авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Теплофизические основы формирования потребительских свойств конструктивных элементов транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шифрин Семен Аронович ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МОНОЛИТНОГО И СБОРНО-МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия А ВТ О РЕФ ЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт транспортного строительс тва» (ОАО ЦНИИС)

Научный консультант: – Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Соловьянчик Александр Романович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рояк Генрих Соломонович доктор технических наук, профессор Красновский Борис Михайлович доктор технических наук Панченко Александр Иванович

Ведущая организация: Филиал ФГУП «НИЦ «Строительство» - НИИЖБ

Защита состоится_2007 г. вч. на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 при Научно-исследовательском институте транспортного строительства по адресу: 129329, Москва, ул. Кольская д. 1, ОАО ЦНИИС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертаци онного совета.

Автореферат разослан_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. После 1995 г. в сфере строительства транспортных коммуникаций в стране произошел переход на массовое использование монолитно го железобетона, когда требуемые объемы транспортного строительства стали при оритетными в программах возрождения отечественной экономики и потребовали разработки новых технических решений.

Первоначальный опыт реконс трукции МКАД, где широко стал использоваться монолитный бетон, показал, что при насыщенности рынка разнообраз ными моди фикаторами бетона и современной высокопроизводительной техникой по приготов лению и транспортировке бетонных смесей в процессе возведения конструкций в них возникали различные дефекты и трещины, и происходило интенсивное разру шение элементов сооружений уже в первые годы их эксплуатации.

Комплексный анализ ситуации показал, что особенности железобетонных транспортных сооружений, характеризуемые сегодня сочетанием значительно воз росших статических и динамических нагрузок от транспортных средств и высокими требованиями к долговечности и надежности мостовых, эстакадных и тоннельных переходов в условиях контакта бетона в холодный период с химическими противо облединительными реагентами, приводят к необходимос ти создания специальной научно-методической, нормативно-технической и нормативно-правовой базы при нятия решений при проектировании и с троительстве транспортных сооружений.

При этом для обеспечения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости железобетонных конструкций транспортного назначения требу ется качес твенно новый комплексный подход к учету целой гаммы термодинамиче ских и теплофиз ических процессов, сопровождающих твердение бетона и влияю щих на формирование отмеченных функциональных потребительских свойств.

Всесторонний учет теплофизических процессов потребовал одновременно с определением их влияния на формирование функциональных потребительских свойств железобетонного сооружения выделить новое направление потребительских свойств – технологических, также зависящих от теплофизических процессов и при званных обеспечить технологичнос ть и экономичность с троительного производст ва.

Необходимость существенного расширения круга учитываемых потребитель ских свойств возводимых конструкций транспортных сооружений, на формирование которых оказывают влияние теплофизические процессы, предопределила актуаль ность темы диссертационной работы и обозначила ее важной технической и хозяй ственной проблемой, решение которой позволило существенно повысить надеж ность и долговечность сооружений, а также технологичность их строительс тва с обеспечением эффективности функционирования подрядных организаций и их кон курентной устойчивости.

Рабочая гипотеза. Основываясь на достижениях фундаментальных наук в тех нологии бетона, современных предс тавлениях о процессах гидратации цемента и формировании свойств цементного камня с учетом развития температурных напря жений в процессе возведения монолитных и сборно-монолитных сооружений, раз работав структурно-иерархическую термодинамическую систему с троительства же лезобетонных транспортных сооружений и на основе методологии системного под хода установив закономернос ти термодинамических и теплофизических процессов на всех стадиях жизненного цикла создания сооружения от проектирования до экс плуатации, возможна разработка системы формирования потребительских свойств сооружения, гарантирующей его долговечность и технологичнос ть возведения.

Цель работы – разработка научно-обоснованных комплексных технических решений, включающих элементы теории и практические приемы реализации, обес печивающие стабильную, долговечную работу транспортных объектов из монолит ного и сборно-монолитного железобетона на основе системного подхода к учету процессов внутреннего и внешнего тепломассообмена в твердеющем бетоне при формировании потребительских свойств сооружений в период их проектирования, строительства и эксплуатации.



Предмет защиты – установленные закономерности влияния теплофизических процессов на формирование потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона и методы их учета при строи тельстве, включающие:

• структурно-иерархическую схему термодинамической системы возводимого транспортного сооружения, учитывающую этапы проектирования, разработки про екта производства работ и возведения конструкций с установленными закономерно стями взаимосвязи сопровождающих эти этапы технологических, физико механических, термодинамических и тепломассообменных процессов, и многоуров невую систему формирования потребительских свойств сооружения, гарантирую щую его долговечность и рациональнос ть возведения;

• методологическое обеспечение и приборное оборудование, гарантирующие надежнос ть и достоверность результатов проводимых исследований при изучении параметров твердеющего бетона в условиях нестационарности тепломассообменных процессов и неритмичнос ти технологического процесса;

• методологию системного подхода в изучении влияния реальных теплофизиче ских процессов на качество возводимых сооружений, основанную на поэтапном оп ределении условий взаимодействия активных составляющих бетонной смеси, усло вий формирования структуры цементного камня, условий формирования свойств бетона в конструктивном элементе или узле конструкции и условий формирования потребительских свойств конструкции в целом;

• принципы управления формированием функциональных потребительских свойств бетона как материала и возводимых элементов конструкции, зависящих от воздействия температурного и влажностного факторов при различных способах ук ладки бетонной смеси, включая вынужденные перерывы в бетонировании и пути снижения максимального уровня разогрева бетона, в том числе на основании уста новленных кинетических и количественных закономерностей проявления теплоты гидратации цемента при модификации бетонных смесей различными комплексами;

• ус тановленные условия формирования собственного термонапряженного со стояния бетона и особенности его влияния на трещиностойкость конструкций транспортных сооружений в период их возведения при использовании бетонов с вы соким классом по прочности и при наличии разномассивных элементов, бетонируе мых за один прием;

• ус тановленные пространственно-временные соотношения и зависимости тем пературных перепадов в конструкции от начальных температурных условий при по этапном возведении сооружений с защемлением бетонируемых блоков и созданные на их основе теплотехнические и термодинамические способы перераспределения внутренних тепловых потоков, обеспечивающие однородность температурных и фи зико-механических характеристик бетона по объему конс трукции и бездефектное бетонирование крупноразмерными захватками;

• принципы многоуровневой системы формирования потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона, способы ее реализации и систему мониторинга обеспечения потребительских свойств.

Научная новизна работы состоит в установлении закономернос тей влияния термодинамических и теплофизических процессов на формирование функциональ ных и технологических потребительских свойств транспортных сооружений из мо нолитного и сборно-монолитного железобетона и методов их учета на иерархически взаимосвязанных стадиях создания транспортного объекта, позволивших разрабо тать новые технологические приемы, исключающие нарушение сплошности и обес печивающие трещиностойкость и долговечность материала, конструктивных эле ментов и узлов конструкции, а также сооружения в целом.

Новыми научными результатами являются:

- разработанная структурно-иерархическая схема термодинамической системы строительства транспортных сооружений, отражающая во времени формирование потребительских свойств конструкций на стадии их проектирования, возведения и эксплуатации с учетом взаимосвязи технологических этапов, тепломассообменных процессов в твердеющем бетоне и теплового взаимодействия поэтапно бетонируе мых конструктивных элементов, и созданная многоуровневая система формирова ния потребительских свойств сооружения, гарантирующая его долговечность и ра циональность возведения;

- научно обоснованные требования к установкам для экспериментального изу чения теплофизических и термодинамических характерис тик твердеющего бетона, разработанная на основе этих требований автоматизированная калориметрическая установка и установленные на ней новые кинетические закономерности тепловыде ления цемента в бетонах, модифицированных органоминеральными комплексами типа МБ и ЭМБЭЛИТ, в бетонах с плас тификатором ЛСТ, с суперпластификатором С-3 и с гиперплас тификатором торговой марки «Глениум», обеспечившие дос товер ность информационных параметров при реализации имитационных математических моделей по расчету температур и прочности твердеющего бетона возведимых транспортных сооружений и надежнос ть разработанных теплофизических сценари ев формирования их требуемых потребительских свойств;

- обоснованная теоретически и экспериментально подтвержденная научная ги потеза о качественном восполнении влагопотерь с открытой поверхности уложен ной бетонной смеси за счет влагопереноса из последующего укладываемого слоя и их совместном виброуплотнении и определение допус тимых границ вынужденных перерывов в производстве бетонных работ в зависимости от степени их завершения;

- методы предупреждения трещинообразования в поэтапно возводимых конст рукциях с защемлением бетонируемых элементов за счет перераспределения внут ренних тепловых потоков и управления кинетикой проявления теплоты гидратации цемента и разработанный с использованием имитационных математических моде лей способ бездефектного бетонирования крупноразмерными захватками, вклю чающий послойную укладку бетонных смесей с различным начальным энергетиче ским потенциалом (патенты № 2208093 и № 2246588);

- разработанный на основе математического моделирования развития тепловых процессов в твердеющем бетоне конс трукций с разномассивными, одновременно бетонируемыми элементами способ выравнивания температур, обеспечивающий снижение риска образования неблагоприятных температурных напряжений путем применения опалубок и тепло- влагозащитных покрытий с переменным термиче ским сопротивлением (патент № 2143047);

- установленные условия использования солнечной энергии для снижения не равномерности температур твердеющего бетона в конс трукциях с разномассивными элементами и обоснованные условия изготовления сборного железобетона на при объектных полигонах на территории Российской Федерации с использованием сол нечной энергии для ускорения твердения бетона;

- разработаные теплофизические основы многоуровневой системы формирова ния потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно монолитного железобетона и принципы ее реализации, исключающие риск развития неблагоприятных температурных напряжений и обеспечивающие рациональное ус коренное взведение конс труктивных крупноразмерных элементов транспортных со оружений из монолитного бетона.

Практическая значимость:

- определены границы рациональных теплотехнических приемов, обеспечи вающих бездефектное твердение бетона в холодный период года без подвода внеш него источника энергии;

- на основании экспериментального определения параметров тепломассооб менных процессов и роста прочности бетона установлены границы допускаемых пе рерывов в бетонировании при послойной укладке бетонной смеси, учитывающие неритмичнос ть в пос тавках бетона и дальность перевозок и обеспечивающие назна чение рационального количес тва автобетоносмесителей при разработке проекта производства работ;

- разработан комплекс теплотехнических способов, обеспечивающих бетониро вание конструктивных элементов тоннелей крупноразмерными блоками, повышаю щих в 1,5…2,0 раза темп строительства сооружения при сведении к минимуму веро ятности образования трещин;

- изучен механизм и разработаны способы ус тройства монолитных протяжен ных немассивных конструкций с послойной укладкой сухих и затворенных бетон ных смесей, позволяющие сократить энергозатраты на отогрев основания в холод ный период года и снизить расход цемента при приготовлении бетонной смеси;

- впервые определены границы рационального производства сборного железо бетона на приобъектных полигонах на территории Российской Федерации при за мещении традиционного пропаривания использованием солнечной энергии для ус корения твердения бетона;

- разработана классификация строительных дефектов в период возведения же лезобетонных сооружений с выделением причин их случайного и вероятностного образования и установлены способы производства ремонтных работ и герметизации трещин с учетом совместимости материалов;

- отработана система составления «Технологических регламентов», а также принципы научно-технического сопровождения с троительства транспортных со оружений, обеспечивающие качество возведения конструкций и оперативную об ратную связь для корректировки принятых решений.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы включены в состав технологических регламентов на производство подготовительных, опалубочных и бетонных работ, которые реализованы при сооружении мос товых переходов через реку Оку в Нижнем Новгороде и на обходе г. Мурома (вантовый мост), метромоста в Лужниках, опор вантового моста и эстакад через реку Москву в Серебряном Бору, опор железнодорожного моста через реку Москву на линии Москва-Курск, опор и эстакад вантового моста через реку Неву в системе КАД вокруг г. Санкт-Петербург, мостов через реку Волга в г. Ярославле, через реки Вятка, Клязьма, Серая, Незнайка, Утка и Суда, при реконс трукции Б. Краснохолмского моста через реку Москву и Северянинского путепровода, при с троительстве автодорожного тоннеля под кана лом им. Москвы на пересечении Волоколамского шоссе с ул. Свободы, тоннелей, сооружаемых открытым способом работ в системе 3-го транспортного кольца г. Мо сквы на участках от ул. Вавилова до Андреевской набережной, в Лефортово, на пе ресечении ул. Сущевский Вал с Шереметьевской улицей и под Нижегородской ули цей, автодорожных тоннелей и тоннелей метро, сооружаемых открытым способом работ на участке Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова, тоннелей и путепроводов при реконс трукции Киевского и Боровского шос се, тоннеля при реконструкции Ленинградского проспекта от станции метро «Дина мо» до станции метро «Сокол», при сооружении эстакад в системе 3-го транспорт ного кольца г. Москвы на участках от Волгоградского проспекта до Нижегородской улицы и от Звенигородского шоссе до Беговой улицы, эстакад при реконструкции подъездных путей к аэропорту «Внуково-1», эстакад и путепроводов в системе КАД вокруг г. Санкт-Петербург, при с троительстве станционных комплексов Мос ковской монорельсовой транспортной системы и аэровокзального комплекса «Вну ково-1» и зданий рамно-безригельной конструкции.

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 11 всероссийских и междуна родных конференциях, в том числе на 6-ой Международной конференции по науке и технологии (ноябрь, 2000 г., Москва), на Международной конференции «Долговеч ность строительных конс трукций. Теория и практика защиты от коррозии» (октябрь, 2002 г., Волгоград), на конференции «Проектирование и строительс тво монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» (октябрь, г., Москва), на 1-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и же лезобетону «Бетон на рубеже 3-го тысячелетия» (сентябрь, 2001 г., Москва), на 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – пути развития» (сентябрь, 2005 г., Москва).

Публикации. Всего опубликовано 147 научных работ, в том числе по теме диссертации – 41.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, се ми глав и общих выводов, содержит 297 страниц машинописного текста, 102 табли цы, 187 рисунков, список использованной литературы из 185 наименований и 3 лис та приложений.

Личный вклад автора в решении проблемы заключается в проведении при непосредственном участии автора обследований монолитных железобетонных кон струкций транспортных сооружений и обобщении их результатов с выявлением ро ли теплофизических факторов, определяющих формирование их потребительских свойств, и классификацией причин образования дефектов, в разработке иерархиче ской структуры термодинамической системы с троительства сооружений из моно литного и сборно-монолитного железобетона и на основе методологии системного подхода в проведении исследований по изучению внутренних и внешних тепломас сообменных процессов в твердеющем бетоне, позволившие обоснованно разрабо тать теплофиз ические основы формирования потребительских свойств конструкций транспортного назначения и методы их практической реализации, в разработке кон струкции дифференциальной калориметрической установки на современной эле ментной базе и установлении особенностей тепловыделения бетонов в составе с со временными модификаторами, в установлении закономернос тей влагопотерь при послойном бетонировании длинномерных конструкций с развитой неопалубленной поверхностью и определении на их основе допустимых перерывов в подаче бетон ной смеси, в установлении закономерностей теплового взаимодействия поэтапно бе тонируемых элементов конструкций, особенностей учета формирования собствен ного термонапряженного состояния бетона и закономерностей взаимодействия соб ственного термонапряженного состояния в конструкциях различного назначения, обеспечивших разработку теплотехнических приемов, снижающих вероятность об разования температурных трещин, и во внедрении разработанных условий форми рования потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного желе зобетона. В соавторстве научно обоснованы, разработаны, защищены патентами и реализованы на практике возможности бездефектного возведения пролетных строе ний мос тов длиной до 180 м и условия увеличения блоков бетонирования конс трук тивных элементов тоннелей с 15 до 40 м.





Все научные положения сформулированы и разработаны автором лично. Под научным руководством автора в лаборатории термодинамики технологических про цессов выполнены исследования по отдельным направлениям данной проблемы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В нашей стране опыт широкого использования монолитного бетона в промыш ленном и гражданском строительстве берет начало с 30-х годов прошлого столетия, когда принятые темпы индус триализации потребовали ликвидации сезонности в ве дении бетонных работ. Решение проблемы по обеспечению круглогодичного бето нирования благодаря работам И.А. Кириенко, В.С. Лукьянова, С.А. Миронова, Б.Г.

Скрамтаева показало, что без знания роли температурного фактора в твердении бе тона и без прогнозирования последствий его действия на конечные физико механические характерис тики материала невозможно гарантировать качес тво воз водимых конструкций.

Принципиально важными для развития методов бездефектного возведения кон струкций из монолитного бетона в сфере транспортной отрасли явились теоретиче ские и экспериментальные исследования В. С. Лукьянова, который обосновал нали чие собственного термонапряженного состояния бетона, ус тановил степень его влияния на качество бетона и показал, что его величина определяется характером температурной кривой нулевых напряжений, имеющих место на начальной с тадии твердения бетона. Предложенный и развитый В.С. Лукьяновым метод гидравличе ских аналогий и способ учета влияния температуры на рост прочнос ти бетона дал возможность не только решать задачи, связанные с термонапряженным состоянием бетона, но и послужил мощной исходной базой для перехода на прогнозирование температурных режимов с помощью стремительно развивающейся вычислительной техники и стал основой для составления Величко В. П., Зориной В. А., Пасеком В. В.

и Соловьянчиком А.Р. целого пакета расчетных прикладных программ, как на ЭВМ, так и в последующем на ПЭВМ, для определения температурных полей в условиях возведения конструкций из монолитного бетона и при изготовлении сборного желе зобетона.

Изучению роли температурного фактора в технологии бетона были посвящены фундаментальные работы отечественных ученых Абрамова В.С., Айрапетова Г.А., Амбарцумяна С.А., Ахвердова И. И., Баженова Ю.М., Березовского Б.И., Бессера Я.Р., Вегенера Р.В., Волосяна Л.Я., Ганина В.П., Гендина В.Я., Генералова Б.В., Гныри А. И., Головнева С.Г., Грозав В.И., Данилова Н. Н., Запорожца И.Д., Заседате лева И.Б., Зубкова В.И., Комохова П.Г., Крылова Б.А., Красновского Б.А., Лагойды А. В, Ли А. И., Лукьянова В.С., Лысова В.П., Малининой Л.А., Малинского Е.Н., Ми ронова С. А., Мчедлова-Петросяна О.П., Окорокова С.Д., Панченко А. И., Парийско го А.А., Сизова В.Н., Скрамтаева Б.Г., Солдаткина М.Т., Соловьянчика А.Р., Топчия В.Д., Ушерова-Маршака А. В., Шестоперова С. В. и других исследователей, на осно вании которых были определены являющиеся и сегодня основополагающими значе ния температур твердеющего бетона, при которых наиболее полно проходит про цесс гидратации цемента и образуется наиболее качественная структура.

Об определяющем влиянии теплофизических и тепломассообменных процессов и теплофизических характеристик материалов на формирование температурных на пряжений в конс трукциях свидетельствует также отечественная и мировая практика гидротехнического строительс тва, где широко применяется мало использовавшийся в транспортном строительстве метод разрезки массивных конструкций швами, рас четные аппараты которого с учетом защемления бетонируемых блоков предложены Васильевым П. И., Кононовым Ю.И., Трапезниковым Л.П..

Технологическая наука о бетоне на основании исследований Алимова Л.А., Во ронина В. В., Гладкова В.С., Горчакова Г.И., Добшица Л.М., Иванова Ф.М., Капкина А. А.Москвина В.М., Подвального А.М., Свиридова В. Н. и других авторов наполне на научно обоснованными, эффективными, проверенными практикой данными по способам проектирования составов бетона и температурным условиям их выдержи вания для обеспечения соответс твующей морозостойкос ти и водонепроницаемос ти материала. В то же время в комплексе с морозостойкостью необходимо рассматри вать, как было показано исследованиями Баженова Ю.М., Вахитова М.М., Жукова В. В., Малинского Е. Н., Миронова С. А., Пунагина В. Н., условия по обеспечению термос тойкости бетона, которая при ограничении по его допускаемому разогреву может оказаться главенствующей.

Кроме температурного фактора, на свойства бетона оказывают влияние процес сы его влагообмена с окружающей средой при производстве бетонных работ.

Вопросам влияния испарения влаги на начальной стадии твердения бетона на его пластическую усадку и конечные физико-механические характерис тики посвя щены многоплановые исследования Александровского С.В., Айрапетова Г. А., Аруо вой Л.Б., Богачева Е.И., Гамаюнова Н.И., Гендина В.И., Дробышевского Б.А., Засе дателева И.Б., Копылова В.Д., Крылова Б.А., Куприянова Н.Н., Малининой Л.А., Малинского Е.Н., Миронова С. А., Невакшенова А.Н., Новиковой И.П., Орентлихер Л.П., Толкынбаева Т.А., Цимеринова А. И., Шахабова Х.С., а также зарубежных ученых, изучавших особеннос ти твердения бетона в условиях сухого жаркого кли мата.

Современные условия применения монолитного железобетона при возведении транспортных сооружений и решение важной технической и хозяйственной пробле мы по обеспечению их надежности и долговечности привели к необходимости про ведения новых поэтапных комплексных исследований по детальному изучению об ширного круга термодинамических и теплофизических процессов, сопровождаю щих твердение бетона и затрагивающих весь цикл создания транспортного объекта, включая его проектирование, строительс тво и эксплуатацию.

Такой подход вызывается, во-первых, особенностями железобетонных транс портных сооружений, которые характеризуются сегодня сочетанием значительно возросших статических и динамических нагрузок от транспортных средств, что вы звало переход на использование бетонов высоких классов (В30…В45 и выше) с вы соким расходом цемента, а в некоторых случаях на использование бетонов со спе циальными модификаторами, без которых невозможно обеспечить требуемый про ектный класс бетона, не выходя за рамки нормативных ограничений по расходу це мента.

К особеннос тям многих конс труктивных узлов мостовых, эстакадных и тон нельных переходов следует также отнести высокие требования к марке бетона по морозостойкости, как правило, не ниже F300, из-за необходимости обеспечения долговечности и надежнос ти сооружения в условиях контакта бетона в холодный период с химическими противообледенительными реагентами.

Во-вторых, произошли качественные изменения в применяемых бетонах вследствие насыщения рынка высокопроизводительной техникой по доставке бе тонных смесей к месту укладки, так как широкомасштабное использование бетоно насосов потребовало разработки составов с высокой подвижностью.

В-третьих, из-за загруженности автомагистралей на маршрутах транспорти ровки бетона возникла потребнос ть в составах с длительным сохранением удобоук ладываемости.

Отмеченные качес твенные изменения в используемых материалах отражаются на кинетике процессов гидратации и структурообразования при формировании це ментного камня и приводят к изменениям в динамике разогрева бетона и к более существенному уровню его разогрева в конструкциях В-четвертых, к необходимости переосмысливания накопленного опыта с трои тельства сооружений из монолитного бетона привели не только качес твенные изме нения в используемых материалах, но и в корне изменившиеся условия строитель ства объектов. Диктуемые сегодня контрактом сжатые сроки ввода сооружений в эксплуатацию требуют интенсификации всех технологических процессов, приводят к необходимости бетонирования конструкций укрупненными блоками, подчас с объединением разнофункциональных конструктивных элементов различной мас сивности, тепловое взаимодействие между которыми также переходит на качест венно новый уровень.

В-пятых, в силу высокой объемности транспортных сооружений и наличия конструктивно сложных сопряжений различных элементов их возведение ведется поэтапно при неизбежно возникающем при твердении бетона силовом взаимодейст вии бетонируемых элементов с различным уровнем разогрева.

Кроме того, оказалось, что формирование таких функциональных потребитель ским свойств бетона, как прочнос ть, морозостойкость, водонепроницаемость, тре щиностойкость к климатическим воздействиям и коррозионная стойкость, потребо вало рассматривать проблему совместно с приемами практической реализации про ектных решений, также зависящих от тепломассообменных процессов, и привело к необходимос ти кроме функциональных потребительских свойств формировать тех нологические потребительские свойства, в круг которых, связанных с тепломассо обменными процессами, были включены:

- сохранение технологичности, непрерывности работ при неритмичных поставках бетона и негативном воздействии окружающей среды;

- обеспечение однородности функциональных свойств по объему конструкции;

- снижение вероятности образования температурных трещин на стадии возведения сооружения;

- снижение трудоемкости работ, экономное расходование энергетических ресурсов и автоматизация технологических этапов строительного производства;

- обеспечение ремонтопригоднос ти;

- наличие системы качес твенной реализации формирования потребительских свойств.

Учитывая различную природу процессов, на которые оказывает влияние окру жающая среда и температурный режим твердеющего бетона, решение проблемы по обеспечению требуемого качества конструкций из монолитного железобетона по требовало рассматривать весь цикл создания транспортного сооружения, включая этапы его проектирования, строительс тва и эксплуатации, как единую взаимодейст вующую термодинамическую систему.

Необходимость такого подхода применительно к сборному железобетону впервые была теоретически обоснована А.Р.Соловьянчиком при создании энерго сберегающих основ технологии заводского изготовления мостовых и других желе зобетонных конс трукций. Кроме того, в соответствии с развернутой интерпретацией системного подхода, предложенной и развиваемой в ЦНИИС А. А.Цернантом, обес печение эффективнос ти управления качес твом таких систем предусматривает необ ходимость их рассмотрения с позиций не только с труктурно-иерархического, но и диалектического (рассмотрение системы на всех стадиях цикла создания сооруже ния) и кибернетического (в качестве объекта управления с обязательным наличием обратных связей) аспектов.

Исходя из совокупности процессов и условий, влияющих на формирование по требительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно монолитного железобетона, в данной работе принципы системного подхода конкре тизированы и формализованы в виде с труктурно-иерархической схемы термодина мической системы (рис.1), отражающей во времени стадии цикла создания транс портного объекта.

В представленной схеме выделяется четыре взаимосвязанных уровня иерархии рассматриваемой системы: нано-, микро-, мезо- и макро-, рассмотрение роли тепло массообменных процессов на каждом из которых и при взаимодейс твии с тадий жизненного цикла создания сооружения между собой позволило сформулировать основные направления исследований в представляемой работе.

Рис.1 – Структурно-иерархическая схема термодинамической системы строительства транспортного объекта Первая стадия жизненного цикла включает взаимодействие на нано уровне активных составляющих бетонной смеси: цемента, воды, модификаторов. Этому взаимодействию предшествует, во-первых, проектирование состава бетонной смеси в соответствии с требованиями проекта по прочности, морозостойкости, водонепро ницаемости (функциональные потребительские свойства) конкретного рассматри ваемого сооружения и в соответс твии с требованиями принимаемой технологии ве дения бетонных работ по сохранению подвижности в период доставки бетонной смеси на объект, а, во-вторых, приготовление бетонной смеси и ее транспортировка и доставка к месту укладки.

Скорость взаимодействия активных составляющих бетонной смеси при норми руемых показателях по качеству цементов, применяемых в транспортном строи тельстве, зависит от состояния воды, тонкости помола цемента, вида применяемого модификатора и температуры протекания процесса гидратации цемента, идущего со значительным выделением тепла, которое в последующем вместе с условиями теп лообмена определяет развитие температурных полей в конструктивных элементах.

Поэтому для прогнозирования выделения тепла при гидратации цемента и оп ределения, при необходимости, путей снижения уровня разогрева бетона при рас смотрении стадий последующих уровней иерархии системы потребовалась поста новка исследований данного процесса на составах бетона с применяемыми сегодня модификаторами различного механизма дейс твия. Учитывая, что кинетика тепло выделения отражает кинетические закономерности процесса гидратации цемента, получаемый экспериментальный материал дает также основание делать предполо жения о полноте использования потенциала цемента.

На полноту процесса гидратации цемента оказывают также влияние массооб менные процессы при возведении сооружения, которые действуют в двух времен ных периодах: в период бетонирования, когда при послойной укладке бетонной сме си возникает технологический перерыв в перекрытии слоев, и по окончании бетони рования конс трукции в период производства работ по отделке поверхности забето нированного элемента и в течение срока организации влажностного ухода за бето ном. Учитывать эти процессы необходимо определением допускаемых влагопотерь и отсюда допускаемой продолжительности перерыва до укладки последующего слоя, что ранее не исследовалось применительно к послойному бетонированию кон струкций.

Второй уровень иерархии термодинамической системы (микроуровень) от ражает на микро уровне ход во времени процессов структурообразования при фор мировании цементного камня. Качество структуры при этом влияет на обеспечение необходимой морозостойкости материала, а одним из первых условий выполнения проектных требований по этому показателю долговечнос ти является соблюдение регламентированного СНиП максимально допускаемого уровня разогрева бетона в зависимости от суровости климата, на территории, где эксплуатируется сооружение.

Поэтому поиск сценариев управления уровнем разогрева бетона является узлом сопряжения первого и второго уровня иерархии термодинамической системы, а ре шение проблемы потребовало ее разделения на два направления. Первое направле ние связано с поиском путей по ограничению уровня саморазогрева бетона в мас сивных конструкциях, а второе – относится к конструкциям немассивным, когда требуемый температурный режим твердения бетона обеспечивается внешним ис точником энергии и необходимо исключение внештатных ситуаций по перегреву материала. Второе направление потребовало разработки на базе микропроцессорной техники системы автоматического регулирования процесса нагрева бетона.

При регламентировании допускаемого уровня разогрева бетона необходим также учет возникающих напряжений третьего рода, являющихся следствием разли чий в коэффициентах температурного расширения различных кристаллов новообра зований, входящих в состав цементного камня. Данные напряжения являются вто рым фактором, определяющим качество структуры цементного камня.

На третьем уровне иерархии (мезоуровень) находится основной конструк тивный материал - твердеющий бетон, при прогнозировании роста прочности ко торого требуется учет температурного фактора по двум направлениям: и как опре деляющего темп твердения бетона, и как определяющего уровень температурных напряжений второго рода, вызываемых разностью коэффициентов температурного расширения крупного заполнителя и мелкого заполнителя с цементным камнем, фиксируемых в процессе твердения бетона и влияющих на его термостойкость.

Учет этого показателя требует обеспечения на начальной стадии твердения бе тона низких положительных температур и низкой скорости разогрева бетона. А для периода эксплуатации сооружения необходимо наложение уровня разогрева твер деющего бетона на амплитуду колебаний температуры среды для территории, где возведится транспортный объект, что может внес ти коррективы в допускаемый уро вень максимального разогрева бетона и относится к выбору сценариев управления в узле сопряжения стадий твердения бетона со стадиями эксплуатации сооружения, находящихся на макроуровне иерархической структуры.

При обеспечении функциональных свойств бетона неоходимо также, как и при обеспечении полноты протекания процесса гидратации цемента, учитывать влияние потерь влаги в период возведения сооружения на конечную прочность бетона. По мимо этого, для обеспечения качес твенного совместного виброуплотнения уклады ваемых слоев бетонной смеси требуется определение допускаемого снижения ее подвижности в ранее уложенном слое и разработки методики прогнозирования воз никающей при этом интегральной подвижности провибрированных совместно сло ев. Получаемая в таком плане информация дает возможность оценивать неритмич ность технологического процесса и диктовать условия по ограничениям в перерывах подачи бетонной смеси на строительный объект.

К четвертому уровню иерархии жизненного цикла создания транспортного объекта относится формирование свойств бетонируемого элемента конструкции.

В бетонируемых конс труктивных элементах при их выдерживании в опалубке формируется неоднородное температурное поле, которое вызывает образование собственных температурных напряжений первого рода (макронапряжения), опре деляющих трещиностойкость бетона в процессе его твердения.

Для оценки параметров собственного термонапряженного состояния бетона не обходимо прогнозировать изменение температур и рост прочнос ти твердеющего в объеме элемента бетона и по разности установленных температурных перепадов по сечению элемента в период формирования кривой нулевых напряжений и в период наиболее неблагоприятного распределения температур находить расчетный перепад.

Достоверность получаемых результатов, а также правомернос ть выбираемых сценариев управления термонапряженным состоянием бетона зависит от надежно сти исходных данных по изменению тепловыделения гидратирующего цемента при переменных во времени температурах, от дос товерности данных по теплофизиче ским характеристикам твердеющего бетона (теплопроводность и теплоемкость) и от правильного учета тепломассообменных процессов на границе с окружающей средой, назначаемых при расчетах на имитационных моделях. С учетом изменивше гося качества применяемых материалов определение отмеченных показателей также составило предмет специальных исследований, а выбор сценариев управления тер монапряженным состоянием бетона, направленных на снижение вероятнос ти обра зования температурных трещин, оказывается взаимосвязанным с уровнем иерархии, который относится к взаимодействию активных составляющих бетонной смеси.

Неоднородность температур в бетонируемом конструктивном элементе требу ется оценивать также с позиции эффективного использования опалубочного обору дования и находить приемы, обеспечивающие сглаживание неравномерного распре деления температур для минимизации времени выдерживания бетона в опалубке.

На четвертом уровне иерархии, но на следующей стадии жизненного цикла на ходится взаимодействие поэтапно бетонируемых конструктивных элементов требующее рассмотрения температурных напряжений, являющихся следствием за щемления вновь бетонируемого элемента ранее забетонированным, когда на грани це их сопряжения происходит сдерживание свободного проявления температурных деформаций разогреваемого и в последующем остывающего бетона. В силу конст руктивных особенностей или функционального назначения конкретного сооружения задачу оказалось необходимым разделить на два направления: первое относится не посредственно к поэтапному бетонированию, а второе – к одновременному бетони рованию разномассивных элементов конструкции, как например, при ус тройстве плитно-ребристых пролетных с троений, когда бетон в ребре из-за его высокой мас сивности разогревается значительно выше и твердеет интенсивнее, чем бетон в не массивных консолях и плите, и немассивные элементы становятся условно защем ленными в ребро.

Поскольку данный вид напряжений ограничивает длину захватки бетонирова ния, то выбор сценариев управления на данном уровне иерархии термодинамиче ской системы с целью увеличения размеров бетонируемых блоков включает необ ходимость исследования развития тепловых процессов на границе бетонируемых элементов и одновременно требует их рассмотрения совместно с условиями форми рования собственного термонапряженного состояния бетона, рассматриваемого на предыдущей стадии жизненного цикла.

В пятый уровень иерархии рассматриваемой системы попадает также устройст во сооружений с применением сборного и монолитного железобетона. В таком со оружении сборный железобетон играет роль ранее забетонированного элемента, а монолитный, с помощью которого сборные элементы объединяют в единое соору жение, выступает в качестве вновь бетонируемого узла.

На макроуровне происходит также стадия взаимодействия возведенного сооружения с окружающей средой, когда необходимо рассматривать взможность возникновения температурных напряжений при снятии опалубки или решать вопро сы по выбору способов и материалов для ремонта возникших в ходе строительства дефектов. Решение вопросов последнего направления приводит к необходимос ти рассматривать проблему с позиции совместимости ремонтных составов с ремонти руемым бетоном, в том числе с учетом прогнозируемых тепломассообменных про цессов.

При комплексном решении проблемы обеспечения потребительских свойств транспортного сооружения потребовалось создание системы управления их фор мированием с включением принципов выбора управляющих воздействий и способов их реализации, системы документов, обеспечивающих порядок реализации разраба тываемых решений, и системы управления качеством объектов транспортного строительства.

При решении вопросов методологического обеспечения достоверности ре зультатов проводимых исследований по изучению параметров твердеющего бе тона в условиях нестационарности тепломассообменных процессов и неритмично сти технологических этапов возведения сооружений была разработана автоматизи рованная калориметрическая установка для изучения тепловыделения бетона.

При выборе принципа действия разрабатываемой калориметрической установ ки применительно к изучению свойств бетонов в условиях возведения монолитных сооружений приоритет был отдан калориметру, работающему по дифференциаль ной схеме с имитацией тепловыделения бетона путем электропрогрева модельного образца по сигналу следящей системы, фиксирующей изменение мощности тепло выделения во времени. При этом для устранения влияния температуры на кинетику проявления термодинамического потенциала цемента была обоснована возможность проведения исследований на растворной части бетона и определен допускаемый объем исследуемой смеси, при котором исключается высокий уровень саморазогре ва исследуемого образца.

Функциональные элементы разработанной дифференциальной автоматизиро ванной калориметрической установки представлены на рис.2.

Рис.2 – Блок-схема дифференциальной калориметрической установки В качестве прибора, регис трирующего все параметры тепловых импульсов и преобразующего их в цифровую форму, используется 12-ти разрядный аналого цифровой преобразователь ЛА-1,5PCI, обеспечивший возможность компьютеризи ровать вычислительный процесс и повысить точность измерений за счет изменений порядка регистрации параметров теплового импульса с максимальным значением суммы случайной и систематической ошибок не более 5,0 %.

Для условий пос тавленной задачи с помощью разработанного для этих целей НПП Карат измерителя теплопроводнос ти МИТ-1 зондовым методом было изучено изменение теплопроводности в процессе твердения бетона на составах с длитель ными сроками сохранения реологических свойств, которые требуются при совре менных способах транспортировки и дос тавки бетона к месту укладки. Исследова ния показали, что в процессе твердения бетона, модифицированноного супер- и ги перплас тификаторами можно выделить две основные стадии в изменении : участок о со снижением от 2,597…2,477 до 2,319…2,316 Вт/(м· С) и участок со стабильным значением теплопроводности на дос тигнутом уровне в период активного твердения бетона, что отличается от результатов ранее определенных закономерностей в изме нении теплопроводнос ти, когда высокая подвижнос ть смеси обеспечивалась только за счет соответствующего соотношения цемента и воды.

Для оценки достоверности результатов моделирования тепловых процессов при твердении бетона и корректировки расчетных данных в ходе осуществлявшегося научно-технического сопровождения строительства объектов проводилось измере ние температур непосредственно в бетонируемых конструктивных узлах, а по окон чании выдерживания бетона определялась его прочность.

В качестве датчиков температуры использовались хромель-копелевые термопа ры, которые закреплялись на арматурном каркасе перед производством бетонных работ в характерных точках бетонируемого сооружения, а в качес тве вторичного прибора, обеспечивавшего измерение и считывание информации по температурам применялся 8-ми канальный терморегистратор «Терем-3», первые модификации ко торого были разработаны НПО «Карат» при непосредственном участии автора на стоящей работы по техническому заданию и при финансировании лабораторией Термодинамики технологических процессов ОАО ЦНИИС.

Изучение взаимодействия активных составляющих бетонной смеси в зави симости от температурного фактора и используемых модификаторов, проведенное на калориметре на бетонах, модифицированных лигносульфонатами, суперпласти фыикатором С-3, гиперпластификатором с торговой маркой «Глениум» и органоми неральными комплексами типа МБ и Эмбэлит, показало, что использованные моди фикаторы определяют только кинетику тепловыделения при гидратации цемента.

При совпадении значений максимальной скорости процесса менялось только время ее наступления, причем в очень широком диапазоне: от 12,5 ч для состава с Глениумом и 16,0 ч в составе с суперпластификатором С-3 до 48,0 ч в составе бето на, модифицированного органоминеральным комплексом МБ 10-01 (рис. 3), что свя зано с различиями природы дейс твия каждой из исследованных композиций. Но в возрасте 100 ч количество выделившегося тепла в пересчете на 1 кг цемента соста вило для всех изученных составов 260 кДж/кг, что дает основание говорить о воз можности снижения уровня разогрева бетона при применении отмеченных компо зиций пропорционально уменьшению расхода цемента. В то же время необходимо обратить внимание на факт быстрого расходования потенциала цемента: уже в воз расте 100 ч при нормальной температуре относительное тепловыделение от воз можного максимального составляет 56 %, что говорит о необходимости пос тановки последующих исследований по изучению долговечности материала.

Рис.3 – Кинетика (1) и интенсивность (2) тепловыделения при температуре о 20 С бетонов с органоминеральными модификаторами МБ 10-01 (а) и Эмбэлит (б) В ходе изменения скорости процесса отмечены различия на его начальной ста дии, характеризуемые более низким значением первого пика тепловыделения для составов с органоминеральным модификатором МБ 10-01, что говорит о поглоще нии тепла минеральной частью модификатора. В последующем развитии тепловы деления бетонов, модифицированных МБ 10-01, выявлено, что с увеличением коли чества модификатора в бетонной смеси увеличивается значение максимальной ско рости процесса. Такая закономерность связана с ролью минеральной час ти модифи катора, как дополнительного центра кристаллизации, что и увеличивает выход про дуктов гидратации.

Изучение проявления термодинамического потенциала цемента при температу о ре 40 С показало на индивидуальную роль температурного фактора в каждом ис следованном составе. Наиболее качественные изменения были зафиксированы для состава бетона с суперпластификатором С-3, когда с повышением температуры про явление тепловыделения в составе с суперпластификатором оказалось практически идентично тепловыделению для бездобавочного бетона, что потребовало для прове дения в последующем расчетов развития температурных полей определить для каж дого из модификаторов индивидуальные значения переходных коэффициентов, с помощью которых учитывается влияние температурного фактора на скорость теп ловыделения и рост прочнос ти бетона.

Установленные существенные различия в проявлении тепловыделения бетонов в зависимости от применяемых модификаторов привели к необходимости разрабо тать новый алгоритм расчета тепловыделения при гидратации цемента при решении основного уравнения теплопроводности:

который заключается в замене аналитических зависимостей по расчету тепловыде ления, использовавшихся в программном комплексе ЦНИИС, на вводимые в базу исходных данных результаты экспериментальных определений показателей этого процесса на калориметрических установках в нормальных условиях твердения (при о 20 С), получаемые на бетонах конкретного запроектированного состава. Количест венная оценка влияния температуры на процесс тепловыделения в расчетах учиты валась с помощью так называемой температурной функции ft, показатели которой определялись также по экспериментальным данным калориметрических измерений о при температурах, отличных от 20 С.

Оценка прогнозируемого разогрева бетона, полученного на имитационных моделях для условий возведении основных элементов транспортных сооружений и зданий вокзальных комплексов с выбором для расчетов конструктивных узлов с различной массивностью показала, что превышение значений максимальной темпе ратуры бетона над регламентированным, при котором гарантируется образование о качественной с труктуры материала (не более 80 С при эксплуатации сооружения в о средней полосе и не более 70 С - при эксплуатации в суровых климатических усло виях) при классе бетона В30 имеет место при массивности элементов, характери - зуемой модулем поверхности ниже 1,7 м, при классе бетона В40 – при модуле по - верхности ниже 2,5 м, а при классе бетона В45 и традиционном проектировании его состава уровень разогрева бетона всегда превышает допускаемый и в теплый пе о риод года может превысить 90 С.

Задача по снижению разогрева бетона решалась путем определения на имита ционных моделях допускаемого расхода цемента и подбора соответствующего со става бетона либо без специальных модификаторов, либо за счет использования мо дификаторов, обеспечивающих снижение расхода цемента. Об эффекте применения для этих целей модификатора Эмбэлит свидетельс твует рис. 4, на котором макси о мальный разогрев бетона с данным модификатором на 14 С ниже, чем при исполь зовании обычного бетона даже более низкого класса.

Оценка скорости разогрева бетона по результатам моделирования изменения температур в твердеющем бетоне показала, что она во всех расчетных вариантах со о ставляла не более 1,6 С/ч, что на порядок ниже ограничения по скорости разогрева бетона при интенсивной тепловой обработке, и поэтому может не вызывать опасе ний в нарушении структуры материала на стадии подъема температуры.

При решении вопроса по обеспечению однородности свойств бетона по объему конструкции для условий, когда имеющий место разогрев не достигает предельно - допускаемого (при модуле конструкций выше 3,0 м ), было установлено, что за счет снижения тепловых потерь путем доведения термического сопротивления опалубки до значения R = 0,35 м2 · о С/Вт возможно сокращение в два раза времени набора тре буемой прочнос ти в поверхностных слоях, имеющих более низкую температуру.

Рис.4 – Изменение температуры твердеющего бетона при устройстве фундаментных плит толщиной 1,4 м с применением бетона класса В35, без специальных модификаторов (а) и толщиной 1,5 м и бетоне класса В40, с модификатором Эмбэлит 8-100 (б) Определение колебаний температуры различных слоев конструкции при коле баниях температуры среды, когда может происходить замораживание и оттаивание бетона, позволило ус тановить, что если за 100 % принять количество переходов че о рез 0 С в наружном слое конструкции, то на расстоянии 200 мм от поверхнос ти число таких переходов не превышает 26 %, а на расстоянии 300 мм от поверхности – 16 %. Установленные закономерности показали на возможность дифференцирован ного подхода в ограничении максимально допускаемого разогрева бетона.

Проработка вариантов управляющих воздействий, обеспечивающих снижение разогрева бетона, показала на возможность решения проблемы на стадии проекти рования сооружения за счет поиска оптимального соотношения между конфигура цией конструкции и требуемой несущей способностью. На примере плитного про летного строния толщиной 800 мм, запроектированного с равномерно расположен ными пустотами диаметром 400 мм, было установлено, что при проектном классе бетона В35 разогрев бетона даже при высоких температурах среды и укладываемой о бетонной смеси не превышает 73 С, а зона с такой температурой по площади попе речного сечения не превышает 1,5 %.

Кроме косвенного управления уровнем максимального разогрева бетона в мас сивных элементах за счет изменения расхода цемента или конфигурации конс трук ции были проработаны варианты прямого управления параметрами твердеющего бетона маломассивных конструкций, когда температура обеспечивается путем под вода внешнего источника энергии и требуется исключить риск нештатных ситуаций, приводящих к перегреву бетона.

На основании результатов исследований была разработана система автоматиче ского управления процессом поддержания требуемого температурного режима твердеющего бетона на базе специально созданного микропроцессорного устройст ) ва СПК 430, которое обеспечивает требуемый ритм технологического потока на основе регулирования температурного режима твердеющего бетона по его изме няющейся температуре и прочности. При программировании работы ус тройства СПК 430 по вычислению текущей прочнос ти твердеющего бетона и прогнозируемой, которую бетон может набрать за время, оставшееся до конца цикла обогрева, использовали алгоритм, предложенный Абрамовым В. П. и Соловьянчи ком А.Р., позволяющий вести расчет прочности с любого момента времени незави симо от продолжительности начальной стадии твердения бетона и последующего твердения после выключения системы обогрева:

Rн t (T +Т ) dt+R n б о Rн R = R (2) Rн t + (Tб +Т о ) dt+ n R Rн Система автоматического регулирования процесса нагрева бетона с помощью устройства СПК 430 была применена и обеспечила качество работ с рациональными энергозатратами при омоноличивании стыков и швов на строительстве зданий с безригельным каркасом системы «ИМС» и на заводе ЖБИ в Михнево, где освоен выпуск сборного железобетона для монтажа зданий отмеченной конструкции,.

Изучение влияния отрицательных температур среды на обеспечение потреби тельских свойств бетона при управлении тепловыми потерями за счет изменения условий теплообмена на границе бетон-окружающая среда позволило установить, 2о что при термическом сопротивлении опалубки величиной 0,7 м · С/Вт и классе бе тона В40 возможно расширение диапазона ведения работ в холодный период года о без устройства технологических укрытий до температуры минус 10 С при модуле -1 - поверхности конструкции, равном 5 м, а при модуле поверхнос ти, равном 4 м - до о минус 20 С. Реализация таких приемов при строительстве аэровокзального ком плекса «Внуково-1» позволила существенно снизить трудоемкость работ и энерго затраты.

) Разработано совместно с ОАО НПФ «Логика» Изучение воздействия влажностного фактора на обеспечение функциональ ных и технологических потребительских свойств бетона, проведенное для условий послойного бетонирования протяженных в плане конс трукций с имитацией темпе ратуры среды, ее подвижности и потока солнечной радиации, подтвердило выска занную гипотезу о возможности восполнения влагопотерь при совместном виброуп лотнении укладываемых слоев бетонной смеси за счет перераспределения влаги в бетонируемой конструкции. Из представленных в табл. 1 данных, в которой 1-ый этап соответствует послойному бетонированию, а 2-ой – завершаемому укладывае мому слою, прослеживается явная разница в допускаемых влагопотерях.

Таблица Влияние испарения влаги на прочность и морозостойкость послойно укладываемого бетона класса В Темпе- Темпе- Продолжитель- Влагопотери Прочность, М орозостой ратура ратура ность воздейст- в слое МПа кость, бетона, среды, вия среды, мин толщиной 10 см, %R28 число о о С С г/%В циклов 1-ый 2-ой 1-ый 2-ой 1-ый 2-ой 1-ый 2-ой этап этап этап этап этап этап этап этап 15,0 12,0 54,0 54, 14 10 150 120 37 8,4 7,0 100 17,5 12,2 52,9 54, 14 10 180 120 37 9,8 7,2 98,0 14,8 9,5 53,5 54, 22 25 60 40 37 8,3 5,6 99,0 21,0 9,5 53,2 53, 21 25 80 40 37 11,8 5,5 98,5 99, 22,5 9,6 52,6 53,6 22 25 90 40 12,6 5,8 97,5 99,2 Обобщение результатов экспериментальных исследований показало, что дейст вие окружающей среды должно быть ограничено периодом, когда влагопотери к моменту перекрытия слоев не превышают 10,5 % от воды затворения для бетона класса В30 и 10,0 % - для бетона класса В40. В то же время для верхнего заключи тельно укладываемого слоя бетонной смеси допускаемый уровень влагопотерь, при котором не происходит последующий недобор проектной прочности бетона и не снижается его морозостойкость, составляет только 7 % от воды затворения для бе тона класса В30 и 6,5 % - для бетона класса В40.

Специально проведенными исследованиями впервые был установлен характер перераспределения бетона по подвижнос ти после совместного виброуплотнения слоев и для оценки результирующей подвижности предложено соотношение:

ОКсовм = 1,46 + 0,234(ОКниз – 3) + 0,714ОКверх, (3) которое вместе с кривой изменения подвижнос ти бетонной смеси во времени позво ляет оценивать период снижения подвижности до критического значения и рассчи тывать допускаемую продолжительность перерыва в поставках бетонной смеси. Для прогнозирования влагопотерь и определения допускаемого перерыва в бетонирова нии была разработана номограмма для каждого проектного класса бетона (рис. 5).

Рис.5 – Номограмма для определения влагопотерь и потери подвижности бетона класса В40 (1 – верхний слой;

2 – послойная укладка;

о о о о а) – tб = 20 С, tв = 25 С;

б) – tб = 15 С, tб = 10 С) Исследование особенностей формирования собственного термонапряжен ного состояния бетона в конструктивных элементах простой формы показало на низкую вероятность образования температурных трещин при их массивности, соот - ветствующей модулю поверхности не ниже 2,0 м. Но при модуле поверхности, - равном Мп = 1,2 м расчетная разность для угловых точек и граней превышает до о пускаемые 18 С и может быть снижена за счет сглаживания неравномерности тем ператур путем увеличения термического сопротивления опалубки в проблемных зо нах.

Однако, как показали исследования, при габаритах бетонируемого ростверка, - когда модуль поверхности равен 0,75 м, даже при дополнительном увеличении термического сопротивления опалубки путем закрепления утеплителя по граням ро стверка и доведения суммарной мощнос ти тепловой изоляции и опалубки на этих 2о участках до 0,7 м · С/Вт собственное термонапряженное состояние бетона характе ризуется высокими значениями расчетных перепадов, доходящими в летних услови о ях до 27 С, что помимо управления тепловыми потерями в окружающую среду по требовало для снижения вероятности трещинообразования ввести ограничение по расходу цемента в поставляемой на объект бетонной смеси.

- При этом, как было установлено для рос тверков с Мп 1,2 м, наиболее небла гоприятное распределение температур имеет место в момент максимального разо - грева бетона, а для рас тверков с Мп = 0,75 м наибольшая неравномерность темпе ратурного поля формируется в возрасте 240 - 250 ч.

Изучение характеристик собственного термонапряженного состояния бетона при возведении с тоек опор и колонн выявило, что при диаметре стоек до 1,3 м рас четные перепады температур по сечению незначительны. Но при диаметре стойки, равном 2,0 м, при сглаживании неравномернос ти температур по сечению за счет ре гулирования тепловых потерь с поверхности выявилось, что при достижении поло жительного эффекта по допускаемому расчетному перепаду температур возникает о высокая температура бетона на поверхнос ти стойки (62 С), что потребовало опре деленного сокращения расхода цемента в проектируемом составе бетонной смеси.

Определение параметров собственного термонапряженного состояния бетона в - стойках опор с модулем поверхнос ти Мп = 0,94 м (русловые опоры моста через ре ку Оку в Нижнем Новгороде) выявило, что при расходе цемента в составе бетонной смеси равном 430 кг/м при бетонировании в металлической опалубке вероятнос ть образования температурных трещин очень высокая. Увеличение термического со противления опалубки дало возможность снизить перепад температур, но при этом температура бетона в поверхностных слоях достигала высоких значений(табл. 2).

Таблица Разность температур, оС Условия расчета Вариант Температура Вре опалубки на момент мя макс. разогр., ос о С тыв.

до до расход метал. метал. пове- центр при на рас tбет, tоср, пуск.

о цемента, с теп- рхн. проч- момент четная С С тем кг/м ловой ности макс.

пер., изол. 0,3R28 разогр.

сут 430 10 5 + - 30 73 17 43 26 3, 430 10 5 - + 65 75,5 2 10,5 8,5 6, 430 20 20 + - 28 75 12 47 35 2, 430 20 20 - + 62 86 9 24 15 4, 380 10 5 + - 25 57 12 32 20 3, 380 10 5 - + 40 53 4 13 9 4, 380 20 20 + - 35 68 10 33 13 1, 380 20 20 - + 50 68 6 17 11 3, Управление разогревом твердеющего бетона путем снижения расхода цемента с 430 до 380 кг/м дало возможность не только снизить разогрев бетона в поверхно стном слое, но и при ведении бетонных работ в теплый период года обеспечить до пускаемый температурный перепад без закрепления тепловой изоляции на металли ческой опалубке.

Более существенная разница в температурах, особенно между центром и граня ми, расположенными под ос трым углом, была зафиксирована при прогнозировании условий бетонирования нижней части пилона русловых опор вантового моста через реку Оку при обходе г. Мурома. Апробация на имитационной модели различных те плотехнических приемов по снижению неравномернос ти разогрева бетона выявила, что при снижении степени неоднородности температур по объему опоры за счет до полнительного увеличения термического сопротивления опалубки граней увеличи вается превышение расчетной разности температур над допускаемой при низких температурах среды и укладываемой бетонной смеси.

Для таких условий бетонирования была подтверждена возможность достиже ния необходимого эффекта путем изменения порядка производства подготовитель ных работ со смещением во времени бетонирования нижней части пилона и работ по закреплению на опалубке дополнительной тепловой изоляции, с переносом этой операции с подготовительного периода на период после набора бетоном прочнос ти в поверхностных слоях величиной 30 % R28. В итоге расчетная разность температур о снизилась с 35 до 21 С.

Обобщение данных исследований показало, что при модуле поверхнос ти ко -1 - лонн или с тоек опор более 1,7 м, но менее 5,8 м, необходимо сглаживать неодно родность температур только для обеспечения равномерного твердения бетона по объему бетонируемой конс трукции. При модуле поверхности бетонируемого эле - мента менее 1,8 м уже требуется снижение неоднородности температур для обес печения как равномерного твердения бетона, так и требуемой трещиностойкости в процессе его твердения.

По результатам проведенных исследований для ориентировочных расчетов бы ли установлены эмпирические закономерности степени неравномерности темпера тур (t) и расчетных перепадов температур с учетом формирования кривой нулевых напряжений (tрасч) в зависимости от расхода цемента (Ц), температуры бетонной смеси (t) и модуля поверхности (Мп) бетонируемых колонн или стоек опор:

t = e 3,53 – 0,41(Мп – 0,95) + 0,5(t – 10) + 0,15(Ц – 410), (4) 3,51 – 0,537(Мп – 0,5) tрасч = e + 0,6(t – 10) + 0,17 (Ц – 410) (5) (для опалубки из металлических щитов), tрасч = e2,34 – 0,53 (Мп – 0,5) + 0,1(t – 10) + 0,2 (Ц – 410) (6) (для опалубки из металлических щитов с закрепленной тепловой изоляцией, или щитов из ламинированной фанеры).

Результаты детальных исследований по изучению характерис тик собственного термонапряженного состояния бетона в плитно-ребристых пролетных строени ях мостов и эстакад, выполненных по различным проектным решениям, выявили существенные различия в температурах твердеющего бетона, определяемых конфи гурацией и габаритами конкретного рассматриваемого варианта (рис.6).

Характер установленных параметров формирующегося термонапряженного со стояния бетона при этом показал, что при традиционном способе бетонирования расчетная средневзвешенная разность температур превышает допускаемую, что ука зало на высокую вероятнос ть образования трещин (табл. 3).

Управление тепловыми потерями со стороны поверхностей маломассивной консоли за счет увеличения термического сопротивления опалубки и тепловлагоза щитного покрытия явилось одним из вариантов снижения расчетной разности тем ператур (табл. 3). При этом было установлено, что габариты плитно-ребристого пролетного строения определяют как величину требуемого термического сопротив ления, так и зоны пролетного строения, где необходимо дополнительно увеличивать мощность тепловой изоляции.

Рис.6 – Температурное поле в момент максимального разогрева в различных конструкциях плитно-ребристого пролетного строения (слева – при высоте ребра 2,6 м и ширине 0,7 м, справа – при высоте ребра 1,4 м и ширине 2,5 м Таблица Параметры твердения бетона плитно-ребристого пролетного строения Разность средне- Разность средне- Расчетная раз Условия расчета, взвешенных взвешенных ность о С температур ребра и температур ребра и средневзве консоли при 0,3 R28 консоли на момент шенных темпе tб.см tсреды максимального разогрева ратур 10 10 12,7/5,4 32,5/17,9 19,8/12, 15 10 16,0/6,2 35,0/17,5 19,0/11, 15 15 12,8/4,8 32,1/15,8 19,3/11, 20 20 9,8/5,3 31,5/15,3 21,7/10, Так, при плавном переходе от массивного ребра к консоли и относительно не большом ее вылете (эстакада на трассе Краснопресненского проспекта в Серебря ном Бору), для снижения температурных напряжений и исключения вероятнос ти образования температурных трещин оказалось достаточным только увеличить до 2о 0,45 м · С/Вт мощность тепловой изоляции тепловлагозащитного покрытия, укла дываемого сверху консоли (рис. 7).

Изучение возможных сценариев управления термонапряженным состоянием бетона на границе одновременно бетонируемых разномассивных элементов при воз ведении плитно-ребристых пролетных строений мостов и эстакад, которые устраи вались при реконс трукции МКАД, метромос та в Лужниках, при с троительстве эста кад третьего транспортного кольца и на трассе Краснопресненского проспекта в Москве, подъездных путей к аэропорту «Внуково», КАД вокруг Санкт-Петербурга, показало, что проблема сглаживания неравномерности температур по сечению плитно-ребристого пролетного строения может быть также эффективно решена пу тем перераспределения тепловых потоков между ребром и маломассивными эле ментами за счет устройства полога или настила снизу бетонируемого пролетного строения между несущими ребрами и краем консолей (патент РФ № 2143047).

Рис.7 – Температурное поле в плитно-ребристом пролетном строении в момент максимального разогрева бетона а) – при бетонировании по традиционной технологии;

б) – при увеличении мощности изоляции тепловлагозащитного покрытия В качес тве варианта повышения однородности температур в поперечном сече нии плитно-ребристого пролетного строения была также оценена возможность дос тижения этой цели путем повышения температуры маломассивных элементов за счет внешнего ис точника энергии, в качестве которого рассматривалось использо вание тепла солнечной радиации. В данной работе впервые была показана возмож ность управления за счет солнечной энергии температурным режимом бетона, твер деющего в условиях, характерных для регионов Российской Федерации, и было ус тановлено, что при возведении пролетных с троений данного типа в климатических условиях Волгограда или Саратова и закреплении в зоне консольной части сверху покрытия из двух слоев светопрозрачного материала, разделенных воздушной про слойкой между собой и неопалубленной поверхностью консоли, достигается тре буемая равномерность температур в поперечном сечении пролетного строения и от падает необходимость в дополнительном увеличении термического сопротивления опалубки маломассивной части пролетного строения.

Изучение степени неравномерности температур твердеющего бетона в плитно ребристом пролетном строении при использовании бетонов с высоким проектным классом (В45...В50), что характерно для условий строительс тва эстакад и мостовых переходов методом цикличной продольной надвижки (ЦПН), когда на специальном стапеле, размещаемом на строительной площадке, изготавливается блок (секция) пролетного строения длиной около 20,0 м, затем изготовленная секция надвигается на опоры и к ней прибетонируется следующая секция, показали, что допускаемая расчетная разность температур может быть обеспечена при расходе цемента для данного класса не выше 480 кг/м и при доведении термического сопротивления 2о изоляции консоли до значения не менее 0,8 м · С/Вт.

Результаты расчетов по определению изменений температур твердеющего бе тона плитно-ребристых пролетных с троений в различные периоды года их устрой ства служили основой для нахождения допускаемой ширины и длины бетонирова ния за один прием такого сооружения. Необходимость в определении протяженно сти захватки бетонирования вытекала из того, что при существующих нормируемых допусках на устройство опалубки всегда имеют место неровнос ти, которые могут сдерживать свободное проявление температурных продольных деформаций бетона.

На основании проведенных вычислений было установлекно, что длина захватки бетонирования плитно-ребрис того пролетного строения с позиции исключения воз можного трещинообразования не должна превышать 80,0 м, а ширина – 18,0 м. В том случае, когда требуемая длина захватки бетонирования неразрезного плитно ребристого пролетного строения превышала 80,0 м, ЦНИИСом при участии автора совместно с инс титутом Гипротрансмост и Мостотрес том было предложено для ис ключения образования трещин проводить неполное (до 30... 35% от проектного) обжатие бетона продольной преднапрягаемой арматурой сразу же после максималь ного разогрева бетона на конечном бетонируемом участке. При таком обжатии про летное строение отделяется от опалубки и частично приподнимается, что исключает влияние неровностей на сдерживание свободных деформаций остывающего ребра.

Такой прием позволил впервые в практике Мос тотреста произвести бетониро вание участка плитно-ребристого неразрезного пролетного строения длиной 179 м.

При изучении температурных условий твердения бетона при устройстве с тале железобетонных пролетных строений было установлено, что при производстве ра бот в холодный период года для исключения силового взаимодействия между бето ном и балками при температурных деформациях температура металлических балок о в верхней зоне должна находиться в пределах 10…15 С до момента набора бетоном о прочности 30 %R28, а затем может быть понижена до 5 С. Для реализации данного условия в обязательном порядке требуется устройс тво технологического укрытия под пролетным строением. Попытки игнорировать это положение даже при прогре ве уложенного бетона с помощью нагревательных проводов неизбежно приводили к образованию в плите проезжей части поперечных сквозных трещин.

Второе рассматриваемое направление в учете влияния температурного фактора связано с процессам структурообразования бетона и определяло возможный поря док бетонирования плиты проезжей части сталежелезобетонного пролетного строе ния, когда требуется обеспечить на учас тке от технологического шва до ближайшей зоны с максимальными перемещениями плиты нахождение бетона в пластичном со стоянии к моменту окончания его укладки, чтобы возможные вертикальные пере мещения плиты прошли без нарушения сплошности материала.

Учет в этом случае по установленным закономерностям потери подвижности для конкретного применяемого состава бетона в зависимости от температуры и обеспечиваемого темпа бетонирования позволил при с троительстве мостового пере хода через реку Суда на автодороге Вологда-Новая Ладога увеличить захватку бето нирования с 20,0 м (по проекту) до 46,5 м, что сократило срок выполнения бетонных *) работ, количество рабочих швов и требуемое число бетононасосов.

Отдельное направление по учету особеннос тей с труктурообразования в твер деющем бетоне было рассмотрено для условий реконс трукции с талежелезобетон ных пролетных строений мостов и путепроводов при непрекращающемся движении транспорта.

Для условий реконструкции сталежелезобетонного пролетного строения Севе рянинского путепровода и проведенных совместно с лабораторией «Вибродинами ческих испытаний» ЦНИИС предварительных замеров по имеющим мес то переме щениям плиты при движении транспорта по путепроводу было показано, что огра ничение в интенсивности грузопотока при бетонировании продольного шва, объе диняющего участки плиты проезжей час ти, необходимо делать только на период, когда бетон находится в пластичном состоянии до набора им прочности величиной 30% от R28, так как в последующем бетон включается в работу на объединенных участках плиты. Освидетельс твование состояния бетона шва по окончании работ по объединению плиты показало на полное отсутс твие трещин, что подтвердило пра вильность сформулированных ограничений и достовернос ть оценки периода пере хода бетона из пластичного состояния в упругое при прочности 30% от R28.

При рассмотрении вопросов по предупреждению трещинообразования в по этапно возводимых конструктивных элементах подпорных стен, рамповых уча стков, стен и перекрытий тоннелей, когда возникает защемление бетонируемых блоков ранее забетонированными, потребовалось, с одной с тороны, рассматривать собственное термонапряженное состояние бетона в каждом элементе и формировать условия для сглаживания неравномерности температур по его объему, а с другой стороны – обеспечивать минимальную разнос ть температур между твердеющим бе тоном и затвердевшим в зоне защемления, что определяет допускаемую длину за хватки бетонирования и является одним из значимых факторов, определяющим темп строительства тоннельных развязок в условиях крупных городов.

В проектных решениях, как отмечалось, при учете температурных деформаций при проектировании конструкций автодорожных и железнодорожных тоннелей рас сматривают только условия эксплуатации сооружения и руководствуются при этом требованиями пункта 5.12 СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодо рожные», в соответствии с которым расстояние между антисейсмическими дефор мационными швами тоннельной обделки следует устанавливать расчетом и совме щать их с температурно-осадочными деформационными швами, расстояния между которыми в обделках из монолитного бетона и из набрызг бетона должны быть не более 20 м, а из монолитного железобетона – 40 м.

Специально проведенные расчеты, выполненные для применяемых в настоящее время классов бетона с учетом возможных характеристик его собственного термо напряженного состояния и условий сезонного теплового взаимодейс твия элементов тоннеля с грунтовой засыпкой, показали, что ус тановленные расстояния между тем пературно-деформационными швами практически совпадают с требуемыми по ) * Работа проводилась совместно с НИЦ «М осты» ОАО ЦНИИС СНиП и могут быть равными не более 48,0 м при суглинистых грунтах, и не более 40,0 м – для глин.

Расчеты, проведенные с использовнием методик ВНИИГ им. Веденеева, при меняемые при с троительстве гидротехнических сооружений, показали, что для ус ловий строительс тва тоннелей из монолитного железобетона для предотвращения появления сквозных трещин разнос ть температур между твердеющим бетоном и ос нованием в зоне защемления бетонируемых блоков в момент достижения бетоном о прочности, равной 0,3 R28, не должна превышать 20 С, тогда длина бетонируемого блока должна быть не более 15,0 м, если армирование не учитывается и 17,0 м – при учете действия арматуры.

Вычисленные допускаемые параметры бетонирования защемляемых элементов тоннеля при их поэтапном возведении служили критерием оценки с позиции обес печения трещиностойкости твердеющего бетона тех температурных режимов, кото рые возникают в конкретных узлах при их конструктивных размерах, определенных проектом, или служили основанием при поиске вариантов, позволяющих увеличить длину бетонируемого блока.

Моделирование условий теплового взаимодействия твердеющего бетона с за твердевшим при устройс тве днища тоннеля толщиной 1,4 м позволило установить, что оптимальными можно считать варианты с температурой затвердевшего бетона о о не выше 30 С и температурой бетонной смеси при укладке, равной 15 С. В этом случае разница температур между твердеющим бетоном и затвердевшим в момент о защемления равна 10…12 С, что позволяет размер захватки бетонирования увели чить практически до 30,0…35,0 м, избегая появления трещин, вызываемых односто ронним защемлением твердеющего бетона в жесткое основание.

Изучение условий формирования термонапряженного состояния бетона при по этапном возведении стен тоннеля толщиной 0,9 м показало, что при низких темпе ратурах затвердевшего бетона и укладываемой бетонной смеси увеличивается про должительнос ть периода формирования поля нулевых напряжений в зоне их кон такта и бетон в массиве стены за этот период разогревается до высокого уровня, что повышает расчетную разность температур и не позволяет увеличить размер блока бетонирования сверх 15,0 м.

При поиске вариантов бездефектного бетонирования стен укрупненными за хватками было предложено бетонирование днища тоннеля производить одновре менно с бетонированием выступа стен на высоту 0,5…0,7 м от верха днища. Такое решение дало возможность относительно легко обеспечить требуемую температуры затвердевшего бетона перед бетонированием стен и выполнить качественно примы кание опалубки стен к основанию.

Исследованиями было установлен, что частичное замещение цемента при ис о пользовании современных модификаторов позволяет снизить на 5…6 С разницу температур между твердеющим бетоном и зоной рабочего шва в момент образова ния поля нулевых напряжений по сравнению с использованием традиционных бе тонных смесей и увеличить за счет этого длину бетонируемой захватки до 25,0 м.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.