A beton korai szilárdságának meghatározása kötéshő mérésével Vigh Botond A-HÍD Zrt. Velence, 2018.03.28
1. ELŐZMÉNYEK A mérés alapelve a cement hidratációja során felszabaduló hidratációs hő mérése és folyamatos összegzése. A keletkező hőmennyiség az idő hőmérséklet diagram alatti terület. Ebből kell meghatározni a beton szilárdságát. Hazánkban a beton korai szilárdságának megállapítása a kizsaluzás vagy a feszítési munka megkezdéséhez tájékoztató próbatestek szilárdságvizsgálatával történik. A próbatestek tárolása 20 C hőmérsékleten vagy a szerkezet mellett történik, a szerkezetben esetenként létrejövő mintegy 50-70 C hőmérséklettel szemben. Esély sincs a szerkezet tényleges szilárdságának megállapítására.
A tájékoztató vizsgálatokat Schmidt kalapáccsal párhuzamosan elvégezve a próbatesteken illetve szerkezeten beigazolódott, hogy jelentős szilárdságkülönbség van a szerkezet és a próbatestek szilárdsága között. A nehézség az vizsgálat elvégzése ill. elfogadtatása. (e-út, Mérnök) A zsaluzat levételéhez pl. az előírt 24 N/mm 2 értéket a próbatestek vizsgálatával csak több napos korban lehet kimutatni. A valóságban már másnap minden kivitelező nekiállna a zsaluzat bontásának. A franciáknál a tájékoztató próbatestek törése helyett a szerkezetben kialakuló kötéshőt mérik a korai szilárdság meghatározásához.
A francia tulajdonosunk kérésére 2001-ben megvásároltuk az M-3056 típúsú James M. Meter féle kötéshő mérő berendezést. A berendezés üzembe helyezése a cégnél bekövetkezett tulajdonos váltás miatt meghiúsult, mert az alkalmazásával kapcsolatban kevés információval rendelkeztünk.
A Megyeri-híd pilonjainak építésekor merült fel a berendezés beüzemelése (nem működött). Így csak a kialakult hőmérsékleteket tudtuk detektálni. A berendezést használtuk a Fővám téri metrómegálló nagytömegű alaptestjeiben kialakuló hőmérsékletek mérésére, illetve az alagút Duna alatti szakaszának fagyasztásos eljárással végzett munkáinál. A berendezést a beton korai szilárdságának meghatározására először és eddig utoljára a diplomamunkám készítésekor használtam.
2. A HŐFEJLŐDÉST BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK A cement jellegű anyagok hidratációja számos exoterm kémiai reakcióval együtt járó, bonyolult folyamat. A hidratációs hő jellemzői egyediek minden egyes betonkeverékre nézve az egyes környezeti feltételek mellett. A hidratációs folyamat egyben közvetlenül befolyásolja a beton bedolgozhatóságát, kötés közbeni viselkedését, a szilárdság fokozódásának ütemét és a pórus-szerkezet kifejlődését. A cement jellegű anyagok hidratációját több tényező befolyásolhatja. E tényezők közé tartozik a cement típusa, szulfát-tartalma, szemcsefinomsága, víz/cement tényezője, érlelési és kezdeti hőmérséklete, a kiegészítő cement jellegű anyagok mennyisége és a kémiai adalékszerek.
3. A VIZSGÁLATI MÓDSZER LEÍRÁSA A vizsgálati módszert az ASTM C1074 jelzetű, Szabványos gyakorlati megoldás betonszilárdság becslésére, érleltség vizsgálati módszerrel című szabvány írja le. 3.1 A kezdeti hőmérséklet, illetve aktiválási energia meghatározása 3.2 Eljárás a szilárdság/érleltség viszony megállapítására Hőmérséklet-naplózó műszerek használata esetén az érleltségi mutatószámot a (3/1), és a (3/2) egyenlet használatával kell kiszámítani.
ahol: M(t) = (T a T 0 ) t (3/1) M(t)= a t időpontban, adott fok-napokban, vagy fokórákban vett hőmérséklet/idő tényező (óra C vagy nap C ) Δt= időtartam (napokban, vagy órákban kifejezve) T a = a beton átlagos hőmérséklete a Δt időtartam során ( C) és T 0 = kiindulási hőmérséklet ( C )
ahol: A beton korai szilárdságának meghatározása kötéshő mérésével t e = e -Q(1/Ta 1/Ts) t (3/2) t e = egyenértékű kor, egy meghatározott T s hőmérséklet esetén (napok, vagy órák) Q= a gázkonstanssal (K) elosztott aktiválási energia T a = a beton átlagos hőmérséklete az időtartam során, Δt, K és T s = előírt hőmérséklet, K és Δt= időtartam (napokban, vagy órákban kifejezve) Ábrázolni kell az átlagos nyomószilárdság értékeit, az érleltségi mutatószám átlagos értékei függvényében. Meg kell határozni az adatpontokhoz legjobban illeszkedő regressziós görbét. Az így adódó görbe azt a szilárdság/érleltség viszonyt jelzi, amit az eltérő hőmérsékleti feltételek mellett érlelt betonkeverék szilárdságának becslésére fel kell használni.
4. A KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ISMERTETÉSE 4.1 Az aktiválási energia meghatározása Elkészítettem a C40/50-16/K-f50-vz5 jelű betonkeverék összetételével megegyező habarcs-keveréket úgy, hogy a 4-8 és 8-16 frakciókat a 0-4 frakcióval helyettesítettem.
A keverékből 45 db 70 mm élhosszúságú habarcs-kockát, valamint 15 db 40 x 40 x 160 mm méretű próbatestet készítettem. A kockákból 15-15 db-ot, a hasábokból 5-5 db-ot a 10, 20 és 36 C-os vízfürdőben tároltam a vizsgálatukig. A vizsgálatokat 2, 4, 8, 16 és 32 napos korukban végeztem el mind a három hőmérsékleten tárolt próbatesteken. A kockák szilárdságát alkalmanként 3-3 db próbatesten az MSZ 4715-4:1987 szabvány szerint, a hasábokét 2-2 félhasábon vizsgáltam az MSZ EN 196-1:2005 szabvány szerint.
A 70 mm élhosszúságú habarcs-kockák vizsgálati eredményei: A 40 x 40 x 160 mm méretű próbatestek vizsgálati eredményei:
A szilárdság kialakulásának reakciósebessége (1/nap): k 10 C = 0,1717; k 20 C = 0,4061; k 36 C = 1,178
Kiindulási hőmérséklet: T 0 = 7 C
-tgα = Q = 6443,9 Az aktiválási energia = Q * K= 53484 J/mol (54000 J/mol)
4.2. A szilárdság - érleltség viszony megállapítása A HOLCIM Zrt. Dunaharaszti Betongyárában megkevert C40/50-16/K-f50-vz5 jelű betonkeverékből vettem a vizsgálatokhoz szükséges mintát, amelyből 15 db 150 x 150 x 150 mm oldalhosszúságú próbatestet készítettem. Két mintadarab esetében hőmérsékletérzékelőket ágyaztam be a próbadarab közepétől számított ±15 mm-en belül. Az érzékelőket a bedolgozást követően azonnal összekapcsoltam az érleltségvizsgáló műszerrel. A mintadarabokat műanyag zsákokban, hőszigetelő üveggyapottal körültekerve tároltam a vizsgálatukig mintegy féladiabatikus környezetben.
A nyomószilárdsági vizsgálatokat az 1., 3., 7., 14. és 28. napon végeztem el a szabványban leírtaknak megfelelően:
A próbatestekben mért hőmérsékletek, a kiindulási hőmérséklet és az aktiválási energia értékének felhasználásával kiszámítható a nyomószilárdság és a hőmérséklet/idő tényező között fennálló viszony. t e = e -Q(1/Ta 1/Ts) t t = 1 óra T a = T + 273 ⁰C T s = 20 ⁰C = 293 ⁰K Q = 6443,9 T 0 = 7 ⁰C (Q és T 0 a hasábok vizsgálati eredményei alapján)
A hőmérséklet/idő tényező értékének meghatározása a hasábok vizsgálati eredményeiből:
A nyomószilárdság és az egyenértékű érleltségi kor között 20 C-nál fennálló viszony:
4.3 Helyszíni vizsgálat A helyszíni vizsgálatot a HOLCIM Hungária Zrt. Dunaharaszti betongyárában végeztük. A kiválasztott C40/50-16/K-f50-vz5 jelű betonkeverékkel egy az akkor kifejlesztett ILLEGO elemet készítettünk. Az 1,5 m3 térfogatú 200 x 75 x 100 cm méretű elembe az elem középpontjába illetve a szélére elhelyezett érzékelők a szerkezetben keletkező hőmérsékleteket illetve a 20ºC-ra számított egyenértékű kort rögzítették, valamint külön érzékelő rögzítette a levegő illetve a szerkezet mellett tárolt próbatest hőmérsékletét és egyenértékű korát 5 napon keresztül.
A napsütés hatására történő melegedés már a második nap végén befolyásolta a kötéshő által felmelegedett szerkezet lehűlését. A harmadik napon a délutáni esős idő miatt a szerkezet hűlése újramelegedés nélkül folytatódott, majd a negyedik naptól már a környezeti hőmérséklet alakította a szerkezet hőmérsékletét. A próbatestbe helyezett érzékelő adatai a vizsgálat elejétől a környezeti hőmérséklet ingadozását követte. A hőmérséklet és az egyenértékű kor mérésével egyidejűleg 1, 2, 3, 4, illetve 5 napos korban a szerkezet betonozásával egyidejűleg készített próbatestek szilárdságát is megvizsgáltam.
A mért szilárdsági adatok és a leolvasott egyenértékű kor adatai (óra):
A próbatestek szilárdsági adatait a leolvasott egyenértékű kor adataival (nap) összevetve, az alábbi összefüggés kapható:
Az egyenlet és a leolvasott egyenértékű kor adatainak a felhasználásával számítható a szerkezet szilárdsága:
A szerkezet és a kockaszilárdság számított értékei:
A szerkezet szilárdsága a 4.2 fejezetben ismertetett y = 15,122*ln(x) + 9,6655 egyenlettel kiszámítva (habarcs):
5. ÖSSZEFOGLALÁS Az M-3056 típusú James M. Meter féle kötéshő mérő berendezéssel végzett kísérlet célja az volt, hogy a berendezés által kimutatott egyenértékű kor alapján meghatározható legyen a szerkezet korai szilárdsága. A kialakuló szilárdság nagymértékben függ a szerkezetben bekövetkező hőfejlődéstől, amelyet a szerkezet mellett tárolt próbatestek vizsgálatakor figyelmen kívül hagyunk. A betonban fejlődő kötéshő alapvetően az alkalmazott cement fajtájától függ, ezért mindenképpen szükséges a vizsgálni kívánt cementre illetve betonkeverékre vonatkozó aktiválási energia meghatározása (4.1 fejezet).
Célszerű a mért kötéshőből számított szilárdságokat a szerkezettel együtt készített és tárolt próbatestek szilárdsági adataiból származtatni. A helyszíni vizsgálat igazolta, hogy a vizsgált próbatestekben és a szerkezetben kialakuló szilárdságok között lényeges különbség van. Az alkalmazott módszerrel a szerkezet korai szilárdságát pontosabban lehet megbecsülni. Nyomószilárdsági adatok nélkül egyelőre nem alkalmazható. További kísérletek szükségesek ahhoz, hogy a szerkezet korai szilárdságát a kötéshő mérésével számíthassuk.
. V É G E Köszönöm megtisztelő figyelmüket.