WP1 POZEMNÍ KOMUNIKACE – INTELIGENTNÍ A TRVANLIVÁ TECHNOLOGICKÁ ŘEŠENÍ S VYSOKOUTECHNICKOU ÚČINNOSTÍ
1.18 Podmínky efektivního, nepřímého ověřování užitného chování konstrukcí CB vozovek pomocí 3D modelování
Tento výsledek byl vytvořen s finanční podporou programu Centra kompetence TA ČR, projekt č.TE01020168 2019
TERMOMECHANICKÝ MODEL CB VOZOVKY VE FÁZI TUHNUTÍ ATVRDNUTÍ BETONU – ZPŘESNĚNÍ ÚNAVOVÉ ANALÝZYZpracovali: Ing. Petr Pánek, Ph.D., Doc. Ing. Ludvík Vébr, CSc., Bc. Jakub Veselý (Fakulta stavební ČVUT v Praze)
SouhrnPro správnou predikci budoucího chování CB krytuvozovky je nutné věnovat pozornost již samotnépokládce CB krytu a zohlednit podmínky, za kterýchbyl zhotoven (teplota vzduchu, podkladu, slunečnízáření, ošetřování). Vhodné průběhy teplot přituhnutí betonové směsi mohou výrazně prodloužitživotnost CB krytu. Prvotním předpokladem propřesnější stanovení životnosti je správnost vstupníchúdajů, tedy konkrétní receptura CB (vodnísoučinitel, množství cementu, druhy a množstvípřísad a příměsí atd.), konkrétní podmínky připokládce (ovlivňující rychlost tuhnutí a tvrdnutí)a následně i informace ze zkoušek hotovéhovozovkového betonu). V současné době se diskutujízměny přístupu k recepturám vozovkových betonů[1], které by měly vést spíše k houževnatějšímbetonům a nikoli k dosažení co nejvyšší pevnosti(tzn. použití menšího množství cementu, využitísměsných cementů, vyšší vodní součinitel). Výšeuvedeným lze ovlivnit rychlost (zpomalení)hydratace a omezit tak vznik mikrotrhlin, které dobudoucna mohou být významným zdrojem poruchCB krytu vozovky a snižovat tak její celkovouživotnost. Pro analýzu počátečních vlivů teplota složení materiálu CB krytu byl vytvořentermomechanický model.
Oblast použitíVyužití analýz termomechanického modelu budezejména pro úpravy technologických postupů nastavbě, k ideálnímu nastavení složení CB směsi prokonkrétní podmínky pokládky a k výzkumnýmanalýzám při využití alternativních materiálů do CBkrytu vozovky.
Metodika a postup řešeníV létě 2018 proběhlo osazování čidel a následnéměření teplot a deformací v krytu CB vozovky nazkušebním úseku D1. Na tomto zkušebním úseku setestuje použití směsného cementu (CEM I 75%a 25% struska), namísto (v ČR pro CB vozovkyvýhradně používaného) cementu portlandského
(CEM I 100%). Čidla byla umístěna tak, aby bylav bezpečné vzdálenosti od smršťovacích spár (vizobr. 1). Zároveň byla osazena čidla pro měřeníoslunění (radiace) a teploty vzduchu.
Obr. 1 Rozmístění čidel (Foto: S. Šulc)
Data byla použita k vytvoření dvou funkcí, kterépopisují klimatické podmínky během čtyř dnů pobetonáži, funkce vystihují reprezentativní letní dny.Nejprve funkce (1), která popisuje průběh teplotyvzduchu. Dále byla vytvořena složitější funkce (2),která popisuje oslunění (na základě Stefan-Boltzmannova zákona) opět během čtyř dnů pobetonáži. Tyto funkce (obr. 2) je možné upravit prokonkrétní klimatické podmínky a to pouhou změnoukonstant.f(t)= 8sin((2π/86400)(t-93600))+25 (1)f(t)= 700sin(0.85(2π/86400)*(int(t-6*3600)%86400))*H(sin(0.85(2π/86400)*(int(t-6*3600)%86400))) (2)
Obr. 2 Porovnání funkcí (1) a (2) a teploty vzduchu(s experimentálně naměřenými daty)
Dále byl vytvořen také 2D model (obr. 3), kterýobsahuje výše uvedené funkce jako okrajovépodmínky úlohy, dále hydratační model
Tento výsledek byl vytvořen s finanční podporou programu Centra kompetence TA ČR, projekt č.TE01020168 2019
(„HydratingConcreteMat“[2]), který na základěmateriálových parametrů (potenciální hydratačníteplo, obsah cementu, aktivační energie a další,získané z měření izotermálním kalorimetrem)pracuje s hydratací cementu v čase. 2D modelvedení tepla řeší bilanční rovnici:
(3)
Vliv různých cementů na výslednou teplotu je jasněpatrný z obr. 4. Materiálové parametry byly převzatyz literatury ([3] a [4]). Vytvořený model tedyumožňuje nastavení konkrétních podmínek přituhnutí a tvrdnutí cementového betonu z hlediskateplotních i materiálových vstupních faktorů. Jehovyužití pro různé analýzy je zřejmé.
Obr. 3 Schéma 2D modelu Vedení tepla s materiálovýmiparametry
Obr. 4 Vliv druhu cementu na celkový vývoj teplotyv desce [5]
Po vytvoření a korekcích modelů „3D –mechanického“ a „2D - modelu vedení tepla“, bylonutné spojení obou úloh.
VýsledkyZásadním výsledkem bylo vytvoření „3D - modeluvedení tepla“ (obr. 5 a 6) s přiřazenímodpovídajících parametrů CB desce. 3D mechanickýmodel byl ve sdružené úloze uvažován jako 3Ddeska na Winkler – Pasternakově podloží. Bylo zdenutné jednotlivým materiálům přiřadit taképarametry, tykající se tepelné kapacity, tepelnévodivosti a teplotní roztažnosti. V pokusném modelubyly použity parametry pro směsný cement, nicméněveškeré parametry je možno měnit dle aktuálníúlohy. Materiál byl prozatím uvažován jakoelastický. Do budoucna se předpokládá rozvoj apřesnější modelování materiálů, ve fázi tvrdnutí setotiž značně mění tuhost průřezu a pro přesnějšípopis bude vhodnější použít viskoelastický materiálse stárnutím.
Obr. 5 Teplota a posun v čase 17,5 hodiny po půlnoci, tj.11,5 hodin po začátku betonáže
Obr. 6 Teplota a posun v čase 30 hodin po půlnoci, tj. 24hodin po začátku betonáže
ZávěrTermomechanický model CB krytu vozovkypomáhá lépe pochopit procesy vznikajícív cementovém betonu během tuhnutí a tvrdnutí, sezohledněním druhu materiálu a při nastavenýchvnějších teplotních podmínkách. Budoucí analýzya výsledky termomechanických modelů s variantamimateriálových složek a teplotních podmínek násmohou dovést k určení ideálních parametrů přivýstavbě. Snahou by mělo být omezení tvorbyvětšího množství mikrotrhlin v počáteční fázi vznikubetonu. Tím by se pozitivně ovlivnila (prodloužila)životnost CB krytu. Další využití těchto modelů jemožné při predikci životnosti CB krytu a tedybudoucí uplatnění v systémech hospodařenís vozovkou.
Literatura[1] Šmilauer, V.: Betony odolné ke vzniku mikro a
makrotrhlin na CB krytech, SBORNÍK BETONOVÉVOZOVKY 2018, 7. konference s mezinárodní účastíISBN 978-80-906541-2-9
[2] Šmilauer, V., Bittnar, Z., Effects of Representative CubeSize on the Simulation of Portland Cement Hydration inCEMHYD3D Model, 5th International PhD Symposiumin Civil Engineering. Lisse: A. A. Balkema Publisher,2004. pp. 581-587. ISBN 90-5809-676-9.
[3] Luxemburk F., Vébr L., Kudrna J., Varaus M., Racek I.,Fiedler J. TP 170 Navrhování vozovek pozemníchkomunikací [online]. Technický předpis. Ministerstvodopravy České republiky, 2006.
[4] Šmilauer, V. Termo – mechanické analýzy nezeslabenýcha zeslabených cementobetonových desek dálničních krytů.Výzkumná zpráva. ČVUT FSv, 2017
[5] Patzák, B. OOFEM - an object-oriented simulation tool foradvanced modeling of materials and structures[software]. Acta Polytechnica, 52(6):59–66, 2012.
