PL206057B1 - Sposób badania dojrzałości betonu w konstrukcji budowlanej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób badania dojrzałości betonu w konstrukcji budowlanej.

Z radzieckich opisów zgłoszeniowych SU1695229 i SU654903 znane są proste metody badania właściwości betonu obejmujące pomiar jego temperatury w czasie. Badania tego rodzaju nie pozwalają na miarodajną ocenę wytrzymałości i innych cech konstrukcji budowlanej.

Znane są materiały dojrzewające, takie jak beton lub zaprawa cementowa, które formowane są w stanie płynnym lub plastycznym. Materiały te zmieniają najpierw swój stan skupienia, a następnie własności fizyczne wskutek występowania reakcji chemicznych między swymi składnikami. Zwykle nie mamy do czynienia z jedną reakcją lecz ze złożoną kombinacją reakcji łańcuchowych - reakcje występują równocześnie między różnymi składnikami, a powstałe pierwotnie produkty uczestniczą w innych, nowych reakcjach. Rodzaj występujących reakcji i ich szybkość, w ogólnym przypadku zależą od temperatury, lecz w pewnym przedziale temperatur (Tmin, Tmax) zależnym od rodzaju materiału zmiana temperatur nie powoduje innych skutków, jak tylko zmianę szybkości reakcji. Mówimy, że w tym przedziale temperatur dojrzewanie jest proste.

Dla materiałów, w których spoiwem jest cement (wspomniane reakcje polegają tu na hydratacji cementu) z dojrzewaniem prostym mamy zwykle do czynienia w przedziale od 0 do 50 stopni Celsjusza, a wzrost temperatury w tym przedziale o 10 stopni Celsjusza powoduje orientacyjnie dwukrotne przyspieszenie reakcji. Zmiana tej szybkości powodowana ustalonym przyrostem temperatury jest indywidualną cechą każdego spoiwa, a wzory znane z chemii fizycznej (reguła van't Hoffa, prawo Arrheniusa) dają tylko orientacyjną informację o czułości termicznej spoiwa. Stan zaawansowania procesu dojrzewania mierzy się tzw. wskaźnikiem dojrzałości, za który można przyjąć dowolną cechę materiałową zmieniającą się monotonicznie z czasem. W przypadku betonu za cechę tę przyjmuje się zwykle wytrzymałość na ściskanie ze względu na łatwość i powszechność testów wytrzymałościowych. W sytuacji, gdy możliwe jest przeprowadzenie laboratoryjnych badań kalorymetrycznych za miarę dojrzałości można przyjąć ciepło hydratacji. Zwykle też wskaźnik dojrzałości definiuje się nie jako wspomnianą cechę, lecz jako stosunek danej cechy do jej wartości końcowej lub 28-dniowej i tym samym nadaje się mu wartość bezwymiarową lub procentową. Przy materiale dojrzewającym prosto znajomość dojrzałości lub wskaźnika dojrzałości pozwala na jednoznaczne ustalenie wszelkich jego cech i tym samym ma duże znaczenie praktyczne. Szczególne znaczenie ma znajomość wskaźnika dojrzałości betonu ułożonego i dojrzewającego w konstrukcji. Pozwala to w szczególności na ustalenie wytrzymałości betonu, a co za tym idzie, na ocenę zdolności konstrukcji do przyjęcia obciążeń i podejmowanie decyzji technologicznych.

Najczęstszym sposobem ustalania wytrzymałości betonu dojrzewającego w konstrukcji jest wykonywanie próbek wraz z konstrukcją i poddawanie ich próbie wytrzymałościowej. Zakłada się tu, że beton w konstrukcji ma taki sam wskaźnik dojrzałości, a więc i wytrzymałość, jak beton w badanej próbce. Ponieważ jednak konstrukcja ma inne wymiary, inaczej kształtuje się w niej pole temperatur i założenie to jest często dalekie od rzeczywistości.

Inny sposób polega na wykonaniu odwiertu z konstrukcji i badaniu wytrzymałościowym uzyskanej w ten sposób próbki. Jest to jednak sposób kosztowny i nie zawsze dopuszczalny, ponieważ prowadzi do fizycznego uszkodzenia konstrukcji.

Wreszcie znane są próby ustalania wytrzymałości na podstawie wskaźnika dojrzałości ustalanego w oparciu o pewne wspomniane wyżej założenia teoretyczne co do wpływu temperatury na szybkość dojrzewania (reguła van't Hoffa lub prawo Arrheniusa). Jednakże dokładność tych metod jest niewielka ze względu na brak uwzględniania indywidualnej czułości termicznej spoiwa.

Przedmiotem wynalazku jest sposób badania dojrzałości betonu w konstrukcji budowlanej obejmujący pomiar jego temperatury w funkcji czasu, charakteryzujący się tym, że przeprowadza się skalujące izotermiczne badania kalorymetryczne dla danego betonu wyznaczając gęstość mocy ciepła hydratacji WT(t) w analizowanym zakresie temperatur T i czasu t oraz dokonuje się pomiarów temperatury betonu dojrzewającego w konstrukcji na podstawie odczytów z czujników temperatury umieszczonych w konstrukcji przed ułożeniem mieszanki betonowej ustalając całą historię temperatury betonu, i na tej podstawie oblicza się t

ciepło hydratacji Q zgodnie z zależnością Q_T(t) = J W_T (T)dr.

PL 206 057 B1

Sposób badania dojrzałości betonu w konstrukcji budowlanej według wynalazku polega na przeprowadzeniu kalorymetrycznych badań skalujących materiał i pomiarów temperatury betonu dojrzewającego w konstrukcji pozwalających na ustalenie całej historii temperatury dojrzewającego betonu. Znajomość wyników skalujących badań kalorymetrycznych i historii temperatury pozwala na obliczenie ciepła hydratacji dla dowolnego przebiegu temperatur. Ciepło to jest miarą dojrzałości betonu, a jego stosunek do całkowitego ciepł a hydratacji stanowić moż e wskaź nik dojrzał o ś ci.

Sposób według wynalazku jest bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, którego fig. 1 przedstawia przykładowy wynik badań kalorymetrycznych, fig. 2 przedstawia wynik pomiaru temperatury w 7 różnych punktach dojrzewającej konstrukcji betonowej, a fig. 3 przedstawia wyniki obliczeń ciepła dla 7 różnych punktów dojrzewającej konstrukcji betonowej.

Kalorymetryczne badania skalujące przeprowadza się w warunkach izotermicznych w sposób pozwalający na określenie funkcji źródeł, tj. gęstości mocy ciepła hydratacji WT(t) w całym analizowanym zakresie temperatur T i czasu t. W praktyce sprowadza się to do izotermicznych badań kalorymetrycznych dla temperatur zmieniających się np. co 5 stopni Celsjusza w zakresie od 0 do 50 stopni Celsjusza i zastosowaniu interpolacji dla temperatur pośrednich. Badania kalorymetryczne dla danego betonu można przeprowadzić z pominięciem tych składników, które nie biorą udziału w zachodzących reakcjach (hydratacji), ani nie mają wpływu na ich szybkość. Zwykle badania te przeprowadza się na mieszaninie cement + woda + domieszki z pominięciem kruszywa. Przykładowy wynik opisanych badań kalorymetrycznych przedstawia fig. 1.

Znajomość funkcji WT(t) dla ustalonej temperatury T pozwala na znalezienie funkcji ciepła hydratacji QT(t), gdyż obie funkcje związane są zależnością t

QtV) = J W_T (TT.

Pomiary temperatury betonu w konstrukcji można przeprowadzić dowolnym czujnikiem temperatury, który musi być umieszczony w konstrukcji przed ułożeniem betonu tak, aby można było zarejestrować rzeczywiste zmiany temperatury betonu T(t) poczynając od jego ułożenia. Przykładowy wynik pomiaru temperatury w 7 różnych punktach dojrzewającej konstrukcji betonowej przedstawia fig. 2.

Jeśli wyniki pomiarów będą w czasie rzeczywistym przekazywane do obliczeń, wówczas na bieżąco można obliczać rozwój dojrzałości betonu, a w konsekwencji na bieżąco obserwować narastanie jego wytrzymałości i zmianę innych własności.

Obliczanie ciepła hydratacji Q(t) dla betonu ułożonego w konstrukcji przeprowadza się rozwiązując układ równań f ^Λ

W(t) = _JWT(t)(tT(t)(Q(t))dt, t

Q(t) = _J W(t)dt

We wzorach tych W(t) oznacza funkcję źródeł, według której wydziela się ciepło w konstrukcji Λ przy rzeczywistym przebiegu temperatury T(t), a tT(t) oznacza tzw. czas sprowadzony dla temperatury T(t), czyli czas, jaki jest niezbędny dla wydzielenia ciepła Q(t) w badaniu izotermicznym przy temperaturze T.

Przykładowe wyniki obliczeń ciepła dla 7 różnych punktów dojrzewającej konstrukcji betonowej ukazuje fig. 3. Wyniki zostały uzyskane na podstawie funkcji źródeł przedstawionej na fig. 1 i historii temperatury w analizowanych punktach przedstawionej na fig. 2.

Ustalenie wytrzymałości betonu dojrzewającego w konstrukcji wymaga wyprzedzających skalujących badań wytrzymałościowych. Badania te powinny być przeprowadzone dla betonu w jednej ustalonej temperaturze T0 dla całego interesującego okresu analizy. W wyniku tych badań należy ustalić funkcję rozwoju wytrzymałości betonu w temperaturze T₀ - R_To(t). Na podstawie tej funkcji oraz funkcji ciepła hydratacji QTo(t) dla tej samej temperatury T0 ustala się zależność wytrzymałości od ciepła

R = R(Q),

PL 206 057 B1 która jest niezależna od zmian temperatury - ciepło hydratacji jest miarą dojrzałości betonu. Z zależności tej wyznacza się wytrzymałość betonu.

Ustalanie każdej innej cechy betonu odbywa się analogicznie na podstawie wcześniejszych badań skalujących dla danej cechy.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób badania dojrzałości betonu w konstrukcji budowlanej obejmujący pomiar jego temperatury w funkcji czasu, znamienny tym, że przeprowadza się skalujące izotermiczne badania kalorymetryczne dla danego betonu wyznaczając gęstość mocy ciepła hydratacji WT(t) w analizowanym zakresie temperatur T i czasu t oraz dokonuje się pomiarów temperatury betonu dojrzewającego w konstrukcji, którą określa się na podstawie odczytów z czujników temperatury umieszczonych w konstrukcji przed ułożeniem mieszanki betonowej ustalając całą historię temperatury betonu, i na tej podstawie t

   oblicza się ciepło hydratacji Q z zależnością Q_T(t) = J W_T (T)dr.