie są
duże. Przyczyn różnic należy upatrywać w odmiennych warunkach brzegowych w trakcie
betonowania i dojrzewania betonu, od tych przyjętych do symulacji:
 temperatura początkowa mieszanki wyniosła 25oC, a nie jak przyjęto w symulacji
22oC;
 maksymalna i minimalna temperatura otoczenia, w trakcie dojrzewania betonu wy-
niosła: 14  36oC, a nie tak jak założono w symulacji: 15 25oC;
 element pozostawał w deskowaniu przez cały okres monitorowania (około 120 godzin),
a nie tak jak przyjęto w symulacji tylko przez 12 godzin.
Zestawiając ze sobą wyniki uzyskane w symulacji i podczas monitorowania oraz
różnice, które zaistniały w obu analizach, należy stwierdzić, że potwierdzono poprawność
przyjętego rozwiązania materiałowego.
Budowa Centrum Rozrywkowo-Handlowego  Forum w Gliwicach
Jednym z głównych powodów zastosowania systemu na budowie Centrum Rozrywkowo-
-Handlowego  Forum w Gliwicach były masywne płyty fundamentowe przewidziane
projektem budowlanym. Na budowie stosowano dwie klasy betonu z przeznaczeniem
na płyty fundamentowe: beton klasy C 30/37 oraz C 35/45. Celem było zaprojektowanie
mieszanek betonowych o jak najniższym cieple hydratacji oraz sprawdzenie, czy w beto-
nowanych płytach fundamentowych o grubości od 0,6 m do 1,2 m wybrane rozwiązanie
materiałowe zagwarantuje brak wystąpienia w elemencie konstrukcji zbyt wysokich
temperatur i gradientów temperatur. Dodatkowym celem użycia systemu było wska-
zanie wykonawcy prawidłowego sposobu pielęgnacji płyt w zależności od warunków
atmosferycznych. Betonowania płyt rozpoczęły się wczesną wiosną 2006  w stosunkowo
niskich temperaturach powietrza, a zakończyły latem 2006 w wysokich temperaturach.
14
System symulacji i monitorowania cech młodego betonu ...
W trakcie badań wstępnych, oprócz badań rozwoju wytrzymałości na ściskanie wykonano
badania kalorymetryczności różnych betonów w  kabinie hydratacyjnej . Zdecydowano
się na zastosowanie betonu na bazie cementu CEM III/32,5 N NA HSR LH i popiołu
lotnego. Mieszanka betonowa wykonana była z użyciem superplastyfikatora o działaniu
opóz
niającym, co pozwoliło na zmniejszenie dynamiki wydzielającego się ciepła.
Monitoring powstających temperatur w płytach fundamentowych potwierdził pra-
widłowy dobór rozwiązania materiałowego. Nie wystąpiły niebezpieczne dla konstrukcji
gradienty, ani wysokie temperatury w betonowanych elementach (rys. 13). Przykładowe
wyniki monitorowania betonu w dwóch przekrojach płyty pokazano na poniższym ry-
sunku.
Rys. 13. Przykładowe wyniki monitorowania płyty fundamentowej  Forum Gliwice
4. Podsumowanie
Zaprezentowany w artykule system do symulowania i monitorowania niektórych właściwo-
ści młodego betonu w elemencie konstrukcji stanowi doskonałe narzędzie w nowoczesnej
technologii betonu. Umiejętne wykorzystanie rozwiązań Danish Technological Institute,
opartych na długoletnich pracach badawczych i doświadczeniu, pozwoliło w wielu miej-
scach na świecie wybudować trwałe konstrukcje betonowe  bez spękań. Obecnie system,
wykorzystywany przez Dział Technologii Betonu CEMEX Polska Sp. z o.o., z powodzeniem
stosowany jest na wielu polskich budowach, jak również poza granicami Polski. W ramach
wspierania działalności operacyjnej CEMEX w Europie prowadzona jest obsługa dwóch
realizacji poza krajem. Jedną z nich jest budowa elektrowni w Niemczech, gdzie betonowane
są potężne masywne fundamenty pod bloki energetyczne dochodzące do 2 m grubości.
15
Rafał Gajewski, A
ukasz Szabat
Innym przykładem spoza granic Polski jest budowa Da Vinci Center w Rydze na A
otwie,
gdzie betonowane są również masywne płyty fundamentowe.
Ze względu na ograniczenia ramowe artykułu  nie ma możliwości przedstawienia
obszernej funkcjonalności systemu oraz większej liczby przykładów tego praktycznego
zastosowania. Wszystkich zainteresowanych wykorzystaniem systemu autorzy proszą
o kontakt.
Literatura
[1] Nielsen C.V.: Numerical Early-Age Temperature and Stress Calculations on Hardening Concrete; &th
International Conference on Concrete in Hot and Aggressive Environment; October 2003.
[2] Instrukcje obsługi programów 4C-Heat, 4C-Temp&Stress.
[3] Neville A.M.: Właściwości betonu; Polski Cement; Kraków 2000.
[4] Gajewski R., Szabat A
.: System symulacji i monitorowania cech młodego betonu w konstrukcji, Bu-
downictwo, Technologie, Architektura, Wyd. Polski Cement, nr 2/2005.
[5] Gajewski R., Szabat A
.: System symulacji i monitorowania cech młodego betonu w konstrukcji  przy-
kłady praktycznego zastosowania, Budownictwo, Technologie, Architektura, Wyd. Polski Cement, nr
3/2005.
[6] Kiernożycki W.: Metody realizacji masywnych elementów płytowych z uwagi na oddziaływania
pośrednie twardniejącego betonu, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Kon-
strukcji; Ustroń, 20-23 lutego 2002.
[7] Kudowski W.: Chemia cementu, PWN, Warszawa 1991.
[8] Kiernożycki W.: Betonowe konstrukcje masywne, Polski Cement, Kraków 2003.
[9] Prenorma Europejska ENV 13670-1:2000.  Wykonywanie konstrukcji betonowych. Część 1: Uwagi
ogólne .
[10] Kołacz Z., Gajewski R.: Wykorzystanie mieszanek betonowych w obniżonych temperaturach, Budow-
nictwo, Technologie, Architektura, Wyd. Polski Cement, nr 4/2004.
16