Способ изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при бетонировании сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций с последующим регулированием режима температуры их твердения. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении температурных напряжений и предотвращении образования трещин при бетонировании конструкций с осуществлением регулирования температурного режима при их твердении. Способ изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций заключается в укладке и уплотнении бетонной смеси с осуществлением регулирования температурного режима при ее твердении. В период пребывания наружных слоев в упруго-пластическом состоянии осуществляют прогрев срединных слоев бетона конструкции посредством нагревательной арматуры, расположенной на расстоянии «а» от поверхности совместно с регулированием теплозащиты поверхности, при этом где δ_экв - толщина условного эквивалентного слоя бетона, соответствующего термическому сопротивлению на поверхности, R_оп, м; t_cp - средняя во времени температура бетона за расчетное время нагрева, непосредственно в месте нагрева, град; t_п - средняя во времени температура поверхности бетона за расчетное время нагрева, град; t_в - средняя во времени температура воздуха за расчетное время нагрева, град; причем δ_экв определяют из выражения: где R_оп - термическое сопротивление R_осн оснастки вместе с опалубкой, включая термическое сопротивление R_α теплоотдаче от оснастки в окружающий воздух, час·град/ккал; час·град/ккал, где δ_осн - толщина оснастки, м; λ_осн - коэффициент теплопроводности оснастки, ккал/(м·час·град); α - коэффициент теплоотдачи с поверхности оснастки, ккал/(м²·час·град); λ - коэффициент теплопроводности бетона (железобетона), ккал/(м·час·град); F=1 м² - площадь поверхности оснастки, на которую рассчитывается термическое сопротивление, м². Количество тепла Q, которое используется для нагрева части бетонируемого элемента длиной (высотой) 1,0 м и шириной в его поперечном сечении 1,0 м определяют по формуле: где m = 60 ÷ 180 ккал/град - константа; τ - расчетное время нагрева, час. При этом в качестве нагревательной арматуры используют греющие провода или трубки для пропуска горячей воды. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при бетонировании сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций с последующим регулированием режима температуры их твердения.

Известен способ изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций, заключающийся в укладке и уплотнении бетонной смеси с последующей электротермообработкой снаружи. (Б.Г.Скрамтаев "Строительные материалы". М., Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1952 г., с.257-258).

Недостаток этого способа заключается в том, что внешние слои бетона нагреваются больше, чем внутренние, и в таком состоянии затвердевают. После изготовления и выравнивания температур по сечению элементов возникают растягивающие напряжения на поверхности и, как следствие, трещины.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций, заключающийся в укладке и уплотнении бетонной смеси с последующей электротермообработкой центральных слоев конструкции в период пребывания наружных слоев в упруго-пластическом состоянии (а.с. СССР № 422707, кл. С 04 В 40/02, 1974 г.).

Недостатком способа является то, что при использовании современных цементов, которые быстро разогреваются и быстро набирают прочность, перепад температур продолжает расти даже при прекращении нагрева только за счет экзотермии цемента, что приводит на стадии изготовления к появлению в поверхностных слоях недопустимых растягивающих напряжений и, как следствие, трещин.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения температурных напряжений и предотвращения образования трещин при бетонировании конструкций с осуществлением регулирования температурного режима при их твердении.

Для достижения указанного технического результата в способе изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций, заключающемся в укладке и уплотнении бетонной смеси с осуществлением регулирования температурного режима при ее твердении в период пребывания наружных слоев конструкции в упруго-пластическом состоянии, посредством нагревательной арматуры осуществляют искусственный прогрев срединных слоев бетона конструкции, расположенных между центром и поверхностью совместно с регулированием теплозащиты поверхности.

Кроме того, искусственный прогрев срединных слоев производят, располагая нагревательную арматуру на расстоянии «a» от поверхности, при этом «a» определяют из выражения:

где δ_экв - толщина условного эквивалентного слоя бетона, соответствующего термическому сопротивлению на поверхности R_on, м;

t_cp - средняя во времени температура бетона за расчетное время нагрева непосредственно в месте нагрева, град.;

t_n - средняя во времени температура поверхности бетона за расчетное время нагрева, град.;

t_в - средняя во времени температура воздуха за расчетное время нагрева, град.

Толщину условного эквивалентного слоя δ_экв рассчитывают по формуле:

δ_экв=R_on·λ·F, м,

где R_on - термическое сопротивление R_осн оснастки вместе с опалубкой, включая термическое сопротивление R_а теплопередаче от оснастки в окружающий воздух, час·град/ккал;

δ_осн - толщина оснастки, м;

λ_осн - коэффициент теплопроводности оснастки, ккал/(м·час·град);

α - коэффициент теплоотдачи с поверхности оснастки, ккал/(м²·час·град);

λ - коэффициент теплопроводности бетона (железобетона), ккал/(м·час·град);

F=1 м² - площадь поверхности оснастки, на которую рассчитывается термическое сопротивление, м².

Кроме того, при осуществлении предлагаемого способа определяется количество тепла Q, которое используется для нагрева части бетонируемого элемента длиной (высотой) 1,0 м и шириной 1,0 м в поперечном сечении по формуле:

где m=60÷180 ккал/град - константа;

τ - расчетное время нагрева, час.

Кроме того, в качестве нагревательной арматуры используют греющие провода, трубки для пропуска горячей воды и др.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено бетонирование (в качестве примера) одного из возможных видов конструкции - железобетонная стенка, поперечное сечение в вертикальной плоскости;

на фиг.2 изображено распределение температур по сечению бетонируемой конструкции в различные моменты времени;

на фиг.3 изображено распределение температур в элементах различной массивности;

на фиг.4 даны примеры, использованные для вывода основных зависимостей.

Сущность способа заключается в следующем.

В конструкцию укладывается бетонная смесь с естественной температурой, например, от +1°С до +40°С и уплотняется обычными методами. В качестве примера бетонируемой конструкции выбрана железобетонная стенка. Тело стойки 1 установлено на фундаменте 2, заглубленном ниже естественной поверхности грунта 3. Бетонирование осуществляют в опалубке 4, конструкция которой позволяет обеспечивать прогнозируемое во времени постоянное или переменное в пространстве и времени термическое сопротивление R_on. После укладки и уплотнения бетонной смеси с помощью заранее (до бетонирования) заложенной и закрепленной нагревательной арматуры 5 осуществляют нагрев прилегающей к нагревательной арматуре части бетона по определенному режиму. В качестве нагревательной арматуры могут быть использованы электроды, греющие провода, трубки для пропуска горячей воды и др. После укладки бетонной смеси за счет экзотермии цемента происходит разогрев этой смеси, и ее температура повышается, причем температура в центре сечения t_ц всегда выше температуры на поверхности t_п. На фиг.2 железобетонный элемент (стенка) толщиной "δ₁" совмещен с системой координат, в которой по вертикальной оси откладывается температура бетона, а по горизонтальной - размеры по толщине. Приведенные ниже рассуждения приемлемы и для радиальной системы. Позицией 6 показано начальное распределение температуры t_o по сечению в момент укладки бетонной смеси. Температура в центре сечения t_оц равна температуре на поверхности t_оп. Позицией 7 показано распределение температуры t₁ по сечению в момент, когда прочность бетона в самой холодной, имеющей минимальную по сечению прочность точке (т.е. на поверхности) R≅0,25R₂₈, где R₂₈ - прочность бетона в возрасте 28 суток. В этот момент t_1n<t_1ц. Позицией 8 показано распределение температур t₂ по сечению в момент максимального разогрева бетона. В общем случае Δt_o=t_оц-t_оп=0, Δt₁=t_1ц-t_1п>0, Δt₁≤t₂=t_2ц-t_2п>0. Позициями 9 и 10 показаны соответственно ось симметрии и поверхность бетонируемой конструкции.

К перепадам температур Δt₁ и Δt₂ предъявляются определенные требования: во-первых, формирование перепада температур Δt₁ желательно в принципе, поскольку при этом после окончания процесса твердения бетона, остывания и выравнивания температур по сечению в поверхностных слоях элемента возникают сжимающие напряжения и снижается опасность трещинообразования, во-вторых, целесообразное значение этого перепада составляет примерно 20-30°С (определяется в каждом конкретном случае в зависимости от различных факторов); в момент максимального разогрева конструкции перепад Δt₂ не должен существенно превышать перепад Δt₁ (не более, чем примерно на 5-7°С), поскольку при этом в поверхностных слоях возникают растягивающие напряжения, и могут образоваться трещины еще в процессе разогрева.

На фиг.3 позициями 11 и 12 показано положение кривой распределения температур по сечению в момент максимального разогрева (общий вид ее показан на фиг.2 позицией 8) соответственно для маломассивного элемента толщиной "в" и массивного элемента толщиной "В". В случае маломассивного элемента толщиной "в" перепад температур слишком мал, а в массивном элементе , наоборот, может достигнуть недопустимо большой величины по сравнению с теми значениями, которые указаны выше.

В обоих случаях (позиции 11 и 12 на фиг.3) с помощью предлагаемого способа могут быть сформированы требуемые для обеспечения трещиностойкости распределения температур t₁ и t₂, т.е. могут быть получены вместо распределения 11 температур - распределение 13, а вместо распределения 12 - распределение 14 (см. фиг.3). Это достигается регулировкой одновременно двух параметров: дополнительным тепловложением q_доп в срединной части с помощью нагревательной арматуры 5 и устройством теплоизоляции опалубки 4 термическим сопротивлением R_оп.

Поскольку регулируемый процесс нелинейный, прогнозирование температурного режима удобно осуществлять численным методом с помощью ЭВМ, осуществляя пошаговый анализ состояния и соответствующий этому состоянию расчет тепловложения. В процессе сооружения целесообразно применение контролирующей аппаратуры, связанной через ЭВМ обратной связью с нагревательной арматурой. При этом из условий практической осуществимости технологического процесса термическое сопротивление опалубки целесообразно назначать постоянным на весь период изготовления данной конструкции, хотя существует целый ряд технических решений оснастки для бетонирования, при которой возможно изменение во времени теплофизических ее параметров. Для вывода принципиальных аналитических зависимостей для данного способа использованы усредненные характеристики. Для этого на фиг.4 введены следующие дополнительные обозначения.

Первое - это введение понятия эквивалентного слоя 15 толщиной δ_экв. Физический смысл этого понятия сводится к замене термического сопротивления теплопередаче от воздуха к поверхности бетона термическим сопротивлением слоя бетона толщиной δ_экв.

где R_оп - термическое сопротивление R_осн оснастки вместе с опалубкой, включая термическое сопротивление R_α теплоотдаче от оснастки в окружающий воздух, час·град/ккал;

δ_осн - толщина оснастки, м;

λ_осн - коэффициент теплопроводности оснастки, ккал/(м·час·град);

α - коэффициент теплоотдачи с поверхности оснастки, ккал/(м²·час·град);

λ - коэффициент теплопроводности бетона (железобетона), ккал/(м·час·град);

F=1 м² - площадь поверхности оснастки, на которую рассчитывается термическое сопротивление, м².

При введении эквивалентного слоя температура воздуха t_в равна температуре наружной поверхности эквивалентного слоя (см. фиг.4), а в момент максимального разогрева бетона распределение температур в пределах бетона будет определяться кривой 8, а в пределах эквивалентного слоя - кривой 16.

Второе - это введение понятия "среднего за время "τ" распределения температур.

Кривой 8 на фиг.4 характеризуется требуемое для обеспечения трещиностойкости распределение температуры в момент максимального разогрева с учетом дополнительного тепловложения Q нагревательной арматурой 5, удаленной от поверхности элемента на расстояние "а", и заранее рассчитанного термического сопротивления R_оп. Время, через которое достигается максимальный разогрев бетона, обозначим через "τ", час. Второе понятие - это среднее за время "τ" распределение температур, которое в пределах железобетонного сечения будет определяться позицией 17, а в пределах эквивалентного слоя - позицией 18. При этом среднее за указанное время значение температуры в центре элемента обозначим через t_ц, в месте размещения нагревательной арматуры - t_cp, на поверхности - t_п.

С использованием введенных понятий можно упрощенно тепловой процесс представить следующим образом. Средняя температура t_п на поверхности (точка 0) формируется целиком за счет экзотермии цемента, т.е. за счет тепловыделения q_п. Средняя температура t_cp в точке В формируется за счет экзотермии цемента, т.е. за счет тепловыделения q_cp, a также за счет дополнительного нагрева нагревательной арматурой 5, т.е. за счет тепловыделения Q. Значения q_п и q_cp в общем случае не равны, т.к. их тепловыделение происходит при разных температурах бетона в точках 0 и В. Чтобы обеспечить неизменность температуры t_п (т.е. выполнение принятой выше предпосылки о том, что повышение температуры t_n на поверхности происходит целиком за счет экзотермии цемента) необходимо, чтобы отток тепла q₃ в наружный воздух компенсировался притоком тепла q₄ из точки В:

Из равенства q₃ и q₄ следует, что «а» может быть рассчитано по следующей формуле:

В общем случае могут быть сформулированы другие формулы для определения «а», при которых q₃≠q₄, а t_n формируется по несколько иным законам, однако остается сама необходимость размещения нагревательной арматуры 5 между центром массива и его поверхностью на расстоянии «а» от последней.

Дополнительный нагрев Q₁ за время τ определяется из того условия, что он должен в самом крайнем случае приводить к повышению температуры в точке B на величину Δf_o=t_cp-t_n. Принимая во внимание, что нагревательная арматура 5 нагревает слой бетона по толщине примерно 0,2 м на 1 п.м. по ширине и высоте конструкции (объем 0,2 м³) потребуется количество тепла Q, равное

Q₁=0,2·C·(t_ср-t_n)=m(t_cp-t_n), ккал,

где С - объемная теплоемкость бетона, равная 600 ккал/(м³·град);

m - константа, принимаемая равной 60÷180 ккал/град.

В точке «В» необходимо также обеспечить отток тепла q₄ в течение расчетного времени «τ» к поверхности. Притоком тепла от центра к точке «В» из центра массива в запас пренебрегаем.

С учетом вышеизложенного количество тепла Q, требующееся для нагрева части бетонируемого элемента в поперечном сечении шириной 1,0 м и по высоте (длине) 1,0 м, определяют из выражения:

Рассмотрим следующий пример.

Была забетонирована железобетонная стенка, при этом основные расчетные параметры были следующие:

- ширина стенки d=0,8 м;

- начальная температура бетона t_o=+20°С;

- температура воздуха в период бетонирования была равна t_в=+10°С;

- максимальная величина нагрева t_2cp=60°С;

- коэффициент теплопроводности железобетона принят равным

- бетонирование осуществлялось в металлической опалубке с ребрами жесткости, поэтому коэффициент теплоотдачи принят равным α=10 ккал/(м²·час·град), a R_осн=0;

- нагрев осуществлялся длительностью τ=24 часа;

- перепад температур Δt_о=t_cp-t_n составлял в среднем 20°С.

Расчет требуемого температурного режима и требуемого нагрева Q был произведен на ЭВМ по программам, основанным на использовании численного метода - метода элементарных балансов. Для нагрева одного погонного метра колонны оказалась необходима мощность W=280 Вт. При диаметре окружности, по которой были установлены электроды, общая ширина нагреваемой зоны составляет примерно 1,0 м. При длительности нагрева τ=24 часа значение Q составит 6720 Вт час или 5780 ккал.

По формулам, приведенным в описании, рассчитаем а и Q,

Величину

Средняя температура t_cp, t_n и t_в в течение нагрева составляли соответственно +50°С, +30°С, +10°С.

Фактически оно равнялось 0,24 м, что хорошо совпадает с расчетным.

Это также соответствует расчетным данным на ЭВМ. С полученными параметрами было осуществлено бетонирование. Через 3 суток опалубка была снята, трещин не обнаружено.

Таким образом, одновременное регулирование двух параметров - дополнительного тепловложения в срединную часть бетонируемой конструкции с помощью нагревательной арматуры и устройства теплоизоляции опалубки позволило решить задачу снижения температурных напряжений при осуществлении регулирования температурного режима твердения бетона и, тем самым, устранить появление трещин в бетонируемых конструкциях.

1. Способ изготовления сборных и возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций, заключающийся в укладке и уплотнении бетонной смеси с осуществлением регулирования температурного режима при ее твердении, отличающийся тем, что в период пребывания наружных слоев в упругопластическом состоянии осуществляют прогрев срединных слоев бетона конструкции посредством нагревательной арматуры, расположенной на расстоянии «а» от поверхности, совместно с регулированием теплозащиты поверхности, при этом

где δ_экв - толщина условного эквивалентного слоя бетона, соответствующего термическому сопротивлению на поверхности, R_оп, м;

t_cp - средняя во времени температура бетона за расчетное время нагрева непосредственно в месте нагрева, град;

t_п - средняя во времени температура поверхности бетона за расчетное время нагрева, град;

t_в - средняя во времени температура воздуха за расчетное время нагрева, град;

причем δ_экв определяют из выражения

, м,

где R_оп - термическое сопротивление R_осн оснастки вместе с опалубкой, включая термическое сопротивление R_α теплоотдаче от оснастки в окружающий воздух, ч·град/ккал;

где δ_осн - толщина оснастки, м;

λ_осн - коэффициент теплопроводности оснастки, ккал/(м·ч·град);

α - коэффициент теплоотдачи с поверхности оснастки, ккал/(м²·ч·град);

λ - коэффициент теплопроводности бетона (железобетона), ккал/(м·ч·град);

F=1 м² - площадь поверхности оснастки, на которую рассчитывается термическое сопротивление, м².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество тепла Q, которое используется для нагрева части бетонируемого элемента длиной (высотой) 1,0 м и шириной в его поперечном сечении 1,0 м, определяют по формуле

где m = 60 ÷ 180 ккал/град - константа;

τ - расчетное время нагрева, ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагревательной арматуры используют греющие провода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагревательной арматуры используют трубки для пропуска горячей воды.