Методы регулирования теплового режима бетона при ускоренном возведении железобетонных элементов пилонов вантовых мостов

Актуальность темы

Последние годы ознаменованы значительными изменениями в области строительства объектов различного назначения — произошло существенное сокращение выпуска конструкций из сборного железобетона, в то время как объёмы применения монолитного железобетона многократно возросли. Повсеместное его использование идёт в комплексе с применением современных технологий, которые позволяют в кратчайшие сроки возводить транспортные, промышленные и гражданские сооружения практически любой архитектурной формы и размеров. Очевидно, что в настоящее время в большинстве случаев альтернативы «монолиту» нет, по крайней мере, с точки зрения стоимости и выразительности объектов.

В мостостроении так же в последнее время всё более широкое применение находят монолитные железобетонные конструкции вантовых мостов, в которых всё чаще вместо металлических пилонов используют железобетонные, имеющие лучшие эксплуатационные показатели: Пилоны мостов испытывают различные нагрузки, в том числе динамические, поэтому к качеству этих конструкций предъявляют повышенные требования с позиций обеспечения прочности, надёжности и долговечности. По своей конструкции они отличаются довольно разнообразным строением и поэтому различают А-образные, П-образные, и-образные, одностоечные и другие типы пилонов. Имеющие перемершую массивность по высоте и обладающие высокой архитектурной выразительностью, А-образные опоры являются наиболее сложными" и содержат конструктивные. элементы, встречающиеся в других типах конструкций: Опоры подобного типа используют так же при строительстве стадионов, различных зданий больших размеров (крытых катковстадионов, киноконцертных залов, торгово-развлекательных центров и т. п.) и других ответственных сооружений. В связи с этим, решение задач по обеспечению высокого качества возведения А-образных пилонов позволяет в известной мере решить эти задачи и для пилонов других типов.

Практика показывает, что основной причиной трещинообразования в бетоне на стадии возведения подобных объектов являются температурные деформации, вызванные влиянием тепловыделения цемента на температурный режим бетона, колебаниями температур наружного воздуха и условиями теплообмена конструктивных элементов с окружающей средой. Кроме этого определённый вклад в появление трещин вносят наличие разной массивности конструкций по высоте, сложная геометрическая форма в горизонтальных сечениях и применение при строительстве бетонов высоких классов. Поэтому предупреждение трещинообразования от различного вида температурных воздействий, вызванного особенностями внешнего и внутреннего теплообменов в железобетонных пилонах сложной формы на стадии их возведения, с целью обеспечения высоких потребительских свойств всей конструкции, ставит на сегодня в мостостроении важную и актуальную задачу, которая предопределила цель настоящей работы и направление проведения исследований.

Другим достаточно важным моментом является медленное остывание бетона ввиду разогрева от экзотермии цемента, значительно удлиняющее время ухода за массивом и увеличивающее сроки возведения высоких конструкций, что приводит к удорожанию строительства объекта. Поэтому в условиях рыночной экономики особую актуальность приобретают вопросы управления температурным режимом твердеющего бетона, направленные на ускорение технологического процесса в условиях переменных климатических воздействий без снижения качества возводимых сооружений.

Рассмотренные выше проблемы наиболее ярко проявились при строительстве моста через реку Оку на обходе города Муромагде наряду с обеспечением требований по прочности, надёжности и долговечности возникла необходимость создания технологий, обеспечивающих ускоренное возведение пилонов.

Целью настоящей работы является разработка методов регулирования температурного режима твердеющего бетона разномассивных по высоте элементов А-образных пилонов вантовых мостов при их ускоренном возведении, основанных на учёте особенностей формирования теплового и термонапряжённого состояния конструкций на стадии твердения бетона, и обеспечивающих формирование в них требуемых потребительских свойств, в частности высокой трещиностойкости.

Для получения необходимых результатов потребовалось решить следующие задачи: провести анализ научно-технической литературы по рассматриваемому вопросу, необходимый для глубокого понимания причин трещинообразования и разработки эффективных методов его предупрежденияизучить конструктивно-технологические особенности возведения пилоновуточнить технологические особенности бетонирования пилонов в плане и по высоте, которые обеспечивают трещиностойкость бетонаопределить возможность замены на современном этапе традиционных составов бетонных смесей на смеси с добавками поликарбоксилатов при использовании принятых проектом решений пилоновисследовать закономерности разогрева и остывания разномассивных конструктивных элементов нижних частей пилонов при выдерживании бетона в обычной опалубке и в опалубке с различной величиной термического сопротивления тепловой изоляции, необходимые для разработки методов регулирования температурного режима и определения сроков выдерживания твердеющего бетонаопределить величину допустимых перепадов температур разогретых блоков и укладываемой бетонной смеси, обеспечивающих бездефектное бетонирование пилоновисследовать закономерности изменения температурного режима и сроки остывания нижних ярусов верхних частей пилонов, необходимые для разработки методов регулирования температурного режима твердеющего бетона и определения сроков их возведенияразработать и обосновать метод снижения разогрева бетона, направленный на сокращение сроков оборачиваемости переставной опалубки «PERI» и не допускающий появления трещин в твердеющем бетоне при возведении нижних ярусов верхних частей пилоновуточнить параметры выдерживания твердеющего бетона маломассивных конструктивных элементов пилонов.

Методика проведения исследований предполагает использование теоретических и экспериментальных методов. Теоретические методы основываются на применении программы ZA, при помощи которой исследовался температурный режим твердеющего бетона. Для экспериментальных исследований использовались термопары и многоканальный терморегистратор «ТЕРЕМ-3». Для определения прочности бетона в лаборатории применялся гидравлический пресс П250, а на объекте — неразрушающий ударно-импульсный метод с помощью прибора «ОНИКС-2.3». Кроме того проводились натурные обследования возводимых конструктивных элементов пилонов на объекте. Научная новизна работы состоит в следующем: установлено, что только комплексное регулирование параметров внешнего теплообмена твердеющего бетона с окружающей средой в сочетании с регулированием внутреннего теплообмена в изделии может обеспечить предупреждение появления температурных трещин при ускоренном возведении разномас-сивных по высоте конструктивных элементов пилоноввыявлены особенности формирования собственного термонапряжённого состояния в бетонируемых массивах сложной конфигурации и предложены методы их учёта при назначении расчётных допустимых перепадов температур при выдерживании бетонаустановлены закономерности изменения температурного режима твердеющего бетона высоких классов массивов сложной конфигурации от величины термического сопротивления опалубки, обеспечивающие предупреждение трещинообразования за счёт правильного учёта расчётных допустимых перепадов температур, в том числе при стыковке разномассивных элементов пилоновразработана технология бетонирования нижних частей пилонов, предусматривающая разбивку конструкции на блоки бетонирования, имеющих большую массивность и сложную конфигурацию в плане, и возведение каждого блока за один приём по высоте, что обеспечивает высокое качество бетона при возведении опор вдали от берега и снижает трудоёмкость производства работустановлены зависимости остывания бетона высоких классов при охлаждении его водой с учётом расстояния между трубами, их диаметра, температуры и скорости движения воды, параметров бетона и окружающей средыопределён характер изменения температурного режима твердеющего бетона высоких классов и особенности образования в нём собственного термонапряжённого состояния в зависимости1 от назначаемой величины термического сопротивления тепловой изоляции в. элементах пилонов малой массивности.

Практическая значимость выполненной работы заключается в разработке системы регулирования температурного режима твердеющего бетона и методов бездефектного бетонирования при ускоренном возведении железобетонных конструкций сложной конфигурации, имеющих переменную массивность по высоте, которые включают: определение рационального термического сопротивления тепловой изоляции, обеспечивающего предупреждение появления температурных трещин в конструктивных элементах большой, средней и малой массивности, в том числе стыкующихся между собой и имеющих сложную конфигурациюопределение технических параметров системы водяного охлаждения нижних ярусов верхних частей пилоновопределение максимально допустимой температуры твердеющего бетона, при которой можно начинать бетонировать вышележащие ярусы конструкцииопределение максимально допустимых расчётных перепадов температур в твердеющем бетоне с учётом формирования остаточных напряжений, существенно превышающих величину принятых в технической литературе предельно допустимых 20 °C, позволяющих снизить расходы на устройство тепловой изоляции и сократить сроки выдерживания бетонаустановление зависимости тепловыделения бетона от экзотермии цемента при введении добавок на основе поликарбоксилатов.

Достоверность результатов исследований обеспечена применением современных методов экспериментальных и теоретических исследований, достаточно апробированных на практике строительства мостов и других транспортных и гражданских сооружений, а так же практическим использованием результатов при строительстве вантового моста через реку Оку. На защиту выносятся: установленные закономерности изменения температурного режима твердеющего бетона нижних частей, пилонов при его выдерживании в опалубке с различным термическим сопротивлением в зависимости от температур бетонной смеси, основания и окружающей среды, а так же методы их регулированиявыявленные особенности формирования собственного термонапряженного состояния бетона в пилонах и предложенные приёмы использования остаточных напряжений в твердеющем бетоне массивных и маломассивных конструктивных элементов конструкции для повышения их трещиностойкостиустановленные закономерности изменения температурного режима и сроков остывания твердеющего бетона нижних ярусов верхних частей пилонов, при использовании предложенной конструктивной системы водотрубного охлаждения в зависимости от температур воды, наружного воздуха, бетона, диаметра труб и их расположения, скорости прохождения охладителя по ним, а так же методы применения полученных данных для регулирования температуры и сокращения сроков оборачиваемости переставной опалубки.

Практическое внедрение. Полученные практические рекомендации реализованы при разработке технологических регламентов на производство подготовительных, опалубочных и бетонных работ различных конструктивных элементов пилонов, разработке и внедрении проекта охлаждения бетона водой с вертикальным расположением труб, а так же непосредственно при строительстве трёх пилонов вантового моста через реку Оку на обходе города Мурома, в процессе которого сократились сроки возведения объекта при высоком качестве работ.

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы представлялись: на 8-ой Международной научной конференции молодых учёных, аспирантов, студентов ДонНАСА в Украине, на заседаниях секции «Строительные материалы и изделия» Учёного совета ОАО ЦНИИСна технических совещаниях в ОАО «Мостотрест».

6.3. Выводы по главе 6.

1. Путём проведения экспериментальных исследований подтверждена достоверность предложенных методов регулирования разогрева бетона, в том числе с применением водотрубного охлаждения.

2. Установлены причины, влияющие на различия между расчётными и экспериментальными данными по определению параметров твердеющего бетона в процессе его выдерживания.

3. С помощью экспериментальной проверки разработанных мероприятий по обеспечению ускоренного возведения пилонов вантового моста из бетонов высоких классов подтверждены зависимости, полученные в ходе проведения исследования в данной работе.

4. Показана экономическая эффективность проводимых работ с учётом современных требований, предъявляемых к транспортным сооружениям подобного типа. В результате чего доказано, что применение разработанных методик управления процессами, происходящими в твердеющем бетоне, выгодно не только с позиции времени, затраченного на процесс строительства объекта, но и с экономической точки зрения.

5. Опыт исследования теплового и термонапряжённого состояния твердеющего бетона показал, что вне зависимости от конструктивных и архитектурных особенностей разномассивных пилонов мостов, применительно к ним можно разработать различные методы защиты от возникновения температурных трещин даже с учётом ускоренных темпов строительства.

Заключение

.

1. Анализ научно-технической литературы показал, что в процессе возведения транспортных объектов в них возникают большие перепады температур, вызывающие в бетоне растягивающие усилия, которые приводят к появлению трещин. На основании исследований температурного режима бетона конструкций установлено, что появление трещин в элементах может наблюдаться не только в период остывания, но и во время разогрева твердеющего бетона.

2. Учитывая особенности внешнего теплообмена между конструкцией и окружающей средой, установлены закономерности изменения температурного режима твердеющего бетона высоких классов разномассивных блоков сложной конфигурации нижних частей пилонов от величины термического сопротивления опалубки и возможности его регулирования для обеспечения трещиностой-кости массива.

3. Установлены особенности формирования собственного термонапряжённого состояния бетона разномассивных элементов пилонов и предложены методы их использования для увеличения допустимых температурных перепадов при выдерживании бетона, позволившие снизить расходы на устройство тепловой изоляции.

4. Обоснованы принципы назначения мощности тепловой изоляции в зависимости от архитектуры объекта и определено её числовое значение, обеспечивающее трещиностойкость бетона в сложных конструктивных элементах большой, средней и малой массивности, в том числе при их взаимном стыковании.

5. С целью интенсификации процессов возведения объекта, определена максимально допустимая температура твердеющего бетона захватки, при которой возможно укладывать бетон надлежащего яруса конструкции с учётом обеспечения трегциностойкости бетона и формирования благоприятного собственного термонапряжённого состояния.

6. Определены технические параметры системы принудительного охлаждения нижних массивных ярусов верхних частей пилонов, возводимых из бетонов высоких классов, по результатам которых предложена система водотрубного охлаждения.

7. Установлены закономерности остывания бетона при использовании водотрубного охлаждения, позволяющего регулировать процессы внутреннего теплообмена, в зависимости от расстояния между трубами и их диаметра, температур воды, бетона, окружающей среды и скорости движения охладителя по трубам.

8. Разработанные методы позволили произвести одновременное бетонирование массивных блоков нижних частей пилонов высотой более 10 м, а так же выполнить устройство массивных нижних ярусов верхних частей пилонов, сократив сроки выдерживания бетона с 50 до 12−14 дней и обеспечив требуемую трещиностойкость.

9. При выполнении работы так же был решён ряд вопросов, связанных с методологией исследования термонапряжённого состояния монолитных конструкций:

— уточнены методики расчёта на ЭВМ трубного охлаждения бетона с учётом регулирования внутреннего теплообмена;

— обобщены методы регулирования собственного термонапряжённого состояния бетона при расчётах температурных деформаций, возникающих в раз-номассивных конструктивных элементах пилонов;

— показана возможность постепенного увеличения величины термического сопротивления изоляции в период выдерживания конструкции в опалубке с целью регулирования собственного термонапряжённого состояния и снижения затрат на её устройство;

— учтено влияние добавок У^соО^е на основе поликарбоксилатов на изменение тепловыделения, усадки и меры ползучести бетонной смеси и показано, что величина тепловыделения пропорциональна расходу цемента на 1 м³ бетона;

— обоснована необходимость учёта климатологических факторов района строительства объекта при назначении параметров водотрубного охлаждения бетона.

10. Полученные в ходе проведения работы результаты были использованы при строительстве моста через реку Оку на обходе города Мурома, где возведённые пилоны не имели трещин, а также рекомендованы для использования в качестве основополагающих для других ответственных транспортных, промышленных и гражданских сооружений.