החשיבות של מדידת טמפרטורת הבטון
החשיבות של מדידת טמפרטורת הבטון בתנאי מזג אוויר קשים
החום המופק מבטון במהלך האשפרה נקרא חום הידרציה. תגובה אקזותרמית זו מתרחשת כאשר מים ומלט מגיבים. כמות החום המופקת במהלך התגובה תלויה במידה רבה בהרכב (טבלה 1) ודקות המלט.
ניטור הטמפרטורה של היציקה שלך לאחר יישומה הוא אחד הצעדים החשובים ביותר בהקמת מבני בטון. לכן חשוב מאוד להבטיח את תנאי האשפרה האופטימליים עבור האלמנט שלך, במיוחד בתנאי מזג אוויר קיצוניים. כאשר בטון טרי נחשף לטמפרטורות גבוהות או נמוכות מדי זה עלול להשפיע על תהליך ההידרציה בצורה משמעותית, וכך לפגוע בפיתוח החוזק של התערובת. נוסף על כך, אם הפרשי הטמפרטורה גבוהים מדי, יכולה להתרחש סדיקה תרמית. על ידי מעקב צמוד אחר השינויים בטמפרטורה באלמנט הבטון לאורך האשפרה ניתן להבטיח את רמת החוזק, האיכות והעמידות של המבנה שלך. החום המופק מהבטון במהלך האשפרה נקרא חום הידרציה. תגובה אקזותרמית זו מתרחשת כאשר מים ומלט מגיבים. כמות החום המופקת במהלך התגובה תלויה במידה רבה בהרכב (טבלה 1) ובדקות המלט.
חמש הפאזות של התפתחות חום בבטון
תהליך התפתחות החום בבטון הוא נושא מורכב מאוד שנחקר בצורה נרחבת. כדי לפשט את התהליך הזה ניתן לחלק את התפתחות החום לאורך הזמן לחמש פאזות נפרדות. פרופיל החום יכול להשתנות על פי סוג המלט.
פאזות צמנט פורטלנד // קיצור (נוסחה כימית)
דוקלציום סיליקט, בליט // C2S
טריקלציום סיליקט, אליט // C3S
טריקלציום אלומינט // C3A
טטראקלציום אלומינופריט, צליט // C4AF
סידן פוספט * // (גבס) CaSO4, CaSO4*2H2O / CaSO4*1/2H2O
טריקלציום סיליקט, אליט // C3S
טריקלציום אלומינט // C3A
טטראקלציום אלומינופריט, צליט // C4AF
סידן פוספט * // (גבס) CaSO4, CaSO4*2H2O / CaSO4*1/2H2O
*סידן סולפט מהווה רק 10% ממסת המלט. ארבע הפאזות האחרות הן התרכובות העיקריות של צמנט פורטלנד ושבר המסה של כל אחת מהן משתנה על בסיס סוג המלט.
פאזה I: קדם-אינדוקציה
זמן קצר לאחר שהמים באים במגע עם המלט, מופיעה עלייה חדה בטמפרטורה המתרחשת במהירות רבה (תוך דקות ספורות). במהלך זמן זה, הפאזות הראקטיביות העיקריות של הבטון הן פאזות האלומינט (C3A, C4AF). פאזות האלומינט והפריט מגיבות עם יוני הסידן והסולפט ויוצרות אטרינגיט (ettringite) השוקע על פני השטח של חלקיקי המלט. במהלך הפאזה הזו, פאזות הסיליקט (בעיקר C3S) יגיבו גם הן אך בכמויות קטנות מאוד ביחס לנפח הכללי שלהן ויצרו שכבה דקה מאוד של סידן-סיליקט-הידרט (C-S-H).
פאזה II: השלב הרדום
פאזה זו ידועה גם כפאזת האינדוקציה. בשלב זה, קצב ההידרציה מאט בצורה משמעותית. משערים כי זה קורה בגלל שקיעת התרכובות לעיל על פני שטח חלקיקי המלט, מה שמוביל למחסום דיפוזיה בין חלקיקים אלה לבין המים. יחד עם זאת, קיים ויכוח רציני ביחס לתכונות הפיזיקליות והכימיות הנמצאות בבסיס שלב זה והשיטות לצפייתו.
בשלב הזה הבטון הטרי משונע ומיושם. כאן, הבטון עדיין לא התקשה והא עדיין עביד (הוא פלסטי ונוזלי). נמצא כי אורך השלב הרדום משתנה בתלות במספר גורמים (סוג המלט, תוספים, יחס מים מלט וכדומה). סוף השלב הרדום מאופיין בדרך כלל בהתקשות הראשונית.
בשלב הזה הבטון הטרי משונע ומיושם. כאן, הבטון עדיין לא התקשה והא עדיין עביד (הוא פלסטי ונוזלי). נמצא כי אורך השלב הרדום משתנה בתלות במספר גורמים (סוג המלט, תוספים, יחס מים מלט וכדומה). סוף השלב הרדום מאופיין בדרך כלל בהתקשות הראשונית.
פאזה III + IV: פיתוח החוזק
בפאזה זו, הבטון מתחיל להתקשות ולפתח חוזק. החום המופק בפאזה זו יכול להימשך שעות רבות והוא נגרם בעיקר מתגובה בין הסידן והסיליקטים (בעיקר C3S וברמה נמוכה יותר C2S). התגובה של סידן סיליקט יוצרת סידן-סיליקט-הידרט (C-S-H) של “השלב השני”, המהווה את התוצר העיקרי של התגובה ומספק חוזק לעיסת המלט. ניתן גם להבחין בפיק שלישי של חום, נמוך יותר, הנובע מהפעילות המחודשת של C3A.
פאזה V: מצב יציב
בשלב זה, הטמפרטורה של הבטון מתייצבת יחד עם טמפרטורת הסביבה. תהליך ההידרציה יואט במידה משמעותית אך עדיין לא ייעצר לחלוטין. ההידרציה יכולה להימשך חודשים, שנים ואפילו עשרות שנים, בתנאי שיש מספיק מים וסיליקטים חופשיים. עם זאת, פיתוח החוזק יהיה מינימלי בזמן זה.
Factory background with concrete floor, night scene.
מדוע כדאי לעקוב אחר טמפרטורת הבטון?
בפאזה II, ניתן למדוד את הטמפרטורה של הבטון בזמן יציקתו. בדרך כלל הטמפרטורה נמדדת כדי לוודא שהבטון תואם למפרטים מסוימים המגדירים את טווח הטמפרטורות המותר. מפרטים טיפוסיים דורשים שהטמפרטורה של הבטון במהלך יישומו תהיה בין 10°C עד32°C . עם זאת, קיימים גבולות שונים הנקבעים על פי גודל האלמנט ותנאי הסביבה (ACI 301, 207). טמפרטורת הבטון בזמן היישום משפיעה על טמפרטורת הבטון בשלב ההידרציה הבא.
מעקב אחר טמפרטורת הבטון בפאזות III, IV מהווה בקרת איכות המבוצעת על בסיס קבוע. הסיבה העיקרית למדידות אלה היא להבטיח שהבטון אינו מגיע לטמפרטורה גבוהה או נמוכה מדי. זה מאפשר פיתוח חוזק טוב ושיפור העמידות של הבטון. סיבה נוספת למעקב אחר טמפרטורת האשפרה של הבטון בפאזה זו היא להעריך את החוזק במקום, כאשר קצב ההידרציה הוא העיקרון מאחור שיטת ההבשלה (ASTM C1074).
מעקב אחר טמפרטורת הבטון בפאזות III, IV מהווה בקרת איכות המבוצעת על בסיס קבוע. הסיבה העיקרית למדידות אלה היא להבטיח שהבטון אינו מגיע לטמפרטורה גבוהה או נמוכה מדי. זה מאפשר פיתוח חוזק טוב ושיפור העמידות של הבטון. סיבה נוספת למעקב אחר טמפרטורת האשפרה של הבטון בפאזה זו היא להעריך את החוזק במקום, כאשר קצב ההידרציה הוא העיקרון מאחור שיטת ההבשלה (ASTM C1074).
יציקת בטון במזג אוויר קר
כאשר טמפרטורת הסביבה נמוכה מדי, ההידרציה של המלט תואט בצורה משמעותית או תיעצר לחלוטין עד שהטמפרטורה תעלה שוב. במילים אחרות, תהיה ירידה משמעותית או עצירה בפיתוח החוזק. אם טמפרטורת הבטון מגיעה לקיפאון לפני שהבטון משיג חוזק מסוים (3.5 MPa/500 psi), חוזק הבטון הכללי ירד. כמו כן, זה יגרום לסדיקה מכיוון שלבטון אין מספיק חוזק להתנגד להתפשטות המים בעקבות יצירת קרח.
כדי להבטיח פיתוח חוזק נאות ולמנוע סדיקה בבטון, הקווים המנחים הכלליים מציעים לשמור על טמפרטורת בטון מעל טמפרטורה מסוימת עבור אורך זמן מסוים ( >5°C ל- 48 שעות) (ACI 306).
כדי להבטיח פיתוח חוזק נאות ולמנוע סדיקה בבטון, הקווים המנחים הכלליים מציעים לשמור על טמפרטורת בטון מעל טמפרטורה מסוימת עבור אורך זמן מסוים ( >5°C ל- 48 שעות) (ACI 306).
יציקת בטון במזג אוויר חם
בדרך כלל טמפרטורת הבטון מוגבלת ל- 70°C בזמן ההידרציה. אם טמפרטורת הבטון בזמן ההידרציה גבוהה מדי, זה יגרום לפיתוח מוקדם של חוזק הבטון שיוביל בסופו של דבר להקטנת החוזק בשלב מאוחר יותר, ויפגע בעמידות המבנה באופן כללי. כמו כן, הובחן כי טמפרטורות כאלה מפריעות ליצירת האטרינגיט בשלב הראשוני וכך מגבירות את יצירתו בשלבים מאוחרים יותר. דבר זה גורם לתגובת התפשטות ולסדיקה.
בנוסף, חשוב לדעת על טמפרטורות גבוהות במיוחד ביציקות בטון רב-נפח, שם הטמפרטורה בלב היציקה יכולה להיות גבוהה מאוד בגלל אפקט המסה, בעוד שטמפרטורת פני השטח תהיה נמוכה יותר. זה גורם להפרש טמפרטורה בין פני השטח והמרכז, ואם הפרש טמפרטורה זה יהיה גדול מדי הוא יגרום לסדיקה תרמית.
בנוסף, חשוב לדעת על טמפרטורות גבוהות במיוחד ביציקות בטון רב-נפח, שם הטמפרטורה בלב היציקה יכולה להיות גבוהה מאוד בגלל אפקט המסה, בעוד שטמפרטורת פני השטח תהיה נמוכה יותר. זה גורם להפרש טמפרטורה בין פני השטח והמרכז, ואם הפרש טמפרטורה זה יהיה גדול מדי הוא יגרום לסדיקה תרמית.
שיכוך טמפרטורות לא מתאימות בזמן הידרציה של בטון
קיימות מספר שיטות לשיכוך ההשפעות המזיקות של טמפרטורות הידרציה לא מתאימות. ניתן לנקוט בשתי גישות, או בשילוב של שתיהן כדי לשלוט בטמפרטורה בזמן הפאזה הרדומה ופאזת פיתוח החוזק של תהליך ההידרציה. גישה אחת היא לבקר את הטמפרטורה של האלמנטים הסובבים או של רכיבי התערובת. הגישה השנייה היא לבצע אופטימיזציה של תכנון התערובת.
בקרת טמפרטורת הבטון במהלך הערבוב והאשפרה
במזג אוויר קר, כדי לשמור על בידוד ופיתוח חוזק, ניתן לשלוט בטמפרטורת הבטון על ידי אספקת תנאי אשפרה מתאימים כגון מערכות חימום. ניתן גם לשלוט בטמפרטורות אשפרה גבוהות בזמן יציקת המסה על ידי שימוש בצנרת קירור.
ניתן לשלוט בטמפרטורה בזמן יציקת הבטון במידת מסויימת על ידי שימוש במים קרים עבור התערובת, קירור האגרגטים בעזרת קרח, או ביצוע היציקה בלילה כאשר הטמפרטורות נמוכות באופן טבעי.
ניתן לשלוט בטמפרטורה בזמן יציקת הבטון במידת מסויימת על ידי שימוש במים קרים עבור התערובת, קירור האגרגטים בעזרת קרח, או ביצוע היציקה בלילה כאשר הטמפרטורות נמוכות באופן טבעי.
בקרת טמפרטורת הבטון בזמן תכנון התערובת
גישה יעילה לבקרת החום במהלך הידרציה של מלט היא לתכנן את התערובת כך שהיא תתאים ליישום ולתנאי הסביבה. להלן מספר נושאים שיש לשקול:
• בחירת סוג המלט המתאים יכול לשנות את חום ההידרציה. בהשוואה לצמנט סוג I, צמנט סוג III מפיק יותר חום, עם זאת צמנט סוג II מפיק חום במידה בינונית וסוג IV מפיק פחות מהאחרים.
• התאמת דקות המלט. מלט דק יותר יפיק יותר חום.
• שימוש במוספים למלט (SCMs) הוא אמצעי אפקטיבי נוסף להפחתת החום הנוצר במהלך הידרציה. החלפת חלק מהמלט עם קלינקר או אפר מרחף למשל, מפחית את כמות החומר הריאקטיבי בשלבים המוקדמים. זה מקטין את כמות החום הנוצרת ומעכב את פיתוח החוזק.
• הוספת מוספים מסוגים אחרים כגון חומרים מעכבים ומחישים. עם זאת, תערובות אלה לא משפיעות בדרך כלל על הפקת החום, אלא הן ישמשו לצורך בקרה על אורך השלב הרדום.
• בחירת סוג המלט המתאים יכול לשנות את חום ההידרציה. בהשוואה לצמנט סוג I, צמנט סוג III מפיק יותר חום, עם זאת צמנט סוג II מפיק חום במידה בינונית וסוג IV מפיק פחות מהאחרים.
• התאמת דקות המלט. מלט דק יותר יפיק יותר חום.
• שימוש במוספים למלט (SCMs) הוא אמצעי אפקטיבי נוסף להפחתת החום הנוצר במהלך הידרציה. החלפת חלק מהמלט עם קלינקר או אפר מרחף למשל, מפחית את כמות החומר הריאקטיבי בשלבים המוקדמים. זה מקטין את כמות החום הנוצרת ומעכב את פיתוח החוזק.
• הוספת מוספים מסוגים אחרים כגון חומרים מעכבים ומחישים. עם זאת, תערובות אלה לא משפיעות בדרך כלל על הפקת החום, אלא הן ישמשו לצורך בקרה על אורך השלב הרדום.
שימו לב, חשוב מאוד שתהיה אשפרה נכונה כדי לוודא שלבטון יש מספיק לחות ליצירת הידרציה טובה. באופן כללי, הקבלן, המהנדס וספק הבטון המובא צריכים להיות בתקשורת טובה אחד עם השני. כך ניתן להבטיח שהמבנה יהיה יציב ובטוח והפרויקט יצליח. בכל מזג אוויר קיצוני זה קריטי למדוד את טמפרטורות הבטון באופן סדיר כדי להימנע מתנאים קיצוניים בזמן הערבוב, היציקה והאשפרה, וכן חשוב מאוד להכין תוכנית למקרה שהטמפרטורות נופלות או עולות על הטמפרטורה המומלצת.
