14.7. Расчетное обоснование дополнительных мероприятий по регулированию температурного режима в блоках бетонирования в зимний период

Дополнительные требования к температурному режиму блоков бетонирования в зимний период

Кроме изложенных ранее требований к перепадам температур в блоках бетонирования температурный режим в зимний период должен дополнительно обеспечить: положительную температуру бетонной смеси при укладке ее в блок с учетом транспортировки бетонной смеси от бетонного завода до блока; набор прочности бетона до его замораживания не менее 40–50% от его марочной прочности.

Для обеспечения этих требований бетон в зимнее время укладывают или методом «термоса» в открытых блоках, или под защитой шатров или тепляков. Бетонирование в открытых блоках методом «термоса» применяют при температуре до минус 10°С, а иногда при принятии дополнительных мероприятий (добавок, периферийного электрообогрева) и при более низких температурах. При температурах ниже минус 10-15°С укладка бетона в блоки, как правило, производится под защитой тепляков или шатров.

Температурный режим блоков бетонирования в зимний период и мероприятия по его обеспечению требуют соответствующего расчетного обоснования. В частности, необходимо обосновать температуру бетонной смеси в блоке и на выходе из бетонного завода, необходимость подогрева составляющих бетонной смеси, теплозащитные свойства опалубки и т.д.

Определение необходимой температуры бетонной смеси на выходе из бетонного завода

Необходимую начальную температуру бетонной смеси на выходе из бетонного завода можно определить по формуле

, (14.18)

где: – требуемая начальная температура бетона в блоке при перекрытии уложенного слоя; , – снижение температуры (тепловые потери), бетонной смеси при укладке и транспортировании.

Температуру бетона при перекрытии уложенного слоя в блоке устанавливают исходя из общих требований к температурному режиму блоков. В связи с тем, что в гидротехническом строительстве превалируют массивные блоки бетонирования, для снижения подъема температуры от экзотермического разогрева в таких блоках требуется, чтобы начальная температура бетонной смеси при укладке в блок была возможно низкая. Как показывает опыт, эту температуру рационально поддерживать в пределах 3–7°С. Такая же температура поддерживается в шатрах и тепляках.

Требования защиты бетона от промораживания в массивных блоках целиком обеспечиваются за счет применения соответствующей опалубки и других мер теплозащиты (электрообогрев, термическая опалубка и др.). Поэтому для массивных блоков степень подогрева составляющих бетонной смеси определяется именно условием обеспечения температуры бетонной смеси при перекрытии слоя на уровне 3–7°С, с учетом всех потерь при транспортировке и укладке смеси.

Для тонкостенных конструкций и отдельных элементов с небольшим объемом бетона, встречающихся в других видах промышленного строительства, температура бетонной смеси должна быть проверена и уточнена, как и условия обеспечения требуемого набора прочности бетона до его замораживания. Указанные расчеты выполняют по специальной методике. Специальными расчетами определяются также тепловые потери при транспортировании и укладке бетонной смеси, зависящие от температуры окружающего воздуха и условий теплообмена. Для предварительных расчетов тепловых потерь при транспортировании возможно использовать эмпирические формулы, установленные на основе обработки данных натурных наблюдений на ряде строительств:

; (14.19), , (14.20)

где: , – соответствующие коэффициенты, выражающие снижение температуры бетонной смеси на каждый градус перепада температур за 1 мин. При высоте ее слоя 1 м; – при транспортировании; – при укладке; – толщина слоя соответственно при перевозке и укладке смеси; , – время укладки (перекрытия слоев) и транспортирования, мин.; – температура окружающего воздуха (наружного или в шатре); – температура бетонной смеси в начальный период укладки (при поступлении в блок).

Определение необходимого подогрева (охлаждения) составляющих бетонной смеси

Температура бетонной смеси на выходе из бетоносмесителя зависит от температуры составляющих бетонной смеси, их веса и теплотехнических характеристик и определяется из рассмотрения теплового баланса:

, (14.21)

где: , , – теплоемкость, вес 1 м³ бетонной смеси и температура составляющих бетонной смеси (песка, крупного заполнителя, цемента, воды); – вес свободной воды затворения, содержащейся в составляющих бетонной смеси; – вес замерзшей части воды (льда) в составляющих бетонной смеси; = 1 ккал/(кг·°С) – теплоемкость воды; – вес цемента; – теплота плавления льда; = 2 ккал/кг – удельное тепловыделение цемента в результате ранней гидратации; ≈ 250 ккал/мин – удельное тепловыделение в результате превращения механической энергии в тепловую при перемешивании в бетономешалке; – время перемешивания смеси в бетономешалке, мин.

Для приближенных расчетов температуру бетонной смеси в зависимости от температур составляющих смеси можно определить по следующей формуле (для осредненного состава бетонной смеси и средней теплоемкости твердых составляющих Сб = 0,22 ккал/(кг·°С)):

, (14.22)

где: , , , – расчетные температуры песка, крупного заполнителя, цемента и воды.

Этой же формулой можно пользоваться для определения величины изменения температуры бетонной смеси при изменении температуры составляющих:

, (14.23)

Из этих формул следует, что наибольшее влияние на температуру бетонной смеси оказывает температура крупных заполнителей (55%), затем песка (25%) и уже затем воды (10%) и цемента (10%).

Требуемый подогрев (охлаждение) составляющих бетонной смеси можно определить из условия: , (14.24)

где: – естественная (условная) температура бетонной смеси, определенная по формулам (14.21) и (14.22) при условии отсутствия какого-либо подогрева составляющих бетонной смеси.

При определении температура воды затворения принимается равной температуре воды в источнике водоснабжения. Естественная начальная температура заполнителей зависит от ряда различных факторов, в том числе от климатического района строительства, периода формиро­вания штабеля, его конструкции и размеров, типа склада (закрытый, от­крытый), гранулометрического состава и влажности материала. Резуль­таты обследований складов заполнителей в различных климатических рай­онах показали, что для предварительных расчетов можно принимать тем­пературу заполнителей для зимнего периода, равную половине расчетной зимней температуры наружного воздуха, а для летнего периода – на 2° ниже расчетной летней температуры воздуха. За расчетную температуру принимают среднесуточную температуру за наиболее холодную и теплую пятидневки соответственно для зимнего и летнего периодов. При дли­тельном хранении больших объемов заполнителей в зимнее время, что часто имеет место на гидростроительствах, часть материала, находяще­гося внутри штабеля, не промерзает. В приближенных расчетах количе­ство несмерзшегося материала можно принимать равным примерно 50% от общего объема склада.

Наибольшая допускаемая температура воды и бетонной смеси уста­навливается из условия сохранения активности цемента и всех требуе­мых свойств бетонной смеси.

При сухих несмерзшихся заполнителях можно применять отдельные фракции заполнителей с отрицательной температурой при соблюдении условия положительного теплового баланса во всей массе при ее перемешивании в бетоносмесителе. Камень, применяемый в качестве «изюма», должен иметь температуру не ниже 0°С.

Выбор средств для регулирования температуры составляющих бетонной смеси

Выбор средств для регулирования температуры составляющих бетон­ной смеси прежде всего зависит от величины требуемого подогрева по формуле (14.24). По мере возрастания требуемой величины регулирования температуры рекомендуется определенная последовательность набора этих средств: подогрев воды затворения; подогрев крупного заполнителя; подогрев песка.

Технологические схемы будут даны в гл. 19. Если расчетами установлено, что в данных конкретных условиях требуется регулировать температуру бетонной смеси как летом (охлаждение), так и зимой (подогрев), то в качестве установок регулирования следует выбирать те из них, которые могут обеспечивать и то, и другое, т.е. выбирать обратимые установки.

В принципе выбор системы установок для регулирования температуры бетонной смеси должен производиться на основе технико-экономического сопоставления различных вариантов.

Определение требований к теплозащите бетона

Особое внимание при разработке технологических мероприятий по регулированию температурного режима в блоках бетонирования должно уделяться теплозащите бетона от его чрезмерного переохлаждения или нагрева с целью выдерживания допустимых температур и температурных перепадов в блоке. Выбор оптимальных теплозащитных свойств опалубки достаточно сложен, так как температура наружного воздуха изменяется в довольно широких пределах, соответственно чему и должны изменяться теплозащитные свойства опалубки. Однако практически это делать не­удобно, и обычно используют два типа опалубки – неутепленную (холодную) и утепленную (теплую).

Неутепленную опалубку применяют в весенне-летний период, когда среднесуточная температура воздуха положительная.

Осенью, примерно за 1 – 1,5 мес. до наступления отрицательных температур и в течение всего периода с отрицательными температурами, применяют утепленную опалубку.

В суровых климатических условиях утепленную опалубку часто применяют и летом. Применение неутепленной опалубки в этих случаях с последующим ее утеплением нецелесообразно, так как приводит к повышению затрат труда при неизбежном худшем качестве утепления. Поэтому для опалубливания наружных граней плотины (верховая, низовая), подверженных колебаниям температур в течение всего строительства, в суровых климатических условиях применяют обычно утепленную опалубку. Утепленную опалубку применяют и для внутренних блоков плотины, если их боковые грани не закрыты бетоном соседних блоков.

Теплозащитные свойства опалубки для зимнего периода назначают исходя из наиболее низких температур воздуха. Однако излишнее утепление также вредно, так как уменьшает перепад температур ядро – грань в раннем возрасте и соответственно снижает технологическое обжатие бетона на боковых гранях после выравнивания температур в массивах. Поэтому теплозащитные свойства опалубки в этих зонах должны соответствовать перепадам температур, близким к предельным, обеспечивая тем самым максимальное обжатие бетона, подверженного впоследствии неблагоприятным внешним воздействиям.

Теплозащитные свойства опалубки характеризуются коэффициентом теплопередачи. По опыту строительства требуемый коэффициент теплопередачи опалубки зависит от температуры наружного воздуха и, как правило, не должен быть менее следующих значений:

Температура наружного

Воздуха, °С – 10 – 75 –35 –45

Коэффициент теплопередачи

опалубки, ккал/((м²·ч)°С) 1,20 0,75 0,60 0,50

По коэффициенту теплопередачи определяют тип и конструкцию опалубки, которые в дальнейшем проверяют на соответствие их теплозащитных свойств требованиям к температурному режиму блоков в данных конкретных условиях. Коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия определяют по формуле

, (14.25)

где – толщина слоя ограждения, м; – коэффициент теплопроводности материала каждого слоя ограждения, ккал/(м·ч·°С), зависящий от скорости ветра.

Существенное значение при определении коэффициента теплопередачи имеет коэффициент внешней теплопередачи . Он характеризует интенсивность передачи тепла от поверхности опалубки (бетона) к внешней среде – воздуху (или воде). Коэффициент зависит главным образом от скорости ветра. Значения колеблются в следующих пределах: при теплообмене с воздухом и отсутствии ветра =3,25; при ветре средней скорости 3 – 5 м/с =13–23 ; при сильном ветре 10–15 м/с =28–37 ккал/((м2·ч)°С).

В качестве теплоизоляционных материалов в опалубке применяют дерево, минеральную вату, опилки, шлак, различного вида пенопласты и др.

Наибольшее распространение на гидростройках получил утеплитель из фенольно-резольного поропласта ФРП-I. Применение поропластов позволяет снизить трудозатраты на опалубочных работах за счет использования индустриальных типов опалубки и широкой механиза­ции этих работ. Применение этих материалов позволило создать новую конструкцию теплой несъемной железобетонной опалубки, которая в широ­ких масштабах применялась на строительстве массивно-контрфорсной пло­тины Зейской ГЭС. Теплозащита боковых граней блоков остается одним из наиболее трудоемких процессов. В особенности это имеет место при возведении облегченных конструкций бетонных плотин, для которых характерны значительное увеличение опалубливаемых поверх­ностей, усложнение установки и демонтажа опалубки в узких и глубоких полостях. В этих условиях широкое применение несъемной утепленной железобетонной опалубки является одним из путей повышения технологич­ности таких конструкций плотин.

После укладки бетона в блок должна быть обеспечена теплозащита не только боковых граней, но и горизон­тальных поверхностей. При укладке бетона в шатрах в начальный период (3–7 дней) теплозащиту горизонтальных поверхностей обеспечивают поддержанием определенных температур в этих шатрах. Перед снятием шатра поверхности обычно утепляют. В первую очередь к ним следует отнести рулонную пористую резину, покрытие упрочненной пленкой, плиточный и заливочный пенопласты, минеральные маты, маты из полиэтиленовых подушек, пневмоматы с воздушными прослойками и т.д. Трудозатраты при использовании указанных материалов в 3–6 раз меньше, чей при утеплении поверхностей опилками.

Определение требований к распалубке блоков

Существенное значение для предотвращения трещинообразования име­ет правильное назначение сроков распалубки блоков бетонирования. Ха­рактерной особенностью температурного режима бетонного массива при снятии опалубки и любого другого утепления является так называемый тепловой удар, обусловленный неизбежной разностью между температурой воздуха и температурой поверхности бетона. Если температура воздуха заметно ниже температуры поверхности бетона, то при снятии утепления на бетонной поверхности появятся растягивающие напряжения, которые могут вызвать образование поверхностных трещин. Опасность образования таких трещин зависит от срока бетонирования соседнего блока. Так, ес­ли тепловой удар возникает при снятии утепления горизонтальной поверх­ности блока непосредственно перед началом бетонирования вышележащего блока (менее чем за сутки), то образование поверхностных трещин хотя и нежелательно, но не может считаться практически опасным, так как последующее бетонирование блока прекратит их развитие и ликвиди­рует уже образовавшиеся трещины. Значительно опаснее образование тре­щин при распалубке боковых поверхностей массива, если последующее бетонирование соседнего массива будет производиться через неделю или еще позднее. В этом случае поверхностные трещины имеют возможность развиваться в глубь массива и при неблагоприятных условиях превратить­ся в крупные или даже сквозные трещины.

Другой особенностью рассматриваемого процесса является «ударный» характер воздействия. Быстрое возникновение растягивающих напряжений – менее чем за сутки – практически исключит благотворное влияние ползучести бетона, и релаксации напряжений почти не произойдет. Та­ким образом, возникающие напряжения будут чисто упругими.

На образование трещин при тепловом ударе существенное влияние оказывают условия теплообмена бетонной поверхности с окружающим воздухом. Понижение температуры поверхностных слоев бетона происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, существенно зависимого от скорости ветра. Натурными наблюдениями установлено, что при умеренном ветре (до 4 м/с) в течение 2–3 ч. может быть допустима разность температур более 20°С, что, конечно, совершенно недопустимо при длительном выдерживании массива в холодном воздухе после распалубки. Следовательно, условия распалубки боковых поверхностей бетонной кладки могут быть определены на основе температурных расчетов проводимых с учетом условий теплообмена с окружающей средой. На основе эпюр температурного поля вычисляют термонапряженное состояние поверхностного слоя бетона, которое добавляется к термонапряженному состоянию, сформировавшемуся в блоке к моменту снятия опалубки. Расчеты выполняют для разных скоростей ветра, определяющих коэффициенты внешней теплопередачи от бетонной стены в воздух. Такое исследование проводят за период не менее недели. По результатам таких расчетов устанавливают осредненные требования к условиям распалубки.

Часто условия распалубки решаются на основании общих рекомендаций или непосредственно по данным наблюдений на каждом строительстве. Например, для сурового климата практика строительства выработала следующие рекомендации: опалубка боковых поверхностей отдельных блоков и столбов не снимается вплоть до подготовки соседних столбов к бетонированию, опалубка на низовой грани плотин снимается не ранее, чем через один год после бетонирования и только в теплое время года – в начале лета, на верховой грани плотин опалубка выдерживается везде, где это возможно по производственным условиям, вплоть до затопления водохранилища. Должны предусматриваться также специальные меры для предотвращения теплового удара при распалубке поверхности галерей в теле сооружений. Опасность теплового удара на них усугубляется тем, что в галереях, как правило, возникает воздушный поток с достаточно большой скоростью, способствующей быстрому переохлаждению поверхностных слоев бетона.

Особенности теплозащиты бетона в условиях сухого и жаркого климата

Остановимся на некоторых особенностях теплозащиты бетона в условиях сухого и жаркого климата. В этих условиях особое внимание следует уделять технологическим мероприятиям по температурному регулированию твердеющего бетона, позволяющим существенно снизить максимальную температуру при экзотермическом разогреве бетона. Здесь используют все возможные мероприятия из изложенных ранее, в том числе такие, как искусственное охлаждение уложенного бетона, непрерывный полив горизонтальных и вертикальных поверхностей блока, бетонирова­ние в периоды суток с минимальными температурами (ночью), соблюдение соответствующих перерывов между бетонированием блоков по высоте для повышения эффекта поверхностного охлаждения.

В условиях жаркого климата обычно применяют секционную систему разрезки на блоки бетонирования, поэтому теплозащитные свойства боковой опалубки мало влияют на тем­пературный режим блоков в целом. Наибольшее влияние оказывают усло­вия теплообмена по горизонтальным поверхностям блоков, поэтому приме­нение поверхностного искусственного охлаждения в данных условиях на­иболее эффективно. Для того чтобы устранить воздействие солнечных лучей на укладываемую бетонную смесь, блок бетонирования затеняют специальным шатром любой конструкции. В этом случае под шатром созда­ется микроклимат, где температура может быть ниже на 4–5°С темпе­ратуры наружного воздуха. Относительная влажность воздуха под шатром в жаркие дни может быть выше влажности наружного воздуха на 20–30%. Например, для затенения блоков Токтогульской плотины был приме­нен самоподъемный шатер.