1. Термосные методы

1.1. Метод термоса

Метод термоса основан в 1910 году русским профессором Киреенко И.А., является наиболее простым и экономичным методом зимнего бетонирования.

Сущность метода заключается в следующем. Бетонная смесь нагревается в процессе приготовления или на посту разогрева БРУ до температуры 15-45°С, транспортируется на объект и укладывается в утепленную опалубку. За время остывания до 0°С бетон набирает определенную прочность, которая должна быть не менее критической.

Метод основан на использовании внесенного при изготовлении тепла, а также экзотермического тепловыделения цемента. Общий запас тепла в бетоне должен соответствовать его потерям при остывании конструкции до набора бетоном заданной прочности.

Чем выше средняя температура и продолжительность остывания до 0°С, тем выше набранная прочность бетона. Это требует принятия определенных мер по снижению теплопотерь:

• бетон следует укладывать на предварительно отогретое основание;

• опалубка должна быть утеплена и иметь коэффициент теплопередачи в пределах К = (1-5) Вт/м² ·°С;

• открытые поверхности бетона следует защищать паро- и теплоизоляционными материалами;

• при снижении температуры наружного воздуха в период выдерживания бетона относительно расчетной, следует принимать меры по дополнительному утеплению конструкции.

В период выдерживания необходимо вести контроль температуры бетона. Результаты температурного контроля заносятся в специальный журнал и сравниваются с расчетными данными. Контроль температуры ведется на глубине 50-80 мм в центрах охлаждаемых поверхностей с использованием термометров, термопар или термодатчиков. При использовании термометров снятие показаний ведется в предварительно установленных в бетон и заполненных водой или минеральным маслом трубках с заглушенным нижним концом.

Возможность применения метода термос определяется массивностью бетонируемой конструкции, активностью и тепловыделением цемента, температурой уложенного бетона и температурой наружного воздуха, скоростью ветра. Сочетание этих факторов устанавливает область применения метода термос, за пределами которой невозможно обеспечить требуемую прочность бетона.

Область применения метода термос: бетонирование конструкций с модулем поверхности до М_п < 8 м^-1 при требуемой прочности не выше критической. Использование высокоэкзотермичных цементов (например, быстротвердеющих) или добавок ускорителей твердения позволяет применять метод термоса для конструкций с М_п < 12 м^-1. При температуре наружного воздуха ниже -15°С достижение критической прочности весьма проблематично.

График изменения температуры бетона при методе термоса представлен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Изменение температуры бетона при методе термос

τ_о– продолжительность остывания бетона; τ_тр – продолжительность транспортирования бетонной смеси; τ_укл – продолжительность укладки и уплотнения бетонной смеси;

t_см – температура бетонной смеси на выходе из БРУ; t_бн – начальная температура бетона после укладки в опалубку; Δt_тр, Δt_укл, Δt_т.о. – потери температуры бетонной смесью соответственно при транспортировании, укладке и за счет теплообменных процессов с опалубкой и арматурной.

Существуют два подхода при расчете метода термоса:

• вариант 1: расчет требуемых величин начальной температуры бетона t_бн и температуры бетонной смеси t_см , обеспечивающих при выдерживании в опалубке с заданным коэффициентом теплопередачи набор бетоном критической прочности к моменту остывания до 0°С;

• вариант 2: при заданных параметрах t_бн и t_см подбор утепленной опалубки, обеспечивающей расчетную продолжительность остывания и набор бетоном критической прочности.

Порядок расчета метода термоса (вариант 1)

Исходными данными для расчета являются:

• тип и геометрические размеры возводимой конструкции;

• класс бетона и критическая прочность R_кр;

• марка и расход цемента на 1 м³ бетона Ц;

• коэффициент армирования или удельный расход арматуры на 1 м ³ бетона;

• вид и конструкция утепленной опалубки;

• расчетная температура наружного воздуха t_{н в};

• время транспортирования бетонной смеси τ_тр.

Расчет сводится к определению начальной температуры бетона t_бн и температуры бетонной смеси t_см, при которых бетон к моменту остывания набирает критическую прочность.

Расчет ведется в следующей последовательности:

1. Определяется объем бетона возводимой конструкции V_б, м³.

2. Рассчитывается площадь поверхности конструкции F, м ².

3. Находится модуль поверхности конструкции М_п:

, м^-1 (1.1)

4. По таблицам П3.1-П3.3 приложения 3 находится коэффициент теплопередачи опалубки К (Вт/м²·°С). При отсутствии сходства с приведенными в таблицах конструктивными решениями, коэффициент теплопередачи опалубки (или утепления открытых поверхностей) К рассчитывается по формуле:

, Вт/м²·°С (1.2)

где λ_i - коэффициент теплопроводности материала i – го слоя опалубки (табл. приложения 4), Вт/м ·°С; δ - толщина i –го слоя опалубки, м; α - коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности опалубки, Вт/м² ·°С (табл. П3.4).

Для укрытия не опалубленной поверхности возводимой конструкции рекомендуется принимать утепление с близким к опалубке коэффициентом теплопередачи.

Если коэффициенты теплопередачи опалубки и утепления открытых поверхностей существенно отличаются между собой, пользуются приведенным коэффициентом теплопередачи:

, Вт/м²·°С (1.3)

где К_о и К_у – соответственно коэффициент теплопередачи опалубки и утепления открытой поверхности, Вт/м²·°С; F_о и F_у – площадь опалубки и утепления открытой поверхности, м².

5. Определяется начальная температура бетона t_бн, обеспечивающая набор бетоном требуемой прочности.

Расчет ведется поэтапно с шагом изменения начальной температуры 5 ^°С. На первом этапе задаются начальной температурой бетона t_бн¹ в пределах 15-30 ^°С и последовательно по формулам (1.4 и 1.5) определяют соответственно среднюю температуру бетона за время остывания t_б.ср¹ и продолжительность остывания τ_о ¹, а по табл. приложения 6 прочность бетона R¹ к моменту остывания (для промежуточных значений τ_оⁱ и t_б.срⁱ прочность бетона определяется интерполяцией).

t_б.ср.= t_б.к + , ^оС (1.4)

t_о = , ч (1.5)

где t_б.к. – температура бетона к концу остывания (принимается равной 0°С);

С_б – удельная теплоёмкость бетона, принимаемая равной 1,05 кДж/кг·^оС; g = 2400 кг/м³ – плотность бетона; Ц – удельный расход цемента, кг/м³; Э – тепловыделение цемента за время остывания бетона (принимается по табл. приложения 5 в зависимости от марки цемента, средней температуры остывания, продолжительности остывания), кДж/кг.

На первом этапе расчета тепловыделение принимается исходя из условной продолжительности остывания равной 2-3 суткам.

Если полученная на первом этапе прочность бетона R¹ к моменту остывания оказалась меньше R_кр, то на втором этапе начальную температуру бетона t_бн² увеличивают на 5°С и наоборот. При этом также определяют t_б.ср², τ_о², R².

Расчёты продолжаются до тех пор, пока при смежных значениях начальной температуры не будет получено два значения прочности бетона, одно из которых больше, а другое меньше R_кр.

На каждом этапе величину тепловыделения цемента Ц корректируют в зависимости от средней температуры бетона на рассчитываемом этапе и продолжительности остывания на предыдущем этапе.

Начальная температура t_бн, при которой бетон к моменту остывания наберет требуемую прочность, определяется графически (рис. 1.2) или аналитически.

6. Для графически найденного значения начальной температуры, при которой бетон к концу остывания набирает требуемую прочность, по формулам 1.4 и 1.5 уточняют значения t_б.ср и τ_о.

Рис. 1.2. Графический способ определения t_бн.

7. Определяются потери температуры бетонной смесью за счет теплообменных процессов с арматурой и опалубкой:

Dt_т.о. = , ^оС (1.6)

где С_i , g_i , d_i – соответственно удельная теплоемкость (кДж/кг·°С), плотность (кг/м³) и толщина (м) i-го слоя опалубки (приложение 4); С_А – удельная теплоемкость стали, кДж/кг·°С; р – удельный расход арматуры в бетоне (при отсутствии данных условно принимается равным 200 кг/м³); t_{н в.} – температура наружного воздуха, °С.

8. Потери температуры бетонной смесью при транспортировании находятся по формуле:

Dt_тр = , ^оС (1.7)

где τ_тр – время транспортирования, мин; К_тр – коэффициент потерь температуры при транспортировании.

Коэффициент потерь температуры при транспортировании (К_тр) зависит от способа транспортирования и конструкции емкости под бетон:

К_тр

Автосамосвал ГАЗ – 0,0037

Автосамосвал ЗИЛ – 0,003

Автосамосвал МАЗ – 0,0025