автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Интенсификация твердения бетона в зимних условиях комбинированным методом с применением внутреннего источника тепла и противоморозной добавки

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

На правах рукописи

Ж'-

КАНЬШИН МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

"ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ КОМБИНИРОВАННЫМ МЕТОДОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА И ПРОТИВОМОРОЗНОЙ ДОБАВКИ"

Специальность 05.23.0b Строительные материалы и изделия"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д/т.н., проф. Крылов Б. А

МОСКВА 1999

6

Содержание работы

Введение

1. Применяемые методы ускорения твердения бетона в монолитных конструкциях

1.1. Отечественный и зарубежный опыт термообработки бетона в монолитных конструкциях

1.2. Комбинированный метод ускорения твердения бетона и его теоретическое обоснование

1.3. Цель и задачи исследований ^

2. Материалы и методы исследований

2.1. Материалы для изготовления экспериментальных образцов /7

2.2. Оборудование и приборы, использованные в исследованиях

2.3. Методики исследования основных свойств бетона и его структурных особенностей

3. Формирование температурных полей при комбинированном методе твердения бетона

3.1. Методика исследования температурных полей ^

3.2. Основные положения формирования температурного поля в бетоне

при точечном нагревателе ^

3.3. Характер формирования температурных полей в конструкциях разной толщины при различных температурах наружного воздуха ^д

3.4. Прогнозирование температурного поля при электрообогреве бетона греющим проводом в горизонтальных конструкциях расчетным методом ¿¡а Выводы по главе ^

4. Физико-технические характеристики бетона при комбинированном

методе выдерживания ^

27

7Z 79

BS

91

92

4.1. Влияние температуры прогрева и температуры наружного воздуха на нарастание прочности бетона на сжатие и растяжение

4.2. Призменная прочность бетона и модуль упругости

4.3. Сцепление бетона с арматурой

4.4. Прочность на растяжение при изгибе Выводы по главе

5. Технология работ при применении комбинированного метода ускорения твердения бетона

5.1. Подготовка опалубки и конструкции к укладке и прогреву бетона pg

5.2. Транспортирование бетонных смесей и их укладка ^

5.3. Термообработка бетона д§

5.4. Использование комбинированного метода выдерживания бетона на строительстве Храма Христа Спасителя и торгового комплекса на Манежной площади

5.5. Экономическая эффективность разработанного метода Выводы по главе Общие выводы Библиографический список

98 № № Ш Н4

Введение

Бетон в современном строительстве является основным материалом, без применения которого не возводится практически ни одно здание и сооружение. По последним прогнозам, бетой останется основным строительным материалом в следующем столетии.

В связи со сложившимися экономическими условиями, требования к темпам производства строительных работ возросли, и останавливать строительство на несколько зимних месяцев в году просто нецелесообразно. Поэтому в настоящее время большое количество строительных работ ведется в холодное время года, длящееся на территории России от 3 до 8 месяцев в году.

Производство строительных работ в зимних условиях всегда требует дополнительных затрат средств и труда, так как при сильных морозах возрастают потери тепла не только при транспортировке бетона с бетонных заводов, но и потери тепла, затрачиваемого на нагрев опалубки и арматуры.

Особенно в последние годы возросли требования к снижению себестоимости бетона, повышению его качества и качества возводимых железобетонных конструкций, а также появилось много конструкций, обеспечение твердения бетона в которых в холодное время года представляет собой весьма нелегкую задачу.

Анализ возведения монолитных железобетонных конструкций при отрицательных температурах показывает, что основная часть удорожания строительства приходится на дополнительные затраты, связанные с выдерживанием бетона до достижения им требуемой критической или проектной прочности.

Как показывает практика, по СНиП 3.03.01-87, замораживание бетона в конструкциях может быть допущена только при достижении прочности, равной 50% от 13.28, но не менее 50 кг/см2.

Для многих ответственных объектов, а также при строительстве на севере, прочность бетона к моменту замораживания должна быть еще выше, и в отдельных

случаях составлять 100% от 1^8. Обеспечить приобретение бетоном такой прочности в зимнее время невозможно без тепловой обработки, что поставило ее на первое место по своей значимости и объемам применения, по сравнению с другими методами зимнего бетонирования.

В настоящее время разработаны различные методы производства бетонных работ на морозе, которые обеспечивают высокое качество железобетонных конструкций при минимальных затратах на ускорение твердения бетона.

Однако универсальных методов не существует. Каждый метод имеет наиболее целесообразную область применения в зависимости от температуры среды, вида и массивности конструкций, характера армирования и условий эксплуатации. Правильный выбор метода выдерживания бетона в возводимых на морозе конструкциях, является непременным условием минимальных дополнительных затрат на бетонные работы, по сравнению с летним периодом года при гарантированном качестве монолитных железобетонных конструкций.

1. Применяемые методы ускорения твердения бетона в монолитных

конструкциях

1.1. Процессы в бетоне при воздействии температурного фактора

С понижением температуры воздуха твердение бетона замедляется, а при отрицательной температуре твердение практически прекращается, так как образуется лед, который не вступает в химические реакции с цементом.

Замерзающая в бетоне вода, вследствие своего расширения, разрушает структуру бетона, а, следовательно, и снижает его физико-механические свойства, если бетон не набрал до замерзания так называемой "критической прочности" (от 30 до 50% в зависимости от класса бетона). Поэтому в целях ускорения твердения бетона, а также для предотвращения преждевременного образования льда, в бетон вносят тепло. В первую очередь это относится к тонкостенным конструкциям, при выдерживании бетона в которых теплопотери в окружающую среду весьма значительны. Однако, тепло в бетон следует вносить по строго определенному режиму, особо ограничивая скорость его разогрева и остывания /1/.

При воздействии температурного фактора на бетон, все твердые составляющие (цемент и заполнители) расширяются или сжимаются в соответствии с их коэффициентом линейного расширения для конкретного вещества. Иначе ведет себя вода, в которой при воздействии температуры происходят структурные изменения. Вода при нормальной температуре (20°С) представляет собой группы молекул, которые взаимодействуют с цементными зернами при контакте с их поверхностью. При повышении температуры, вязкость воды и ее поверхностное натяжение уменьшаются, связь между группами молекул ослабевает, и они начинают распадаться на более мелкие группы.

При 60°С в воде появляется много одиночных молекул, слабо связанных друг с другом и свободно выходящих из системы - начинается процесс парения. При дальнейшем повышении температуры и достижении водой затворения 100°С группы

распадаются на отдельные молекулы, а часть молекул - на ионы кислорода и водорода, отличающиеся особой активностью. Происходит процесс кипения, который разрушает структуру бетона, еще не набравшего прочность, повышает пористость и негативно влияет на конечное качество получаемых конструкций. Во избежание эффекта парения и тем более эффекта кипения воды затворения, целесообразно ограничивать температуру прогрева монолитных железобетонных конструкций до 60°С включительно. При повышении температуры, химическая активность воды возрастает, и процесс гидратации цемента ускоряется примерно в 23 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Именно это положено в основу ускорения твердения бетона путем тепловой обработки изготавливаемых из него изделий и конструкций.

Понижение температуры приводит к снижению химической активности воды, и при приближении к 0.°С взаимодействие ее с цементом настолько замедляется, что сроки схватывания увеличиваются в 2-4 раза. При 0°С свободная или механически связанная вода переходит в твердое состояние с увеличением объема - лед, что приводит к разрушению еще хрупких новообразований и серьезно понижает конечную прочность бетона.

Строительные нормы и правила России (СНиП 3.03.01-87) требуют, чтобы к моменту замерзания бетона класса В 12,5 имел прочность не менее 50% от R.28, класса В 22,5 - 40% от R28 и класса В 30 и более - 30%. от R2g.

Если к конструкции предъявляются повышенные требования по морозостойкости и эксплуатационным характеристикам, то прочность бетона, независимо от класса, должна быть к моменту замерзания не менее 80% от R.28-

Для достижения бетоном прочности, установленной действующим СНиП 3.03.0187 к моменту замораживания, при производстве бетонных работ на морозе приходится применять методы интенсификации твердения, которые требуют определенных затрат на их производство (затраты на подготовку, электроэнергию, теплоизоляционные материалы и т.д.).

Существующие методы выдерживания бетона при возведении различного вида сооружений позволяют возводить любую конструкцию при обеспечении высокого качества. Поэтому все зависит от выбранного метода выдерживания бетона и дополнительных затрат. Выбор метода зимнего бетонирования является не только технической, но и экономической задачей, что особенно актуально в складывающейся ситуации рыночных отношений.

1.2. Комбинированный метод ускорения твердения бетона и его теоретическое

обоснование

Существующие методы зимнего бетонирования можно разделить на две группы -не требующие и требующие прогрева возводимой конструкции. К первой группе относятся методы с применением в бетоне противоморозных добавок и метод термоса. Ко второй группе относятся все методы прогрева бетона.

В данной главе рассмотрены преимущества и недостатки существующих методов с применением электроэнергии.

Первые исследования по применению электрического тока для нагревания бетона путем непосредственного его включения в электрическую цепь как сопротивления были начаты в 1924 году в Монреальской лаборатории Канадской цементной компании Джонсоном, Флемингом и Тагге 121. Однако, до реального использования метода разработчики его не довели.

Выдающаяся роль в действительном открытии метода электропрогрева бетона принадлежит шведским инженерам Альберту Брунду и Хельге Болину. Они начали свои работы в 1927 году в технической гимназии города Хернесанда. Ученые выдвинули не только правильную научную концепцию метода, но и оценили его практические возможности. Ими подвергся исследованию характер токопроводящих свойств бетона при электропрогреве, имеющий первостепенное значение для грамотного построения режима термообработки.

Сообщение о работах шведских специалистов появились в отечественной и зарубежной печати в 1932 году, и уже в зиму 1932-33 гг. электропрогрев был применен в нашей стране в производственных условиях Стройтрестом № 2 /2/. С этого времени Советский Союз стал центром исследований и широкого применения электропрогрева бетона.

Обладая более высоким КПД по сравнению с другими методами прогрева бетона, тепловая обработка с применением электрической энергии поддается быстрому и точному регулированию, создаются лучшие санитарно-гигиенические условия, и повышается культура производства.

Первые предложения по контактному электрообогреву были сделаны в 1932-33 гг. А.З.Чериковером. Для обеспечения твердения бетона в стыке колонн и балок предлагалось устанавливать плитки-нагреватели, которые изготавливались заранее из цементного раствора, внутрь которого укладывалась металлическая проволока в виде змейки диаметром 1,5-2,0 мм. Плитки устанавливались в стыкуемую часть сборных элементов при изготовлении или помещались в бетон заделки, и прогрев осуществлялся сразу после заделки стыка /5, 100/. При пропускании через проволоку электрического тока она нагревалась, и тепло передавалось бетону.

Этот способ ввиду сложности и высокой стоимости распространения не нашел.

В 1935 году профессор Гармаш A.A. предложил новый метод контактного прогрева - электрокатушки, представляющие собой изолированную оболочку длиной 30 см с вмонтированной железной спиралью из проволоки диаметром от 1 до 2,5 мм. Пропускавшийся через спираль ток нагревал катушку до температуры 150-200°С. Катушки помещались в стаканы из кровельного железа диаметром 50 мм и устанавливались в конструкцию на расстоянии 50 см один от другого. После тепловой обработки катушки вынимались, а стаканы заливались цементным раствором.

Из-за сложности и многооперационности метода, а также из-за большого разброса температуры в бетоне, который, в конечном итоге, приводил к большому

разбросу прочности, этот метод широкого распространения в производстве не получил.

Зимой 1935 года Виткуп А. /23/ на Краснозаводской базе применил для монолитных конструкций новый вид греющих электрорубашек, которые в дальнейшем употребляли при изготовлении сборных железобетонных изделий. В пространство двойной опалубки устанавливались печи сопротивления - газовые трубки длиной до 1 м диаметром 19-25 мм, на которые по слою асбестовой изоляции наматывалась в виде спирали проволока. Прогрев бетона осуществлялся при температуре 50°С. При этом методе создавались большие температурные перепады. В дальнейшем Лисоволенко и Школьницкий для более равномерного прогрева предложили пространство между нагревателями засыпать сухим песком (электропесчаный метод).

Из-за сложного устройства и пожароопасности тепловые рубашки указанной конструкции широкого распространения не получили. Не нашли применения и тепловые рубашки с песчаной засыпкой, которые еще больше усложняли и утяжеляли опалубку. Оборачиваемость ее была практически одноразовой.

Оригинальная конструкция электронагревателя была предложена и опробована в 1934 году Кудряшевым И. В одеяло из парусины заматывалась сетка из оцинкованной проволоки, через которую пропускался электрический ток. Тепло, выделяемое сеткой, создавало активную теплоизоляцию при выдерживании бетона /53/.

По существу, греющее одеяло являлось прототипом гибких нагревателей, которые в настоящее время применяются на строительстве различных объектов /7, 82/.

Большим шагом вперед в развитии электрообогрева бетона являлись работы Богатырева И.И., предложившего оригинальную конструкцию электронагревательных устройств, широко применявшихся в строительстве и применяющиеся в настоящее время /13/.

В 1936 году им совместно с Воловичем С.Г. были разработаны нагреватели, получившие название "бандуры". Они были удобны, не требовали устройства двойной опалубки и позволяли вести термообработку бетона на большой площади. Этот метод термообработки явился прообразом прогрева сборных железобетонных изделий в камерах лампами инфракрасного излучения.

Вслед за "бандурами" Богатыревым И.И. /14/ были разработаны цилиндрические печи сопротивления, при помощи которых зимой 1942-43 гг. на одном из строительств Урала прогревался бетон объемом 7000 м3.

В дальнейшем эти нагреватели были усовершенствованы и получили название ТЭНов. В настоящее время они широко выпускаются промышленностью.

В развитии электротермообработки важнейшим периодом являются годы послевоенного строительства. Для этого периода характерно совершенствование разработанных ранее, методов, появление новых модификаций, среди которых были оригинальные и остроумные. В эти годы на одном из объектов была применена металлическая греющая опалубка, в которую были заделаны ТЭНы. На строительстве Библиотеки им. В.И.Ленина применялись греющие столбики, представляющие собой растворные бруски сечением 25x25 мм и длиной 50 см, внутрь которых аналогично Чериковерским плиткам закладывалась спираль из железной проволоки диаметром 0,8 мм.

Столбики закладывались в колонны перпендикулярно оси, нагревались при пропускании через спираль электрического тока и осуществляли, таким образом, прогрев бетона заделки стыков.

В 1949 году был предложен низкотемпературный нагревательный элемент, основанный на применении термоткани /45/.

Термоткань представляет собой ткань, опрессованную с обеих сторон чередующимися слоями резины, текстолита и тонкого березового шпона, пропитанную бакелитовой смолой. Это был многослойный нагреватель-изолятор, внутри которого уложена и запрессована сетка из стальной проволоки диаметром

0,15 мм. Данное предложение из-за сложности изготовления и низкой температуры на поверхности нагревателя не получило широкого распро