book_23313

•теплового баланса, при котором обеспечивается необходимый тепловлажностный режим твердения бетона;

•роста прочности бетона во времени для принятых температур-

но - влажностных параметров режима твердения.

Критериями оптимальности в задачах указанных типов могут быть минимально возможный расход цемента, энергозатраты или стоимость бетона с учетом нагрева смеси и изготовления соответствующей опалубки. Возможна постановка задач оптимизации с целью достижения заданного критерия оптимальности,например, минимальной стоимости при ограничениях по энергоресурсам и

расходу цемента.

При заданном значении прочности бетона к моменту замерзания необходимую продолжительность изотермического выдерживания (τ) находят по известным рекомендациям с учетом температуры твердения и вида цемента. Требуемый срок выдерживания бетона способом термоса до замерзания можно найти по формуле ( 4.62 ) .

Модуль поверхности конструкции и коэффициент теплопередачи опалубки определяют по известным формулам и назначают конструкцию опалубки, а, при необходимости, для задач третьего типа, выбирают и дополнительно рассчитывают толщину теплоизоляции.

Экзотермию бетона за весь период твердения находят по формуле (4.43). Удельное тепловыделение цемента можно определять по известным справочным данным или использовать формулы, полученные аппроксимацией экспериментальных данных С. А. Миронова:

- для шлакопортландцемента:

qτ =12,24 + 4,886t + 130,47 lg τ -18,33(lg τ)2 -0,046t2. (4.65)

где t – средняя температура; τ –продолжительность твердения. Формулы (4.64, 4.65) справедливы при использовании портландцемента марок М300...М500 и шлакопортландцемента М300 при твердении в диапазоне температур 5 ... 60 ° С.

Уравнение теплового баланса твердеющего бетона при термосном выдерживании имеет общий вид:

301

где Qн – начальное теплосодержание бетонной смеси; Qэ.ц.- – тепло, выделяемое за счет экзотермии цемента; Qоп,, Qарм, Qпот – тепловые расходы на нагревание опалубки и арматуры и тепловые потери вокружающую среду.

Составляющие теплового баланса, входящие в уравнение, рассчитывают с помощью формул, приведенных в справочных пособиях.

Принимая за температуру изотермического выдерживания бетона среднюю его температуру t6.ср за период охлаждения τср, из формулы теплового баланса можно найти необходимый расход цемента при термосном выдерживании бетона (Цт), обеспечивающий при данном коэффициенте теплопередачи опалубки необходимую экзо-

где К – коэффициент теплопередачи опалубки, Вт/( м2-°С); Мп – модуль поверхности конструкции, м-1; t6.ср – средняя температура бетона за период охлаждения конструкции, °С; tв – средняя температура воздуха за период охлаждения бетона, °С; τ – продолжительность охлаждения бетона, ч; с –удельная теплоемкость бетона, кДж/(кг °С), рб – плотность бетона, кг/м3, t6.н. – начальная температура бетона после укладывания, °С; tб.к. – конечная температура бетона, до которой расчитывают продолжительность охлаждения, °С.

Расход цемента, который принят из условия теплового баланса, может существенно превышать необходимый расход цемента из условия прочности. В этом случае фактические значения прочности бетона как на момент замерзания, так и в 28 суток будут значительно завышены. Поэтому оптимальный расход цемента можно определить путем совместного решения уравнений ( 4.62 ), ( 4.67 ) и уравнения проектной прочности бетона. Очевидно, что это возможно только с помощью метода последовательных приближений . Расчет считают завершенным , когда разница между значениями расхода цемента из условий прочности и теплового баланса не превышает 5 %.

Критерием эффективности выбраного состава бетона с точки зрения расхода цемента может быть показатель ∆:

302

где Цт и Цн.т – необходимые расходы цемента для достижения заданой прочности соответственно при термосном выдерживании и нормальном твердении (базовый состав ) бетона.

Для задач первого типа ∆ можно уменьшить за счет добавок ускорителей твердения, перехода на более жесткие смеси, применения эффективных пластификаторов. Для задач второго типа дополнительным ресурсом уменьшения ∆ может быть переход на цементы повышеной экзотермии, а третьего – увеличение термического сопротивления опалубки или разности между начальной и конечной температурами выдерживания бетона. В случае, когда критерием оптимальности термосного выдерживания бетона выступают энергетические затраты на строительной площадке Q, для целевой функции можно использовать уравнение:

При электропрогреве целевая функция будет дополнительно включать энергозатраты на электропрогрев бетона Qэл:

При условии, что прочность бетона после термосного выдерживания должна быть не ниже заданной , по уравнениям ( 4.69 , 4.70 ) можно определить энергетическую эффективность ра-

зличных возможных технологических приемов уменьшения ∆ в пределах каждого из указанных типов задач, в том числе и целесообразности некоторого перерасхода цемента.

Наиболее сложными являются задачи с использованием критерия оптимальной стоимости (Ст) , особенно задачи третьего типа, когда оптимизация состава бетона рассматривается неразрывно с оптимизацией параметров термосного выдерживания бетона. В этом случае целевая функция:

где Сm6.с –стоимость бетонной смеси на момент окончания укладки; Сmоп –стоимость опалубки; Сmнагр – стоимость предварительного нагревания бетонной смеси.

Все составляющие уравнения (4.71) взаимосвязаны. Решение оптимизационных задач может быть связано с некоторыми ограничениями, вызванными наличием материальных ресурсов и условиями выполнения работ .

303

На стадии проектирования технологии проведения работ оптимизационные расчеты могут применяться для сравнения эффективности метода термоса с другими методами зимнего бетонирования . При этом следует рассматривать все возможные способы уменьшения расхода цемента и сроков твердения бетона (утепление опалубки, применение цементов с повышенной экзотермией и ускорителей твердения, уменьшение водопотребности смеси и др.). Алгоритм расчета составов бетона при термосном выдерживании приведен в табл. 4.33.

Таблица 4.33

Алгоритм расчета составов бетона при термосном выдерживании

Исходные данные: модуль поверхности конструкции, характеристики цемента, заполнителей, конструктивные параметры опалубки, проектная прочность бетона и прочность на момент замерзания, показатель удобоукладываемости смеси.

1.Вычисляем расход цемента Цн.Т из условия нормального твердения бетона.

2.Принимаем температуры tб.н и tб.к., расчитываем tб/ср по (4.58).

3.Определяем по(4.62) необходимый срок твердения бетона τ.

4.Определяем коэффициент теплопередачи принятой констру-

кции опалубки К.

5.Определяем по(4.64, 4.65) удельное тепловыделение цемента qτ.

6.Определяем по(4.67) ЦТ.

7. Если ∆ = ЦТ − Цн.Т ≤ 0,05Цн.Т переходим к п. 16, при большом ∆ – к п. 8.

8.ЕслиЦТ < Цн.Т – переходим к п. 14.

9.Если есть необходимость в уменьшении ЦТ и срока твердения - переходим к п. 10,при: Ц=ЦТ, переходим к п. 16.

10.Применяем один из способов уменьшения ЦТ и t:

•увеличение tб.н. и уменьшение tб.к. – переходим к п. 2;

•введение ускорителей твердения – переходим к п.3;

•снижение необходимого уровня прочности бетона – переходим к п.3;

•замена вида цемента – переходим к п.5;

•замена марки цемента того же вида – переходим к п. 1;

•уменьшение водопотребности смеси – переходим к п. 1;

•уменьшение теплопроводности опалубки – переходим к п.4.

304

продолжение табл.4.33

11.Принимаем Ц = (ЦТ + Цн.Т.)/2.

12.Находим ожидаемую прочность бетона при новых расходах цемента.

13.Устанавливаем фактический уровень прочности бетона до момента замерзания – переходим к п. 3.

14.Если есть возможность снижения стоимости работ – переходим к п.15,нет – кп. 16.

15.Снижаем стоимость работ одним из способов:

•упрощаем конструкцию опалубки – переходим к п. 4;

•снижаем tб.к. – переходим к п. 2.

16.Определяем расход заполнителей по методу абсолютных объемов.

17.Вычисляем стоимость выполнения работ СТ.

18.Определяем по(4.69) энергозатраты на строительной площадке Q.

19.Вибираем оптимальный вариант выполнения работ из условия принятого критерия с учетом ограничений по ресурсам.

Пример 4.17. Запроектировать составы бетона с проектной прочностью R = 20 МПа для фундамента с модулем поверхности Мп = 6. Бетон затвердевает в условиях термосного выдерживания. Для изготовления бетонной смеси с ОК = 5 ... 7 см используется портландцемент М400 , песок Мк = 2,0 , щебень 5 ... 40 мм . Содержание отмучиваемых примесей в песке 2% , щебне - 1 %.. До замерзания бетон должен иметь прочность не менее 14 МПа ( 70 % проектной) . Для изготовления опалубки используют доски толщиной 25 мм . Температура нагрева бетонной смеси в бетоносмесителе 35 ° С. Начальная температура твердения бетона tб.н = 27 ° С,

конечная tб.к = 5 ° С.

Используем алгоритм, приведеный в табл. 4.33.

1. Рассчитаем состав бетона нормального твердения (базовый состав):

Водопотребность смеси (табл. 4.10) В=185 л/м3. Расход цемента: Цн.Т.=185/0,75 =247 кг/м3.

305

2. Найдем согласно заданных условий по формуле (4.58) расчетную температуру твердения бетона:

3. Расчитаем коэффициент теплопередачи опалубки (доски толщиной δ=25 мм). Используем формулу:

K = 1 1 δ ,

α + λ

где α – коэффициент теплоотдачи. Для досок α = 23(м2·°С)/Вт; λ – коэффициент теплопроводности, λ = 0,18 Вт/(м·°С).

4. Необходимый срок твердения бетона по (4.62):

1000

τ= = 14,4 сут (345,6 ч).

0,012 14,8

5.Для расчета расхода цемента из условия тепловыделения рассчитаем по (4.64) удельное тепловыделение цемен-0.37 14.8 −25.7 14.8+814

6.Расход цемента из условия тепловыделения по

(4.67):

ЦТ =[5,48 6 (14,8 −0)345,6 −1,05 2400(27 −5)]/ 274,3 = 451кг/ м3 .

Для проектирования рационального (по технологическим и экономическим показателям) состава бетона рассмотрим несколько путей:

1.Увеличение прочности бетона за счет расхода цемента.

2.Увеличение прочности бетона за счет уменьшения водопотребности бетонной смеси при введении суперпластификатора.

3.Снижение теплопроводности опалубки за счет изменения ее конструкции.

4.Применение цемента с большей экзотермией.

306

5. Применение добавки-ускорителя твердения.

Составы бетонов, найденные для каждого из указанных вариантов, приведены в табл. 4.34.

Таблица 4.34 Варианты состава бетона при термосном бетонировании

Примечания. 1. Расход добавки в пересчете на сухое вещество. 2. Состав опалубки: доски - 25 мм; слой толя; минеральная вата - 40 мм; фанера - 10 мм. 3. Использован портландцемент марки 500.

Наиболее дешевым и приемлемым вариантом оказался вариант 4, который предусматривает увеличение экзотермии цемента, за счет повышения его марки.

Бетон для условий сухого жаркого климата. При проектиро-

вании составов бетона для условий сухого жаркого климата необходим учет температурно-влажностных условий не только при твердении конструкций, но и на стадии изготовления бетонной смеси и ее укладки в форму или опалубку.

307

Температура воды,0С

Температура бетона,0С

Температура заполнителей,0С

Рис. 4.10. Зависимость между температурой бетонной смеси и температурой ее компонентов

Повышенная начальная температура бетонной смеси (tб.н) , которую можно ориентировочно определить в зависимости от температуры воды и твердых компонентов смеси по рис. 4.10 , влияет на водопотребность смеси, необходимую для достижения заданной подвижности и на изменение подвижности во времени. Она способствует при ненадлежащем влажностном уходе повышенной скорости испарения воды из бетонной поверхности и пластическому трищинообразованию. С повышением температуры бетонной смеси возрастает удельное тепловыделение бетона и опасность развития недопустимых термических градиентов в массивном бетоне.

308

споверхностибетонанеболее0,5 кг/м2·час. Взаимосвязьуказанныхвыше параметровустанавливаетсяспомощьюномограммы(рис. 4.11).

Ниже приведены схемы алгоритмов проектирования составов бетонных смесей для массивных и немассивных конструкций (табл.

4.35, 4.36) при необходимости температурного регулирования с целью предотвращениятрещинообразованияисоответствующиепримеры.

Таблица4.35 Схемаалгоритмадлярасчетасоставовбетонамассивныхконструкций

принеобходимоститемпературногорегулирования

1.Определяют необходимое В/Ц и расходы компонентов бетонной смеси, исходяиззаданногокомплексасвойств.

2.Определяютначальнуютемпературубетоннойсмеси t1см порис. 4.10.

3. Определяют начальную температуру бетонной смеси t2см по

рис. 4.11, при которой скорость испарения воды с поверхности твердеющего бетона не превышает 0,5 кг/м3·ч (из условия предотвращения раннегопластическогорастрескивания).

4. Определяют начальную температуру бетонной смеси, t3см , исходя из

состава смеси для предотвращения критических температурных градиентоввбетонноммассивепоформуле(4.58).

5. Выбирают наименьшую из температур t1см , t 2см и t3см , которую принимаютзаначальнуюнеобходимуютемпературубетоннойсмеси tнсм .

6. Устанавливают начальную температуру бетонной смеси tнсм сучетом

1

имеющихся технических средств для охлаждения исходных компонен-

При необходимости выбирают способ достижения необходимого Q (снижение удельного тепловыделения цемента q за счет перехода на другой вид цемента, уменьшение расхода цемента за счет применения пластифицирующихдобавокидр.) икорректируютсоставбетоннойсмесисучетом влияниятемпературынаводопотребностьбетоннойсмеси.

правленные на достижение выбранной tнсм начальной температуры и насохраненияеенанеобходимомуровневпроцессетвердениябетона.

Примечание. Алгоритм рекомендуется применять для проектирования составовбетона для конструкцийсмодулем поверхности Мп ≤3.

310