Beton soğutma: kütle betonunda chiller, buz ve soğutma boruları

Beton soğutma, büyük hacimli dökümlerde çimentonun suyla tepkimesinden (hidratasyon) açığa çıkan ısıyı kontrol altında tutmak için yapılır. Taze betonun sıcaklığı, karışım suyunu chiller'la soğutarak ya da suyun bir kısmını buzla değiştirerek düşürülür; dökümden sonra da betonun içine gömülen borulardan soğuk su geçirilir. Amaç, betonun iç sıcaklığını ve iç ile yüzey arasındaki farkı sınırlayıp termal çatlakları önlemektir. Baraj gövdelerinde, köprü ayaklarında, kalın radye temellerde ve enerji yapılarında bu çoğu zaman şartnamenin bir maddesidir.

Kütle betonunda sıcaklık neden önemli?

Çimentonun hidratasyonu ısı verir. İnce bir döşemede bu ısı kısa sürede havaya dağılır; birkaç metre kalınlığındaki bir blokta ise içeride kalır. Çekirdek sıcaklığı günler içinde döküm sıcaklığının onlarca derece üstüne çıkabilir, yüzey ise havayla temas ettiği için daha çabuk soğur. İç kısım genleşirken yüzey büzülmek ister; aradaki fark yüzeyde çekme gerilmesi doğurur ve henüz yeterli dayanıma ulaşmamış beton çatlar.

İkinci risk soğuma döneminde gelir. Haftalar içinde soğuyan iç kısım büzülürken temel ya da altındaki döküm katmanı tarafından tutulur; engellenen büzülme bu kez kesitin içinden geçen çatlaklar açabilir. Çok yüksek iç sıcaklık ayrıca gecikmiş etrenjit oluşumu (DEF) gibi, betonun uzun vadeli dayanıklılığını bozan kimyasal sorunlara yol açabilir.

Kütle betonu şartnameleri bu yüzden genellikle iki sınır koyar: en yüksek iç sıcaklık için yaklaşık 70 °C, iç ile yüzey arasındaki fark için yaklaşık 20 °C. Kesin değerleri projenin şartnamesi ve termal analizi belirler; soğutma sistemi bu sınırları tutturmak için tasarlanır.

Soğutma tek önlem değildir; çoğu projede önce reçete ve döküm planı ele alınır. Düşük hidratasyon ısılı çimento kullanmak, çimentonun bir kısmını uçucu kül ya da yüksek fırın cürufuyla ikame etmek, büyük bir hacmi katmanlara bölmek ve sıcak saatlerden kaçınıp geceleri dökmek iç sıcaklığı düşürür. Soğutma sistemi, bu önlemlerin yetmediği farkı kapatır; ne kadar soğutma gerektiğini de bu yüzden reçete belirler.

Taze betonu soğutmak: soğuk su ve buz

Döküm sıcaklığını düşürmenin en doğrudan yolu, karışıma giren malzemeleri soğutmaktır. Suyun özgül ısısı agrega ve çimentonunkinin dört katından fazladır; bu yüzden kütlece küçük bir pay olmasına rağmen su sıcaklığı betonu belirgin şekilde etkiler. Buz daha da etkilidir: bir kilogram buz erirken yaklaşık 334 kJ çeker. Bu, aynı miktar suyu 80 derece ısıtmaya yetecek enerjidir.

Örnek: 1 m³ betonda 1.900 kg agrega (30 °C), 350 kg çimento (50 °C) ve 170 kg su olduğunu varsayalım. Agrega ve çimentonun özgül ısısı 0,92 kJ/kg·K alınsın; agregadaki nem ve karıştırma sırasında oluşan ısı ihmal edilsin. Basit bir ısı dengesiyle:

• su 25 °C'deyse taze beton yaklaşık 31 °C olur,
• su chiller'la 5 °C'ye soğutulursa yaklaşık 26 °C'ye iner,
• suyun 50 kg'ı buz, kalan 120 kg'ı 5 °C su olursa yaklaşık 19,5 °C'ye iner.

Soğuk suyun etkisi sınırlıdır, çünkü karışım suyunun miktarı betonun reçetesiyle sabittir. Daha fazla düşüş için buz, agregayı gölgeleme ve sulama, büyük projelerde soğuk havayla agrega soğutma ya da sıvı azot kullanılır. Silodan sıcak gelen çimento da hesaba girer. Hangi yöntemin seçileceği, hedef döküm sıcaklığına ve günlük beton miktarına bağlıdır.

Gömülü soğutma boruları

Dökümden sonra ısıyı betonun içinden almak için katmanlar arasına çelik ya da polietilen borular yerleştirilir. Beton döküldükten sonra bu borulardan günler, büyük yapılarda haftalar boyunca su geçirilir. Yöntemin en bilinen erken uygulaması 1930'larda inşa edilen Hoover Barajı'dır: gövde bloklar hâlinde dökülmüş, bloklara gömülen borulardan önce nehir suyu, ardından bir soğutma tesisinde soğutulan su dolaştırılmıştır.

Boru suyunu olabildiğince soğuk vermek doğru değildir. Su ile beton arasındaki fark çok büyük olursa boruların çevresinde yerel çatlaklar açılabilir, soğuma hızı da şartnamenin izin verdiği sınırı aşabilir. Bu yüzden:

• su sıcaklığı betonun ölçülen sıcaklığına göre kademeli olarak düşürülür,
• akış yönü belirli aralıklarla ters çevrilerek blok eşit soğutulur,
• betona gömülen sıcaklık sensörlerinden gelen ölçümle chiller'ın set değeri ayarlanır.

Kemer barajlarda boru soğutmasının ikinci bir görevi daha vardır: bloklar arasındaki derzler enjeksiyonla doldurulmadan önce betonun kalıcı işletme sıcaklığına kadar soğutulması gerekir. Bu evrede amaç tepe sıcaklığı kırpmak değil, bütün gövdeyi kontrollü biçimde hedef sıcaklığa indirmektir.

Boru aralığını, su sıcaklığını ve soğutma süresini yapı mühendisinin termal analizi verir. Bizim tarafımızdaki iş, bu analizin istediği sıcaklıkta ve debide suyu kesintisiz üretecek grubu seçmektir.

Zemin ve taş işlerinde soğutma

Soğutma yalnız beton dökümüyle sınırlı değildir. Yumuşak ve suya doygun zeminlerde tünel, şaft ya da derin kazı yapılırken zemin dondurma yöntemi kullanılır: zemine yerleştirilen borulardan genellikle −20 °C'nin altındaki tuzlu su ya da glikol dolaştırılır, zemindeki su donar ve kazının çevresinde taşıyıcı, su geçirmeyen bir buz perdesi oluşur. Bu uygulamada beklenen, haftalarca kesintisiz çalışan düşük sıcaklıklı bir devredir; endüstriyel chiller gruplarının düşük sıcaklık versiyonu glikolle −30 °C'ye kadar iner. Böyle bir projede grubun uygunluğu, zemin mühendisinin istediği sıcaklık ve süreye göre değerlendirilir.

Sıcak havada yapılan şap, kaplama ve taş döşeme işlerinde ise sorun, harcın ya da betonun çok çabuk su kaybedip erken katılaşmasıdır. Yüzey çatlakları ve zayıf aderans çoğu zaman buradan çıkar. İlk önlem yine karışım suyunu soğutmak ve uygulanan yüzeyi güneşten ve rüzgârdan korumaktır.

Şantiye için chiller nasıl boyutlandırılır?

Karışım suyu soğutmasında yük, betonun saatlik üretiminden hesaplanır. Örnek: santral saatte 60 m³ beton üretsin ve her metreküpe 170 kg su girsin. Saatte 10.200 kg suyu 25 °C'den 5 °C'ye soğutmak için gereken güç Q = m · c · ΔT ile bulunur: 10.200 / 3.600 kg/s × 4,18 kJ/kg·K × 20 K ≈ 237 kW. Buz kullanıldığında soğutulacak su azalır; yukarıdaki reçetede metreküp başına 120 kg suyla yük yaklaşık 167 kW'a iner, buzun üretimi ayrıca hesaplanır.

Grubu dökümün tepe debisine göre seçmek zorunlu değildir. Yalıtımlı bir soğuk su tankı, chiller'ın dökümden önceki saatlerde de çalışıp suyu biriktirmesini sağlar; daha küçük bir grup daha uzun süre çalışarak aynı işi görür. Gömülü boru soğutmasında ise kapasite, termal analizin ilk günler için verdiği en yüksek ısı yüküne göre seçilir; bu dönemden sonra ihtiyaç hızla azalır.

Şantiye koşulları da seçimi etkiler:

• yaz dökümlerinde dış hava 40 °C'yi geçebilir; hava soğutmalı grubun kapasitesi bu sıcaklıkta kontrol edilmelidir,
• +5 °C'nin altındaki su için glikollü devre ve ara eşanjör gerekir,
• toz, taşıma ve jeneratörle besleme gibi koşullar teklif aşamasında bildirilmelidir,
• uzun süren boru soğutmasında bir grubun durması betonun sıcaklık eğrisini bozar; yedek grup ya da iki devreli yapı baştan düşünülmelidir.

Hesabın genel yöntemini ve diğer seçim kriterlerini chiller seçimi yazımızda topladık. Hoover Barajı'nın da yer aldığı gelişim hikâyesini ise chiller tarihi yazımızda anlattık.

Projeniz için

Beton ya da zemin soğutması için grup, projenin günlük beton miktarına, hedef sıcaklıklara ve şantiye koşullarına göre chiller grupları arasından seçilir. Termal analiz özetini, döküm programını ve şantiye bilgilerini teklif formumuzdan paylaşın; kapasiteyi ve devre düzenini birlikte çıkaralım.