Wpływ ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej z płaszczem mrożeniowym

___________________________________________________________________ 1)

KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław

Sławomir Fabich

, Sławomir

Ś

wito

ń

Wpływ ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne

zachodz

ą

ce w strefie kontaktowej

z płaszczem mro

ż

eniowym

Streszczenie

Przedstawiono analizę wpływu ciepła hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej płaszcza mrożeniowego z wykonywaną w warunkach zamrożonego górotworu obudową szybową. Ilość ciepła emitowana w procesie wiązania betonu może mieć kluczowe znaczenie dla stanu zamrożenia ociosów, co bezpośrednio może przełożyć się na bezpieczeństwo podczas głębienia szybu. Analiza ta została wykonana z zastosowaniem metody elementów skończonych. Do obliczeń posłużono się rzeczywistymi wartościami pa-rametrów termicznych skał oraz betonu. W wyniku analizy uzyskano informacje odnośnie dynamiki zmian temperatury strefy kontaktowej, a w szczególności określono czas, po którym nastąpi powtórne jej zamrożenie.

Słowa kluczowe: mrożenie górotworu, głębienie szybów, ciepło hydratacji

Concrete hydratation heat influence into the thermal properties

of ice-wall at the contact between rock and linen

Abstract

In this paper hydratation heat influence into the thermal processes that occurs in the contact zone between frozen wall and concrete lining has been analysed. Amount of heat that is emitted by this concrete may be crucial for freezing wall condition which may be important in matter of safety during the shaft sinking. This analysis was conducted using Finite Elements Method. Real thermal properties of rock and concrete were used within the calculations. Information about the dynamics of temperature changes at the contact zone as well as the time of refreezing were gained during this analysis.

Key words: rock freezing, shaft sinking, hydratation heat

Wst

ę

p

W chwili obecnej do skutecznego głębienia szybów w trudnych warunkach geo-logicznych i hydrogeogeo-logicznych wykorzystywana jest technika mrożenia górotworu, podczas której wytwarzany jest odpowiedniej grubości i wytrzymałości płaszcz mro-żeniowy. Jego zadaniem jest ochrona wyrobiska szybowego przed wdarciem się wody, zapewniając jednocześnie stateczność ociosów do chwili wykonania obudo-wy. W tym celu przed rozpoczęciem procesu głębienia szybu wykonuje się z ze-wnętrznego kręgu orurowane otwory mrożeniowe, do których, po ich uzbrojeniu

___________________________________________________________________

w rury wewnętrzne (tzw. opadowe) wprowadza się oziębioną substancję chłodniczą (najczęściej chlorek wapnia CaCl2) o temperaturze dochodzącej do -35°C.

Substan-cja ta ma za zadanie stopniowe odbieranie ciepła z poszczególnych pakietów skal-nych, aż do całkowitego ich zamrożenia. Ze względów wytrzymałościowych oraz technologicznych dla potrzeb bezpiecznego głębienia szybu w strefie mrożonej nie-zbędne jest spełnienie przez płaszcz mrożeniowy dwóch warunków:

− osiągnięcie wymaganego stanu zamrożenia górotworu, tj. zamrożenie tylko ociosów głębionego szybu lub też zamrożenie górotworu łącznie z jądrem; − uzyskanie wymaganej grubości płaszcza mrożeniowego w poszczególnych

pakietach skalnych.

Technologia głębienia szybu w zamrożonym górotworze uzależniona jest od rodzaju skał oraz zaprojektowanej obudowy. W praktyce górniczej, w strefie mrożonej naj-częściej stosowana jest obudowa dwuwarstwowa murowo-betonowa, panelowo-betonowa z hydroizolacją, betonowa monolityczna oraz w warunkach spodziewa-nych dużych obciążeń ze strony zawodnionego górotworu obudowa betonowa z wkładką stalową lub obudowa tubingowa. Obudowa dwuwarstwowa murowo-betonowa oraz panelowo-murowo-betonowa z hydroizolacją wykonywana jest przeważnie w dwóch fazach:

− faza I wznoszenie muru z cegły lub paneli jako obudowy wstępnej wykony-wanej za postępem głębienia szybu,

− faza II wznoszenie obudowy ostatecznej (oraz zabudowa hydroizolacji) od dołu do góry.

Pozostałe dwa rozwiązania obudowy, tj obudowa betonowa z wkładką stalową oraz tubingowa wykonywane są przeważnie za postępem głębienia szybu, minimalizując tym samym wielkość otwarcia jego dna, co jest ważne w warunkach głębienia szy-bu, przy dużych obciążeniach oddziaływujących na płaszcz mrożeniowy od strony górotworu. Konsekwencją stosowania w praktyce górniczej tych rozwiązań jest to, iż wiążący beton ma bezpośredni kontakt z zamrożonym górotworem. Taki stan rzeczy sprawia, że przy dużych objętościach betonu, na skutek ciepła, jakie wydzielane jest podczas hydratacji cementu może dochodzić do częściowego rozmrażania się płaszcza mrożeniowego na kontakcie z betonem obudowy. Powyższe, w granicz-nych przypadkach i przy niekorzystgranicz-nych uwarunkowaniach związanych z właś ciwo-ściami geomechanicznymi mrożonych skał oraz technologicznych może prowadzić do utraty przez płaszcz mrożeniowy swojej wytrzymałości, a w konsekwencji szczel-ności. Zbyt znaczące rozmrożenie strefy kontaktowej betonu z zamrożonym góro-tworem, przy długo utrzymującym się tym stanie, może również uniemożliwić po-prawną współpracę obudowy z górotworem w aspekcie przekazywania na górotwór obciążeń związanych z ciężarem samej obudowy. Może to prowadzić do nadmier-nych przemieszczeń pionowych segmentów obudowy betonowej lub w przypadku kolumny tubingowej do powstawania nadmiernych rozwarć na złączach poziomych, przy jednoczesnym uszkodzeniu śrub tubingowych.

W dostępnych opracowaniach naukowych problem ten nie był szczegółowo anali-zowany, a w praktyce wykonawczej radzono sobie z nim poprzez bardzo intensywne zamrożenie górotworu i dostosowanie prędkości głębienia szybu do stanu tego za-mrożenia.

W celu określenia stopnia wpływu temperatury pochodzącej od hydratacji ce-mentu postanowiono zbudować prosty model odzwierciedlający wycinek obudowy z górotworem oraz wykonać metodą elementów skończonych obliczenia przepły-wów cieplnych dla zadanych warunków termicznych.

1. Wpływ zjawiska hydratacji w betonie na płaszcz mro

ż

eniowy

Zjawisko hydratacji występuje w momencie, gdy w twardniejącej mieszance be-tonowej następuje proces łączenia się cząsteczki cementu i wody. Na skutek utraty masy na poziomie cząsteczkowym ich połączenie się skutkuje uwolnieniem energii (w tym przypadku energii cieplnej). Proces wiązania cementu jest zatem typową reakcją egzotermiczną. Wpływ na ilość emitowanego ciepła mają takie czynniki jak [1]:

− skład mineralny cementu, − klasa cementu;

− zawartość dodatków (np. popiołu lub żużla).

W przypadku betonów wykonywanych na bazie zwykłych cementów portlandzkich blisko połowa ciepła hydratacji wydzielana jest pomiędzy pierwszym a trzecim dniem po zakończeniu robót betonowych, zaś 75% całkowitej ilości ciepła wydzielane jest w okresie do 7 dni [2]. Zjawisko wydzielania ciepła z hydratacji betonu ma znaczenie przy dużych obiektach technicznych, gdyż powstałe w wyniku dużego zróżnicowania temperatur wewnątrz struktury betonu naprężenia mogą doprowadzić do spękań i zarysowań, co owocuje obniżeniem trwałości i wytrzymałości betonu [3]. Nieco inaczej proces ten przebiega w warunkach wiązania betonu w niskich temperaturach w obecności płaszcza mrożeniowego. Przy małych objętościach betonu może dojść do zamarznięcia wody zarobowej, jeszcze przed związaniem betonu. W takich wa-runkach beton nie zwiąże, ulegnie tylko zamarznięciu, któremu będzie towarzyszył wzrost objętości lodu utworzonego z wody zarobowej. Proces wiązania betonu bę -dzie tu wstrzymany, aż do osiągnięcia przez beton dodatniej temperatury, w której beton zwiąże bez utraty swojej wytrzymałości. Inaczej proces ten będzie wyglądał w momencie, gdy beton ulegnie zamrożeniu po częściowym jego związaniu. Proces zamrożenia niszczy strukturę betonu obniżając znacznie jego wytrzymałość. Naj-bardziej optymalną sytuacją będzie ta, gdy ilość betonu będzie gwarantowała, że energia pochodząca z hydratacji cementu wchodzącego w jego skład będzie rów-noważona przez zimno dopływające z zamrożonego górotworu, stwarzając tym samym idealne warunki do wiązania. Najgorszą z możliwych, w aspekcie współpra-cy płaszcza mrożeniowego z betonem obudowy, jest sytuacja nadmiarowej ilości ciepła hydratacji, nie mogącej być zrównoważoną przez zimno dopływające z płasz-cza mrożeniowego. Prowadzi to do jego rozmrażania, czego skutkiem mogą być zjawiska opisane we wstępie niniejszego artykułu.

2. Modelowanie przepływów termicznych –

opis wykorzystywanego narz

ę

dzia

Do analiz posłużono się programem Solidworks Simulation z modułem do obli-czeń termicznych. Moduł ten pozwala na obliczanie temperatury, gradientów tempe-ratury oraz przepływów ciepła w oparciu o warunki generowania, przewodzenia, konwekcji i promieniowania ciepła. Badania termiczne pomagają unikać niepożą da-nych warunków cieplda-nych, takich jak przegrzanie i topnienie, a także modelować rozprzestrzenianie się temperatur w różnych ośrodkach. Oprogramowanie to

wyko-___________________________________________________________________

rzystuje do symulowania przepływu ciepła pomiędzy warstwami skalnymi o różnych parametrach metodę elementów skończonych. Tworzenie siatki elementów skoń -czonych odbywa się z wykorzystaniem dwóch różnych mechanizmów obliczenio-wych. Pierwszym jest siatka standardowa oparta na prostokątach, oraz siatka oparta na krzywiźnie. We wszystkich modelach zbudowanych na potrzeby niniejszego arty-kułu wykorzystywano siatkę opartą na krzywiźnie. Siatka ta bowiem lepiej dopaso-wuje się do stosunkowo małych elementów poprzez zagęszczenie w najbardziej newralgicznych dla modelu miejscach. Program umożliwia modyfikację rozmiaru elementów skończonych dla całej siatki, w obrębie jednego bądź wielu regionów. Oprogramowanie Solidworks Simulation do obliczeń termalnych wykorzystuje solver FFEPlus, dający dokładniejsze wyniki obliczeń dla analiz termicznych aniżeli inny wykorzystywany również przez oprogramowanie Solidworks Simulation solver DirectSparse. Technika obliczeń polega ona na rozwiązaniu określonej ilości równań dla każdego z elementów odpowiadającej ilości stopni swobody dla danej analizy. Siatka elementów skończonych została zaprojektowana tak, aby spełniała kryteria oczekiwanego rozwiązania danego problemu, oraz aby zbudowany model przed-stawiał uproszczoną wersję realnego modelu geometryczno-geologicznego.

3. Parametry modelu oraz zało

ż

enia obliczeniowe

Dla potrzeb analizy numerycznej wykonanej w programie Solidworks Simulation zbudowano model obliczeniowy (rys.1) oraz zdefiniowano dane wyjściowe.

Rys. 1. Model obliczeniowy – geometria

Rura mrożeniowa

Uznano, iż na potrzeby wykazania wpływu ciepła pochodzącego z hydratacji betonu na procesy termiczne zachodzące w strefie kontaktowej płaszcza mrożeniowego wystarczającym będzie uproszczony model, składający się jedynie z przykładowej warstwy skalnej z usytuowanym w niej otworem mrożeniowym. Ponadto umieszczo-no w omawianym modelu obudowę betonową o grubości 1 metra. Do obliczeń przy-jęto następujące parametry i założenia:

− średnia temperatura płaszcza mrożeniowego = -10oC − temperatura betonu = +30oC

− temperatura rur mrożeniowych = -30oC − parametry materiałowe [4]:

o Górotwór – Piaskowiec gruboziarnisty

współczynnik przewodzenia ciepła = 0,84 W/m*K ciepło właściwe = 1000 J/kg*K

masa właściwa = 2400 kg/m3

o Beton

współczynnik przewodzenia ciepła = 3,8 ÷ 2,4 W/m*K ciepło właściwe = 830 ÷ 990 J/kg*K

masa właściwa = 2030 kg/m3.

Na potrzeby niniejszego opracowania w obliczeniach pominięty został wpływ tempe-ratury powietrza w szybie, z uwagi na fakt, iż będzie on miał znikomy wpływ na wy-niki analizy.

4. Wyniki przeprowadzonej analizy

Analizę przeprowadzono dla zadanych we wcześniejszym rozdziale parametrów wejściowych i założeń. Obliczenia obejmowały okres czasu od 0 do 50 dni z interwa-łem jednodniowym. Na rys. 2 przedstawiono stan temperaturowy w momencie peł-nej hydratacji cementu obudowy betonowej - Tbet=+30

o

C. Na kontakcie beton-płaszcz mrożeniowy temperatura wynosi +4oC. Maksimum temperaturowe na kon-takcie przypada na 3 dzień po wykonaniu obudowy i wynosi 4,9oC. Na rys. 3 poka-zano rozkład temperatur po 13 dniach od wykonania obudowy. W tym momencie na kontakcie beton-płaszcz mrożeniowy temperatura wynosi 0oC. Na rys. 4 zaprezen-towano dystrybucję temperatur na kontakcie pomiędzy betonem, a płaszczem mro-żeniowym po 20 dniach od wykonania obudowy. Na kontakcie tym temperatura wynosi -4oC. Po 30 dniach od wykonania obudowy na kontakcie beton-płaszcz mro-żeniowy temperatura wynosi -8,0oC i jest to początek procesu zamarzania obudowy betonowej, a po 40 dniach w strefie kontaktowej pomiędzy obudową betonową a płaszczem mrożeniowym temperatura wynosi -12oC, a na licu wynosi -4oC.

Rozkład zmiany temperatur w czasie w trzech najbardziej newralgicznych punktach modelu tj.:

− na kontakcie pomiędzy górotworem, a obudową betonową, − w środku grubości obudowy betonowej,

− na licu obudowy betonowej, przedstawiono na rys. 5.

___________________________________________________________________

Rys. 2. Wyniki analizy – stan wyjściowy z chwilą wykonania robót betonowych

Rys. 4. Wyniki analizy – rozkład temperatur po 20 dniach

Rys. 5. Rozkład temperatur na licu i w środku przekroju obudowy betonowej oraz w płaszczu mrożeniowym

___________________________________________________________________

Wnioski

1. Proces hydratacji betonu w warunkach wykonania obudowy betonowej o grubo-ści 1,0 m w zamrożonym górotworze wyzwala ilość ciepła powodującą rozmro-żenie górotworu na kontakcie z koszulką betonową na głębokość kilkunastu cen-tymetrów. Maksimum temperaturowe na kontakcie obudowa-płaszcz mrożeniowy przypada na trzeci dzień po wykonaniu obudowy i wynosi około +5oC. Po tym czasie następuje stopniowy spadek temperatury na kontakcie z górotworem oraz w obudowie. Po 13 dniach temperatura na kontakcie wynosi 0oC i dopiero od te-go momentu następuje powolne zjawisko zamarzania górotworu w strefie przyle-gającej do obudowy. Po około 15 dniach płaszcz mrożeniowy ulega odbudowie i następuje proces powolnego zamarzania obudowy betonowej.

2. W sytuacji jak powyżej, przy założeniu, iż za obudową występują zawodnione skały luźne lub spoiste (piaski, iły, gliny), w początkowym okresie po wykonaniu obudowy nie można liczyć na przeniesienie przez górotwór jej ciężaru. Dopiero po około 20 dniach górotwór uzyskuje wytrzymałość gwarantującą stabilność obudowy.

3. Przeprowadzone obliczenia modelowe wskazują na brak możliwości wykonywa-nia w zamrożonych skałach luźnych lub spoistych obudowy betonowej o grubości 1,0 m bezpośrednio za postępem przodka, gdyż nie ma gwarancji przeniesienia przez rozmrożony górotwór jej ciężaru. W takich warunkach jedną z możliwych technologii jest głębienie szybu dłuższymi odcinkami w obudowie wstępnej pod-wieszanej i wykonywanie obudowy ostatecznej, betonowej z dołu do góry, przy czym odcinek wznoszonej obudowy betonowej winien być wsparty na stopie podstawowej o parametrach gwarantujących przeniesienie ciężaru wznoszonego odcinka obudowy.

Bibliografia

[1] Neville A.M., 2000, Właściwości betonu. Wydawca: Polski cement Sp. z o.o. Kraków.

[2] Bogue R.H., 1955, Chemistry of Portland Cement. Reinhold, New York. [3] http://www.concreteideas.com/concrete-basics-heat-of-hydration [25.03.2012] [4] Chmura K., 1970, Własności Fizyko-termiczne skał niektórych polskich zagłębi