Harjoitus 7 Kovettuvan betonin lämmönkehityksen arvioiminen, kuumabetonin suhteitus, betonirakenteen kuivuminen ja päällystettävyys
Kovetuvan betonin lämpötilan kehityksen laskenta Alkulämpötila Hydrataatiolämpö Lämmitys Lämmön haihtuminen
Sillanrakennustöiden yleisen työselityksen mukaan kovettuvan betonin lämpötila ei saa ylittää 50 C, lämpötilan nousu 25 C ja lämpötilaero rakenteen eri osien välillä saa olla korkeintaan 20 C. Tehtyjen kokeiden ja laskelmien perusteella voidaan tehdä yleisiä johtopäätöksiä em. rajojen suhteen sementin ollessa normaalisti kovettuvaa: 50 C ei yleensä ylitetä, jos massan lämpötila on 20, sementtimäärä 350 kg/m 3 ja paksuus 0,9 m 50 C ylitetään yleensä aina, jos massan lämpötila on 20 C sementtimäärä 400 kg/m 3 ja paksuus 1,2 m
25 C lämpötilannousu ylitetään yleensä aina, kun sementtimäärä on 350 kg/m 3, paksuus 1,0 m ja ulkolämpötila 0 C Yleensä lämpötilannousulle asetettu raja on n. 5 C rankempi kuin maksimilämpötilalle asetettu 50 C raja 20 C rakenteen eri osien välisenä lämpötilaerona ylitetään yleensä aina ulkolämpötilan laskiessa keskimäärin alle 5 C suojauksen ollessa suojapeite.
Alhaislämpösementtejä käytettäessä maksimilämpötila ei yleensä ylitä 50 C eikä lämpötilannousu 25 C, jos sementtimäärä on alle 400 kg/m 3 ja paksuus 1,5 m. Alhaislämpösementtien käyttöä rajoittaa lähinnä niiden hidas lujuudenkehitys. Pyrittäessä arvioimaan karkeasti hyrataatiossa tapahtuvaa lämpötilannousua ja syntyviä maksimilämpötiloja voidaan tällöin käyttää Aikaisempia mittaustuloksia Laskea nk. adiabaattista tilaa vastaava lämpötilannousu
Kovettuvan betonin lämpötilaan voidaan vaikuttaa alentamalla betonimassan alkulämpötilaa. Betonimassan lämpötila määräytyy osa-aineiden lämpötiloista likimäärin seuraavan kaavan mukaan: T = T m c + T m c + T m c m c +m c + m c Veden ominaislämpö on 4,2 kj/kg C ja runkoaineen ja sementin noin 0,8 0,9 kj/kg C. Eli veden ominaislämpö on noin 5 kertainen muihin osa-aineisiin verrattuna! T T m + T m + T m 5 m +m + m 5
Betonin lämpötilan nousuun vaikuttavat eniten betonimassan sementtimäärä ja käytetyn sementin lämmönkehitys. Betonin koostumuksen valinnassa voidaan sementtimäärää pienentää seuraavilla toimenpiteillä Käyttämällä vedentarvetta vähentäviä lisäaineita Pyrkimällä olosuhteista riippuen mahdollisimman jäykän massan käyttöön Suurentamalla maksimiraekokoa Käyttämällä rakeisuudeltaan edullista runkoainesta Käyttämällä alhaislämpösementtiä voidaan oleellisesti vähentää kovettuvan rakenteen lämpötilan nousua. Suurin hyöty saadaan, jos lujuuden arvosteluikä voi olla 90 vrk.
Kaavan avulla voidaan todeta, että kukin seuraavista toimenpiteistä alentaa betonimassan lämpötilaa noin 1 C verran: Sementin lämpötilaa lasketaan 10 C Kiviaineksen lämpötilaa lasketaan 1,6 C Veden lämpötilaa lasketaan 3,6 C Vedestä korvataan jäähileellä 6kg/m 3 Käytännössä voidaan yllämainituilla osa-aineisiin kohdistuvilla toimenpiteillä alentaa betonimassan lämpötilaa seuraavasti: Kuuman sementin välttäminen 2 3 C Kiviaineksen suojaus ja jähdytys 5 10 C Veden jäähdytys 3..6 C Jäähileen käyttö 5 15 C
Betonin lämpötila kovettuessa T = T + C c W+ A W V c k A V c T T t ALKULÄMPÖTILA HYDRATAATIOLÄMPÖ ULKOINEN LÄMMITYS JÄÄHTYMINEN missä, T b = betonin keskimääräinen lämpötila ( C) T bo = betonin alkulämpötila ( C) C = sementtimäärä (kg/m 3 ) c b = betonin ominaislämpökapasiteetti (kj/kg C ) b = betonin tiheys (kg/m 3 ) W = hydrataatiolämpö aikavälillä 0-t (kj/kg sementtiä) A 1 = betonin lämmitettävä pinta-ala (m 2 ) A 2 = betonin jäähtyvä pinta-ala (m 2 ) V = lämmitettävän rakenteen tilavuus (m 3 ) W u = lämmityksen yhteydessä betoniin tuotu ulkoinen energia (kj/m 2 ) k t = pinnan A2 lämmönsiirtymiskerroin laskentahetkellä (W/ C m 2 ) T u = ulkoilman lämpötila ( C) t = aikaväli, joka valitaan lämpötilan muutosnopeuden mukaan (h)
Tehtävien 1 ja 2 ratkaisut laskuharjoituksissa Excelillä.
Tehtävä 3 Suhteita kuumabetonina (+ 50 C) betoni, jonka koostumus on seuraava: sementti 325 kg/m 3 vesi 188 kg/m 3 runkoaine 1835 kg/m 3
Kokemusperäisesti tiedetään, että 50 C betonimassa on 1-2 notkeusluokkaa jäykempää kuin sama suhteitusseos 20 C:ssa. Suhteitusnomogrammin mukaan yhden notkeusluokan muutos vastaa noin 10 kg/m 3 vettä. Tällöin lämpötilan muutos edellyttää 15 kg/m 3 enemmän vettä.
Suhteitus on siis VESI 188 + 15 = 203 kg/m 3 Uusi sementtimäärä saadaan nomogrammista, kun lujuus pysyy samana
Betonimassan lämpötila voidaan laskea likimääräisellä kaavalla T T m + T m + T m 5 m +m + m 5 (tai käyttää tarkempaa kaavaa T = )
Valitaan lämpötilat m (kg) T ( C) T*m SEMENTTI 348 20 6960 RUNKOAINE 1775 55 97625 VESI runkoaineesta 74,55 55 4100,25 VESI lisättävä 128,45 65 8349,25 Tb = 6960 + 97625+5*(4100,25+8349,25) 348 + 1775 + 203*5 53 C OK
Tavanomainen betonirakenne kuivuu hitaasti Kun rakenteen korkeus on 100 mm ja se pääsee kuivumaan molempiin suuntiin, puolet rakennekosteudesta poistuu 3... 12 kk aikana (riippuen rakenteen tiiveydestä) Kuivumisaika on nelinkertainen kun rakennepaksuus kaksinkertaistuu Kuivumisaika on nelinkertainen kun rakenne kuivuu vain yhteen suuntaan Lämpötilan nosto +20 C +50 C nopeuttaa kuivumista 2... 4 kertaisesti. Samalla on huolehdittava, että ympäröivän ilman suhteellinen kosteus on riittävän alhainen Betonin koostumuksella voidaan kuivumista nopeuttaa 2 10 kertaiseksi Erityisen haitallista kuivumisen kannalta on betoniin valun jälkeen päässyt ylimääräinen vesi
Periaatepiirros eri lujuusluokkiin kuuluvien betonien tasapainokosteudesta. Käyrän muotoon ja sijaintiin vaikuttavat muutkin tekijät kuin lujuus. Julkaisusta by 45 / BLY 7 Betonilattiat 2002 sivulta 140
Julkaisusta by 45 / BLY 7 Betonilattiat 2002 sivulta 140
Julkaisusta by 45 / BLY 7 Betonilattiat 2002 sivulta 141
Tehtävä 4 Lattiapäällysteeksi halutaan muovilaatat. Kuinka pitkä aika tulee kulua valusta, jotta lattia voidaan päällystää (arvio)? Rakenne, olosuhteet sekä betonimassan ominaisuudet ovat seuraavat: betonilaatta, paksuus 80 mm, lujuus K30 laatan alla 50 mm solumuovia, muovikelmu ja sora laattaa ei kastella, jälkihoito muovikalvolla kahden viikon ajan kuivumisaikana lämpötilaksi arvioidaan + 16 C ja suhteelliseksi kosteudeksi 60% betonin koostumus: suurin raekoko 8 mm, sideaine 50 CEM II A 42,5 R ja 50 % masuunikuonaa, notkeus 1...2 svb
= betoniin poratun reiän ilman suhteellinen kosteus!!! Julkaisusta by 45 / BLY 7 Betonilattiat 2002 sivulta 132
Taulukon 4.9 avulla voidaan arvioida tarvittavaa kuivatusaikaa. Eri tekijöiden kertoimet 1. Betoni huokostamaton (1,0), K30 (1,0) 2. Betonin ikä kuivausta aloitettaessa 2 vko, laatan paksuus 80mm eli alle 150 (0,8) 3. Kuivumisolosuhteet 60 % (1,2) ja lämpötila 16 C, eli 20 C ja 10 C välissä (noin 1,2) 4. Laatan paksuus 80 mm (0,7) 5. Alapuolisen lämmöneristeen vaikutus 50 mm solumuovi (1,0) 6. Betonin koostumuksen vaikutus: Suurin raekoko 8mm (1,0) Sideaine (1,0) Notkeus (1,2)
Aika valusta 14 + (1*0,8*1,2*1,2*0,7*1,0*1,0*1,2)*60 = 14 + 0,97*60 = 72 vrk 2,5 kk!
Entä jos haluttaisiin mosaiikkiparketti? (maksimikosteus taulukon mukaan 80 %) Kokemusperäisesti tiedetään, että betonin kuivuminen RH 80 % kestää 2..4 kertaisesti 90 %:n suhteelliseen kosteuteen verrattuna, joten kuivatus tulisi kestämään vastaavissa oloissa noin 4 8 kk!
Kuinka kuivatusaikaa voitaisiin lyhentää? Betonin koostumuksella betonimassan huokostus 8 10 %:iin vesi-sementtisuhteen pienentäminen kiviaineksen mahdollisimman suuren maksimiraekoon käyttö Työmenetelmin imubetonointimenetelmän käytöllä estämällä rakenteiden kastuminen Itse kuivatusta voidaan tehostaa huonetilan suhteellisen kosteuden laskeminen alle 50 % joko tuuletuksella tai koneellista kuivainta käyttäen ja lämpötilan nosto. Betonin lämmittäminen on yleensä tehokkaampaa kuin betonia ympäröivän ilman lämmittäminen lattiapinnan hionta