Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и технологические предпосылки управления процессами выдерживания бетона в зимних условиях 21
1.1. Ключевые понятия и определения 21
1.2. Методы зимнего бетонирования монолитных строительных конструкций
1.2.1. Метод «термоса» 27
1.2.2. Предварительный электроразогрев бетонной смеси 27
1.2.3. Прогревные методы выдерживания бетона 28
1.2.4. Обогрев бетона термоактивными опалубками и покрытиями 32
1.2.5. Бетонирование монолитных строительных конструкций с использованием модифицированных бетонов 33
1.3. Особенности зимнего бетонирования монолитных конструкций жилых и гражданских зданий 35
1.3.1. Конструктивные элементы фундаментов 35
1.3.2. Монолитные каркасные конструкции 37
1.3.3. Стыки сборных строительных конструкций 38
1.3.4. Высотное строительство
1.4. Нормативные температурные ограничения и возможность их выполнения на стадиях проектирования и производства работ 41
1.5. Методы расчёта остывания конструкций и процесса нарастания прочности бетона 43
1.6. Традиционные температурные режимы выдерживания бетона
1.6.1. Прогревные методы выдерживания бетона 50
1.6.2. Беспрогревные методы выдерживания бетона 53
1.7. Методы решения актуальных научно- технических задач проблемы зимнего бетонирования 54
1.7.1. Существующие методы решения актуальных научно-технических задач в строительстве 54
1.7.2. Предпосылки управления термообработкой бетона при зимнем бетонировании 57
1.7.3. Численная аппроксимация дифференциального уравнения теплопроводности свежеуложенного бетона з
1.8. Выводы и задачи исследования 62
Глава 2. Научное обоснование концепции управляемых температурных режимов выдерживания бетона 66
2.1. Управляемый температурный режим тепловой обработки бетона в оптимальном температурном диапазоне 71
2.1.1. Прогрев бетона электрическими нагревательными проводами 71
2.1.2. Электродный прогрев бетона
2.2. Управляемый ступенчатый температурный режим при разогреве и остывании бетона 78
2.3. Контроль и регулирование температурного режима при беспрогревном выдерживании бетона с противоморозными добавками 80
2.4. Экспериментальные исследования удельного электрического сопротивления бетона на Чернореченском портландцементе .84
Глава 3. Зимнее бетонирование монолитных конструкций фундаментов зданий 88
3.1. Прогноз температурного поля и глубины промерзания несвязанных и связанных грунтов для различных типов фундаментов 89
3.1.1. Температурное поле и глубина промерзания грунтов на момент вскрытия котлована или на момент укладки бетонной смеси в фундаменты мелкого заложения 89
3.1.2.Температурное поле и глубина промерзания грунтового массива с ранее погруженными сваями 90
3.2. Зимнее бетонирование монолитных конструкций фундаментовмелкого заложения и фундаментных плит с учётом температурного режима грунта основания 96
3.2.1. Расчётное обоснование отогрева промёрзшего грунта .97
3.2.2. Расчётное обоснование зимнего бетонирования фундаментов мелкого заложения 100
3.2.3. Сравнительные расчёты прогрева бетона электрическими нагревательными проводами и его электродного прогрева при равной тепловой мощности нагревателей 109
3.3. Зимнее бетонирование монолитных ростверков с учётом температурного режима в основании 115
3.3.1. Расчётное обоснование зимнего бетонирования монолитных ростверков свайных фундаментов 117
3.3.2. Практические расчёты для строительных объектов 122
Глава 4. Управление процессами твердения при зимнем бетонировании монолитных каркасных конструкций 124
4.1. Бетонирование одиночной колонны и сопрягаемой с ней плиты перекрытия 124
4.1.1. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при бетонировании одиночной колонны 124
4.1.2. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при бетонировании плиты перекрытия, сопрягаемой с ранее забетонированной колонной 130
4.1.3. Решение тестовой задачи бетонирования колонн и плит перекрытий в условиях конкретного строительного объекта в г. Новосибирске 133
4.2. Синхронное бетонирование смежных колонн и диафрагмы с последующим бетонированием плиты перекрытия 138
4.2.1. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при синхронном бетонировании смежных колонн и диафрагмы 138
4.2.2. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при бетонировании плиты перекрытия, сопрягаемой с забетонированными колоннами и диафрагмой 145
4.2.3. Решение тестовой задачи синхронного бетонирования смежных колонн, диафрагмы и плиты перекрытия в условиях конкретного строительного объекта в г. Новосибирске 147
4.3. Бетонирование стен и перегородок 151
4.3.1. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при бетонировании стен и перегородок 153
4.3.2. Решение тестовой задачи бетонирования стен и перегородок в условиях конкретного строительного объекта в г. Новосибирске 165
4.4. Бетонирование балочных перекрытий 171
4.4.1. Физические и математические модели динамики температурного поля и прочности бетона при бетонировании балочных перекрытий 173
4.4.3. Решение тестовой задачи бетонирования балочных
перекрытий в условиях конкретного строительного объекта в г. Новосибирске 181
Глава 5. Зимнее бетонирование стыков сборных строительных конструкций 185
5.1. Стыки простой геометрической формы 186
5.1.1. Физическая постановка задачи 186
5.1.2. Математическая модель и алгоритм её реализации 190
5.1.3. Программная реализация математической модели (5.1) 198
5.2. Стыки сложной геометрической формы 205
5.2.1. Физическая постановка задачи 205
5.2.2. Математическая модель и её численная аппроксимация 209
5.2.3. Результаты расчёта и обоснование выбора метода зимнего бетонирования 212
Глава 6. Научное обоснование концепции системы автоматического управления температурным режимом прогрева бетона и практика бетонирования строительных конструкций 217
6.1. Концепция системы автоматического управления на базе персонального компьютера 217
6.2. Испытания экспериментального образца ЦАРМ (цифрового автоматического регулятора мощности) 224
6.3. Производственная проверка и внедрение в производство технологии бетонирования с управлением термообработкой путём моделирования температурных режимов 232
6.4. Экономический анализ зимнего бетонирования с управлением термообработкой бетона 244
Основные выводы 255
Список литературы
- Особенности зимнего бетонирования монолитных конструкций жилых и гражданских зданий
- Прогрев бетона электрическими нагревательными проводами
- Температурное поле и глубина промерзания грунтов на момент вскрытия котлована или на момент укладки бетонной смеси в фундаменты мелкого заложения
- Испытания экспериментального образца ЦАРМ (цифрового автоматического регулятора мощности)
Введение к работе
Актуальность темы. Непрерывно растущие объёмы капитального строительства в районах с суровыми климатическими условиями, а также требования ускоренного ввода строящихся объектов в эксплуатацию привели к резкому увеличению объёмов зимнего бетонирования. Повышение требований к качеству работ, дефицит и рост стоимости электроэнергии поставили строителей перед необходимостью пересмотра традиционного подхода, как к выбору метода зимнего бетонирования, так и к расчетному обоснованию параметров выбранного метода. Как известно, на качество бетона, укладываемого в зимних условиях, решающее значение оказывает тепловлажностный режим выдерживания. Однако, переохлаждение, перегрев и неравномерность температурного поля при разогреве и остывании свежеуложенного бетона ведут к деструктивным изменениям цементного камня, всего конгломерата в целом, и как следствие – к потере прочности, вплоть до разрушения.
Требуемое быстрое твердение бетона в конструкции осуществляется, как правило, тепловой обработкой, обеспечивающей достижение проектной прочности примерно в 20 – 30 раз быстрее, чем при температуре 20оС. Вместе с тем, анализ состояния дел в строительном комплексе при проведении зимних бетонных работ показал, что при выполнении термообработки бетона имеют место существенные противоречия между требованиями действующих нормативных документов и имеющимися техническими средствами контроля для их выполнения. В частности, температурные ограничения СНиП 3.03.01-87*, несмотря на их чрезвычайную важность, практически невозможно гарантированно выполнить во всех узлах объемной координатной сетки конструкций. Особенно сложно это сделать в местах контакта бетона с нагревателями и примыкания свежеуложенного бетона к ранее забетонированным и уже остывшим конструкциям.
Почти во всех случаях термообработки имеет место перерасход тепловой и как следствие электрической энергии сверх её технически обоснованного уровня.
Установлено, что актуальной задачей зимнего бетонирования массивных монолитных конструкций фундаментов является обоснование такой технологии производства работ, которая позволит максимально эффективно использовать естественное тепло, аккумулированное в талой части грунтового основания, и искусственное тепло, внесенное в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве.
При зимнем бетонировании среднемассивных монолитных конструкций каркасов зданий - стен, колонн, плит перекрытий и др. - актуальной является разработка технологии и соответствующих средств контроля выполнения всех нормативных температурных ограничений, в том числе скорости перестройки температурного поля после включения и выключения нагревателей.
Не менее актуальной, но в то же время весьма сложной задачей, является аргументированное обоснование технологии зимнего бетонирования таких монолитных конструкций, как стыки сборных железобетонных конструкций, в том числе нетиповых стыков металлических и железобетонных элементов.
Для решения этих задач необходимо научно обосновать концепцию управления температурными режимами термообработки бетона для наиболее распространённых способов зимнего бетонирования, например, для электродного прогрева и прогрева электрическими нагревательными проводами. Безусловна важность гарантированного выполнения температурных ограничений действующих норм, при всей сложности практического решения этой задачи. Остро стоит вопрос максимально возможного энергосбережения, как на стадии проектирования, так и непосредственно при производстве работ, за счет внедрения управляемых температурных режимов выдерживания бетона с учетом суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра, а также, исключения «человеческого» фактора. Важной задачей совершенствования бетонирования в холодную погоду наряду с обеспечением заданной прочности и улучшением физико-механических свойств бетона является сокращение продолжительности и трудоёмкости производственного процесса, экономия материалов и ресурсов. Всё это подчёркивает актуальность задачи научного обоснования и практической реализации концепции системы автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе персонального компьютера с использованием современных средств вычислительной математики и информационных технологий.
Настоящие исследования выполнялись в период с 1977 по 2009 год и связаны с циклом работ по проблеме зимнего бетонирования. Данная диссертационная работа является развитием и продолжением исследований НИИЖБ, ЦНИИОМТП, МГСУ, НГАСУ, ТГАСУ, ЮУрГУ и других организаций по дальнейшему совершенствованию технологии зимнего бетонирования строительных конструкций.
Цель диссертационной работы – создание технологии управления термообработкой бетона монолитных конструкций для обеспечения его высокого качества и долговечности при существенном снижении расхода энергии до её технически обоснованного уровня с разработкой технических средств контроля температурных ограничений путем практической реализации управляемых температурных режимов разогрева, выдерживания и остывания как на стадии технологического проектирования - методом компьютерного моделирования, так и на стадии производства работ в условиях отрицательных температур.
Основная идея исследований состоит в нетрадиционном решении актуальных задач проблемы зимнего бетонирования монолитных строительных конструкций методом математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов в сочетании с современными средствами вычислительной математики и с современными информационными технологиями.
Задачи исследований:
1. Научное обоснование и практическая реализация технологии управления термообработкой бетона с режимами выдерживания:
в оптимальном температурном диапазоне с целью обеспечения заданной прочности и высокого качества бетона путём контроля среднеобъемной температуры твердеющей конструкции и температуры в местах теплового контакта с нагревателями и ранее забетонированным и уже остывшими конструкциями, при существенном энергосбережении,
в ступенчатом температурном режиме разогрева и остывания бетона, снижающего (при необходимости) скорость перестройки температурного поля после соответственно включения или выключения нагревателей.
2. С использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов в сочетании с современными средствами вычислительной математики и с современными информационными технологиями обоснование и практическая реализация:
технологии управления термообработкой при зимнем бетонировании фундаментов мелкого заложения и ростверков свайных фундаментов при максимальном полезном использовании как естественного тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания, так и искусственного тепла, внесенного в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве;
энергосберегающей технологии зимнего бетонирования монолитных конструкций каркасов зданий (стен, колонн, балок, плит перекрытий и др.) с рассмотрением альтернативных методов тепловой обработки бетона электрическими нагревательными проводами и электродным прогревом, с разработкой технических средств (программных продуктов) контроля температурных ограничений с помощью управляемых температурных режимов разогрева, выдерживания и остывания бетона;
двухэтапной управляемой технологии зимнего бетонирования
стыков сборных железобетонных конструкций, включающей предварительный отогрев стыкуемых элементов и термообработку бетона замоноличивания, в том числе стыков металлических и железобетонных колонн.
3. Для разработки технического средства контроля температурных ограничений на стадии производства зимних железобетонных работ научное обоснование и практическая реализация концепции системы автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе персонального компьютера с созданием пакета нестандартных (управляющих) программных продуктов и с использованием результатов решения задач по п.2
Научная новизна результатов исследований заключается в создании научных основ и разработке технологических принципов зимнего бетонирования строительных конструкций с управлением термообработкой бетона путём моделирования температурных режимов при гарантированном обеспечении высокого качества бетона, контролируя допустимые скорости изменения температурного поля при разогреве и остывании в ступенчатом температурном режиме и выполняя нормативные температурные ограничения, особенно в местах его контакта с нагревателями и холодными поверхностями, а также при существенном энергосбережении за счёт полезного использования тепловой инерции бетона в оптимальном температурном диапазоне. Лично автором получены следующие научные результаты.
1. Установлено, что математическое моделирование сложных физических и организационно-технологических процессов позволяет определять температуру и прочность бетона в любой момент времени и в любом сечении конструкции.
2. Для реализации технологии управления термообработкой бетона предложен широко используемый в системотехнике нетрадиционный инструментарий – алгоритмические диспетчеры - позволяющий контролировать динамику температурного поля и включением/выключением нагревателей или изменением электрической мощности регулировать режим термообработки бетона для выполнения нормативных температурных ограничений.
3. Для электродного прогрева бетона в оптимальном температурном диапазоне разработан метод «тройного» управления температурным режимом:
- управление температурным режимом непосредственно в оптимальном температурном диапазоне своевременным включением и выключением нагревателей;
- управлением тепловой мощностью, выделяющейся в бетоне путём изменения напряжения или схемы коммутации электродов;
- управление электрическим сопротивлением бетона путем введения в него при необходимости противоморозной добавки .
По данным экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, количественно характеризующие крайне важную для прогнозирования термообработки динамику удельного электрического сопротивления бетона на Чернореченском портландцементе, затворенного как на воде, так и на растворах основных противоморозных добавок различной концентрации при температуре выдерживания 30, 40, 50 и 60 С.
4. С использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов, в сочетании с современными информационными технологиями, предложена технология управления термообработкой бетона при зимнем бетонировании фундаментов мелкого заложения и ростверков свайных фундаментов с максимально полезным использованием естественного тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания и искусственного тепла, внесенного в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве.
5. Разработаны методы зимнего бетонирования монолитных каркасных конструкций зданий – колонн, балок, стен и плит перекрытий с управляемой термообработкой на базе математического моделирования и современных компьютерных технологий. Обоснована и предложена схема выбора метода термообработки бетона в конкретной конструкции с рассмотрением альтернативных вариантов: в термоопалубке, греющим проводом, сквозным или периферийным электродным прогревом. Причём на стадии проектирования и производства работ контролируется и регулируется процесс твердения бетона с соблюдением всех температурных ограничений и учётом температурных полей в конструкции, а также значений его среднеобъемной температуры и температуры в местах контакта с ранее забетонированными и промороженными конструкциями.
6. Предложена двухэтапная технология зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций с управлением отогревом стыкуемых элементов и термообработкой бетона замоноличивания, в том числе стыков сборных элементов из разных материалов, основанная на компьютерном моделировании тепловых процессов. Обоснована методика прогнозирования характера твердения бетона заделки с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и управления набором прочности и сцеплением стыкуемых поверхностей с бетоном замоноличивания по всей конструкции.
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании управляемых температурных режимов теплового воздействия на бетон в оптимальном температурном диапазоне и ступенчатого температурного режима разогрева и остывания, направленных на создание технологии управления термообработкой бетона в различных строительных конструкциях с использованием компьютерного моделирования процесса при бетонировании в зимних условиях.
Практическая значимость результатов работы
1. Разработаны технические средства контроля режимов термообработки и температурных ограничений как на стадии проектирования (с помощью разработанного пакета программных продуктов), так и в процессе производства зимних бетонных работ (с помощью созданного устройства управления термообработкой на базе персонального компьютера).
2. На объектах в г. Новосибирске практически реализованы: технология зимнего бетонирования фундаментных плит, одиночных фундаментов и монолитных ростверков с учётом тепла, аккумулированного в грунтовом основании, с разработкой метода расчетного обоснования предварительного оттаивания и прогрева грунта с последующим выводом на печать масштабного температурного поля в бетонируемой конструкции и основании, среднеобъемной температуры бетона и его температуры на контакте с грунтом;
технологии зимнего бетонирования монолитных каркасных конструкций надземной части зданий (элементов монолитных каркасов, стен, перегородок, плит перекрытий и др.). При этом с помощью созданных алгоритмических диспетчеров на стадии проектирования контролируется соблюдение всех температурных ограничений в конструкции, а на стадии производства работ осуществляется управление термообработкой;
двухэтапная технология зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций с расчетом электрической сети нагревателей термоактивной опалубки (предварительный прогрев и последующий малоинтенсивный обогрев стыкуемых элементов), а также нагревателей бетона замоноличивания с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и в процессе бетонирования. При этом сокращена трудоёмкость работ за счёт автоматизации производственного процесса.
3. Сконструирована, изготовлена и испытана на практике система автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе цифрового автоматического регулятора мощности и персонального компьютера. Производственные испытания экспериментального образца системы показали возможность энергосбережения до 30 % за счет полезного использования тепловой инерции бетона при его выдерживании в оптимальном температурном диапазоне с автоматическим учетом суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра при гарантированном выполнении всех температурных ограничений на стадии производства работ. Оригинальность разработки подтверждена патентом РФ на изобретение № 2322344 «Устройство для автоматического регулирования температурного режима при тепловой обработке монолитных железобетонных конструкций» от 20.04.2008 г.
4. Создан комплект нормативных документов и программного обеспечения для внедрения предложенных научно-технических решений при осуществлении зимнего бетонирования.
Достоверность полученных результатов подтверждена их широким внедрением в практику проектирования и производства зимних бетонных работ на объектах г. Новосибирска и Новосибирской области. Все расчёты для технологических регламентов выполнены под руководством автора в ООО «ПИ Сибмашпроект».
Достоверность разработанных методов расчетного обоснования технологии подтверждена в процессе производства работ при зимнем бетонировании фундаментной плиты административно-торгового здания по ул. Добролюбова в г. Новосибирске (2006 г.), плит-ростверков при реконструкции общежития под жилой дом с офисными помещениями по ул. Залесского в г. Новосибирске (2007 г.), фундаментов жилого комплекса по ул. Военной в г. Новосибирске (2008 г.), колонн, плит и диафрагм жесткости на строительстве административного здания на пересечении улиц Свердлова–Советская в г. Новосибирске (зимой 2005/2006 г.), при зимнем замоноличивания стыков при возведении административного здания по ул. Ленина в г. Новосибирске (2006 г.), фундаментных блоков, монолитных ростверков, стен и перекрытий при строительстве логистического комплекса по ул. Омский тракт в г. Обь (2007 г.) и гостиницы на 149 номеров в аэропорту «Толмачёво» (2007 г.).
На защиту выносятся:
1. Технологии управления термообработкой бетона в оптимальном температурном диапазоне и в ступенчатом температурном режиме при разогреве и остывании бетона.
2. Система алгоритмических диспетчеров, с помощью которых реализуется возможность практического управления термообработкой бетона в оптимальном температурном диапазоне и в ступенчатом температурном режиме.
3. Технология зимнего бетонирования фундаментов мелкого заложения, монолитных ростверков, каркасных конструкций зданий и стыков сборных железобетонных конструкций с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и в процессе бетонирования.
4. Система автоматического управления тепловой обработкой бетона, регулирующая процесс термообработки в случае несовпадения прогнозных и фактических условий производства.
Личный вклад автора. Все основные положения, результаты и выводы принадлежат лично автору. Задачи по проблеме, решаемой в диссертационной работе, ставились и решались автором на примерах конкретных объектов, строительство которых велось в г. Новосибирске. Лично автором:
1) освоен нетрадиционный метод решения актуальных научно-технических задач проблемы зимнего бетонирования методом математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов на основе современных информационных технологий;
2) разработаны физические и математические модели теплофизических и организационно-технологических процессов с их численной реализацией на примерах конкретных объектов;
3) предложена технология зимнего бетонирования с управлением термообработкой твердеющего бетона;
4) основные результаты, полученные автором, внедрены в реальное строительное производство на объектах, сооружаемых в г. Новосибирске. При этом реализованы проектные решения с расчетами по разработанным автором методикам (ООО «ПИ Сибмашпроект») и бетонирование в зимних условиях зданий различного назначения в г. Новосибирске и Новосибирской области (ОАО «Вымпел», ООО «Евросити», ООО «СибСтрой» и ОАО «Стройтрест № 43»);
5). результаты исследований автора внедрены в ФГБОУВПО НГАСУ (Сибстрин) при обучении студентов по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены: на IV и V Всероссийских и на II Международной научно-практических конференциях МОиН РФ «Развитие вуза через развитие науки» (Тольятти, 2006, 2007 и 2008 гг.), на Всероссийской научной конференции «Математика. Механика. Информатика» (Челябинск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2007 г.), на IV Международной научно-практической Интернет – конференции «Состояние современной строительной науки 2006» (Полтава, 2006 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск, 2008 г.).
Публикации. Основные полученные результаты опубликованы в 32 научных печатных трудах, в том числе в монографии и 14 статьях в журналах с внешним рецензированием (ж. «Бетон и железобетон» – 3 статьи и ж. «Изв. вузов. Стр-во» – 11 статей), в трудах 11 Международных и Всероссийских научно-технических конференций, а также защищены пятью авторскими свидетельствами СССР и одним патентом РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 268 наименований. Содержание диссертации изложено на 276 страницах текста и содержит 131 рисунок и 19 таблиц.
Автор выражает благодарность действительному члену РААСН РФ д-ру техн. наук, профессору Крылову Б.А., д-ру техн. наук, профессору НГАСУ (Сибстрин) Попову Ю.А. и д-ру физ.-мат. наук, профессору НГАСУ (Сибстрин) Воскобойникову Ю.Е. за поддержку, ценные предложения и постоянную помощь при выполнении настоящей работы, а так же канд. техн. наук, доцентам Луневу Ю.В.и Андриевскому С.Н., аспирантам и магистрантам НГАСУ (Сибстрин) Усинскому Е.К., Паргачевской И.А., Пинаевой Ю.А. и Суханову А.С. за неоценимую помощь при разработке и освоении новой технологии.
Особенности зимнего бетонирования монолитных конструкций жилых и гражданских зданий
Многочисленные попытки строителей простыми и доступными средствами улучшать эксплуатационные свойства бетона, влиять на появление новых качеств и совершенствовать технологию бетонных работ вылились в появление модифицированных бетонов добавками - модификаторами цементных систем. Применение модификаторов позволяет создавать бетоны и растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств.
Широким диапазоном исследований получены многочисленные химические добавки и комплексные модификаторы [34]. Однако, наибольшего внимания, в том числе для зимнего бетонирования, заслуживают органоми-неральные модификаторы серий МБ-01 и МБ-С, полученные совместным применением суперпластификаторов и высокодисперсных кремнезёмосо-держащих материалов техногенного происхождения, например микрокремнезёма [100]. Такие комбинации, по результатам исследований С.С. Каприе-лова, А.В. Шейнфельда и В.Г. Батракова [101], позволяют управлять реологическими свойствами бетона, модифицировать структуру цементного камня на микроуровне и получать уникальные эксплуатационные свойства бетона: прочность до 80... 120 МПа, проницаемость W16...W22, а морозостойкость до F 1000 при сравнительно подвижных смесях с осадкой конуса 8... 16 см. При этом В. Мальотра [259] отмечает, что «термообработка при 90 С и атмосферном давлении позволяет достигнуть прочности на сжатие до 200 МПа». Там же отмечается, что термическая обработка интенсифицирует пуццолановую реакцию и образование одной из наиболее прочных разновидностей CSH(I) - ксонотлита. Это открывает широкие возможности для бето 34 нирования в холодную погоду. Все без исключения конструкции после укладки бетона, даже без термообработки, имеют период охлаждения до О С. За этот период обычный бетон, как правило, не успевает приобрести критическую прочность. Модифицированный органоминеральными модификаторами бетон, набирая всего 10... 15 % , приобретает прочность эквивалентную 60.. .70 % обычного бетона, вполне отвечающую требованиям СНиП.
Попытки армировать цементные системы нанотрубками при неразумном с точки зрения здравого смысла проценте армирования (1-Ю"5 %) даёт по данным М.Н. Ваучского [47], а так же М.Е. Юдовича и А.Н. Пономарёва [238] устойчивый эффект роста прочностных характеристик бетона. Это происходит за счёт направленного регулирования кристаллизационных процессов. Нанотрубки ведут себя в цементном растворе как зародыши кристаллов, интенсифицируя процесс твердения. Наряду с другими эффектами интенсификация твердения нанопродуктами после детального изучения может быть использована при зимнем бетонировании.
Для бетонов, твердеющих на морозе без термообработки, главным требованием является возможность приобретать прочность в условиях отрицательных температур. Известным и широко применяемым способом беспро-гревного выдерживания является введение в бетон противоморозных добавок, которые снижают температуру замерзания жидкости затворения и тем самым обеспечивают твердение бетона при отрицательных температурах [208]. Традиционными противоморозными добавками, широко опробованными на строительных площадках являются поташ (К2С03), нитрит натрия (NaN02), нитрат кальция (Ca(N03)2 и др. [194]. Механизм твердения бетонов с противоморозными добавками достаточно хорошо изучен, а динамика набора прочности широко представлена в научно-технической литературе [190, 192]. В строительном комплексе г. Новосибирска широко используются комплексная добавка «Бенотех ПМП-1», обеспечивающая высокое качество бетона при температуре выдерживания до -25 С, и современная модификация нитрита натрия - формиат натрия-сырец (ФН-С);
Введение в бетон той или иной противоморозной добавки меняет характер набора прочности. Поэтому для прогнозирования процесса нарастания прочности имеет смысл математическая формализация на основе табличных данных нормативных документов [192, 194] для традиционных добавок и исследования процесса твердения для вновь вводимых. Сочетание противоморозных добавок с прогревом бетона применяется при опасности замерзания бетона до начала термообработки электропрогревом или при вероятности повреждения изоляции нагревательных проводов и их замыкания на арматуру во время уплотнения бетонной смеси. Но и в этом случае необходима разработка метода количественной оценки введенной противоморозной добавки на температурное поле в бетоне с учетом, во-первых, суточных колебаний температуры воздуха, во-вторых, возможного несовпадения расчетного и фактического значений температуры воздуха. Весьма актуальной задачей является научное обоснование использования противоморозных добавок в сочетании с электродным прогревом бетона с целью регулирования тепловой мощности нагревателей.
Вполне очевидно, что зимнее бетонирование монолитных конструкций фундаментов жилых и гражданских зданий должно проводиться с максимальным полезным использованием естественного тепла, аккумулированного в талой части подстилающего грунтового массива или искусственного тепла, внесенного в грунт основания при его прогреве перед укладкой бетонной смеси [189, 194]. По данным С.А. Миронова [141] метод использования естественного тепла в талой части грунтовых оснований при возведении фундаментов впервые в 30-х годах прошлого столетия был предложен и практически реализован инженером Б.А. Бодянским. Однако широкое применение этого высокоэффективного метода производства зимних бетонных и железобетонных работ при возведении фундаментной части зданий до настоящего времени непреодолимо затруднено в связи с необходимостью решения задач строительной теплофизики, связанных: 1)с прогнозом температурного поля и глубины промерзания связных и несвязных грунтов на момент вскрытия котлована; 2) с расчетным подтверждением достаточности или недостаточности тепла в грунтовом массиве для организации зимнего бетонирования фундаментов мелкого заложения и ростверков только с периферийным прогревом их вертикальных граней;
Прогрев бетона электрическими нагревательными проводами
Учитывая вторичный характер прочности бетона от его температуры при обязательных качественных укладке и уплотнении смеси, можно говорить об управлении твердением бетона через температурное воздействие. При этом нужно понимать, что согласно исследованиям НИИЖБ [141], повышение температуры свыше нормативных пределов, замораживание, а также превышение скорости разогрева и остывания конструкции ведут к снижению прочности вплоть до разрушения бетона. Широко известно существенное завышение расхода электроэнергии против её технически обоснованного уровня для нужд зимнего бетонирования. Всё это указывает на необходимость практического управления температурными режимами выдерживания бетона.
Управление термообработкой твердеющего бетона в оптимальном температурном диапазоне простая и давно известная операция. В свежеуложен-ный бетон конструкции помещается температурный датчик, который при достижении минимальной температуры включает нагреватели, а при достижении максимальной - выключает [268]. Однако, в какой точке конструкции осуществлять контроль, если уже через некоторое время после укладки температура везде разная. Ориентируясь на температуру в одной точке, можно перегреть или подморозить в другой.
Известно, что температура окружающего воздуха даже в течение суток изменяется в достаточно большом диапазоне. Для Новосибирской области нормативная амплитуда суточных колебаний температуры воздуха составляет AtcyT = 12,5 С [207]. Температура может за считанные часы упасть ещё больше или наоборот подняться. Может измениться направление ветра и его скорость. В условиях стройплощадки нередки аварийные отключения электроэнергии. Всё это ведёт к недопустимым отклонениям температуры бетона от предельно допустимой и, в конечном счёте, к снижению качества бетона.
Очевидно, что процесс термообработки необходимо контролировать и управлять им в два этапа. Сначала - при подготовке бетонирования (в стадии ППР). Здесь необходимо убедиться, что при ожидаемых погодных условиях и принятом методе термообработки по всему объёму конструкции не будет нарушений благоприятного для твердения температурного режима, и бетон по всей конструкции будет уверенно набирать прочность и приобретёт её в заданные сроки. А если есть опасность нарушения температурных ограничений - изменить характер теплового воздействия - поменять месторасположения нагревателей, подаваемую мощность и др. Затем, в ходе реального бетонирования (в стадии производства) необходимо следить за температурным режимом во избежание перегрева или подмерзания в зависимости от изменения условий внешней среды или слишком быстрого роста - падения температур.
И в том и в другом случае, учитывая вторичный характер прочности от температуры, необходимо понимать, что происходит с полем температур в бетонируемой конструкции. Для выполнения этой задачи требуется технология контроля сродни компьютерной томографии в медицине. Для эффективного управления термообработкой необходимо сканировать температурные поля и поля прочности по всем сечениям конструкции с разумным интервалом по времени.
Широко используемые в технике ультразвуковое и рентгеновское сканирование громоздки и возможны только на второй стадии управления. Однако во многих областях науки и техники широко используется компьютерное моделирование технологических процессов. Физические тела и их взаимосвязи заменяются математическими объектами и отношениями между ними. С помощью этих средств моделируется интересующий процесс. По окончании исследования, обратным превращением получаем результат - изменившуюся ситуацию с физическими телами. Таким образом исследуются проблемы освоения космической и авиационной техники, термоядерного синтеза... «Через несколько лет - подчёркивает в своём Послании Федеральному собранию президент РФ - техника не прошедшая компьютерного моделирования, что называется, не положенная в цифру, просто не будет востребована рынком».
Поставленные задачи управления зимним бетонированием могут быть решены путём синтеза таких областей знания как технология строительного производства, строительная теплофизика и математическое моделирование сложных физических и организационно-технологических процессов в сочетании с современными средствами вычислительной математики и современными информационными технологиями. Общепринятая схема решения задачи такова [136]. Формулируется ЦЕЛЬ. С использованием положений техно 68 логии строительного производства обосновывается ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ процесса. Физическая модель формализуется в виде МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, которая состоит из краевой задачи и вспомогательных элементов, делающих её аналитически НЕразрешимой. Следующая за тем численная реализация математической модели включает в себя ЧИСЛЕННУЮ АППРОКСИМАЦИЮ дифференциального уравнения и граничных условий с выбором очерёдности прогонок по координатным осям, разработку укрупнённой БЛОК-СХЕМЫ и разработку ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА на алгоритмическом языке высокого уровня. Затем следует РЕШЕНИЕ с выводом результатов на дисплей или распечатка. Завершает процесс АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ, а при отладке программного продукта их сравнение с результатами натурных экспериментов.
Метод математического моделирования в отличие от решения краевых задач, решаемых аналитически, допускает введение в условия однозначности дополнительных элементов, например: алгоритмических диспетчеров, блоков компьютерной интерполяции и пр. Это открывает широкие возможности для управления термообработкой бетона. Поэтому для традиционного (неуправляемого) и управляемых режимов разработаны алгоритмические диспетчеры, управляющие термообработкой на стадии проектирования. Они же и другие вспомогательные блоки использованы при разработке управляющих программ для цифрового автоматического регулятора мощности, действующего в стадии производства.
Для поставленных целей, применительно к различным температурным режимам, созданы алгоритмические диспетчеры, управляющие на стадии проектирования как традиционным (рис. 2.1,а), так и нетрадиционными (рис. 2.1,6 и 2.1,в) температурными режимами. Эти алгоритмические диспетчеры использованы при разработке математических моделей и программных продуктов, описанных в соответствующих разделах диссертационной работы, и широко опубликованы в печати [146, 150, 151, 155, Т57, 158, 175, 235]. Включённые в математическую модель технологического процесса, алгоритмические диспетчеры, в которых сформулированы и записаны математическими символами условия подачи электрической мощности в систему, позволяют управлять процессом термообработки бетона. Давать команду на включение и выключение нагревателей, расположенных в бетонируемой конструкции. Причём делают это не только при снижении температуры или при её росте свыше допустимой, но и при стремительном росте температуры или её падении. Эти же инструменты являются ключевыми в учебном пособии [148], изданном автором для студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» при изучении дисциплины ДС. 01.01 «Зимнее бетонирование строительных конструкций (с элементами САПР)». Эти же алгоритмические диспетчеры использованы при разработке управляющих программ для цифрового автоматического регулятора мощности [97, 179].
Прежде, чем переходить к рассмотрению управляемых температурных режимов, следует коротко упомянуть о традиционном температурном режиме с изотермическим выдерживанием бетона (рис. 2.1,а). Как правило, температура изотермического выдерживания определяется из условия набора бетоном конструкции проектной прочности в заданные в ПНР сроки.
Температурное поле и глубина промерзания грунтов на момент вскрытия котлована или на момент укладки бетонной смеси в фундаменты мелкого заложения
При зимнем бетонировании фундаментной плиты при строительстве административно-торгового центра по ул. Добролюбова в г. Новосибирске зимой 2005/2006 г.г. сложилась экстремальная ситуация, потребовавшая в короткие сроки обоснованно выбрать метод бетонирования массивной (М„ = 2.2 м-1) фундаментной плиты. Котлован под плиту был вскрыт 20.11.2005 г. Из-за проблем с финансированием поставки бетонной смеси начались только 17.01.2006 г. Об оплате бетона Заказчиком и начале поставки бетона стало известно неожиданно, за несколько дней до этой даты. Срочно проведенные автором расчеты и результаты проведённого в условиях строительной площадки контрольного бурения показали, что грунт основания за время после окончания земляных работ промерз на 1,4 м. При этом, в соответствии с Рекомендациями [186], промерзшее грунтовое основание вскрытого котлована необходимо было сначала оттаять на глубину промерзания, а затем прогреть оттаявший грунт до температуры 5-10 С. Для аргументированного подтверждения необходимости такого мероприятия или обоснования возможности его не проводить автором совместно с Ю.В.Лунёвым был разработан метод расчётного обоснования прогрева грунтового основания с помощью греющих электрических кабелей с термостойкой изоляцией (марки ПНСФЭн, ПННКЭ и др.), уложенных под подсыпку из сухого песка.
Физическая постановка задачи. В соответствии с расчетной схемой (рис. 3.4) сеть греющих электрических кабелей с шагом Ъ уложена в последние дни после осеннего перехода через О С среднесуточной температуры воздуха (до установки арматурного каркаса). Расчетная схема оттаивания и прогрева грунта основания котлована под фундаментную плиту
После укладки кабелей они засыпаны слоем песчаной подсыпки толщиной ёп. Предварительно проведенные автором расчеты показали, что максимальный шаг раскладки кабеля из условия равномерности температурного поля в грунте основания Ътах = 250 мм. На момент включения греющего кабеля температура песчаной подсыпки принимается равной температуре наружного воздуха 0. При этом, как доказано в разделе 3.1, граница промерзания несвязного грунта (пм) четко фиксируется плоскостью фазовых переходов, а в связных грунтах - границей замерзания несвязанной влаги. Физико-механические и теплофизические характеристики: песчаная подсыпка: Хп2, СП2, рп2 - в мерзлом состоянии и Х„\, Сп\, рп\ - в талом состоянии; характеристики грунта основания: соответственно Х2, С2, Р2 и Х\, Сь р\ с составляющими влажности (в долях единицы) сонсв и сосв, обусловленной количеством не-замерзшей соответственно несвязанной и связанной влаги. Греющий электрический кабель принят марки ПНСФЭн с диаметром стальной жилы 1.2 мм и с зависимостью погонного электрического сопротивления кабеля от погонного тепловыделения:
Погонное тепловыделение, Вт/м 10 15 20 25 30 35 40 52 Электрическое сопротивление кабеля, Ом/м 0,170 0,181 0,194 0,210 0,222 0,235 0,240 0,259 Математическая формализация физической модели для связных грунтов (общий случай) имеет вид: где (3.6.1) - дифференциальное уравнение теплопроводности песчаной подсыпки; (3.6.2) - дифференциальное уравнение теплопроводности связного грунта с объемно-распределенным источником (стоком) тепла фазового типа; (3.6.3) - ГУ III рода на поверхности песчаной подсыпки; (3.6.4) - ГУ Стефана на границе замерзания (оттаивания) несвязанной влаги; (3.6.5) - условие теплового примыкания греющего электрического кабеля к песчаной подсыпке (сверху) и к грунту основания (снизу); (3.6.6) - ГУ I рода на уровне нулевой амплитуды годовых колебаний температуры воздуха; (3.6.7) - условие тепловой симметрии в месте наличия жилы кабеля (х=0) и на расстоянии Ь/2; (3.6.8) - начальное условие. Динамика изменения температурного поля в промёрзшем грунтовом массиве через 100, 200, 300, 400 и 500 часов работы нагревателей приведена нарис. 3.5.
Физическая постановка задачи. Независимо от времени вскрытия котлована сроки начала укладки бетонной смеси таковы, что дно котлована к этому моменту успело промерзнуть на глубину h. Расчетная температура воздуха 0. Материал песчаной подсыпки, уложенной после укладки греющего электрического кабеля, успел принять температуру окружающего воздуха. Периферийный прогрев вертикальных граней плиты может быть осуществлен двумя способами: электрическими нагревательными проводами с погонным тепловыделением qt и полосовыми электродами на инвентарных щитах опалубки. В первом случае интенсивность теплового потока от нагревательных проводов определяется по формуле: где L - длина нагревательного провода на 1 м площади вертикальной грани.
При численной реализации дифференциального уравнения теплопроводности бетона фундаментной плиты интенсивность теплового потока qnp приводиться к объемно-распределенному источнику тепла: где / - шаг численного интегрирования по оси, нормальной к рассматриваемой вертикальной грани.
Испытания экспериментального образца ЦАРМ (цифрового автоматического регулятора мощности)
Выбор метода зимнего бетонирования монолитных ростверков-балок и ростверков-плит (см. рис. 3.3) следует проводить с учетом распределения температуры и глубины промерзания грунта основания с забитыми сваями на момент начала укладки бетонной смеси, а также с рассмотрением двух про-гревных методов выдерживания бетона (с прогревом бетона электрическими нагревательными проводами и его электродным прогревом). Применение алгоритмических диспетчеров позволит реализовать как традиционный (неуправляемый с изотермическим выдерживанием бетона), так и нетрадиционные температурные режимы (управляемый температурный режим в оптимальном температурном диапазоне и ступенчатый температурный режим при разогреве и остывании бетона).
Прогрев бетона электрическими нагревательными проводами. В общем случае осуществляют периферийный прогрев бетона на вертикальных гранях ростверков (в расчетных схемах рис. 3.3 этот прогрев не учитывается) и внутренний прогрев бетона электрическими нагревательными проводами на уровне верхней и нижней арматурных сеток. Ввиду укладки нагревательных проводов на арматурных сетках искусственный объемно-распределенный источник тепла (Вт/м ) находится путем двойного приведения: 1) линейный источник тепла qt (погонное тепловыделение провода), Вт/м, сначала приводится к интенсивности теплового потока: 116 q.-L Вт Япр=—Г — (3.18) F м v где L - общая длина нагревательного провода (м), уложенного на грани рост-верка площадью F (м ); 2) интенсивность теплового потока qnp приводится к объемно-распределенному источнику тепла по формуле: п Ч"Р Вт Qnp=— , г, (3.19) где / - шаг численного интегрирования по оси, нормальной к рассматриваемой грани конструкции (обычно равен толщине защитного слоя арматуры). 2. Электродный прогрев бетона. В рассматриваемом случае примем электродный периферийный прогрев с помощью полосовых электродов на инвентарных накладных щитах на верхней грани конструкции после окончания укладки бетонной смеси. Так как арматурные сетки соединены в единый арматурный каркас, то в соответствии с [194], во-первых, вся тепловая мощность от преобразования электрической энергии по закону Джоуля-Ленца выделяется в защитном слое арматуры толщиной Ззсл, во-вторых, интенсивность теплового потока на рассматриваемой грани конструкции определяется по формуле: 0.785 -U2 Р = 7 ЇЛ (3-20) 2.54 р{т)Ь-\п где Ъ - расстояние между смежными полосовыми электродами (м) шириной а (м). Таким образом, объемно-распределенный источник тепла Q (Вт/м3) может быть представлен в виде: Р Q = -j— (3.21) з.сл. Разработанный автором алгоритм позволяет рассчитать параметры тройного управления электродным прогревом бетона: 1) управляемый температурный режим прогрева в оптимальном температурном диапазоне t є (tmi„, tmax)\ 2) управляемый температурный режим путем переключения напряжения тока от понижающего трансформатора; 3) при полной реализации п. 2 необходимое увеличение тепловой мощности в бетоне путем понижения его удельного электрического сопротивления введением необходимого количества противоморозных добавок.
Физическая постановка задачи. Технологический процесс зимнего бетонирования монолитных ростверков-плит и ростверков-балок фундаментной части зданий включает следующие технологические операции: вскрытие котлована, забивку свай и бетонирование собственно ростверка. В работе [150] в соответствии с расчетными схемами (рис. 3.18) была сделана трехмерная постановка задачи.
Численная реализация разработанной ранее [150] трехмерной математической модели, решение тестовой задачи, а также экспериментальная проверка достоверности математической модели на конкретных строительных объектах в г. Новосибирске (рис. 3.19) позволили сделать следующие выводы:
В качестве прогревных методов выдерживания бетона был безальтернативно рассмотрен только прогрев бетона электрическими нагревательными проводами. Вместе с тем, как отмечено выше, существенные преимущества имеет электродный прогрев бетона. Поэтому более правильно рассматривать оба указанных прогревных метода, выбирая в каждых конкретных условиях более эффективный.
Недостаточное внимание в настоящее время уделяется контролю температуры бетона ростверков на контакте с мерзлым грунтом основания. Только такой контроль позволит принять правильное решение о необходимости предварительного (до укладки бетонной смеси) прогрева грунта основания греющим электрическим кабелем с термостойкой изоляцией, уложенным под слоем песчаной подсыпки.
Примем следующие особенности проведения указанных выше технологических операций: Вскрытие котлована и погружение свай сечением а х а проведены в теплое время года. В это же время сначала на грунт основания уложен греющий электрический кабель с расчетным шагом Ь, а затем отсыпана песчаная подсыпка. К началу укладки бетонной смеси грунт основания сверху успел промерзнуть на глубину И, а материал песчаной подсыпки принял температуру окружающего воздуха 0. Варианты выдерживания бетона примем аноло-гично рассмотренным ранее фундаментным плитам. Для обозначения тепло-физических величин введем еще один дополнительный индекс «ев» для бетона забитых свай. Основание примем сложенным связным (общий случай) грунтом. Координаты границы зоны теплового влияния забитой сваи на све-жеуложенный бетон примем: по оси х - X; по оси y-Y\ по оси z-Z.
