Введение к работе
Актуальность проблемы. После 1995 г в сфере строительства транспортных коммуникаций в стране произошел переход на массовое использование монолитного железобетона, когда требуемые объемы транспортного строительства стали приоритетными в программах возрождения отечественной экономики и потребовали разработки новых технических решений
Первоначальный опыт реконструкции МКАД, где широко стал использоваться монолитный бетон, показал, что при насыщенности рынка разнообразными модификаторами бетона и современной высокопроизводительной техникой по приготовлению и транспортировке бетонных смесей в процессе возведения конструкций в них возникали различные дефекты и трещины, и происходило интенсивное разрушение элементов сооружений уже в первые годы их эксплуатации
Комплексный анализ ситуации показал, что особенности железобетонных транспортных сооружений, характеризуемые сегодня сочетанием значительно возросших статических и динамических нагрузок от транспортных средств и высокими требованиями к долговечности и надежности мостовых, эстакадных и тоннельных переходов в условиях контакта бетона в холодный период с химическими противо-облединительными реагентами, приводят к необходимости создания специальной научно-методической, нормативно-технической и нормативно-правовой базы принятия решений при проектировании и строительстве транспортных сооружений При этом для обеспечения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости железобетонных конструкций транспортного назначения требуется качественно новый комплексный подход к учету целой гаммы термодинамических и теплофизических процессов, сопровождающих твердение бетона и влияющих на формирование отмеченных функциональных потребительских свойств
Всесторонний учет теплофизических процессов потребовал одновременно с определением их влияния на формирование функциональных потребительских свойств железобетонного сооружения выделить новое направление потребительских свойств - технологических, также зависящих от теплофизических процессов и призванных обеспечить технологичность и экономичность строительного производства
Необходимость существенного расширения круга учитываемых потребительских свойств возводимых конструкций транспортных сооружений, на формирование которых оказывают влияние теплофизические процессы, предопределила актуальность темы диссертационной работы и обозначила ее важной технической и хозяйственной проблемой, решение которой позволило существенно повысить надежность и долговечность сооружений, а также технологичность их строительства с обеспечением эффективности функционирования подрядных организаций и их конкурентной устойчивости
Рабочая гипотеза. Основываясь на достижениях фундаментальных наук в технологии бетона, современных представлениях о процессах гидратации цемента и формировании свойств цементного камня с учетом развития температурных напряжений в процессе возведения монолитных и сборно-монолитных сооружений, разработав структурно-иерархическую термодинамическую систему строительства железобетонных транспортных сооружений и на основе методологии системного подхода установив закономерности термодинамических и теплофизических процессов на всех стадиях жизненного цикла создания сооружения от проектирования до эксплуатации, возможна разработка системы формирования потребительских свойств сооружения, гарантирующей его долговечность и технологичность возведения
Цель работы - разработка элементов теории, методов расчета и научно-обоснованных комплексных технических решений, обеспечивающих стабильную, долговечную работу конструкций из монолитного и сборно-монолитного железобетона на основе системного подхода к учету процессов внутреннего и внешнего тепломассообмена в твердеющем бетоне при формировании заданных потребительских свойств транспортных сооружений в период их проектирования, строительства и эксплуатации
Предмет защиты - установленные закономерности влияния теплофизических процессов на формирование потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона и методы их учета при строительстве, включающие
• структурно-иерархическую схему термодинамической системы возводимого транспортного сооружения, учитывающую этапы проектирования, разработки проекта производства работ и возведения конструкций с установленными закономерностями взаимосвязи сопровождающих эти этапы технологических, физико-механических, термодинамических и тепломассообменных процессов, и многоуровневую систему формирования потребительских свойств сооружения, гарантирующую его долговечность и рациональность возведения,
• методологическое обеспечение и приборное оборудование, гарантирующие надежность и достоверность результатов проводимых исследований при изучении параметров твердеющего бетона в условиях нестационарности тепломассообменных процессов и неритмичности технологического процесса,
• методологию системного подхода в изучении влияния реальных теплофизических процессов на качество возводимых сооружений, основанную на поэтапном определении условий взаимодействия активных составляющих бетонной смеси, условий формирования структуры цементного камня, условий формирования свойств бетона в конструктивном элементе или узле конструкции и условий формирования потребительских свойств конструкции в целом,
• принципы управления формированием функциональных потребительских свойств бетона как материала и возводимых элементов конструкции, зависящих от воздействия температурного и влажностного факторов при различных способах укладки бетонной смеси, включая вынужденные перерывы в бетонировании и пути снижения максимального уровня разогрева бетона, в том числе на основании установленных кинетических и количественных закономерностей проявления теплоты гидратации цемента при модификации бетонных смесей различными комплексами,
• установленные условия формирования собственного термонапряженного состояния бетона и особенности его влияния на трещиностойкость конструкций транспортных сооружений в период их возведения при использовании бетонов с высоким классом по прочности и при наличии разномассивных элементов, бетонируемых за один прием,
• установленные пространственно-временные соотношения и зависимости температурных перепадов в конструкции от начальных температурных условий при поэтапном возведении сооружений с защемлением бетонируемых блоков и созданные на их основе теплотехнические и термодинамические способы перераспределения внутренних тепловых потоков, обеспечивающие однородность температурных и физико-механических характеристик бетона по объему конструкции и бездефектное бетонирование крупноразмерными захватками,
• принципы многоуровневой системы формирования потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона, способы ее реализации и систему мониторинга обеспечения потребительских свойств
Научная новизна работы состоит в установлении закономерностей влияния термодинамических и теплофизических процессов на формирование функциональных и технологических потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона и методов их учета на иерархически взаимосвязанных стадиях создания транспортного объекта, позволивших разработать новые технологические приемы, исключающие нарушение сплошности и обеспечивающие трещиностойкость и долговечность материала, конструктивных элементов и узлов конструкции, а также сооружения в целом
Новыми научными результатами являются
- разработанная структурно-иерархическая схема термодинамической системы строительства транспортных сооружений, отражающая во времени формирование потребительских свойств конструкций на стадии их проектирования, возведения и эксплуатации с учетом взаимосвязи технологических этапов, тепломассообменных процессов в твердеющем бетоне и теплового взаимодействия поэтапно бетонируемых конструктивных элементов, и созданная многоуровневая система формирования потребительских свойств сооружения, гарантирующая его долговечность и рациональность возведения,
- научно обоснованные требования к установкам для экспериментального изучения теплофизических и термодинамических характеристик твердеющего бетона, разработанная на основе этих требований автоматизированная калориметрическая установка и установленные на ней новые кинетические закономерности тепловыделения цемента в бетонах, модифицированных органоминеральными комплексами типа МБ и ЭМБЭЛИТ, в бетонах с пластификатором ЛСТ, с суперпластификатором С-3 и с гиперпластификатором торговой марки «Глениум», обеспечившие достоверность информационных параметров при реализации имитационных математических моделей по расчету температур и прочности твердеющего бетона возведимых транспортных сооружений и надежность разработанных теплофизических сценариев формирования их требуемых потребительских свойств,
- обоснованная теоретически и экспериментально подтвержденная научная гипотеза о качественном восполнении влагопотерь с открытой поверхности уложенной бетонной смеси за счет влагопереноса из последующего укладываемого слоя и их совместном виброуплотнении и определение допустимых границ вынужденных перерывов в производстве бетонных работ в зависимости от степени их завершения,
- методы предупреждения трещинообразования в поэтапно возводимых конструкциях с защемлением бетонируемых элементов за счет перераспределения внутренних тепловых потоков и управления кинетикой проявления теплоты гидратации цемента и разработанный с использованием имитационных математических моделей способ бездефектного бетонирования крупноразмерными захватками, вклю чающий послойную укладку бетонных смесей с различным начальным энергетическим потенциалом (патенты № 2208093 и № 2246588),
- разработанный на основе математического моделирования развития тепловых процессов в твердеющем бетоне конструкций с разномассивными, одновременно бетонируемыми элементами способ выравнивания температур, обеспечивающий снижение риска образования неблагоприятных температурных напряжений путем применения опалубок и тепло- влагозащитных покрытий с переменным термическим сопротивлением (патент № 2143047),
- установленные условия использования солнечной энергии для снижения неравномерности температур твердеющего бетона в конструкциях с разномассивными элементами и обоснованные условия изготовления сборного железобетона на приобъектных полигонах на территории Российской Федерации с использованием солнечной энергии для ускорения твердения бетона,
- разработаные теплофизические основы многоуровневой системы формирования потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона и принципы ее реализации, исключающие риск развития неблагоприятных температурных напряжений и обеспечивающие рациональное ускоренное взведение конструктивных крупноразмерных элементов транспортных сооружений из монолитного бетона
Практическая значимость:
- определены границы рациональных теплотехнических приемов, обеспечивающих бездефектное твердение бетона в холодный период года без подвода внешнего источника энергии,
- на основании экспериментального определения параметров тепломассооб-менных процессов и роста прочности бетона установлены границы допускаемых перерывов в бетонировании при послойной укладке бетонной смеси, учитывающие неритмичность в поставках бетона и дальность перевозок и обеспечивающие назначение рационального количества автобетоносмесителей при разработке проекта производства работ,
- разработан комплекс теплотехнических способов, обеспечивающих бетонирование конструктивных элементов тоннелей крупноразмерными блоками, повышающих в 1,5 2,0 раза темп строительства сооружения при сведении к минимуму вероятности образования трещин,
- изучен механизм и разработаны способы устройства монолитных протяженных немассивных конструкций с послойной укладкой сухих и затворенных бетонных смесей, позволяющие сократить энергозатраты на отогрев основания в холодный период года и снизить расход цемента при приготовлении бетонной смеси,
- впервые определены границы рационального производства сборного железобетона на приобъектных полигонах на территории Российской Федерации при замещении традиционного пропаривания использованием солнечной энергии ддя ускорения твердения бетона,
- разработана классификация строительных дефектов в период возведения железобетонных сооружений с выделением причин их случайного и вероятностного образования и установлены способы производства ремонтных работ и герметизации трещин с учетом совместимости материалов,
- отработана система составления «Технологических регламентов», а также принципы научно-технического сопровождения строительства транспортных сооружений, обеспечивающие качество возведения конструкций и оперативную обратную связь для корректировки принятых решений
Реализация работы Результаты диссертационной работы включены в состав технологических регламентов на производство подготовительных, опалубочных и бетонных работ, которые реализованы при сооружении мостовых переходов через реку Оку в Нижнем Новгороде н на обходе г Мурома (вантовый мост), метромоста в Лужниках, опор вантового моста и эстакад через реку Москву в Серебряном Бору, опор железнодорожного моста через реку Москву на линии Москва-Курск, опор и эстакад вантового моста через реку Неву в системе КАД вокруг г Санкт-Петербург, мостов через реку Волга в г Ярославле, через реки Вятка, Клязьма, Серая, Незнайка, Утка и Суда, при реконструкции Б Краснохолмского моста через реку Москву и Северянинского путепровода, при строительстве автодорожного тоннеля под каналом им Москвы на пересечении Волоколамского шоссе с ул Свободы, тоннелей, сооружаемых открытым способом работ в системе 3-го транспортного кольца г Москвы на участках от ул Вавилова до Андреевской пабережной, в Лефортово, на пересечении ул Сущевский Вал с Шереметьевской улицей и под Нижегородской улицей, автодорожных тоннелей и тоннелей метро, сооружаемых открытым способом работ на участке Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова, тоннелей и путепроводов при реконструкции Киевского и Боровского шоссе, тоннеля при реконструкции Ленинградского проспекта от станции метро «Динамо» до станции метро «Сокол», при сооружении эстакад в системе 3-го транспортного кольца г Москвы на участках от Волгоградского проспекта до Нижегородской улицы и от Звенигородского шоссе до Беговой улицы, эстакад при реконструкции подъездных путей к аэропорту «Внуково-1», эстакад и путепроводов в системе КАД вокруг г Санкт-Петербург, при строительстве станционных комплексов Московской монорельсовой транспортной системы и аэровокзального комплекса «Внуково-1» и зданий рамно-безригельной конструкции
Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 11 всероссийских и международных конференциях, в том числе на 6-ой Международной конференции по науке и технологии (ноябрь, 2000 г, Москва), на Международной конференции «Долговечность строительных конструкций Теория и практика защиты от коррозии» (октябрь, 2002 г, Волгоград), на конференции «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» (октябрь, 2004 г, Москва), на 1-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон на рубеже 3-го тысячелетия» (сентябрь, 2001 г , Москва), на 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития» (сентябрь, 2005 г , Москва)
Публикации. Всего опубликовано 147 научных работ, в том числе по теме диссертации - 41
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и общих выводов, содержит 297 страниц машинописного текста, 102 таблицы, 187 рисунков, список использованной литературы из 185 наименований и 3 листа приложений Личный вклад автора в решении проблемы заключается в проведении при непосредственном участии автора обследований монолитных железобетонных конструкций транспортных сооружений и обобщении их результатов с выявлением роли теплофизических факторов, определяющих формирование их потребительских свойств, и классификацией причин образования дефектов, в разработке иерархической структуры термодинамической системы строительства сооружений из монолитного и сборно-моиолитного железобетона и на основе методологии системного подхода в проведении исследований по изучению внутренних и внешних тепломас-сообменных процессов в твердеющем бетоне, позволившие обоснованно разработать теплофизические основы формирования потребительских свойств конструкций транспортного назначения и методы их практической реализации, в разработке конструкции дифференциальной калориметрической установки на современной элементной базе и установлении особенностей тепловыделения бетонов в составе с современными модификаторами, в установлении закономерностей влагопотерь при послойном бетонировании длинномерных конструкций с развитой неопалубленной поверхностью и определении на их основе допустимых перерывов в подаче бетонной смеси, в установлении закономерностей теплового взаимодействия поэтапно бетонируемых элементов конструкций, особенностей учета формирования собственного термонапряженного состояния бетона и закономерностей взаимодействия собственного термонапряженного состояния в конструкциях различного назначения, обеспечивших разработку теплотехнических приемов, снижающих вероятность образования температурных трещин, и во внедрении разработанных условий формирования потребительских свойств транспортных сооружений из монолитного железобетона В соавторстве научно обоснованы, разработаны, защищены патентами и реализованы на практике возможности бездефектного возведения пролетных строений мостов длиной до 180 м и условия увеличения блоков бетонирования конструктивных элементов тоннелей с 15 до 40 м
Все научные положения сформулированы и разработаны автором лично Под научным руководством автора в лаборатории термодинамики технологических процессов выполнены исследования по отдельным направлениям данной проблемы
