J2-9195: Masivni betoni – optimiziranje tehnologije ob uporabi naprednih preskusnih metod

Povzetek:

Pri strjevanju masivnih betonskih konstrukcij (MBK) se zaradi velike količine toplote, ki se razvije pri  hidrataciji ter krčenja betona pojavlja nevarnost nastanka razpok in drugih poškodb betona, kar negativno vpliva na želeno kvaliteto, funkcionalnost in trajnost MBK. Opisano problematiko lahko učinkovito obvladujemo le z izbiro ustreznih vhodnih materialov, ustreznim projektiranjem sestave mešanice, optimalno tehnologijo gradnje in predhodno numerično analizo razvoja temperaturnega polja z upoštevanjem dejanskih vrednosti vhodnih materialnih parametrov. Za dosego opisanih ukrepov je ključna uporaba modernih tehnologij priprave in vgradnje betonskih mešanic, uporaba ustreznih mineralnih in kemijskih dodatkov, natančna določitev ključnih materialnih parametrov z eksperimenti ter priprava kompleksnega numeričnega modela z upoštevanjem realnih fenomenov. V primeru MBK je poleg klasičnih mehanskih karakteristik betonov (tlačna in upogibna trdnost, elastični moduli, ipd.), ključno poznavanje številnih drugih lastnosti materiala, npr. sproščanja hidratacijske toplote, toplotne prevodnosti, specifične toplote, koeficienta linearnega raztezka, velikosti neoviranega krčenja ter lezenja, poroznosti, sposobnosti samoceljenja ipd. Zgoraj omenjena problematika gradnje MBK predstavlja osnovno motivacijo, vzpostavitev metodologije s ključnimi ukrepi za dosego želene kvalitete in trajnosti MBK pa osnovni cilj predlaganega projekta. Za dosego teh ciljev bomo v prvi vrsti zmanjšali velikost maksimalnega agregatnega zrna v masivnih betonskih mešanicah iz klasične >63 mm na velikost 16-32 mm, kar bo bistveno spremenilo samo kvaliteto masivnega betona in predstavljalo začetek novega, modernega obdobja množične proizvodnje masivnega betona z zmanjšano velikostjo agregatnih zrn.

Pomembni deli projekta so trije sklopi eksperimentalnega dela, namenjeni karakterizaciji vhodnih materialov, načrtovanju sestav betonskih mešanic ter izvajanju meritev lastnosti v svežem, strjujočem se in strjenem stanju z uporabo novih, naprednih merilnih tehnik. Uporabljen bo širok spekter osnovnih materialov različnih kombinacij, s čimer bomo pripravili obsežno bazo betonskih mešanic . Na podlagi izvedenih eksperimentov in numeričnega modela za določitev adiabatne krivulje poljubne betonske mešanice, razvitega s strani raziskovalcev projektne skupine, bodo določene optimalne sestave betonov, na katerih bomo določili lastnosti materiala, potrebne za dosego kvalitetne in trajne gradnje MBK. Z upoštevanjem dejanskih vhodnih materialnih parametrov, pridobljenih v okviru eksperimentalnega dela z naprednimi merilnimi tehnikami, bomo pripravili kompleksen numerični model za izračun temperaturnega polja v MBK. Model bo ob podani sestavi betonske mešanice omogočal predhoden izračun njene adiabatne krivulje, račun povezanega problema prenašanja vode, vlažnega zraka in toplote v svežem betonu in s tem napoved krčenja ter izračun optimalne postopne gradnje v smislu določitve optimalne debeline betonskih blokov in časovnega zaporedja betoniranja le-teh. Vse to predstavlja ključen doprinos v primerjavi z dosedaj razvitimi podobnimi numeričnimi modeli. Za zmanjšanje okoljskega odtisa masivnih betonov bo v recepturah uporabljen tudi agregat iz reciklirane jeklarske žlindre. Za vse uporabljene recepture in tehnologije bodo z LCA analizo izračunani okoljski vplivi, ki bodo upoštevali celotno življenjsko dobo masivnih betonov.

Cilji projekta

Cilji eksperimentalnega dela

• zmanjšanje Dmax v sestavi sveže betonske mešanice iz do sedaj najpogosteje uporabljene velikosti >63 mm na za običajne betone tipično velikost 16-32 mm ter podrobna analiza vpliva tega ukrepa na razvoj temperaturnega polja v velikih betonskih elementih,
• na mešanicah z zmanjšanim Dmax izvesti podrobne študije in analize možnosti uporabe predhodno opisane moderne tehnologije priprave in vgradnje novih, črpnih masivnih betonskih mešanic,
• na mešanicah z zmanjšanim Dmax izvesti podrobne študije možnosti uporabe novih, naprednejših eksperimentalnih tehnik določanja številnih, za masivne betone ključnih lastnosti, ki služijo kot vhodni podatek pri izračunu razvoja temperaturnega polja v masivnih betonskih konstrukcijah (predvsem metod, ki so sposobne kontinuiranega spremljanja posamezne lastnosti od svežega stanja, preko vezanja in strjevanja do strjenega stanja),
• nadgradnja nove, pred standardne metode za eksperimentalno določitev adiabatnih krivulj s poladiabatnim preskusom (oSIST prEN 12390-14: 2016) z uporabo optičnih kablov in priprava nove, obsežne baze adiabatnih krivulj masivnih betonskih mešanic različnih sestav. Le-ta bo služila za potrebe razširitve področja uporabnosti razvitega numeričnega modela za napoved adiabatne krivulje betonske mešanice poljubne sestave,
• na mešanicah z zmanjšanim Dmax izvesti podrobne študije primernosti uporabe sekundarnih surovin (npr. jeklarska žlindra iz proizvodnje ogljičnih jekel in iz proizvodnje sekundarne metalurgije, elektrofiltrski pepel iz sežiga premoga, itd.) kot nadomestek dela naravnega agregata in/ali cementa v sestavi masivnega betona ter študije učinkovitosti primernih naprednih tehnologij samoceljenja betona.

Cilji numeričnega dela:

• nadgradnja predhodno razvitega programa za določitev adiabatne krivulje po metodi umetnih nevronskih mrež, s ciljem določiti adiabatno krivuljo poljubne betonske mešanice z upoštevanjem novih, v okviru eksperimentalnega dela pridobljenih adiabatnih krivulj,
• nadgradnja predhodno razvitega glavnega programa za določitev razporeda temperaturnega polja v masivnih betonskih konstrukcijah z upoštevanjem dejanskih vrednosti materialnih parametrov, določenih z uporabo novih, naprednih eksperimentalnih tehnik,
• nadgradnja predhodno razvitega glavnega programa glede določitve optimalne sestave masivne betonske mešanice in optimalnega poteka postopne gradnje poljubne masivne betonske konstrukcije, z upoštevanjem ustreznih omejitev glede maksimalne temperature in maksimalnega dovoljenega gradienta temperatur v betonskem elementu,
• nove tehnologije in novi masivni betoni bodo ovrednoteni z uporabo analize življenjskega cikla (LCA), z namenom kvantificirati njihove vplive na okolje. Pri tem bo uporabljena programska oprema Gabi. Izvedena bo tudi cenovna analiza (LCCA) novih postopkov in materialov v primerjavi s konvencionalno prakso.

Delovni slopi projekta

Projekt bo razdeljen v 6 delavnih sklopov:

Delovni sklop 1: Karakterizacija vhodnih materialov

Delovni sklop 2: Načrtovanje sestav masivnih betonov

Delovni sklop 3: Meritve lastnosti svežega, strjujočega in strjenega betona

Delovni sklop 4: Numerično modeliranje

Delovni sklop 5: LCA

Delovni sklop 6: Diseminacija rezultatov