Управление градиентом температуры по сечению массивных конструкций способом послойной укладки бетонной смеси

Температурные напряжения в бетонных конструкциях могут возникать либо вследствие ограничения перемещений конструкций из-за имеющихся связей (сами же перемещения вызваны температурными воздействиями на конструкцию – нагрев или остывание), либо вследствие неравномерности распределения температур по сечению бетона или структурных деформаций свежеуложенного бетона, подвергнутого тепловой обработке. Такие температурные напряжения называют соответственно вынужденными и собственными [1].

Здесь нужно заметить, что сами температурные напряжения не вызывают изменения объема бетона конструкции. Изменение объема связано только с прямым воздействием температуры на материал. Тем не менее при превышении величин температурных напряжений значений прочности бетона в них могут появиться трещины[2].

Управляя температурным режимом (скоростями нагрева и остывания, максимальной температурой), распределением температур по сечению бетона или перераспределяя усилия, мы тем самым можем управлять формированием собственных температурных напряжений в нем [1, 3–5].

Так, для восприятия собственных напряжений, вызванных структурными деформациями свежеуложенного бетона из-за больших скоростей нагрева, можно рекомендовать введение стальной фибры [6]. Сталефибробетоны даже на ранней стадии твердения могут воспринимать в 3…6 раз более высокие температурные напряжения, чем обычные бетоны того же возраста. Это связано с сохранением плотности бетона в процессе нагрева за счет сдерживания фиброй раздвижки его компонентов. Исследования по влиянию состава бетонной смеси и параметров армирования конструкции на распределение температур по сечению бетона приведены в [7].

Эксперименты [8] показывают, что с увеличением градиентов температур ухудшаются физикомеханические свойства бетона. Так, при росте температурных градиентов до 0,6 ºС/см прочность бетона на сжатие снижается на 1,5 % по сравнению с контрольными образцами, прочность при растяжении – на 1 %, а морозостойкость – на 4 %. При увеличении градиентов температур до 1,4 ºС/см прочность при сжатии снижается на 8,6 %, прочность при растяжении – на 7,4 %, а морозостойкость – на 17 %. При этом вероятность появ- ления трещин в бетонируемой конструкции, особенно наиболее опасных – сквозныхтрещин, резко увеличивается. В работе [9] для массивных конструкций определено предельное значение градиента температур – 0,1 ºС/см. В типовой технологической карте [10] ограничен максимальный перепад температуры по сечению двухветвевой колонны 10 ºС, что при учете симметрии распределения температуры и ширины колонны 140 см дает предельный градиент температуры 0,14 ºС/см. По данным проф. В.С. Абрамова, при периферийном прогреве массивных конструкций градиент температуры не должен превышать 0,15 ºС/см. Во Вьетнаме [11, 12] максимальный градиент температуры ограничен 0,5 ºС/см. В Руководстве [13] приведен максимальный градиент температуры в приэлектродной зоне стержневых электродов – 1 ºС/см.

В книге [1] приведен максимально допустимый перепад температуры в зависимости от геометрии конструкции, причем он идет в увязке с прочностью бетона. Так, предельные градиенты температуры можно увеличивать на 12…14 % при увеличении класса бетона с В10 до В20. Изменение температурных напряжений в конструкциях из бетонов разных составов рассмотрено также в работе [14].

Однако нужно заметить, что неравномерность температурного поля при небольших градиентах температуры может оказывать благоприятное влияние на термонапряженное состояние бетона за счет эффективного перераспределения напряжений [15]. При этом будет наблюдаться неравномерное распределение прочности по объему конструкции, которое сложно отследить, применяя разрушающие и неразрушающие методы контроля [16].

Для уменьшения собственных напряжений, вызванных неравномерным температурным полем, можно рекомендовать правильный выбор теплофизических характеристик конструкций, ограждающих бетон (опалубки и утеплителя). Такая опалубка совместно с утеплением открытых поверхностей гарантирует от возникновения недопустимых градиентов температур [17].

Еще одним способом борьбы с неравномерным распределением температуры по сечению бетона может быть использование электротермообработки только наружных поверхностей конструкции [18, 19]. В этом случае нагретые периферийные слои останавливают отток тепла из тела бетона, выравнивая температуры.

Рис. 1. Тепловыделение в цементе: 1 – при непрерывной укладке бетона; 2 – в каждом слое при послойной укладке бетона; 3 – огибающая эпюра при послойной укладе бетона

Для массивных конструкций с большой, вследствие экзотермии цемента, величиной само-разогрева можно рекомендовать послойную укладку бетонной смеси без образования рабочих швов. Такое решение эффективно в том случае, когда менять состав бетона (снижать активность цемента, его количество на единицу объема) по тем или иным причинам невозможно, а применять термообработку – неэффективно.

Методика проведения исследования

Известно, что в результате экзотермической реакции пик тепловыделения цемента для массивной конструкции, выполненной с непрерывной укладкой бетонной смеси, будет приходиться на некоторый четко определенный промежуток времени (кривая 1 на рис. 1). Суть же рассматриваемого способа состоит в том, что укладка бетонной смеси отдельными слоями распределит процесс тепловыделения во времени (кривая 2 на рис. 1 показывает процесс тепловыделения для каждого слоя с определенным интервалом его укладки) и уменьшит его пиковые значения за счет меньшего количества цемента в каждом слое по сравнению с непрерывной укладкой всего объема (кривая 3 на рис. 1– огибающая эпюра при послойной укладке бетона).

Здесь одной из технологических задач является увеличение промежутка времени между укладкой каждого очередного слоя бетонной смеси, не допуская при этом образования рабочих швов. Решением этой задачи может являться применение при приготовлении бетонной смеси эффективных добавок замедлителей схватывания (в эксперименте применялась добавка замедлителя схватывания фирмы BASF).

В процессе эксперимента1 бетонная смесь c добавкой замедлителя схватывания укладывалась послойно в форму с размерами в плане 2 × 2 м, выполненную из фанеры. Интервал времени между укладкой слоев – 8 часов (время схватывания смеси – 12 часов). Высота слоев – 150 мм (модуль поверхности каждого слоя – около 13 м–1). Подача смеси в форму осуществлялась по лотку. Высота свободного сбрасывания смеси не превышала 1 м. В результате получилась призма высотой 2,1 м (модуль поверхности всей конструкции – 3 м–1).

Внутри формы располагался арматурный каркас для фиксации хромель-алюмелевых термопар. Спаи на концах термопар изолированы термоусадочной трубкой. Общее количество термопар в блоке – 16 шт. Так как конструкция симметричная, то термопары располагались в пределах одной четверти объема формы (рис. 2). Измерение температуры проводилось при помощи двух регистраторов «Терем 4» производства ООО НПП «Интерприбор». Интервал измерения температур – 20 минут.

Результаты исследования

Исследование тепловыделения применяемого в эксперименте цемента без добавки и с добавкой замедлителя схватывания были выполнены на кафедре «Строительные материалы и изделия» ЮУрГУ (рис. 3). Видно, что величина пикового значения теплового потока материала с добавкой (кривая 2) уменьшилась, по сравнению с исходным материалом без добавки (кривая 1), за счет увеличения дисперсии распределения, а момент наступления пика сместился во времени на 20 часов позже.

Предварительная оценка саморазогрева бетона при непрерывной укладке бетонной смеси была проведена в программе ELCUT 6.0 в нестационарном режиме с учетом фактического тепловыделения цемента, характеристик опалубки, грунта и окружающего воздуха. В результате моделирования было получено, что температура ядра конструкции поднимается до 96 ºС, что пре-

1 - 1

Рис. 2. Расположение термопар в форме

Рис. 3. Тепловыделение цемента: 1 – без добавки;

2 – с добавкой замедлителя схватывания

вышает предельно допустимое значение для бетонов на портландцементе на 16 ºС [20, п. 5.11.16], а градиент температуры составил 0,6 ºС/см. Таким образом, полученные предварительные оценочные результаты были признаны неудовлетворительными и далее был проведен лабораторный эксперимент с послойной укладкой бетонной смеси.

Полученные в ходе лабораторного эксперимента результаты изменения температуры во времени в двух характерных точках с наибольшей температурой (точка № 13 – центр, на высоте 187,5 см от низа конструкции) и наименьшей температурой (точка № 16 – угол, на высоте 97,5 см от низа конструкции) приведены на рис. 4.

Из данного графика видно, что наибольшая температура в центре конструкции не превышает 72 ° С, а наибольшая температура в углу конструкции не превышает 49 ° С, что соответствует требованиям п. 5.11.16 [20].

Результаты по двум точкам с наибольшей разницей температуры в данный момент времени (точка № 13 – центр, на высоте 187,5 см от низа конструкции и точка № 15 – угол, на высоте 7,5 см от низа конструкции) приведены на рис. 5. Максимальный перепад температуры составил 41 ° С. Худший из возможных градиентов температуры составил 0,29 ºС/см.

Для сопоставления полученных результатов с предельными значениями градиентов температур учтем, что указанные выше максимальные градиенты температур даны для неармированного бетона. При наличии в бетоне арматуры последняя будет воспринимать часть температурных напряжений, а значит максимальные перепады температур по сечению бетона могут быть увеличены. Согласно [13] армирование снижает температурные напряжения в бетоне на величину

До_а = 5рп + 1 , где р - процент армирования бетона в долях;

Рис. 4. Изменение температуры бетона в точках с наибольшей и наименьшей температурой

Рис. 5. Изменение температуры бетона в точках с наибольшей разницей температуры в данный момент времени

п = Е_а/Е₆, коэффициент, равный отношению модулей упругости арматуры и бетона.

Тогда можно принять: если для неармирован-ного бетона предельный градиент температуры составляет 0,15 ºС/см, то для железобетонных конструкций с 1 % армирования он составит 0,20 ºС/см, с 2 % армирования – 0,26 ºС/см, а с 3 % армирования – 0,31 ºС/см.

Таким образом, полученный в ходе эксперимента максимальный градиент температуры 0,29 ºС/см позволяет рекомендовать данную технологию послойной укладки при возведении массивных конструкций с величиной армирования не менее 2,6 %.

Выводы

Результаты выполненных исследований показывают, что в процессе производства бетонных работ на массивных конструкциях, укладку бетонной смеси можно вести послойно с интервалом времени между укладкой смежных слоев бетонной смеси 8 часов. Толщина слоев укладываемой бетонной смеси может быть рекомендована 15 см. При данных условиях был получен максимальный градиент температуры 0,29 ºС/см, что обеспечивает необходимое качество монолитных конструкций с процентом армирования не менее 2,6.