Šiluminės deformacijos ir pleišėjimas betonuojant masyviąsias konstrukcijas

2018 m. sausio 26 d.

P. L. Ng, Gintautas Skripkiūnas Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Statybos fakultetas

Ankstyvasis terminis pleišėjimas – tai problema, atsirandanti betonuojant masyviąsias konstrukcijas ir neigiamai veikianti masyviojo betono konstrukcijų vientisumą, tinkamumą bei patvarumą. Kadangi betono konstrukcijos tampa vis sudėtingesnės ir masyvesnės, išaugo terminio pleišėjimo prevencijos, naudojant įvairias temperatūros kontroliavimo priemones, svarba.

Temperatūros kilimas kietėjančiame betone

Teoriškai masyviųjų konstrukcijų temperatūros kontroliavimo priemonės turėtų būti pasirenkamos pagal šiluminių deformacijų suvaržymus, priklausančius nuo konstrukcijos konfigūracijos ir statybų darbų atlikimo sekos. Tačiau netinkamai naudojama šiluminė izoliacija gali lemti aukštesnę maksimalią betono temperatūrą ir net pasunkinti šiluminio pleišėjimo problemą.

Kietėjančiame betone vykstančių cheminių reakcijų metu išsiskiria nemažai šilumos. Kadangi betonas nėra geras šilumos laidininkas, pirmas kelias dienas po betonavimo didžioji šilumos dalis išlieka betono viduje. Temperatūros kilimas svarbi masyviojo betono konstrukcijų problema. Pasak Amerikos betono instituto, masyvusis betonas apibrėžiamas kaip bet koks betono tūris, kurio matmenys tiek dideli, kad reikėtų imtis priemonių dėl cemento hidratacijos išskiriamos šilumos ir susijusio tūrio pokyčio, siekiant iki minimumo sumažinti pleišėjimą. Fitzas Gibbonas nustatė apytikslę gairę – per įprasto portlandcemenčio hidrataciją temperatūra pakils maždaug 12 °C kiekvienam 100 kg/m3 cemento betone. Dalį cemento pakeitus lakiaisiais pelenais arba maltu aukštakrosnių šlaku, išskiriamos šilumos kiekis galėtų sumažėti. Temperatūros kilimas dėl lakiųjų pelenų arba aukštakrosnių šlako pucolaninės reakcijos priklauso nuo kai kurių veiksnių, tačiau paprastai yra mažesnis nei dėl cemento hidratacijos. Pavyzdžiui, esant 60 °C temperatūrai, lakiųjų pelenų pucolaninė reakcija padidins temperatūrą tik 5,5 °C kiekvienam 100 kg/m3 betono sudėtyje esančių lakiųjų pelenų.

Daugumos tyrėjų atlikti eksperimentiniai tyrimai parodė, kad betono temperatūra masyviosiose konstrukcijose pakyla maždaug 40–60 °C. Atlikus temperatūrų matavimus vienoje iš Lietuvoje betonuotų masyviųjų konstrukcijų, kurios matmenys 60 x 10 x 2,5 m ir tūris apie 1 500 m3 betono, gautas temperatūrų pasiskirstymas ir pokyčiai laike pateikti 1 paveiksle. Panaudojus sudėtinį portlandcementį su 17 % aukštakrosnių šlako priedu ir šiluminę izoliaciją viršutiniame konstrukcijos paviršiuje, buvo užtikrinta, kad konstrukcijoje neatsiras šiluminių plyšių. Autorių patirtis rodo, kad, atsižvelgiant į pradinę klojimo temperatūrą ir aplinkos temperatūrą, prekinio betono mišinio maksimali temperatūra gali pasiekti daugiau nei 90 °C. Nors 25–35 % cemento pakeitus lakiaisiais pelenais arba maltu aukštakrosnių šlaku, temperatūros padidėjimas gali sumažėti maždaug 10 °C, maksimali temperatūra vis tiek išliks labai aukšta. Dėl temperatūros kilimo ir po to vykstančio temperatūros kritimo vyksta betono šiluminis plėtimasis ir susitraukimas. Jei šios šiluminės deformacijos suvaržomos, atsiranda tempimo įtempių ir betonas gali supleišėti. Šiluminio pleišėjimo problemą galėtų sušvelninti masyviojo betono konstrukcijų temperatūros kontroliavimo priemonės. Kuriant atitinkamas temperatūros kontroliavimo priemones, reikia tinkamai įvertinti dviejų tipų šiluminių deformacijų suvaržymus – vidinius ir išorinius, ir atitinkamai spręsti šiluminio pleišėjimo problemas.

Vidinių suvaržymų sukeltas šiluminis pleišėjimas

Dėl šilumos sklaidos į aplinką betono temperatūra prie paviršiaus mažesnė nei centre. Susidaręs temperatūrų skirtumas gali sukelti gana stiprias tempimo jėgas, sukeliančias šiluminį pleišėjimą paviršiaus srityse, kai temperatūra kyla, ir viduje, kai temperatūra krenta, kaip parodyta 2 paveiksle. Patirtis rodo, kad 20 °C temperatūros skirtumas per vieno metro atstumą betono masėje tikriausiai sukels šiluminio pleišėjimo problemų. Todėl techninėse specifikacijose dažnai numatoma, kad temperatūros gradientas negali viršyti 20 °C vienam metrui masyviosios betono konstrukcijos.

Kai temperatūra kyla (2 pav. (a)), centre esančio betono temperatūra aukštesnė ir centrinės dalies šiluminis plėtimasis sukurs į išorę nukreiptą slėgį, todėl paviršiaus srityse betoną veiks tempimas ir jis gali supleišėti. Šiluminiai plyšiai paviršiaus srityse matomi nuėmus klojinius ir praktiškai pasireiškia dažnai. Žinoma, kad ne apskritiminio skerspjūvio masyviojo betoninio elemento tempimo įtempių laukas skirsis nuo pavaizduoto 2 paveiksle. Nepaisant to, vis tiek galioja tie patys vidinių suvaržymų sukelto šiluminio pleišėjimo principai.

Temperatūrai krentant (2 pav. (b)), betonas prie paviršiaus iki aplinkos temperatūros atvės pirmiausia, o betonas centre toliau liks įkaitęs. Betono vėsimas viduje didesnėje betono masėje sukurs tempimo įtempius, galinčius sukelti pleišėjimą. Kadangi viduje susidariusius šiluminius plyšius pamatyti galima tik pragręžus betoną, daug inžinierių nenumano apie šią problemą. Neretai tokie šiluminiai plyšiai aptinkami pragręžus pamatų konstrukcijas priėmimo bandymų metu. Kadangi anksčiau minėtą pleišėjimą, atsirandantį dėl judėjimo suvaržymų, sukelia pati betono masė, jis vadinamas vidinių suvaržymų sukeltu pleišėjimu.

Išorinių suvaržymų sukeltas šiluminis pleišėjimas

Betono konstrukcijai pasiekus maksimalią temperatūrą, po to krentanti temperatūra sukelia šiluminį traukimąsi. Jei šiluminį traukimąsi suvaržo šalia esančios konstrukcijos, susietos su naujai išlieta konstrukcija, kaip parodyta 3 paveiksle, atsiras tempimo įtempių ir gali atsirasti šiluminių plyšių. Reikia turėti omenyje, kad tokie šiluminiai plyšiai paprastai yra kiauriniai. Kadangi konstrukcijos deformacijos suvaržomas iš išorės, tai vadinama išoriniu suvaržymu. Yra du išorinių suvaržymų tipai: kraštinis ir galinis suvaržymas, kaip parodyta 3 paveiksle.

Kraštinis suvaržymas yra gana dažnas, jo pavyzdys – laikančiųjų sienų statymas kiekviename aukšte (3 pav. (a). Pirmiausia išlieta apatinė laikančioji siena atvėsta nuo maksimalios iki aplinkos temperatūros. Tada liejama viršutinė laikančioji siena ir jos temperatūra pakyla iki maksimumo. Po to, krentant viršutinės sienos temperatūrai, apatinė siena ties technologine siūle suvaržo šiluminį traukimąsi. Ties technologine siūle atsiras šlyties įtempių, dėl kurių viršutinėje laikančiojoje sienoje gali atsirasti šiluminių plyšių.

Galinis suvaržymas paprastai pasireiškia betonuojant didelio storio plokštes ir perdangas (3 pav. (b). Pirmiausia išlietos plokštės su dviem galais ir tarpu tarp jų pradeda vėsti nuo maksimalios iki aplinkos temperatūros. Tada liejamas vidinis tarpas ir jo temperatūra pakyla iki maksimumo. Krentant vidinio tarpo temperatūrai, kraštinių plokščių galai suvaržo šiluminį traukimąsi. Vidiniame intarpe gali atsirasti technologinei siūlei lygiagrečių šiluminių plyšių.

Temperatūros kontroliavimo priemonių parinkimas

Anksčiau aptarti šiluminių deformacijų suvaržymai yra svarbiausi veiksniai, lemiantys tinkamų temperatūros kontroliavimo priemonių pasirinkimą. Dažnas klaidingas įsitikinimas, kad naudojama šiluminė izoliacija yra universalus šiluminio pleišėjimo išvengimo būdas. Kai kurių techninių specifikacijų skyriuje net nurodoma, kad visais atvejais reikia naudoti dvigubą šiluminės izoliacijos sluoksnį, kietėjant naujai suklotam betonui. Tačiau šiluminė izoliacija yra „lazda su dviem galais“, kuri gali ir neišspręsti šiluminio pleišėjimo problemos. Taikant netinkamai, ji gali net pagilinti problemą. Pavyzdžiui, kai kuriais atvejais, bandant išspręsti šiluminio pleišėjimo problemą 0,8 m storio laikančiosios sienos ir 1 m storio rūsio sienos atveju, naudojant geresnę šiluminę izoliaciją, problema pablogėja dėl dar aukštesnės maksimalios temperatūros. Be to, daug inžinierių mano, kad masyviojo betono konstrukcijose šiluminių plyšių gali atsirasti tik tada, jei jų storis ≥ 1,5 m. Tai klaidingas įsitikinimas, nes 1 m storio betono elementas gali rimtai supleišėti, jei kietinamas netinkamai. Esminis parametras yra ne elemento storis, o maksimali betono masės temperatūra.

Jei išorinių suvaržymų nėra, labiausiai tikėtina šiluminio pleišėjimo priežastis yra vidiniai suvaržymai. Šiuo atveju galima naudoti izoliaciją, siekiant sumažinti betono masės temperatūrų skirtumą, taip sušvelninant šiluminio pleišėjimo problemą. Tačiau reikia turėti omenyje, kad šiluminės izoliacijos ir klojinių negalima nuimti, kol betono masės temperatūra nenukrito iki artimos aplinkos temperatūrai. Be to, nuėmus klojinius ant betono paviršių negalima purkšti šalto vandens. Klojinių nuėmimo ir vandens purškimo ant vis dar karšto betono paviršių praktika žalinga. Taip yra dėl to, kad šie veiksmai sukels temperatūrinį šoką ir šiluminį pleišėjimą. Kita vertus, esant išoriniams suvaržymams, pagrindinė šiluminio pleišėjimo priežastis bus betono masės traukimasis krentant temperatūrai. Tokiu atveju šiluminė izoliacija padidintų betono temperatūros augimą ir po jo vykstantį temperatūros kritimą, taip pasunkindama šiluminio pleišėjimo problemą. Norint sušvelninti problemą, reikia sumažinti maksimalią temperatūrą, kad temperatūros augimas ir kritimas būtų kuo mažesni, taigi šiluminės izoliacijos naudoti nereikia.

Jei veikia ir vidiniai, ir išoriniai suvaržymai, pavyzdžiui, betonuojant didelio storio betono elementą prie esamų konstrukcijų, kurios suvaržys jo šilumines deformacijas, nėra paprasta nuspręsti, ar naudoti šiluminę izoliaciją. Šiluminio pleišėjimo problema negali būti išspręsta vien naudojant ar nenaudojant šiluminės izoliacijos. Siekiant valdyti situaciją, reikia sumažinti maksimalią temperatūrą ir temperatūrų skirtumą. Galimas sprendimas – taikyti vidinį naujai išlieto betono aušinimą. Aušinimo vamzdžiai sumontuojami iš anksto prieš betonavimą šalto oro arba vandens cirkuliacijai ir šilumai iš betono masės šalinti. Liejimo temperatūros sumažinimas iš anksto atvėsinant maišymo vandenį ir užpildus, dalies vandens pakeitimas ledu, medžiagų sandėliavimo silosų nudažymas šviesia spalva ir betonmaišės būgno padengimas izoliacinėmis medžiagomis, siekiant sumažinti šilumos sugėrimą iš aplinkos, taip pat gali padėti. Be to, efektyvus sprendimas yra optimizuoti betono mišinį, sumažinant cemento tešlos tūrį, naudojant mažos egzotermijos cementą, daugiau lakiųjų pelenų, malto šlako ir (arba) silicio mikrodulkių kaip rišamąją medžiagą, siekiant sumažinti šilumos išsiskyrimą kietėjant betonui.

Ankstyvą šiluminį kietėjančio betono pleišėjimą gali sukelti vidiniai arba išoriniai suvaržymai. Kuriant atitinkamas temperatūros kontroliavimo priemones šiluminio pleišėjimo problemai sušvelninti, reikia tinkamai įvertinti šiluminių deformacijų suvaržymo sąlygas.

Saulėtekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva, el. p.: irdngpl@gmail.com,

gintautas.skripkiunas@vgtu.lt

Autoriai dėkoja Marijos Sklodovskos -

Kiuri fondui už finansinę paramą

(projektas Nr. 751461)

/img/banners/Artwork Milena_Structum_340x600px.gif
Būk pirmas!