Materiały zmiennofazowe jako modyfikator betonu dojrzewającego w klimacie gorącym i suchym

Przepływ energii i masy w twardniejącym betonie, a także między twardniejącym betonem a otoczeniem wywołuje odkształcenia i naprężenia elementu konstrukcji.

W miarę upływu czasu, w wyniku postępu procesu hydratacji, twardniejący beton nabywa cech mechanicznych (wzrasta jego wytrzymałość).

Jeżeli powstałe naprężenia, wywołane gradientem temperatury, przewyższają w danym momencie wytrzymałość tworzącej się struktury betonu, następuje jej zniszczenie, a w efekcie powstają pęknięcia i rysy [1].

Jednym z podstawowych czynników determinujących uzyskanie trwałej monolitycznej konstrukcji betonowej jest więc właściwa pielęgnacja termiczna.

Intensywność, rodzaj oraz czas pielęgnacji powinny być brane pod uwagę już na etapie analizy teoretycznej modelu elementu lub konstrukcji oraz spodziewanych efektów termicznych, a podczas sterowania procesem pielęgnacji powinno być obowiązkowo ciągłe monitorowanie temperatury.

Czynniki wpływające na temperaturę dojrzewającego betonu

W klimacie gorącym i suchym zapewnienie właściwych warunków dojrzewania można osiągnąć dzięki:

• zastosowaniu cementu o niskim cieple hydratacji,
• obniżeniu początkowej temperatury mieszanki betonowej,
• modyfikacji betonu domieszkami,
• zastosowaniu specjalnych technologii transportu i układania mieszanki betonowej w celu ograniczenia absorbcji ciepła z otoczenia,
• chłodzenia dojrzewającego betonu przez system obiegu wody (lub powietrza),
• izolacji powierzchni w celu ograniczenia różnic między powierzchnią i rdzeniem elementu,
• pielęgnacji wewnętrznej betonu (nasycenia kruszywa wodą itp.).

Z uwagi na ograniczenia zastosowania niektórych metod (powierzchnie pionowe, konieczność oczekiwania na usunięcie deskowań itp.) w artykule zostaną omówione technologie obniżania temperatury mieszanki betonowej oraz pielęgnacja wewnętrzna betonu, które stanowią opcje technologiczne umożliwiające betonowanie w podwyższonej temperaturze przy ograniczeniu ingerencji z zewnątrz.

Obniżenie temperatury mieszanki betonowej wywołuje zmniejszenie szybkości wydzielania ciepła przez cement, co ogranicza wzrost temperatury betonu wewnątrz konstrukcji. Obniżenie temperatury początkowej można uzyskać dzięki:

• ochłodzeniu poszczególnych składników mieszanki (kruszywa, cementu i wody),
• zastąpieniu części wody zarobowej lodem,
• ochłodzeniu mieszanki betonowej po jej wymieszaniu, np. ciekłym azotem.

Ochładzanie poszczególnych składników mieszanki betonowej

Największy wpływ na temperaturę mieszanki betonowej ma temperatura kruszywa, którego udział z reguły przekracza 70% masy wszystkich składników. Najczęściej kruszywo chłodzone jest wodą o temp. ok. 2°C do ok. 5°C.

Zasadniczą wadą tej metody jest zawilgocenie i wynikające stąd trudności w dozowaniu składników mieszanki. Z tego powodu nie należy w ten sposób chłodzić drobnych frakcji.

Inną metodą obniżenia temperatury kruszywa jest chłodzenie w agregatach. Czynnikiem chłodzącym jest wówczas zazwyczaj amoniak. Technologia ta umożliwia jednoczesne chłodzenie wszystkich frakcji kruszywa.

Alternatywą jest chłodzenie kruszywa i cementu zimnym powietrzem. Dzięki takim zabiegom można obniżyć temperaturę mieszanki betonowej o 8–12°C poniżej temperatury otoczenia.

Temperaturę początkową mieszanki betonowej – t_mb, jeśli znane są jej skład oraz temperatura poszczególnych składników – t_sk, można obliczyć z równania bilansu cieplnego [3]:

gdzie:
m_sk – masa poszczególnych składników mieszanki w jednostce objętości betonu [kg],
c_sk – pojemność cieplna poszczególnych składników mieszanki [kJ/kg].

Jeśli temperatura poszczególnych składników mieszanki wynosi odpowiednio: cement – t_c, piasek – t_p, kruszywo grube – t_g, woda – t_w, temperaturę mieszanki można obliczyć ze wzoru:

gdzie:
m_c – masa cementu [kg],
m_p – masa piasku [kg],
m_g – masa kruszywa grubego [kg],
m_w – masa wody [kg].

Jeśli przyjmiemy następujące wartości pojemności cieplnej poszczególnych składników betonu: cement – c_c = c_p = c_g = c_k = 0,8 kJ/kg, woda – 4,18 kJ/kg i połączymy w jednej kategorii oba wyróżnione rodzaje kruszywa, otrzymamy:

W wypadku zmiany temperatury jednego ze składników o wartości Δt temperatura świeżej mieszanki betonowej zmieni się o Δt_mb:

• jeśli temperatura cementu obniży się o Δt_c:

• jeśli temperatura kruszywa obniży się o Δt_k:

• jeśli temperatura wody zarobowej obniży się o Δt_w:

Zastępowanie wody zarobowej lodem

Metoda ta pozwala na obniżenie temperatury mieszanki betonowej o 12–18°C poniżej temperatury otoczenia.

Rozkruszone kawałki lodu o średnicy do 40 mm dodaje się bezpośrednio do betoniarki w czasie mieszania składników [4], aż do całkowitego stopienia lodu. Następuje wówczas pochłanianie ciepła w ilości 334 kJ/kg, co powoduje obniżenie temperatury mieszanki.

Jeśli zastąpi się część wody zarobowej o masie m1 lodem, uzyska się zmianę temperatury mieszanki betonowej, określoną wzorem:

Ochładzanie mieszanki betonowej ciekłym azotem

Do tego procesu wykorzystuje się ciekły azot o temp. 193°C. Ochładzanie 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 powinien obracać się z możliwie największą szybkością. Należy zachowywać przerwy, aby uchronić części mechaniczne betoniarki przed uszkodzeniem.

Obniżenie temperatury 5,5 m3 mieszanki w bębnie betoniarki samochodowej o ok. 5°C wymaga chłodzenia przez ok. 8 min [3].

Inne metody

Spośród innych metod mających na celu ograniczenie wrażliwości betonów na warunki dojrzewania w podwyższonej temperaturze należy wymienić także pielęgnację wewnętrzną [5, 6], polegającą na dodaniu kruszywa lekkiego nasyconego wodą lub polimeru superchłonnego.

Zasadne jest dalsze poszukiwanie metod umożliwiających betonowanie w podwyższonej temperaturze przy utrzymaniu odpowiednich cech zarówno mieszanki betonowej, jak i dojrzałego betonu.

Chodzi nie tyle o zapobieganie niepożądanym skutkom, wynikającym ze zbyt dużych gradientów termicznych (według większości zaleceń różnica między rdzeniem a powierzchnią nie powinna przekraczać 15–20°C [3, 7]), ile o możliwość betonowania w klimacie gorącym i suchym, kiedy warunki zewnętrzne nie pozwalają na zastosowanie typowych procedur.

Istotnym kryterium jest maksymalna temperatura mieszanki betonowej określana w granicach od 29°C do 32°C [8].

Celowe byłoby zatem opracowanie takiej metody, która dzięki odpowiedniej modyfikacji betonu ograniczyłaby ryzyko uszkodzeń w betonowanym elemencie, co zapewni wymaganą jakość betonu w całej konstrukcji oraz uchroni przed powstawaniem rys i spękań.

Należy podkreślić, że zapobieganie problemom jakościowym jest znacznie korzystniejsze niż wykrywanie błędów i korygowanie skutków (co w omawianym przypadku może oznaczać konieczność wyburzenia obiektu i jego ponownego wykonania).

Materiały zmiennofazowe (PCM)

Korzystnym rozwiązaniem jest dodanie materiałów zmiennofazowych (PCM – Phase Change Materials) w celu pielęgnacji wewnętrznej mieszanki betonowej podczas jej dojrzewania.

Takie rozwiązanie umożliwia redukcję gradientów termicznych, a co za tym idzie – ogranicza ryzyko powstawania rys i spękań, a jednocześnie zapewnia większą jednorodność cech elementu betonowanego w gorącym i suchym klimacie.

Chociaż wyższa temperatura w czasie układania i wiązania betonu powoduje szybki wzrost wytrzymałości bardzo młodego betonu, może wpływać ujemnie na wytrzymałość betonu po 24 godz.

Dzieje się tak, ponieważ bardzo szybka początkowa hydratacja cementu przyczynia się do powstania słabszej mikrostruktury betonu (prawdopodobnie bardziej porowatej), w której duża część porów nie zostaje wypełniona.

A.M. Neville sugeruje, że duża początkowa szybkość hydratacji wywołana wysoką temperaturą opóźnia późniejszą hydratację i powoduje nierównomierny rozkład produktów hydratacji w zaczynie [7].

Wynika to z tego, że przy wysokiej początkowej szybkości hydratacji jest zbyt mało czasu na dyfuzję jonów poza warstwę produktów hydratacji otaczającą ziarna cementu i na równomierne wytrącanie się produktów hydratacji w przestrzeni między ziarnami, jak to następuje w niższej temperaturze.

Zastosowanie PCM jest jedną z opcji procesu pielęgnacji betonu w warunkach syryjskich. W Syrii występuje klimat gorący i suchy, stanowiący istotne zagrożenie dla budowy poprawnej struktury betonu ze względu na znaczną dynamikę wydzielania ciepła w dojrzewającym betonie.

Materiały zmiennofazowe mają za zadanie stworzyć korzystniejsze warunki pielęgnacji dojrzewającego betonu.

W porównaniu z metodą chłodzenia mieszanki betonowej azotem, która charakteryzuje się znacznym zagrożeniem właściwych warunków BHP [9], materiały zmiennofazowe mają wiele zalet: cechują się wysoką przewodnością cieplną, są stabilne chemicznie, nietoksyczne i nieagresywne, doskonale nadają się do magazynowania nadmiernego ciepła.

Jeśli ich temperatura przemiany fazowej mieści się w odpowiednim zakresie (dopasowanym do warunków dojrzewania), zapewniają bardziej stabilne warunki dojrzewania betonu.

W proponowanym zastosowaniu zadaniem materiałów zmiennofazowych jest:

• absorpcja ciepła hydratacji w dojrzewającej mieszance betonowej, tak aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnych gradientów termicznych wewnątrz mieszanki;
• usprawnienie wymiany ciepła z otoczeniem (stopniowe oddawanie ciepła do otoczenia podczas nocnego obniżenia temperatury).

Ryzyko powstawania rys i spękań w betonowanym elemencie zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury dojrzewania oraz ze wzrostem różnicy temperatur między wnętrzem a powierzchnią.

Typowe środki zaradcze ograniczające ryzyko to przed wszystkim zabiegi technologiczne służące obniżeniu maksymalnej temperatury dojrzewania oraz zmniejszeniu różnic temperatury między wnętrzem a powierzchną elementu [7].

Kiedy temperatura mieszanki dochodzi do temperatury przemiany fazowej, materiały PCM absorbują nadmiar ciepła, zamieniają się w ciecz i nie dopuszczają do przekroczenia niekorzystnego poziomu temperatury wewnątrz elementu betonowanego.

Podczas spadku temperatury poniżej temperatury przemiany fazowej krzepną i oddają nadmiar zmagazynowanego ciepła, dzięki czemu stabilizują temperaturę wewnątrz elementu betonowanego.

Opisanemu mechanizmowi działania materiałów zmiennofazowych w dojrzewającym betonie sprzyjają typowe warunki klimatyczne w Syrii, charakteryzujące się znaczą amplitudą dobową temperatury.

Wyniki badań

Wykonano serię badań z uwzględnieniem różnych kryteriów, m.in. grubości elementu betonowanego, temperatury wyjściowej oraz ilości materiałów zmiennofazowych. Przyjęto skrajny cykl dobowych wahań temperatury i wilgotności charakterystyczny dla lata w Syrii (od 12°C do 40°C).

Na rys. 1–4 przedstawiono wykresy przebiegu temperatury w trzech płytach z takim samym poziomem dozowania PCM (3,5%) oraz równą temperaturą wyjściową wszystkich płyt (33°C). Grubość płyt to: 0,2 m, 0,15 m i 0,1 m.

Z wykresów przedstawionych na rys. 1–4 wynika, że działanie materiałów zmiennofazowych rozpoczyna się z pewnym opóźnieniem. Kiedy w betonie podlegającym działaniu dynamicznie zmiennej temperatury otoczenia oraz wydzielającego się ciepła hydratacji temperatura dochodziła do zakresu przemiany fazowej materiałów zmiennofazowych, następowało ich uaktywnienie, co spowodowało opóźnienie zmian temperatury na wykresie.

Ponieważ dozowanie PCM oraz temperatura wyjściowa wszystkich płyt są takie same, przesunięcia te są mniej lub bardziej widoczne w zależności od grubości płyty (im cieńsza płyta, tym bardziej widoczne).

Na rys. 3 ok. 18 godz. (licząc od momentu rozpoczęcia pomiarów) można zaobserwować stabilizację temperatury w płycie gr. 0,20 m wynikającą z uaktywnienia zastosowanego materiału zmiennofazowego – efekt widoczny w odniesieniu do czujnika umieszczonego w środku płyty (temp. przemiany fazowej: ok. 26°C).

Efekt ten można zaobserwować także na rys. 4, na którym przedstawiono wykres porównawczy w odniesieniu do wszystkich płyt dla czujników umieszczonych w środku grubości płyt.

Na rys. 5 przedstawiono wyniki badania wytrzymałości na ściskanie próbek betonu pobranego w formie odwiertów z badanych płyt (gr. 0,20 m, 0,15 m, 0,10 m; dozowanie PCM: 3,5%; temp. wyjściowa: 33°C).

Średnia wytrzymałość na ściskanie płyty gr. 0,1 m wynosi 32,0 MPa, płyty gr. 0,15 m – 31,2 MPa, a płyty gr. 0,2 m – 30,8 MPa. Wyniki te potwierdzają tendencję do spadku wytrzymałości na ściskanie w wyniku dojrzewania w podwyższonej temperaturze w początkowym jego stadium. Im wyższa maksymalna temperatura dojrzewania, tym niższa wytrzymałość.

Podsumowanie

Przedstawione założenia teoretyczne oraz wyniki badań pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:

• zastosowanie materiałów zmiennofazowych jako modyfikatora podczas betonowania w warunkach klimatu gorącego i suchego umożliwia przekroczenie typowych barier technologicznych związanych z dojrzewaniem betonu w podwyższonej temperaturze;
• dodanie materiału PCM redukuje gradienty termiczne i ujednolica temperaturę wewnątrz mieszanki betonowej;
• wykorzystanie materiału zmiennofazowego ogranicza ryzyko powstawania rys i spękań w betonowanej konstrukcji;
• przeprowadzone badania dowodzą, że materiały zmiennofazowe mają korzystny wpływ na warunki dojrzewania betonu w podwyższonej temperaturze;
• badania potwierdziły tendencję do redukcji wytrzymałości na ściskanie R28 wraz ze wzrostem temperatury dojrzewania betonu w jego początkowej fazie;
• dozowanie PCM redukuje przyrost temperatury wewnętrznej spowodowany ciepłem hydratacji i wpływem otoczenia oraz opóźnia pojawienie się maksymalnej wartości temperatury;
• uzasadnione jest zastosowanie elastyczności w postaci kilku wariantów pielęgnacji w procesie betonowania w trudnych warunkach klimatycznych (klimat syryjski). Jednym z nich może być modyfikacja materiałami zmiennofazowymi o odpowiednio dobranej temperaturze działania.

Dalsze badania mają na celu stwierdzenie znaczenia takich czynników, jak temperatura wyjściowa mieszanki betonowej, grubość płyty, poziom dozowania PCM, charakterystyka dobowego cyklu zmian warunków dojrzewania itp.

Literatura

1. A. Czkwianianc, J. Pawlica i in., „Technologia wykonania masywnej konstrukcji żelbetowej na przykładzie budowy fundamentu pod młyn cementu w Cementowni Górażdże”, materiały Konferencji Dni Betonu, Wisła 2012, s. 279–289.
2. Z. Li, „Advanced Concrete Technology”, John Wiley & Sons, New Jersey 2011.
3. W. Kiernożycki, „Betonowe konstrukcje masywne. Teoria. Wymiarowanie. Realizacja”, Polski Cement, Kraków 2003.
4. H. Huber, „Technologie österreichischer Talsperrebetone”, „Betonwerk + Fertigeiltechnik”, nr 10/1997, s. 66–73.
5. H. Famili, M. Khodadad Saryazdi, T. Parhizkar, „Internal curing of high strength self consolidating concrete by saturated lightweight aggregate – effects on material properties”, „International Journal of Civil Engineering”, nr 10 (3)/2012, s. 210–221.
6. J. Zhang, Y.D. Han, Y. Gao, Y. Luosun, „Integrative study on the effect of internal curing on autogenous and drying shrinkage of high-strength concrete”, „Drying Technology”, nr 31 (5)/2013, s. 565–575.
7. A.M. Neville, „Właściwości betonu”, Polski Cement, Kraków 2000.
8. M. Hsino, J. Pasławski, „Wprowadzenie elastyczności w zarządzaniu jakością na przykładzie betonowania”, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska”, nr 2/2011, s. 289–293.
9. R. Walendziak, J. Pawlica, A. Czkwianianc, „O betonowaniu masywów”, „Kwartalnik Łódzki”, nr 3/2011, s. 10–16.
10. B. Klemczak, A. Knoppik-Wróbel, „Wpływ wybranych czynników materiałowo-technologicznych na temperatury twardnienia betonu w masywnej płycie fundamentowej”, materiały Konferencja Dni Betonu, Wisła 2012, s. 291–301.
11. 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.

Inne metody

Spośród innych metod mających na celu ograniczenie wrażliwości betonów na warunki dojrzewania w podwyższonej temperaturze należy wymienić także pielęgnację wewnętrzną [5, 6], polegającą na dodaniu kruszywa lekkiego nasyconego wodą lub polimeru superchłonnego.

Zasadne jest dalsze poszukiwanie metod umożliwiających betonowanie w podwyższonej temperaturze przy utrzymaniu odpowiednich cech zarówno mieszanki betonowej, jak i dojrzałego betonu. 

Chodzi nie tyle o zapobieganie niepożądanym skutkom, wynikającym ze zbyt dużych gradientów termicznych (według większości zaleceń różnica między rdzeniem a powierzchnią nie powinna przekraczać 15–20°C [3, 7]), ile o możliwość betonowania w klimacie gorącym i suchym, kiedy warunki zewnętrzne nie pozwalają na zastosowanie typowych procedur. 

Istotnym kryterium jest maksymalna temperatura mieszanki betonowej określana w granicach od 29°C do 32°C [8].

Celowe byłoby zatem opracowanie takiej metody, która dzięki odpowiedniej modyfikacji betonu ograniczyłaby ryzyko uszkodzeń w betonowanym elemencie, co zapewni wymaganą jakość betonu w całej konstrukcji oraz uchroni przed powstawaniem rys i spękań.

Należy podkreślić, że zapobieganie problemom jakościowym jest znacznie korzystniejsze niż wykrywanie błędów i korygowanie skutków (co w omawianym przypadku może oznaczać konieczność wyburzenia obiektu i jego ponownego wykonania).

Materiały zmiennofazowe (PCM)

Korzystnym rozwiązaniem jest dodanie materiałów zmiennofazowych (PCM – Phase Change Materials) w celu pielęgnacji wewnętrznej mieszanki betonowej podczas jej dojrzewania. 

Takie rozwiązanie umożliwia redukcję gradientów termicznych, a co za tym idzie – ogranicza ryzyko powstawania rys i spękań, a jednocześnie zapewnia większą jednorodność cech elementu betonowanego w gorącym i suchym klimacie.

Chociaż wyższa temperatura w czasie układania i wiązania betonu powoduje szybki wzrost wytrzymałości bardzo młodego betonu, może wpływać ujemnie na wytrzymałość betonu po 24 godz. 

Dzieje się tak, ponieważ bardzo szybka początkowa hydratacja cementu przyczynia się do powstania słabszej mikrostruktury betonu (prawdopodobnie bardziej porowatej), w której duża część porów nie zostaje wypełniona.

A.M. Neville sugeruje, że duża początkowa szybkość hydratacji wywołana wysoką temperaturą opóźnia późniejszą hydratację i powoduje nierównomierny rozkład produktów hydratacji w zaczynie [7]. 

Wynika to z tego, że przy wysokiej początkowej szybkości hydratacji jest zbyt mało czasu na dyfuzję jonów poza warstwę produktów hydratacji otaczającą ziarna cementu i na równomierne wytrącanie się produktów hydratacji w przestrzeni między ziarnami, jak to następuje w niższej temperaturze.

Zastosowanie PCM jest jedną z opcji procesu pielęgnacji betonu w warunkach syryjskich. W Syrii występuje klimat gorący i suchy, stanowiący istotne zagrożenie dla budowy poprawnej struktury betonu ze względu na znaczną dynamikę wydzielania ciepła w dojrzewającym betonie.

Materiały zmiennofazowe mają za zadanie stworzyć korzystniejsze warunki pielęgnacji dojrzewającego betonu.

W porównaniu z metodą chłodzenia mieszanki betonowej azotem, która charakteryzuje się znacznym zagrożeniem właściwych warunków BHP [9], materiały zmiennofazowe mają wiele zalet: cechują się wysoką przewodnością cieplną, są stabilne chemicznie, nietoksyczne i nieagresywne, doskonale nadają się do magazynowania nadmiernego ciepła. 

Jeśli ich temperatura przemiany fazowej mieści się w odpowiednim zakresie (dopasowanym do warunków dojrzewania), zapewniają bardziej stabilne warunki dojrzewania betonu.

W proponowanym zastosowaniu zadaniem materiałów zmiennofazowych jest:

• absorpcja ciepła hydratacji w dojrzewającej mieszance betonowej, tak aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnych gradientów termicznych wewnątrz mieszanki;
• usprawnienie wymiany ciepła z otoczeniem (stopniowe oddawanie ciepła do otoczenia podczas nocnego obniżenia temperatury).

Ryzyko powstawania rys i spękań w betonowanym elemencie zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury dojrzewania oraz ze wzrostem różnicy temperatur między wnętrzem a powierzchnią. 

Typowe środki zaradcze ograniczające ryzyko to przed wszystkim zabiegi technologiczne służące obniżeniu maksymalnej temperatury dojrzewania oraz zmniejszeniu różnic temperatury między wnętrzem a powierzchną elementu [7].

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!