Vplyv hydratačného tepla na základové dosky
Meranie teploty od hydratačného tepla sa uskutočnilo na základovej doske budúcej lisovne, ktorá sa v súčasnosti realizuje v procese rozširovania závodu Volkswagen Slovakia v Bratislave. Nárast teploty je spôsobený predovšetkým uvoľňovaním hydratačného tepla v procese hydratácie cementu.
Merania teploty betónovej konštrukcie trvali až do 17. 4. 2012. Poveternostné vplyvy počas betonáže a prvých dní po betonáži boli pomerne priaznivé.
Základová doska je navrhnutá podľa princípu bielej vane (obr. 1). Biele vane sú betónové konštrukcie, v prípade ktorých funkciu hydroizolácie zabezpečuje svojou vodonepriepustnosťou betón spolu s utesnením všetkých priestupov, dilatácií a pracovných škár. Ak sú konštrukcie chránené povrchovými hydroizoláciami na báze bitúmenov alebo PVC ide o takzvané čierne vane. Základným predpokladom na zabezpečenie vodonepriepustnosti betónových konštrukcií je navrhnúť konštrukciu bielej vane tak, aby trhliny nevznikli vôbec, respektíve vznikali iba s obmedzenou šírkou v závislosti od veľkosti hydrostatického tlaku vody. Trhliny v betónových konštrukciách vznikajú vtedy, keď ťahové napätie prekročí aktuálnu pevnosť betónu v ťahu.
Z časového hľadiska ide o [1]:
- skoré trhliny, ktoré vznikajú v prvých hodinách, dňoch po betonáži v dôsledku ochladzovania betónu po dosiahnutí maximálnej teploty od hydratačného tepla;
- neskoré trhliny, ktoré vznikajú, respektíve zväčšujú svoju šírku po priťažení konštrukcie bielej vane priamym zaťažením a/alebo počas prvej zimy po betonáži.
Meranie teploty na betónových konštrukciách má viacero významov. Teplotné zaťaženie, ktoré je spôsobené predovšetkým uvoľňovaním hydratačného tepla a následným chladnutím konštrukcie, je jedným z hlavných fenoménov vplývajúcich na vznik a rozvoj skorých trhlín v ranom štádiu tuhnutia betónu. Zvyšovanie teploty cementu, respektíve betónu pri hydratácií môže urýchliť hydratáciu, spôsobuje však vznik hrubších kryštálov v štruktúre cementového tmelu a tým znižuje výslednú pevnosť cementovej matrice v dôsledku menších spojení medzi týmito kryštálmi. V štruktúre zároveň vznikajú ťahové napätia v dôsledku veľkých teplotných gradientov a rozpínania vlhkého vzduchu v póroch, preto sa pri hydratácií neodporúča teplota vyššia ako 60 °C [2]. Cieľom merania bolo teda predovšetkým:
- zistiť maximálnu teplotu betónu na verifikáciu predpokladov o teplotnom zaťažení, s ktorými sa počítalo pri návrhu konštrukcie, a na zabezpečenie toho, aby maximálna teplota nepresiahla 60 °C, pretože v opačnom prípade by sa mohla narušiť štruktúra betónu;
- kontrolovať maximálne teplotné gradienty po výške prvku, ktoré sú spôsobené nerovnomerným nárastom teploty a nerovnomerným chladnutím betónovej konštrukcie dosky. Teplotný gradient vyvolá v konštrukcii dosky samorovnovážny stav napätosti. Pri nadmernom teplotnom gradiente vznikajú na doske čiastočné a povrchové trhliny;
- realizovať ďalšie experimentálne meranie vývoja teplôt v betónovej konštrukcii v reálnych podmienkach ako podklad na neskoršiu termálnu analýzu.
Priebeh teploty v betónovej konštrukcii
Teplota po hrúbke prvku sa merala na piatich úrovniach s cieľom zmerať vývoj teplôt čo najpresnejšie. Na meranie teploty sa použili termočlánky (typ K) a datalogger (Pico T-08) napojený na počítač (obr. 2). Teploty v jednotlivých meraných bodoch sa odčítali každú hodinu počas šiestich dní.
 |
 |
| Obr. 2 Ddatalogger PICO T-08 a termočlánok (typ K) | Obr. 3 Meteostanica TFA-NEXUS |
Meranie klimatických vplyvov
Poveternostné podmienky majú v danom prípade vplyv predovšetkým na vývoj teploty v povrchových vrstvách betónovej dosky a výrazne ovplyvňujú veľkosť teplotného gradientu po výške dosky. Na merania poveternostných vplyvov sa použila profesionálna meteorologická stanica TFA-NEXUS (obr. 3) a solarimeter KIMO SL-200. V rámci poveternostných vplyvov sa namerali tieto veličiny:
- intenzita slnečnej radiácie (solarimeter),
- rýchlosť vetra (anemometer),
- relatívna vlhkosť vzduchu (vlhkomer),
- teplota vonkajšieho vzduchu (teplomer),
- intenzita zrážok (zrážkomer).
Opis realizácie merania
Vzhľadom na nutnosť chrániť meracie prístroje pred poveternostnými vplyvmi sa zostrojila ochranná skrinka. V skrinke boli počas merania umiestené tieto prístroje:
- datalogger (napojený na počítač),
- meteostanica (napojená na počítač),
- solarimeter (napojený na počítač),
- modem na zabezpečenie internetového signálu a prenosu dát,
- notebook napojený na internet na automatický prístup k meraným dátam.
Na obr. 4 vidieť schému zapojenia jednotlivých prístrojov. Schéma znázorňuje aj diaľkový prenos nameraných dát do centrálneho počítača. Na obr. 5 vidieť kompletne zapojené prístroje počas prebiehajúceho merania.
Obr. 4 Schéma zapojenia
1 – betónová konštrukcia, 2 – termočlánok, 3 – datalogger, 4 – minilaptop, 5 – anemometer, 6 – teplomer a vlhkomer, 7 – zrážkomer, 8 – meteostanica, 9 – solarimeter, 10 – modem, 11 – centrálny počítač
Výsledky merania
Na zhotovenie základovej konštrukcie sa použila špeciálna receptúra betónu. Teoretická maximálna teplota vypočítaná na základe údajov o zložení betónu a údajov o použitom cemente, získaných z laboratórnych meraní, bola 57 °C [4]. Maximálna teplota sa očakávala v čase 4,1 dňa od začiatku betonáže, a to v strede prvku. Skutočná nameraná maximálna teplota bola 55,7 °C, nameraná vo výške 0,7 m od spodného povrchu dosky v čase 4,5 dňa od začiatku betonáže. Maximálna hodnota teplotného gradientu (rozdiel teplôt medzi najteplejším a najchladnejším miestom po hrúbke prvku v rovnakom čase) bola na úrovni 24,6 K (obr. 6).
Pomerne veľký teplotný gradient zapríčinila predovšetkým vysoká teplota v jadre prvku a nízka teplota počas chladných nocí v období po betonáži, keď teplota vonkajšieho vzduchu nad ránom poklesla na 4 °C a spôsobovala výrazne nerovnomerné chladnutie prvku. Porovnávané teoretické a skutočné výsledky teda vykázali pomerne dobrú zhodu.
K priaznivým výsledkom merania prispela v najväčšej miere predovšetkým vhodne zvolená receptúra betónu. V prípade, že by sa použila bežná receptúra na triedu betónu C30/37, napríklad s použitím 370 kg/m3 cementu triedy CEM I 42,5 R, maximálna teplota dosky by s najväčšou pravdepodobnosťou presiahla 85 °C.
Obr. 6 Graf vývoja nameraných teplôt
Nemalý vplyv na priaznivé výsledky merania malo aj vhodné načasovanie betonáže z hľadiska ročného obdobia a s tým súvisiace poveternostné podmienky. Poveternostné podmienky majú veľký vplyv taktiež na teplotu čerstvého transportbetónu dodávaného na stavbu, keďže zložky obsiahnuté v betóne najväčšou mierou sú v betonárni bežne vystavené vonkajšej teplote. V danom prípade priemerná teplota čerstvého transportbetónu nameraná na stavbe bola 15 °C. Pri betonáži v lete a teplote čerstvého betónu 30 °C by maximálna teplota v betónovej konštrukcii mohla presiahnuť dokonca 100 °C.
Záver
Detailná príprava zloženia betónu, príprava betonárne a stavby podľa aktuálnych poveternostných podmienok sú rozhodujúce faktory vplývajúce na vývoj teplôt v betónovej konštrukcii. Merania na piatich úrovniach po výške prvku ukázali pomerne dobrú zhodu s teoretickými predpokladmi o maximálnej dosiahnutej teplote v konštrukcii. Vhodne navrhnutá zmes betónu, vhodne načasovaná betonáž a následné ošetrovanie spoločne s tepelnou ochranou konštrukcie zabezpečili v danom prípade dostatočnú ochranu pred tvorbou skorých trhlín, ktoré by mohli byť spôsobené teplotnými gradientmi po hrúbke základovej dosky, respektíve v rámci jej pôdorysu. Na základe výsledkov laboratórnych skúšok o vývoji uvoľňovania hydratačného tepla použitého cementu je pri takýchto masívnych betónových prvkoch možné pomerne presne predpokladať priebeh maximálnych teplôt v jadre. Na určenie teplotného gradientu však treba použiť už sofistikovanejšie metódy, napríklad vhodný softvér na termálnu analýzu betónovej konštrukcie. Do výpočtu vstupuje viacero faktorov, pričom treba vhodne odhadnúť poveternostné vplyvy a vhodným spôsobom zohľadniť vplyv podložia i tepelnej ochrany konštrukcie (geotextília, polystyrén, respektíve iná tepelná izolácia).
V procese výstavby lisovne sa podobným spôsobom merali teploty aj na ďalších základových konštrukciách s hrúbkou 1 až 3 m. V súčasnosti prebiehajú merania teplôt na betónových konštrukciách na stavbe Petržalka City. Namerané údaje budú slúžiť na verifikáciu výpočtových postupov na stanovenie teplotného zaťaženia na reálnych betónových konštrukciách, ktoré je spôsobené predovšetkým uvoľnením hydratačného tepla a následným chladnutím konštrukcie. Na základe spomenutých výpočtov bude možné optimalizovať postup zhotovenia konštrukcie z hľadiska zloženia betónu, vhodného načasovania betonáže, ošetrovania a tepelnej ochrany konštrukcie tak, aby výsledkom bola hospodárne navrhnutá konštrukcia, ktorá spĺňa požadované kvalitatívne parametre.
TEXT: Ing. Miroslav Ignačák , doc. Ing. Július Šoltész, PhD.
obrázky a FOTO: archív autorov
Ing. Miroslav Ignačák pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.
Doc. Ing. Július Šoltész, PhD., pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.
Poďakovanie
Príspevok vznikol s podporou výskumného projektu VEGA č. 1/0306/09 Aplikácia pravdepodobnostných metód na obnovenie spoľahlivosti betónových stavieb.
Literatúra
1. Smernica pre vodonepriepustné betónové konštrukcie – biele vane. Bratislava: SKSI, 2012.
2. Breugel, K.: Numerical Simulation of Hydration and Microstructural Development in Hardening Cement-based Materials (II). Aplications. Pergamon. In: Cement and Concrete Research, vol. 25, no. 2, 1995, p. 530.
3. STN EN 73 1210: 2006: Vodotesný betón a betón osobitných vlastností.
4. Stanovenie hydratačného tepla cementov. Záverečný protokol. Brno: VUSTAH, 2012, s. 6.
Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.
