CC BY
24Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 693.54.324
Л.М. КОЛЧЕДАНЦЕВ, д-р техн. наук ([email protected])
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4)
Прогнозирование свойств бетона при его выдерживании по способу термоса
Рассмотрены суть и рациональная область применения способа термоса, существенная методика расчета режима выдерживания бетона по способу термоса, отмечены ее недостатки. Предложена усовершенствованная методика расчета, основанная на определении температуры и прочности бетона через определенные промежутки времени, например через каждые 12 ч. Температуру и прочность бетона в каждом расчетном интервале времени предложено выполнить с использованием разработанного для этих целей автоматизированного расчетного комплекса. Предлагаемая методика позволяет повысить точность расчетов и существенно сократить трудоемкость их выполнения.
Ключевые слова: зимнее бетонирование, метод термоса, методика расчета, температура, время, относительная прочность.
L.M. KOLCHEDANTSEV, Doctor of Sciences (Engineering) Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2-nd Krasnoarmeiskaya Street, 190005, St. Petersburg, Russian Federation)
Prediction of Concrete Properties when Curing It by Thermos Method
The essence and rational area of the thermos method application, essential technique of calculation of concrete curing conditions by the thermos method are considered; its shortcomings are pointed out. An improved method of calculation based on determining the temperature and strength of concrete at certain intervals of time, after every 12 hours for example, is proposed. It is proposed to determine the temperature and strength of concrete at each calculated interval of time with the use of the automated calculation complex developed for these purposes. The proposed methods make it possible to improve the accuracy of calculations and significantly reduce the complexity of their execution.
Keywords: winter concreting, thermos method, calculation technique, temperature, time, relative strength.
Примерно половина территории России относится к зонам с суровыми климатическими условиями, что предопределяет необходимость принятия специальных мер по предотвращению замораживания бетона в раннем возрасте. Одним из наиболее эффективных и распространенных способов зимнего бетонирования конструкций с модулем поверхности 6-8 м-1 является способ термоса. Чем массивнее конструкции (меньше модуль поверхности), тем эффективнее применение способа термоса.
В жилищно-гражданском строительстве способом термоса целесообразно выдерживать фундаментные плиты, стены толщиной не менее 300 мм и др. конструкции. Перспективно применение этого способа при возведении высотных зданий с размещением бетоносмесительного узла на строительной площадке [1].
Суть способа термоса, предложенного еще в 1910 г. проф. Н.А. Кириенко, заключается в следующем. В процессе приготовления бетонной смеси в нее вводится тепло путем подогрева воды, щебня и песка с таким расчетом, чтобы на выходе из бетоносмесителя температура смеси была не более 35-25оС в зависимости от минералогического состава цемента.
Доставленную на объект подогретую бетонную смесь традиционным способом укладывают в опалубку, уплотняют, ее открытые поверхности укрывают пленкой, утепляют и твердеющий бетон выдерживают по методу термоса. Тепло, внесенное в бетонную смесь при ее приготовлении, и тепло экзотермии цемента, выделяющееся в процессе его выдерживания через трое-четверо суток, обеспечивает
прочность не менее критической. Качество бетона сопоставимо с качеством бетона нормального твердения. Удельные энергозатраты на подогрев бетонной смеси составляют 35+5 кВт-ч/м3.
Существующий (традиционный) подход к определению времени остывания бетона и набранной им за это время прочности заключается в следующем.
1. Формируются исходные данные, включая: размеры конструкции; класс бетона; удельный расход и марку цемента; материалы и толщину опалубки и утеплителя; температуру бетонной смеси на выходе из бетоносмесителя; время и способ транспортирования бетонной смеси; способ ее укладки; календарное время (месяц) выполнения работ.
2. По известным формулам, приведенным, например, в [2, 3], определяются:
а) модуль поверхности (Мп);
б) коэффициент теплопередачи охлаждаемых поверхностей (К);
в) температура бетона к началу выдерживания (Гбн);
г) средняя температура за время остывания конструкции (Гбхр).
3. Определяется продолжительность остывания конструкции без учета влияния экзотермии цемента (т'):
Сб'Уб' ^б.к)
т = -
3,6КМп-('б.ср-'н.в)
(1)
где
- удельная теплоемкость бетона, равная 1,05 кДж/(кгоС); Уб - объемная масса бетона, кг/м3; *н.в - температура наружного воздуха, оС (принимается по
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Large-panel housing construction
Таблица 1
Кинетика нарастания прочности бетона в процентах от Р28 при t=18оС (по Г.Д. Вишневецкому)
Целые сутки Десятые доли суток
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0 0,8 7,9 11,1 13,6 15,6 17,4 19 20,4 21,7 23
1 24,2 25,3 26,3 27,4 28,3 29,2 30,1 31,0 31,8 32,6
2 33,4 34,2 34,9 35,6 36,3 37 37,7 38,3 39,0 39,6
3 40,2 40,8 41,4 42,0 42,6 43,1 43,7 44,2 44,7 45,2
4 45,8 46,3 46,89 47,2 47,7 48,2 48,7 49,1 49,6 50
5 50,5 50,9 51,4 51,8 52,2 52,6 53 53,4 53,8 54,2
6 54,6 55 55,4 55,8 56,2 56,5 56,9 57,3 57,6 58
7 58,4 58,78 59,1 59,4 59,8 60,1 60,4 60,8 61,1 61,4
8 61,8 62,1 62,4 62,7 63 63,3 63,6 64 64,3 64,6
9 64,9 65,2 65,5 65,7 66 66,3 66,6 66,9 67,2 67,5
10 67,7 68 68,3 68,6 68,8 69,1 69,4 69,6 69,9 70,2
11 70,4 70,7 70,9 71,2 71,4 71,7 71,9 72,2 72,4 72,7
12 72,9 73,2 73,4 73,7 73,9 74,1 74,4 74,6 74,8 75,1
13 75,3 75,5 75,7 76 76,2 76,4 76,6 76,9 77,1 77,3
14 77,5 77,7 78 78,2 78,4 78,6 78,8 79 79,2 79,4
15 79,6 79,8 80 80,2 80,4 80,7 80,9 81,1 81,2 81,4
16 81,6 81,8 82 82,2 82,4 82,6 82,8 83 83,2 83,4
17 83,6 83,7 83,9 84,1 84,3 84,5 84,7 84,8 85,0 85,2
18 85,4 85,6 85,7 85,9 86,1 86,3 86,4 86,6 86,8 87
19 87,1 87,3 87,5 87,6 87,8 88 88,1 88,3 88,5 88,6
20 88,8 89 89,1 89,3 89,5 89,6 89,8 89,9 90,1 90,3
21 90,4 90,6 90,7 90,9 91 91,2 91,3 91,5 91,6 91,8
22 92 92,1 92,3 92,4 92,6 92,7 92,9 93 93,1 93,3
23 93,4 93,6 93,7 93,9 94 94,2 94,3 94,4 94,6 94,7
24 94,9 95 965,2 95,3 95,4 95,6 95,7 95,8 96 96,1
25 96,3 96,4 96,5 96,7 96,8 96,9 97,1 97,2 97,3 97,5
26 97,6 97,7 97,8 98 98,1 98,2 98,4 98,5 98,6 98,7
27 98,9 99 99,1 99,3 99,4 99,5 99,6 99,8 99,9 100
СП 131.13330.2012. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» с учетом конкретных условий строительства); *б.к - температура бетона к окончанию выдерживания (принимается не менее +5оС); ^б.н - температура бетона к началу выдерживания; ¿б.ср - средняя температура твердения бетона; К - коэффициент теплопередачи охлаждаемых поверхностей; Мп - модуль поверхности.
4. Определяется величина тепловыделения цемента (Э) за время х' при средней температуре твердения бетона (*б.ср) с использованием таблиц, приведенных в [2, 3].
5. Определяется продолжительность остывания конструкции (т) с учетом влияния экзотермии цемента:
сб ■ Те- (Г6.н- 'б.к) +ЦЭ = т. 3,6 • К- Мп - (^-^.л (2)
где Ц - удельный расход цемента, кг/м3; Э - тепловыделение цемента при средней температуре твердения (¿6ср) за время твердения (т).
6. По графикам нарастания прочности бетона в зависимости от ^б.ср и т, приведенным в [2, 3], определяется прочность бетона за время его выдерживания.
К числу недостатков существующей методики относятся: продолжительность остывания бетона для случая без учета экзотермического тепловыделения не соответствует реальной ситуации; средняя температура бетона рассчитывается на весь период его выдерживания, а набираемая им прочность определяется на конец расчетного периода, что не позволяет прогнозировать набор прочности во времени.
10'2015 ^^^^^^^^^^^^^
Автором данной статьи предложена методика расчета режима выдерживания бетона по способу термоса, устраняющая указанные недостатки. По существующей методике формируются исходные данные (п. 1), определяются модуль поверхности (п. 2, а), коэффициент теплопередачи охлаждаемых поверхностей (п. 2, б) и температура бетона к началу выдерживания (п. 2, в). Температуру твердеющего бетона будем определять через определенные промежутки времени, например через каждые 12 ч, путем сопоставления теплосодержания бетона к началу расчетного периода, включая тепловыделение цемента (левая часть уравнения Б.Г. Скрамтаева), с теплопотерями бетона в окружающую среду (правая часть уравнения).
Уравнение (2) примет вид:
С6 • уб- ^б,+ЦЭ,. = г, ■ 3,6 • К-Мп(/бг- - *н.в), (3)
где /6, - температура бетона к началу расчетного (/-го) промежутка времени, оС; Э,- - тепловыделение цемента нарастающим итогом к окончанию каждого расчетного промежутка времени, определяется по средней температуре твердения в предыдущих расчетных промежутках времени, кДж. Определяется с использованием таблиц, приводимых в [2, 3]; т, - расчетный промежуток времени нарастающим итогом, т. е. т,- = 12, 24, 36, 48 и т. д., ч; Сб - удельная теплоемкость бетона, равна 1,05 кДж/(кгоС); Уб - объемная масса бетона, кг/м3; К - коэффициент теплопередачи охлаждаемых поверхностей; Мп - модуль поверхности.
- 35
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
t 0С Интервал между измерениями, в час
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 0 0 0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3
12 0 0 0 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3
14 0 0 0 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3
16 0 0 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4
18 0 0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4
20 0 0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5
22 0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5
24 0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7
26 0 0,1 0,2 0,2 0,4 0,41 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7 0,8
28 0 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7 0,8 0,9
30 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7 0,8 0,9 1
32 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
34 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,3
36 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 1,2 1,3 1,4
38 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6
40 0,1 0,3 0,4 0,6 0,7 0,9 1 1,2 1,4 1,5 1,7 1,8
42 0,1 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,2 1,4 1,5 1,7 1,9 2,1
44 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3
46 0,2 0,4 0,6 0,8 1,1 1,3 1,5 1,7 2 2,2 2,4 2,6
48 0,2 0,5 0,7 1 1,2 1,5 1,7 2 2,2 2,5 2,7 3
50 0,2 0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 1,9 2,2 2,5 2,8 3,1 3,4
52 0,3 0,6 0,9 1,2 1,6 1,9 2,2 2,5 2,8 23,2 3,5 3,8
54 0,4 0,7 1 1,4 1,8 2,1 2,5 2,8 3,2 3,6 3,9 4,3
56 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8
58 0,5 0,9 1,3 1,8 2,3 2,7 3,2 3,6 4,1 4,6 5 5,5
60 0,5 1 1,5 2 2,5 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1 5,7 6,2
62 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4 4,6 5,2 5,8 6,4 7
64 0,6 1,3 1,9 2,6 3,2 3,9 4,6 5,2 5,9 6,5 7,2 7,9
66 0,7 1,4 2,2 2,9 3,7 4,4 5,2 5,9 6,6 7,4 8,1 о> со
68 0,8 1,6 2,5 3,3 4,1 5 5,8 6,7 7,5 8,3 9,2 10
70 0,9 1,8 2,8 3,7 4,7 5,6 6,6 7,5 8,5 9,4 10,3 11,3
72 1 2,1 3,1 4,2 5,3 6,3 7,4 8,5 9,5 10,6 11,7 12,7
74 1,2 2,4 3,6 4,8 6 7,2 8,4 9,6 10,8 12 13,2 14,4
76 1,3 2,7 4 5,4 6,7 8,1 9,4 10,8 12,1 13,5 14,9 16,2
78 1,5 3 4,5 6,1 7,6 9,1 10,6 12,2 13,7 15,2 16,8 18,3
80 1,7 3,4 5,1 6,8 8,6 10,3 12 13,7 15,4 17,2 18,9 20,6
82 1,9 3,8 5,8 7,7 9,7 11,6 13,5 15,5 17,4 19,4 21,3 23,3
84 2,1 4,3 6,5 8,7 10,9 13,1 15,3 17,5 19,7 21,8 24 26,2
86 2,4 4,9 7,4 00 с» 12,3 14,8 17,2 19,7 22,2 214,6 27,1 29,6
88 2,7 5,5 8,3 11,1 13,9 16,6 19,4 22,2 25 27,8 30,6 33,3
90 3,1 6,2 9,4 12,5 15,6 18,8 21,9 25,1 28,2 31,3 34,54 37,6
Левая часть уравнения (3) представляет собой теплосодержание бетона 0УС к окончанию 1-го промежутка времени:
0Т=с6-у^ы+цэ, (4)
Правая часть уравнения (3) представляет собой тепло-потери бетона к окончанию г'-го промежутка времени:
0™=тг..З,6.К.Мп-О6л.-^в). (5)
Температура бетона к концу выдерживания г'-го промежутка времени определяется по формуле:
ОТ-ОТ сб- Уб '
(6)
Зная температуру твердеющего бетона на каждом расчетном промежутке времени, по методике, изложенной в [2, 3], можно определить относительную прочность бетона в каждом расчетном промежутке времени.
Знание температуры в твердеющем бетоне позволяет корректировать режим его выдерживания путем дополнительного утепления или подвода тепла, например в случае резкого похолодания [4-9]. Информация о температуре твердеющего бетона и времени его замеров позволяет определять относительную прочность бетона (по отношению к марочной) через относительный возраст бетона. Методика разработана Г.Д. Вишневецким (Г.Д. Вишневецкий. Расчет прочности бетона при его термообработке. Ч. 1. На-
Научно-технический и производственный журнал
Large-panel housing construction
растание прочности бетона, Л.: ЛДНТП, 1963. 38 с.). Автором эта методика усовершенствована с целью представления ее основополагающих положений в виде, удобном для инженерной реализации.
За начало отсчета времени твердения принимается начало схватывания цемента в бетоне. В этот момент прочность считается нулевой. За 100% принимается прочность в 28-дневном возрасте при температуре +18оС. Однако прочность продолжает расти. Практически значимый прирост прочности, по данным Г.Д. Вишневецкого, заканчивается через 339,6 сут. Кинетика набора прочности при постоянной температуре +18оС описывается уравнением:
пз!
^ =157 1
"(iL) ]
(7)
где т - текущее время набора прочности, сут; т^ - 339,6 сут.
По формуле (7) рассчитана относительная прочность бетона в процентах от R28 в возрасте бетона от нуля до 28 сут с точностью до десятой доли суток. Данные расчета сведены в табл. 1.
Известно, что скорость твердения бетона возрастает с увеличением его температуры. Поэтому время набора прочности бетона уменьшается. По Г.Д. Вишневецкому время твердения бетона при высокой температуре в соотношении:
£?Т(18) =1,41- di{t) • ехр ■ (0,06 ■ i-4,6), (8)
где fiÎT(i8) - интервал времени твердения при +18оС, сут; dx^ - интервал времени твердения при температуре г°С, ч.
По формуле (8) рассчитаны значения длительностей выдержки бетона в сутках, приведенные к изотерме 18оС, в зависимости от интервала времени замера и его средней температуры. Данные расчета представлены в табл. 2.
Разработана инструкция по оперативному контролю прочности бетона, в соответствии с которой по данным времени замера температуры и значений температуры вначале по табл. 2 определяется относительный возраст бетона, затем по табл. 1 - его относительная прочность.
В целях сокращения трудоемкости расчета режима выдерживания бетона способом термоса по предлагаемой методике студентом А.Д. Егозаровым под руководством проф. Л.М. Колчеданцева разработана программа «Concreto Termo» на платформе Microsoft Visual Studio с использованием языка программирования Visual Basic. Программа откомпилирована и не требует установки, что позволяет запустить ее на всех версиях ОС Windows, а также с любого флэш-носителя.
Указанная методика используется при разработке технологических карт и в учебном процессе.
Список литературы
1. Колчеданцев Л.М., Волков С.В., Дроздов А.Д. Организация строительной площадки для возведения высотных зданий при размещении приобъектного бетоносме-сительного узла // Жилищное строительство. 2015. № 2. С. 38-41.
2. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / НИИЖБ. М.: РААСН, 2005. 245 с.
3. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. М.: Стройиз-дат, 1982. 312 с.
4. Сердюкова А.А., Рахимбаев Ш.М. Влияние пониженных температур на кинетику твердения цементных систем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 49-52.
5. Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Яковлев Е.А., Шейчен-ко М.С. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 30-33.
6. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Закин-чак Г.Н., Соколов А.М. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 2-7.
7. Федосов С.В., Крылов Б.А., Бобылев В.И., Пыжиков А.Г., Красносельских Н.В., Соколов А.М. Применение электротепловой обработки железобетонных изделий на полигонных установках // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 35-38.
8. Башлыков В.Н., Сиротин П.Н. Специальные цементы для производства бетонных работ в зимнее время // Строительные материалы. 2010. № 2. С. 49-52.
9. Садович М.А. Методы зимнего бетонирования. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. 104 с.
References
1. Kolchedantsev L.M., Volkov S.V., Drozdov A.D. The organization of a building site for construction of high-rise buildings at placement of priobjektny betonosmesitelny knot // Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 2, pp. 38-41. (In Russian).
2. Rukovodstvo po progrevu betona v monolitnykh konstruk-tsiyakh / NIIZhB. M.: RAASN, 2005. 245 р. (In Russian).
3. Rukovodstvo po proizvodstvu betonnykh rabot v zimnikh usloviyakh, raionakh Dal'nego Vostoka, Sibiri i Krainego Severa / TsNIIOMTP Gosstroya SSSR. M.: Stroiizdat, 1982. 312 р. (In Russian).
4. Serdyukova A.A. Rakhimbayev Sh. M. Influence of low ered temperatures on kinetics of curing of cement sys tems. ne Messenger of the Belgorod state technological university of V.G. Shukhov. 2012. No. 3, рр. 49-52. (In Russian).
5. Lesovik V.S., Alfimova N.I., Yakovlev E.A. Sheychenko M.S. To a problem of increase of efficiency composite knitting. ne Messenger of the Belgorod state technological university of V.G. Shukhov. 2009. No. 1, рр. 30-33. (In Russian).
6. Fedosov S.V., Bobylyov V.I. Mitkin Yu.A. Zakinchak G.N., Sokolov A.M. electrothermal treatment of con crete by currents of various frequency. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 6, pp. 2-7. (In Russian).
7. Fedosov S.V., Krylov B.A. Bobylyov V.I. Pyzhikov A.G. Krasnoselskikh N.V., Sokolov A.M. application of electrothermal treatment of ferroconcrete products on poly gon installations. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 35-38. (In Russian).
8. Bashlykov V.N., Sirotin P.N. Special cements for production of concrete works in winter time. Stroitefnye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 2, рр. 49-52. (In Russian).
9. Sadovich M.A. Metody zimnego betonirovaniya [Methods of winter concreting]. Bratsk: Public Educational Institution of Higher Professional Training BRGU, 2009. 104 p. (In Russian).
102015
37
