Vplyv hydratačného tepla na základové dosky

Meranie teploty od hydratačného tepla sa uskutočnilo na základovej doske budúcej lisovne, ktorá sa v súčasnosti rea­lizuje v procese rozširovania závodu Volkswagen Slovakia v Bratislave. Nárast teploty je spôsobený predovšetkým uvoľňovaním hydratačného tepla v procese hydratácie cementu.

Meranie sa vykonalo na základovej doske s hrúbkou 3 m a pôdorysnými rozmermi 34 × 10,6 m, ktorá tvorí jeden dilatačný úsek. Zhotovovateľom stavebných prác bola spoločnosť ZIPP, s. r. o. Objem uloženého betónu bol 1 080 m3, pričom betón sa postupne ukladal v siedmich vrstvách. S betonážou základovej dosky sa začalo 11. 4. 2012 o 19.00 hod. a skončilo sa 12. 4. 2012 o 16.00 hod. Celková betonáž trvala 21 hodín.

Merania teploty betónovej konštrukcie trvali až do 17. 4. 2012. Poveternostné vplyvy počas betonáže a prvých dní po betonáži boli pomerne priaznivé.

Základová doska je navrhnutá podľa princípu bielej vane (obr. 1). Biele vane sú betónové konštrukcie, v prípade ktorých funkciu hydroizolácie zabezpečuje svojou vodonepriepustnosťou betón spolu s utesnením všetkých priestupov, dilatácií a pracovných škár. Ak sú konštrukcie chránené povrchovými hydroizoláciami na báze bitúmenov alebo PVC ide o takzvané čierne vane. Základným predpokladom na zabezpečenie vodonepriepustnosti betónových konštrukcií je navrhnúť konštrukciu bielej vane tak, aby trhliny nevznikli vôbec, respektíve vznikali iba s obmedzenou šírkou v závislosti od veľkosti hydrostatického tlaku vody. Trhliny v betónových konštrukciách vznikajú vtedy, keď ťahové napätie prekročí aktuálnu pevnosť betónu v ťahu.
Z časového hľadiska ide o [1]:

• skoré trhliny, ktoré vznikajú v prvých hodinách, dňoch po betonáži v dôsledku ochladzovania betónu po dosiahnutí maximálnej teploty od hydratačného tepla;
• neskoré trhliny, ktoré vznikajú, respektíve zväčšujú svoju šírku po priťažení konštrukcie bielej vane priamym zaťažením a/alebo počas prvej zimy po betonáži.

Meranie teploty na betónových konštrukciách má viacero významov. Teplotné zaťaženie, ktoré je spôsobené predovšetkým uvoľňovaním hydratačného tepla a následným chladnutím konštrukcie, je jedným z hlavných fenoménov vplývajúcich na vznik a rozvoj skorých trhlín v ranom štádiu tuhnutia betónu. Zvyšovanie teploty cementu, respektíve betónu pri hydratácií môže urýchliť hydratáciu, spôsobuje však vznik hrubších kryštálov v štruktúre cementového tmelu a tým znižuje výslednú pevnosť cementovej matrice v dôsledku menších spojení medzi týmito kryštálmi. V štruktúre zároveň vznikajú ťahové napätia v dôsledku veľkých teplotných gradientov a rozpínania vlhkého vzduchu v póroch, preto sa pri hydratácií neodporúča teplota vyššia ako 60 °C [2]. Cieľom merania bolo teda predovšetkým:

• zistiť maximálnu teplotu betónu na verifikáciu predpokladov o teplotnom zaťažení, s ktorými sa počítalo pri návrhu konštrukcie, a na zabezpečenie toho, aby maximálna teplota nepresiahla 60 °C, pretože v opačnom prípade by sa mohla narušiť štruktúra betónu;
• kontrolovať maximálne teplotné gradienty po výške prvku, ktoré sú spôsobené nerovnomerným nárastom teploty a nerovnomerným chladnutím betónovej konštrukcie dosky. Teplotný gradient vyvolá v konštrukcii dosky samorovnovážny stav napätosti. Pri nadmernom teplotnom gradiente vznikajú na doske čiastočné a povrchové trhliny;
• realizovať ďalšie experimentálne meranie vývoja teplôt v betónovej konštrukcii v reálnych podmienkach ako podklad na neskoršiu termálnu analýzu.

Priebeh teploty v betónovej konštrukcii
Teplota po hrúbke prvku sa merala na piatich úrovniach s cieľom zmerať vývoj teplôt čo najpresnejšie. Na meranie teploty sa použili termočlánky (typ K) a datalogger (Pico T-08) napojený na počítač (obr. 2). Teploty v jednotlivých meraných bodoch sa odčítali každú hodinu počas šiestich dní.

Obr. 2 Ddatalogger PICO T-08 a termočlánok (typ K)	Obr. 3 Meteostanica TFA-NEXUS

Meranie klimatických vplyvov
Poveternostné podmienky majú v danom prípade vplyv predovšetkým na vývoj teploty v povrchových vrstvách betónovej dosky a výrazne ovplyvňujú veľkosť teplotného gradientu po výške dosky. Na merania poveternostných vplyvov sa použila profesionálna meteorologická stanica TFA-NEXUS (obr. 3) a solarimeter KIMO SL-200. V rámci poveternostných vplyvov sa namerali tieto veličiny:

• intenzita slnečnej radiácie (solarimeter),
• rýchlosť vetra (anemometer),
• relatívna vlhkosť vzduchu (vlhkomer),
• teplota vonkajšieho vzduchu (teplomer),
• intenzita zrážok (zrážkomer).

Opis realizácie merania
Vzhľadom na nutnosť chrániť meracie prístroje pred poveternostnými vplyvmi sa zostrojila ochranná skrinka. V skrinke boli počas merania umiestené tieto prístroje:

• datalogger (napojený na počítač),
• meteostanica (napojená na počítač),
• solarimeter (napojený na počítač),
• modem na zabezpečenie internetového signálu a prenosu dát,
• notebook napojený na internet na automatický prístup k meraným dátam.

Na obr. 4 vidieť schému zapojenia jednotlivých prístrojov. Schéma znázorňuje aj diaľkový prenos nameraných dát do centrálneho počítača. Na obr. 5 vidieť kompletne zapojené prístroje počas prebiehajúceho merania.

Obr. 4 Schéma zapojenia
1 – betónová konštrukcia, 2 – termočlánok, 3 – datalogger, 4 – minilaptop, 5 – anemometer, 6 – teplomer a vlhkomer, 7 – zrážkomer, 8 – meteostanica, 9 – solarimeter, 10 – modem, 11 – centrálny počítač

Výsledky merania
Na zhotovenie základovej konštrukcie sa použila špeciálna receptúra betónu. Teoretická maximálna teplota vypočítaná na základe údajov o zložení betónu a údajov o použitom cemente, získaných z laboratórnych meraní, bola 57 °C [4]. Maximálna teplota sa očakávala v čase 4,1 dňa od začiatku betonáže, a to v strede prvku. Skutočná nameraná maximálna teplota bola 55,7 °C, nameraná vo výške 0,7 m od spodného povrchu dosky v čase 4,5 dňa od začiatku betonáže. Maximálna hodnota teplotného gradientu (rozdiel teplôt medzi najteplejším a najchladnejším miestom po hrúbke prvku v rovnakom čase) bola na úrovni 24,6 K (obr. 6).
Pomerne veľký teplotný gradient zapríčinila predovšetkým vysoká teplota v jadre prvku a nízka teplota počas chladných nocí v období po betonáži, keď teplota vonkajšieho vzduchu nad ránom poklesla na 4 °C a spôsobovala výrazne nerovnomerné chladnutie prvku. Porovnávané teoretické a skutočné výsledky teda vykázali pomerne dobrú zhodu.

K priaznivým výsledkom merania prispela v najväčšej miere predovšetkým vhodne zvolená receptúra betónu. V prípade, že by sa použila bežná receptúra na triedu betónu C30/37, napríklad s použitím 370 kg/m³ cementu triedy CEM I 42,5 R, maximálna teplota dosky by s najväčšou pravdepodobnosťou presiahla 85 °C.

Obr. 6 Graf vývoja nameraných teplôt

Nemalý vplyv na priaznivé výsledky merania malo aj vhodné načasovanie betonáže z hľadiska ročného obdobia a s tým súvisiace poveternostné podmienky. Poveternostné podmienky majú veľký vplyv taktiež na teplotu čerstvého transportbetónu dodávaného na stavbu, keďže zložky obsiahnuté v betóne najväčšou mierou sú v betonárni bežne vystavené vonkajšej teplote. V danom prípade priemerná teplota čerstvého transportbetónu nameraná na stavbe bola 15 °C. Pri betonáži v lete a teplote čerstvého betónu 30 °C by maximálna teplota v betónovej konštrukcii mohla presiahnuť dokonca 100 °C.

Záver
Detailná príprava zloženia betónu, príprava betonárne a stavby podľa aktuálnych poveternostných podmienok sú rozhodujúce faktory vplývajúce na vývoj teplôt v betónovej konštrukcii. Merania na piatich úrovniach po výške prvku ukázali pomerne dobrú zhodu s teoretickými predpokladmi o maximálnej dosiahnutej teplote v konštrukcii. Vhodne navrhnutá zmes betónu, vhodne načasovaná betonáž a následné ošetrovanie spoločne s tepelnou ochranou konštrukcie zabezpečili v danom prípade dostatočnú ochranu pred tvorbou skorých trhlín, ktoré by mohli byť spôsobené teplotnými gradientmi po hrúbke základovej dosky, respektíve v rámci jej pôdorysu. Na základe výsledkov laboratórnych skúšok o vývoji uvoľňovania hydratačného tepla použitého cementu je pri takýchto masívnych betónových prvkoch možné pomerne presne predpokladať priebeh maximálnych teplôt v jadre. Na určenie teplotného gradientu však treba použiť už sofistikovanejšie metódy, napríklad vhodný softvér na termálnu analýzu betónovej konštrukcie. Do výpočtu vstupuje viacero faktorov, pričom treba vhodne odhadnúť poveternostné vplyvy a  vhodným spôsobom zohľadniť vplyv podložia i tepelnej ochrany konštrukcie (geotextília, polystyrén, respektíve iná tepelná izolácia).

V procese výstavby lisovne sa podobným spôsobom merali teploty aj na ďalších základových konštrukciách s hrúbkou 1 až 3 m. V súčasnosti prebiehajú merania teplôt na betónových konštrukciách na stavbe Petržalka City. Namerané údaje budú slúžiť na verifikáciu výpočtových postupov na stanovenie teplotného zaťaženia na reál­nych betónových konštrukciách, ktoré je spôsobené predovšetkým uvoľnením hydratačného tepla a následným chladnutím konštrukcie. Na základe spomenutých výpočtov bude možné optimalizovať postup zhotovenia konštrukcie z hľadiska zloženia betónu, vhodného načasovania betonáže, ošetrovania a tepelnej ochrany konštrukcie tak, aby výsledkom bola hospodárne navrhnutá konštrukcia, ktorá spĺňa požadované kvalitatívne parametre.

TEXT: Ing. Miroslav Ignačák , doc. Ing. Július Šoltész, PhD.
obrázky a FOTO: archív autorov

Ing. Miroslav Ignačák pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Doc. Ing. Július Šoltész, PhD., pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Poďakovanie
Príspevok vznikol s podporou výskumného projektu VEGA č. 1/0306/09 Aplikácia pravdepodobnostných metód na obnovenie spoľahlivosti betónových stavieb.

Literatúra
1.    Smernica pre vodonepriepustné betónové konštrukcie – biele vane. Bratislava: SKSI, 2012.
2.    Breugel, K.: Numerical Simulation of Hydration and Microstructural Development in Hardening Cement-based Materials (II). Aplications. Pergamon. In: Cement and Concrete Research, vol. 25, no. 2, 1995, p. 530.
3.    STN EN 73 1210: 2006: Vodotesný betón a betón osobitných vlastností.
4.    Stanovenie hydratačného tepla cementov. Záverečný protokol. Brno: VUSTAH, 2012, s. 6.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.