CC BY
155
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 693.547.3:539.4
Ю.Г. Барабанщиков
д-р техн. наук, профессор, кафедра «Строительство уникальных зданий и сооружений»,
Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
К.В. Семенов
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительная механика и строительные конструкции»,
Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
А.Я. Стручкова
магистрант,
кафедра «Строительная механика и строительные конструкции»,
Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
С.С. Мановицкий
магистрант,
кафедра «Строительная механика и строительные конструкции»,
Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
ОЦЕНКА УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТВЕРДЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В РАСЧЕТАХ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВНЫХ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы термической трещиностойкости массивных бетонных и железобетонных конструкций в строительный период. Приведены результаты расчетного исследования влияния температуры твердения бетона на его теплофизические свойства. Термическая трещиностойкость бетона оценивается по деформационному критерию.
Ключевые слова: массивные бетонные и железобетонные конструкции, строительный период, экзо-термия цемента, термонапряженное состояние, термическая трещиностойкость.
Yu.G. Barabanshchikov, St. Petersburg State Polytechnical University K.V. Semenov, St. Petersburg State Polytechnical University A.Ya. Struchkova, St. Petersburg State Polytechnical University S.S. Manovitsky, St. Petersburg State Polytechnical University
ESTIMATE OF HARDENING TEMPERATURE IMPACT ON THE HEAT DISSIPATION PROCESS IN THE CALCULATIONS OF THERMAL STRESSED STATE OF MASSIVE CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURES IN THE BUILDIHG PERIOD
Abstract. The paper deals with the thermal cracking resistance of the massive concrete and reinforced concrete structures during the building period. The results of research of the concrete hardening temperature affect its thermal-physical properties. The concrete thermal cracking resistance is estimated on the deformation criterion
Keywords: massive concrete and reinforced concrete structures, building period, exothermic reaction of cement, thermal stressed state, thermal cracking resistance.
Введение
В настоящее время при проектировании и строительстве массивных бетонных конструкций много внимания уделяется вопросам регулирования температурного режима бетонной
смеси в строительный период. Это вызвано тем, что вследствие тепла гидратации цемента при твердении бетона выделяется значительное количество тепла, которое приводит к повышению температуры бетона. Возникающие при этом неравномерные температурные поля в конструкции порождают растягивающие термонапряжения, сначала на поверхности плиты, а затем в ее центральных зонах, и являются основной причиной образования температурных трещин [1].
Для предотвращения трещинообразования в бетонных массивных блоках применяются комплекс конструктивных и технологических мероприятий по возведению, влияющих на термонапряженное состояние бетона [2].
Расчеты термонапряженного состояния бетонных массивов в строительный период, и оценка трещиностойкости относятся к категории сложных задач механики твердого деформированного тела. Часть исследователей подходят к решению этих задач в упрощенной постановке. В части методик, используемых в практических расчетах в настоящее время, не учитывается влияние температуры твердения на тепловыделение бетона [6; 12] и его деформатив-ные характеристики [3; 4; 5; 13].
Цель работы
Целью настоящей работы является оценка учёта влияния температуры твердения на процесс тепловыделения массивных бетонных и железобетонных конструкций в расчетах термонапряженного состояния и трещиностойкости в строительный период.
Постановка задачи
Расчет термонапряженного состояния бетонной фундаментной плиты в период твердения проводится с помощью программы TERM, разработанной на кафедре строительных конструкций и материалов СПбПУ [8]. Программа учитывает влияние температуры на теплофизиче-ские и деформативные характеристики бетона. Для оценки термической трещиностойкости бетонной фундаментной плиты используется деформационный критерий, предложенный П.И. Васильевым и предусмотренный в СП 41.13330.2012 [10]. Согласно этому критерию, деформации удлинения бетона не должны превышать предельной растяжимости бетона. Поскольку плановые размеры плиты существенно превосходят её высоту, для центральной части фундаментных плит с достаточной степенью точности возможно рассмотреть одномерную расчетную схему, при которой напряжение и температура являются функциями одной пространственной координаты - вертикальной (рис. 1).
Исходные данные
Рассматривается фундаментная плита (толщина варьируется от 1,0 до 3,0) из бетона В35 с расходом цемента 340 кг/м3. Плиты опираются на слой бетонной подготовки В12,5 по грунтовому основанию. Теплофизические характеристики бетона В35 приняты следующими: теплопроводность бетона /=2,67 Вт/(м°С), удельная теплоёмкость с=1,0 кДж/(кг°С). Температура воздуха 20°С, бетонной смеси 20°С. Верхняя поверхность плиты открыта - не имеет специальной теплоизоляции.
А1
Фундлздетэия Ei linn HS5
t 'TOfl rilVSpiMI HVISSIIHI ЕЙМЧ'ННП* 1№ДГ£ПЧЧ№П| В 1.2.5
Рисунок 1 - Расчётная схема фундаментной плиты
Процесс тепловыделения описывается уравнением И.Д. Запорожца [11]. Параметры уравнения И.Д. Запорожца получены на основе экспериментальных данных по тепловыделению бетона:
__1_
о —) = атах [1 -(1+а—[1]
Здесь Отах является пределом, к которому стремится тепловыделение бетона; АТ- коэффициент темпа тепловыделения, характеризующий скорость тепловыделения при постоянной температуре Т; т - порядок реакции гидратации по воде, который для портландцемента в зависимости от вида применяемых добавок составляет от 1,1 до 2,3.
Влияние температуры твердения на тепловыделение бетона осуществляется с помощью температурной функции:
Т-Т2
Т = 2 г ,
где £ - характеристическая температурная разность. При Т1 - Т2 = £ температурная функция составит, ^ = 2, т.е. при повышении температуры на £ градусов, скорость тепловыделения увеличится в 2 раза.
В настоящей работе используется гипотеза «приведенного времени», согласно которой в моменты равных тепловыделений 01 = О2, где 01 и 02 - значения тепловыделения при температурах, соответственно, Т1 и Т2, отношение скоростей тепловыделения, а также соответствующих сроков т2 и т1 остается постоянным на протяжении всего процесса, и равным температурной функции:
(эО / э—
(ЭО / Эт)
■ = — = и = оопв(.
Параметры процесса тепловыделения определялись экспериментально: удельное тепловыделение цемента д = О / Ц = 482,2 кДж/кг; коэффициент темпа роста тепловыделения при 20°С А20 = 2,1210 -6 с-1. Расход цемента в бетоне составлял Ц = 360 кг/м3.
Исследование учета влияния температуры твердение на процесс тепловыделения а) Анализ температурных полей в конструкции с учетом и без учета влияния температур на тепловыделение
Рисунок 2 - График зависимости температур в центре, на верхней и на нижней поверхностях плиты от времени без учёта и с учетом влияния температуры на тепловыделение
Проиллюстрируем результаты расчетов на примере плиты толщиной 2,0 м. График изменения значений температуры в контрольных точках плиты (верхняя поверхность, нижняя поверхность и центр) приведены на рисунке 2.
2
Анализ результатов показывает следующее:
1. Характер изменения температуры в центре и на верхней поверхности фундаментной плиты во времени в обоих случаях одинаковы.
2. Без учета влияния температуры твердения на процесс тепловыделение (пунктирные линии), максимальная температура в центре плиты достигается на 5 сутки с момента укладки смеси, и равна 47,5°С, а на верхней поверхности наблюдается на 3 сутки и равна 24,9°С.
3. Учет влияния температуры (сплошная линия), дает образование пика температуры 63,8°С в центре плиты на 3 сутки, а на верхней поверхности пик возникает на 2 сутки и равен 28,2°С.
Таким образом, неучёт влияния температуры твердения на процесс тепловыделения приводит к занижению температуры в центре плиты на 26%, а на верхней поверхности на 12%. Момент образования пика подъема температур в конструкции сдвигается на более ранний период (с 5 суток на 3 сутки).
б) Анализ термонапряжений в конструкции с учетом и без учета влияния температур на тепловыделение.
На рисунке 3 изображены графики изменения напряжений в контрольных точках фундаментной плиты (верхняя поверхность, нижняя поверхность и центр) без учета и с учетом температуры твердения на тепловыделение бетона.
Изменение термонапряженнп в центре н на верхней поверхности плиты бе1* учета п с учетом влияния температуры на тепловыделение
Рисунок 3 - График зависимости термонапряжений в центре, на верхней и нижней поверхностях плиты от времени без учёта и с учетом влияния температуры
на тепловыделение
Анализ результатов показывает следующее:
1. Из графиков видно, что характер изменения термонапряжений в центре, и на верхней поверхности плиты одинаковы.
2. Наибольшие напряжения в момент пика экзотермического разогрева, без учета влиянии температуры на тепловыделение (красная пунктирная линия), наблюдаются на 4 сутки и составляют: растягивающие на поверхности плиты - 14,1 кг/см2, сжимающие в центре плиты -5,8 кг/см2. В первые сутки наблюдается образование трещин на поверхности плиты - критерий трещиностойкости не выполняется на 35%. Толщина поверхностного слоя теплоизоляции, обеспечивающего отсутствие трещин составляет 0,5 см, (коэффициент теплопроводности теплоизоляции Л=0,03 Вт/м °С).
3. С учетом влияния температуры твердения на процесс тепловыделения, наибольшие напряжения наблюдаются на 3 сутки и составляют: растягивающие на поверхности плиты -
24,8 кг/см2, сжимающие в центре плиты - 9,4 кг/см2. Образование трещин наблюдается в первые сутки (критерий не выполняется на 61%). Толщина поверхностного слоя теплоизоляции, обеспечивающего отсутствие трещин составляет 6,1 см, (коэффициент теплопроводности теплоизоляции Л=0,03 Вт/м °С).
Таким образом, неучёт влияния температуры твердения на процесс тепловыделения приводит к занижению растягивающих напряжений на верхней поверхности плиты на 43%, а сжимающих в центре плиты на 38%. Кроме того, опасное растяжение возникает на более ранних сроках (сдвиг на одни сутки). Полученные результаты, близки к натурным данным [9].
С увеличением толщины фундаментной плиты наблюдалось увеличение температуры твердения в центре, на верхней и на нижней поверхностях плиты, а также увеличились термонапряжения в этих контрольных точках (рис. 4, 5, 6).
Изменение температуры в центре плиты бе» учета н с учетом влияния температуры на тепловыделение
80
"О
60
я 50
5 40 371
£ 30 20 ■ 10 ■
О ---
12 3
Толщина, м
- • - центр, без учета —^— центр, с учетом
Рисунок 4 - График изменение температур в центре плиты в зависимости от толщины без учёта и с учетом влияния температуры на тепловыделение
-о
60
о 50
40
я
к ДО
н
2 0
10
0
Пшененае температуры на верхней н на нижней поверхностях шиты бе * учета II с учетом влияния температуры на тепловыделение
60,7
50,1
41,83
28,57 28,2 28,1
»
2^,98^.
24,43 24,95 24,98
1 2
Толщина, м
- - верх, бе? учета
— • — низ, без учета
верх, с учетом - низ, с учетом
Рисунок 5 - График изменение температур в нижней и на верхней поверхностях плиты в зависимости от толщины без учета и с учётом влияния температуры
на тепловыделение
Изменение термонапряженпн в центре п на верхней поверхности платы беч учета п с учетом влияния температуры на тепловыделение
40 -|
30 -
са
Г:
20 -
US
а-
аз 10 -
В
= О -
щ
10 -
-20 -
24,77 29,88
18,69
9,4 14,07 ____-i*
5,04 » - '
1.88 зд 5,86 ----- 9,45
9,43 W -12,26
Толщина, м
— V — йг: учета, верх — # — без учета, центр
V с учетом, верх —У—с учетом, центр
Рисунок 6 - График зависимости изменения термонапряжений в центре и на верхней
поверхности плиты в зависимости от толщины плиты без учета и с учётом влияния
температуры на тепловыделение
Заключение
1. Неучёт влияния температуры твердения на процесс тепловыделения массивных бетонных и железобетонных конструкций при расчетах термонапряженного состояния приводит к существенному занижению температуры в контрольных точках (до 26%) и растягивающих напряжений (до 43%) на поверхности плиты.
2. Определенные без учета влияния температур безопасные толщины поверхностной теплоизоляции, имеют существенные отклонения от аналогичных значений, полученных с учетом такого влияния. Отклонения составляли 92%.
3. При увеличении толщины плиты с 1,0 до 3,0 м, учет влияния температуры приводит к увеличению максимальной температуры в теле плиты от 22 % до 52%, а максимальной деформации удлинения на поверхности плиты от 21% до 60%.
Список литературы:
1. Александровский C.B. Расчёт бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учётом ползучести. М.: Стройиздат, 1973. 444 с.
2. Гаркун Л.М., Епифанов А.Б. Методы воздействия на напряженное состояние бетонных массивов гидротехнических сооружений. М.: Энергоатомиздат, 1987. 112 с.
3. Гинзбург С.М., Шейнкер Н.Я., Добрецова И.В., Вознесенская Н.В. Исследования по термике бетонных сооружений // Известия ВНИИГ. 2011. Т. 263. С. 87-97.
4. Крат Т.Ю., Рукавишникова Т.Н. Оценка температурного режима и термонапряженного состояния блоков водослива при различных условиях бетонирования // Известия ВНИИГ. 2007. Т. 248. С. 77-85.
5. Цыбин А.М. Программа быстрого расчета термонапряженного состояния системы наращиваемых бетонных блоков // Известия ВНИИГ. 2000. Т. 237. С. 69-76.
6. Зиневич Л.В. Применение численного моделирования при проектировании технологии обогрева и выдерживания бетона монолитных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2 (20). С. 24-28.
7. Малинин Н.А. Исследование термонапряженного состояния массивных бетонных конструкций с переменными деформативными характеристиками: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1977. 22 с.
8. Семенов К.В. Температурное и термонапряженное состояние блоков бетонирования корпуса высокого давления в строительный период: дис. ... канд. техн. наук: Спец. 05.23.01. Л., 1990.156 с
9. Семенов К.В., Барабанщиков Ю.Г. Термическая трещиностойкость массивных бетонных фундаментных плит и ее обеспечение в строительный период зимой // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 2 (17). С 125-135.
10. СП 41.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений.
11. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. М.: Строй-издат, 1966. 316 с.
12. Kim S.G. Effect of heat generation from cement hydration on mass concrete placement, Civil Engineering, Iowa State University, Master of Science Thesis. 2010. 126 p.
13. Shengxing W., Donghui H. Estimation of cracking risk of concrete at early age based on thermal stress analysis // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2011. Vol. 105. Issue 1. P.171-186.
