Теплофизические основы формирования потребительских свойств конструктивных элементов транспортных сооружений из монолитного и сборно-монолитного железобетона

Рис. 4 - Изменение температуры твердеющего бетона при устройстве фундаментных плит толщиной 1,4 м с применением бетона класса В35, без специальных модификаторов (а) и толщиной 1,5 м и бетоне класса В40, с модификатором Эмбэлит 8-100 (б)

Определение колебаний температуры различных слоев конструкции при колебаниях температуры среды, когда может происходить замораживание и оттаивание бетона, позволило установить, что если за 100 % принять количество переходов через 0 оС в наружном слое конструкции, то на расстоянии 200 мм от поверхности число таких переходов не превышает 26 %, а на расстоянии 300 мм от поверхности - 16 %. Установленные закономерности показали на возможность дифференцированного подхода в ограничении максимально допускаемого разогрева бетона.

Проработка вариантов управляющих воздействий, обеспечивающих снижение разогрева бетона, показала на возможность решения проблемы на стадии проектирования сооружения за счет поиска оптимального соотношения между конфигурацией конструкции и требуемой несущей способностью. На примере плитного пролетного строния толщиной 800 мм, запроектированного с равномерно расположенными пустотами диаметром 400 мм, было установлено, что при проектном классе бетона В35 разогрев бетона даже при высоких температурах среды и укладываемой бетонной смеси не превышает 73 оС, а зона с такой температурой по площади поперечного сечения не превышает 1,5 %.

Кроме косвенного управления уровнем максимального разогрева бетона в массивных элементах за счет изменения расхода цемента или конфигурации конструкции были проработаны варианты прямого управления параметрами твердеющего бетона маломассивных конструкций, когда температура обеспечивается путем подвода внешнего источника энергии и требуется исключить риск нештатных ситуаций, приводящих к перегреву бетона.

На основании результатов исследований была разработана система автоматического управления процессом поддержания требуемого температурного режима твердеющего бетона на базе специально созданного микропроцессорного устройства СПК 430 которое обеспечивает требуемый ритм технологического потока на основе регулирования температурного режима твердеющего бетона по его изменяющейся температуре и прочности. При программировании работы устройства СПК 430 по вычислению текущей прочности твердеющего бетона и прогнозируемой, которую бетон может набрать за время, оставшееся до конца цикла обогрева, использовали алгоритм, предложенный Абрамовым В.П. и Соловьянчиком А.Р., позволяющий вести расчет прочности с любого момента времени независимо от продолжительности начальной стадии твердения бетона и последующего твердения после выключения системы обогрева:

Система автоматического регулирования процесса нагрева бетона с помощью устройства СПК 430 была применена и обеспечила качество работ с рациональными энергозатратами при омоноличивании стыков и швов на строительстве зданий с безригельным каркасом системы «ИМС» и на заводе ЖБИ в Михнево, где освоен выпуск сборного железобетона для монтажа зданий отмеченной конструкции.

Изучение влияния отрицательных температур среды на обеспечение потребительских свойств бетона при управлении тепловыми потерями за счет изменения условий теплообмена на границе бетон-окружающая среда позволило установить, что при термическом сопротивлении опалубки величиной 0,7 м2·оС/Вт и классе бетона В40 возможно расширение диапазона ведения работ в холодный период года без устройства технологических укрытий до температуры минус 10 оС при модуле поверхности конструкции, равном 5 м-1, а при модуле поверхности, равном 4 м-1- до минус 20 оС. Реализация таких приемов при строительстве аэровокзального комплекса «Внуково-1» позволила существенно снизить трудоемкость работ и энергозатраты.

Изучение воздействия влажностного фактора на обеспечение функциональных и технологических потребительских свойств бетона, проведенное для условий послойного бетонирования протяженных в плане конструкций с имитацией температуры среды, ее подвижности и потока солнечной радиации, подтвердило высказанную гипотезу о возможности восполнения влагопотерь при совместном виброуплотнении укладываемых слоев бетонной смеси за счет перераспределения влаги в бетонируемой конструкции. Из представленных в табл. 1 данных, в которой 1-ый этап соответствует послойному бетонированию, а 2-ой - завершаемому укладываемому слою, прослеживается явная разница в допускаемых влагопотерях.

Таблица 1 - Влияние испарения влаги на прочность и морозостойкость послойно укладываемого бетона класса В 40

Обобщение результатов экспериментальных исследований показало, что действие окружающей среды должно быть ограничено периодом, когда влагопотери к моменту перекрытия слоев не превышают 10,5 % от воды затворения для бетона класса В30 и 10,0 % - для бетона класса В40. В то же время для верхнего заключительно укладываемого слоя бетонной смеси допускаемый уровень влагопотерь, при котором не происходит последующий недобор проектной прочности бетона и не снижается его морозостойкость, составляет только 7 % от воды затворения для бетона класса В30 и 6,5 % - для бетона класса В40.

Специально проведенными исследованиями впервые был установлен характер перераспределения бетона по подвижности после совместного виброуплотнения слоев и для оценки результирующей подвижности предложено соотношение:

ОКсовм = 1,46 + 0,234(ОКниз - 3) + 0,714ОКверх, (3)

которое вместе с кривой изменения подвижности бетонной смеси во времени позволяет оценивать период снижения подвижности до критического значения и рассчитывать допускаемую продолжительность перерыва в поставках бетонной смеси. Для прогнозирования влагопотерь и определения допускаемого перерыва в бетонировании была разработана номограмма для каждого проектного класса бетона (рис. 5).

Рис. 5 - Номограмма для определения влагопотерь и потери подвижности бетона класса В40 (1 - верхний слой; 2 - послойная укладка; а) - tб = 20 оС, tв = 25 оС; б) - tб = 15 оС, tб = 10 оС)

Исследование особенностей формирования собственного термонапряженного состояния бетона в конструктивных элементах простой формы показало на низкую вероятность образования температурных трещин при их массивности, соответствующей модулю поверхности не ниже 2,0 м-1. Но при модуле поверхности, равном Мп = 1,2 м-1 расчетная разность для угловых точек и граней превышает допускаемые 18 оС и может быть снижена за счет сглаживания неравномерности температур путем увеличения термического сопротивления опалубки в проблемных зонах.

Однако, как показали исследования, при габаритах бетонируемого ростверка, когда модуль поверхности равен 0,75 м-1, даже при дополнительном увеличении термического сопротивления опалубки путем закрепления утеплителя по граням ростверка и доведения суммарной мощности тепловой изоляции и опалубки на этих участках до 0,7 м2· оС/Вт собственное термонапряженное состояние бетона характеризуется высокими значениями расчетных перепадов, доходящими в летних условиях до 27 оС, что помимо управления тепловыми потерями в окружающую среду потребовало для снижения вероятности трещинообразования ввести ограничение по расходу цемента в поставляемой на объект бетонной смеси.

При этом, как было установлено для ростверков с Мп ? 1,2 м-1, наиболее неблагоприятное распределение температур имеет место в момент максимального разогрева бетона, а для растверков с Мп = 0,75 м-1 наибольшая неравномерность температурного поля формируется в возрасте 240 - 250 ч.

Изучение характеристик собственного термонапряженного состояния бетона при возведении стоек опор и колонн выявило, что при диаметре стоек до 1,3 м расчетные перепады температур по сечению незначительны. Но при диаметре стойки, равном 2,0 м, при сглаживании неравномерности температур по сечению за счет регулирования тепловых потерь с поверхности выявилось, что при достижении положительного эффекта по допускаемому расчетному перепаду температур возникает высокая температура бетона на поверхности стойки (62 оС), что потребовало определенного сокращения расхода цемента в проектируемом составе бетонной смеси.

Определение параметров собственного термонапряженного состояния бетона в стойках опор с модулем поверхности Мп = 0,94 м-1 (русловые опоры моста через реку Оку в Нижнем Новгороде) выявило, что при расходе цемента в составе бетонной смеси равном 430 кг/м3 при бетонировании в металлической опалубке вероятность образования температурных трещин очень высокая. Увеличение термического сопротивления опалубки дало возможность снизить перепад температур, но при этом температура бетона в поверхностных слоях достигала высоких значений(табл. 2).

Таблица 2

Управление разогревом твердеющего бетона путем снижения расхода цемента с 430 до 380 кг/м3 дало возможность не только снизить разогрев бетона в поверхностном слое, но и при ведении бетонных работ в теплый период года обеспечить допускаемый температурный перепад без закрепления тепловой изоляции на металлической опалубке.

Более существенная разница в температурах, особенно между центром и гранями, расположенными под острым углом, была зафиксирована при прогнозировании условий бетонирования нижней части пилона русловых опор вантового моста через реку Оку при обходе г. Мурома. Апробация на имитационной модели различных теплотехнических приемов по снижению неравномерности разогрева бетона выявила, что при снижении степени неоднородности температур по объему опоры за счет дополнительного увеличения термического сопротивления опалубки граней увеличивается превышение расчетной разности температур над допускаемой при низких температурах среды и укладываемой бетонной смеси.

Для таких условий бетонирования была подтверждена возможность достижения необходимого эффекта путем изменения порядка производства подготовительных работ со смещением во времени бетонирования нижней части пилона и работ по закреплению на опалубке дополнительной тепловой изоляции, с переносом этой операции с подготовительного периода на период после набора бетоном прочности в поверхностных слоях величиной 30 % R28. В итоге расчетная разность температур снизилась с 35 до 21 оС.

Обобщение данных исследований показало, что при модуле поверхности колонн или стоек опор более 1,7 м-1, но менее 5,8 м-1, необходимо сглаживать неоднородность температур только для обеспечения равномерного твердения бетона по объему бетонируемой конструкции. При модуле поверхности бетонируемого элемента менее 1,8 м-1 уже требуется снижение неоднородности температур для обеспечения как равномерного твердения бетона, так и требуемой трещиностойкости в процессе его твердения.

По результатам проведенных исследований для ориентировочных расчетов были установлены эмпирические закономерности степени неравномерности температур (Дt) и расчетных перепадов температур с учетом формирования кривой нулевых напряжений (Дtрасч) в зависимости от расхода цемента (Ц), температуры бетонной смеси (t) и модуля поверхности (Мп) бетонируемых колонн или стоек опор:

Дt = e3,53 - 0,41(Мп - 0,95) + 0,5(t - 10) + 0,15(Ц - 410), (4)

Дtрасч = e3,51 - 0,537(Мп - 0,5) + 0,6(t - 10) + 0,17 (Ц - 410) (5)

(для опалубки из металлических щитов),

Дtрасч = e2,34 - 0,53 (Мп - 0,5) + 0,1(t - 10) + 0,2 (Ц - 410) (6)

(для опалубки из металлических щитов с закрепленной тепловой изоляцией, или щитов из ламинированной фанеры).

Результаты детальных исследований по изучению характеристик собственного термонапряженного состояния бетона в плитно-ребристых пролетных строениях мостов и эстакад, выполненных по различным проектным решениям, выявили существенные различия в температурах твердеющего бетона, определяемых конфигурацией и габаритами конкретного рассматриваемого варианта (рис.6).

Характер установленных параметров формирующегося термонапряженного состояния бетона при этом показал, что при традиционном способе бетонирования расчетная средневзвешенная разность температур превышает допускаемую, что указало на высокую вероятность образования трещин (табл. 3). Управление тепловыми потерями со стороны поверхностей маломассивной консоли за счет увеличения термического сопротивления опалубки и тепловлагозащитного покрытия явилось одним из вариантов снижения расчетной разности температур (табл. 3). При этом было установлено, что габариты плитно-ребристого пролетного строения определяют как величину требуемого термического сопротивления, так и зоны пролетного строения, где необходимо дополнительно увеличивать мощность тепловой изоляции.

Рис.6 - Температурное поле в момент максимального разогрева в различных конструкциях плитно-ребристого пролетного строения (слева - при высоте ребра 2,6 м и ширине 0,7 м, справа - при высоте ребра 1,4 м и ширине 2,5 м

Таблица 3 - Параметры твердения бетона плитно-ребристого пролетного строения

Так, при плавном переходе от массивного ребра к консоли и относительно небольшом ее вылете (эстакада на трассе Краснопресненского проспекта в Серебряном Бору), для снижения температурных напряжений и исключения вероятности образования температурных трещин оказалось достаточным только увеличить до 0,45 м2· оС/Вт мощность тепловой изоляции тепловлагозащитного покрытия, укладываемого сверху консоли (рис. 7).

Изучение возможных сценариев управления термонапряженным состоянием бетона на границе одновременно бетонируемых разномассивных элементов при возведении плитно-ребристых пролетных строений мостов и эстакад, которые устраивались при реконструкции МКАД, метромоста в Лужниках, при строительстве эстакад третьего транспортного кольца и на трассе Краснопресненского проспекта в Москве, подъездных путей к аэропорту «Внуково», КАД вокруг Санкт-Петербурга, показало, что проблема сглаживания неравномерности температур по сечению плитно-ребристого пролетного строения может быть также эффективно решена путем перераспределения тепловых потоков между ребром и маломассивными элементами за счет устройства полога или настила снизу бетонируемого пролетного строения между несущими ребрами и краем консолей (патент РФ № 2143047).

Рис. 7 - Температурное поле в плитно-ребристом пролетном строении в момент максимального разогрева бетона а) - при бетонировании по традиционной технологии; б) - при увеличении мощности изоляции тепловлагозащитного покрытия

В качестве варианта повышения однородности температур в поперечном сечении плитно-ребристого пролетного строения была также оценена возможность достижения этой цели путем повышения температуры маломассивных элементов за счет внешнего источника энергии, в качестве которого рассматривалось использование тепла солнечной радиации. В данной работе впервые была показана возможность управления за счет солнечной энергии температурным режимом бетона, твердеющего в условиях, характерных для регионов Российской Федерации, и было установлено, что при возведении пролетных строений данного типа в климатических условиях Волгограда или Саратова и закреплении в зоне консольной части сверху покрытия из двух слоев светопрозрачного материала, разделенных воздушной прослойкой между собой и неопалубленной поверхностью консоли, достигается требуемая равномерность температур в поперечном сечении пролетного строения и отпадает необходимость в дополнительном увеличении термического сопротивления опалубки маломассивной части пролетного строения.

Изучение степени неравномерности температур твердеющего бетона в плитно-ребристом пролетном строении при использовании бетонов с высоким проектным классом (В45...В50), что характерно для условий строительства эстакад и мостовых переходов методом цикличной продольной надвижки (ЦПН), когда на специальном стапеле, размещаемом на строительной площадке, изготавливается блок (секция) пролетного строения длиной около 20,0 м, затем изготовленная секция надвигается на опоры и к ней прибетонируется следующая секция, показали, что допускаемая расчетная разность температур может быть обеспечена при расходе цемента для данного класса не выше 480 кг/м3 и при доведении термического сопротивления изоляции консоли до значения не менее 0,8 м2•оС/Вт.

Результаты расчетов по определению изменений температур твердеющего бетона плитно-ребристых пролетных строений в различные периоды года их устройства служили основой для нахождения допускаемой ширины и длины бетонирования за один прием такого сооружения. Необходимость в определении протяженности захватки бетонирования вытекала из того, что при существующих нормируемых допусках на устройство опалубки всегда имеют место неровности, которые могут сдерживать свободное проявление температурных продольных деформаций бетона.

На основании проведенных вычислений было установлекно, что длина захватки бетонирования плитно-ребристого пролетного строения с позиции исключения возможного трещинообразования не должна превышать 80,0 м, а ширина - 18,0 м. В том случае, когда требуемая длина захватки бетонирования неразрезного плитно-ребристого пролетного строения превышала 80,0 м, ЦНИИСом при участии автора совместно с институтом Гипротрансмост и Мостотрестом было предложено для исключения образования трещин проводить неполное (до 30 ... 35% от проектного) обжатие бетона продольной преднапрягаемой арматурой сразу же после максимального разогрева бетона на конечном бетонируемом участке. При таком обжатии пролетное строение отделяется от опалубки и частично приподнимается, что исключает влияние неровностей на сдерживание свободных деформаций остывающего ребра.

Такой прием позволил впервые в практике Мостотреста произвести бетонирование участка плитно-ребристого неразрезного пролетного строения длиной 179 м.

При изучении температурных условий твердения бетона при устройстве сталежелезобетонных пролетных строений было установлено, что при производстве работ в холодный период года для исключения силового взаимодействия между бетоном и балками при температурных деформациях температура металлических балок в верхней зоне должна находиться в пределах 10…15 оС до момента набора бетоном прочности 30 %R28, а затем может быть понижена до 5 оС. Для реализации данного условия в обязательном порядке требуется устройство технологического укрытия под пролетным строением. Попытки игнорировать это положение даже при прогреве уложенного бетона с помощью нагревательных проводов неизбежно приводили к образованию в плите проезжей части поперечных сквозных трещин.

Второе рассматриваемое направление в учете влияния температурного фактора связано с процессам структурообразования бетона и определяло возможный порядок бетонирования плиты проезжей части сталежелезобетонного пролетного строения, когда требуется обеспечить на участке от технологического шва до ближайшей зоны с максимальными перемещениями плиты нахождение бетона в пластичном состоянии к моменту окончания его укладки, чтобы возможные вертикальные перемещения плиты прошли без нарушения сплошности материала.

Учет в этом случае по установленным закономерностям потери подвижности для конкретного применяемого состава бетона в зависимости от температуры и обеспечиваемого темпа бетонирования позволил при строительстве мостового перехода через реку Суда на автодороге Вологда-Новая Ладога увеличить захватку бетонирования с 20,0 м (по проекту) до 46,5 м, что сократило срок выполнения бетонных работ, количество рабочих швов и требуемое число бетононасосов.

Отдельное направление по учету особенностей структурообразования в твердеющем бетоне было рассмотрено для условий реконструкции сталежелезобетонных пролетных строений мостов и путепроводов при непрекращающемся движении транспорта.

Для условий реконструкции сталежелезобетонного пролетного строения Северянинского путепровода и проведенных совместно с лабораторией «Вибродинамических испытаний» ЦНИИС предварительных замеров по имеющим место перемещениям плиты при движении транспорта по путепроводу было показано, что ограничение в интенсивности грузопотока при бетонировании продольного шва, объединяющего участки плиты проезжей части, необходимо делать только на период, когда бетон находится в пластичном состоянии до набора им прочности величиной 30% от R28, так как в последующем бетон включается в работу на объединенных участках плиты. Освидетельствование состояния бетона шва по окончании работ по объединению плиты показало на полное отсутствие трещин, что подтвердило правильность сформулированных ограничений и достоверность оценки периода перехода бетона из пластичного состояния в упругое при прочности 30% от R28.

При рассмотрении вопросов по предупреждению трещинообразования в поэтапно возводимых конструктивных элементах подпорных стен, рамповых участков, стен и перекрытий тоннелей, когда возникает защемление бетонируемых блоков ранее забетонированными, потребовалось, с одной стороны, рассматривать собственное термонапряженное состояние бетона в каждом элементе и формировать условия для сглаживания неравномерности температур по его объему, а с другой стороны - обеспечивать минимальную разность температур между твердеющим бетоном и затвердевшим в зоне защемления, что определяет допускаемую длину захватки бетонирования и является одним из значимых факторов, определяющим темп строительства тоннельных развязок в условиях крупных городов.

В проектных решениях, как отмечалось, при учете температурных деформаций при проектировании конструкций автодорожных и железнодорожных тоннелей рассматривают только условия эксплуатации сооружения и руководствуются при этом требованиями пункта 5.12 СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные», в соответствии с которым расстояние между антисейсмическими деформационными швами тоннельной обделки следует устанавливать расчетом и совмещать их с температурно-осадочными деформационными швами, расстояния между которыми в обделках из монолитного бетона и из набрызг бетона должны быть не более 20 м, а из монолитного железобетона - 40 м.

Специально проведенные расчеты, выполненные для применяемых в настоящее время классов бетона с учетом возможных характеристик его собственного термонапряженного состояния и условий сезонного теплового взаимодействия элементов тоннеля с грунтовой засыпкой, показали, что установленные расстояния между температурно-деформационными швами практически совпадают с требуемыми по СНиП и могут быть равными не более 48,0 м при суглинистых грунтах, и не более 40,0 м - для глин.

Расчеты, проведенные с использовнием методик ВНИИГ им. Веденеева, применяемые при строительстве гидротехнических сооружений, показали, что для условий строительства тоннелей из монолитного железобетона для предотвращения появления сквозных трещин разность температур между твердеющим бетоном и основанием в зоне защемления бетонируемых блоков в момент достижения бетоном прочности, равной 0,3 R28, не должна превышать 20 оС, тогда длина бетонируемого блока должна быть не более 15,0 м, если армирование не учитывается и 17,0 м - при учете действия арматуры.

Вычисленные допускаемые параметры бетонирования защемляемых элементов тоннеля при их поэтапном возведении служили критерием оценки с позиции обеспечения трещиностойкости твердеющего бетона тех температурных режимов, которые возникают в конкретных узлах при их конструктивных размерах, определенных проектом, или служили основанием при поиске вариантов, позволяющих увеличить длину бетонируемого блока.

Моделирование условий теплового взаимодействия твердеющего бетона с затвердевшим при устройстве днища тоннеля толщиной 1,4 м позволило установить, что оптимальными можно считать варианты с температурой затвердевшего бетона не выше 30 оС и температурой бетонной смеси при укладке, равной 15 оС. В этом случае разница температур между твердеющим бетоном и затвердевшим в момент защемления равна 10…12 оС, что позволяет размер захватки бетонирования увеличить практически до 30,0…35,0 м, избегая появления трещин, вызываемых односторонним защемлением твердеющего бетона в жесткое основание.

Изучение условий формирования термонапряженного состояния бетона при поэтапном возведении стен тоннеля толщиной 0,9 м показало, что при низких температурах затвердевшего бетона и укладываемой бетонной смеси увеличивается продолжительность периода формирования поля нулевых напряжений в зоне их контакта и бетон в массиве стены за этот период разогревается до высокого уровня, что повышает расчетную разность температур и не позволяет увеличить размер блока бетонирования сверх 15,0м.

При поиске вариантов бездефектного бетонирования стен укрупненными захватками было предложено бетонирование днища тоннеля производить одновременно с бетонированием выступа стен на высоту 0,5…0,7 м от верха днища. Такое решение дало возможность относительно легко обеспечить требуемую температуры затвердевшего бетона перед бетонированием стен и выполнить качественно примыкание опалубки стен к основанию.

Исследованиями было установлен, что частичное замещение цемента при использовании современных модификаторов позволяет снизить на 5…6 оС разницу температур между твердеющим бетоном и зоной рабочего шва в момент образования поля нулевых напряжений по сравнению с использованием традиционных бетонных смесей и увеличить за счет этого длину бетонируемой захватки до 25,0 м.

В качестве варианта управления тепловым режимом бетона и основания была проверена возможность снижения разности температур в массиве твердеющего бетона и в зоне шва за счет перераспределения внутренних тепловых потоков путем укладки на основание первоначально на определенную высоту бетонной смеси с повышенной температурой, а затем дальнейшее возведение конструкции вести бетонной смесью с пониженной температурой. Результаты расчетов на имитационной моделе подтвердили высокую эффективность предложенного способа и показали на более плавное изменение температур твердеющего бетона (рис. 8). При этом расчетная разность температур снизилась до 5…7 оС, а в некоторых вариантах приобрела либо нулевое значение, либо отрицательное, что позволило в реальных условиях увеличить длину бетонируемых блоков стен до 30,0 м , а при строительстве тоннеля по Танковому проезду ликвидировать трехмесячное отставание от утвержденного графика производства работ. Полученный материал был взят за основу для составления заявки на изобретение (патент РФ № 2208093).

Рис. 8 - Изменение температуры твердеющего бетона при возведении стен а) - при укладке бетонной смеси с разной температурой по высоте; б) - при традиционном бетонировании

Установленный характер защемления бетонируемого перекрытия в стены наиболее полно представляет рассмотрение результатов исследований в условиях сооружения тоннелей так называемым «миланским методом», когда, в отличие от традиционного способа строительства тоннелей снизу вверх, первоначально на естественном грунтовом основании устраивают перекрытие тоннеля с опиранием по краям на буросекущие сваи. После этого сверху перекрытия восстанавливают проезжую часть или прокладывают коммуникации, а под перекрытием производят выемку грунта, устройство днища и возведение стен тоннеля уже независимо от движения транспорта по пересекаемой магистрали.

Изучение развития тепловых процессов при таком способе производства работ показало, что для обеспечения бетонирования перекрытия захваткой длиной как минимум 35,0 м (по условиям организации перепуска транспортного потока), необходимо осуществлять обогрев обвязки свай со стороны котлована в течение 30 ч после укладки бетона (рис.9).

Рис. 9 - Схема бетонирования перекрытия тоннеля укрупненными блоками при строительстве «миланским методом»: 1 - буросекущие сваи; 2 - обогрев обвязки свай; 3 - перекрытие тоннеля; 4 - дополнительная изоляция опалубки; 5 - бетонируемый участок стены

Другой найденный вариант управления температурным режимом до момента защемления твердеющего бетона и температурным перепадом по сечению бетонируемых элементов включает (рис.9) увеличение термического сопротивления опалубки нижней зоны участка стены и использование при укладке по толщине перекрытия бетонной смеси с различной температурой: первые слои с более высокой температурой (t1), чем последующие (t2). Исследованиями на имитационных моделях было установлено, что если разница между температурой бетонной смеси, укладываемой в обвязку и фрагмент стен, и температурой бетонной смеси, укладываемой в перекрытие, составляет 10 оС, а также при термического сопротивления низа опалубки величиной 0,6 м2.оС/Вт, то разность температур в момент защемления составляет 1 ... 8 оС , а расчетная разность перепадов температур по сечению конструкции не превышает 17 оС. Представленные приемы, на которые был получен патент РФ № 2246588 «Способ бетонирования укрупненными блоками монолитных конструкций тоннельного типа с поэтапным возведением элементов сверху вниз», обеспечили бетонирование перекрытий тоннеля по Танковому проезду захватками длиной до 39,0 м.

Полученный материал был положен в основу разработанных принципов разбивки конструктивных элементов тоннелей на блоки бетонирования с учетом схем и условий их защемления, которые были использованы при строительстве открытым способом тоннеля под каналом имени Москвы, Гагаринского, Лефортовского и Серебряноборского тоннелей.

Изучение характеристик собственного термонапряженного состояния бетона в проектных решениях со сборно-монолитными узлами проводилось для вариантов, когда с применением сборных мостовых железобетонных балок устраиваются перекрытия тоннелей и пролетные строения мостов либо только с омоноличиванием швов между балками, либо - кроме омоноличивания швов производят устройство плиты омоноличивания.

На основе рассмотрения различных вариантов отогрева сборных балок и режимов прогрева бетона омоноличивания были определены условия формирования температурных полей с помощью многофункционального использования нагревательного провода, когда расчетная разность температур между бетоном сборных балок и между твердеющим бетоном не выходит за рамки допускаемых 10 оС.

Аналогичная задача по объединению сборных элементов монолитным бетоном была решена при разработке технологии строительства каркасных зданий нового типа рамно-безригельной конструкции (серия ИМС) с преднапряжением бетона в построечных условиях. Учитывая незначительные объемы бетона, укладываемого в омоноличиваемые стыки (толщина от 30 до 260 мм), детально были изучены условия отогрева сборных железобетонных плит перед омоноличиванием и определены размеры отогреваемых участков плиты, при которых накопленного сборными элементами тепла оказывается достаточным для обеспечения их температуры на уровне не ниже 5 оС в период укладки бетона омоноличивания, когда по условиям техники безопасности отключаются устройства для отогрева бетона.

При практической отработке способов отогрева элементов тоннеля до нужной температуры в случае последующего бетонирования стен или перекрытий было установлено, что наиболее надежно и экономично обеспечивать температуру бетона в зоне защемления путем его прогрева нагревательными проводами, которые предварительно перед бетонированием закрепляют на арматурном каркасе. При этом нагревательные провода подключаются к электросети на стадии остывания бетона, когда температура поверхностных слоев достигает 10..15 оС и отключаются от источника электроэнергии в момент набора прочности твердеющим бетоном последующего забетонированного элемента до уровня 25…30 % R28, что обеспечивает минимальные энергозатраты, так они связаны только с компенсацией тепловых потерь.

Такой способ отогрева затвердевшего бетона массово использовался при строительстве тоннеля под каналом имени Москвы и при строительстве тоннеля на пересечении улицы Сущевский Вал с Шереметьевской улицей, когда обеспечивалось бетонирование стен и перекрытий за один прием захватками длиной 30,0...35,0 м, что позволило практически в два раза сократить сроки сооружения тоннелей.

При разработке системы управления формированием потребительских свойств транспортного сооружения из монолитного и сборно-монолитного железобетона и мониторинга их обеспечения потребовалось включение в систему следующих основных составляющих.

Первая составляющая системы относится к выбору управляющих воздействий и способов их реализации, которые обеспечат формирование потребительских свойств с минимальной трудоемкостью и при экономном расходовании энергетических ресурсов. Основа решения этой части проблемы заключается в рассмотрении взаимосвязи процессов на основных уровнях иерархии термодинамической системы строительства транспортного объекта.

Вторая составляющая системы связана с юридической стороной практической реализации управляющих воздействий и в соответствии с требованиями «Системы качества» Корпорации «Трансстрой» должна базироваться на документах, являющихся составной частью проекта производства работ. Роль таких документов для каждого конкретного объекта должны выполнять специальные технологические регламенты на производство подготовительных, опалубочных и бетонных работ.

Третьей составляющей системы управления формированием потребительских свойств сооружения является система управления качеством объектов транспортного строительства, основная задача которой на стадии строительно-монтажных работ заключается в технологическом обеспечении заданной совокупности потребительских свойств. Кроме того, в условиях совмещения процессов проектирования и строительства сооружения система качества должна иметь эффективную подсистему оперативной коррекции принимаемых управляющих воздействий, роль которой должно играть научно-техническое сопровождение с мониторингом технологических этапов возведения конструкций, обеспечивающим формирование обратной связи между принятыми управляющими воздействиями и реально формирующимися потребительскими свойствами транспортного объекта.

Для выбора управляющих воздействий первоначально формируют базу исходных данных, анализируя проектные решения сооружения, климатические условия и требования по продолжительности строительства объекта, существующую инфраструктуру и транспортные коммуникации в месте расположения строительной площадки.

На втором этапе осуществляют комплектование информационного обеспечения для реализации имитационных моделей. С помощью имитационных моделей прогнозируют развитие тепловых процессов при твердении бетона и оценивают достигаемые им температуры и параметры его собственного термонапряженного состояния.

На третьем этапе производят путем пошаговой оценки на имитационных математических моделях влияние управляющих воздействий с определением их параметров, при которых обеспечиваются требуемые функциональные и технологические потребительские свойства сооружения.

Четвертый этап состоит в выборе экономически целесообразных механизмов реализации параметров управляющих воздействий и проверке обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик.

При положительном результате сравнения по ограничительным параметрам и на соответствие потребительским свойствам, а также при экономической целесообразности переходят к составлению технологического регламента с описанием основных положений по реализации управления термодинамической системой проектирования и строительства рассматриваемого объекта.

При несоответствии одному из требуемых ограничительных параметров или одному из потребительских свойств переходят к выбору последующих управляющих воздействий и оценивают их действие либо - индивидуально, либо - совместно с действиями предыдущих управляющих воздействий. Такие шаги повторяют до достижения требуемого результата.

Разработанные технологические регламенты на производство бетонных работ позволили резко снизить количество дефектов и обеспечили ведение работ высокими темпами. Опыт показал, что на тех объектах, где отсутствовали технологические регламенты на производство бетонных работ или регламенты, составленные для одного объекта, механически переносились строительной организацией на последующие аналогичные на первый взгляд объекты, требуемое качество бетонных работ не обеспечивалось.

Кроме составления технологических регламентов, в систему обеспечения качества строительства сооружений транспортного назначения вошли разработанные в ЦНИИС и НИИЖБ при непосредственном участии автора специальные документы, в которые включался материал по обобщению научных результатов работы и производственного опыта их реализации. К таким документам относятся: «Руководство по омоноличиванию стыков каркасных зданий рамно-безригельной конструкции при круглогодичном строительстве» (М., 1997 г.), «Руководство по бетонированию монолитных предварительно напряженных плитных и плитно-ребристых пролетных строений железобетонных мостов и плит проезжей части сталежелезобетонных мостов» (М., 2004 г.), «Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях» (М., 2005 г.).

В системе управления качеством важным моментом является выявление дефектов в процессе строительства объектов и установление порядка их устранения. В этом направлении большую роль сыграла выполненная в ОАО ЦНИИС в рамках научного сопровождения при непосредственном участии автора работа по освидетельствованию возведенных конструктивных элементов тоннеля на пересечении Волоколамского шоссе с каналом им. Москвы и ул. Свободы и тоннельной транспортной развязки от улицы Вавилова до Андреевской набережной.

Проводившийся при освидетельствовании анализ причин трещинообразования в элементах отдельных участков Гагаринского и Волоколамского тоннелей выявил необходимость комплексной оценки как проектных решений, так и организационно-технологических условий производства работ на объектах на основании сбора максимально возможного объема информации по параметрам основных технологических этапов ведения бетонных работ.

Установленные факторы, влияющие на образование дефектов и трещин при строительстве, и их классификация, разработанная Соловьянчиком А.Р., Цернантом А.А. совместно с автором, позволили разделить дефекты на группы и связать причины их образования с проектными решениями, с условиями организации технологических этапов строительства, включая несоблюдение технологической дисциплины.

Для выработки приемов по качественному устранению дефектов, возникающих в период возведения сооружений, потребовалось по-новому подойти к выбору ремонтных составов и назначению условий производства работ по устранению дефектов бетонирования и герметизации трещин, заключающихся в выдвижении на первый план требования по обеспечению совместимости затвердевшего бетона конструкции с используемым ремонтным составом.

Сформулированные положения по выбору материалов для качественного выполнения работ по устранению строительных дефектов, характеристики современных ремонтных составов, удовлетворяющих необходимым требованиям, порядок их использования и положения по контролю за качеством ремонтных работ вошли в «Руководство по устранению дефектов и лечению трещин при возведении крупноразмерных железобетонных конструктивных элементов транспортных сооружений» (М., ЦНИИС, 2001) и в «Руководство по ремонту бетонных и железобетонных конструкций транспортных сооружений с учетом обеспечения совместимости материалов» (М., ЦНИИС, 2005), которые разработаны при непосредственном участии автора.

При решении проблемы по обеспечению качества сооружений при учете теплофизических процессов, сопровождающих их возведение из монолитного и сборно-монолитного железобетона, были также отработаны энергосберегающие способы производства работ.

В частности, для изготовления нестандартных железобетонных изделий или для условий ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций была обоснована возможность организации практически в любом регионе Российской Федерации изготовления требуемой номенклатуры сборного железобетона на строительной площадке, располагаемой непосредственно в зоне возводимого или реконструируемого объекта с ускорением твердения бетона с использованием солнечной энергии.

Возможность эффективного использования солнечной радиации для обеспечения ускоренного твердения бетона в условиях полигонного изготовления сборного железобетона в республиках Средней Азии СССР была показана в 1980 - 1985 г. исследованиями институтов НИИЖБ, ВНИПИТеплопроект (при непосредственном участии автора), ЦНИИС, ЦНИИОМТП и целого ряда других организаций, по разработкам которых были построены технологические линии по выпуску железобетонных изделий для гражданского, промышленного и транспортного строительства в целом ряде городов Узбекистана, Таджикистана и Киргизии. Сегодня принципы комбинированной гелиотермообработки бетона для условий Республики Казахстан разработаны Л.Б. Аруовой.

Исследованиями, представленными в работе, было показано, что при оснащении форм светопрозрачными покрытиями в период с мая по август на всей территории Российской Федерации бетон через сутки набирает не менее 50 % от R28. В остальное время года прочность бетона через сутки с момента формования ниже 50% R28, и для набора бетоном более высокой прочности уже требуется выдержка изделий в формах в течение 1,5 суток в весенний период и 2 суток - осенью.

Для обеспечения суточного оборота форм в эти периоды разработано дополнительное оснащение форм либо индивидуальными парогенераторами, либо инфракрасными струнными нагревателями, которые монтируются внутри светопрозрачных покрытий.

В качестве энергосберегающего был отработан метод послойного бетонирования подготовок с укладкой на основание первоначально слоя сухой бетонной смеси, а затем бетонной смеси, затворенной водой, при котором, во-первых, за счет оттока влаги из верхнего затворенного слоя бетонной смеси в нижний слой из сухой смеси происходит твердение сухой смеси по мере ее насыщения водой и конструкция становится единой монолитной, во-вторых, при удалении влаги из слоя затворенного бетона понижается истинное водоцементное отношение и, как следствие, происходит упрочнение бетона в этом слое, и, в-третьих, сухая бетонная смесь предотвращает поступление влаги из грунта в свежеуложенную бетонную смесь при размораживании основания, что является предпосылкой для исключения операции по предварительному отогреву основания, если оно устойчиво, и наледи незначительны по толщине грунта.

Такой способ использования бетонных смесей был предложен в начале 80-х годов в НИИЖБ для бетонирования монолитных конструкций на пучинистых, мерзлых и вечномерзлых грунтах. Однако параметры способа в силу отсутствия конкретного заказа на его использование не были в то время отработаны.

Проведенные исследования, выполненные при непосредственном участии автора совместно с сотрудниками ВНИПИТеплопроект, показали, что способ наиболее целесообразен к применению при проектных классах бетона В7,5 и В15, а установленные параметры тепломассопереноса и проявление тепловыделения цемента в такой системе обеспечили нахождение оптимального соотношения слоя сухой смеси и затворенного бетона, при которых достигается монолитность всей конструкции с требуемыми проектными показателями и исключается необходимость в отогреве основания.

Выполнявшееся научно-техническое сопровождение строительства большинства объектов подтвердило достоверность принятых решений по формированию потребительских свойств бетона, о чем косвенно свидетельствовали высокая степень совпадения расчетных и экспериментально замеренных данных по изменению температур твердеющего бетона и отсутствие дефектов в конструкциях при соблюдении положений настоящей работы.

Кроме того, был выявлен ряд неучтенных проявлений температурного фактора, на основании которых в последующем корректировались положения регламентов.

ВЫВОДЫ

1. При применении интенсивных строительных технологий решение важной хозяйственной и технической проблемы по обеспечению стабильной, долговечной работы транспортных коммуникаций из монолитного и сборно-монолитного железобетона потребовало качественно нового комплексного подхода к учету целой гаммы теплофизических процессов, сопровождающих твердение бетона и влияющих на формирование как его функциональных потребительских свойств, так и на приемы практической реализации проектных решений, и привело к необходимости рассмотреть условия создания транспортного сооружения как термодинамическую систему взаимодействующих компонентов, входящих в цикл его проектирования, возведения и эксплуатации.

2. Разработана структурно-иерархическая схема термодинамической системы строительства транспортного сооружения из монолитного и сборно-монолитного железобетона, отражающая проектирование и этапы возведения конструкций, с установленными закономерностями взаимосвязи сопровождающих эти этапы технологических, физико-механических, термодинамических и тепломассообменных процессов, и многоуровневая система формирования потребительских свойств сооружения и мониторинга их обеспечения, гарантирующие его долговечность и рациональность возведения.

3. На базе современной микропроцессорной техники создана автоматизированная дифференциальная калориметрическая установка и на основании установленных на ней закономерностей отработаны методологические изменения в программном комплексе ЦНИИС, обеспечившие надежность и достоверность результатов проводимых исследований при изучении параметров твердеющего бетона в условиях нестационарности тепломассообменных процессов и неритмичности технологических этапов возведения сооружений. Экспериментально изучены закономерности тепловыделения при гидратации цемента в бетонах, проектируемых с использованием современных модификаторов, которые выявили изменения только в кинетике процесса.

4. Оценена особенность воздействия температурного фактора на формирование функциональных потребительских свойств бетона как материала при разной массивности конструкций, выделены условия возникновения существенной неравномерности температур, варианты с опасностью разогрева бетона до температуры выше 70 оС, отработаны варианты эффективного снижения величины максимального разогрева твердеющего бетона в массивных конструкциях за счет применения составов бетона с отработанными для этих целей модификаторами и определены, в зависимости от массивности конструкций, условия выдерживания бетона в холодные периоды года без применения обогреваемых технологических укрытий, обеспечившие снижение трудозатрат и рациональное использование оборудования.

Показано, что неблагоприятное развитие температур в процессе твердения бетона можно предупредить на стадии проектирования конструкции путем поиска оптимального соотношения между ее конфигурацией и несущей способностью.

5. Впервые изучены особенности влагопотерь при взаимодействии бетона с окружающей средой в процессе его послойной укладки, подтверждена высказанная гипотеза о возможности перераспределения влаги в бетоне при совместном виброуплотнении укладываемых слоев и установлены ограничительные параметры по влагопотерям бетона в процессе укладки бетонной смеси дифференцированно от положения слоя бетона в конструкции.

6. Определены особенности формирования собственного термонапряженного состояния бетона для условий поэтапного возведения конструкций тоннельного типа и разработаны способы увеличения размеров бетонируемых захваток (блоков) длиной до 40,0 м за счет комплекса теплотехнических приемов, обеспечивающих в 1,5 - 2,0 раза сокращение сроков строительства (патенты на изобретение № 2208093 и № 2246588).

7. На основе результатов математического моделирования условий строительства монолитных железобетонных неразрезных плитно-ребристых пролетных строений мостов и эстакад разработан способ выравнивания температур и повышения однородности физико-механических характеристик бетона, обеспечивающий снижение риска образования неблагоприятных температурных напряжений путем применения опалубок и тепловлагозащитных покрытий с переменным термическим сопротивлением (патент на изобретение № 2143047).

8. Комплексное обобщение результатов изучения развития температур в процессе возведения сооружений из монолитного железобетона показало, что вопрос о снижении неблагоприятных температурных напряжений должен решаться на основании индивидуальных исследований, учитывающих все направления влияния внутренних и внешних тепломассообменных процессов при твердении бетона в конструктивных элементах.

9. Разработана система автоматического управления процессом поддержания требуемого температурного режима твердеющего бетона на базе специально созданного микропроцессорного устройства СПК 430, предназначенная для управления выдерживанием бетона маломассивных конструктивных элементов и обеспечивающая требуемый ритм технологического потока на основе регулирования температурным режимом твердеющего бетона по его изменяющейся температуре и прочности, гарантирующая исключение риска нештатных ситуаций, приводящих к перегреву бетона.

10. Для устройства протяженных немассивных конструкций типа бетонных подготовок отработаны параметры способа бетонирования с укладкой слоя сухой бетонной смеси, а затем затворенной, при которых обеспечивается твердение сухой смеси за счет прогнозируемого и управляемого стока влаги из вышележащего слоя затворенного бетона, гарантируется достижение проектных требований к бетону по всей толщине конструкции, снижение расхода цемента до 50 кг/м3 в затворенной бетонной смеси и исключается в холодный период года необходимость предварительного отогрева основания.

11. Впервые для регионов Российской Федерации определены рациональные границы использования солнечной энергии для ускорения твердения бетона при изготовлении нестандартных изделий сборного железобетона на строительной площадке, располагаемой непосредственно в зоне возводимого объекта или при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.