Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса интенсификации возведения монолитных зданий за счёт термообработки бетона 11
1.1. Анализ существующих методов ускорения твердения бетона 14
1.2. Анализ существующих конструкций термоактивных опалубок 23
1.3. Концепция совершенствования тепловой обработки бетона в монолитном строительстве 36
Выводы 39
2. Разработка и исследование эффективной термоактивной опалубки 40
2.1. Теоретические аспекты разработки термоактивной опалубки 40
2.2. Новые конструктивные решения термоактивной опалубки 50
Выводы 57
3. Разработка принципов автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках 58
3.1. Разработка методов и средств автоматизации процесса тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках 59
3.2. Методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору. Разработка программного обеспечения автоматизированного управления 69
3.3. Разработка аппарата управляющих воздействий на автоматизированную систему термообработки бетона ThermoCon 86
Выводы 90
4. Экспериментальные исследования разработанной системы автоматизированного расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору ThermoCon для монолитного строительства 91
4.1. Математическое моделирование работы автоматизированной системы термообработки бетона в термоактивных опалубках ThermoCon 91
4.2. Экспериментальные исследования методики расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно- временному фактору и эффективности термоактивной опалубки при бетонировании с автоматизированными режимами тепловой обработки бетона монолитных конструкций 97
Выводы 117
5. Оценка эффективности применения автоматизированной технологии тепловой обработки бетона для монолитного строительства 118
Выводы 127
- Анализ существующих конструкций термоактивных опалубок
- Новые конструктивные решения термоактивной опалубки
- Методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору. Разработка программного обеспечения автоматизированного управления
- Экспериментальные исследования методики расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно- временному фактору и эффективности термоактивной опалубки при бетонировании с автоматизированными режимами тепловой обработки бетона монолитных конструкций
Введение к работе
В строительстве многоэтажных жилых зданий в прошлые годы сложились свои стереотипы — это преимущественное использование сборного железобетона. В ближайшие годы, в современных условиях, практически единственная возможность роста объемов жилищного строительства в России может быть достигнута за счёт монолитного строительства. Сегодня очевидно, что в настоящее время альтернативы монолитному строительству нет, как с точки зрения стоимости, так и возможных объёмно-планировочных решений.
Монолитный бетон широко используется в строительстве, и даже в период бурного развития сборного железобетона объемы его ежегодного применения измерялись сотнями миллионов кубометров в год. В перспективе монолитное строительство останется одним из основных направлений.
Монолитное строительство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со сборными конструкциями. Так, затраты на производственную базу монолитного железобетона на 40...45% меньше, на 7...20% сокращается расход металла. По сравнению с кирпичными зданиями затраты труда на 25...30% меньше, а продолжительность строительства сокращается на 10% [83]. Монолитный бетон удобен ещё и тем, что из него можно возводить конструкции любой конфигурации с широким спектром архитектурно-планировочных решений. Здания из монолитного бетона более надёжны и долговечны при сейсмических и других неблагоприятных природных воздействиях [81].
В связи с этим и, учитывая тенденции, свидетельствующие о дальнейшем увеличении области применения монолитного бетона и железобетона как наиболее массового конструкционного материала, отвечающего современным требованиям и критериям перспективности технических и технологических решений, особую актуальность приобретает интенсификация технологических процессов монолитного строительства, способствующая сокращению сроков возведения объектов [16, 66].
Решение задач интенсификации процессов [10] непосредственно связано с созданием способов и технических средств нового поколения, принципиально отличающихся от традиционно применяемых и изменяющих технологию, обеспечивающих надежность и эффективность, ресурсосбережение и сокращение затрат при бетонировании [86].
Эффективность монолитного строительства во многом определяется применяемой технологией возведения несущих конструкций из монолитного бетона и методами ускорения его твердения [9, 26].
Существующие технологии монолитного строительства определяются, прежде всего, типом применяемой опалубки [8, 110].
Различают:
- технологии, базирующиеся на разборно-переставных опалубках - мелко и крупнощитовых;
- технологии, базирующиеся на блочных опалубках;
- технологии, базирующиеся на объемно- переставных опалубках;
- технологии, базирующиеся на скользящих опалубках.
Большинство применяемых в России технологий монолитного строительства, имеют один существенный недостаток, сдерживающий их развитие и внедрение, это большая трудоёмкость производства работ в расчёте на 1 м общей площади монолитного здания и наличие тяжёлого ручного труда. В результате возрастает стоимость монолитного строительства, неоправданно увеличиваются сроки возведения зданий (сооружений).
Снижение себестоимости, рост темпов и объёмов монолитного строительства невозможны без снижения трудоёмкости производства работ, повышения качества, улучшения условий труда и повышения его производительности. Это возможно за счёт широкого применения средств комплексной механизации, автоматизации и роботизации [82].
Неоспоримым преимуществом технологии монолитного строительства по сравнению с другими технологиями (полносборной, кирпичной и др.) является наибольшая предрасположенность её для комплексной механизации и автоматизации [53].
Предпосылками возможности успешной автоматизации монолитного строительства, в частности домостроения, является появление современных высокомеханизированных опалубочных систем, которые являются ведущим звеном комплексного технологического процесса, обеспечивающим его регулярность и непрерывность [123].
Перспективным направлением совершенствования строительства из монолитного железобетона является внедрение эффективной автоматизированной (малолюдной) технологии, теоретические аспекты которой заложены профессором Нижегородского архитектурно-строительного университета [А.Ф. Мацкевичем [81, 82].
Эффективная автоматизированная технология монолитного строительства является технологией нового поколения и позволяет коренным образом пересмотреть производственно-технологические подходы к возведению многоэтажных зданий различного назначения.
Эффективная автоматизированная технология базируется на применении специальных бетонирующих комплексов «Вертикаль-ЗМ», «Вертикаль-ЗМ Pro» [62], построенных на принципах гибких, относительно легко переналаживающихся технологических систем с высоким уровнем взаимозаменяемости [83].
Одним из самых сложных вопросов интенсификации процессов возведения монолитных зданий и сооружений — выбор оптимального метода ускорения твердения бетона. Суровые климатические условия и большая продолжительность зимнего периода в России являются основной причиной повышения в 2...3 раза стоимости, роста трудоёмкости, материало- и энергоёмкости, увеличения сроков строительства, снижения производительности труда, увеличения потребности в трудовых ресурсах. Поэтому важен выбор оптимальных методов бетонирования, которые позволили бы ускорить твердение бетона, как в зимних, так и в летних условиях. Интенсификация набора прочности бетоном может быть осуществлена различными методами: термообработка; водоподготовка и активация жидкости затворения цементных и бетонных композиций; активация цемента и твердеющей системы; вибротермическая обработка; применение пластификаторов и химических добавок и т.д. [8, 53, 64].
Выбор наиболее эффективного и целесообразного в конкретных условиях при критическом рассмотрении метода ускорения твердения бетона является достаточно сложной проблемой. Каждый из этих методов может быть технологически рациональным и экономически выгодным только для конкретных условий, так как при незначительном изменении исходных материалов или внешних воздействий затраты перераспределяются и целесообразность метода становится сомнительной.
Целью работы является развитие, повышение эффективности и технологической надёжности монолитного строительства путём разработки новых способов интенсификации технологических процессов с применением термоактивных опалубок, методов и средств автоматизации процессов тепловой обработки бетона.
Научная новизна работы.
- разработана и исследована новая автоматизированная технология тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках в условиях переменных внешних факторов открытой строительной площадки;
- разработаны методы и средства автоматизации процесса тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках для монолитного строительства;
- определены, экспериментально и теоретически обоснованы оптимальные параметры обогрева бетона в термоактивных опалубках с использованием автоматизированной технологии тепловой обработки бетона;
- разработана методика для определения прочности бетона по температурно- временному фактору при автоматизированном управлении процессом тепловой обработки в термоактивной опалубке;
- выполнен системный анализ существующих термоактивных опалубок, позволивший сформулировать требования для конструирования и трансформирования существующих опалубочных систем в термоактивные для использования в автоматизированной технологии тепловой обработки бетона;
синтезированы алгоритмы программного функционирования технологического процесса обогрева бетона в термоактивных опалубках. На защиту выносятся:
- теоретические положения по интенсификации технологических процессов монолитного строительства с развитием метода тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках;
- принципы построения систем автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках для монолитного строительства;
- методика определения оптимальных технологических параметров обогрева бетона в термоактивных опалубках с использованием средств автоматизации процесса тепловой обработки, разработанная на основании выполненных экспериментальных исследований;
- методика расчёта и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору при автоматизированном обогреве в термоактивной опалубке.
Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии монолитного строительства путём создания системы автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках, которая позволяет снизить трудоёмкость производства бетонных работ, повысить качество строительства, улучшить условия труда и повысить его производительность, сократить сроки строительства и уменьшить себестоимость производства работ. На базе полученных решений разработан комплекс прикладных программ для расчёта, управления и контроля технологических параметров обогрева бетона в термоактивных опалубках с использованием современных систем управления и ЭВМ. В 2002-2004 г.г. работа выполнялась в рамках госбюджетной программы Министерства образования РФ на проведение научных исследований по тематическому плану НИР (шифр 1.3.02) и Гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук (шифр ТО 2-12.4-578).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно- технических конференциях, научно-практических семинарах, сессиях молодых учёных: на 12-ом Российско-Польском семинаре «Теоретические основы строительства» (ННГАСУ, Н.Новгород, 2003г.); МНТК «Итоги строительной науки» (ВГУ, Владимир, 2003г.); на 8-ой и 9-ой Нижегородской сессии молодых ученых «Теоретические науки» (г. Дзержинск); НТК «Архитектура и строительство» (ННГАСУ, Н.Новгород, 2004г.); на II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (БГТУ, Белгород, 2004); на МНПК «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (МарГТУ, Йошкар-Ола, 2004); на III МНПК «Динамика научных достижений 2004» (Днепропетровск, Украина, 2004); на IV ВНПК «Инновации в машиностроении» (ПГАСУ, Пенза, 2004).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах.
Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка источников и приложений.
Общий объём работы составляет 149 страниц, в том числе 24 иллюстрации в виде схем, графиков и фотографий, 23 таблицы, библиографический список, включающий 144 наименования.
Анализ существующих конструкций термоактивных опалубок
Впервые широкое промышленное применение нашла термоактивная опалубка конструкции ВНИИТеплопроект, использовавшаяся для обогрева стенок железобетонных градирен [119]. Щиты каркасной конструкции были утеплены шлаковойлочными матами толщиной 30 мм. Нагревателем являлась нихромовая проволока сечением 0,2...0,5 мм2, навитая с шагом 15...20 мм на сердечник из асбестоцементного листа (рис. 1.2.1). Диэлектрическая изоляция выполнена из слоев асбестокартона, приклеенного с тыльной стороны сердечника на жидком стекле. Концы нихромовой проволоки подходят к медным или латунным болтам, закрепленным на сердечнике. Эта болты являлись контактами для подключения коммутирующей разводки. Размер стандартных щитов составлял 1000x600 мм, удельная мощность нагревателей при напряжении 60 В принималась обычно 600...800 Вт/м [119].
Подобная конструкция нагревателя была применена и на первых моделях термоактивной разборно-переставной опалубки ЦНИИОМТП. Сама опалубка была разработана и применена для обогрева элементов каркаса здания СЭВ в г. Москве.
Недостатком нагревателей, описанных выше, является то, что они подвержены интенсивному окислению. Значительные температурные перепады способствуют быстрому воздухообмену и притоку кислорода. Резко снижается срок работы нагревателей при периодическом остывании или снижении температуры до 30...35% от максимальной. Объясняется это быстрым разрушением окислов, коэффициент температурного расширения которых ниже, чем у металла, а хрупкость выше.
На строительстве Волжского и Камского автомобильных заводов нашла широкое применение термоактивная опалубка конструкции Агеенкова А.Д., Топчия В.Д. и Шишкина В.В., в которой в качестве нагревателя использовался кабель КСОП площадью сечения 16 мм [119]. Нагревательная жила кабеля из константанового сплава имела изоляцию из стеклоткани, пропитанной глифталевым лаком. Наружная броневая оболочка выполнялась из свинца. Нагревательный кабель рассчитан на длительный температурный режим в интервале 150...180С и допускал кратковременное повышение температуры до 200С. Благодаря высокой удобоукладываемости кабеля появилась возможность распределить его на щите таким образом, чтобы ликвидировать мостики холода у ребер, обеспечить равномерное температурное поле на палубе. Кабель КСОП относится к низкотемпературным нагревателям и поэтому изменение единичной мощности щитов различной площади не может быть достигнуто за счёт повышения погонной нагрузки, так как это неизбежно вызывает и повышение температуры нагревателя. Было предложено комбинировать способы включения щитов последовательно и параллельно и тем самым добиваться равномерной нагрузки. Отклонения в омическом сопротивлении нагревателей в пределах ±7% не сказывались на изменении температуры в недопустимых пределах. Сложнее регулировать температурный режим при обогреве, если условия эксплуатации опалубки резко отличаются, например часть опалубки защищена от ветра, а другая часть обдувается.
В 1967...1969 гг. получила распространение «теплая» деревянная, а затем и металлическая опалубка. Многие строительные тресты, расширяя область применения термоса при бетонировании конструкций средней массивности и используя метод предварительного разогрева смеси при бетонировании тонкостенных конструкций, стали применять опалубку, защищенную эффективными утеплителями. Для форсирования режимов выдержки бетона и ликвидации тепловых потерь в утепленные щиты стали закладывать низкотемпературные нагреватели малой мощности (от 100 до 200 Вт/м ). Таким образом, появилась конструкция опалубочного щита, являющаяся переходной между термоактивной и утепленной. В качестве нагревателей успешно применялись разработанные Научно-исследовательским институтом кабельной промышленности провода марок ПОСХВ и ПОСХП.
Удельные мощности нагревателей рассчитаны исходя из задачи компенсирования тепловых потерь, возникающих при температурных перепадах в пределах 60...65С, тем самым максимальная температура нагревателей всегда оказывается ниже предельно допустимой.
За семидесятые годы прошлого столетия научно-исследовательскими организациями и конструкторскими бюро разработано и внедрено около двух десятков различных конструкций низкотемпературных нагревателей. Большинство из них представляют собой плоские элементы — вкладыши, имеющие клеммы для последовательного или параллельного соединения между собой в щитах. Их технологическим преимуществом является высокая степень однородности температурного поля и возможность быстрой замены при ремонте.
В большинстве конструкций термовкладышей используются линейные проводники круглого или плоского сечения, запрессовываемые между двумя листами диэлектрика с относительно высокой теплопроводностью. Изоляция проводника от внешней атмосферы обеспечивает длительный срок эксплуатации нагревателя, но ремонтировать его при прогаре практически невозможно, это является недостатком термовкладышей.
По техническому заданию ЦНИИОМТП Всесоюзным научно-исследовательским институтом электротехнических изделий был разработан плоский термовкладыш, состоящий из нескольких слоев стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом, между которыми запрессован токопроводящий шнур. Шаг размещения шнура выбран таким образом, чтобы создать по краям нагревателя мощность на 15...20% выше средней. Межведомственные испытания показали, что такие нагреватели могут длительное время работать при температурах до 60С при удельных мощностях до 600 Вт/м2 [119]. Нагреватели широко использовались для оборудования стальной термоактивной опалубки конструкции ЦНИИОМТП, применявшейся на строительстве чугунолитейного производства Камского автомобильного завода. Этим же институтом разработаны конструкции нагревателей со сплошным токопроводящим слоем на основе графитовых составов, но они не получили распространения из-за сложного конструктивного решения подвода электроэнергии к токопроводящему слою. Обычно для этих целей использовались шины из медной или алюминиевой фольги. Но при больших размерах нагревателей падение напряжения в шинопроводах и неодинаковый контакт токопроводящего слоя и шинопровода приводили к большому разбросу температур на поверхности термовкладышей. В ЦНИИОМТП совместно с Химико-технологическим институтом им. Менделеева в восьмидесятые года были разработаны нагреватели с широколенточными токопроводящими слоями. Такое конструктивное решение позволило упростить подвод электроэнергии и уменьшить неравномерность температурных полей [119]. ОАО «Курский завод резинотехнических изделий Курскрезинотехника» выпускает токопроводящую резину, которая является отличным низкотемпературным нагревателем для опалубки, в том числе криволинейной. Эти нагреватели при мощностях до 400 Вт/м обладают, наиболее равномерными температурными полями и весьма высоким ресурсам работы — около 10000 ч при температурах до 60С.
Удачная конструкция нагревателей для стальной термоактивной и фанерной или деревянной греющей опалубки разработана в НИИЖБ Б.А.Крыловым и А.Н.Пижовым. Проводником является тканая металлическая сетка, изолированная от стальной палубы асбестовым картоном, а со стороны утеплителя — одним или двумя полотнами стеклорогожи. Полосы из сетки шириной 150...250 мм укладывают с шагом 100... 150 мм и в зависимости от размеров опалубочного щита соединяют между собой параллельно или последовательно. Поперечные нити проволоки служат распределителями тока, а продольные - элементами сопротивления. В 1972... 1973 гг. в ЦНИИОМТП А.Д.Агеенковым и В.В.Шишкиным с участием В.Д.Топчего были разработаны и испытаны несколько технологичных в изготовлении и надежных в эксплуатации конструкций низкотемпературных плоских нагревателей с удельной мощностью до 1200 Вт/м [119]. В качестве проводников использовались металлические жилы (нихромовая, константановая и стальная проволока). Принципиальным отличием от ранее применяемых, являются изолятор и технология его нанесения.
Новые конструктивные решения термоактивной опалубки
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований и производственного опыта применения различных опалубок и опалубочных систем для монолитного строительства позволил сформулировать основные принципы трансформации существующих опалубок и опалубочных систем и методы переоборудования их в термоактивные [61].
Рассмотрены различные типы существующих опалубок и опалубочных систем: разборно-переставная (крупнощитовая, мелкощитовая), блочная, объёмно-переставная, скользящая, самоподъёмные опалубки шагающего типа. Крупнощитовые опалубки. Крупнощитовые опалубки с металлической палубой, предназначенные для выполнения наружных и внутренних стен при монолитном строительства состоят из металлического каркаса и палубы из стального листа толщиной 4...6 мм. Переоборудование таких опалубочных щитов в термоактивные осуществляется путём крепления термоактивных элементов на внутреннюю поверхность палубы с учётом того, что система греющих элементов может допускать образование отверстий или других элементов для крепления.
При размещении греющих элементов на внутренней поверхности необходимо обеспечить прочное механическое крепление и надёжную изоляцию, при этом размеры нагревательных элементов должны быть кратны размерам щитов опалубки.
Обязательным условием является теплоизоляция поверхности щита, оборудованного нагревателями. Расчёт теплоизоляции производится на максимально низкую возможную температуру наружного воздуха. При этом теплопотери в атмосферу не должны превышать 10% от удельной мощности термоактивной опалубки. По данным расчётов, подтвержденных практикой, это достигается при использовании эффективного утеплителя с теплопроводностью А,=0,004...0,003 Вт/м2-С, и при толщине 50...100 мм [86].
Для теплоизоляции целесообразно использовать технологичный плитный утеплитель с достаточно высокими механическими свойствами, например: пенополистирол, минераловатные жесткие или полужесткие плиты. Для обеспечения эксплуатационной надежности поверхность утеплителя защищается кожухом из металла, пластика или водостойкой фанеры.
В зависимости от геометрических размеров опалубочных щитов на их поверхности раскладываются термоактивные элементы, устраиваются отверстия для коммутации и производится механическое крепление элементов. При этом сохраняются технологические элементы для крепления подкосов, тяжей, замковых соединений и мест установки подмостей для производства бетонных работ.
Зарубежные опалубки. В качестве примера можно представить опалубочные системы зарубежных фирм: «ALUMA SYSTEMS» (Канада) и «PASCHAL» (Германия), которые, несмотря на высокую технологичность, не обеспечивают достаточной надежности при возведении монолитных конструкций с использованием кондуктивных методов ускорения твердения бетона, как в условиях положительных, так и пониженных, отрицательных температур наружного воздуха. Оснащение их греющими системами с одновременной теплоизоляцией позволяют перевести зарубежные опалубки в качественно новое состояние, обеспечивающее интенсификацию, круглогодичность и всесезонность производства работ.
Применение нагревателей, устанавливаемых в опалубку обеспечивает повышение технологичности опалубочных систем и изменение функционального назначения за счёт создания возможности круглогодичного применения при возведении монолитных конструкций, как при положительной, так и при отрицательной температуре наружного воздуха с интенсификацией технологических процессов и сокращением цикла термообработки бетона и набора распалубочной и проектной прочности, увеличением оборачиваемости комплектов опалубочных систем.
Конструктивно-технологические решения, разработанные и реализованные в практике строительства по переоборудованию существующих опалубок в термоактивные, позволяют обеспечить энергоэффективность производства работ вне зависимости от уровня колебаний параметров окружающей среды, повышают технический и технологический уровень монолитного строительства.
Греющая опалубка на базе стальной крупнопанельной опалубки. Выбор типа нагревательных элементов Известные решения термоактивной опалубки предусматривают использование нагревательных элементов трёх видов — линейных, ленточных и плоских нагревателей. С точки зрения равномерности нагрева палубы щитов, ленточные нагреватели (сетчатые, из углеродной ткани) и плоские (например, графитопластиковые) - предпочтительнее линейных. Оценивая возможность использования в качестве нагревательных элементов для стальной крупнопанельной опалубки, например, гибких нагревателей из ткани УУТ-2 [106], следует принять во внимание конструкцию опалубки, которая переоборудуется в термоактивную.
Важным признаком, отличительной особенностью применяемых опалубок является «монолитность» утеплителя. Конструкция: стальной щит опалубки - тепловая изоляция из пенополиуретана является неразъемной. Местное механическое нарушение теплоизоляционного слоя в первоначальном виде невосстановимо. Размещение ленточных нагревателей между ребрами опалубки с последующим нанесением пенополиуретана приведет к недоступности нагревателей, отсутствию возможности визуального контроля за их состоянием и их замены в случае выхода из строя.
Технологичным решением представляется следующее: размещение нагревательных устройств, как между элементами каркаса опалубки, так и в ребрах, что определяет преимущество выбора линейных нагревателей; использование эффективного утеплителя NOBASIL LSP или его аналога, с отражающим слоем из алюминиевой фольги; окраска палубы, внутренних поверхностей составами низкой отражательной способности.
При этом достигается: возможность увеличить расстояние между линейными нагревателями в сравнении с рекомендуемым [119]; отражающий слой утеплителя из алюминиевой фольги обеспечивает дополнительные теплосберегающие свойства материалу; отражающий слой утеплителя из алюминиевой фольги обеспечивает рассеивание лучистой энергии, испускаемой нагревателем на периферийные участки палубы, и совместно с эффектом окраски тыльной стороны щита составами высокой степени черноты обеспечивает равномерность температурных полей; возможность замены вышедшего из строя нагревателя; возможность использования опалубки в качестве универсальной без демонтажа нагревательной системы.
Методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору. Разработка программного обеспечения автоматизированного управления
Температурный контроль обогрева монолитных железобетонных конструкций является наиболее доступным средством управления выдерживанием бетона в термоактивной опалубке. Обязательность его выполнения определена существующими строительными нормами и правилами.
Температурный контроль - трудоёмкий процесс, это связано с большим числом измерений температур. При времени отдельного измерения переносным датчиком 2...3 минуты в 20...30 контрольных точках термометрист должен работать почти непрерывно круглые сутки. Также при ручном сборе данных невозможно точно и быстро оценить результаты измерений температур и обоснованно принять решение по дальнейшему управлению тепловой обработкой монолитной конструкции [72].
В процессе термообработки главным требованием является выдерживание заданного температурного режима обогрева бетона. Отклонения фактического режима от заданного при ручном регулировании неизбежны, что неизбежно скажется на качественных показателях обогретого бетона, приведёт к увеличению продолжительности обогрева, к росту расхода электроэнергии и стоимости возведения монолитных конструкций [126].
Управление процессом обогрева в термоактивной опалубке с использованием системы автоматизированного управления термообработкой бетона в термоактивных опалубках можно осуществлять при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК) PCD1 и разработанного программного средства ThermoCon, по системе распределённого прямого цифрового управления (Distributed Direct Digital Control) [103]. Стержнем расчётного алгоритма программы ThermoCon является разработанная методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона, в основе которой лежит адаптированная для монолитного строительства в условиях резко-переменных внешних факторов методика Г.Д. Вишневецкого [97].
Методика Г.Д. Вишневецкого базируется на общем законе С.А. Аррениуса описывающего кинетику гетерогенных процессов и заключается в определении относительного возраста бетона, изменяющегося от 0 до 1,0.
Относительный возраст бетона в базовой методике, разработанной для условий термообработки в заводских камерах с постоянной температурой, определяется по формуле где т — возраст бетона, исчисляемый с момента начала роста прочности; Ттах - продолжительность роста прочности при температуре обогрева; Tmax — продолжительность роста прочности при нормальной температуре; t — температура обогрева бетона конструкции.
Разработанная методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору приводится в описании программы ThermoConl.l [60].
Программное обеспечение разработано в среде визуального моделирования Delphi, для ЭВМ типа IBM PC AT, и выполняется под управлением наиболее распространённых в России операционных систем Windows 98/Ме/2000/ХР.
Программа ThermoCon 1.1 имеет следующие режимы работы: определение получаемой (прогнозируемой) прочности бетона при термообработке в греющих опалубках; определение оптимального режима термообработки; управление и контроль за термообработкой бетона в термоактивных опалубках.
Программа обеспечивает высокую оперативность и хорошее качество оформления документации температурного контроля. Информация о ходе термообработки в термоактивной опалубке протоколируется в электронном виде, с компьютерным анализом достигнутых прочностей в ходе термообработки, температуры бетона при выдерживании в термоопалубке, максимальных скоростей нагрева и остывания бетона конструкции, максимального температурного перепада. Точность расчётного определения прочности бетона при использовании программы ThermoCon 1.1 по результатам выполненных испытаний находится в пределах разброса прессовых испытаний образцов-кубов [60].
Информация о ходе термообработки сохраняется на жёстком диске и может быть дополнена и распечатана в любой момент времени. Программа позволяет преобразовать табличные данные в более наглядную форму графиков изменения температуры — прочности бетона, использование которых упрощает анализ процессов обогрева и выдерживания.
В основу программы ThermoCon положена разработанная инженерная методика расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору [60].
Программа ThermoCon предназначена для облегчения расчёта, управления и контроля при термообработке монолитных бетонных конструкций в термоактивной опалубке в условиях открытой строительной площадки. Описание инженерной методики расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно-временному фактору приведено в описании работы программы ThermoCon и состоит из следующих этапов. Этап 1. Запрос информации об обрабатываемой монолитной конструкции На первом этапе, программа выводит запрос о вводе начальных параметров, необходимых для расчёта режима термообработки бетона: 1. Тип бетонируемой конструкции: стена, перекрытие; 2. Координационные оси конструкции; 3. Высота обрабатываемой конструкции, Н, м.; 4. Ширина обрабатываемой конструкции, В, м.; 5. Толщина обрабатываемой конструкции, 5, м.; 6. Класс используемого бетона по прочности на сжатие: 7. Вид используемого цемента: портландцемент, шлакопортландцемент; 8. Марка цемента: М200; М300; М400; М500; 9. Вид химической добавки: лигнопан-Б2, МБ10-01; 10. Содержание химической добавки, % от массы цемента. После первого этапа запрашивается подтверждение введённых данных, и программа автоматически вычисляет модуль поверхности конструкции Мп (по
Экспериментальные исследования методики расчёта, контроля и прогноза прочности бетона по температурно- временному фактору и эффективности термоактивной опалубки при бетонировании с автоматизированными режимами тепловой обработки бетона монолитных конструкций
Основная цель экспериментальных исследований — оценка эффективности разработанной термоактивной опалубки для монолитного строительства при бетонировании с управляемыми режимами тепловой обработки бетона с использованием системы ThermoCon в реальных условиях с изменяющимися параметрами окружающей среды на монолитных конструкциях с получением достоверных результатов [73, 121].
В основу экспериментальных исследований положен принцип адекватности условий проведения экспериментов производственным условиям Для оценки технологической эффективности разработанной термоактивной опалубки при выполнении экспериментальных конструкций программа планирования и проведения экспериментов предполагала проведение на основе разработанных методик комплекса исследований по регистрации во времени: параметров формируемых тепловых полей по плоскости и сечениям элементов с интервалом 2 минуты; скорости разогрева бетона при изменяемой удельной мощности нагревателей и различной начальной температуре бетона с интервалом 5 минут; параметров динамики набора прочности бетоном с начала укладки бетонной смеси до получения необходимой прочности с интервалом 1 час. Задачи, методика и программа планирования и проведения экспериментов
Задачи экспериментальных исследований: исследовать и оценить в условиях моделирования открытой строительной площадки при воздействии случайных факторов окружающей среды однородность тепловых полей, скорость разогрева, режимы термообработки и остывания бетона, характер динамики набора прочности бетоном; уточнить систему прогнозирования динамики набора прочности бетоном ThermoCon в зависимости от характера режимов теплового воздействия и однородности формирования температурных полей, а также влияния внешних факторов на основе регистрации параметров температурных полей, механических и неразрушающих испытаний образцов и статистической обработки полученных экспериментальным путём данных; провести оценку управляемых режимов термообработки и остывания бетона с использованием различных технологических режимов теплового воздействия.
Для решения поставленных задач выполнен комплекс экспериментальных исследований по оценке эффективности режимов термообработки бетона при помощи разработанной системы ThermoCon и определению однородности тепловых полей на палубе разработанной термоактивной опалубки [2], который базировался на целевой программе планирования и проведения экспериментов и специальных методиках с применением аппаратуры дистанционного контроля параметров тепловых полей, а также с проведением испытаний контрольных образцов [73].
Комплекс исследований включал планирование и проведение экспериментов в следующих направлениях: оценка входных параметров бетонной смеси; интенсивность укладки и уплотнения бетонной смеси; контроль соблюдения расчётных энергетических параметров термоактивной опалубки; контроль соблюдения расчётных режимов термообработки бетона в термоактивной опалубке и их оценка; регистрация изменяющихся наружных температурных воздействий и параметров окружающей среды; оценка градиентов температурных полей и их однородности по плоскости и толщине бетонируемых конструкций [23]; неразрушающие и разрушающие методы оценки динамики набора прочности бетоном; разработка и формирование комплекта аппаратуры для регистрации параметров тепловых полей; разработка и формирование комплекта аппаратуры дистанционного управления процессами термообработки бетона [21].
Методика и программа экспериментальных исследований Исследования однородности тепловых полей и их оценка при проведении экспериментальных исследований базировалась на методике, основанной на принципе прямых измерений. Реализация этого принципа с использованием современной контрольно-измерительной и регистрационной аппаратуры позволила получить в экспериментах на проектных конструкциях и их фрагментах достоверные результаты однородности тепловых полей на палубе щита и в бетоне конструкций, выполняемых с применением разработанной термоактивной опалубки под управлением системы ThermoCon.
Для получения реальной картины распределения температурных полей [11] по поверхности щита использовался портативный тепловизор ИРТИС-2000. Для контроля и регистрации распределения температурных полей, при твердении бетона конструкций, методика предусматривает применение комплекта контрольно-измерительной аппаратуры: тепловизор, теплорегуляторы, термопары, термометры и регистрирующая аппаратура.
В качестве контролирующих приборов и регистрирующих датчиков температуры бетона применены: многоканальный программируемый логический контроллер PCD1, портативные цифровые измерители температуры ТЕМП-3.01, платинородиевые термопары типа ТПП 13 [3]. До начала экспериментов проводилось тарирование каждого из датчиков, что позволило после соответствующей обработки получить реальные характеристики процесса.
Исследования прочностных характеристик бетона и оценка их динамики при проведении экспериментов с применением разработанной системы автоматизированного управления термообработкой бетона ThermoCon базировались на методике, основанной на принципах адекватности условий твердения бетона контрольных образцов и основной конструкции, прямых и дублирующих испытаний. Метод прямых испытаний - неразрушающий, осуществлялся на основе применения ультразвукового прибора УК-14П [129]и с помощью склерометра Шмидта тип N[130,131].
Дублирующими являлись испытания контрольных образцов-кубов извлекаемых по специальной методике из тела бетона конструкции (форма О.Е. Сенникова) разрушающим методом [127, 138].
Экспериментальные исследования На основе разработанных методик проведён комплекс экспериментальных исследований тепловой обработки бетона в разработанной термоактивной опалубке с использованием автоматической системы ThermoCon, представленных в аналитических исследованиях. В результате аналитических исследований сформированы метод определения температурно-временных параметров термообработки в термоактивной опалубке и наиболее рациональные режимы термообработки бетона, которые были приняты в экспериментальных исследованиях.
Для оценки распределения температурных полей на поверхности разработанной термоактивной опалубки выполнен комплекс измерений направленный на получение термограмм распределения тепловых полей [11]. Термограммы разработанной термоактивной опалубки получены с помощью портативного тепловизора ИРТИС - 2000. Исследования проводились при температуре воздуха 17,2 С.
Полученные термограммы приведены на рис. 4.2.1. Отсутствие резких контрастных цветов на термограмме свидетельствует об однородности теплового поля термоактивной опалубки [2, 11]. Максимальный перепад
