удк 693.547.3 температурные перепады и градиенты в бетоне

УДК 693.547.3
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПЕРЕПАДЫ И ГРАДИЕНТЫ В БЕТОНЕ
ПРОГРЕВАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Барамысова Зауре Маратовна
Магистрант ЕНУ им. Л.Н.Гумилева, г. Астана
Научный руководитель – д.т.н., проф. Толкынбаев Т. А.
В качестве понятия температурного градиента чаще всего употребляют значение
частного от деления производной температуры на производную расстояния dT/dL. Однако
для экспериментальных исследований при изменении в натурных конструкциях и
регулировании градиентов эту величину использовать невозможно. Поэтому А.В.Лыковым
предложены и в данной работе нами приняты значения температурных градиентов в бетоне
как частное от деления конечных малых величин T/L.
Еще в 1934 году В.С.Лукьяновым были предложены предельно допустимые значения
температурных
градиентов,
равные
0,15°С/см,
которые
должны
обеспечить
трещиностойкость конструкции большой массивности.
С.А.Миронов считает, что в различных точках прогреваемых конструкций
температура бетона не должна отличаться более чем на 15°С по длине и на 10°С по сечению.
В исследованиях, проведенных Б.А.Крыловым, при размещении стрежневого
электрода в плоскости хомута высокая неравномерность в температурах наблюдается в
начале прогрева и достигает в пределах расстояния между хомутами более 50°С. Через 4 часа
после прогрева перепад температуры достигает 70°С, что создает опасность пересушивания
бетона в приэлектродных зонах. Иначе формируется тепловое поле при расположении
стержневых электродов между хомутами. В этом случае перепад температуры в начале
прогрева не превышает 25°С, а через 4 часа прогрева возрастает до 55-60°С.
Б.А.Крылов и А.Ф.Кравченко отметили, что больше температурные перепады,
наблюдаемые при контактном электропрогреве конструкции связаны с подводом тепла
только к поверхностным слоям бетона и постепенным поступлениям его во внутренние слои
кондуктивно в соответствии с коэффициентом теплопроводности материала.
Эксперименты, проведенные В.С.Абрамовым показали, что при периферийном
электропрогреве характер изменения перепадов температур по сечению конструкций в
процессе разогрева, не зависит от размера и схемы подачи энергии и определяются, главным
образом, скоростью подъема температуры.
При разогреве конструкций со скоростью 5-10°С/час характер изменения перепадов
температур во времени как при одностороннем, так и при двухстороннем расположении
электродов одинаков. Максимальные температурные перепады формируются через 4-6 часов
разогрева и уменьшаются к моменту начала периода изотермического прогрева.
При скорости разогрева 15°С/час перепады температур возрастают практически с
постоянной скоростью, и достигают максимума к моменту окончания разогрева.
80
Поскольку перепады температур в пределах периферийного слоя невелики и основное
изменение кривой распределения температур приходится на ядро, причем, распределение
температур не подчиняется прямолинейному закону, то представляется более обоснованным
оценивать равномерность температурного поля по величине температурного перепада в ядре
конструкции.
И.Б.Заседателевым при проведении натурных термометрических исследований и при
электропрогреве бетона в оболочке башенной градирни, наибольший перепад температур
отмечен по высоте пояса. Разность температуры между центральными и торцовыми зонами
прогреваемого метрового пояса составляла, 40-60°С. Предложены несколько мероприятий,
для обеспечения высокого качества рабочих швов, а также по снижению температурных
перепадов при электропрогреве высотных сооружений.
Как показали исследования при одноярусном обогреве в зоне рабочих швов
телебашни в зимних условия разность температур между центральной зоной и верхним
торцом пояса (при расчетной температуре наружного воздуха -20°С составила 40-50°С).
Новая конструкция термовкладышей, разработанная в ВНИПИТеплопроекте в значительной
степени компенсирует теплопотери через торцы обогреваемого пояса бетона и снижает
температурный перепад по высоте пояса до 15-20°С.
Под руководством С.Г.Головнева были проведены натурные исследования на
объектах Челябинского металлургического и тракторного заводов, где с применением
различных способов бетонирования в зимних условиях фундаменты под металлоконструкции и технологическое оборудование. При применении плавающих электродов,
уложенных в основании фундаментов, перепады температуры достигали 40°С. По мнению
авторов, в бетоне с предварительно разогретой смесью возникающие в начальный период
значительные перепады не опасны. Это происходит вследствие того, что в начальный период
структурообразования в кристаллическом каркасе возникают пластические шарниры, которые могут гасить температурные напряжения.
В.Д..Топчием приведена формула для расчета величины температурного перепада в
бетоне на контакте с термоактивной опалубкой из водостойкой фанеры. По его расчетам,
максимальный перепад между ядром и периферией при модуле опалубливаемой
поверхности выше 2,5 не должны превышать 30°С.
Б.М.Красновский предлагает, что предельно допустимый температурный перепад,
согласно полученной графоаналитической зависимости может быть повышен для
конструкций с Мп до 5 при коэффициенте армирования 0,01 до 30°С, и при коэффициенте
армирования 0,03 до 40°С вместо допустимого по СНиП Ш-5-76 перепада 20°С. Для
конструкции с Мп более 5 предельный перепад может быть повышен до 40°С при
коэффициенте армирования 0,01 и до 50°С при коэффициенте 0,03 вместо допустимого по
действующим СНиП перепада 30°С.
В ряде литературных источников проведены аналитические зависимости для
определения температурных перепадов в бетоне сборных железобетонных конструкций в
процессе их тепловлажностной обработки, в том числе в период остывания бетона. По
данным авторов, расчет с использованием этих зависимостей позволяет получить хорошую
сходимость с результатами экспериментов.
Специалисты приводят данные о том, что при использовании стержневых электродов
для электропрогрева армированных конструкций разница температуры в бетоне в конце ее
подъема температура может достигать 40...60°С
К.М.Королев приводит пример электропрогрева железобетонных конструкций, в
процессе которого температурные перепады достигали 50...60°С.
Л.И.Абрамов предложил формулы, основанные на теории теплопроводности и
ограничении температурных перепадов для определения оптимальных параметров
электронных систем, используемые в зимних условиях для электропрогрева массивных
бетонных сооружений. Им разработано устройство для ограничения температуры прогрева и
температурных перепадов в массивных конструкциях.
81
С.А.Шифрин, И.В.Дудников и другие сотрудники ВНИПИТеплопроекта указывают,
что при интенсивном энергетическом воздействии, т.е. в случае большой скорости подъема
температуры, неравномерность температурного поля в прогреваемых конструкциях,
специальных высотных сооружениях, достигает 80°С.
В то же время при малых скоростях подъема температуры, например, в условиях
прогрева бетона, при воздействии солнечной радиации, температурные перепады не
превышают 14...16°С.
Б.А.Крылов отмечает, что при больших температурных градиентах по сечению
прогреваемой конструкции, характерных для кондуктивного подвода тепла, а также
возникающих при локальных перегревах в случае неправильной расстановки электродов или
нагревательных устройств, может иметь место усиленный массоперенос, приводящий к
обезвоживанию отдельных участков. Это тормозит нормальное протекание процесса
твердения и отрицательно сказывается на физико-механических показателях бетона.
При электропрогреве бетона в укрытой форме после обезвоживания приэлектродной
зоны возникает градиент влагосодержания, имеющий противоположные направления с
градиентом температуры. При электропрогреве конструкций и изделий с открытой
поверхностью возникает высокий термоградиент между бетоном приэлектродной зоны и
средой, что приводит к усиленному испарению влаги и обезвоживанию бетона.
Автор считает, что при стационарном состоянии теплообмен может быть определен с
помощью известного уравнения теплопроводности Фурье, согласно которому тепловой
приток пропорционален градиенту теплоты.
При электропрогреве, когда подъем температуры материала происходит в течение
всего периода термообработки, сохраняется температурный градиент между бетоном и
средой.
В работе Б.А.Крылова и А.Ф.Кравченко отмечено, что большие температурные
градиенты приводят не только к неравномерному твердению бетона и приобретению им в
процессе тепловой обработки разной прочности, но и создает термонапряженнное состояние,
которое обуславливает появление в материале микротрещин, а в отдельных частях
конструкций визуально наблюдаемых трещин. Эксперименты, проведенные авторами,
показали, что температурные градиенты достигают наибольшей величины в период подъема
температуры, и приближается к нулю, в период изотермического выдерживания. При
контактном обогреве в плите толщиной 50 мм через 1 ч после прогрева температурные
градиенты достигли 3,4°С/см, а через 3 ч их величина составила 1,6°С/см.
По мнению С.А.Александровского, при изотермическом разогреве бетонного массива
с одной стороны, снижается его способность к выравниванию градиентов температуры с
другой стороны, повышается его теплоотдача с открытых поверхностей. Сочетание этих
обстоятельств оказывает неблагоприятное воздействие на напряженное состояние массива,
повышая неравномерность распределения температуры в нем и способствуя развитию
температурных напряжений.
С.В.Александровский и Е.А.Коган исследовали предельное термонапряжение,
свободное по торцам длинных бетонных циллиндров, диаметром 30-70см, имеющих по
центру отверстие диаметром 7,8 см. С помощью электронагревателя через это отверстие в
центре создается перепад температуры, изменяемое ере ней значения градиента
температуры, достигало 1,69°С/см.
Ю.М.Баженов считает, что при тепловой обработке необходимо стремится, чтобы
градиенты температуры и влажности были бы минимальными или, во всяком случае, ниже
предельных, при которых начинается заметная деструкция бетона. Значения предельных
градиентов зависят от прочности структуры бетона к моменту начала нагрева и других
факторов и могут определяться опытным путем.
С.Г.Головнев установил, что при использовании предварительно разогретой смеси
наибольшие температурные градиенты в бетоне наблюдаются в первые часы после
бетонирования. Через 10...15 часов они снижаются до 0,5°С/см. По мнению С.Г.Головнева,
82
при прогреве бетона в конструкции температурные градиенты меньше, чем при
использовании предварительно разогретых бетонных смесей.
Как показывают исследования Г.А.Айрапетова, влагопотери из бетона
обуславливаются температурными и влажностными градиентами, причем влияние
влажностных градиентов определяющее. Предложены аналитические зависимости для
прогнозирования температурных полей и температурных градиентов в твердом бетоне в
процессе его тепловой обработки.
В.С.Абрамов расчетным путем показал, что при предельно допустимых значениях
температурных градиентов 0,15 и 1,0°С/см трещиностойкость конструкций, подвергаемых
периферийному электропрогреву, обеспечивается при их толщине не более соответственно
2,5 и 0,4 м.
В специальной литературе имеются некоторые положения о зависимости влагопотерь
бетона от температурных градиентов в нагреваемой конструкции.
Исследования Н.Н.Данилова показали, что при инфракрасном обогреве бетона, в
процессе которого, значения температурных градиентов при равных условиях даже
несколько больше, чем при периферийном электропрогреве, после потери бетона свыше 35%
воды затворения, не происходит нарастания его прочности.
Ю.Горяйнов и Б.Д.Тринкер утверждают, что при совпадении направления
температурных градиентов влажности воды в бетоне движутся в том же направлении. В
результате возникающих градиентов температуры и влажности в бетоне образуются
капилляры, направленные из центра к периферии.
По мнению специалистов, направление и интенсивность перемещения направляемой
влаги определяются величинами температурных и влажностных градиентов, как в бетоне,
так и между бетоном и окружающей средой.
В.П.Ганин считает, что интенсивность испарения не прямопропорциональна
градиенту температуры, а растет несколько быстрее.
Возрастающая температура бетона при термообработке приводит, как правило, к
увеличению значений температурного градиента и значительно облегчая этим путь к ее
испарению.
Согласно экспериментальным данным А.В.Зыскина наличие температурных
градиентов в прогреваемых изделиях из грунтосиликата вызывает миграцию влаги внутри
бетона.
Анализ литературных данных показывает, что при электротермообработке бетона
наблюдаются значительные температурные перепады в прогреваемых конструкциях.
Некоторые специалисты исследовали температурные градиенты в бетоне, однако, лишь с
целью исключения образования трещин в конструкциях.
Таким образом, анализ литературных источников позволяет сделать следующие
выводы:
независимыми
традиционными
параметрами
температурного
режима
электротермообработки бетона являются скорость подъема температуры и температура его
изотермического прогрева;
- стальная арматура в железобетонных конструкциях существенно влияет на
неравномерность температурного поля при электропрогреве бетона;
- в литературе отсутствуют данные о количественном влиянии температурных
градиентов в прогреваемом бетоне на его строительно-технические свойства.
83