Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu.pdf

XIII Konferencja Naukowa – Korbielów 2001

„Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych”

Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu

Piotr Witakowski 1

1. KONSTRUKCJE MASYWNE

W ostatnich kilkudziesięciu latach rozwój środków technicznych, jakimi dysponuje

budownictwo umożliwił wznoszenie wielkich obiektów z betonu w bardzo krótkim czasie.

Nie rzadko układa się obecnie nawet ponad 500 m 3 betonu w czasie jednej zmiany roboczej.

Tak szybkie tempo budowy ujawniło w całej pełni problemy znane uprzednio tylko przy

budowie wielkich zapór wodnych z betonu. Problemy te wynikają z faktu, że dojrzewanie

betonu jest wynikiem hydratacji cementu, która stanowi proces egzotermiczny.

Orientacyjnie pełna hydratacja 1 kg zwykłego cementu portlandzkiego powoduje

wydzielenie się około 400 kJ ciepła. Wydzielające się ciepło hydratacji podnosi

temperaturę betonu tym bardziej, im trudniejsze jest odprowadzanie ciepła na zewnątrz. W

skrajnych przypadkach może to doprowadzić do zagotowania się dojrzewającej masy

betonowej, a powstające w betonie naprężenia termiczne mogą być przyczyną pęknięć

przebiegających przez cały przekrój betonowanego elementu. Ponieważ odprowadzanie

ciepła hydratacji jest tym trudniejsze, im większe są rozmiary betonowanego bloku, więc

niebezpieczeństwo uszkodzeń na skutek naprężeń termicznych jest tym większe, im bardziej

masywna jest konstrukcja. Dla konstrukcji o prostych kształtach masywność możemy

utożsamiać z jej grubością. Dla porównywania masywności konstrukcji o złożonych

kształtach można posłużyć się jedną z następujących miar.

A. Współczynnik masywności konstrukcji

m k  ,

gdzie: V – objętość elementu,

S – powierzchnia elementu.

Przyjmuje się, że konstrukcja ma dużą masywność, jeśli m k < 2 [m -1 ], średnią - jeśli

m k  [2, 15] [m -1 ] i małą, jeśli m k > 15 [m -1 ].

Współczynnik m k uwzględnia tylko geometrię konstrukcji. W przypadku, gdy

chłodzona jest tylko część powierzchni, trafniejszą miarą niebezpieczeństwa wywołanego

przez ciepło hydratacji jest

1 dr hab. inż., Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

B. Współczynnik masywności pozornej

p  ,

gdzie - S p – powierzchnia elementu chłodzona przez otaczające powietrze, który

uwzględnia geometrię i chłodzenie lub

C. Grubość zastępcza

e  ,

a dla elementów pryzmatycznych

D. Grubość zastępcza

 ,

gdzie: F - pole przekroju poprzecznego elementu,

U z - długość obwodu (przekroju poprzecznego), przez który następuje kontakt z

powietrzem.

Podkreślić trzeba, że problem naprężeń termicznych wywołanych ciepłem hydratacji

nie ogranicza się tylko do konstrukcji masywnych, lecz występuje zawsze, gdy utrudnione

jest odprowadzanie ciepła. W szczególności obserwujemy często uszkodzenia termiczne w

stosunkowo cienkich elementach, które zostały wykonane z bogatych w cement mieszanek

dojrzewających w warunkach izolacji termicznej. Dzieje się tak ze względu na fakt, że

istnieją dwa odmienne mechanizmy zniszczenia konstrukcji w wyniku ciepła hydratacji.

Pierwszy z nich występuje w okresie nagrzewania konstrukcji (w okresie uderzenia

termicznego ) i związany jest z rozciąganiem powierzchniowych warstw bloku przez

rozszerzające się w wyniku nagrzewania wnętrze. Mówimy wówczas o rozciąganiu

bezpośrednim . Drugi mechanizm pojawia się w okresie ostygania bloku i związany jest z

powstrzymywaniem odkształceń stygnącego wnętrza przez powierzchniowe warstwy bloku

lub zewnętrzne warunki podparcia. Mówimy w tym przypadku o powstrzymywaniu

odkształceń (ang. restraint mechanism ). Jeśli pierwszy z mechanizmów możliwy jest tylko

przy dużych grubościach bloku, to drugi z nich może wystąpić niezależnie od grubości.

2. SPECYFICZNE PROBLEMY BUDOWY KONSTRUKCJI MASYWNEJ

Jest oczywiste, że naprężenia termiczne wywołane ciepłem hydratacji są tym

większe, im większy jest przyrost temperatury we wnętrzu dojrzewającej konstrukcji. W

szczególności - w konstrukcji, w której nie ma zmian temperatury naprężenia termiczne w

ogóle nie pojawią się. Budowa konstrukcji masywnej z betonu różni się od budowy zwykłej

konstrukcji tym, że technologia musi uwzględniać konieczność minimalizowania wzrostu

temperatury w wyniku samonagrzewu konstrukcji..

Dla zapewnienia tego celu przy budowie konstrukcji masywnych z betonu

obowiązują trzy podstawowe zasady:

1) receptura betonu powinna zostać dobrana tak, aby do wnętrza konstrukcji wprowadzać

jak najmniej ciepła hydratacji (utajonego w cemencie),

2) wprowadzone już do konstrukcji ciepło hydratacji powinno wydzielać się jak

najwolniej - daje to czas na odprowadzenie ciepła na zewnątrz konstrukcji,

3) wydzielające się wewnątrz konstrukcji ciepło hydratacji powinno mieć jak najmniejszą

drogę do przebycia - odprowadzanie ciepła wywoła wówczas mały przyrost

temperatury.

Stosowanie tych zasad zapewnia, że dojrzewanie konstrukcji z betonu związane jest

z możliwie niskim wzrostem temperatury w jej wnętrzu, a co za tym idzie minimalizuje

naprężenia termiczne.

Podkreślenia wymaga fakt, że szybkość wydzielania się ciepła hydratacji zależy

wyraźnie od temperatury, w jakiej przebiega proces i szacunkowo rośnie 2-krotnie przy

wzroście temperatury o 10 o C. Toteż jednym z zasadniczych sposobów spowalniania

procesu wydzielania ciepła jest obniżenie temperatury.

3. MONOLITYCZNOŚĆ KONSTRUKCJI I CZYNNIKI TECHNOLOGICZNE

Zwykle zadanie, jakie stoi przed technologiem budowy konstrukcji masywnej

sprowadza się do opracowania receptury betonu oraz sposobu wykonania konstrukcji, która

ma gotowy projekt. Oznacza to, że receptura i sposób wykonania muszą być dostosowane

do z góry zadanych rozmiarów, kształtu i sposobu podparcia zaprojektowanej konstrukcji.

Receptura i sposób wykonania muszą zapewniać zachowanie monolityczności konstrukcji.

Przy określonych projektem własnościach konstrukcji zachowanie monolityczności zależy

od:

1) rozwoju pola temperatury T ( t ),

2) odkształcalności termicznej betonu (λ betonu ≈ λ kruszywa),

3) rozwoju pola własności mechanicznych E ( t ), ν ( t ), R r ( t ) oraz

4) koincydencji między rozwojem pola temperatury i pola własności

wytrzymałościowych.

Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu wykształciła w ciągu ostatnich

dziesięcioleci szereg czynników technologicznych mających na celu zapobieżenie

utracie monolityczności na skutek naprężeń termicznych wywołanych ciepłem

hydratacji. Czynniki te podzielić można na 3 grupy.

A. Czynniki dostępne w czasie wykonywania mieszanki betonowej.

B. Czynniki dostępne w czasie betonowania.

C. Czynniki dostępne w czasie pielęgnacji.

Czynniki dostępne w czasie wykonywania mieszanki betonowej

Na czynniki tej grupy należą składają się:

 skład recepturowy mieszanki i

 jej temperatura początkowa.

Zasadniczym czynnikiem tej grupy jest rodzaj cementu. Dla potrzeb budowy

konstrukcji masywnych cement powinien mieć możliwie niskie całkowite ciepło hydratacji,

a sama jego hydratacja powinna przebiegać możliwie wolno. Tempo hydratacji cementu

charakteryzuje funkcja źródeł W ( t ) - rys. 1 i 2 - tj. gęstość mocy ciepła hydratacji (jej

wartości mierzone są w W/g i wskazują, ile w danej chwili wydziela się ciepła w jednostce

czasu z jednostki masy cementu). Dla porównywania przydatności poszczególnych spoiw

warto posługiwać się tzw. współczynnikiem przydatności p zdefiniowanym wzorem

p 

max

gdzie: W max - wartość maksimum krzemianowego na funkcji źródeł w ustalonej

temperaturze,

t 1 - czas wystąpienia maksimum krzemianowego.

p = t 1 /W max

W max

t 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

t [h]

Rys. 1. Współczynnik przydatności. Funkcja źródeł dla cementu portlandzkiego 42,5

Rejowiec. Badanie przeprowadzono na zaczynie przy w/c = 0,5. Temperatura T = 25 o C.

Ponieważ w cemencie głównym składnikiem wydzielającym ciepło hydratacji jest

klinkier, cement zwykle ma tym większy współczynnik przydatności, im mniej zawiera

klinkieru. Najwyższą preferencję ma więc cement typu CEM III B (hutniczy), a najniższą

CEM I (portlandzki). Ponadto należy dobierać cement z klinkieru o składzie

mineralogicznym wynikającym z następującej relacji między ciepłami hydratacji

poszczególnych minerałów

Q .

Oznacza to, że cement do budowy konstrukcji powinien być wykonany z klinkieru o jak

najmniejszej zawartości C 3 A i C 3 S .

Współczynnik przydatności cementu portlandzkiego rośnie wraz ze spadkiem

zawartości gipsu (najwyższy współczynnik ma czysty klinkier) i stopniem hydrofobizacji

(cement zleżały ma większy współczynnik p niż cement świeży), a maleje wraz ze wzrostem

powierzchni właściwej S w - cement niższej klasy ma zwykle większy współczynnik p niż

cement wyższej klasy wykonany z tego samego klinkieru.

Niezależnie od własności samego cementu na ilość ciepła wydzielającego się w

betonie ma oczywisty wpływ zawartość cementu w betonie, a ponadto tempo wydzielania

ciepła hydratacji zależy od rodzaju kruszywa - kruszywo powinno mieć jak największe

ciepło właściwe i współczynnik przewodności - oraz od temperatury mieszanki. Wpływ

temperatury ilustruje rysunek 2. W zakresie przydatnych w technologii współczynników w/c

tempo hydratacji zależy od tego współczynnika bardzo nieznacznie.

Niezależnie od wpływu ww. klasycznych składników betonu, szybkość hydratacji w

betonie może być w bardzo szerokich granicach regulowana przez domieszki chemiczne. W

obecności superplastyfikatora cement wykazuje zwykle znacznie większy współczynnik

przydatności cementu niż bez jego obecności, a stosowanie opóźniaczy pozwala właściwie

na dowolną zmianę współczynnika przydatności.



Rys. 2. Zależność funkcji źródeł od temperatury. Badanie w kalorymetrze izotermicznym

skonstruowanym pod kierunkiem autora. Cement portlandzki 45 Małogoszcz, w/c = 0,5.

Pamiętać jednak należy, że powyżej pewnej granicy wszystkie znane opóźniacze jedynie

przesuwają w czasie cały efekt krzemianowy (zwiększają tzw. okres indukcji), co nie ma

żadnego znaczenia dla wartości przyrostów temperatury i wielkości naprężeń termicznych.

Czynniki dostępne w czasie betonowania

Do tej grupy zaliczamy te czynniki, które mogą być przedmiotem decyzji technologa

w odniesieniu do czynności przygotowawczych wykonywanych na placu budowy przed

betonowaniem lub bezpośrednio dotyczących sposobu układania betonu. Czynniki te

zwykle określane są mianem technologii betonowania.

Najważniejszym czynnikiem jest tu podział na bloki betonowania określany często

jako system betonowania . Wyróżnia się 6 podstawowych systemów:

1) przewiązkowy,

2) słupowy,

3) długich bloków,

4) wysokich bloków,

5) pasmowy,

6) dywanowy.

Każdy z tych systemów związany jest z innym kształtem i konfiguracją przestrzenną

poszczególnych bloków betonowania [ 1 ].

Innym ważnym czynnikiem jest ustalenie sposobu chłodzenia wewnętrznego (ang.

pipe cooling ). Wiąże się z tym konieczność zaprojektowania i wykonania instalacji

chłodzącej. Warto wspomnieć, że metoda ta została po raz pierwszy zastosowana przy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: