Advanced

Temperaturberäkningar i härdande betongkonstruktioner med indata från isoterm kalorimetri

Flemark, Minni LU (2017) VBM820 20171
Division of Building Materials
Abstract
Because of the significant release of carbon dioxide from the production of cement, the industry has developed several new types of cement. These new cements contain different types of supplementary cementitious materials that give different characteristics. To fully understand the charactaristics of these cements and products made from them, more reserch is needed. An example of such a characteristic is heat development, which is important to be able to predict, especially in massive structures, because of the risk of cracking.

The method used today to calculate temperatures in concrete structures has input parameters measured with semi-adiabatic calorimetry. The use of this method is limited by the need to make many tests to evaluate... (More)
Because of the significant release of carbon dioxide from the production of cement, the industry has developed several new types of cement. These new cements contain different types of supplementary cementitious materials that give different characteristics. To fully understand the charactaristics of these cements and products made from them, more reserch is needed. An example of such a characteristic is heat development, which is important to be able to predict, especially in massive structures, because of the risk of cracking.

The method used today to calculate temperatures in concrete structures has input parameters measured with semi-adiabatic calorimetry. The use of this method is limited by the need to make many tests to evaluate the compressive strength as a function of temperature. In this report a calculation program that use input parameters measured with isothermal calorimetry is evaluated to investigate if it can complete with or replace some of the traditional measures.

A concrete structure with temperature sensors was casted to evaluate if the calculation programs could describe the temperature development during the hydration of a real structure. The calculation program with semi-adiabatic parameters could be adapted to the real process with realistic assumptions, but not the calculation program with isothermal parameters. The result from the ''isothermal version'' of the program was different depending on the conditions. In the temperature range of 20-40 °C the results were almost the same as with the semi-adiabatic calculation, but when the concrete temperature exceeded about 45 °C the calculated temperatures were exaggerated. These differences can partly be explained if the cement reactions have a history dependence that means that different reaction products are formed depending on the previous temperatures during the hydration. Generally the temperature curve calculated with isothermal parameters was offset in time. This can however be the result of the method used when preparing the isothermal curves for the calculation program. If this is the case a method probably could be developed to adjust for this problem. (Less)
Abstract (Swedish)
De höga koldioxidutsläpp som cementtillverkning medför har lett till att industrin har behövt ta till nya metoder för att minska dessa. Detta resulterar i att det kommer nya cementsorter där delar av cementet bytts ut mot tillsatsmaterial. Koldioxidutsläpp från tillsatsmaterialens framställning belastar inte cement- och betongindustrin då dessa ofta är industriella restprodukter, vilket innebär att användning av dessa inte bidrar till ytterligare utsläpp. Tillsatsmaterialen påverkar dock cementets egenskaper vilket leder till att man behöver göra tester på de nya cementsorterna för att kartlägga deras egenskaper. En av de egenskaper som påverkas av inblandning av tillsatsmaterial är värmeutvecklingen, vilket är en viktig faktor för att... (More)
De höga koldioxidutsläpp som cementtillverkning medför har lett till att industrin har behövt ta till nya metoder för att minska dessa. Detta resulterar i att det kommer nya cementsorter där delar av cementet bytts ut mot tillsatsmaterial. Koldioxidutsläpp från tillsatsmaterialens framställning belastar inte cement- och betongindustrin då dessa ofta är industriella restprodukter, vilket innebär att användning av dessa inte bidrar till ytterligare utsläpp. Tillsatsmaterialen påverkar dock cementets egenskaper vilket leder till att man behöver göra tester på de nya cementsorterna för att kartlägga deras egenskaper. En av de egenskaper som påverkas av inblandning av tillsatsmaterial är värmeutvecklingen, vilket är en viktig faktor för att kunna förutsäga temperaturutvecklingen vid gjutning av grova konstruktioner för att t.ex. undvika sprickbildning.

Den metod som används idag för att beräkna temperaturer i gjutna betongkonstruktioner använder indata som är framtagna med semi-adiabatisk kalorimetri. Användningen av denna metod begränsas bland annat på grund av att den kräver en stor mängd hållfasthetsprov för att ta fram hur reaktionshastigheten påverkas av temperaturen. Tryckhållfastheten mäts därför regelbundet under härdningsprocessen för att man ska få reda på hur långt reaktionen har kommit vid olika tider och temperaturer. I detta exjobb har ett beräkningsprogram med indata som istället är framtagen med isoterm kalorimetri undersökts för att se om detta kan att komplettera eller ersätta delar av de traditionella mätningarna. Med isoterm kalorimetri mäts den utvecklade värmen för små prov av cement och vatten eller bruk, vilken är proportionell mot hållfastheten. Detta innebär att endast enstaka hållfasthetsprov behöver utföras.

En cirkulär pelare med diametern 34,6 cm, höjden 100 cm och 21 ingjutna termoelement göts i en betong med vct 0,55 för att kunna bedöma beräkningsprogrammens möjlighet att beräkna temperaturutvecklingen i en härdande betongkonstruktion. Beräkningsprogrammet med semi-adiabatiska indata kunde anpassas till mätningen med realistiska antaganden som innebar att vindhastigheten sattes till 6 m/s, men det kunde inte beräkningsprogrammet med isoterma indata. Resultatet visade att beräkningsprogrammet med isoterma indata gav resultat med varierande kvalitet beroende på förutsättningarna. I temperaturer mellan 20 och 40 °C blev resultaten ganska lika, inom 3 °C från resultaten beräknade med semi-adiabatisk indata, men vid högre temperaturer blev de beräknade temperaturerna med isoterma indata betydligt högre. Skillnaderna kan möjligtvis förklaras med att cementreaktioner har ett historieberoende. Detta skulle kunna vara att reaktionsprodukterna får lite olika innehåll beroende på vilka temperaturer betongen haft tidigare. Om det sker en reaktion med en viss värmeutveckling vid härdning vid konstant temperatur på 50 °C så kan en reaktion vid naturligt temperaturförlopp se lite annorlunda ut vid samma temperatur och ge lite annorlunda temperaturutveckling. Resultaten visar att det verkliga temperaturförloppet ger en lägre maxtemperatur än den borde enligt beräkningsmodellen för programmet med isoterma indata. Beräkningen med isoterma indata blev också generellt förskjuten i tiden. Detta kan bero på hur man hanterar den isoterma indatan i modellen. Eftersom proven inte hade samma temperatur som kalorimetrarna blir första delen av kurvorna störda och behöver justeras för att kompensera för den uppvärmning respektive nerkylning som sker. Man borde kunna hitta en metod för att bättre kunna hantera denna kompensation. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Temperaturberäkningar i betongkonstruktioner
- en jämförelse mellan beräkningar med olika typer av indata

Vid cementtillverkning värms lera och kalksten upp till 1450 °C. Denna tillverkningsprocess innebär stora koldioxidutsläpp från både förbränningen av bränslet och från kalkstenen då den avger koldioxid. Efter hand som det blir större krav på att minska koldioxidutsläppen utvecklas nya cementsorter som förutom cement innehåller tillsatsmaterial. Dessa tillsatsmaterial är restprodukter från industrier, vilket innebär att användning av dessa inte bidrar till ytterligare koldioxidutsläpp. Tillsatsmaterialen påverkar vissa av cementets egenskaper vilket betyder att man behöver göra tester på de nya cementsorterna för att ta reda på... (More)
Temperaturberäkningar i betongkonstruktioner
- en jämförelse mellan beräkningar med olika typer av indata

Vid cementtillverkning värms lera och kalksten upp till 1450 °C. Denna tillverkningsprocess innebär stora koldioxidutsläpp från både förbränningen av bränslet och från kalkstenen då den avger koldioxid. Efter hand som det blir större krav på att minska koldioxidutsläppen utvecklas nya cementsorter som förutom cement innehåller tillsatsmaterial. Dessa tillsatsmaterial är restprodukter från industrier, vilket innebär att användning av dessa inte bidrar till ytterligare koldioxidutsläpp. Tillsatsmaterialen påverkar vissa av cementets egenskaper vilket betyder att man behöver göra tester på de nya cementsorterna för att ta reda på dessa ändrade egenskaper. En av de egenskaper som påverkas av inblandning av tillsatsmaterial är hur mycket värme som utvecklas när cementet reagerar med vatten och blir hårt. Denna egenskap är viktig för att kunna förutsäga temperaturutvecklingen vid gjutning av grova konstruktioner för att t.ex. undvika att det blir sprickor i betongen.
Den metod som används idag för att beräkna temperaturer i gjutna betongkonstruktioner använder indata som är framtagna med semi-adiabatisk kalorimetri. Vid denna mätmetod låter man betong reagera i en isolerad form och mäter temperaturen under reaktionsförlopet. Sedan använder man en matematisk modell för att ta fram parametrar för cementet. Dessa parametrar använd sedan i beräkningsprogrammet för att beräkna hur varmt det blir vid gjutning av en verklig betongkonstruktion. Användningen av denna metod begränsas bland annat på grund av att den kräver en stor mängd hållfasthetsprov för att ta reda på hur reaktionshastigheten påverkas av temperaturen. Tryckhållfastheten mäts därför regelbundet under härdningsprocessen för att man ska få reda på hur långt reaktionen har kommit vid olika tider och temperaturer. I detta exjobb har ett beräkningsprogram med indata som istället är framtagen med en annan metod som kallas isoterm kalorimetri undersökts för att se om detta kan komplettera eller ersätta delar av de traditionella mätningarna. Med denna alternativa metod mäts hur mycket värme som utvecklas när små prov av cement och vatten reagerari vid olika konstanta temperaturer. Eftersom den utvecklade värmen är proportionell mot hållfastheten behöver det endast utföras enstaka hållfasthetsprov.
Figur 1 Detta är en jämförelse av den uppmätta temperaturen i pelaren (till vänster), den traditionella
versionen av beräkningsprogrammet (i mitten) och den nya versionen av programmet (till höger). Man
kan se att den nya versionen av beräkningsprogrammet ger högre temperaturer än de andra i den nedre
delen av pelaren, där den var isolerad.
En rund pelare med diametern 34,6 cm, höjden 100 cm göts i med en betong som hade ett
vattencementtal, vct på 0,55. Pelaren isolerades i den nedre delen för att få olika temperaturer
i olika delar av pelaren. Temperaturen mättes på 21 ställen i pelaren för att se om
beräkningsprogrammen kunde beräkna temperaturutvecklingen i en härdande
betongkonstruktion. Det traditionella beräkningsprogrammet kunde anpassas till mätningen
genom att vindhastigheten sattes till 6 m/s, men det kunde inte den nyutvecklade versionen av
beräkningsprogrammet. Resultatet visade att den nya versionen av beräkningsprogrammet gav
bra resultat för temperaturer mellan 20 och 40 °C, men gav för höga temperaturer vid i de
delar av pelaren som blev varmare än 40 °C, se figur 1. Skillnaderna kan möjligtvis förklaras
med att de reaktioner som sker mellan cement och vatten har ett historieberoende. Detta skulle
kunna vara att det som bildas i reaktionerna får lite olika innehåll beroende på vilka
temperaturer betongen haft tidigare. Om det sker en reaktion som bildar en viss mängd värme
när reaktionen sker vid en konstant temperatur på 50 °C så kan en reaktion som först reagerar
vid en lägre temperatur, men att temperaturen ökar till 50 °C succesivt under reaktionen bilda
lika mycket värme. Resultaten visar att beräkningsmodellen för den nya versionen av
programmet ger en högre maxtemperatur än det verkliga temperaturförloppet i mätningen.
Om man kommer på hur cementets reaktion förändras beroende på vilka temperaturer den
reagerar i, så skulle man kunna använda den nya versionen av indata i en modell som
kompenserar för att reaktionerna sker på ett annat sätt i en verklig gjutning jämfört med vid en
konstant temperatur. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Flemark, Minni LU
supervisor
organization
course
VBM820 20171
year
type
H3 - Professional qualifications (4 Years - )
subject
keywords
cement, betong, temperaturberäkning, Hacon, isoterm kalorimetri, semi-adiabatisk kalorimetri
report number
ISRN LUTVDG/TVBM-17/5110-SE
ISSN
0348-7911
language
Swedish
id
8910453
date added to LUP
2017-06-15 12:21:15
date last changed
2017-06-15 12:21:15
@misc{8910453,
  abstract     = {Because of the significant release of carbon dioxide from the production of cement, the industry has developed several new types of cement. These new cements contain different types of supplementary cementitious materials that give different characteristics. To fully understand the charactaristics of these cements and products made from them, more reserch is needed. An example of such a characteristic is heat development, which is important to be able to predict, especially in massive structures, because of the risk of cracking. 

The method used today to calculate temperatures in concrete structures has input parameters measured with semi-adiabatic calorimetry. The use of this method is limited by the need to make many tests to evaluate the compressive strength as a function of temperature. In this report a calculation program that use input parameters measured with isothermal calorimetry is evaluated to investigate if it can complete with or replace some of the traditional measures. 

A concrete structure with temperature sensors was casted to evaluate if the calculation programs could describe the temperature development during the hydration of a real structure. The calculation program with semi-adiabatic parameters could be adapted to the real process with realistic assumptions, but not the calculation program with isothermal parameters. The result from the ''isothermal version'' of the program was different depending on the conditions. In the temperature range of 20-40 °C the results were almost the same as with the semi-adiabatic calculation, but when the concrete temperature exceeded about 45 °C the calculated temperatures were exaggerated. These differences can partly be explained if the cement reactions have a history dependence that means that different reaction products are formed depending on the previous temperatures during the hydration. Generally the temperature curve calculated with isothermal parameters was offset in time. This can however be the result of the method used when preparing the isothermal curves for the calculation program. If this is the case a method probably could be developed to adjust for this problem.},
  author       = {Flemark, Minni},
  issn         = {0348-7911},
  keyword      = {cement,betong,temperaturberäkning,Hacon,isoterm kalorimetri,semi-adiabatisk kalorimetri},
  language     = {swe},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Temperaturberäkningar i härdande betongkonstruktioner med indata från isoterm kalorimetri},
  year         = {2017},
}