Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Рост относительной прочности бетона в зависимости от сроков и температуры твердения





T, ◦С Прочность бетона R (в % от ) в зависимости от сроков твердения, суток
                           
                             
                             
                             
                             
                             
                             

 

Таблица 2

Т, ◦С Прочность бетона R (в % от ) в зависимости от сроков твердения, часов
               
                 
                 
                 
                 

 

Это два основных постулата, опираясь на которые разрабатываются методы зимнего бетонирования. Первый, естественно, является в буквальном смысле ключевым, т.к. он определяет, может идти процесс твердения или нет: вода в жидком состоянии – возможности гидратации открыты, вода замерзла – возможности гидратации закрыты, вода оттаяла – возможности гидратации восстановились. Второй постулат носит уже вторичный технологический характер, т.к. только при наличии жидкой фазы определяет скорость химических реакций, интенсивность, продолжительность и сроки набора бетоном требуемой прочности.

В формулировке первого постулата ничего не говорится о температуре бетона или воды; постулируется условие – в наличии должна быть вода в жидком, химически активном состоянии. Если бетон и, соответственно, вода в бетоне имеют температуру, например, -15 °C, но вода каким-то образом удерживается в жидком состоянии, процесс гидратации идет. От температуры, теперь уже в соответствии со вторым постулатом, зависит интенсивность этого процесса. На этом принципе построено применение так называемых «холодных бетонов», или бетонов с противоморозными добавками. Если в процессе приготовления бетонной смеси жидкая фаза вводится в виде концентрированного раствора в воде какого-либо вещества, имеющего температуру замерзания ниже 0 °C, то в пределах эвтектической температуры этого вещества раствор находится в жидком состоянии (естественно, и в зависимости от концентрации), и гидратационные процессы имеют возможность развиваться.

Эвтектическая температура (т.е. температура, по достижении которой вода начинает выкристаллизовываться в т.н. «пресный лед») широко известных в строительстве противоморозных добавок меняется в довольно широких пределах: нитрит натрия – минус 19,6 °C, поташ – минус 36,5 °C, хлорид кальция – минус 55 °C.

Бетон с добавкой нитрита натрия при температуре -15 °C на седьмые сутки набирает 15%, на четырнадцатые – 25%, в месячном возрасте – 35% и в трехмесячном – 60% от проектной прочности. Бетон с добавкой поташа и в те же сроки набирает соответственно 25, 40, 65 и 80% [99].

Применение этих и подобных добавок позволяет производить бетонные работы при температурах до минус 25 °C и, кроме того, без подогрева составляющих материалов и последующего обогрева уложенного бетона.

Бетонирование с применением противоморозных добавок – один из двух беспрогревных методов зимнего бетонирования, основанный на сохранении жидкой фазы в химически активном состоянии, даже когда температура бетона и самой жидкой фазы имеют ту или иную отрицательную величину.

Другой беспрогревный метод зимнего бетонирования – бетонирование способом «термос». В основе этого метода лежит использование того тепла, которое было внесено в бетон при его изготовлении (оттаивание, отогрев и нагрев заполнителей, нагрев воды), и экзотермического тепла, выделяющегося в ходе реакций гидратации цемента – с одной стороны, и с другой стороны, некоторая изоляция бетонируемой конструкции от воздействия отрицательной температуры внешней среды путем оснащения опалубки специальной тепловой защитой – т.е. создание условий своеобразного «термоса». При этом теплоизоляция рассчитывается таким образом, чтобы за время остывания бетона до заданной температуры бетон успел набрать расчетную прочность (это может быть критическая прочность, может быть относительная прочность в процентах от проектной), достаточную для того, чтобы противостоять всем негативным последствиям замерзания или для непосредственной работы в определенных условиях нагружения.

 
Частным случаем «термоса» является так называемый «горячий термос», когда бетонная смесь на бетоносмесительном узле или непосредственно на строительной площадке разогревается до температуры 50-80 °C и с температурой такого порядка (с учетом неизбежных теплопотерь) укладывается в утепленную опалубку. Естественно, что при «горячем термосе» и при прочих равных условиях, бетон за время своего остывания успевает набрать намного более высокую прочность.

С некоторой долей условности к беспрогревным можно отнести еще один метод – бетонирование в тепляках. Если бетонирование с противоморозными добавками не предполагает вообще никакого разграничения (кроме опалубки) между бетоном и внешней средой, а бетонирование способом «термос» основано на разграничении тепловой изоляцией бетона и внешней среды, то бетонирование в тепляках основано на отграничении некоего замкнутого объема (может быть, и очень большого) внешней среды от «остальной» внешней среды и создании в этом замкнутом объеме искусственных температурных условий. При этом, в зависимости от того, какая искусственная среда создана и какие производственные (технологические) задачи ставятся, бетонирование в тепляках может вестись с применением и других методов зимнего бетонирования: противоморозных добавок, «термоса» и различных методов прогрева.

Рассмотренные три метода зимнего бетонирования: бетонирование с применением противоморозных добавок, бетонирование способом «термос» и бетонирование в тепляках при всех своих отличиях имеют одно общее: ни один из этих методов не ставит задачу форсированного набора бетоном прочности. Все эти три метода фактически работали вокруг первого постулата – не дать жидкой фазе замерзнуть и обеспечить возможность набора, пусть медленного, но все же набора бетоном прочности. Условия сегодняшнего производства зачастую диктуют высокие темпы производства работ, ускорение оборачиваемости дорогостоящего опалубочного парка, обеспечение возможности передачи на забетонированные конструкции последующих нагрузок (технологических и конструкционных), сокращения сроков строительства и т.п. При этом возникает задача создания таких условий твердения бетона, когда в минимальные (технически обоснованные) сроки бетон приобретет требуемую (а это может быть от 70 до 100% от проектной) прочность, т.е. воспользоваться возможностями второго постулата и перейти в методам ускорения твердения бетона, основанными на его термообработке.

Группа методов зимнего бетонирования, использующая температурный фактор, по терминологии С.Г.Головнева является группой методов «активной» термообработки, т.к. тепловое воздействие осуществляется в течение всего режима выдерживания: в период подъема температуры, в период изотермического прогрева и, возможно, в период регулируемого остывания. В зависимости от того, каким технологическим путем достигается передача (введение) тепла бетону, различают электропрогрев, инфракрасный обогрев, индукционный нагрев, конвективный (различными источниками) обогрев, выдерживание в термоактивных (греющих) опалубках, прогрев внутренними источниками (греющие провода).

Каждый из этих методов позволяет производить интенсивный подъем температуры бетона (с той или иной степенью равномерности температурного поля по сечению конструкций), поддержание ее на изотерме, и при необходимости влиять на скорость и продолжительность остывания. Как видно из таблиц 1 и 2, при прогреве в течение суток может быть достигнута прочность 70-80% от проектной.

 

§ 3. Метод термоса

 

Как указывалось выше, возможны два варианта термоса: традиционный и, так называемый, «горячий» термос.

При традиционном термосе бетонная смесь готовится на бетоносмесительном узле на горячей воде и отогретых и разогретых заполнителях. Температура бетонной смеси на выходе может составлять 30-40 °C. Имеющая такую температуру смесь транспортируется различными транспортными средствами на строительную площадку, перегружается в бункера (бадьи) или непосредственно в приемные бункера бетоноукладочных машин и укладывается в опалубку или блок бетонирования. В процессе транспортных операций в зависимости от их продолжительности и температуры окружающей среды (а также условий обветривания) бетонная смесь теряет некоторое количество тепла. Дополнительные потери происходят в результате затрат тепла на отогрев опалубки и арматуры. Суммарные потери тепла могут достигать значительной величины и их необходимо минимизировать. Но какие-то потери оказываются неизбежными. В результате бетон, уже пришедший в тепловое равновесие с опалубкой и арматурой, может иметь к началу режима остывания температуру на 5-15 °C меньшую, чем на выходе из бетоносмесителя, – и равную Tн. С этого момента тепловое состояние бетона оказывается под воздействием двух факторов: положительного – экзотермии цемента, и отрицательного – потерь тепла через ограждение опалубки, неизбежных, если теплозащита не абсолютна, а температура окружающей среды ниже температуры бетона.

Экзотермия цемента является природным энергетическим потенциалом твердеющего бетона, что связано с термохимическими свойствами цемента, проявляющимися в процессе гидратации минералов цементного клинкера.

Величина теплоты гидратации зависит от многих факторов – минералогического состава цемента, тонкости его помола, количества и вида добавок, водоцементного отношения, – и определяется, как правило, экспериментально. Большое влияние на характер тепловыделения цемента оказывает температурный фактор – с повышением температуры увеличивается интенсивность выделения тепла в бетоне и сокращается время наступления его максимума. Следовательно, для развития процесса тепловыделения необходим тепловой импульс, которым и является начальная температура бетонной смеси – с повышением ее интенсивно развиваются процессы гидратации. В табл. 3 приведены величины тепловыделения цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры и продолжительности твердения.

Качество тепловой защиты определяет скорость остывания бетона, а в зависимости от разности температуры бетона и окружающей среды и продолжительность остывания. Чем меньше теплопотери, тем более продолжительно остывание и тем большую прочность успевает набрать бетон до момента своего замерзания.

 


Рис.1 К расчету средней температуры и продолжительности остывания бетона при

термосном выдерживании

 

Целесообразность применения термосного выдерживания бетона определяется массивностью конструкции, выражающейся через модуль поверхности , активностью и тепловыделением цемента, начальной температурой уже уложенного бетона и температурой наружного воздуха Тнв, скоростью ветра и возможностью получения заданной прочности в установленные сроки. Сочетание этих факторов определяет область применения метода, за пределами которой невозможно обеспечить заданную проектом прочность бетона к моменту его распалубки или замерзания, и тогда следует комбинировать термос с другими методами либо полностью переходить на методы ускорения твердения бетона.

При расчете термосного выдерживания обычно в зависимости от технологической обстановки решают одну из двух задач: определение продолжительности охлаждения бетона и величины набранной им за это время прочности при заданном термическом сопротивлении теплоограждающих конструкций (рис.1) или определение величины термического сопротивления теплоограждающей конструкции, требуемой для достижения бетоном заданной прочности в установленные проектом или нормами сроки.

Продолжительность остывания бетона ,час от начальной температуры Тн для конструкций с модулем поверхности до конечной температуры Тк обычно определяют по формуле Б.Г.Скрамтаева:

 

Тепловыделение цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры твердения и времени твердения Таблица 3
Вид и марка цемента Температура, °C Тепловыделение цементов, кДж/кг, при времени их твердения, сут
0,25 0,5            
Портланд-цемент 300           − −
Портланд-цемент 400           − −
Портланд-цемент 500, 600               − −
Портланд-цемент быстротвердеющий 600               − −
Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент 300   − − −           − −
                     

 

, час, (3.1)

где удельная теплоемкость бетона, принимаемая для тяжелых бетонов равной 1,05 кДж/кг°C;

плотность бетона, кг/м3; обычно принимаемая 2200-2400 ;

Ц − расход цемента в бетоне, кг/м3;

 
Э − тепловыделение (экзотермия) цемента, кДж/кг, за время твердения бетона принимается по табл.3;

К коэффициент теплопередачи ограждения (опалубки или укрытия), Вт/м2∙°C;

, (3.2)

где - коэффициент теплопередачи у наружной поверхности ограждения, , принимается по данным табл. 4 в зависимости от скорости ветра (м/сек);

- толщина каждого слоя ограждения, ;

- коэффициент теплопроводности материала каждого слоя ограждения, , принимается по данным табл.5;

модуль поверхности конструкции (м-1), равный отношению поверхности ограждения F (м2) к объему конструкции V (м3):

(3.3)

температура наружного воздуха, принимается средней за время остывания, °C;

Тб.ср . средняя температура бетона за время остывания, °C, определяется по формуле:

 

. (3.4)

 

Зависимость от скорости ветра Таблица 4

Скорость ветра, Скорость ветра,
  3,77   26,56
  3,88   33,18
  14,96   43,15

Коэффициент теплопроводности некоторых материалов Таблица 5

Материал ,
Бетон (2400 кг/ ) 1,3 – 1,6
Вата минеральная 0,05 – 0,07
Дерево 0,1 - 0,2
Плита древесноволокнистая 0,1 – 0,15
Пенопласт 0,04 – 0,045
Сталь  

Задача №1. Рассчитать, какую прочность наберет за время остывания от начальной температуры = до бетон марки М200 в колонне сечением 0,4м∙0,4м и высотой 4м, возводящейся в деревянной опалубке толщиной 0,04м при средней температуре наружного воздуха и скорости ветра 3 м/сек. Бетон изготовлен на портландцементе М400 при расходе цемента 300 . Объемную теплоемкость бетона принимаем равной , плотность бетона .Затратами тепла на нагрев арматуры и опалубки пренебречь. По требованиям проекта к концу остывания бетон должен иметь прочность не менее 60% от марочной. При недостаточности набранной к моменту замерзания прочности, принять технологические меры, обеспечивающие требования проекта.

Решение.

1. Рассчитываем модуль поверхности бетонируемой конструкции по (3.3):

Поверхность охлаждения конструкции F = 4∙0,4м∙4м = 6,4 ;

Объем конструкции U = 0,4м∙0,4м∙4м = 0,64 ;

 

= 10 м .

2. Для средней температуры твердения в период остывания 10-15 и примерной продолжительности остывания 3-4 суток принимаем для портландцемента 400 экзотермию Э=150 .

3. Рассчитываем коэффициент теплопередачи ограждения К:

Коэффициент теплопередачи у поверхности ограждения при скорости ветра v= 3 принимаем (табл.4);

Коэффициент теплопроводности дерева принимаем согласно табл.5 равным ;

Коэффициент теплопередачи ограждения К по (3.3):

 

.

4. По (3.4) рассчитываем среднюю температуру бетона за период остывания :

 

5. По (3.1) рассчитываем продолжительность остывания бетона от 30 до :

 

По данным табл.1 определяем, что за трое с небольшим суток бетон, твердеющий при температуре 10 °C, наберет лишь около 40% от проектной прочности. Поскольку, по требованиям проекта необходимо к моменту замерзания обеспечить набор бетоном не менее 60% марочной прочности, следует или увеличить начальную температуру бетона Тн. или увеличить термическое сопротивление опалубки, т.е. уменьшить К.

6. Существенное увеличение начальной температуры, т.е. переход к «горячему» термосу, может быть осуществлен путем предварительного разогрева бетонной смеси до 50 ¸ 80 °C непосредственно перед укладкой в конструкцию. Рассмотрим возможность применения предварительно разогретого, например до 75 , бетона. Остывание бетона от Тн = 75 °C и при всех тех же условиях прежнего примера, но с увеличением Э = 250 дает следующие результаты:

 

;

 

.

Данные табл.1 показывают, что остывание бетона в течение 104 часов при средней температуре ~23 °C обеспечивает набор бетоном

 
требуемых 60% от марочной прочности.

7. Рассмотрим также возможность утепления деревянной опалубки слоем пенопласта толщиной , не изменяя начальную температуру бетона.

Поскольку температурные параметры и модуль поверхности конструкции не меняются,

средняя за время остывания температура бетона останется той же . По табл.1 находим, что для набора бетоном 60% прочности при средней температуре твердения потребуется около 8 суток, т.е. 190 часов.

Решая (3.1) относительно К при , найдем такой коэффициент теплопередачи ограждения К, который обеспечит требуемую продолжительность остывания:

 

;

 

Решим (3.2)

 

,

 

где и - соответственно толщина слоя и коэффициент теплопроводности пенопласта относительно при найденном выше К:

 

 

Таким образом, утепление деревянной 40-мм опалубки слоем пенопласта толщиной 27 мм обеспечит остывание бетона от 30 до 0 в течение 190 часов, что при средней температуре твердения 10 позволит набрать бетону требуемые проектом 60% марочной прочности.

 

§4. Электропрогрев

 

Среди применяемых в технологии зимнего бетонирования методов термообработки бетона одно из ведущих мест принадлежит электропрогреву.

Обладая рядом достоинств: мобильностью и простотой, эффективностью и технологичностью, сравнительно низкими потребными мощностями и расходом энергии - электропрогрев имеет разнообразные модификации, что предопределило весьма широкую область его применения и позволило до настоящего времени успешно конкурировать с более «молодыми» методами электротермообработки бетона.

Свежеуложенная бетонная смесь является проводником электрического тока, который, протекая через бетон, включенный в электрическую цепь как сопротивление, нагревает его.

По закону Джоуля-Ленца тепло , выделяющееся в сопротивлении при прохождению по нему тока равно:

(4.1)

где 3,6 кДж - тепловой эквивалент одного Вт×ч;

- сила тока, А;

- напряжение, В;

- сопротивление, Ом;

- время, ч.

Отсюда видно, что количество выделяемого в бетоне тепла прямо пропорционально квадрату напряжения , - одному из основных параметров, допускающих произвольное варьирование, и обратно пропорционально электрическому сопротивлению прогреваемого элемента . В свою очередь, электросопротивление элемента зависит от удельного сопротивления бетонной смеси и способа подведения напряжения: геометрических размеров и конфигурации прогреваемого элемента и электродов, схемы их расстановки и соединения.

В простейшем случае

, (4.2)

где - удельное сопротивление бетона;

- соответственно длина и площадь поперечного сечения бетонного элемента.

Для достижения требуемой прочности в минимальные сроки необходимо стремиться вести разогрев на максимально допустимых скоростях, а сам прогрев – при максимально допустимых температурах.

Температура бетона при электропрогреве определяется величиной подводимой к бетону электрической мощности, которая должна назначаться в зависимости от выбранного режима термообработки и величины теплопотерь, имеющих место в процессе прогрева.

Требуемая в период подъема температуры удельная тепловая мощность определяется по формуле:

(4.3)

 

Мощность , требуемая для поддержания температуры бетона на стадии изотермического прогрева, определяется лишь компенсацией тепловых потерь в окружающую среду:

 

(4.4)

 

где , и - удельные мощности, необходимые соответственно для нагревания самого бетона, опалубки и восполнения теплопотерь в окружающую среду, ;

- удельная мощность, соответствующая интенсивности тепловыделения при твердении цемента, осредненно принятая равной 0,8 ;

- средняя за период подъема температура, равная , ;

- температура изотермического прогрева бетона, °C;

- скорость подъема температуры бетона (средняя по объему конструкции),

°C/ч;

- температура наружного воздуха, °C;

- удельная теплоемкость бетона, принятая равной 1,05 кДж/кг°C;

- удельная теплоемкость материала опалубки или укрытия опалубленных

поверхностей, кДж/кг°C;

- плотность бетона, кг/м3;

- плотность материала опалубки или укрытия опалубленных поверхностей,

кг/м3;

- толщина материала опалубки, м;

К – коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия опалубленных

поверхностей, ;

- модуль поверхности, м-1;

V – объем бетона конструкции, м3.

Для подведения электрической энергии к бетонной конструкции, подлежащей термообработке, и выделения в ней установленной расчетом (4.3) мощности, при электропрогреве используются системы электродов. Чаще всего применяют пластинчатые, полосовые и стержневые электроды (рис.1).

В качестве пластинчатых электродов используются, обшитые со стороны бетона листовым железом, щиты опалубки (рис.2А). Пластинчатыми электродами прогреваются конструкции небольшой толщины 0,4 – 0,6 м – балки, элементы стен, ростверки и т.п. Напряжение разных фаз подается на противоположные электроды, ток идет сквозь всю толщу бетона, джоулево тепло выделяется во всей массе бетона.

В качестве полосовых электродов используется полосовая сталь или нарезки листового железа, закрепляемые на определенном расстоянии друг от друга на внутренней стороне опалубки(рис.2Б). На электроды подается напряжение разных фаз: 1ф-2ф-3ф-1ф-2ф-3ф-1ф-2ф и т.д. Ток идет от электрода одной фазы к электродам соседних фаз, тепло выделяется в периферийном слое, пронизываемом током.

В качестве стержневых электродов используются отрезки арматурной стали диаметром 6-8мм. Электроды устанавливаются по бокам опалубки (рис.2В) – периферийный прогрев, или по клеточной системе (рис.2Е) или, в шахматном порядке. Напряжение разных фаз подается на электроды так, чтобы образовывались трехфазные системы. При прогреве протяженных конструкций (колонны, ригеля, балки) используются плоские электродные группы (рис.2 Г и Д). Электроды каждой плоской группы коммутируются между собой и на них подается напряжение одной фазы. На соседние плоские группы подается соответственно напряжение других фаз.

Так как геометрические размеры прогреваемой конструкции являются величиной заданной – это или проектные размеры конструкций, или технологически выделенные их части, то обеспечение требуемой мощности , определенной предварительным расчетом по (4.2), возможно ограниченным набором вариантов:

- выбор конкретной величины напряжения U (современные установки для электропрогрева дают возможность получать пониженные напряжения – 49 В, 60 В, 70 В, 90 В, 100 В, 110 В; кроме того возможно использование сетевого напряжения 127 В, 220 В и 380 В); выявление наименее сложного в технологическом или экономическом отношении электродного параметра, который при заданных остальных и выбранном напряжении, будет определен расчетным путем;

- назначение электродных параметров, исходя из технологических (или экономических) соображений, и расчет, конкретного для осуществления заданного режима прогрева, напряжения U.

Таким образом, расчет сводится к выявлению, во-первых, наименее сложного (наиболее свободного) в технологическом отношении параметра – назовем его условно “свободным”; заданию, во-вторых, конкретных величин других параметров и, в-третьих, определение расчетным путем величины свободного параметра.

Рассмотрим основные технологические ситуации:







Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.