Technologia budowy konstrukcji ...

[ Pobierz całość w formacie 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

,
V
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
S
 B. Współczynnik masywności pozornej
m
p

,
p
V
gdzie -
S
p
– powierzchnia elementu chłodzona przez otaczające powietrze, który
uwzględnia geometrię i chłodzenie lub
C. Grubość zastępcza
V
e

,
S
p
a dla elementów pryzmatycznych
D. Grubość zastępcza
e

,
2
F
m
U
z
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.
S
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

t
1
,
W
max
gdzie:
W
max
- wartość maksimum krzemianowego na funkcji źródeł w ustalonej
temperaturze,
t
1
- czas wystąpienia maksimum krzemianowego.
40
35
30
25
20
p = t
1
/W
max
15
10
5
W
max
t
1
0
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.
C
3
A
:
Q
C
3
S
:
Q
C
4
AF
:
Q
2
S

10
:
5
:
1
:
1
C
h
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]