Politechnika Poznańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Transportu Instytut Budownictwa
ZASTOSOWANIE MATERIAŁÓW ZMIENNOFAZOWYCH DO PIELĘGNACJI BETONU W WARUNKACH KLIMATU
ZWROTNIKOWEGO SUCHEGO
Mgr inż. Mahmoud Hsino
Rozprawa doktorska
Promotor: prof. dr hab. inż. Józef Jasiczak
Poznań 2020
Podziękowania
Pragnę podziękować wszystkim osobom, dzięki którym mogłem zrealizować niniejszą pracę.
Przede wszystkim dziękuję Panu prof. dr hab. inż. Józefowi Jasiczakowi za pomoc i szereg cennych uwag promotorskich oraz za wsparcie, którego mi udzielił jako Dyrektor Instytutu Budownictwa.
Mamie!
Spis treści ……….……….……4
Streszczenie w języku polskim ……….………....7
Streszczenie w języku angielskim ………9
Spis skrótów ………. 11
1. Wprowadzenie ………. 13
1.1. Wstęp i uzasadnienie tematu ……….. 18
1.2. Cel i tezy rozprawy ………. 23
1.3. Hipotezy badawcze ………. 24
1.4. Zakres rozprawy ……….… 24
Literatura ………... 26
2. Rola pielęgnacji betonu ……….. 27
2.1. Znaczenie procesu pielęgnacji przy betonowaniu ……….…. 27
2.2. Specyfika syryjskiego budownictwa betonowego (drogi, kanały melioracyjne, itp.)……….….. 31
2.3. Charakterystyka klimatu syryjskiego ……….… 33
Literatura ………... 39
3. Metody pielęgnacji betonu w klimacie gorącym i suchym ……….. 40
3.1. Podstawowe metody pielęgnacji ……… 40
3.2. Idea pielęgnacji wewnętrznej ……….… 45
3.3. Zastosowanie materiałów zmiennofazowych i ich charakterystyka …………..…. 57
3.3.1. Tendencje światowe ……… 57
3.3.2. Charakterystyka materiałów zmiennofazowych ………. 58
3.3.3. PCM w betonie ……… 62
3.3.4. Zastosowanie PCM w celu redukcji negatywnych skutków w początkowej fazie dojrzewania mieszanki betonowej ……….…….. 65
Literatura ………... 68
4. Program, użyte materiały i metody badań laboratoryjnych ………... 72
4.1. Program badań ……… 72
4.1.1. Komory pomiarowe ……….…… 72
4.1.2. Cykle badawcze z użyciem materiałów zmiennofazowych, ich zakres badań .... 74
4.2. Materiały użyte do badań ………... 79
4.2.1. Receptury mieszanki betonowych ………... 79
4.2.2. Materiały zmiennofazowe ………... 81
4.3. Sprzęt i procedury badawcze ………..… 82
4.3.1. Formy i próbki laboratoryjne z rozmieszczeniem czujników pomiarów temperatury ……….. 82
4.3.2. Przebieg temperatury w pierwszych dniach dojrzewania młodego betonu według wykresu pobranego z rejestratora LOGOSCREEN ……….… 83
4.3.3. Badania wytrzymałości betonu na ściskanie, nasiąkliwości, ścieralności i wodoprzepuszczalności ……….… 84
4.3.3.1. Wytrzymałość betonu na ściskanie ……….……….… 84
4.3.3.2. Badania nasiąkliwości betonu ……….. 86
4.3.3.3. Badania wodoprzepuszczalności ………..… 87
4.3.3.4. Badania ścieralności na tarczy Boehmego ………... 89
Literatura ……….……….. 91
5. Wyniki badań i ich analiza ………. 92
Część I – Badania i analizy dotyczące wymiany ciepła w komorze ……….... 92
5.1. Badania wstępne wykonane w firmowej komorze klimatycznej ………..…. 92
5.2. Badania zasadnicze wykonane w nowej komorze klimatycznej ……….. 102
5.3. Bilans ciepła i obliczenia z nim związane dla procesów zachodzących w komorze klimatycznej ……….. 133
5.3.1. Przypadek bez materiałów zmiennofazowych ………... 137
5.3.2. Przypadek z dodatkiem materiałów zmiennofazowych ……… 139
Część II – Oznaczenie cech fizycznych i mechanicznych betonu ……….…. 144
5.4. Wyniki badań wytrzymałości betonu na ściskanie ……….………..… 144
5.4.1. Wytrzymałość betonu uzyskane w badaniach wstępnych ……….…… 144
5.4.2. Wytrzymałość betonu uzyskane w badaniach zasadniczych ……….…… 145
5.5. Wyniki badania nasiąkliwości ………..………… 150
5.6. Wyniki badania wodoprzepuszczalności ………. 152
5.7. Wyniki badania odporności na ścieranie ……….………. 157
5.8. Ustosunkowanie się do uzyskanych wyników badań cech mechanicznych i fizycznych zbadanych betonów………... 161
Literatura ……….…… 166
6. Ocena przydatności proponowanej technologii pielęgnacji ………... 167
6.1. Metoda AHP (Analytic Hierarchy Process) ………. 167
6.2. Analiza przydatności proponowanej technologii dla wybranych typów obiektów ………... 171
6.3. Tablica decyzyjna zastosowania PCM przy pielęgnacji betonu w warunkach syryjskich ……….. 178
Literatura ………... 187
7. Wnioski ………... 188
7.1. Wnioski ogólne ………. 188
7.2. Wnioski szczegółowe ………...……… 189
7.3. Perspektywy dalszych badań ………..………….. 190
Załącznik nr 1 do rozdziału 5 – cykle niepełne ………... 192
Załącznik nr 2 do rozdziału 5 - wykresy bezpośrednie z czytnika temperatur ……… 208
Streszczenie
Rozwój naszej cywilizacji powinien odbyć się w taki sposób, aby nie zmniejszał potencjału rozwoju przyszłych pokoleń. Wykorzystywanie malejących zasobów naszej planety, przy ciągle wzrastającej liczbie mieszkańców musi odbywać w sposób zrównoważony.
W odniesieniu do budownictwa oznacza to uwzględnianie wszystkich oddziaływań obiektu budowlanego na środowisko w pełnym cyklu jego istnienia.
Budownictwo zużywa ponad 40 % produkowanej energii oraz około 50 % masy przetwarzanych materiałów. Emituje około 35 % gazów cieplarnianych. Z tego powodu w wymaganiach podstawowych zrównoważonego budownictwa położono nacisk nie tylko na nośność i stateczność, bezpieczeństwo pożarowe, ochronę przed hałasem czy bezpieczeństwo użytkowania, ale również podkreślono rangę zdrowia i środowiska, oszczędności energii i ochrony cieplnej, a także zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych. W dobie rosnącego popytu na energię na świecie, bardziej rygorystycznych wymagań nowoczesnego budownictwa, restrykcyjnych norm i rosnących cen energii poszukiwane są rozwiązania energooszczędne i ekologiczne.
W pracy podjęto próbę zastosowania inteligentnych materiałów zmiennofazowych (PCM – Phase Change Materials) dodawanych do mieszanki betonowej wykonywanej w warunkach gorącego i suchego klimatu. Dlatego też jako przedmiot badań wybrany został aspekt analizy opcji procesu pielęgnacji betonu w warunkach syryjskich (klimat gorący i suchy), w których istotne zagrożenie stanowi zakłócenie budowy poprawnej struktury betonu ze względu na znaczną dynamikę wydzielania ciepła w dojrzewającym betonie. Te niekorzystne oddziaływania można ograniczyć wprowadzając odpowiednie metody pielęgnacji, dodając do mieszanki PCM do określonego zastosowania betonu przy realizacji systemów irygacyjnych autostrad, składowisk wielkopowierzchniowych , lotnisk, itp.).
Rozprawa ma charakter doświadczalny i polega na modelowaniu w specjalistycznych komorach klimatycznych dobowych wahań temperatury otoczenia dla klimatu Syrii i ocenie odpowiedzi termicznej dojrzewającego w tych warunkach młodego betonu. Dodanie do świeżej mieszanki materiałów zmiennofazowych wywołuje zjawiska termoregulacyjne.
PCM spełniają we wstępnej fazie dojrzewania betonu następującą rolę:
- absorbują ciepło hydratacji w dojrzewającej mieszance betonowej tak, aby nie dopuścić do wystąpienia zbyt dużego piku termicznego i przekroczenia dopuszczalnych gradientów termicznych wewnątrz mieszanki,
- usprawniają wymianę ciepła z otoczeniem, stopniowo oddając ciepło do otoczenia podczas nocnego obniżenia temperatury,
- ujednolicają temperaturę w całej objętości mieszanki betonowej, - umożliwiają kontrolę temperatury wewnątrz budynków.
Niezależnie od aspektów naukowych i poznawczych badań ważne są także efekty aplikacyjne : eliminacja rys i pęknięć w początkowym okresie dojrzewania betonu , przedłużenie okresu trwałości konstrukcji, a co za tym idzie zmniejszenia zużycia surowców naturalnych do wznoszenia kolejnych obiektów czy konstrukcji, nie odbierając przyszłym pokoleniom szansy na rozwój – zgodnie z trzecią zasadą rozwoju zrównoważonego.
Summary
The development of our civilisation should take place in such a way that it does not reduce the development potential of future generations. The use of the decreasing resources of our planet, which is accompanied by a constantly growing number of inhabitants, must be done in a sustainable way.
In relation to construction, this means taking into account all the environmental impacts of a construction object on its full life cycle.
Construction uses over 40% of the energy produced and about 50% of the mass of processed materials. It emits about 35% of greenhouse gases. For this reason, the basic requirements of sustainable construction put emphasis not only on load-bearing capacity and stability, fire safety, noise protection or safety of use, but also on the importance of health and the environment, energy savings and heat protection, as well as the sustainable use of natural resources. In the era of growing global demand for energy, more stringent requirements of modern construction, restrictive standards and growing energy prices, energy-saving and ecological solutions are sought.
The paper attempts to discuss the implementation of intelligent phase-change materials (PCM - Phase Change Materials) added to the concrete mix in hot and dry climate conditions. Therefore, the aspect of analysis of concrete care options in Syrian conditions (hot and dry climate, in which a significant threat is posed by the disruption of the construction of the correct concrete structure due to the significant dynamics of heat release in the curing concrete) was chosen as the subject of research.
These adverse effects can be reduced by introducing appropriate care methods such as adding the PCM mix for the specific use of concrete in the implementation of irrigation systems of highways, large-scale landfills, airports, etc.
The dissertation is experimental and consists in the modelling of daily fluctuations in ambient temperature for Syrian climate in specialized climate chambers and the assessment of the thermal response of young concrete maturing in these conditions. The addition of phase-change materials to a fresh mixture causes thermoregulation phenomena.
PCM perform the following role in the initial phase of concrete maturation:
- they absorb the heat of hydration in the maturing concrete mixture so as to prevent the occurrence of too high a thermal peak and exceeding the allowable thermal gradients inside the mixture,
- improve heat exchange with the environment, gradually giving up heat to the environment during nighttime temperature reduction,
- homogenise the temperature in the entire volume of the concrete mix, - allow to control the temperature inside buildings.
Regardless of the scientific and cognitive aspects, application effects are also important:
the elimination of scratches and cracks in the initial period of concrete maturation, the extension of the durability of the structure, and thus the reduction of the use of natural raw materials for the erection of subsequent objects or structures should not, according to the third principle of sustainable development, deprive future generations of the chance for development.
Spis skrótów
PCM - Phase Change Materials
Q - Intensywność wydzielania ciepła wiązania fzc - Wzrost wytrzymałości kamienia cementowego tw - Okres wiązania
tpw - Początek wiązania tkw - Koniec wiązania
A - Okres przedindukcyjny
B - Okres indukcyjny ( uspokojenia cieplnego)
C - Okres poindukcyjny (wydzielania ciepła o zmiennej intensywności) Ca - Przyspieszona hydratacja (do 7 dni)
Cb - Zwolnienie szybkości hydratacji (7 – 14 dni) Cc - Wygasanie hydratacji (14 – 28 dni)
h - Czas w godzinach
J - Jul
g - Gram
α - Stopień hydratacji cementu Vp - Porowatość kapilarna
w/c - Stosunek wodno-cementowy Tśr - Średnia dobowa temperatura
T7, T13, i T21 -Temperatura powietrza zmierzona odpowiednio w godzinach 7:00, 13:00,
i 21:00
T - Temperatura w oC Ta - Temperatura kruszywa Tc - Temperatura cementu Tw - Temperatura wody
Wa - Masa kruszywa na jednostkę objętości betonu Wc - Masa cementu na jednostkę objętości betonu WW - Masa wody na jednostkę objętości betonu SAP - Superabsorbent Polymer
ACI - American Concrete Institute
RILEM - ang.: International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures;
RILEM - fr.: Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, systèmes de construction et ouvrages
ICC - Internal Curing of Concrete RH - Relative Humidity
W8 - Stopień wodoszczelności F150 - Stopień mrozoodporności ns - Nasiąkliwość betonu S4 - Konsystencja
ΔU - Zmiana energii wewnętrznej (ciała) układu - jednostką w układzie SI jest 1J (dżul)
ΔQ - Ciepło dostarczone do układu, W - Praca wykonana przez układem AHP - Analytic Hierarchy Process IR - Współczynnik niespójności CI - Indeks niezgodności
RI - Random index CR - Consistency ratio
ITB - Instytut Techniki Budowlanej LWA - Kruszywa lekkie nasycone wodą LN - Liquid Nitrogen
NCN - Narodowe Centrum Nauki
1. WPROWADZENIE
Dynamiczny rozwój przemysłu budowlanego i związana z tym realizacja coraz nowocześniejszych konstrukcji, wymagają stosowania bardziej zaawansowanych technologii betonowania. Napięte, krótkie terminy budowy wymuszają na wykonawcach niejednokrotnie prowadzenie robót budowlanych, bez względu na panujące warunki atmosferyczne. Dodać należy, iż trwałość konstrukcji z betonu, wymagania nowoczesnego budownictwa i coraz bardziej restrykcyjne normy wraz z rosnącymi cenami energii spowodowały poszukiwania rozwiązań energooszczędnych i ekologicznych.
Ponadto rozwój technologii materiałowej, wdrażanie nowych produktów, technik pomiarowych i metod rejestracji informacji „danych” sprawia, że niezależnie od wciąż użytecznych, tradycyjnych narzędzi wykonania konstrukcji betonowej, należy poszukiwać nowych metod i nowoczesnych technologii materiałowych i rozwijać je. Co powoduje redukcję niekorzystnych zjawisk zachodzących wewnątrz elementów betonowych, ale także umożliwia szybsze wznoszenie konstrukcji, dostosowując do warunków panujących podczas betonowania [1.1].
Dojrzewanie betonu jest wynikiem hydratacji cementu, która stanowi proces egzotermiczny. Orientacyjnie pełna hydratacja 1 kg zwykłego cementu portlandzkiego powoduje wydzielenie się około 500 kJ ciepła [1.2]. W rzeczywistości temperatura, w której odbywa się dojrzewanie, jest wynikiem wielu czynników, do których należą m.in. rodzaj cementu, receptura i temperatura mieszanki betonowej, temperatura otoczenia, geometria konstrukcji i warunki jej pielęgnacji.
Rysunek 1.4. przedstawia współzależność pomiędzy intensywnością wydzielania ciepła przez beton, a temperaturą otoczenia (pielęgnacja).
W miarę upływu czasu, w wyniku postępu procesu hydratacji, twardniejący beton nabywa cech mechanicznych (wzrasta jego wytrzymałość). Jeśli powstałe naprężenia wywołane gradientem temperatury, przewyższają w danym momencie wytrzymałość tworzącej się „struktury betonu”, następuje jej zniszczenie, a efektem są powstające pęknięcia i rysy w betonowanym elemencie [1.3].
Ryzyko powstawania spękań w konstrukcjach betonowych, zwłaszcza w początkowym okresie dojrzewania betonu, pojawia się wskutek zmian objętościowych betonu wywołanych zmianami temperatury. Zasadnicze niebezpieczeństwo jest wynikiem ciągu przyczynowo-skutkowego przedstawionym na rysunku 1.1.
Rys. 1.1. Ciąg przyczynowo-skutkowy przedstawiający powody pojawienia się rys i pęknięć lub ich braku w początkowym okresie dojrzewania betonu – na podstawie [1.4].
Wyjaśnienie ujemnego wpływu wysokiej temperatury działającej na świeży beton i na jego późniejszą wytrzymałość zostało obszerne opisane przez Neville’a, który sugeruje, że duża początkowa szybkość hydratacji wywołana wysoką temperaturą, opóźnia późniejszą hydratację i powoduje nierównomierny rozkład produktów hydratacji w zaczynie. Jest to spowodowane tym, że przy wysokiej początkowej szybkości hydratacji jest zbyt mało czasu na dyfuzję jonów poza warstwą produktów hydratacji otaczającą ziarna cementu i na równomierne wytrącanie się produktów hydratacji
w przestrzeni między ziarnami, jak to ma miejsce w niższych temperaturach.
Rezultatem takiego przebiegu hydratacji jest zwiększona koncentracja produktów hydratacji, w sąsiedztwie hydratyzujących ziaren cementu, co zmniejsza szybkość późniejszych stadiów hydratacji i wpływa ujemnie na wytrzymałość betonu po długim czasie.
Problem naprężeń termicznych wywołanych ciepłem hydratacji nie ogranicza się tylko do konstrukcji masywnych, lecz występuje zawsze, gdy utrudnione jest odprowadzanie ciepła lub konstrukcja jest wykonana w warunkach suchego i gorącego klimatu.
Uszkodzenia termiczne można zaobserwować w stosunkowo cienkich elementach, które zostały wykonane z mieszanek dojrzewających w warunkach izolacji termicznej. Dzieje się tak ze względu na fakt, że istnieją dwa odmienne mechanizmy niszczenia konstrukcji w wyniku ciepła hydratacji.
Pierwszy z nich występuje w okresie nagrzewania konstrukcji (w okresie uderzenia termicznego) i związany jest z rozciąganiem powierzchniowych warstw elementu przez rozszerzające się w wyniku nagrzewania wnętrze. Mówi się wówczas o rozciąganiu bezpośrednim.
Skład mieszanki + początkowe i brzegowe
warunki termiczne
Temperatura Odkształcenia termiczne
+
Naprężenia termiczne
Kryterium zarysowania
Początkowe i brzegowe
warunki mechaniczne
Drugi mechanizm pojawia się w okresie stygnięcia elementu i związany jest z powstrzymywaniem odkształceń stygnącego wnętrza przez powierzchniowe warstwy konstrukcji lub zewnętrzne warunki podparcia. W tym przypadku mówi się o powstrzymywaniu odkształceń (ang. restraint mechanism).
Jeśli pierwszy z mechanizmów możliwy jest tylko przy dużych grubościach konstrukcji, to drugi z nich może wystąpić niezależnie od grubości [1.5].
Gdy zaś betonowany element jest ułożony w nieograniczony sposób, to będzie swobodnie rozszerzać się podczas ogrzewania i kurczyć się podczas chłodzenia bez wywoływania naprężeń [1.6]. W praktyce jednak beton prawie zawsze jest ograniczany do pewnego stopnia przez sąsiednie struktury (ograniczenie zewnętrzne) lub przez gradient temperatury w samym elemencie konstrukcyjnym (ograniczenie wewnętrzne).
Masywne struktury, takie jak tamy, mają skłonność do pękania termicznego w początkowym okresie dojrzewania [1.7][1.8]. Powierzchnia mieszanki betonowej schłodzi się szybciej niż jej rdzeń, powodując wzrost temperatury między różnymi warstwami struktury / elementu. Różnice termiczne między częściami konstrukcji spowodują wystąpienie naprężeń rozciągających na powierzchni betonu. Jeśli te naprężenia są wyższe niż bieżąca wytrzymałość betonu na rozciąganie, wówczas następuje pękanie betonu [1.3][1.9][1.10]. Pękanie termiczne zależy od czynników materiałowych, strukturalnych i wykonawczych [1.11].
Oczywiście mnogość zjawisk zachodzących w betonie w trakcie dojrzewania i starzenia się konstrukcji jest zbyt duża, aby temat mógł zostać wyczerpany w jednej pracy.
W celu dokładnego opisu działania czasu na mieszankę należy dokonać podziału procesu dojrzewania na cztery okresy charakterystyczne zgodnie z rysunkiem 1.2 [1.12].
Rys. 1.2. Współzależność pomiędzy intensywnością wydzielania ciepła wiązania (Q), a wzrostem wytrzymałości kamienia cementowego (fzc) na podstawie [1.12].
Okres I – wstępnego dojrzewania. Trwa on od momentu wymieszania cementu z wodą do chwili, którą określa się początkiem wiązania (tpw). Początek tego okresu ( do 10 minut) nazywa się okresem przedindukcyjnym.
Okres II – trwa od momentu oznaczonego jako początek wiązania do chwili zwanej końcem wiązania (tkw) i nazywa się okresem wiązania (tw). Określany jest też jako okres indukcyjny i stanowi jego zasadniczą część.
Okres III- trwa do chwili uzyskania przez cement pełnej wymaganej wytrzymałości na ściskanie. Według założeń normowych chwila ta następuje po 28 dniach od momentu zmieszania składników. Okres ten nosi nazwę okresu tężenia.
Okres IV- to już okres eksploatacji stwardniałego betonu. W sprzyjających warunkach następuje dalszy, choć bardzo powolny proces tężenia objawiający się wzrostem wytrzymałości. Zakres wzrostu wytrzymałości zależy od rodzaju cementu.
W zakresie pracy uwzględniono zjawiska zachodzące podczas dwóch okresów - są to II i III, gdzie struktura dojrzewającego betonu podlega wpływowi intensywnego wydzielania ciepła hydratacji.
Dlatego też jako przedmiot badań wybrany został aspekt analizy opcji procesu pielęgnacji betonu w warunkach syryjskich (klimat gorący i suchy), w których istotne zagrożenie stanowi zakłócenie budowy poprawnej struktury betonu ze względu na
znaczną dynamikę wydzielania ciepła w dojrzewającym betonie. Te niekorzystne oddziaływania można ograniczyć, wprowadzając odpowiednie metody pielęgnacji dostosowane do określonego zastosowania (rowy melioracyjne, drogi, place logistyczne, lotniska, itp.).
Wysoka temperatura początkowa mieszanki betonowej oraz wysoka temperatura otoczenia (powyżej 45oC) uzasadniają zastosowanie strategii odporności (jako wariant elastyczności). Odporność podczas betonowania w warunkach syryjskich można uzyskać dzięki zastosowaniu materiałów zmiennofazowych– (PCM – Phase Change Materials).
Do wyznaczenia wpływu materiałów zmiennofazowych na mieszankę betonową należy określić, ile procentowo można dodać PCM do świeżego betonu, aby osiągnąć zamierzone cele, tj. redukcję piku termicznego w początkowym okresie dojrzewania betonu, jak również ujednolicenie temperatury w całej objętości mieszanki eliminującej niedopuszczalne gradienty termiczne w dojrzewającym betonie.
Należy podkreślić, że wpływ PCM zależy również od grubości betonowanego elementu, od rodzaju PCM i jego temperatury przemiany fazowej oraz od rodzaju cementu i składników mieszanki. Kolejnym zagadnieniem było ustalenie ewentualnych negatywnych skutków dodawania PCM na wytrzymałość na ściskanie, nasiąkliwość i ścieralność stwardniałego betonu. Informacja taka jest istotna na etapie projektowania konstrukcji betonowych, ponieważ pozwala uniknąć niepożądanych spękań wywołanych gradientami temperatury, co gwarantuje trwałość konstrukcji.
W literaturze przedmiotu znaleźć można kilka propozycji rozwiązania problemu rys i pęknięć. Pierwsza z nich to dokonanie zmian w recepturze mieszanki betonowej (np. użycie cementu hutniczego lub niższej zawartości cementu). Druga to modyfikacje w projekcie konstrukcji (takie jak dodatkowe zbrojenie, wstępne naprężenie, szczeliny dylatacyjne). Trzecia z nich to schładzanie składników mieszanki lub wbudowanie rur chłodzących czy zastąpienie części wody zarobowej rozkruszonym lodem.
Oczywiście zastosowanie materiałów zmiennofazowych – (PCM ) z odpowiednio dobraną temperaturą przemiany fazowej może być dobrym rozwiązaniem w zmniejszeniu ryzyka pękania termicznego w młodym betonie [1.13],[1.14],[1.3]. Na
tym się skupiono
w niniejszej pracy.
Z powyższego można wysnuć wniosek, iż właściwa pielęgnacja termiczna staje się jednym z podstawowych czynników determinujących uzyskanie trwałej monolitycznej konstrukcji betonowej. Stąd pomysł zastosowania materiałów zmiennofazowych PCM do pielęgnacji wewnętrznej mieszanki betonowej podczas dojrzewania w gorącym i suchym klimacie.
1.1. Wstęp i uzasadnienie tematu
Po uzyskaniu dyplomu magistra inżyniera budownictwa podjąłem pracę m. in.
w firmie o zasięgu międzynarodowym na stanowisku Kierownika Działu Marketingu.
W tym czasie nawiązaliśmy współpracę m. in. z rynkami Bliskiego Wschodu, co w dalszym etapie mojego życia zaowocowało wyjazdem do Krajów Bliskiego Wschodu (Syria, Irak), gdzie nadzorowałem różne przedsięwzięcia budowlane m.in. budowy dróg, remont i budowę szkół i szpitali. Pracę tam utrudniały wysokie temperatury (często uniemożliwiały realizację procesu w ciągu dnia). Szczególną trudność przysparzał proces betonowania w suchym i gorącym klimacie, gdzie temperatura
powietrza (w cieniu
w przewiewie) w gorętszej porze roku dochodzi w niektórych miejscach do 50oC w nocy natomiast temperatura spada o 25 ÷ 35oC [1.15]. Wychodząc naprzeciw tym problemom, w pracy zostaną przeprowadzone badania w zakresie analizy wybranych czynników wpływających na ciągłość realizacji procesu betonowania w warunkach suchego
i gorącego klimatu. Stąd moje zainteresowanie zastosowaniem materiałów zmiennofazowych w celu przekroczenia barier klimatycznych i technologicznych.
W trakcie betonowania w gorącym i suchym klimacie mała wilgotność względna powietrza, szybkość wiatru i wysoka temperatura otoczenia (powyżej 50oC) powodują, że z ułożonej mieszanki betonowej może szybko wyparować tyle wody, że uniemożliwi to prawidłowy przebieg wiązania cementu i twardnienia betonu[1.16]. Z przedstawionego diagramu rys.1.2., wynika, że z ułożonej mieszanki betonowej w temperaturze 26°C, przy względnej wilgotności powietrza 45%, temperaturze na
powierzchni betonu 32°C
i wietrze wiejącym z prędkością 24 km/h, mieszanka będzie traciła 1,4 l wody na każdy m3 w czasie jednej godziny. Ilość odparowującej wody wynosi 1,4 dm3/m2/h.
Rysunek 1.2. Zależność intensywności parowania wody z betonu od warunków zewnętrznych.
Z charakterystyki klimatu syryjskiego, który jest opisany w punkcie 2.3. wynika, że temperatura powietrza w okresie letnim sięga w niektórych regionach Bliskiego Wschodu (np. w Syrii czy Iraku) 45oC i więcej. Czynniki te uzasadniają zastosowanie optymalnej metody pielęgnacji mieszanki, która zapewni odpowiednie warunki dojrzewania świeżego betonu, uniemożliwiając powstawanie dużych różnic temperatur wewnątrz mieszanki.
W celu uniknięcia rys na powierzchni betonu spowodowanych wydzielaniem się ciepła, różnica temperatury w środku i na powierzchni betonu nie powinna przekraczać 20oC, jak pokazuje rysunek 1.3.
Rys. 1.3. Przykład rozkładu zmian temperatur, który powoduje wewnętrzne zarysowanie [1.2].
Wydzielanie się ciepła trwa nieprzerwanie do czasu zakończenia hydratacji cementu. Praktyczne znaczenie w technologii betonu ma jednak tylko ciepło w początkowym okresie (od kilku do kilkudziesięciu godzin), kiedy to następuje duży wzrost ilości ciepła wpływającego automatycznie na przyspieszenie procesu wiązania i tężenia w początkowym okresie (do 3 dni). Przykład zależności pomiędzy intensywnością hydratacji a temperaturą otoczenia (warunki pielęgnacji) przedstawia rysunek1.4.
Rys. 1.4. Współzależność pomiędzy intensywnością wydzielania ciepła a temperaturą otoczenia [1.17].
Istotny wpływ na ilość wydzielanego ciepła, zwłaszcza w początkowym okresie dojrzewania, ma temperatura zaczynu i otoczenia, przykład zawiera tablica 1.1.
Tablica 1.1. Przykład wpływu temperatury zaczynu na ilość ciepła hydratacji w ciągu 72 godzin
Ciepło hydratacji cementu w określonej temperaturze Typ cementu 4ºC 24ºC 32ºC 41ºC
J/g J/g J/g J/g I
III IV
154 285 309 335 221 348 357 390 108 195 192 214
Ciepło hydratacji jest to ilość ciepła wyrażona w dżulach na gram nieuwodnionego cementu, wytwarzana przy pełnej jego hydratacji w danej temperaturze. Temperatura, w jakiej następuje hydratacja, bardzo wyraźnie wpływa na szybkość wydzielania ciepła [1.2]. Przesuszanie młodego betonu zakłóca proces hydratacji cementu, a nawet może bezpowrotnie go przerwać.
Całkow. Wydz. ciepło [kJ / kg]
Czas [h]
Wydzielone ciepło przez cement [W / kg]
Czas [h]
W związku z tym dla procesu hydratacji nie może zabraknąć wody w mieszance betonowej – a to jest bardzo trudne do kontrolowania w warunkach suchego i gorącego klimatu. Dlatego uzasadniona jest próba pielęgnacji wewnętrznej przy pomocy materiałów zmiennofazowych - PCM.
Chociaż wyższa temperatura w czasie układania i wiązania betonu powoduje wzrost wytrzymałości bardzo młodego betonu, to może jednak wpływać ujemnie na wytrzymałość betonu w wieku powyżej 7 dni. Powodem tego jest bardzo szybka początkowa hydratacja cementu, która przyczynia się do powstania słabszej mikrostruktury betonu, prawdopodobnie bardziej porowatej, tak że duża część porów nie zostanie nigdy wypełniona.
Warunkiem koniecznym dla kontynuowania hydratacji jest zachowanie wilgotności względnej wewnątrz betonu wynoszącej min. 80%. Ponieważ istotą pielęgnacji jest utrzymanie betonu w stanie nasyconym wodą lub na tyle nasyconym, na ile jest to możliwe, dopóki przestrzenie wypełnione pierwotnie wodą w świeżym zaczynie cementowym nie zostaną zapełnione do pożądanego stopnia przez produkty hydratacji cementu [1.2].
Dzięki temu unikniemy niepożądanych zjawisk, takich jak:
- większy skurcz plastyczny i powstawanie rys, - mniejszy przyrost wytrzymałości,
- obniżenie wytrzymałości na ściskanie - większa przepuszczalność i nasiąkliwość, - obniżona odporność na ścieranie.
Powstające wewnątrz konstrukcji pole temperatury decyduje z jednej strony o szybkości dojrzewania betonu, z drugiej zaś o deformacjach termicznych konstrukcji i powstających w ich wyniku naprężeniach termicznych. Naprężenia te mogą przekraczać aktualną wytrzymałość materiału, co prowadzi do rys termicznych niekiedy całkowicie dyskwalifikujących konstrukcję. Zjawisko to jest tym groźniejsze, im bardziej masywna jest konstrukcja lub im bardziej ograniczona jest swoboda odkształceń lub proces betonowania odbywa się w wysokiej temperaturze otoczenia.
[1.4].
Wartość temperatury dojrzewającej mieszanki betonowej w elemencie zależy przede wszystkim od:
rodzaju i ilości zastosowanego cementu,
zastosowanych modyfikatorów (np. opóźniaczy),
warunków prowadzenia procesu betonowania, takich jak: temperatura początkowa mieszanki, zastosowanie izolacji termicznej, chłodzenia wewnętrznego czy betonowania etapowego,
warunków pogodowych (temperatury i wilgotności otoczenia, prędkości wiatru),
wymiarów geometrycznych, kształtu i usytuowania wykonywanej konstrukcji [1.3].
Dojrzewanie betonu zawsze powoduje naprężenia termiczne. Wynika to stąd, że dojrzewanie polega na hydratacji cementu, która stanowi proces egzotermiczny - jest związana z wydzieleniem ciepła hydratacji. Problem naprężeń termicznych wywołanych ciepłem hydratacji jest zwykle kojarzony wyłącznie z konstrukcjami masywnymi. Jest to jednak pogląd niesłuszny. Wielkość naprężeń termicznych zależy
bowiem od wielkości
i kształtu elementu tylko pośrednio. Bezpośrednimi czynnikami decydującymi o wielkości naprężeń termicznych są zmiany temperatury wewnętrznej i warunki podparcia konstrukcji [1.5].
1.2. Cel i tezy rozprawy
Podstawowym celem niniejszej pracy było określenie skuteczności zastosowania materiałów zmiennofazowych (PCM- Phase Change Materials) do mieszanki betonowej, jako narzędzia wspomagającego w procesie pielęgnacji mieszanki betonowej w suchym i gorącym klimacie. Celem zastosowania PCM jest redukcja negatywnych skutków wynikających z dynamiki wydzielonego ciepła podczas pierwszej fazy hydratacji. W tej fazie,w której istotne zagrożenie stanowi zakłócenie budowy poprawnej struktury betonu ze względu na zmienną dynamikę wydzielania ciepła w dojrzewającym betonie. Te niekorzystne oddziaływania można ograniczyć, wprowadzając odpowiednie metody pielęgnacji, dostosowane do określonego zastosowania (rowy melioracyjne, drogi, place logistyczne, lotniska, itp.). Wysoka temperatura początkowa mieszanki betonowej oraz wysoka temperatura otoczenia (powyżej 45oC) uzasadniają zastosowanie strategii odporności (jako wariant elastyczności). Odporność podczas betonowania w warunkach syryjskich można uzyskać dzięki zastosowaniu materiałów zmiennofazowych. Gdyż odpowiedni dobór metod pielęgnacji z punktu widzenia konkretnego zastosowania w danych warunkach zapewnia wymaganą jakość procesu dojrzewania betonu (także w klimacie gorącym
i suchym). Istotnymi parametrami określającymi korzystne efekty zastosowania materiałów zmiennofazowych są: temperatura wyjściowa mieszanki betonowej, dozowanie materiału zmiennofazowego oraz grubość betonowanego elementu.
1.3. Hipotezy badawcze
Dla realizacji postawionego celu pracy zostały sformułowane następujące hipotezy badawcze:
Zastosowanie materiałów zmiennofazowych umożliwia osiągnięcie odporności przy betonowaniu w klimacie gorącym i suchym (przekroczenie bariery technologicznej);
Do kluczowych cech materiałów zmiennofazowych należy temperatura przemiany fazowej oraz ciepło tej przemiany.
Mając do dyspozycji kilka możliwych metod realizacji danego procesu wybieramy taką, która charakteryzuje się najlepszym dopasowaniem w odniesieniu do aktualnych i spodziewanych warunków dojrzewania oraz przeznaczenia zastosowanego betonu ( pogoda w Syrii jest znacznie bardzie stabilna niż w Polsce – prognozy pogody się sprawdzają).
1.4. Zakres rozprawy
Obszarem bezpośredniego zainteresowania prowadzonych w pracy rozważań oraz badań jest określenie efektywności pożądanych działań materiałów zmiennofazowych dodanych do mieszanki betonowej takich jak:
a) redukcja piku termicznego w początkowym okresie dojrzewania młodego betonu,
b) ujednolicenie temperatury w całej objętości mieszanki betonowej, niedopuszczające do powstawania gradientu termicznego,
c) umożliwienie betonowania bez względu na warunki zewnętrzne – (przekroczenie bariery technologicznej),
d) ewentualne obniżenie temperatury mieszanki betonowej i przesunięcie w czasie wystąpienia ekstremum temperatury w dojrzewającym młodym betonie,
e) przypuszczalne obniżenie temperatury wyjściowej mieszanki betonowej.
Na początku należy ustalić minimalną ilość PCM, którą trzeba dodać do mieszanki betonowej, aby osiągnąć powyższe cele.
W zaplanowanych badaniach laboratoryjnych zachodzi również konieczność uwzględnienia temperatury przemiany fazowej wybranego materiału PCM, temperatury wyjściowej mieszanki oraz grubości betonowanego elementu, gdyż mają one wpływ na ilość wydzielanego ciepła podczas hydratacji w początkowym okresie dojrzewania.
Po 28 dniach zostają zbadane następujące właściwości stwardniałego betonu:
wytrzymałość na ściskanie, odporność na ścieranie, nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność.
Literatura
1.1 Hsino M., Pasławski J., Reduction of the thermal gradient in concrete mixture in dry and hot climates using Phase Change Materials. Procedia Engineering 122 ( 2015 ) 244 – 250.
1.2 A.M. Neville, Właściwości betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2012.
1.3 Hsino M., Pasławski J., Materiały zmiennofazowe jako modyfikator betonu dojrzajwającego w klimacie gorącym i suchym. Izolacje 2014 nr 2, 46-49.
1.4 Witakowski P., Kompleksowe zarządzanie jakością robót. Zdalne monitorowanie robót betonowych.
1.5 Witakowski P., Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu, Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych XIII Konferencja Naukowa – Korbielów 2001.
1.6 Emborg, M.; Bernander, S. Assessment of risk of thermal cracking in hardening concrete. J. Struct. Eng. 1994,120, 2893–2912.
1.7 Bofang, Z. Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete;
Butterworth-Heinemann: Oxford, UK,2013.
1.8 Benboudjema, F.; Torrenti, J.M. Early-age behaviour of concrete nuclear containments. Nucl. Eng. Des. 2008,238, 2495–2506.
1.9 Jasiczak Józef. 2003. Technologie budowlane II. Poznań. Politechnika Poznańska.
1.10 Pan, Y.; Prado, A.; Porras, R.; Hafez, O.M.; Bolander, J.E. Lattice modeling of early-age behavior of structural concrete. Materials 2017, 10, 231.
1.11 Nobuhiro, M.; Kazuo, U. Nonlinear thermal stress analysis of a massive concrete structure. Comput Struct. 1987, 26, 287–296.
1.12 Zygmunt Jamroży, beton i jego technologie, wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.
1.13 D.P. Bentz, R. Turpin- Potential applications of phase change materials in concrete technology. Cement & Concrete Composites 29 (2007) 527–532.
1.14 Hsino M., Pasławski J., Flexible procedure for concreting in hot and dry climate based on Phase Change Material. MATEC Web of Conferences 222, 01005 (2018).
1.15 Józef Jasiczak, Technologia monolitycznych robót betonowych wykonywanych w krajach o klimacie suchym i gorącym, Poznań 1987.
1.16 M. Hsino: „Elastyczność w procedurach pielęgnacji betonu w dwóch skrajnych warunkach klimatycznych”; Monografia XII Konferencji Doktorantów Wydziałów Budownictwa pt. „ Badania doświadczalne i teoretyczne w budownictwie” - Gliwice 2012, s. 553 ÷ 561.
1.17 Zhi Ge, 2005 : Predicting temperature and strength development of the field concrete - Iowa State University.
2. ROLA PIELĘGNACJI BETONU
W rozdziale drugim omówiono znaczenie procesu pielęgnacji betonu, specyfikację syryjskiego budownictwa betonowego oraz przybliżono charakterystykę klimatu Bliskiego Wschodu.
2.1. Znaczenie procesu pielęgnacji przy betonowaniu
Niewłaściwie pielęgnowana betonowa konstrukcja lub element, projektowana na 50 lat i więcej, może być trwała tylko przez pięć lat lub nawet krócej [2.1].
Prawidłowa pielęgnacja jest warunkiem koniecznym do zapewnienia trwałości betonu.
Beton niepielęgnowany lub pielęgnowany nieprawidłowo wykazuje osłabienie warstwy powierzchniowej. Wynika to z fizykochemicznych zjawisk łączących się z dwoma głównymi czynnikami: przepływem wilgoci i przepływem strumienia ciepła, przy czym skala zagrożeń wynikających z każdego z tych czynników związana jest z warunkami klimatycznymi. W temperaturze otoczenia ponad +10oC dominujące są zjawiska związane z niedostatkiem wilgoci. Ewentualne skutki popełnienia błędów przy pielęgnacji są tym groźniejsze, im wyższa jest temperatura otoczenia, w której prowadzone są roboty betoniarskie oraz im większa siła wiatru.[2.2].
Obowiązek (znaczenie) pielęgnacji i ochrony młodego betonu zawarty jest w normie PN-EN 13670:2011 [2.3] w rozdz. 8.5, gdzie przytoczono z jakich powodów młody beton powinien być pielęgnowany i chroniony. Wymieniono w niej również m.in. potrzeby zminimalizowania skurczu plastycznego, zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości powierzchniowej, odpowiedniej trwałości strefy powierzchniowej oraz ochrony przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi.
Ogólnie przyjęte w technologii betonu definicje pielęgnacji betonu [2.4][2.5]
określają ją jako zabiegi podejmowane od chwili ułożenia i zagęszczenia mieszanki betonowej, mające na celu zapewnienie prawidłowego przebiegu procesów hydratacji cementu i w efekcie uzyskanie w określonym czasie betonu o wymaganych właściwościach. Zabiegi te obejmują utrzymanie odpowiedniej temperatury i wilgotności betonu oraz jego ochronę przed szkodliwymi oddziaływaniami, takimi jak np. czynniki atmosferyczne. Często efekty błędów w pielęgnacji mogą być zauważone w krótkim czasie. Czasem jednak wygląd powierzchni betonu początkowo nie budzi poważniejszych zastrzeżeń. Defekty występujące w strukturze betonu ujawniają się w trakcie jego eksploatacji, powodując pogorszenie jego trwałości [2.6].
W rezultacie pogorszeniu ulegają właściwości mechaniczne warstwy przypowierzchniowej betonu w konstrukcji, a także cechy charakteryzujące trwałość.
Powstające wewnątrz konstrukcji pole temperatury decyduje z jednej strony o szybkości dojrzewania betonu, z drugiej zaś o deformacjach termicznych konstrukcji i powstających w ich wyniku naprężeniach termicznych. Naprężenia te mogą przekraczać aktualną wytrzymałość materiału, co prowadzi do rys termicznych niekiedy całkowicie dyskwalifikujących konstrukcję. Zjawisko to jest tym groźniejsze, im bardziej masywna jest konstrukcja lub im bardziej ograniczona jest swoboda odkształceń lub proces betonowania odbywa się w wysokiej temperaturze otoczenia [2.7]. Brak jest norm nakładów roboczych i rzeczowych na 1 m2 pielęgnowanej powierzchni betonu, co komplikuje kwestie rozliczeniowe. Z tego powodu wykonawcy często zaniedbują jakże ważny proces, jakim jest pielęgnacja, co przyczynia się do skrócenia trwałości konstrukcji betonowej.
Przesuszanie młodego betonu zakłóca proces hydratacji cementu, a nawet może bezpowrotnie go przerwać. Zarówno wytrzymałość, jak i trwałość betonu silnie uzależnione są od stopnia hydratacji cementu (α ). Zależność podana przez Powersa [2.8]:
V
p= 100 w/c – 36,15 α (2.1)
wykazuje, że większy stopień hydratacji cementu α to mniejsza porowatość kapilarna Vp, a to ona właśnie wpływa na wytrzymałość i trwałość materiału. Dla zwiększania wytrzymałości i trwałości, porowatość kapilarna Vp powinna być minimalizowana.
Osiąga się to przede wszystkim poprzez zmniejszenie ilości wody zarobowej w na etapie projektowania składu betonu. Z zależności (2.1) wynika, iż przy wskaźniku wody do cementu w/c równym lub mniejszym niż 0,3615 teoretycznie możliwe jest uzyskanie betonu całkowicie pozbawionego porowatości kapilarnej. Pod warunkiem całkowitej hydratacji cementu α =1, aby to osiągnąć, nigdy w betonie nie może zabraknąć wody dla reakcji składników spoiwa. Dlatego dla procesu hydratacji nie może zabraknąć wody
w mieszance betonowej. Warunek ten nabiera szczególnego znaczenia na obszarach suchego i gorącego klimatu. Częściowe zakłócenie procesu dojrzewania prowadzi do obniżenia końcowej oczekiwanej wytrzymałości betonu, a struktura materiału staje się mniej odporna na agresywne oddziaływania środowiska. Pozostaje otwarta na migrację
czynników korozyjnych (np. CO2 , Cl-), przez co obniża się trwałość wykonanej konstrukcji.
Ogromne znaczenie z punktu widzenia trwałości mają zarysowania, a nawet pęknięcia betonu. Otwierają one strukturę betonu na migrację czynników korozyjnych, sięgając często aż do zbrojenia konstrukcyjnego, narażając go bezpośrednio na korozję.
Przewodnik pielęgnacji [2.9], jak również Neville [2.4] nakreślają, że rysy pojawiają się wtedy, gdy ilość odparowanej wody zawartej w mieszance betonowej jest większa aniżeli samoistnego wycieku (bleeding), jak pokazuje rys. 2.1. Wymieniony warunek jest często spotykany w warunkach gorącego i suchego klimatu.
Rys. 2.1. Przyczyna powstawania rys skurczu plastycznego [2.9]
Z kolei rysunek 2.2. pokazuje efekt redukcji temperatury betonu o 5oC, co powoduje przesunięcie punktu krytycznego, który odpowiada za pojawienie się rys i pęknięć w betonowanym elemencie.
Rys. 2.2. Wpływ temperatury betonu na możliwość pojawienia się rys [2.9]
Na rysunku 2.3. przedstawiono redukcję wielkości odparowanej wody o 50%
z mieszanki betonowej za pomocą preparatów przeznaczonych do tego celu.
Rys. 2.3. Ograniczenie możliwości pojawienia się rys poprzez ograniczenie odparowania wody z powierzchni betonu [2.9]
Z powyższego można wysnuć wniosek, iż właściwa pielęgnacja termiczna staje się jednym z podstawowych czynników determinujących uzyskanie trwałej, monolitycznej konstrukcji betonowej, w szczególności w ekstremalnych warunkach pogodowych, gdzie klimat zwrotnikowy suchy cechuje się wysoką temperaturą otoczenia, niską wilgotnością względną, brakiem opadów w okresie letnim oraz silnym wiatrem.
Warunki podwyższonej temperatury to takie, w których średnia dobowa temperatura jest powyżej 25°C. Średnia dobowa temperatura Tśr obliczona jest zgodnie z poniższym wzorem:
(2.2)
gdzie T7, T13, i T21 – temperatura powietrza zmierzona odpowiednio w godzinach 7:00, 13:00, i 21:00.
Zważywszy na wyżej wymienione przyczyny, proces pielęgnacji młodego betonu nabiera szczególnego znaczenia w warunkach wspominanego klimatu. Wysoka temperatura z jednej strony przyspiesza proces hydratacji cementu, a z drugiej przyspiesza wyparowanie wody z mieszanki. Przy szybkim wietrze może to skutkować tym, że zabraknie wody do zakończenia hydratacji w mieszance. Na skutek czego powstaje struktura porowata, a tym samym nie zostaje osiągnięta wytrzymałość projektowana, gdyż osiągnięcie projektowanej wytrzymałości zależy od sprawności reakcji chemicznej w początkowym okresie dojrzewania. Stąd pomysł zastosowania materiałów zmiennofazowych PCM - do pielęgnacji wewnętrznej mieszanki betonowej podczas dojrzewania w gorącym i suchym klimacie.
W tak ekstremalnych warunkach klimatycznych zachodzi nawet konieczność stosowania więcej niż jednej metody pielęgnacji w celu uzyskania monolitycznych i trwałych konstrukcji betonowych.
2.2. Specyfika syryjskiego budownictwa betonowego (drogi, kanały melioracyjne, itp.)
Działalność budowlana w dziedzinie konstrukcji betonowych obejmuje pozyskanie surowców, produkcję materiałów i elementów składowych, wykonawstwo, użytkowanie, utrzymanie i naprawy, a wreszcie rozbiórkę, recykling, ewentualne ponowne użycie elementów. Wpływ każdego etapu i całego cyklu tej działalności na
środowisko powinien być rozważony i oceniony. Wymagania ograniczające oddziaływania na środowisko powinny być zadeklarowane przez inwestora na etapie planowania i projektowania obiektu. Cały cykl konstrukcji betonowych jest związany z różnymi aspektami wpływów na środowisko, takimi jak: globalne ocieplenie, zużycie energii i surowców, emisja odpadów, zanieczyszczenie powietrza, wody i gruntu, generowanie hałasu i drgań. Jednakże obecnie podczas projektowania konstrukcji betonowych w niewielkim stopniu zwraca się uwagę na aspekty środowiskowe [2.10].
Konstrukcje betonowe i żelbetowe są powszechnie stosowane w Syrii jako drogi, kanały melioracyjne prowadzące wodę na odległości sięgające od kilku do kilkudziesięciu kilometrów w celu nawadniania gruntów pod uprawę m.in. bawełny, okry, kukurydzy, tytoniu itp.
Z betonu są budowane również place logistyczne i osiedla mieszkaniowe podobne do tych, które były wznoszone w Polsce do niedawna. Będąc na miejscu, w Syrii, trudno nie zauważyć destrukcyjnych efektów działania klimatu na postawione budowle
i budynki. Spotykane są także błędy wykonawcze, które mają swoje początki na etapie projektowania betonu, gdzie nie uwzględniono klasy ekspozycji lub zaniechano procesu pielęgnacji. Przykłady takich błędów i zaniechań są widoczne na przedstawionych fotografiach rys. 2.4.
Rys. 2.4. Widok pęknięć w betonowanych konstrukcjach spowodowanych m.in. brakiem właściwej pielęgnacji betonu
Widok budowli przedstawionych na powyższych fotografiach pozwoli przypuszczać, że nie są uwzględnione wpływy wspominanych wcześniej etapów działalności budowlanej na środowisko .
2.3. Charakterystyka klimatu syryjskiego
Definicja gorącej (upalnej) pogody (ang. hot weather) według ACI 305.1 - 06 [2.11] - to warunki pracy, które przyspieszają hydratację oraz utratę wilgoci ze świeżego betonu. Gdyż od momentu przekroczenia temperatury otoczenia 27oC i więcej, ilość wyparowanej wody z mieszanki przekracza 1 kg/m2/h. Jest to jedna z przyczyn, dla których wykonawstwo robót betonowych na obszarach Azji Południowej odbiega od realizacji inwestycji w Polsce (ze względu na specyfikę klimatyczną tych obszarów, charakteryzującą się – w układzie całorocznym lub okresowym- wysokimi temperaturami otoczenia, dużym nasłonecznieniem, brakiem opadów i niedosytem wilgotności [2.12] ). Wszystkie wymienione warunki są spełnione w warunkach klimatu syryjskiego, gdyż Syria leży w strefie klimatu zwrotnikowego, gdzie temperatura najchłodniejszego miesiąca może wynosić od 10 do 20 °C (amplituda dobowa temperatury powietrza wynosi 35oC). Natomiast temperatury najcieplejszego miesiąca są wyższe niż we wszystkich pozostałych strefach klimatycznych (często przekraczają 45 do 50 °C).
De facto w Syrii występują dwa rodzaje klimatów: nadmorski i pustynny.
Nadmorski cechuje się wysoką wilgotnością powietrza z dużą ilością soli. Pustynny natomiast cechuje się niskim poziomem wilgotności i wysokimi temperaturami.
Cechą charakterystyczną klimatów zwrotnikowych są duże amplitudy dobowe temperatur. Opady występują najczęściej w dwóch lub trzech miesiącach okresu zimowego, a w pozostałych miesiącach, o ile występują to w znikomej ilości.
Każda strefa klimatyczna charakteryzuje się odmiennymi czynnikami klimatycznymi – ilością dni słonecznych, średnioroczną ilością opadów, siłą oraz kierunkiem wiatrów.
Rysunek 2.5. przedstawia maksymalne i minimalne temperatury miesięczne w Damaszku.
Rys.2.5. Maksymalne i minimalne temperatury mięsieczne w Damaszku [2.13]
a)
b)
Rysunek 2.6. przedstawia maksymalne i minimalne temperatury miesięczne w miejscowości Hamah (Syria).
Rys.2.6. Maksymalne i minimalne temperatury miesięczne w Hamah (Syria) [2.13]
W Tabeli 2.1. jest podany dobowy cykl temperaturowy, który panuje w komorze klimatycznej, powtarzają się one codzienne – symulacja klimatu zwrotnikowego suchego.
a)
b)
Tabela 2.1. Dobowy cykl temperaturowy klimatu zwrotnikowego suchego
Godzina Temperatura [oC] Wilgotność [%]
20:00 30 45
21:00 28 50
22:00 26 55
23:00 24 60
0:00 22 65
1:00 18 70
2:00 15 75
3:00 13 77
4:00 12 79
5:00 13 78
6:00 15 75
7:00 20 67
8:00 24 60
9:00 27 54
10:00 31 50
11:00 34 48
12:00 37 45
13:00 40 42
14:00 45 40
15:00 45 40
16:00 42 41
17:00 39 42
18:00 37 45
19:00 34 47
20:00 30 50
Poniższy wykres przedstawia dobowy cykl temperatury i wilgotności (od godziny 20-tej do 20-tej następnego dnia), panujących w gorącym i suchym klimacie (Bliski Wschód).
Rys. 2.7. Dobowy przebieg cyklu temperatury i wilgotności w komorze klimatycznej Przebieg dobowej temperatury w komorze klimatycznej podczas przeprowadzenia badań będzie zgodny z powyższym wykresem.
Powtarzające się zjawiska ekstremalne, takie jak: susze, fale upałów czy powodzie stały się dziś zjawiskami powszechnie odczuwalnymi. Jak powiedziała Jacqueline McGlade [2.14]:” Na całym świecie zmiana klimatu jest faktem, a stopień oraz szybkość zmian stają się coraz bardziej widoczne”. Wzrost temperatury w zurbanizowanych przestrzeniach miejskich stał się jednym z kluczowych problemów we współczesnym świecie. Obszary znajdujące się w centralnych częściach większości miast, charakteryzują się w dużej mierze nasyceniem tkanki zurbanizowanej, z relatywnie niewielkim procentem terenów biologicznie czynnych[2.15]. Projektowanie i realizowanie coraz to większych obszarów zabudowanych, z jednej strony sprzyja
zapewnieniu miejsc pracy i zamieszkania,
z drugiej ogranicza tereny biologicznie czynne i wspomaga występowanie efektu Miejskiej Wyspy Ciepła [2.16], wywołanego kumulacją temperatury w centralnych dzielnicach miast, co dodatkowo potęguje problemy betonowania w takich warunkach.
Aby przeciwdziałać takim zjawiskom należy poszukiwać awangardowych rozwiązań, takich jak zastosowanie materiałów zmiennofazowych do redukcji i przesunięcia piku
termicznego, czy zastosowanie sztucznej inteligencji w celu określenia wytrzymałości betonu na ściskanie metodą nieniszcząca, jak ma to miejsce w pracy [2.17].
Literatura
2.1 Giergiczny Z., Pielęgnacja betonu- niedocniany problem. Inżynier budownictwa 21.10.2016.
2.2 Piotrowicz M., Romanowski P., Woyciechowski P., Klasy pielęgnacji betonu według PN-EN 13670:2011- kryteria wyboru i wpływ na kształtowanie właściwości betonu. Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych nr 14 (lipiec-wrzesień), Warszawa-Opole 2013.
2.3 PN-EN 13670:2011- Wykonywanie konstrukcji betonowych.
2.4 A.M. Neville, Właściwości betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2012.
2.5 Zygmunt Jamroży, beton i jego technologie, wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.
2.6 Jackiewicz-Rek W., Woyciechowski P., Pielęgnacja – klucz do zapewnienia trwałości betonu w konstrukcji. budownictwo • technologie • architektura - lipiec – wrzesień 2012.
2.7 Witakowski P., Uszkodzenia termiczne przyczółków mostowych. Biblioteka cyfrowa Politechniki Krakowskiej – dostęp z dnia 12.05.2020r.
2.8 Bajorek G., Potrzeba pielęgnacji betonu- Przegląd Budowlany, 2018 - yadda.icm.edu.pl.
2.9 Guide for Curing of Portland Cement Concrete Pavements, Volume I PUBLICATION NO. FHWA-RD-02-099 JANUARY 2005.
2.10 Ajdukiewicz A., Aspekty trwałości i wpływu na środowisko w projektowaniu konstrukcji betonowych, Przegląd budowlany 2/2011.
2.11 ACI 305.1-06 Specification for Hot Weather Concreting, An ACI Standard, March 2007.
2.12 Jasiczak Józef, Technologia monolitycznych robót betonowych w krajach o klimacie suchym i gorącym, 1987.
2.13 www.transazja.pl – dostęp z dnia 29.04.2019r.
2.14 J. McGlade, dyrektor wykonawczy Europejskiej Agencji Środowiska. [źródło:
http/www.eea.europa.eu/pl].
2.15 Klimowicz J., Uwarunkowania kulturowe i społeczne kształtowania zabudowy w różnych obszarach klimatycznych. Na wybranych przykładach miast syryjskich w kontekście uwarunkowań polskich. Oficyna Wydawnicza PW 2013.
2.16 Klimowicz J.; Rola terenów rekreacyjnych w różnych strefach klimatycznych – na przykładzie Syrii; Środowisko Mieszkaniowe 16/2016.
2.17 Hoła J., Schabowicz K.; New technique of nondestructive assessment of concrete strength using artificial intelligence; NDT & E INTERNATIONAL, 2005 - Volume: 38 Issue: 4 Pages: 251-259.
3.
METODY PIELĘGNACJI BETONU W KLIMACIE GORĄCYM I SUCHYM
3.1. Podstawowe metody pielęgnacji
Pielęgnacja jest to zespół czynności, których celem jest wspomaganie procesu hydratacji cementu, tzn. są to zabiegi podejmowane od momentu ułożenia i zagęszczenia mieszanki betonowej, mające na celu zapewnienie jak najpoprawniejszego przebiegu procesów fizykochemicznych wiązania cementu i tworzenia się struktury wewnętrznej betonu. Zadaniem pielęgnacji jest zapewnienie właściwej temperatury i wilgotności oraz ochrona przed szkodliwie działającymi czynnikami, takimi jak:
wstrząsy i strugi wody czy deszcz, które wypłukują cement ze świeżo zagęszczonej mieszanki oraz młodego betonu. Brak właściwiej pielęgnacji prowadzi z reguły do zaniżania wytrzymałości końcowej, do kruchości betonu oraz nadmiernych odkształceń i spękań [3.1].
Zasadniczą sprawą jest, aby każda konstrukcja betonowa spełniała w sposób ciągły swoje przewidziane funkcje, tj. zachowywała wymaganą wytrzymałość oraz cechy użytkowe przez cały czas wyspecyfikowanego lub tradycyjnie oczekiwanego okresu użytkowania. Wynika stąd, że beton musi wytrzymać takie procesy niszczenia, na które będzie narażony. Beton spełniający wymienione wymagania jest określany jako trwały [3.2]. W związku z tym należy dobrać odpowiednią metodę pielęgnacji, która umożliwi betonowi uzyskanie projektowanej wytrzymałości oraz oczekiwanej trwałości.
Typowe metody pielęgnacji w zależności od pory roku można podzielić na zimowe i letnie. W niniejszej pracy skupiono się na okresie letnim.
Pielęgnacja betonu w okresie letnim nosi nazwę pielęgnacji wilgotnościowej i ma na celu zapobieganie utraty wody z betonu na skutek parowania z jego powierzchni, a także dostarczanie wody do betonu niezbędnej do hydratacji cementu. Istnieją różne sposoby oddziaływań pielęgnacyjnych na mieszankę w celu zapewnienia prawidłowego przebiegu hydratacji. Na rys. 3.1. zestawiono dwie główne metody pielęgnacji jakimi są: oddziaływanie powierzchniowe oraz oddziaływanie wewnętrzne także z zastosowaniem materiałów zmiennofazowych, jako oddziaływanie o charakterze termicznym.
Rys. 3.1. Oddziaływania składające się na pielęgnację betonu uwzględniając (PCM) – na podstawie pozycji [3.3][3.4].
W tym punkcie będą opisane niektóre metody oddziaływań powierzchniowych, a w następnym punkcie tj. 3.2 zostaną przybliżone metody oddziaływań wewnętrznych.
Uzyskanie przez beton planowanych właściwości, takich jak wytrzymałość czy trwałość, uzależnione jest od całego procesu jego projektowania, produkcji, transportu, układania oraz pielęgnacji.
Przed betonowaniem istotne jest odpowiednie przygotowanie powierzchni deskowania (formy). W tym celu zazwyczaj stosuje się środki antyadhezyjne, które umożliwiają łatwe rozformowanie elementu bez uszkodzenia powierzchni licowej elementu lub konstrukcji, dzięki znacznemu zmniejszeniu sił przyczepności pomiędzy powierzchnią roboczą urządzeń formujących a betonem.
W zależności od warunków panujących w trakcie prac betonowych, rodzaju konstrukcji i możliwości technicznych budowy można zastosować różne metody pielęgnacji m.in.:
1) pozostawienie betonu w deskowaniach (np. elementy ścian, słupów, żeber, podciągów, ram, stropów, itp.) – o ile to możliwe ze względu na duże koszty przetrzymywania deskowań,
2) pielęgnację wodną – zraszanie powierzchni betonu mgiełką wodną, utrzymywanie powierzchni betonu zauważalnie mokrej,
3) układanie na powierzchni betonu mokrych mat i zabezpieczanie ich przed wysychaniem,
4) pokrywanie powierzchni mokrego betonu folią budowlaną (rys.3.2.), która powinna być przymocowana przy krawędziach i złączach,
5) zastosowanie domieszek opóźniających wiązanie,
6) nałożenie warstwy piasku (grubości ok. 0,1 m) na powierzchnię betonu, polewanie jej wodą, aby zapobiec wyparowaniu i powstawaniu rys (o ile betonowana powierzchnia jest pozioma),
7) ochrona betonu przed odparowaniem wody wprowadzonej do betonu na etapie jego wytwarzania i wbudowywania poprzez pokrycie powierzchni preparatami błonotwórczymi (żywicznymi lub parafinowymi) – stosowana zwłaszcza do pokrywania elementów wielkopowierzchniowych, np. posadzki, drogi, płyty parkingowe, place logistyczne i płyty lotniskowe, co przedstawia rys. 3.2.,
Rys 3.2. Mechaniczne natryskiwanie preparatu błonkotwórczego i pokrywanie powierzchni folią
8) ochładzanie mieszanki betonowej ciekłym azotem o temperaturze – 193oC odbywa się zazwyczaj w bębnie betoniarki samochodowej. Ciekły azot magazynowany jest w oddzielnym agregacie w wytwórni, a po napełnieniu betoniarki samochodowej mieszanką, wprowadzany jest do jej wnętrza specjalną końcówką. Bęben betoniarki powinien obracać się z możliwie największą szybkością, chłodzenie betonu należy prowadzić w ten sposób, aby azot dodawać przerwami. Przerwy w chłodzeniu mieszanki mają na celu ochronę części mechanicznych betoniarki przed ich uszkodzeniem. Obniżenie temperatury 5,5 m3 mieszanki w bębnie betoniarki samochodowej o około 5oC wymaga jej chłodzenia przez około 8 minut [3.5].
Rys.3.4. Schładzanie mieszanki betonowej ciekłym azotem [3.6].
9) dodanie schłodzonej wody zarobowej lub skruszonego lodu do mieszanki - metoda ta pozwala na obniżenie temperatury mieszanki betonowej o 12–18°C poniżej temperatury otoczenia[3.7].
Na podstawie badań doświadczalnych ustalono, że obniżenie temperatury kruszywa o 16oC spowoduje obniżenie temperatury całej mieszanki o 10oC. Wynika to z faktu, że wagowo kruszywo stanowi 70 ÷ 85% masy wszystkich składników mieszanki
betonowej. Natomiast dodanie jednego kilograma lodu do mieszanki betonowej obniża temperaturę całej mieszanki o 7.8oC. Wskazane jest, aby temperatura wyjściowa (startowa) mieszanki betonowej nie przekroczyła 16oC , lecz w krajach leżących w strefie klimatu zwrotnikowego jest to bardzo trudny warunek do osiągnięcia.
Temperatura wyjściowa mieszanki betonowej nie powinna być wyższa niż 32oC.
Temperaturę T świeżej mieszanki można łatwo obliczyć na podstawie temperatury jej składników wg wzoru:
(1)
gdzie:
- T- temperatura w oC,
- W – masa składnika na jednostkę objętości betonu,
- indeksy a, c, w odnoszą się odpowiednio do kruszywa, cementu i wody (wody zarobowej oraz wody w kruszywie),
- wartość 0,22 jest w przybliżeniu stosunkiem ciepła właściwego suchych składników
do ciepła właściwego wody i może być stosowana zarówno w systemie jednostek SI, jak i systemach brytyjskim oraz amerykańskim [3.2].
W celu utrzymania wody zarobowej w niższej temperaturze niż temperatura otoczenia w krajach gorącego klimatu, zbiorniki na wodę należy pomalować na biało i najlepiej utrzymać je z dala od promieniowania słonecznego, tzn. w miarę możliwości przechowywać w cieniu. Rury odprowadzające wodę ze zbiornika do produkcji trzeba lokować pod ziemią, w cieniu albo przynajmniej pomalować na biało.
Należy podkreślić, że w ciepłych krajach różnica temperatury wody zarobowej pomiędzy dwoma zbiornikami jednym koloru czarnego, a drugi białego wynosi 17oC (na korzyść białego).
Kombinacja wymienionych metod pielęgnacji w gorącym i suchym klimacie jest możliwa, a nawet wskazana [3.8]. W przeszłości ograniczana była maksymalna temperatura powietrza, przy której można było układać beton. Ograniczenie to nie jest rozsądne w krajach o bardzo wysokich temperaturach otoczenia.
Z tego powodu trwają poszukiwania nowych metod pielęgnacyjnych, które pozwolą przekroczyć wspomniane bariery klimatyczne oraz technologiczne i stąd
