§ 3. Метод термоса

Как указывалось выше, возможны два варианта термоса: традиционный и, так называемый, «горячий» термос.

При традиционном термосе бетонная смесь готовится на бетоносмесительном узле на горячей воде и отогретых и разогретых заполнителях. Температура бетонной смеси на выходе может составлять 30-40°C. Имеющая такую температуру смесь транспортируется различными транспортными средствами на строительную площадку, перегружается в бункера (бадьи) или непосредственно в приемные бункера бетоноукладочных машин и укладывается в опалубку или блок бетонирования. В процессе транспортных операций в зависимости от их продолжительности и температуры окружающей среды (а также условий обветривания) бетонная смесь теряет некоторое количество тепла. Дополнительные потери происходят в результате затрат тепла на отогрев опалубки и арматуры. Суммарные потери тепла могут достигать значительной величины и их необходимо минимизировать. Но какие-то потери оказываются неизбежными. В результате бетон, уже пришедший в тепловое равновесие с опалубкой и арматурой, может иметь к началу режима остывания температуру на 5-15°C меньшую, чем на выходе из бетоносмесителя, – и равную T_н. С этого момента тепловое состояние бетона оказывается под воздействием двух факторов: положительного – экзотермии цемента, и отрицательного – потерь тепла через ограждение опалубки, неизбежных, если теплозащита не абсолютна, а температура окружающей среды ниже температуры бетона.

Экзотермия цемента является природным энергетическим потенциалом твердеющего бетона, что связано с термохимическими свойствами цемента, проявляющимися в процессе гидратации минералов цементного клинкера.

Величина теплоты гидратации зависит от многих факторов – минералогического состава цемента, тонкости его помола, количества и вида добавок, водоцементного отношения, – и определяется, как правило, экспериментально. Большое влияние на характер тепловыделения цемента оказывает температурный фактор – с повышением температуры увеличивается интенсивность выделения тепла в бетоне и сокращается время наступления его максимума. Следовательно, для развития процесса тепловыделения необходим тепловой импульс, которым и является начальная температура бетонной смеси – с повышением ее интенсивно развиваются процессы гидратации. В табл. 3 приведены величины тепловыделения цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры и продолжительности твердения.

Качество тепловой защиты определяет скорость остывания бетона, а в зависимости от разности температуры бетона и окружающей среды и продолжительность остывания. Чем меньше теплопотери, тем более продолжительно остывание и тем большую прочность успевает набрать бетон до момента своего замерзания.

Рис.1 К расчету средней температуры и продолжительности остывания бетона при

термосном выдерживании

Целесообразность применения термосного выдерживания бетона определяется массивностью конструкции, выражающейся через модуль поверхности , активностью и тепловыделением цемента, начальной температурой уже уложенного бетона и температурой наружного воздуха Т_нв, скоростью ветра и возможностью получения заданной прочности в установленные сроки. Сочетание этих факторов определяет область применения метода, за пределами которой невозможно обеспечить заданную проектом прочность бетона к моменту его распалубки или замерзания, и тогда следует комбинировать термос с другими методами либо полностью переходить на методы ускорения твердения бетона.

При расчете термосного выдерживания обычно в зависимости от технологической обстановки решают одну из двух задач: определение продолжительности охлаждения бетона и величины набранной им за это время прочности при заданном термическом сопротивлении теплоограждающих конструкций (рис.1) или определение величины термического сопротивления теплоограждающей конструкции, требуемой для достижения бетоном заданной прочности в установленные проектом или нормами сроки.

Продолжительность остывания бетона ,час от начальной температуры Т_н для конструкций с модулем поверхности до конечной температуры Т_к обычно определяют по формуле Б.Г.Скрамтаева :

Тепловыделение цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры твердения и времени твердения								Таблица 3
Вид и марка цемента	Температура, °C	Тепловыделение цементов, кДж/кг, при времени их твердения, сут
		0,25	0,5	1	2	3	7		14	28
Портланд-цемент 300	5 10 20 40 60	− 8 25 50 83	− 25 42 84 147	25 42 75 147 188	58 84 126 188 230	84 126 167 230 272	167 188 230 251 298		209 230 251 293 −	230 272 293 − −
Портланд-цемент 400	5 10 20 40 60	− 12 42 84 130	− 25 67 134 188	29 50 105 188 230	63 105 167 230 272	109 146 209 272 314	188 209 272 314 335		209 251 314 335 −	251 293 335 − −
Портланд-цемент 500, 600	5 10 20 40 60	12 25 42 105 188	25 42 84 167 230	42 63 125 209 272	89 105 188 272 314	125 167 251 293 356	188 251 292 356 377		230 293 335 377 −	272 314 377 − −
Портланд-цемент быстротвердеющий 600	5 10 20 40 60	25 33 63 117 209	33 50 105 188 251	50 75 147 230 293	105 125 209 293 335	147 167 293 335 377	209 372 335 377 419		251 335 377 419 −	314 377 419 − −
Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент 300	5 10 20 40 60	− − − 42 63	12 25 33 75 105	25 33 62 117 147	42 63 125 167 209	63 105 147 209 230	126 167 209 251 272		167 209 251 272 −	188 230 272 − −

, час, (3.1)

где удельная теплоемкость бетона, принимаемая для тяжелых бетонов равной 1,05 кДж/кг°C;

плотность бетона, кг/м³; обычно принимаемая 2200-2400 ;

Ц − расход цемента в бетоне, кг/м³;

Э − тепловыделение (экзотермия) цемента, кДж/кг, за время твердения бетона принимается по табл.3;

К ₋ коэффициент теплопередачи ограждения (опалубки или укрытия), Вт/м^2∙°C;

, (3.2)

где - коэффициент теплопередачи у наружной поверхности ограждения, , принимается по данным табл. 4 в зависимости от скорости ветра (м/сек);

- толщина каждого слоя ограждения, ;

- коэффициент теплопроводности материала каждого слоя ограждения, , принимается по данным табл.5;

− модуль поверхности конструкции (м^-1), равный отношению поверхности ограждения F (м²) к объему конструкции V (м³):

(3.3)

− температура наружного воздуха, принимается средней за время остывания, °C;

Т_б.ср. − средняя температура бетона за время остывания, °C, определяется по формуле:

. (3.4)

Зависимость от скорости ветра Таблица 4

Скорость ветра,		Скорость ветра,
0	3,77	5	26,56
1	3,88	10	33,18
3	14,96	15	43,15

Коэффициент теплопроводности некоторых материалов Таблица 5

Материал	,
Бетон (2400 кг/ )	1,3 – 1,6
Вата минеральная	0,05 – 0,07
Дерево	0,1 - 0,2
Плита древесноволокнистая	0,1 – 0,15
Пенопласт	0,04 – 0,045
Сталь	52

Задача №1. Рассчитать, какую прочность наберет за время остывания от начальной температуры = до бетон марки М200 в колонне сечением 0,4м∙0,4м и высотой 4м, возводящейся в деревянной опалубке толщиной 0,04м при средней температуре наружного воздуха и скорости ветра 3 м/сек. Бетон изготовлен на портландцементе М400 при расходе цемента 300 . Объемную теплоемкость бетона принимаем равной , плотность бетона .Затратами тепла на нагрев арматуры и опалубки пренебречь. По требованиям проекта к концу остывания бетон должен иметь прочность не менее 60% от марочной. При недостаточности набранной к моменту замерзания прочности, принять технологические меры, обеспечивающие требования проекта.

Решение.

1. Рассчитываем модуль поверхности бетонируемой конструкции по (3.3):

Поверхность охлаждения конструкции F = 4∙0,4м∙4м = 6,4 ;

Объем конструкции U = 0,4м∙0,4м∙4м = 0,64 ;

= 10 м .

2. Для средней температуры твердения в период остывания 10-15 и примерной продолжительности остывания 3-4 суток принимаем для портландцемента 400 экзотермию Э=150 .

3. Рассчитываем коэффициент теплопередачи ограждения К:

Коэффициент теплопередачи у поверхности ограждения при скорости ветра v= 3 принимаем (табл.4);

Коэффициент теплопроводности дерева принимаем согласно табл.5 равным ;

Коэффициент теплопередачи ограждения К по (3.3):

.

4. По (3.4) рассчитываем среднюю температуру бетона за период остывания :

5. По (3.1) рассчитываем продолжительность остывания бетона от 30 до :

По данным табл.1 определяем, что за трое с небольшим суток бетон, твердеющий при температуре 10°C, наберет лишь около 40% от проектной прочности. Поскольку, по требованиям проекта необходимо к моменту замерзания обеспечить набор бетоном не менее 60% марочной прочности, следует или увеличить начальную температуру бетона Т_н. или увеличить термическое сопротивление опалубки, т.е. уменьшить К.

6. Существенное увеличение начальной температуры, т.е. переход к «горячему» термосу, может быть осуществлен путем предварительного разогрева бетонной смеси до 50  80°C непосредственно перед укладкой в конструкцию. Рассмотрим возможность применения предварительно разогретого, например до 75 , бетона. Остывание бетона от Т_н = 75°C и при всех тех же условиях прежнего примера, но с увеличением Э = 250 дает следующие результаты:

;

.

Данные табл.1 показывают, что остывание бетона в течение 104 часов при средней температуре 23°C обеспечивает набор бетоном требуемых 60% от марочной прочности.

7. Рассмотрим также возможность утепления деревянной опалубки слоем пенопласта толщиной , не изменяя начальную температуру бетона.

Поскольку температурные параметры и модуль поверхности конструкции не меняются,

средняя за время остывания температура бетона останется той же . По табл.1 находим, что для набора бетоном 60% прочности при средней температуре твердения потребуется около 8 суток, т.е. 190 часов.

Решая (3.1) относительно К при , найдем такой коэффициент теплопередачи ограждения К, который обеспечит требуемую продолжительность остывания:

;

Решим (3.2)

,

где и - соответственно толщина слоя и коэффициент теплопроводности пенопласта относительно при найденном выше К:

Таким образом, утепление деревянной 40-мм опалубки слоем пенопласта толщиной 27 мм обеспечит остывание бетона от 30 до 0 в течение 190 часов, что при средней температуре твердения 10 позволит набрать бетону требуемые проектом 60% марочной прочности.