Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 7
1.1. Влияние температуры на процесс твердения бетона 14
1.1.1. Влияние низких температур на процесс твердения бетона 15
1.1.2. Влияние высоких температур на процесс твердения бетона 20
1.2. Методы зимнего бетонирования и их расчетное обоснование 26
1.2.1. Беспрогревные методы зимнего бетонирования 28
1.2.2. Выдерживание бетона в тепляках 43
1.2.3. Методы, основанные на искусственном прогреве бетона 44
1.2.4. Бетонирование с применением химических добавок, снижающих температуру замерзания воды и ускоряющих твердение бетона 55
1.2.5. Комбинированные методы зимнего бетонирования 56
1.3. Задачи исследований 57
2. Обоснование физической и математической моделей температурного и прочностного полей фрагмента стены, примыкающего к ранее возведенным участкам стены 58
2.1. Физическая модель 58
2.2. Математическая модель 70
2.3. Численная аппроксимация математической модели 78
3. Обоснование физической и математической моделей температурного и прочностного полей фрагмента стены, примыкающего к ранее возведенным участкам стены и плитам перекрытий 90
3.1. Физическая модель 90
3.2. Математическая модель 91
3.3. Численная аппроксимация математической модели 94
4. Обоснование физической и математической моделей температурного и прочностного полей фундаментного блока на сезонномерзлом грунте 95
4.1. Физическая модель 95
4.2. Математическая модель 100
4.3. Численная аппроксимация математической модели 104
5. Исследования методом математического моделирования на эвм температурных и прочностных полей строительных конструкций, бетонируемых в зимних условиях 105
5.1.Фрагмент стены, примыкающий к ранее возведенным участкам стены 105
5.2.Фрагмент стены, примыкающий к ранее возведенным участкам стены и плитам перекрытий 152
5.3. Фундаментный блок на сезонномерзлом грунте 160
6. Сопоставление данных расчета по предлагаемому методу с экспериментальными данными 174
6.1. Зимнее бетонирование бетонных полов на объекте «АИДА» 174
6.2. Зимнее бетонирование фундаментных блоков на строительной площадке завода «Электросигнал» 179
6.3. Бетонирование блока в морозильной камере 183
7. Двойная многокритериальная оптимизация методов зимнего бетонирования 188
7.1. Выбор оптимального метода зимнего бетонирования на основе двойной многокритериальной оптимизации 188
7.2. Пример расчета определения оптимального метода зимнего бетонирования на основе двойной многокритериальной оптимизации 199
Основные выводы 220
Приложение 222
Литература
- Методы зимнего бетонирования и их расчетное обоснование
- Математическая модель
- Численная аппроксимация математической модели
- Численная аппроксимация математической модели
Методы зимнего бетонирования и их расчетное обоснование
Возникновение и развитие физических явлений в бетоне при его тепловой обработке создает в нем сложное напряженное состояние. Общим признаком развития физических явлений является накопление необратимых деформаций расширения. Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся новообразования цементного камня как бы закрепляют расширившийся объем бетона. При охлаждении бетон сжимается, однако возникшая структура, препятствует этому, и в бетоне наблюдаются остаточные деформации, т.е. его объем после тепловой обработки оказывается больше, чем первоначальный. Увеличение объема приводит к повышению пористости бетона и понижению его прочности. Кроме того, при прогреве могут возникать микротрещины и другие дефекты, которые, незначительно изменяя пористость бетона, могут значительно понизить его прочность. Согласно [8], при любой тепловой обработке наиболее интенсивное расширение бетона наблюдается в период подъема температуры. Это говорит о том, что деструктивные явления наиболее сильно проявляются при нагреве, когда физический процесс температурного расширения может опережать химический и физико-химический процессы твердения. Поэтому при анализе причин и механизма возникновения структурных нарушений бетона необходимо подробно остановиться именно на периоде подъема температуры. От качества образовавшейся в период нагрева структуры материала будут зависеть в основном все технические свойства конечного продукта. Деструктивные процессы, естественно, будут наблюдаться и при изотермическом выдерживании, хотя и в меньшей степени, и при остывании нагретого бетона [8]. Однако причины, их вызывающие, и механизм отрицательного воздействия на структуру материала будут идентичны. Они обусловлены явлениями тепло- и массооб 23 мена, неравномерной усадкой заполнителя и окаймляющего его цементно песчаного раствора вследствие различия их температурных деформаций.
При нагревании свежеуложенного бетона расширяются все составляющие его компоненты - цемент, заполнители, вода и воздух. При этом твердая фаза, имея наименьший температурный коэффициент линейного расширения, увеличивается в объеме весьма незначительно - всего на 0,15-0,20% при нагреве от 20 до 90С [8]. Вода расширяется в значительно большей степени - на 2,7-3% (т.е. в 15-20 раз больше, чем твердые составляющие). Еще большему расширению подвергается газовая фаза - ее объем при повышении температуры с 20 до 90С увеличивается на 22-25%, т.е. в 100-150 раз больше, чем твердых компонентов, и в 8-10 раз больше, чем воды. Из этого следует, что основную роль в объемных деформациях бетона при нагреве играет расширение воды, содержание которой в смеси составляет около 8-12%, и газовой фазы [8]. При этом в состав последней необходимо включать не только воздух, вовлеченный при перемешивании смеси и защемленный при ее уплотнении, но и воздух, находящийся в порах и капиллярах заполнителя и адсорбированный на поверхностях твердых частиц. Общее содержание воздуха в бетонных смесях на плотных заполнителях может достигать 5% общего объема, на пористых заполнителях-до 50%о.
Наличие такого большого объема воды и воздуха в бетоне весьма отрицательно сказывается при формировании его структуры во время тепловой обработки, так как термическое расширение их при нагреве создает в порах твердеющего материала значительное избыточное давление. Негативное действие воды усугубляется частичным превращением ее в пар внутри бетона вследствие более низкой температуры кипения жидкости в капиллярах. Во-первых, сам процесс парообразования сопровождается увеличением объема в 1600-2000 раз, что при относительной замкнутости пор приводит к возникновению градиента давления. Во-вторых, в результате образования пара, имеющего примерно такой же температурный коэффициент объемного расширения, что и воздух, зна 24 чительно увеличивается объем газовой фракции в бетоне, которая способна к наибольшему расширению при нагреве. Особенно интенсивно внутреннее испарение происходит при температурах выше 60С [8]. Большое значение при твердении имеет и контракция цементного камня. Согласно [14], дополнительный объем пор, возникающий вследствие контракции, является тем резервным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении. Поэтому контракция способствует уменьшению дефектности структуры бетона.
Согласно [8, 10, 14 и др.], остаточное расширение, характеризующее степень структурных нарушений, зависит от скорости нагрева и начальной прочности, достигнутой бетоном до наложения теплового воздействия. Бетон, имеющий определенную начальную прочность, воспринимает возникающие в результате нагрева внутренние напряжения и приобретает в процессе термообработки только деформации, соответствующие температурному расширению затвердевшего материала. Следовательно, для снижения структурных нарушений в бетоне можно выделить два направления: во-первых, предварительное выдерживание; во-вторых, замедленные скорости подъема температуры, в результате которых прирост прочности бетона во времени будет опережать прирост возникающего в нем внутреннего давления, обеспечивая тем самым необходимое сопротивление этому давлению [8]. Кроме того, при малых скоростях нагрева избыточное давление не будет достигать больших значений из-за частичной релаксации. Все это приводит к удлинению общего цикла тепловой обработки, а значит неприемлемо для современного производства, требующего значительной интенсификации технологического процесса.
Математическая модель
Синергетика от греческого syn (вместе) и ergon (работа, энергия), то есть одновременное и согласованное действие всех энергий на вещество. Данный метод отличается тем, что смесь дополнительно барботируется в магнитной пароионной среде, что дает возможность обойтись без бетономешалок. Синерге-тический импульс в результате потокового интенсивного одновременного и согласованного внесения всех видов энергии совместно с силами Лоренца и Ампера приводит к цепным реакциям и к высокой упорядоченности системы. Бар-ботирование в магнитной пароионной среде диспергирует зерна цемента за счет термо-, фото- и ударной ионизации, о чем свидетельствует пятикратное снижение электросопротивления смеси и высокая прочность бетона. Это позволяет применить групповую опалубку, отказавшись от сооружения бетонорастворных цехов, и организовать высокомеханизированное ресурсосберегающее производство непосредственно на стройплощадке [7, 21].
На основании [2, 3, 28 и др.] цель устройства рабочих тепляков заключается в создании в закрытом помещении равномерных положительных температур воздуха и влажной среды, обеспечивающих нормальное или предусмотренное расчетом развитие процесса твердения бетона.
Выбирая конструкцию тепляка, необходимо, прежде всего, стремиться к минимуму объема обогреваемого пространства. В этом отношении лучше всего небольшие передвижные тепляки над отдельными участками работ. Тепляки устраивают в виде металлического или деревянного сборно-разборного инвентарного каркаса, укрытого брезентом, полимерной пленкой, деревянными щитами, фанерой, с применением в необходимых случаях теплоизоляционных ма 44 териалов, а также палатки больших размеров, надувных конструкций. Ограждения тепляка должны иметь хорошую тепло- и влагоизоляцию. Для повышения влажности воздуха в обогреваемом пространстве, в тепляках помещают сосуды с водой либо бетон периодически смачивают. Внутри тепляков размещают нагревательные приборы: переносные печи, калориферы, иногда трубы, по которым пропускают пар. Для более стабильного процесса набора прочности бетона и упрощения ее определения температура в тепляке, по возможности, должна поддерживаться на одном уровне. Минимально допустимая температура в тепляке +5С, оптимальным считается выдерживание бетона при стандартной температуре +20С. Бетонная смесь перед укладкой должна иметь температуру не ниже +10С. В основном данный метод зимнего бетонирования применяется для массивных конструкций и сооружений (чаще всего в гидротехническом строительстве).
В последнее время на смену традиционным деревянным и металлическим теплякам пришли менее трудоемкие воздухонадувные (пневматические) конструкции (ПК) из пластмассовых пленок, прорезиненных тканей и др. . Для придания оболочке проектной формы, устойчивости и несущей способности ее напрягают внутренним давлением газа.
Термообработку бетона применяют в случаях, когда безобогревные методы выдерживания бетона в зимних условиях не могут обеспечить требуемой прочности в установленные сроки.
Методы термообработки используют для предотвращения замораживания бетона и ускорения его твердения практически при любой температуре наруж 45 ного воздуха. Электротермообработка наиболее эффективна до приобретения бетоном прочности 50-60 % проектной. При дальнейшей обработке интенсивность твердения замедляется, возрастает расход электроэнергии.
Основными характеристиками режимов электротермообработки бетона являются: продолжительность выдерживания бетона, скорость подъема температуры, температура изотермического прогрева, скорость остывания.
Численная аппроксимация математической модели
Значения среднеквадратичной ошибки от замены греющего провода условно плоским нагревателем для температуры на греющем проводе, между греющими проводами, а также для средней температуры по плоскости нагревателя при разных расстояниях между жилами греющего провода представлены в табл. 2.2. Совпадение значений среднеквадратичной ошибки, полученных двумя способами, вполне удовлетворительно. Это показывает применимость в данном случае нормального закона распределения ошибок. Следовательно, для оценки погрешности от замены греющего провода условно плоским нагревателем можно использовать среднеквадратичную ошибку а.
На основании количественного и визуального (приложение, рис. 1-40) анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что допустимые различия между средней температурой в плоскости нагревателя для точечного и условно плоского источников тепла имеют место при расстоянии между проводами от 150 до 500 мм. При этом при расстояниях между проводами более 250 мм температура на проводе при точечном (в разрезе) источнике тепла существенно выше, чем при условно плоском нагревателе, что приводит к необнаружению перегрева в точке. Поэтому для данной погонной мощности греющего провода (35 Вт/м) предельно допустимые расстояния между жилами провода, при которых обеспечивается достаточная достоверность расчета, лежат в интервале 150-250 мм. Аналогичные результаты получены и при расчете прогрева бетона греющей спиралью. Таким образом, так как при осуществлении прогрева рассматриваемой конструкции стены расстояние между жилами греющего провода составляло 210 мм, а греющая спираль располагалась в центре торцевых поверхностей шириной 250 мм (рис. 2.2), то расчетные данные будут соответствовать действительному распределению температуры по бетону конструкции. В соответствии с законом Джоуля-Ленца [6, 21, 88 и др.] в проводнике, при прохождении по нему электрического тока, выделяется тепло Q, Вт-ч, которое определяется по формуле Q = P.T = U2/R. (2.12) где т - время прохождения тока, ч; Р - мощность электрического тока, Вт; R -электрическое сопротивление проводника (греющего провода), Ом; U - напряжение в сети, В.
Общеизвестно, что сопротивление проводника электрическому току, а, следовательно, и количество выделившегося тепла, зависит от температуры проводника (в нашем случае проводником является греющий провод). В общем случае наблюдается достаточно сложная зависимость, но при изменениях температуры в относительно узких пределах (примерно 200С) согласно [2, 88, 89 и др.] ее можно выразить формулой R2 =R,[l + a(e2 -0,)], (2.13) где R] и R2 - электрические сопротивления проводника, Ом, соответственно при температурах 0! и 92, С; а - температурный коэффициент сопротивления, рав 68 ный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на гс,с-\ Зная электрическое сопротивление проводника Ri при температуре 91 и температурный коэффициент сопротивления а можно найти сопротивление при интересующей температуре. В таблицах справочников значения удельного сопротивления проводников р обычно приводятся для температуры 20С [88, 89]. Зная материал проводника, его длину и сечение по формуле (2.14) можно найти сопротивление при температуре 20С R20=p20-L/A, (2.14) где р2о - удельное электрическое сопротивление проводника при температуре 20С, Ом-м; L - длина проводника, м; А - сечение проводника, м . Тогда для определения сопротивления при температуре t приведем формулу (2.13) к следующему виду R,=R20[l + a(t-20)]. (2.15) Изменение сопротивления провода ПТВЖ со стальными жилами сечением 1.2 мм, длиной 1 м и удельным сопротивлением 0.135 мкОм-м, полученное по формуле (2.15), приведено нарис. 2.5, 2.6.
Как видно из представленных графиков, электрическое сопротивление провода при нагреве его от 10 до 60С увеличивается примерно на 30 %. Следовательно, пренебрежение в расчетах изменением электрического сопротивления провода от температуры вызовет снижение выделяемого им тепла, что может привести к недогреву конструкции. В представленной работе при расчетах прогревных методов зимнего бетонирования (прогрев в термоактивной опалубки и греющими проводами) сразу использовалось значение интенсивности теп-ловыделения нагревательных элементов, Вт/м . В реальных условиях изменение интенсивности тепловыделения нагревателей или поддержание на одном уровне при изменяющемся электрическом сопротивлении проводника можно получить путем регулирования напряжения на прогревочном трансформаторе.
Численная аппроксимация математической модели
При отрицательной температуре воздуха 9(т) на сезонномерзлом грунтовом основании бетонируется прямоугольный фундаментный блок толщиной d, длиной L и шириной В (рис. 4.1). Примем начало координат на границе зон теплового влияния по осям X и Y на расстоянии d от поверхности мерзлого основания, т.е. на уровне верха фундаментного блока. Взаимное влияние друг на друга фундаментного блока и мерзлого грунта основания ограничивается глубиной теплового влияния: по оси X - ZVX, по оси Y - ZVY, по оси Z - ZVZ. В качестве геометрических размеров фундаментного блока условно примем следующие: длина L=1780 мм, ширина В=600 мм, высота d=580 мм (типовой фундаментный блок типа ФБС [96]). Так как ширина значительно меньше длины, то, во избежание ошибки в назначении глубин теплового влияния в направлении меньшей стороны, в первом приближении примем величины ZVX и ZVY равными половине длины фундаментного блока, т.е. ZVX=ZVY=L/2«900 мм. Чтобы проследить динамику оттаивания грунта основания во время тепловой обработки фундамента, а так же дальнейшее промерзание после ее окончания, величину зоны теплового влияния по направлению оси Z примем как ZVZ=hM+3d, где hM - глубина промерзания грунта основания, мм. За неимением данных о распределении температуры в грунте, глубина промерзания и характер распределения температур по промерзшему и непромерзшему грунтовому массиву для расчета были приняты следующим образом. Условно назначив глубину промерзания грунта основания hM=200 мм, получим глубину теплового влияния по оси Z равную ZVZ«2000 мм. Распределение температуры по толщине грунта к концу зимы представлено на рис. 4.2. - то же к концу зимы; 6(т) - температура на поверхности грунта (равна температуре воздуха); hM - глубина промерзания грунта (для Новосибирской области максимальная глубина промерзания Ьм=2,2м); Нм -глубина нулевой амплитуды годовых колебаний температуры грунта (для Новосибирской области Нм=14м); t - температура грунта при Z= Нм (для Новосибирской области t =4C).
На основании [97, 98], распределение температуры в мерзлом грунте происходит по линейному закону, а в грунте, лежащем ниже глубины промерзания - по криволинейному (рис. 4.2). Для расчета распределение температуры по всей толщине грунта основания условно примем по линейному закону, как для зоны промерзания, так и для непромерзшего грунта. При этом в мерзлом грунте температура изменяется от температуры окружающего воздуха 9(т) на поверхности до 0С на глубине hM, а в не мерзлом грунте - от 0С на глубине hM до 4С на глубине ZVZ. Это можно считать справедливым допущением, так как глубина промерзания принята 200 мм, что соответствует начальному периоду зимы. Как видно из рис. 4.2, на начальном этапе данного периода температура в немерзлом грунте распределяется практически линейно, следовательно, и кривая температур в нем может быть задана по линейному закону. На основании принятого допущения начальное распределение температуры по толщине грунтового основания при глубине промерзания 200 мм будет выглядеть следующим образом - рис. 4.3.
Фундаментный блок на сезонномерзлом грунтовом основании можно представить в виде сложной термодинамической системы (рис. 4.4). Прямое термическое воздействие окружающей воздушной среды на грунтовое основание учитывается ГУ Ш-го рода на поверхности и ГУ Стефана на границе раздела фаз в направлении вертикальной координатной оси. Тепловое воздействие бетонируемого блока после начала тепловой обработки бетона (-») и по 98 еле ее завершения ( -) учитывается ГУ IV-ro рода (условие теплового примыкания двух твердых тел) и ГУ Стефана.
Для расчета подвижки границы оттаивания -»промерзания грунта во время тепловой обработки фундаментного блока и после ее окончания, можно воспользоваться уравнением теплового равновесия на границах раздела фаз в виде уравнения Стефана [31]. Блок-схема расчета подвижки границы раздела фаз, позволяющая проследить процесс оттаивания грунта во время тепловой обработки бетона и последующий процесс его промерзания, представлена на рис. 4.5. Пояснения к рис. 4.5: tn[i,j,k] - температура на предыдущем шаге по времени, С; tn+1[i,j,k] - температура на текущем шаге по времени, С; Kt[i,j,k] - накопитель положительной температуры, С; Km[i,j,k] - накопитель отрицательной температуры, С; г)(Г), C,(j), v(k) - координаты границы оттаивания; ф(і), a(j), i/(k) - координаты границы промерзания; It - источник тепла температурного типа, эквивалентный интенсивности преобразования теплоты фазовых переходов, равный где є - скрытая теплота фазового перехода, Вт-ч/кг; со - весовая влажность грунта, доли единиц; рск - плотность скелета грунта, кг/м ; С - объемная теплоемкость, Вт-ч/(м-С).
Модуль поверхности рассматриваемого фундаментного блока равен 7.78 м-1. Тогда, основываясь на рекомендациях [2, 10, 21 и др.) примем для расчета данной конструкции методы зимнего бетонирования, как и в предыдущих задачах, а именно:
В отличие от конструкции стены в фундаментном блоке при использовании прогрева в термоактивной опалубке прогрев осуществляется с четырех сторон, защищенных щитами опалубки. А при использовании прогрева с помощью греющих проводов проволочные нагреватели располагаются вдоль всех шести сторон фундаментного блока на глубине 8 в уложенном бетоне.
Коэффициенты теплопередачи поверхности конструкции, используемые в расчетах, для каждого метода зимнего бетонирования приведены в табл. 4.1. Как и для предыдущих задач, условно примем постоянными скорость ветра 2 м/с и температуру окружающей среды -10С.
Похожие диссертации на Энергосберегающая и щадящая технология зимнего бетонирования строительных конструкций
