Программный комплекс позволяет получить картину распределения температурных полей в сечении перекрытия. Теплофизические характеристики материалов взяты из базы программы. Расчет ведется с учетом тепловыделения бетона при твердении. Поверхность бетона утеплена листами вспененного полистирола, опалубка выполнена из фанеры. На рис. 2.2 продемонстрировано температурное поле с нарушениями равномерности прогрева спустя сутки после начала прогрева.

Рисунок 2.2 Промерзание бетона в непрогретой части конструкции

Как это видно из рис. 2.2, произошло промерзание бетона на всем аварийном участке, несмотря на утепление и наличие электропрогрева на периферии аварийного участка. Уже спустя 7 часов наблюдается появление стабильных отрицательных температур. Таким образом, гидратация цемента на этом участке прекращается, и бетон не набирает необходимой прочности. При отсутствии противоморозных добавок вода превращаясь в лед, нарушает структуру бетона. Чтобы исключить риск промерзания конструкции необходимо до бетонирования и во время прогрева проводить контроль состояния проводов. В случае обнаружения повреждения нагревателей в процессе монтажа или армирования замена провода не представляет трудностей. В случае перегорания провода ПНСВ во время твердения бетона или повреждения в процессе неаккуратной укладки бетонной смеси, ликвидация последствий потребует экстренных мер по аварийному поддержанию теплового режима: устройству тепляков, применению греющих матов, использованию электродного прогрева [37].

Выработанные рекомендации по производству прогрева бетона в зимнее время включают в себя подбор параметров оборудования и источника тепла. Прогрев монолитных конструкций следует осуществлять с учетом их геометрических характеристик. В рамках работы произведено исследование по поиску путей оптимизации и рационализации технологии электропрогрева.

Получены следующие результаты:

1. Сделан ряд выводов по подбору нагревательного элемента с точки зрения удобства монтажа и рациональной укладки в бетонируемую конструкцию.

2. Даны рекомендации по выбору схемы прогрева, способа монтажа и подключения нагревательных элементов к станции прогрева бетона.

3. Рассмотрены риски обрыва провода, смоделирована аварийная ситуация прекращения прогрева части конструкции.

Показана недопустимость такого события и предложены пути предотвращения подобных обстоятельств.



2.2 Определение наиболее оптимального прогрева бетона в зависимости от вида конструкции

В связи с появлением новых опалубочных конструкций, материалов и оборудования, а также существенного изменения стоимости потребляемых ресурсов, возникла необходимость более детального изучения использования современных технологий при бетонных работах в зимних условиях.

Под комплексом работ по зимнему бетонированию будем понимать перечень методов и технологических приемов, представленных в приложении В.

На представленной блок-схеме показаны основные составляющие технологии бетонирования и их взаимосвязь в данном процессе. Так, весь процесс зимнего бетонирования представляет последовательную связь четырех стадий производственной системы: приготовление бетонной смеси; транспортирование бетонной смеси; укладка бетонной смеси; уход за бетонной смесью в опалубке до достижения распалубочной прочности. При этом современный уровень теории и практики располагает дополнительным набором средств и приемов, обеспечивающих достаточную управляемость этой системы. В качестве дополнительных средств и приемов следует указать на целый комплекс апробированных на практике химических добавок, а также различное сочетание технологических приемов, используемых на этих стадиях.

История развития теории и практики применения различных химических добавок при зимнем бетонировании представляет отдельный и достаточно обширный арсенал информации, которая находится в постоянном развитии. Ученые и инженеры достаточно широко информируют строительное производство об эффективности и экономической целесообразности своих достижений. Анализ начальной стадии развития технологий бетонирования зимой (начиная с 1960-х гг.) показывает, что на этом этапе усилия ученых были направлены на вопросы предварительного разогрева бетонной смеси на бетоносмесительных узлах заводов стройиндустрии и обеспечения минимальных потерь тепла до ее укладки, а также набора распалубочной прочности в условиях строительной площадки. На этом этапе нашли широкое применение такие методы как паро- и электроразогрев бетонной смеси во время приготовления; затворение смеси горячей водой; предварительный разогрев инертных с комбинацией применения различных химических добавок и др. Значительные теплопотери предварительно разогретой бетонной смеси при транспортировке и укладке, с одной стороны, и обоснованные утверждения ученых и технологов об эффективности энергетической активации бетонной смеси непосредственно перед началом ее схватывания - с другой, послужили причиной постепенного переноса этого процесса на строительную площадку.

В настоящее время на строительной площадке используется значительный объем технических средств для энергетической активации бетонной смеси, среди которых следует выделить такие как электроразогрев, пароразогрев, термовиброактивация и др. Так, основными электроразогревательными устройствами на строительной площадке являются специально оборудованные бункеры и бадьи (так называемые электродно-пластинчатые бункеры), а также кузовы автомобилей - установки с погруженными электродами (см. рис. 2.3 ? 2.5).

Рисунок 2.3 Схема бетонирования конструкций с предварительным разогревом бетона: 1 - бетонный завод; 2 - бетоновоз; 3 - электробадья; 4 - распределительное устройство; 5 - кран; 6 - укладка бетона

Рисунок 2.4 Схема бадьи для электроразогрева бетонной смеси: 1 - электрод; 2 - контактная шпилька; 3 - бункер; 4 - затвор; 5 - вибратор; 6 - крепление электрода

Рисунок 2.5 Предварительный электроразогрев бетонной смеси в кузове автомашины: 1 - кузов машины; 2 - пластинчатые электроды с прорезями; 3 - электроизоляторы; 4 - электровибратор; 5 - крюк грузоподъемного механизма

Разогрев производят на огороженной площадке с соблюдением правил охраны труда. С развитием этих устройств объем непосредственно обрабатываемой смеси уменьшался и вводилась дополнительная энергия, что способствовало сокращению времени разогрева и повышению плотности энергии и тока. Это приводило к многократному снижению электросопротивления смеси и повышению прочности бетона. В современных условиях высотного монолитного возведения конструкций в зимнее время сопровождается значительными теплопотерями из-за неизбежного наличия перегрузок и удлинения расстояния от места затворения и разогрева бетонной смеси до места ее укладки [11].

На сегодняшний день использование строительных кранов с бадьями для подачи бетона на верхние ярусы возводимых сооружений значительно уступает место применению бетононасосов с автобетоносмесителями или автобетононасосов. Относительным новшеством среди подобной техники является применение автобетоносмесителей с бетононасосом. Подача бетонной смеси по трубам с помощью бетононасосов - один из эффективных путей снижения стоимости и трудоемкости бетонных работ за счет исключения значительного ручного труда при приеме бетонной смеси из транспортных средств, перемещения ее в горизонтальных и вертикальных плоскостях в пределах строительной площадки. Так как бетонная смесь подается по трубам под давлением, то повышается ее однородность, удобоукладываемость, частично уменьшается объем пустот и улучшается обволакивание частиц заполнителя цементной пленкой, что приводит к некоторому повышению прочности бетона.

Начавшийся в современном строительстве этап вытеснения из транспортной цепочки самосвалов и замены их автобетоносмесителями привел к необходимости разработки технологии предварительного разогрева, соответствующей новому комплексу машин. Принципиальное отличие механизма разогрева бетонной смеси в бункерах, бадьях, кузовах автосамосвалов от разогрева в барабанах автобетоносмесителей состоит в том, что в первом случае производится разогрев статичной, неподвижной относительно электродов, смеси. Во втором случае между лопастями (дисками) электродов проходят постоянно новые слои смеси, побуждаемой лопастями барабана и его вращением к осевому и радиальному движению (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 Автобетоносмеситель, оборудованный для электроразогрева бетонной смеси: 1 - лопасти-электроды; 2 - несущие трубы; 3 - межэлектродные изоляторы; 4 - щеточный токосъемник; 5 - вибратор; 6 - опорный корпус электродной группы

В качестве одной из современных технологий этого направления следует выделить технологию, разработанную группой ученых и инженеров под руководством А. С. Арбеньева и И. Б. Кузьмина. В ее основу положены четыре принципа:

- своевременное внесение энергии - СВЭ;

- эффективность энергетической обработки - ЭО;

- преимущество виброгорячего формования - ВГФ;

- рациональность постепенного теплоотвода - ПТО.

Практическое воплощение первого принципа технологии состоит в рекомендации низкотемпературного затворения, виброактивации и пр., отдаляющих начало схватывания. Эффективность энергетической обработки оспаривается, в основном, между электроразогревом и пароразогревом бетонной смеси. Как уже отмечалось выше, главное при горячем виброформовании - сохранить внесенное тепло в период схватывания, когда в основном протекают все процессы. По второму закону термодинамики для повышения кристаллизации необходимо давление и охлаждение. Поскольку при охлаждении происходит и сжатие, то структура бетона еще более уплотняется. В процессе укладки разогретых смесей более высокая температура наблюдается внутри конструкции и поэтому ядро в большей степени сжимается за счет наружных слоев, в свою очередь, вызывая их обжатие. Это повышает трещиностойкость конструкций и обеспечивает гладкую зеркальную поверхность изделий [35].

Технология бетонирования монолитных конструкций пароразогретыми смесями основывается на использовании автобетоносмесителей и бетононасосов различных технологических параметров и технических характеристик [36].

Исходные материалы, загружаемые в автобетоносмеситель (АБС), могут представлять собой сухую смесь, частично затворенную (смоченную) или готовую бетонную смесь. В зависимости от вида загружаемой смеси возможна работа АБС в трех режимах: включение смесительного барабана в пути следования или на строительной площадке за 10 - 20 мин до разгрузки, включение смесительного барабана непосредственно после его загрузки, периодическое включение и выключение барабана в процессе транспортирования бетонной смеси на строительную площадку. Первый режим применяют при загрузке сухой или частично затворенной смеси и последующем приготовлении готовой бетонной смеси с заданной подвижностью при больших расстояниях перевозок (время в пути более одного часа). Второй режим применяют для приготовления бетонной смеси во время пути следования (продолжительность перевозки до одного часа) сразу же после загрузки АБС сухой или частично затворенной смесью, а также при доставке готовых смесей на небольшие расстояния (время в пути не более 30 - 40 мин) с целью их постоянного побуждения. Третий режим используют при продолжительности доставки готовых бетонных смесей полтора - два часа за счет восстановления их подвижности путем периодического побуждения.

Длительной практикой применения АБС установлено оптимальное число оборотов смесительного барабана с момента подачи воды в зависимости от нужной подвижности смеси (60 - 100 об./мин). Разгрузка АБС ведется при обратном вращении барабана, частота вращения его устанавливается оператором (5 - 10 об./мин). Пульт управления смесительным барабаном расположен близко к загрузочно-разгрузочному устройству, что позволяет оператору визуально наблюдать за процессами загрузки и разгрузки и корректировать частоту вращения смесительного барабана.

Применяемые технология и средства доставки бетонных смесей при отрицательной температуре воздуха должны обеспечивать минимальные потери тепла в процессе транспортирования с завода смеси товарного бетона на строительную площадку. При температуре до ?20°С используются АБС в обычном исполнении. Во избежание замерзания бетонной смеси транспортируют горячие смеси, вводят противоморозные добавки, используют сухие и частично приготовленные смеси с последующим затворением горячей водой. Продолжительность транспортирования готовой бетонной смеси с противоморозными добавками не должна превышать 30 минут. В качестве противоморозных добавок применяют НН, ННХК и др. Добавлять поташ, ускоряющий сроки схватывания цемента, однако резко снижающий подвижность смесей, нецелесообразно. Во избежание потери подвижности смеси при больших расстояниях доставки целесообразно транспортировать сухие смеси, которые приготовляются на объекте путем введения воды затворения с противоморозной добавкой и перемешиванием всех компонентов в барабане АБС. При транспортировании бетонных смесей на большие расстояния добавки вводятся вместе с частью воды затворения непосредственно перед перегрузкой в бетоноукладочное оборудование. Для удлинения срока схватывания цементного теста в частично приготовленную жесткую смесь вводятся добавки-замедлители схватывания.

Перед началом бетонирования определяют: способы подачи, распределения и уплотнения бетонной смеси; состав и показатели ее подвижности; толщину и направление укладываемых слоев; допустимую продолжительность перекрытия слоев; необходимую интенсивность подачи бетонной смеси с проверкой обеспеченности ее поставки бетонными заводами и транспортными средствами; потребность в механизмах и рабочих для подачи, распределения и уплотнения бетонной смеси, а также для производства необходимых подсобных работ в процессе бетонирования.

Перед укладкой бетонной смеси проверяют и принимают:

- все конструктивные элементы и работы, которые закрываются в процессе укладки бетонной смеси (подготовка оснований гидроизоляции, армирование, закладные детали и т. п.);

- правильность установки и надлежащее закрепление опалубки и поддерживающих ее конструкций;

- готовность к работе всех средств механизации укладки бетонной смеси.

Метод подачи бетонной смеси в конструкцию для конкретных условий определяется проектом производства работ. Выбор варианта определяют по количеству бетона, укладываемого в смену или сутки; затратам труда и стоимости укладки смеси. Укладку бетонных смесей автобетононасосами (АБН) следует рассматривать как комплексный процесс, включающий приемку, подачу и распределение смеси, при котором выполняют следующие операции: монтаж и демонтаж дополнительного бетонопровода при необходимости, установку средств для распределения бетонной смеси, подготовку к эксплуатации АБН, транспортирование бетонной смеси по трубам, ликвидацию пробок в случае их образования в процессе перекачивания смеси, очистку оборудования в конце работы. При бетонировании монолитных конструкций при отрицательных температурах до начала укладки бетонной смеси опалубку и арматуру очищают от снега и наледи с помощью струи горячего воздуха или укрывая водонепроницаемыми материалами (полиэтиленовой пленкой, брезентом и т. п.), оттаивая и высушивая поверхности палубы арматурных изделий. Способ и режимы (интенсивность, последовательность и т. п.) укладки смеси назначают в зависимости от требуемой температуры уложенной бетонной смеси к началу выдерживания или термообработки бетона.

Комплект машин по транспортировке и укладке бетонных смесей в конструкции в наиболее распространенном варианте состоит из АБС и АБН. АБН оснащен шарнирно- сочлененной распределительной стрелой, на которой укреплен бетоновод. С помощью этой стрелы с одной стоянки АБН бетон может быть подан в любую точку зоны работы (см. рис. 2.7).

Рисунок 2.7 Применение автобетононасосов для укладки бетонной смеси

Фактические характеристики АБН оцениваются после проведения ежегодных испытаний по специально разработанным программам. Для подачи бетона на расстояние, превышающее указанное в [ 27], монтируют стационарный бетоновод из инвентарных стальных труб на быстроразъемных соединениях, а при необходимости бетонирования конструкций на отметках, превышающих характеристики АБН, могут использоваться схемы из нескольких АБН (опыт бетонирования монолитных конструкций при строительстве АЭС).

Использование АБС и АБН при отрицательной температуре вызывает существенные теплопотери бетонной смеси, отрицательно влияющие на процесс производства работ, а также на результирующие прочностные характеристики возводимых конструкций. Процесс бетонирования конструкций в зимнее время с применением бетононасосных установок подвержен теплопотерям бетонных смесей:

- при транспортировании от бетоносмесительной установки к бетононасосу;

- перегрузке в приемный бункер бетононасоса;

- перекачивании по трубам.

Причем эти теплопотери (остывание) чередуются с энергообработкой (нагревом) бетонной смеси. Актуальность проблемы теплопотерь возрастает с необходимостью многократных перегрузок и значительного удлинения трубопроводов при возведении высотных сооружений. Так же справедливо обоснованный, как наиболее эффективный, метод разогрева бетонной смеси паром при транспортировании в АБС проблематичен при перегрузках и перекачивании смеси по трубам по сравнению с электроразогревом. Это говорит о некоторой несовместимости методов при их реализации.

На стадии ухода за бетонной смесью в опалубке используются различные методы, требующие использования специального оборудования и приспособлений, среди которых следует выделить такие как обогрев утепляющими матами, электропрогрев, парообогрев и др.

Наиболее распространенным методом при ожидаемой среднесуточной температуре наружного воздуха ниже 5°С и минимальной суточной температуре ниже 0°С согласно [33] является электропрогрев. Его использование не допускает замораживания свежеуложенного бетона, которое сопровождается образованием вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяных пленок. Электропрогрев можно осуществлять электродным способом, что предполагает выделение тепла непосредственно в бетоне при пропускании через него электрического тока (принцип армейского кипятильника), или греющими петлями (принцип предельного тока на проводе). Оба способа имеют ряд недостатков и преимуществ в использовании, с учетом которых технологи делают выбор в пользу наиболее подходящего. Также к способам электропрогрева относятся обогрев в греющей опалубке, инфракрасный обогрев и индукционный нагрев.

Характеристика изложенных технологий, методов и приемов, а также используемого при этом оборудования показывает, что все они призваны обеспечить условия производства работ, гарантирующие заданные архитектурно-конструктивные и прочностные требования возводимых сооружений, с одной стороны, и сокращение сроков производства работ как показателя экономической эффективности строительства - с другой.

В заключении рассмотрим использования противоморозных добавок для улучшения качества бетонирования в зимний период.

Основная причина прекращения твердения бетонных смесей при воздействии низких температур - замерзание в них воды. Известно, что содержание в воде солей резко снижает температуру ее замерзания. Если в процессе приготовления в бетонную смесь ввести определенное количество растворенных солей, то процесс твердения будет протекать и при температуре ниже 0?С. Введение противоморозных добавок -- технологически наиболее простой, удобный и экономически выгодный способ зимнего бетонирования. Этот способ в 1,2--1,4 раза экономичнее, чем способ паропрогрева и бетонирования с предшествующим ограждением сооружения и его утеплением изнутри и в 1,3--1,5 раза экономичнее электропрогрева и электрообогрева.

Безобогревное зимнее бетонирование благодаря применению противоморозных добавок позволяет экономить тепло- и электроэнергию при более гибкой технологии проведения работ [55]. Для достижения бетоном проектной прочности необходимо 28 дней выдержки при нормальных условиях. Но выдержать бетон столь долгий период в зимний период трудно. При замораживании бетона на ранних стадиях его твердение прерывается, так как, вся вода переходит в твердую фазу, а твердые тела в химическое соединение почти не вступает. К тому же, свободная вода, замерзнув, расширяется на 10% от первоначального объема, создавая пористую структуру, и образует наледь на зернах песка, что препятствует дальнейшему повышению прочности после размораживания. Это является главной причиной понижения прочности бетона при его раннем замерзании.

Применение добавок, ускоряющих процесс схватывания и твердения цементов, имеет особо важное значение в тех случаях, когда бетонные работы ведутся при пониженных положительных и отрицательных температурах наружного воздуха. В этом случае введение противоморозных добавок является выгодным, чем искусственное создание условий твердения. Необходимость в добавках-ускорителях твердения возрастает при употреблении медленно твердеющих цементов [3].

Комплексными противоморозными добавками можно предотвратить потери прочности бетона при раннем замораживании и при его дальнейшем твердении. Природа ускоряющего действия добавок заключается в повышении растворимости извести портландцемента и в ускорении процесса гидратации клинкерных минералов. При пониженных температурах продолжительность растворения извести уменьшается, а поэтому добавление ускорителей делается более эффективным.

Снижение прочности бетона вследствие раннего замораживания происходит не за счет изменения протекающих в нем химических процессов, а за счет нарушения его физической структуры. Расширение воды в бетоне приводит к раздвижению зерен цемента и заполнителей, к разрыхлению его структуры, вызывая ослабление сцепления растворной части бетона с заполнителем. Объемные изменения в бетоне при замерзании уменьшают плотность, отражаются на сцеплении заполнителя с цементным камнем, что приводит к снижению прочности. Пористость бетона уменьшается с увеличением срока выдерживания. Наибольшую пористость имеют образцы, замороженные через 3 ч., т.е. в период схватывания цемента. Замораживание цементного камня и бетона в раннем возрасте вредно отражается на его структуру, значительно увеличивая пористость этих материалов.

Низкие показатели прочности при сжатии объясняются технологическими факторами: твердение при отрицательной температуре (минус 25°С) и введение воздухововлекающей добавки могло привести к образованию очагов напряжения на границах раздела фаз с появлением множественных микротрещин и медленному протеканию химических реакций на этапе гидратации.

У остальных составов пористость остается на уровне исходных, при этом прочность при сжатии образцов с активированными минеральными добавками в среднем остается на уровне исходных, но заметен небольшой рост показателей у образцов с малым количеством активированных добавок (рис. 2.8, 2.9).

Рисунок 2.8 Плотность и общий объем пор образцов модифицированного мелкозернистого бетона при зимнем бетонировании

Рисунок 2.9 Плотность и общий объем пор образцов модифицированного мелкозернистого бетона с совместной активацией ингредиентов при зимнем бетонировании

Известно, что технология изготовления модифицированного мелкозернистого бетона предусматривает применение противоморозных добавок, влияющих на скорость твердения и его конечную прочность

В ходе исследования выявлено, что у образцов с большим значением изменения массы наблюдается низкая прочность при сжатии [36]. Данный эффект показывает на ускоренную потерю слабосвязанной воды из цементного камня, что влияет на прочностные характеристики будущего материала. Исходя из этого можно судить о том, что в образцах бетона с высоким значением изменения массы происходит неполный процесс гидратации цемента, что подтверждается показателями прочности при сжатии. Следующим этапом проекта было исследование модифицированных бетонов на теплопроводность (рис. 2.10), как одного из важнейших факторов для строительных материалов в условиях холодного климата.

Рисунок 2.10 Зависимость теплопроводности от состава образцов модифицированного бетона

Из полученных данных видно, что значения теплопроводности образцов зимнего бетонирования лучше по сравнению с бетонами, твердевшими в нормальных условиях. Это можно объяснить тем, что применение воздухововлекающих добавок в цементный раствор для зимнего бетонирования создает более пористую структуру, а ускоренный рост продуктов гидратации приводит к быстрому заполнению значительного объёма капиллярного пространства с образованием большого количества микрокапилляров и прочных связей между частицами с более равномерным распределением микропор, которые влияют на улучшение показателей теплопроводности материала.

Таким образом, установлено, что применение воздухововлекающих добавок в цементный раствор для зимнего бетонирования создает более пористую структуру, а ускоренный рост продуктов гидратации приводит к быстрому заполнению значительного объёма капиллярного пространства с образованием большого количества микрокапилляров и прочных связей между частицами с более равномерным распределением микропор, которые влияют на улучшение показателей теплопроводности материала.

На основании всего вышеперечисленного, можно сделать вывод о том, что:

1. В изменившихся условиях строительства в части архитектурно- конструктивных решений, используемых материалах и изделиях, применяемых технологиях и обеспечивающих комплектах машин, механизмов и оснастки - и, как следствие, ценовой политики - существующие методики выбора и экономического обоснования комплекта оборудования для производства работ по зимнему бетонированию требуют существенной корректировки.

2. Уровень достижений зарубежного и отечественного машиностроения во многом позволяет решать вопросы реализации задекларированных технологий.

3 Существует потребность в более детальной проработке вопросов поведения бетонной смеси в условиях переменного температурного режима.

4. Необходима корректировка существующих методик выбора и экономического обоснования комплекта оборудования и оснастки для производства работ по зимнему бетонированию.

Проведенные экспериментальные исследования по улучшению технических характеристик мелкозернистых бетонов, полученных при отрицательных температурах, позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлена возможность использования минеральных механоактивированных и нанодобавок в комплексе с противоморозными добавками, обеспечивающими организацию производства бетонных работ при отрицательных температурах воздуха, что особенно важно для Арктических регионов.

2. Показано, что при действии низких температур на модифицированные бетоны фазовый состав гидратных образований изменяется незначительно.

2.3 Температурно-прочностной контроль производства работ при прогреве бетона

Современное скоростное и, прежде всего зимнее, монолитное домостроение диктует заданный темп возведения этажа на захватке 7--10 дней, что вызывает необходимость организации интенсивного обогрева бетона и тщательного контроля его прочности в процессе выдерживания, особенно в первые 24--48 часов. Именно в это время руководителю объекта необходимо принимать оперативные решения по прекращению или продолжению обогрева, снятию опалубки и возможному последующему догреву, по устройству переопирания изготовленных пролетных конструкций, имеющих прочность 40--70% от проектной. При этом следует учитывать, что на реальных стройках возникают нештатные ситуации: отключение электроэнергии, недостаток энергетических мощностей, нарушение режимов нагрева, а также поставок бетона, утеплителей, укрывочных материалов.

Выполняя технологическое сопровождение значительного числа объектов монолитного домостроения, специалисты сформировали систему оперативного контроля прочности бетона в раннем возрасте, использовав при этом новые подходы к решению задачи. Система применима в любых построечных условиях и позволяет оперативно получить информацию о состоянии бетона и конкретные рекомендации при компьютерной обработке данных измерения.

Как показывает практика, основное достоинство методики -- ежедневная оперативная передача руководителю стройки данных по температуре и ранней прочности бетона по многим контрольным точкам, позволяющая обоснованно, а не интуитивно вести строительство монолитного или сборно-монолитного сооружения.

Комплексный подход к решению задач технологического сопровождения зимнего бетонирования включает:

- развитую систему инженерной подготовки к выдерживанию бетона при низких температурах;

- оперативный температурный контроль в соответствии с нормативными требованиями;

- систему оперативного определения ранней прочности бетона в ходе выдерживания конструкций, обеспечивающую принятие оперативных решений по управлению обогревом, и оформление исполнительной технологической документации.

Все компоненты методики взаимосвязаны и формируют современную эффективную производственную систему управления обогревом и выдерживанием бетона при возведении монолитных зданий. Измерение температуры бетона в ходе выдерживания монолитных железобетонных конструкций является обязательной операцией при выполнении работ в зимних условиях [50].

Российские строительные правила устанавливают целый ряд ограничений на температуру, скорости нагрева и остывания бетона при достижении необходимой прочности монолитных конструкций в ходе изготовления на строительной площадке. Размещение точек измерения температур в конструкциях сводится к соблюдению следующих основных правил: одна точка на 10 кв. м перекрытий, на 6 м длины стены, на одну колонну, на 30 кв. м фундаментной плиты или на 3 куб. м. объема иных конструкций. При объемах суточной укладки 40--60 куб. м бетона в соответствии с правилами требуется организовать круглосуточные измерения в 30--40 контрольных точках забетонированных стен и перекрытий. На практике количество таких точек на порядок меньше, что создает конфликтные ситуации во взаимоотношениях с контролирующими строительство организациями и приводит к существенному возрастанию затрат на проведение испытаний прочности бетона при сдаче готовых конструкций.

Во многих строительных организациях не востребована главная функция температурного контроля -- оперативная оценка состояния бетона по ходу тепловой обработки и выдерживания монолитной конструкции. Измерения температуры ведутся сами по себе и слабо влияют на выработку решений по управлению обогревом. Основной причиной неблагополучного положения дел с температурным контролем на стройках является отсутствие современного приборного и методического обеспечения этого наиболее эффективного и дешевого вида построечного контроля изготовления ответственных несущих конструкций. При этом наибольшую остроту представляла задача обеспечения нужного объема измерений с должной оперативностью, надежностью и безопасностью.

Комплексный подход к решению проблемы температурного контроля бетона привел к разработке специального приборного комплекта. Практическая работа с комплектом заключается в том, что температурные датчики различного типа размещаются в контрольных точках монолитных конструкций на все время тепловой обработки и выдерживания либо непосредственно в бетоне, либо на опалубке. Установка датчиков может происходить заблаговременно или после бетонирования.

В ходе выдерживания оператор-термометрист производит обход датчиков и считывание температур контрольных точек с помощью регистрирующего прибора.

Преимущества данного приборного обеспечения складываются из свойств, имеющих определяющее значение при выполнении работ:

- время определения температуры в контрольной точке, равное времени вставки разъема датчика в гнездо прибора (5--10 сек., поскольку датчик постоянно закреплен на конструкции или в бетоне на все время температурного контроля);

- наличие у датчика разъема на кабеле нужной длины (0,5--3 м), что позволяет обеспечить безопасный подход к местам измерений без применения лестниц и подмостей;

- яркая индикация значения температуры на дисплее прибора, существенно облегчающая считывание значений в условиях слабой освещенности.

К указанным преимуществам следует добавить способность прибора устойчиво работать на морозе, малое энергопотребление, высокую устойчивость к ударным нагрузкам, наличие в комплекте утепляющих накладок и средств их крепления к опалубке, переводных таблиц температур для измерений через опалубку без сверления отверстий, удобных обобщенных графиков нарастания прочности бетона в зависимости от температуры выдерживания. Приборное обеспечение прошло широкую апробацию на целом ряде строительных объектов. Состав комплекта является достаточно универсальным для быстрого обеспечения практических измерений температуры бетона при возведении монолитных жилых зданий с типовым набором конструкций: стены, колонны, плиты перекрытий, фундаментная плита. Датчики и прибор ЦИТ-2 имеют государственную сертификацию и гарантийные обязательства изготовителя.

Каждый модуль содержит полупроводниковый датчик температуры на основе P-i-n диода и электрический разъем, к внутренним контактам которого припаяны выводы датчика.

Конструкция базового модуля приведена на рис. 2.11.

Модуль жестко крепится к трубе еплосети с помощью точечной сварки в одной или двух точках, т. е. конструкция "труба-модуль" является монолитной. Это препятствует появлению механических обрывов выводов датчиков при вибрации всей системы.

С одной стороны модуля располагается электрический разъем для снятия напряжения, с другой стороны расположен регулировочный элемент (винт) для прижатия рабочей поверхности датчика к поверхности трубы.

Рисунок 2.11 Конструкция базового модуля

Между нерабочей поверхностью датчика и регулировочным винтом помещается амортизационная резиновая прокладка.

Кристаллы датчиков (P-i-n диода) выпускаются серийно отечественной промышленностью по техническим условиям.

Если рассматривать датчик как элемент системы передачи и обработки информации, то он выполняет функцию первичного преобразователя значения температуры в пропорциональное напряжение с последующим преобразованием аналогового значения (напряжения) в цифровой код.

Сбор необходимой информации с контрольных точек центральных тепловых станций может осуществляться как с помощью коммутатора с последовательным подключением сигналов на вход ЦИТ, так и с помощью последовательного обхода дежурным контрольных точек с ЦИТ и записью данных в журнал.

ЦИТ представляет собой автономный малогабаритный прибор (рис. 2.12), он имеет характеристики, приведённые в таблице 2.3.

Рисунок 2.11 Цифровой измеритель температуры

Таблица 2.3

Технические характеристики ЦИТ

Основные технические характеристики:
Диапазон контролируемых температур °С	-60...+180
Точность контроля температуры в диапазоне 0 - +180°С	±1,0
Напряжение питания, В	9
Ток потребления, мА	1,0
Габариты, мм	95х70х25
Для питания прибора может использоваться батарея типа "Корунд" или блок питания типа БПС 220-9-6
Длительность работы прибора без замены источника питания (батареи), ч	100

Прибор обеспечивает цифровые показания значений температуры с индикацией десятых долей градуса. В приборе предусмотрена возможность проверки достаточности напряжения питания. Он может эксплуатироваться при температуре окружающей среды от -10 до +350С и относительной влажности 90+3% при температуре 300С.

Разработанные модули могут быть использованы и для оперативного контроля температуры в теплосетях промышленных и бытовых помещений путем временного закрепления швеллера модуля к трубе с помощью, например, хомутов. А установка датчиков температуры в выносных штангах измерителей длиной до 2 м обеспечивает быстрый контроль температуры в шахтах и колодцах (5-10 с).

Под ещё одним способом температурно-прочностного контроля производства работ при прогреве бетона можно рассмотреть устройство ТЕРМОХРОН, семейства iButton.

Прибор DS1921G Thermochron iButton является самодостаточной системой, которая после задания ей выбранных пользователем установочных значений измеряет температуру и записывает результаты в защищенную секцию встроенной энергонезависимой памяти данных. Запись производится с определяемой пользователем скоростью. Данные сохраняются как в виде значений температуры (при этом два последовательных результата хранятся в соседних ячейках памяти данных буфера последовательных отсчетов), так и в форме гистограммы или длительности нахождения температуры за установленными пределами (рис. 2.12).

Рисунок 2.12 Внешний вид и функциональные возможности прибора ТЕРМОХРОН

Прибор может сохранять до 2048 значений температуры, измеренной через равные интервалы от 1 минуты до 255 минут. Гистограмма температур отображает 63 столбца данных с разрешением 2,0єС. Каждый столбец эквивалентен 16-разрядному двоичному счетчику, показания которого увеличиваются, если измеренное значение температуры попадает в минидиапазон, с которым связан столбец. Если температура выходит за пределы, задаваемые пользователем (верхний и нижний), DS1921G регистрирует момент, когда это случилось, и сколько именно времени температура оставалась вне допустимого коридора, а также была ли она при этом выше или ниже заданных границ. Прибор может записать 24 таких случая, по 12 для каждого из порогов (верхнего и нижнего). Для этого используется специальный сегмент энергонезависимой памяти прибора, доступный пользователю, как и другие сегменты хранения зарегистрированных данных, только для чтения. Все три сегмента независимы, и никак не связаны друг с другом, а потому являются простым, дополняющим друг друга решением для хранения и восстановления информации об температуре объекта, где установлен DS1921G. Кроме того, прибор содержит четвертый независимый сегмент дополнительной памяти (512 байт), заполняемый пользователем, и конкретизирующий характеристики регистрируемого процесса, его особенности или особенности места установки прибора.

Данные передаются последовательно с помощью протокола 1-Wire®, который требует для своей реализации только одного вывода данных (DATA) и общего провода (RETURN). Каждый экземпляр DS1921G имеет собственный 64-разрядный регистрационный номер, который записан в ПЗУ лазером в процессе изготовления, что обеспечивает гарантированную идентификацию и позволяет осуществлять объективный контроль температуры. Прочный корпус MicroCAN из нержавеющей стали, в котором размещена электронная схема DS1921G, обладает высокой стойкостью к воздействиям окружающей среды, таким, как загрязнение, влажность, удары. Этот компактный, монетообразный (дисковый) корпус легко фиксируется специальными зондами для считывания информации, что значительно облегчает работу оператора с прибором. Другие специальные аксессуары для фиксации устройств в подобных корпусах позволяют легко закреплять прибор DS1921G на любой поверхности [30].

Уникальный регистрационный номер каждого изделия и несбрасываемый счетчик, увеличивающий свои показания при каждом новом запуске, помогают избежать путаницы между отдельными приборами DS1921G.

Индивидуальные особенности прибора ТЕРМОХРОН:

1. Встроенный цифровой термометр для регистрации температуры с разрешением 0,5°С. ·

2. Погрешность ±1°C в диапазоне от -30°C до +70°C.

3. Встроенные часы/календарь реального времени с погрешностью хода ±2 минуты в месяц при эксплуатации в температурном диапазоне от 0°С до 45°С.

4. Водонепроницаемость при условии размещения внутри приспособления iButton Capsule DS9107 (допустимое давление воды превышает 3 атм.)

5. Автоматический запуск и измерение значения окружающей температуры с программируемым пользователем интервалом в диапазоне от 1 минуты до 255 минут.

6. Возможность регистрации до 2048 последовательных отсчетов измеренных значений температуры в энергонезависимую память, доступную только для чтения.

7. Запись долговременной температурной гистограммы с разрешением 2єС.

8. Программируемые верхний и нижний температурные пороги.

9. Фиксирование 24 моментов начала и продолжительности временных интервалов, нахождения контролируемой температуры за границами коридора, определяемого температурными порогами. ·

10. 512 байт энергонезависимой памяти общего назначения для записи/чтения.

11. Разделение памяти на 256 - битные страницы для пакетирования данных.

12.· Для связи с внешними средствами поддержки имеет встроенный узел 1-Wire-интерфейса, реализующий сетевой протокол передачи данных, поддерживающий скорость обмена до 15,4 Кбит/с в стандартном режиме и до 125 Кбит/с в ускоренном режиме.

13.·Встроенный генератор циклического кода (CRC) для избежания ошибок при чтении данных. ·

14. 256-разрядная блокнотная (промежуточная) память, обеспечивающая правильность передачи данных

Эксплуатационные характеристики прибора ТЕРМОХРОН показаны в табл.2.4

Таблица 2.4

Предельные эксплуатационные величины прибора ТЕРМОХРОН

Напряжение на выводе DATA относительно вывода GND	от -0,5В до +6,0В
Ток через вывод DATA	20мА
Рабочий температурный диапазон	от -40°С до +85°С*
Допустимая температура хранения	от -40°С до +85°С*

Устройства ТЕРМОХРОН не имеют никаких собственных средств индикации и управления. Поэтому все функции по их сопровождению и поддержке могут исполняться только специальными средствами обслуживания. Информационный обмен с любым средством обслуживания осуществляется при кратковременном контакте между приемным щупом, обязательно входящим в состав его конструкции, и корпусом "таблетки" DS1921.

Средства обслуживания обеспечивают снятие информации, накопленной устройствами ТЕРМОХРОН, а также выполняют задание новых установочных значений для продолжения их работы. Они могут быть реализованы на базе обычного персонального компьютера, или компактного карманного компьютера, или же являются специализированными переносными микропроцессорными приборами (2.13).

Рисунок 2.13 Средства поддержки отдельных устройств ТЕРМОХРОН

В первом и втором случаях зарегистрированные данные можно представить либо в виде таблицы, либо в виде графика или гистограммы, а также сохранить их в виде файла для дальнейшего анализа или архивирования. Автономные переносные микропроцессорные приборы различного класса либо позволяют произвести экспресс-анализ собранной устройствами ТЕРМОХРОН информации непосредственно в "полевых" условиях, либо обеспечивают накопление в собственной энергонезависимой памяти результатов, полученных от множества территориально рассредоточенных регистраторов DS1921, с целью последующей транспортировки собранных таким образом данных в память персонального компьютера для их дальнейшего анализа и архивирования.

3. Повышение эффективности и надежности процессов контроля качества бетонных конструкций, подвергнутых тепловой обработкой

3.1 Определение эффективных методов температурно-прочностных показателей для контроля качества среднемассивных и массивных конструкций

В решении механической задачи рассмотрены деформации от температурных нагрузок на бетон. Решением является деформированная схема строительной конструкции с анализом ее напряженно-деформированного состояния.

В рамках работы выполним моделирование термодинамической задачи прогрева бетона монолитного перекрытия по профлисту греющим проводом. Построен график набора прочности бетона, произведен анализ температурных деформаций в программе ELCUT.

1. Постановка задачи

В качестве объекта исследования выбрано монолитное перекрытие по профлисту на стальных балках (рис. 3.1). Перекрытие окружено кирпичными стенами, что характерно для объектов реконструкции в Санкт-Петербурге. Наибольшая толщина перекрытия 90 мм.

Перекрытие бетонируется при отрицательной температуре окружающей среды (-10 °С). Прогрев осуществляется проводом, уложенным в плиту, с шагом 100 мм, а также конвективным прогревом снизу с поддерживаемой температурой +10 °С. Плита утеплена сверху экструдированным пенополистиролом толщиной 10 мм. Потери тепла в конструкции происходят через кирпичные стены сбоку и алюминиевый профлист снизу.

Рисунок 3.1 Поперечное сечение моделируемого перекрытия между балками

Программа ELCUT позволяет решать строительные задачи, связанные с прогревом бетона. Данный комплекс основан на методе конечных элементов (МКЭ). Решение задач базируется на принципах термодинамики, процессах теплообмена. Пакет ELCUT выполняет моделирование методом конечных элементов двухмерных электромагнитных, тепловых и механических полей.

Реализация решения построена на модификации исходной задачи и решении серии таких модифицированных последовательно связанных задач. При этом твердеющий бетон разбивается прямоугольной сеткой дискретизации на блоки с КЭ сеткой, в которых могут быть заданы различные свойства, постоянные в пределах конкретного блока и на временном шаге, а временной шаг модификации свойств в блоках равняется шагу решения отдельной задачи.

Надстройка WinConcret позволяет уточнить расчет путем введения новых переменных и уточнения физических и механических свойств материалов в связи с изменением температуры, твердением бетона и течением времени. Серия последовательных задач решается с исходными данными на определенное время прогрева с выбранным интервалом. Исходные данные для каждой задачи меняются, надстройка принимает во внимание данные расчета предыдущей задачи. Начальной задачей является нулевое время прогрева, момент бетонирования конструкции. Последующие задачи решаются с выбранным интервалом в 2 часа, учитывая следующие изменяемые во времени параметры:

а) собственное тепловыделение бетона, происходящее при гидратации цемента, зависящее от двух основных переменных - времени и температуры твердения;

б) температурный коэффициент сопротивления проводов (источников тепла), зависящий от переменной - температуры; сопротивление проводника при нагреве увеличивается до 40 % относительно номинального значения и повышается мощность прогрева, требуется регулировка расположения и мощности источников тепла;

в) регулирование выдерживания бетона на различных технологических переделах, связанное с включением/отключением прогрева, устройством/демонтажем утеплителя или опалубки;

г) прочность бетона наряду с температурой, градиентами, напряжениями и деформациями.

Для решения поставленной задачи была создана расчетная модель в конечных элементах в программном комплексе ELCUT с соблюдением геометрических размеров, физических и механических свойств материалов. В качестве расчетной схемы смоделировано сечение половины перекрытия между балками, т. е. решение задачи разбито на две симметричные части.

Сетка конечных элементов для данной конструкции показана на рисунке 3.2.

В созданной модели применены термодинамические характеристики материалов и их физические параметры.

Исходные характеристики:

- класс бетона - B30;

- материал стены - кирпич полнотелый;

- материал профлиста - алюминий;

- источник тепла - провод ПНСВ;

- утеплитель - экструдированный пенополистирол 100 мм.

Рисунок 3.2 Расчетная модель с построением сетки конечных элементов

Начальные условия:

- температура бетонной смеси +10 °С;

- температура арматуры ?5 °С;

- температура под перекрытием +10 °С с конвективным подогревом (коэффициент передачи теплоты конвекцией 9,5 Вт/К·м²;

- температура окружающей среды ?10 °С;

- скорость ветра 5 м/с (коэффициент передачи теплоты конвекцией со стороны окружающей среды 24 Вт/К·м²);

- мощность прогрева 35 Вт/п.м. провода (при последующем расчете принимается во внимание температурный коэффициент сопротивления 0,0046 град^?1).

Характеристики материалов

Арматура:

- теплопроводность - 58 Вт/К·м;

- удельная теплоемкость - 470 Дж/кг·К;

- плотность - 7850 кг/м3. Бетон:

- теплопроводность - 2,07 Вт/К·м;

- объемная плотность тепловыделения переменная, показатели излучения и тепловыделения расчитывается в WinConcret автоматически в зависимости от температуры и времени;

- начальная удельная теплоемкость - 1050 Дж/кг·К;

- плотность - 2500 кг/м3. Кирпичная кладка:

- теплопроводность - 0,68 Вт/К·м;

- удельная теплоемкость - 1580 Дж/кг·К;

- плотность - 1800 кг/м3; Алюминиевый профлист

- теплопроводность - 237 Вт/К·м;

- удельная теплоемкость - 903 Дж/кг·К;

- плотность - 2700 кг/м3. Утеплитель:

- теплопроводность - 0,032 Вт/К·м;

- удельная теплоемкость - 1320 Дж/кг·К;

- плотность - 40 кг/м3.

Показатели теплоемкости, теплопроводности, плотности материалов взяты из справочника программы. Греющие провода заданы вершинами с определенной мощностью тепловыделения. На основании введенных данных получено температурное поле перед началом прогрева, изображенное на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Температурное поле конструкции перед началом прогрева

Выбраны параметры и время прогрева - 2 суток. Затем проводится температурное выдерживание с остыванием бетона в течение 24 часов. Прогрев конструкции осуществляется греющим проводом. Запускается решение задачи - так называемый «прикидочный расчет». Расчет осуществляется непосредственно в программе ELCUT. Шаг решения задачи выбирается пользователем. В данной работе выбран шаг решения - 2 часа. Программный комплекс осуществляет решение задачи с учетом теплоемкости и теплопроводности всех материалов конструкции в расчетной схеме. Принимается во внимание конвективный теплообмен с окружающей средой и конвективный прогрев конструкции снизу.

Спустя 2 часа после начала прогрева наблюдаются характерные точки прогрева и потери тепла через кирпичные стены. Полученные данные показаны на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Температурное поле конструкции через 2 часа прогрева

Для большей точности решения рассмотрен малый участок перекрытия (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 Температурное поле конструкции через 2 часа прогрева (фрагмент)

Как видно из температурных полей, замерзания бетона в первые часы не происходит, конструкция перекрытия надежно утеплена сверху, а снизу ребристая поверхность профлиста прогревается с целью недопущения промерзания бетона и больших потерь тепла.

Анимированная графика показывает распространение тепла в бетоне, можно наглядно увидеть места теплопотерь, а также корректировать параметры прогрева в зависимости от полученных данных. Исходя из полученных температурных полей, можно сделать вывод, что прогрев осуществляется неравномерно, стабилизация температуры происходит позднее. Локальные участки возле проводов прогреваются быстрее, а в местах теплопотерь температуры ниже Конечные решения «прикидочного расчета» показаны на рисунках 3.6, 3.7. По зонам повышенной температуры можно определить расположение сечения греющих проводов.