c u R civieltechnisch centrum uitvoering research en regelgeving rapport 128 koelen van beton

Transcriptie

1 c u R civieltechnisch centrum uitvoering research en regelgeving rapport 128 koelen van beton

2 koelen van beton ONDERZOEK UITGEVOERD DOOR: INSTITUUT TNO VOOR BOUWMATERIALEN EN BOUWCONSTRUCTIES

3 De CUR en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken van de in deze publikatie vervatte gegevens; deze gegevens geven de stand van de techniek op het moment van uitgifte weer. Nochtans moet niet worden uitgesloten de mogelijkheid dat zich toch onjuistheden in deze publikatie kunnen bevinden. Degene die van deze publikatie gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. De CUR sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze gegevens. ISBN X

4 VOORWOORD De hydratatiewarmte die zich ontwikkelt in verhardend beton, kan vooral in zware betonconstructies tot trekspanningen leiden die scheurvorming tot gevolg hebben. Deze problematiek was in 1977 aanleiding tot het instellen van CUR-onderzoekcommissie C 38 Spanningen in betonconstructies veroorzaakt door warmteontwikkeling tijdens het verhardingsproces" met de opdracht een onderzoek in te stellen naar de ontwikkeling van de eigenschappen van jong beton en na te gaan hoe informatie kan worden verkregen om optredende spanningen in constructies tijdens het verhardingsproces te berekenen. Voorts diende te worden onderzocht in hoever koelen van beton en bepaalde technologische maatregelen optredende trekspanningen en het daaruit voortvloeiende gevaar van scheurvorming kunnen beperken. Het onderzoekprogramma werd in drie fasen verdeeld, namelijk: literatuurstudie, experimenteel onderzoek en opstellen van een Tekenprocedure. Het experimentele onderzoek werd uitgevoerd bij het Instituut TNO voor Bouwmaterialen en Bouwconstructies (IBBC-TNO), waarbij tevens gebruik kon worden gemaakt van elders in opdracht van Rijkswaterstaat uitgevoerd onderzoek ten behoeve van de Vlaketunnel en de Stormvloedkering Oosterschelde. In samenwerking met de Dienst Informatie Verwerking van Rijkswaterstaat werd een rekenmodel ontwikkeld, waarmee het temperatuurverloop ten gevolge van hydratatie en koeling kan worden berekend. Het opstellen van een eindrapport van het gehele onderzoek werd opdracht uitgevoerd door het Raadgevend Ingenieursbureau Witteveen + Boss. Bij het beëindigen van de werkzaamheden was de samenstelling van de commissie als volgt: ir. H. J. C. OUD, voorzitter ing. J. A. LUITWIELER, secretaris ing. J. BIESTERVELD ing. H. Hoos ir. P. KIEFT ir. J. VAN LEEUWEN ing. C. G. PURMER ir. L. O. VERKERK ing. P. E. VOGELAAR ing. N. G. B. VAN DER WINDEN ir. B. VAN LEEUWEN, rapporteur ir. L. L. KAMMINGA, coördinator prof. ir. J. H. VAN LOENEN, mentor

5 Ing. J. H. B. LAKEMOND is in 1977 uit de commissie getreden en opgevolgd door ir. L. O. VERKERK. In 1978 trad ir. J. VAN LEEUWEN tot de commissie toe. Voorts is in 1983 ir. S. B. DE VRIES opgevolgd door ing. H. Hoos. Het bij IBBC-TNO uitgevoerde experimentele onderzoek stond onder leiding van ir. J.VAN LEEUWEN; de eindrapportage werd verzorgd door ir. B. VAN LEEUWEN van het Raadgevend Ingenieursbureau Witteveen + Boss. De CUR is speciale dank verschuldigd aan de Dienst Informatie Verwerking van Rijkswaterstaat en Rijkswaterstaat-Bouwspeurwerk voor de aanzienlijke bijdrage bij de ontwikkeling van de Tekenprocedure en aan de Dienst Gemeentewerken Rotterdam voor het uitvoeren van een belangrijk deel van het rekenwerk. Ten slotte spreekt de CUR haar dank uit aan Rijkswaterstaat voor de financiële bijdrage die dit onderzoek mede heeft mogelijk gemaakt. september 1987 Het bestuur van de CUR

6 INHOUD NOTATIES 7 Hoofdstuk 1 INLEIDING Achtergronden Werkzaamheden 10 Hoofdstuk 2 THEORETISCHE ACHTERGROND Omschrijving van het probleem Warmteproduktie Mengselafhankelijke factoren Reactiegraad en rijpheid Temperatuur Warmteafvoer en warmteaccumulatie Warmtegeleidingscoëfficiënt Bekisting en overgangsweerstand Kunstmatige inwendige koeling Specifieke warmte Vervormingsverhindering Uitzettingscoëfficiënt Elasticiteitsmodulus en relaxatie Druksterkte 22 Hoofdstuk 3 EXPERIMENTEEL ONDERZOEK WARMTEONTWIKKELING Achtergrond Uitgevoerde proeven 24 Hoofdstuk 4 REKENMODEL WARMTEONTWIKKELING Inleiding Beschrijving van het programma Algemeen Benodigde thermische eigenschappen Berekeningsmethodiek Thermische eigenschappen Verificatie van het rekenmodel 34 Hoofdstuk 5 EXPERIMENTEEL ONDERZOEK SPANNINGSONTWIKKELING Inleiding 37

7 5.2 Onderzoek Vlaketunnel en Stormvloedkering Oosterschelde Onderzoek van de commissie 41 Hoofdstuk 6 BEREKENEN VAN SPANNINGEN IN VERHARDENDE BETON Aanpak Berekenen temperatuurverloop Spanningen en vervormingen 45 Hoofdstuk 7 BESCHOUWING OVER SCHEURVORMING Inleiding Evaluatie spanningsonderzoek van de commissie 48 Hoofdstuk 8 REKENVOORBEELDEN 51 Hoofdstuk 9 KOELSYSTEMEN 53 Hoofdstuk 10 SAMENVATTING 54 Bijlage A RATE-FORMULERING 56 Bijlage B SCHEURCRITERIUM 58 Bijlage C LITERATUURLIJST 64 Bijlage D BEREKENINGSRESULTATEN VAN HET TEMPERATUURVERLOOP EN HET SPANNINGSVERLOOP IN EEN WAND-VLOERCOMBINATIE VOOR VERSCHILLENDE RANDVOORWAARDEN 65 Zusammenfassung 82 Résumé 84 Summary 86

8 NOTATIES BQ constante C constante c constante C r relaxatiecoëfficiënt C v verhinderde vervormingscoëfficiënt d factor E elasticiteitsmodulus E'QX momentane elasticiteitsmodulus treksterkte n constante Q ontwikkelde hoeveelheid hydratatiewarmte R rijpheid /- reactiegraad T temperatuur t tijd vv/c water-cementfactor a lineaire uitzettingscoëfficiënt 8 vertragingsfactor ACT spanningsincrement s rek u breukrek rj dempingsconstante o spanning CT b betontrekspanning r tijdstip waarop het increment dr is ontstaan y/ relaxatiefactor q> kruipfactor

9 HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1.1 Achtergronden Tijdens het verhardingsproces van beton komt warmte vrij. Deze warmte wordt bij relatief dikwandige constructies niet direct afgevoerd, wat een temperatuurverhoging tot gevolg heeft. Bij latere afkoeling treden bij constructies die niet vrij kunnen vervormen, grote trekspanningen op, omdat de elasticiteitsmodulus door de voortgeschreden verharding is toegenomen ten opzichte van de opwarmingsfase. Deze trekspanningen kunnen zodanig groot worden, mede onder invloed van vervormingsverhindering van reeds eerder gestorte constructiedelen of onder invloed van uitwendige belastingen, dat scheurvorming optreedt. Bij dikwandige constructies, waaraan hoge waterdichtheidseisen worden gesteld, zoals bij wanden van tunnels, verhardend op een eerder gestorte vloer, wordt daarom veelal een waterdichte bekleding toegepast. In de zeventigerjaren is de methode ontwikkeld om de scheurvorming te voorkomen door het inwendig koelen van de constructie gedurende de eerste dagen na het storten. Deze methode heeft vooral in de tunneltechniek ruime toepassing gevonden (o.m. bij Metro Amsterdam, Vlaketunnel, Kiltunnel, Botlektunnel, Hemspoortunnel en Gouwe-aquaduct). Bij de dimensionering van het koelsysteem wordt gebruik gemaakt van de rekenmethode van MANDRY [1]. Deze methode vindt haar oorsprong in de stuwdamtechniek. Het is een wiskundige beschrijving van de afkoeling van een in relatief korte tijd opgewarmd constructiedeel, al of niet kunstmatig gekoeld. De methode gaat ervan uit dat de opwarming adiabatisch verloopt, dat is zonder afvoer van warmte tijdens het opwarmen. Voor onder meer een gekoelde wand is deze schematisering niet juist. Immers reeds tijdens de opwarmingsfase wordt een belangrijk deel van de ontwikkelde warmte afgevoerd. Een extra complicatie daarbij is dat de snelheid, waarmee de verharding en dus de warmteproduktie plaatsheeft, afhankelijk is van het temperatuurniveau van de constructie. Het tempo, waarin de warmteontwikkeling plaatsheeft, is dus mede afhankelijk van de capaciteit van het koelsysteem. Er zijn dan ook belangrijke verschillen tussen metingen van de temperatuurontwikkeling en de voorspelling volgens de methode van MANDRY. Bij het ontwerp van de stormvloedkering in de Oosterschelde werden in verband met de duurzaamheid hoge eisen gesteld met betrekking tot het beperken van de scheurvorming. Hier deed zich de behoefte gevoelen aan een rekenmethode, waarmee temperatuurontwikkeling en spanningsontwikkeling met een grotere mate van nauwkeurigheid kunnen worden voorspeld, ten einde aan de hand hiervan de kans op scheurvorming te kunnen bepalen.