ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ОФОРМИТЕ СОГЛАСНО ВАШИМ
ТРЕБОВАНИЯМ
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕТОНИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА . 5
2. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
БЕТОНИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА .................................................. 8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 13
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 16
3
ВВЕДЕНИЕ
Строительная отрасль в настоящее время динамично развивается. Возведение зданий и сооружений из бетона все чаще встречается в современных
проектах. Монолитный железобетон в современном строительстве является
главенствующим и обеспечивает высокую долговечность и надежность зданий и сооружений, возводимых монолитным способом.1
Зимнее бетонирование должно сопровождаться определенными организационно-технологическими мероприятиями, связанными с обеспечением
набора прочности железобетонных конструкций при отрицательной температуре окружающей среды. Наибольшую сложность представляет бетонирование тонкостенных элементов, таких как перекрытия, стены.
Актуальность работы обусловлена значимостью выбранной темы. Исследование вопроса зимнего бетонирования происходило в СССР, статьи по
данной теме публикуют и современные российские ученые. Специалистами
НИИЖБ были проведены обширные исследования. Различные методы зимнего бетонирования были разработаны советскими и российскими учеными.
Наибольший вклад внесли Б. А. Крылов, С. А. Миронов, А. С. Арбеньев, Л. М.
Колчеданцев, А. В. Лагойда, И. Б. Заседателев. Следует отметить, что зарубежные исследования по данной тематике менее обширны. Приоритет советских ученых, производственников в разработке технологии зимнего бетонирования закреплен многочисленными публикациями и решениями международных симпозиумов.
Однако, несмотря на наличие фундаментальных исследований по данной тематике, на практике остаются нерешенные вопросы. В частности, нет
единого принципа выбора методики бетонирования при отрицательных температурах, отсутствуют простые системы контроля температуры бетона, мало
Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных технологий: моногр. / А.Х. Байбурин., С.Г. Головнев.
– Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2020. – 453 с.
1
4
внимания уделяется моделированию процессов прогрева. Кроме того, существует проблема с определением реальной прочности бетона в проектном возрасте, а также с контролем прочности бетона при прогреве для определения
сроков термообработки, распалубливания и возможности нагружения конструкций.2
Предмет исследования. Строительство в контексте рассмотрения бетонирования конструкций.
Объект исследования. Бетонирование конструкций в зимних условиях
с применением электропрогрева
Цель работы. Рассмотреть теоретические основы бетонирования конструкций в зимних условиях с применением электропрогрева. В частности следует определить значимость и перспективы развития аспекта бетонирования
конструкций в зимних условиях с применением электропрогрева.
Задачи работы:
 Рассмотреть сущностные основы бетонирования конструкций в зимних
условиях с применением электропрогрева;
 Изучить особенности и определить перспективы развития бетонирования конструкций в зимних условиях с применением электропрогрева.
Структура работы. Работа состоит из введения, теоретической части в
виде двух разделов, заключения и библиографического списка.
Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных технологий: моногр. / А.Х. Байбурин., С.Г. Головнев.
– Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2020. – 453 с.
2
5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕТОНИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА
Бетон и железобетон являются основными строительными материалами,
используемыми в настоящее время. Железобетонные конструкции используются в жилищной, гражданской, промышленной, дорожно-транспортной отраслях строительства. В производстве применяются как элементы заводского
изготовления так и конструкции монолитного исполнения. Именно возможность создавать любые формы, возводить быстрыми темпами конструкции,
обладающие высокой прочностью, надежность и долговечность делают бетон
основным строительным материалом.3
Как и любой материал, бетон имеет достоинства и недостатки. В данной
работе рассматривается один из недостатков бетона в монолитном строительстве – сложность производства работ в зимнее время. Под «зимним бетонированием» понимается производство работ при температуре наружного воздуха
ниже 5°С и минимальной суточной температуре ниже 0°С.4
При электропрогреве железобетонных конструкций используют тепло,
выделяющееся в свежеуложенном бетоне, при пропуске через бетон переменного электрического тока. Бетон включается в электрическую цепь как сопротивление.
Тепло расходуется на нагрев бетона, опалубки, арматуры и возмещение
потерь, происходящих в процессе выдерживания.
Для подведения электроэнергии к бетону используются различные электроды: пластинчатые, полосовые, стержневые, струнные. Электрический ток
на электроды подается через трансформаторы.
К конструкции электродов и схемам их размещения предъявляют следующие основные требования:
Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных технологий: моногр. / А.Х. Байбурин., С.Г. Головнев.
– Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2020. – 453 с.
4
Крылов, Б.А. Электропрогрев и электрообогрев бетона / Б.А. Крылов. – М.: Стройиздат, 2020. – 264 с.;
3
6
1) мощность, выделяемая при электропрогреве, должна соответствовать
мощности, требуемой по тепловому расчету;
2) электрические, а следовательно, и температурные поля должны быть
равномерными;
3) электроды нужно располагать снаружи нагреваемой конструкции,
чтобы обеспечить минимальный расход металла;
4) установку электродов необходимо проводить до начала бетонирования.
Лучше всего этим требованиям удовлетворяют пластинчатые электроды, которые представляют собой пластины из кровельного железа или
обычной стали, нашиваемые на примыкающую к бетону опалубку.
Стержневые электроды применяются при сложной конфигурации конструкции, используются арматурные прутки диаметром 6-12 мм, вставляемые
в тело бетона.5
Струнные электроды применяются при длинных конструкциях, т.е.
длина конструкции или конструктивного элемента значительно больше ширины и толщины конструкции.6
Как сквозной, так и периферийный электропрогрев осуществляется, как
правило, при помощи пластинчатых полосовых электродов, представляющих
собой стальные полосы шириной 20-50 мм и толщиной до 4 мм, расположенные параллельными рядами на поверхности диэлектрической опалубки, соприкасающейся с бетоном, на расстоянии 100-400 мм друг от друга. Электроды снабжены выводами для подключения к электрической сети.
Следует учесть, что сквозной электропрогрев эффективен при толщине
конструкции менее 200 мм, односторонний периферийный прогрев — до толщины 300 мм, двухсторонний периферийный прогрев — при толщине стены
больше 300 мм.
Головнев С. Г. Зимнее бетонирование: этапы становления и развития // Вестник Волгогр. гос. архит.- строит.
ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2020. Вып. 31(50). Ч. 2. Строительные науки. С. 529-534;
6
Крылов Б.А. Монолитное строительство, его состояние и перспективы совершенствования // Строительные
материалы, оборудование, технологии XXI века. 2020. № 4 (159). С. 35-38;
5
7
С недавнего времени зимнее бетонирование не является сложнейшей инженерной задачей, так как накоплен вековой опыт в данном вопросе. В то же
время, в различных технологиях обогрева бетона существовал ряд вопросов,
вызывающих определенные трудности и риски.7
Отсутствие прочностного прироста у бетона, модифицированного монокомпонентными добавками, напрямую связано с количеством воды затворения в бетонной смеси. Поэтому «целесообразность применения модификаторов противоморозного действия заключается в сочетании их с пластификаторами и суперпластификаторами, в том числе и в связи с тем, что процессы гидратации цемента вскоре после укладки бетонной смеси в течение длительного
срока протекают при пониженной или низкой температуре, бетон твердеет
медленно, и улучшение его прочностных показателей выявляется через отдаленные промежутки времени, нередко после оттаивания».8
Вывод по первому разделу работы. В данном разделе работы рассматриваются теоретические основы бетонирования конструкций в зимних условиях с применением электропрогрева.
Таким образом, Применение инноваций в составе бетона позволяет повысить прочность бетона. В частности, ученые в Якутии показали, что применение нестандартных заполнителей может решить проблему зимнего бетонирования. Показаны возможности получения самоуплотняющегося высокопрочного бетона с использованием "очень мелкого" песка из реки Лена. Результаты этих исследований подтвердили перспективы развития, как энергосбережение и дешевизну технологии зимнего бетонирования в условиях Севера с использованием высокопрочного бетона.
Крылов Б.А. Монолитное строительство, его состояние и перспективы совершенствования // Строительные
материалы, оборудование, технологии XXI века. 2020. № 4 (159). С. 35-38;
8
Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов. - Челябинск:
Изд-во ЮУрГУ, 2020. -156 с.;
7
8
2. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
БЕТОНИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА
Как было отмечено ранее, ручные расчеты согласно существующим методикам являются приближением и не учитывают множество факторов в технологии прогрева бетона. В конечном варианте все приближения и упрощения
не дают полной картины температурного выдерживания бетона в зимнее
время, нет ясности в распределении температурных полей, характере изменения температуры конструкции во времени. Отсутствуют данные о графике
набора прочности бетона в соответствии с выбранным режимом термообработки.9
Современное программное обеспечение производит расчет температурных полей в плоскости сечения бетонируемых элементов, решая стационарную задачу для определения начальных условий. После этого осуществляется
решение ряда нестационарных задач с заданным шагом интегрирования и построением температурных полей. В ELCUT реализована возможность выбора
разнообразных источников тепловой энергии, материалов и климатических
условий зимнего бетонирования. В надстройке WinConcret производится учет
теплоты от реакции гидратации цемента. Экзотермия реакции задается функцией от времени и температуры.
Решением задачи является множество диаграмм с изображением температурных полей на разных этапах прогрева, программа строит график изменения температуры по отдельным участкам конструкции, а также строит график
набора прочности бетона.
Программа ELCUT позволяет решать строительные задачи, связанные с
прогревом бетона. Данный комплекс основан на методе конечных элементов
(МКЭ). Решение задач базируется на принципах термодинамики, процессах
Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов. - Челябинск:
Изд-во ЮУрГУ, 2020. -156 с.;
9
9
теплообмена. Пакет ELCUT выполняет моделирование методом конечных
элементов двухмерных электромагнитных, тепловых и механических полей.
Особое внимание при производстве ответственных работ следует уделить организации контроля качества, основанной на мониторинге тепловлажностного режима, применении качественных материалов, соблюдении технологии производства работ и контроле прочности бетона.10
В исследовании проведено компьютерное моделирование прогрева бетона перекрытия по профлисту на стальных балках (см. рисунок 1). Перекрытие окружено кирпичными стенами, что характерно для объектов реконструкции в Санкт-Петербурге. При реконструкции и приспособлении для современного использования Запасного дома Зимнего Дворца производилось бетонирование в зимних условиях подобных перекрытий. Наибольшая толщина перекрытия 90мм. Перекрытие бетонируется при отрицательной температуре
окружающей среды (-10°С). Прогрев осуществляется проводом, уложенным в
плиту с шагом 100мм, а также конвективным прогревом снизу с поддерживаемой температурой +10°С. Плита утеплена сверху экструдированным пенополистиролом толщиной 100мм. Потери тепла происходят через кирпичные
стены по периметру перекрытия, а также через профлист снизу.
Рисунок 1. Поперечное сечение моделируемого перекрытия между
Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов. - Челябинск:
Изд-во ЮУрГУ, 2020. -156 с.;
10
10
Для решения поставленной задачи было создана расчетная модель в конечных элементах в программном комплексе ELCUT с соблюдением геометрических размеров, физических и механических свойств материалов. В качестве расчетной схемы смоделировано сечение половины перекрытия между
балками, т.е. решение задачи разбито на две симметричные части. Разбиение
сечение на конечные элементы производится автоматически с образование
сетки конечных элементов. 11
Рисунок 2. Температурное поле конструкции через 48 часов прогрева
Бетон прогревается до температуры 44°С, то есть, температурное превышение относительно окружающей среды составляет 54°С. Данный расчет является прикидочным, он не учитывает экзотермию реакции гидратации.12 После запуска надстройки WinConcret можно уточнить расчет и получить интегральный график распределения температуры, а также график набора прочности бетона. Количество тепла, выделяемого бетоном при твердении, зависит
от содержания цемента в смеси. Кроме того, программа делит все перекрытие
на отдельные блоки, и пользователь получает возможность определить прочность бетона в различных участках конструкции в разные моменты времени.
Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов. - Челябинск:
Изд-во ЮУрГУ, 2020. -156 с.;
12
Красновский, Б.М. Инженерно-физические основы методов зимнего бетонирования / Б.М. Красновский. –
М.: Изд-во ГАСИС, 2020. –512 с.;
11
11
По полученным графикам можно определить моменты прогрева с наибольшим градиентом температуры. При неравномерном прогреве возникают температурные деформации и напряжения. Зная прочность бетона в данный момент времени, можно определить, насколько опасны возникающие напряжения из-за разных температур конструкции.13
Методика прогрева бетона проводом должна предусматривать плавный
разогрева бетонной смеси, этап температурного выдерживания на расчётной
температуре и плавное остывание. Поверхность бетона должна быть защищена теплоизолирующими материалами. Процесс термообработки бетонной
смеси и бетона регулируемый и заранее спланированный.
В ранних рекомендациях описан способ установки термометров в металлические трубки, заполненные маслом. Трубки погружаются в тело бетона, а
термометры или термодатчики требуют регулярного обхода и записи температур. Данный метод морально и технически устарел, так как требует постоянного присутствия лаборанта, ведения бумажной документации. В некоторых
случаях требования невыполнимы в связи невозможностью производства контроля из-за малой прочности бетона перекрытий.14
С целью усовершенствования мониторинга температуры бетона предлагается внедрение отечественных разработок в производство. В частности, применение автономных температурных регистраторов с возможностью записи и
хранения измерений.
Важность обеспечения качественного контроля температурных параметров электропрогрева обусловлена влиянием температурного режима на
напряженно- деформированное состояние бетона. Не допускается резкое повышение или понижение температуры из-за риска трещинообразования. Скорость изменения температуры не должна превышать 5°С/ч.
Комиссаров С. В., Зиневич Л. В. К вопросу о прогнозировании прироста прочности бетона в монолитных
конструкциях свободно остывающих после распалубки // Вестник МГСУ, №4. 2020. Т.5 с.301-305.
14
Красновский, Б.М. Инженерно-физические основы методов зимнего бетонирования / Б.М. Красновский. –
М.: Изд-во ГАСИС, 2020. –512 с.;
13
12
Вывод по второму разделу работы. В данном разделе работы рассматривались особенности перспективы развития бетонирования конструкций в
зимних условиях с применением электропрогрева.
Таким образом, современные приборные комплекты позволяют применять датчики в резиновых оболочках, погружаемых в бетон. Датчики подключаются к прибору с оцифровкой данных, выводом температурных значений на
экран и возможностью подключения к компьютеру.
Современные методические рекомендации не имеют единого расчета
требуемой мощности прогрева. Ручной расчет на основе методик является
приблизительным и может служить лишь примерным подбором оптимального
шага укладки провода и подводимой теплоты.
Проверка и более качественный анализ распространения тепла от электрических нагревателей может быть выполнен в программном комплексе
ELCUT и надстройке WinConcrete. Данное ПО позволяет оценить температурные поля и характер набора прочности бетона в различных участках конструкции, скорректировать параметры прогрева.
При производстве прогрева бетона следует уделить внимание напряженно-деформированному состоянию бетона. Наличие температурных расширений и усадок влечет за собой риск трещинообразования. Особое внимание
следует уделить бетонированию на объектах реконструкции.
Температурный мониторинг должен осуществляться современными
средствами контроля, основанными на принципах автоматизации и автономности.
13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенного исследования были выявлены достоинства и недостатки технологии зимнего бетонирования. Детальным образом рассмотрен
метод электропрогрева с применением греющего провода ПНСВ в бетонировании тонкостенных конструкций. Проведен анализ существующих рекомендаций, методик расчета и научных публикаций по выбранной тематике.
Среди очевидных достоинств метода выделены:
 размещение нагревателей в теле бетона конструкций;
 ускорение набора прочности бетона под действием больших температур;
 относительная равномерность прогрева конструкций по сравнению с
другими методами зимнего бетонирования;
 возможность осуществлять прогрева сразу после укладки смеси;
 доступность регулирования режима температурной обработки бетона.
Недостатками метода являются:
 отсутствие единой методики расчета параметров прогрева;
 приблизительность оценки распространения температуры в теле бетона
и требуемой мощности прогрева путем математических расчетов.
 сложность монтажа электрических нагревателей, единообразие существующих подходов к реализации схемы подключения без оптимизации
затрат.
На основание проведенного исследования сделаны следующие выводы:
Анализ теории и практики зимнего бетонирования монолитных тонкостенных конструкций с применением греющего провода показал необходимость оптимизации и совершенствования метода и внедрения новых технологий;
Изучены публикации и методики по выбранной тематике. Современные
методические рекомендации не имеют единого расчета требуемой мощности
14
прогрева. Ручной расчет на основе методик является приблизительным и может служить лишь примерным подбором оптимального шага укладки провода
и подводимой теплоты. Оценка параметров электропрогрева не учитывает все
влияющих факторов, таких как, интенсивность реакции гидратации в зависимости от времени и температуры, неравномерность теплопотерь в конструкции, изменение характеристик бетона в процессе прогрева.
Показано, что проверка и более качественный анализ распространения
тепла от электрических нагревателей может быть выполнен в программном
комплексе ELCUT и надстройке WinConcrete. Данное ПО позволяет оценить
температурные поля и характер набора прочности бетона в различных участках конструкции, скорректировать параметры прогрева. Расчет при помощи
компьютерного моделирования процессов прогрева позволяет получить
наиболее полную картину распространения температурных полей, производить быстрый подбор оптимальных параметров и расчет времени температурного выдерживания;
На примере рассмотренной ситуации прогрева бетонируемого перекрытия отмечено, что при производстве работ следует уделить внимание напряженно-деформированному состоянию бетона. Компьютерное моделирование
в ELCUT позволяет решать подобные задачи. Наличие температурных расширений и усадок влечет за собой риск трещинообразования. Особое внимание
следует уделить бетонированию на объектах реконструкции, так как была доказана возможность риска трещинообразования бетонных элементов при интенсивном прогреве бетона и ограничении возможных деформаций.
Произведен анализ нормативной документации в области температурного контроля бетона при прогреве. Температурный мониторинг должен осуществляться современными средствами контроля, основанными на принципах
автоматизации и автономности для обеспечения качества продукции.
Даны практические рекомендации для выбора организационно- технологической схемы зимнего бетонирования с применением нагревательных
проводов. При выборе схемы подключения, длины и сечения нагревателя из
15
провода ПНСВ, станции прогрева бетона необходим индивидуальный подход
для каждой конструкции с учетом удобства монтажа и соблюдения режимов
термообработки бетона согласно данным рекомендациям. Показано, как геометрические размеры конструкции могут повлиять на выбор схемы и проводов
ПНСВ. Доказана возможность оптимизации метода на основе увеличения производительности труда с помощью подбора оптимальных длин нагревателей,
схемы подключения и организации прогрева.
Продемонстрирована необходимость исключения риска обрыва провода
при помощи тщательной проверки целостности и качества укладки провода в
целях недопущения перепадов температур и промерзания конструкции в отдельных частях.
16
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных техноло-
гий: моногр. / А.Х. Байбурин., С.Г. Головнев. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ,
2020. – 453 с.
2.
Головнев С. Г. Зимнее бетонирование: этапы становления и разви-
тия // Вестник Волгогр. гос. архит.- строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2020.
Вып. 31(50). Ч. 2. Строительные науки. С. 529-534;
3.
Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация
параметров и выбор методов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2020. -156 с.;
4.
Комиссаров С. В., Зиневич Л. В. К вопросу о прогнозировании
прироста прочности бетона в монолитных конструкциях свободно остывающих после распалубки // Вестник МГСУ, №4. 2020. Т.5 с.301-305.
5.
Красновский, Б.М. Инженерно-физические основы методов зим-
него бетонирования / Б.М. Красновский. – М.: Изд-во ГАСИС, 2020. –512 с.;
6.
Крылов Б.А. Монолитное строительство, его состояние и перспек-
тивы совершенствования // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2020. № 4 (159). С. 35-38;
7.
Крылов, Б.А. Электропрогрев и электрообогрев бетона / Б.А. Кры-
лов. – М.: Стройиздат, 2020. – 264 с.;
8.
МДС 12-48.2009 «Зимнее бетонирование с применением нагрева-
тельных проводов».: Москва, 2020. 21с.;
9.
Миронов С. А. Теория и методы зимнего бетонирования. Изд. 3-е,
перераб. и доп. М., Стройиздат, 2020. 700 с.;
10.
Пикус, Г.А. Оценка необходимого количества контрольных тем-
пературных точек при выдерживании монолитных плитных конструкций в
зимнее время / Г.А. Пикус, К.М. Мозгалёв // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2020. – № 3. – С.70–71.;