А.И. Гныря, С.В. Коробков, В.И. Терехов. Внешний тепло

Внешний тепло-и массообмен при бетонировании
конструкций в зимних условиях
А.И. Гныря, д.т.н., профессор, С.В. Коробков, к.т.н., доцент,
В.И. Терехов, д.т.н., профессор
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск
В нашей стране, особенно в таких районах как Западная и Восточная
Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север, строительно-монтажные работы
предъявляют повышенные требования к строительным материалам, ведущее
место среди которых по-прежнему занимают бетон и железобетон. Эти районы
отличаются суровыми климатическими условиями (продолжительность зимнего
периода более 8 месяцев, температура наружного воздуха до –30…-50 оС,
большая скорость ветра до 10…15 м/с, снежные заносы), которые отрицательно
влияют на технологию бетонных работ в условиях зимы.
Зима каждый год приходит на строительную площадку и ставит перед
строителями много проблем, которые приводят к большим дополнительным
людским и энергетическим затратам. При строительстве в зимних условиях
дополнительные расходы в целом составляют порядка трети расходов
потребляемой энергии на весь объект. Изготовление железобетонных
конструкций высокого качества в зимних условиях возможно при создании
надлежащих благоприятных условий для твердения бетона.
Для обеспечения набора прочности бетона до замерзания нормативными документами
Госстроя СССР узаконен целый ряд методов производства бетонных работ в зимних условиях.
К ним относятся: термос, электротермообработка, производство бетонных работ с
химдобавками, конвективная тепловая обработка бетона паром, горячим воздухом и продуктами
сгорания газа и др.
Выбор метода зимнего бетонирования зависит от многих факторов и
диктуется технологическими и экономическими соображениями. При этом
одним из главных показателей является расход электроэнергии на 1 м3 бетона,
уложенного при отрицательной температуре.
Прогнозирование режима тепловой обработки и обеспечения набора прочности бетона
монолитных конструкций в зимних условиях является весьма актуальной задачей и должно
осуществляться с учетом физических, климатических, экономических, энергетических, а также
конструктивно-технологических факторов. На VIII Всесоюзной конференции по бетону и
железобетону, состоявшейся в 1977 году, было принято решение по дальнейшему исследованию
методов производства бетонных работ в зимних условиях с учетом совместного воздействия
отрицательной температуры и скорости движения ветра.
Таким образом, для решения выше поставленных задач необходимо
одновременно проводить исследования в области строительной климатологии,
теории теплопередачи и технологии производства бетонных работ в зимнее
время.
К настоящему времени установлено, что на формирование температурного поля в теле
бетона, а, следовательно, на его физико-механические свойства, большое влияние оказывает
теплообмен конструкций с внешней средой. Степень совершенства того или иного метода
зимнего бетонирования в основном зависит от условий внешнего теплообмена. Теплообменные
процессы наиболее интенсивно протекают в начальной стадии твердения бетона, поэтому
большое внимание уделяется изучению внешнего теплообмена свежеуложенного бетона. Одним
из главных параметров, влияющих на процесс остывания бетона, является коэффициент
теплоотдачи .
На рис. 1 приведена классификация физических, климатических, конструктивных и
технологических параметров, влияющих на процесс остывания бетона в зимних условиях.
Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на процесс остывания
бетона
в зимних условиях
К физическим факторам, определяющим способы потери теплоты,
относятся унос теплоты конвекцией, лучеиспусканием, теплопередачей или
испарением. Интенсивность конвективного теплообмена зависит в основном от
скорости ветра, а лучеиспускание – от разности температур.
К климатическим факторам относятся температура окружающей среды, скорость ветра и
его направление, влажность, барометрическое давление.
Конструктивные факторы включают в себя конфигурацию конструкции и ее
геометрические размеры (прямоугольник, квадрат, куб, плита, пластина, призма и т.д.),
конструктивные особенности опалубки (наличие ребер, уступов и т.д.).
Технологические факторы включают в себя начальную температуру уложенного бетона,
марку цемента, водоцементное отношение, расход цемента, экзотермию цемента,
местоположение конструкции (в котловане, траншее, на поверхности земли, за экраном,
уступом, одиночно стоящая или в тандеме с подобными плохообтекаемыми конструкциями).
Исследованиями влияния вышеперечисленных факторов на внешний теплообмен
бетонных конструкций с внешней средой, а, следовательно, и на интенсивность остывания
бетона в зимних условиях кафедра «Технология строительного производства» Томского
государственного архитектурно-строительного университета занимается на протяжении 30 лет.
За это время исследования проводились в Институте теплофизики СО РАН в г.
Новосибирске, Томском и Новосибирском государственном архитектурно-строительном
университетах, НИИЖБе Госстроя России, институте интроскопии Томского политехнического
университета, НИИСМе ТГАСУ. 10 лет назад на кафедре ТСП была создана своя лаборатория
тепло-и массообменных процессов. На протяжении трех десятилетий в университете по
данному направлению сформировалась научная школа во главе с д.т.н., профессором А.И.
Гнырей. За это время на кафедре ТСП защищено 17 кандидатских диссертаций, в том числе 12
диссертаций по технологии бетонных работ в зимних условиях и одна докторская диссертация.
Кандидатские диссертации защитили Осауленко, Э.К. Деев, А.П. Шешуков, А.В. Злодеев, П.Е.
Иванов, К.Е. Кузьмин, И.А. Подласова, С.Д. Витько, А.П. Кардаш, Р.И. Быструшкина, С.В.
Коробков.
В настоящее время кафедра ТСП тесно сотрудничает с лабораторией термогазодинамики
Института теплофизики СОРАН г. Новосибирска в лице ее заведующего д.т.н., профессора В.И.
Терехова.
Что дают эти исследования для строительных организаций? Полученные
нами результаты трансформируются в графики, номограммы или таблицы, в
которых указывается какой должен быть режим тепловой обработки бетона в
зависимости от скорости и направления ветра, от перепада температур между
бетоном и окружающим воздухом, формы конструкции и ее местоположения,
вида опалубки. Эти данные позволяют регулировать режимы тепловой
обработки бетона возводимых конструкций с тем, чтобы исключить локальные
перегревы или недогревы в различных точках конструкции. Этим самым
добиваться равномерного распределения температур по сечению конструкции и
получения бетона требуемого качества.
В настоящее время ведется работа по разработке другого направления
работы лаборатории. Накопленный сотрудниками нашей лаборатории опыт
позволил сделать предположение, что эти же принципы теплообмена можно
перенести и на целые здания и сооружения. Поэтому планируется начать
исследования внешнего теплообмена кварталов застройки зданиями с целью
создания в них оптимального микроклимата с точки зрения комфортности и
энергосбережения.
Мы уверены, что оптимальное расположение зданий при застройке
кварталов может снизить количество продуваемых зон и сократить потери тепла
в зданиях и сооружениях. Полученные в дальнейшем данные могут служить
исходным материалом в области
градостроительной политики при
проектировании новых городов и кварталов.