autoref-tekhnologiya-zimnego-betonirovaniya-stroitelnykh-konstruktsii-s-upravleniem-termoobrabotkoi- (1)

На правах рукописи
005014998
МОЛОДИН ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ
ТЕХНОЛОГИЯ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ С УПРАВЛЕНИЕМ ТЕРМООБРАБОТКОЙ БЕТОНА
ПУТЁМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ
05.23.08 -Технология и организация строительства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
1 2 [;|ДР 2G.2
Новосибирск 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюд­
жетном образовательном учреждении высшего профессиональ­
ного образования «Новосибирский государственный архитек­
турно-строительный университет (Сибстрин)»
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Колчеданцев Л.М.
доктор технических наук,
профессор Мосаков Б.С.
доктор технических наук,
профессор Скрипникова Н.К.
Ведуіцая организация:
ФГБОУВПО «Воронежский
государственный архитектурностроительный университет»
Защита состоится 20 марта 2012 г. в 14 часов на заседа­
нии диссертационного совета ДМ 212.171.02 при Новосибир­
ском государственном архитектурно-строительном университете
(Сибстрин) по адресу: 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская,
113, ауд.239.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке уни­
верситета.
Автореферат разослан «
2012г.
Ученый секретарь диссертационного
совета ДМ 212.171.02
(^Ж>-Т~~—
доктор технических наук, профессор ^-~~&
' Бернацкий А.Ф.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Непрерывно растущие объёмы капи­
тального строительства в районах с суровыми климатическими
условиями, а также требования ускоренного ввода строящихся
объектов в эксплуатацию привели к резкому увеличению объё­
мов зимнего бетонирования. Повышение требований к качеству
работ, дефицит и рост стоимости электроэнергии поставили
строителей перед необходимостью пересмотра традиционного
подхода, как к выбору метода зимнего бетонирования, так и к
расчетному обоснованию параметров выбранного метода. Как
известно, на качество бетона, укладываемого в зимних условиях,
решающее значение оказывает тепловлажностный режим вы­
держивания. Однако, переохлаждение, перегрев и неравномер­
ность температурного поля при разогреве и остывании свежеуложенного бетона ведут к деструктивным изменениям цемент­
ного камня, всего конгломерата в целом, и как следствие - к по­
тере прочности, вплоть до разрушения.
Требуемое быстрое твердение бетона в конструкции осуще­
ствляется, как правило, тепловой обработкой, обеспечивающей
достижение проектной прочности примерно в 2 0 - 3 0 раз быст­
рее, чем при температуре 20 °С. Вместе с тем, анализ состояния
дел в строительном комплексе при проведении зимних бетонных
работ показал, что при выполнении термообработки бетона
имеют место существенные противоречия между требованиями
действующих нормативных документов и имеющимися техни­
ческими средствами контроля для их выполнения. В частности,
температурные ограничения СНиП 3.03.01-87*, несмотря на их
чрезвычайную важность, практически невозможно гарантиро­
ванно выполнить во всех узлах объемной координатной сетки
конструкций. Особенно сложно это сделать в местах контакта
бетона с нагревателями и примыкания свежеуложенного бетона
к ранее забетонированным и уже остывшим конструкциям.
3
Почти во всех случаях термообработки имеет место перерас­
ход тепловой и, как следствие, электрической энергии сверх её
технически обоснованного уровня.
Установлено, что актуальной задачей зимнего бетонирования
массивных монолитных конструкций фундаментов является
обоснование такой технологии производства работ, которая по­
зволит максимально эффективно использовать естественное те­
пло, аккумулированное в талой части грунтового основания, и
искусственное тепло, внесенное в грунт при его предваритель­
ном оттаивании и прогреве.
При зимнем бетонировании среднемассивных монолитных
конструкций каркасов зданий - стен, колонн, плит перекрытий и
др. - актуальной является разработка технологии и соответст­
вующих средств контроля выполнения всех нормативных тем­
пературных ограничений, в том числе скорости перестройки
температурного поля после включения и выключения нагревате­
лей.
Не менее актуальной, но в то же время весьма сложной зада­
чей, является аргументированное обоснование технологии зим­
него бетонирования таких монолитных конструкций, как стыки
сборных железобетонных конструкций, в том числе нетиповых
стыков металлических и железобетонных элементов.
Для решения этих задач необходимо научно обосновать кон­
цепцию управления температурными режимами термообработки
бетона для наиболее распространённых способов зимнего бето­
нирования, например, для электродного прогрева и прогрева
электрическими нагревательными проводами. Безусловна важ­
ность гарантированного выполнения температурных ограниче­
ний действующих норм, при всей сложности практического ре­
шения этой задачи. Остро стоит вопрос максимально возможно­
го энергосбережения, как на стадии проектирования, так и непо­
средственно при производстве работ, за счет внедрения управ- ляемых температурных режимов выдерживания бетона с учетом
суточной динамики температуры воздуха, скорости и направле­
ния ветра, а также, исключения «человеческого» фактора. Важ­
ной задачей совершенствования бетонирования в холодную по-
4
году наряду с обеспечением заданной прочности и улучшением
физико-механических свойств бетона является сокращение про­
должительности и трудоёмкости производственного процесса,
экономия материалов и ресурсов. Всё это подчёркивает актуаль­
ность задачи научного обоснования и практической реализации
концепции системы автоматического управления тепловой об­
работкой бетона на базе персонального компьютера с использо­
ванием современных средств вычислительной математики и ин­
формационных технологий.
Настоящие исследования выполнялись в период с 1977 по
2009 годы и связаны с циклом работ по проблеме зимнего бето­
нирования. Данная диссертационная работа является развитием
и продолжением исследований НИИЖБа, ЦНИИОМТП, МГСУ,
НГАСУ, ТГАСУ, ЮУрГУ и других организаций по дальнейше­
му совершенствованию технологии зимнего бетонирования
строительных конструкций.
Цель диссертационной работы — создание технологии
управления термообработкой бетона монолитных конструкций
для обеспечения его высокого качества и долговечности при су­
щественном снижении расхода энергии до её технически обос­
нованного уровня с разработкой технических средств контроля
температурных ограничений путем практической реализации
управляемых температурных режимов разогрева, выдержива­
ния и остывания как на стадии технологического проектирова­
ния - методом компьютерного моделирования, так и на стадии
производства работ в условиях отрицательных температур.
Основная идея исследований состоит в нетрадиционном
решении актуальных задач проблемы зимнего бетонирования
монолитных строительных конструкций методом математиче­
ского моделирования сложных физических и организационнотехнологических процессов в сочетании с современными сред­
ствами вычислительной математики и современными информа­
ционными технологиями.
5
Задачи исследований:
1. Научное обоснование и практическая реализация техноло­
гии управления термообработкой бетона с режимами выдержи­
вания:
- в оптимальном температурном диапазоне с целью обеспе­
чения заданной прочности и высокого качества бетона путём
контроля среднеобъемной температуры твердеющей конструк­
ции и температуры в местах теплового контакта с нагревателями
и ранее забетонированными и уже остывшими конструкциями,
при существенном энергосбережении;
- в ступенчатом температурном режиме разогрева и осты­
вания бетона, снижающем (при необходимости) скорость пере­
стройки температурного поля после, соответственно, включения
или выключения нагревателей.
2. С использованием метода математического моделирования
сложных физических и организационно-технологических про­
цессов в сочетании с современными средствами вычислительной
математики и современными информационными технологиями
обоснование и практическая реализация:
• технологии управления термообработкой при зимнем бетони­
ровании фундаментов мелкого заложения и ростверков свайных
фундаментов при максимальном полезном использовании как
естественного тепла, аккумулированного в талой части грунто­
вого основания, так и искусственного тепла, внесенного в грунт
при его предварительном оттаивании и прогреве;
• энергосберегающей технологии зимнего бетонирования моно­
литных конструкций каркасов зданий (стен, колонн, балок, плит
перекрытий и др.) с рассмотрением альтернативных методов те­
пловой обработки бетона электрическими нагревательными про­
водами и электродным прогревом, с разработкой технических
средств (программных продуктов) контроля температурных ог­
раничений с помощью управляемых температурных режимов
разогрева, выдерживания и остывания бетона;
• двухэтапной управляемой технологии зимнего бетонирования
стыков сборных железобетонных конструкций, включающей
предварительный отогрев стыкуемых элементов и термообра-
6
ботку бетона замоноличивания, в том числе стыков металличе­
ских и железобетонных колонн.
3. Научное обоснование и практическая реализация концеп­
ции системы автоматического управления тепловой обработкой
бетона на базе персонального компьютера с созданием пакета
нестандартных (управляющих) программных продуктов и с ис­
пользованием результатов решения задач по п.2 для разработки
технического средства контроля температурных ограничений иа
стадии производства зимішх железобетонных работ
Научная новизна результатов исследований заключается в
создании научных основ и разработке технологических принци­
пов зимнего бетонирования строительных конструкций с управ­
лением термообработкой бетона моделированием температур­
ных режимов при гарантированном обеспечении высокого каче­
ства бетона, путём контроля допустимых скоростей изменения
температурного поля при разогреве и остывании в ступенчатом
температурном режиме и выполнении нормативных темпера­
турных ограничений, особенно в местах его контакта с нагрева­
телями и холодными поверхностями, а также при существенном
энергосбережении за счёт полезного использования тепловой
инерции бетона в оптимальном температурном диапазоне.
Лично автором получены следующие научные результаты.
1. Установлено, что математическое моделирование сложных
физических и организационно-технологических процессов по­
зволяет определять температуру и прочность бетона в любой
момент времени и в любом сечении конструкции.
2. Для реализации технологии управления термообработкой
бетона предложен широко используемый в системотехнике не­
традиционный инструментарий - алгоритмические диспетчеры позволяющий контролировать динамику температурного поля и
включением/выключением нагревателей или изменением элек­
трической мощности регулировать режим термообработки бето­
на для выполнения нормативных температурных ограничений.
3. Для электродного прогрева бетона в оптимальном темпера­
турном диапазоне разработан метод «тройного» управления
температурным режимом:
7
- управление температурным режимом непосредственно в
оптимальном температурном диапазоне своевременным вклю­
чением и выключением нагревателей;
- управлением тепловой мощностью, выделяющейся в бетоне
путём изменения напряжения или схемы коммутации электро­
дов;
- управление электрическим сопротивлением бетона путем
введения в него при необходимости противоморозной добавки .
По данным экспериментальных исследований получены урав­
нения регрессии, количественно характеризующие крайне важ­
ную для прогнозирования термообработки динамику удельного
электрического сопротивления бетона на Чернореченском порт­
ландцементе, затворенного как на воде, так и на растворах ос­
новных противоморозных добавок различной концентрации при
температуре выдерживания 30, 40, 50 и 60 °С.
4. С использованием метода математического моделирования
сложных физических и организационно-технологических про­
цессов, в сочетании с современными информационными техно­
логиями, предложена технология управления термообработкой
бетона при зимнем бетонировании фундаментов мелкого зало­
жения и ростверков свайных фундаментов с максимально полез­
ным использованием естественного тепла, аккумулированного в
талой части грунтового основания и искусственного тепла, вне­
сенного в грунт при его предварительном оттаивании и прогре­
ве.
5. Разработаны методы зимнего бетонирования монолитных
каркасных конструкций зданий - колонн, балок, стен и плит пе­
рекрытий с управляемой термообработкой на базе математиче­
ского моделирования и современных компьютерных технологий.
Обоснована и предложена схема выбора метода термообработки
бетона в конкретной конструкции с рассмотрением альтерна­
тивных вариантов: в термоопалубке, греющим проводом, сквоз­
ным или периферийным электродным прогревом. Причём на
стадии проектирования и производства работ контролируется и
регулируется процесс твердения бетона с соблюдением всех
температурных ограничений и учётом температурных полей в
8
конструкции, а также значений его среднеобъемной температу­
ры и температуры в местах контакта с ранее забетонированными
и промороженными конструкциями.
6. Предложена двухэтапная технология зимнего бетонирова­
ния стыков сборных железобетонных конструкций с управлени­
ем отогревом стыкуемых элементов и термообработкой бетона
замоноличивания, в том числе стыков сборных элементов из
разных материалов, основанная на компьютерном моделирова­
нии тепловых процессов. Обоснована методика прогнозирова­
ния характера твердения бетона заделки с контролем всех тем­
пературных ограничений на стадии проектирования и управле­
ния набором прочности и сцеплением стыкуемых поверхностей
с бетоном замоноличивания по всей конструкции.
Теоретическая значимость работы заключается в научном
обосновании управляемых температурных режимов теплового
воздействия на бетон в оптимальном температурном диапазоне и
ступенчатого температурного режима разогрева и остывания,
направленных на создание технологии управления термообра­
боткой бетона в различных строительных конструкциях с ис­
пользованием компьютерного моделирования процесса при бе­
тонировании в зимних условиях.
Практическая значимость результатов работы
1. Разработаны технические средства контроля режимов тер­
мообработки и температурных ограничений как на стадии про­
ектирования (с помощью разработанного пакета программных
продуктов), так и в процессе производства зимних бетонных ра­
бот (с помощью созданного устройства управления термообра­
боткой на базе персонального компьютера).
2. На объектах в г. Новосибирске практически реализованы:
• технология зимнего бетонирования фундаментных плит, оди­
ночных фундаментов и монолитных ростверков с учетом тепла,
аккумулированного в грунтовом основании, с разработкой ме­
тода расчетного обоснования предварительного оттаивания и
прогрева грунта с последующим выводом на печать масштабно­
го температурного поля в бетонируемой конструкции и основа-
9
нии, среднеобъемной температуры бетона и его температуры на
контакте с грунтом;
• технологии зимнего бетонирования монолитных каркасных
конструкций надземной части зданий (элементов монолитных
каркасов, стен, перегородок, плит перекрытий и др.)- При этом с
помощью созданных алгоритмических диспетчеров на стадии
проектирования контролируется соблюдение всех температур­
ных ограничений в конструкции, а на стадии производства ра­
бот осуществляется управление термообработкой;
* двухэтапная технология зимнего бетонирования стыков сбор­
ных железобетонных конструкций с расчетом электрической
сети нагревателей термоактивной опалубки (предварительный
прогрев и последующий малоинтенсивный обогрев стыкуемых
элементов), а также нагревателей бетона замоноличивания с
контролем всех температурных ограничений на стадии проекти­
рования и в процессе бетонирования. При этом сокращена тру­
доёмкость работ за счёт автоматизации производственного про­
цесса.
3. Сконструирована, изготовлена и испытана на практике сис­
тема автоматического управления тепловой обработкой бетона
на базе цифрового автоматического регулятора мощности и пер­
сонального компьютера. Производственные испытания экспе­
риментального образца системы показали возможность энерго­
сбережения до 30 % за счет полезного использования тепловой
инерции бетона при его выдерживании в оптимальном темпера­
турном диапазоне с автоматическим учетом суточной динамики
температуры воздуха, скорости и направления ветра при гаран­
тированном выполнении всех температурных ограничений на
стадии производства работ. Оригинальность разработки под­
тверждена патентом РФ на изобретение № 2322344 «Устройство
для автоматического регулирования температурного режима при
тепловой обработке монолитных железобетонных конструкций»
от 20.04.2008 г.
4. Создан комплект нормативных документов и программно­
го обеспечения для внедрения предложенных научно-
10
технических решений при осуществлении зимнего бетонирова­
ния.
Достоверность полученных результатов подтверждена их
широким внедрением в практику проектирования и производст-,
ва зимних бетонных работ на объектах г. Новосибирска и Ново­
сибирской области. Все расчёты для технологических регламен­
тов выполнены под руководством автора в ООО «ПИ Сибмашпроект».
Достоверность разработанных методов расчетного обоснова­
ния технологии подтверждена в процессе производства работ
при зимнем бетонировании фундаментной плиты администра­
тивно-торгового здания по ул. Добролюбова в г. Новосибирске
(2006 г.), плит-ростверков при реконструкции общежития под
жилой дом с офисными помещениями по ул. Залесского в г. Но­
восибирске (2007 г.), фундаментов жилого комплекса по ул. Во­
енной в г. Новосибирске (2008 г.), колонн, плит и диафрагм же­
сткости на строительстве административного здания на пересе­
чении улиц Свердлова-Советская в г. Новосибирске (зимой
2005/2006 г.), при зимнем замоноличивании стыков при возве­
дении административного здания по ул. Ленина в г. Новосибир­
ске (2006 г.), фундаментных блоков, монолитных ростверков,
стен и перекрытий при строительстве логистического комплекса
по ул. Омский тракт в г. Обь (2007 г.) и гостиницы на 149 номе­
ров в аэропорту «Толмачёво» (2007 г.).
На защиту выносятся:
1. Технологии управления термообработкой бетона в опти­
мальном температурном диапазоне и в ступенчатом темпера­
турном режиме при разогреве и остывании бетона.
2. Система алгоритмических диспетчеров, с помощью кото­
рых реализуется возможность практического управления тер­
мообработкой бетона в оптимальном температурном диапазоне
и в ступенчатом температурном режиме.
3. Технология зимнего бетонирования фундаментов мелкого
заложения, монолитных ростверков, каркасных конструкций
зданий и стыков сборных железобетонных конструкций с кон-
11
тролем всех температурных ограничений на стадии проектиро­
вания и в процессе бетонирования.
4. Система автоматического управления тепловой обработкой
бетона, регулирующая процесс термообработки в случае несов­
падения прогнозных и фактических условий производства.
Личный вклад автора. Все основные положения, результа­
ты и выводы принадлежат лично автору. Задачи по проблеме,
решаемой в диссертационной работе, ставились и решались ав­
тором на примерах конкретных объектов, строительство кото­
рых велось в г. Новосибирске. Лично автором:
1) освоен нетрадиционный метод решения актуальных науч­
но-технических задач проблемы зимнего бетонирования мето­
дом математического моделирования сложных физических и
организационно-технологических процессов на основе совре­
менных информационных технологий;
2) разработаны физические и математические модели теплофизических и организационно-технологических процессов с их
численной реализацией на примерах конкретных объектов;
3) предложена технология зимнего бетонирования с управле­
нием термообработкой твердеющего бетона;
4) основные результаты, полученные автором, внедрены в
реальное строительное производство на объектах, сооружаемых
в г. Новосибирске. При этом реализованы проектные решения с
расчетами по разработанным автором методикам (ООО «ПИ
Сибмашпроект») и бетонирование в зимних условиях зданий
различного назначения в г. Новосибирске и Новосибирской об­
ласти (ОАО «Вымпел», 0 0 0 «Евросити», ООО «СибСтрой» и
ОАО «Стройтрест № 43»);
5) результаты исследований автора внедрены в ФГБОУВПО
НГАСУ (Сибстрин) при обучении студентов по специальности
270102 «Промышленное и гражданское строительство».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной
работы доложены: на IV и V Всероссийских и на II Междуна­
родной научно-практических конференциях «Развитие вуза че­
рез развитие науки» (Тольятти, 2006, 2007 и 2008 гг.), на Все­
российской научной конференции «Математика. Механика. Ин-
12
форматика» (Челябинск, 2006 г.), на Международной научнопрактической конференции «Актуальные проблемы Транссиба
на современном этапе» (Новосибирск, 2007 г.), на IV Междуна­
родной научно-практической Интернет - конференции «Состоя­
ние современной строительной науки 2006» (Полтава, 2006 г.),
на Всероссийской научно-технической конференции «Актуаль­
ные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск, 2008 г.).
Публикации. Основные полученные результаты опублико­
ваны в 32 научных печатных трудах, в том числе в монографии и
14 статьях в журналах с внешним рецензированием (ж. «Бетон и
железобетон» - 3 статьи и ж. «Изв. вузов. Стр-во» - 11 статей), в
трудах 11 Международных и Всероссийских научнотехнических конференций, а также защищены пятью авторскими
свидетельствами СССР и одним патентом РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертаци­
онная работа состоит из введения, шести глав, основных выво­
дов и списка литературы из 268 наименований. Содержание дис­
сертации изложено на 335 страницах текста и содержит 105 ри­
сунков, 22 таблицы и приложения.
Автор выражает благодарность действительному члену
РААСНРФ д-ру техн. наук, профессору Крылову Б.А., д-ру техн.
наук, профессору НГАСУ (Сибстрин)\Uonoey Ю.А. \и д-ру физ.мат. наук, профессору НГАСУ (Сибстрин) Воскобойиикову
Ю.Е. за поддержку, ценные предложения и постоянную помощь
при выполнении настоящей работы, а так же канд. техн. наук,
доцентам Луневу Ю.В.и Андриевскому С.Н., аспирантам и ма­
гистрантам НГАСУ (Сибстрин) Усинскому Е.К., Паргачевскои
И.А., ПинаевойЮ.А. и Суханову А.С. за неоценимую помощь при
разработке и освоении новой технологии.
13
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертацион­
ной работы, сформулированы цель и методы решения постав­
ленных задач, изложена научная новизна и практическая значи­
мость выполненных исследований, а также приведены сведения
об апробации и внедрении основных результатов в практику
строительства.
В первой главе («Теоретические и технологические предпо­
сылки управления процессами выдерживания бетона в зимних
условиях») дан анализ состояния проблемы зимнего бетониро­
вания монолитных строительных конструкций. Приведённый
анализ сделан на основе теории зимнего бетонирования, ре­
шающий вклад в которую внесли С.А. Амбарцумян,
А.С. Арбеньев, Л.С. Авиров, B.C. Абрамов, С.С. Атаев,
А.А. Афанасьев, И.Н. Ахвердов, Ю.М. Баженов, B.C. Баталов,
Я.Р. Бессер, Р.В. Вегинер, А.Б. Вальт, В.Я. Гендин, А.И. Гныря,
С.Г. Головнев, Н.Н. Данилов, И.Д. Запорожец, И.Б. Заседателев,
В.И. Зубков, И.А. Кириенко, Л.М. Колчеданцев, Б.М. Красновский, Б.А. Крылов, А.В. Лагойда, С.С. Леви, B.C. Лукьянов, Л.А.
Малинина, С.А. Миронов, Б.С. Мосаков, Н.А. Мощанский, О.П.
Мчедлов-Петросян, В.Г. Петров-Денисов, Ю.А. Попов, А.К. Рети, В.Н. Сизов, Б.Г. Скрамтаев, И.Г. Совалов, Т.А. Толкынбаев,
В.Д. Топчий, Ю.Г. Хаютин и другие учёные.
С учетом ключевых понятий и определений рассмотрена
системная классификация методов зимнего бетонирования мо­
нолитных строительных конструкций, позволяющая на основе
экспертной оценки предварительно выбирать наиболее эффек­
тивный метод или группу альтернативных методов производст­
ва работ.
Рассмотрены традиционные температурные режимы вы­
держивания бетона, принятые в практике современного строи­
тельства.
Проанализированы способы прогнозирования изменения тем­
пературы и нарастания прочности бетонных конструкций,
твердеющих на морозе. Исследованы точность расчетов темпе­
ратурных режимов, температурных полей и существующие ме-
14
тоды количественной оценки процесса твердения бетона. Про­
анализированы возможности компьютерной интерполяции экс­
периментальных данных с помощью математического пакета
MathCAD Professional, позволяющего с высокой степенью дос­
товерности прогнозировать приобретение бетоном прочности в
зависимости от его температурного режима.
Систематизированы технологические особенности зимнего
бетонирования строительных конструкций. По технологическим
признакам они разделены на три группы - фундаменты (мелкого
заложения и свайные ростверки), каркасные конструкции зданий
и сооружений (колонны, стены, плиты перекрытия и др.), а так­
же стыки сборных железобетонных конструкций.
Рассмотрены нормативные температурные ограничения,
принятые в строительных нормах и правилах. Обоснована необ­
ходимость разработки технических средств контроля выполне­
ния этих ограничений как на стадии проектирования, так и на
стадии производства работ.
Несмотря на широкую строительную практику и огромный
массив исследований, выполненных за 100-летнюю историю
зимнего бетонирования, по сей день, при тепловых воздействиях
на бетон, конечный результат - заданная прочность - далеко не
всегда соответствует расчетным значениям. Поэтому при бето­
нировании в холодную погоду практикуется более продолжи­
тельная, против расчётной, термообработка бетона с расходом
энергии, явно превышающим технически обоснованный уро­
вень, или дублирование теплового воздействия введением противоморозных добавок.
Развитие современной вычислительной техники открыло но­
вые возможности для решения задач зимнего бетонирования.
Сделан анализ существующих методов решения научнотехнических задач применительно к проблемам зимнего бетони­
рования. Обоснована необходимость разработки метода матема­
тического моделирования сложных физических и организацион­
но-технологических процессов на основе компьютерного моде­
лирования. Рассмотрены неявные разностные схемы численной
аппроксимации многомерных дифференциальных уравнений
15
теплопроводности свежеуложенного бетона с двумя объемнораспределенными источниками тепла, такие как схема дробных
шагов Н.Н. Яненко и схема переменных направлений Д. Ганна.
В результате обобщения опыта зимнего бетонирования раз­
личных монолитных конструкций, анализа положений неста­
ционарной теплопроводности и методов решения научнотехнических задач путём математического моделирования опре­
делена цель и сформулированы задачи исследований.
Во второй главе («Научное обоснование концепции управ­
ляемых температурных режимов выдерживания бетона») рас­
смотрены схемы решения теплофизической задачи определения
динамики температурных полей в твердеющей конструкции.
Научное обоснование концепции управления термообработкой
бетона может быть выполнено методом математического моде­
лирования
сложных
физических
и
организационнотехнологических процессов, позволяющих в любой момент вре­
мени и в любом сечении конструкции наблюдать на компьютере
масштабные температурные поля. При этом практическая реали­
зация управляемых режимов тепловой обработки бетона как на
стадии проектирования, так и в процессе производства работ
может быть осуществлена с помощью известных приёмов сис­
темотехники - алгоритмических диспетчеров, контролирующих
динамику температурного поля и регулирующих режим термо­
обработки бетона для выполнения нормативных температурных
ограничений.
В результате созданы алгоритмические диспетчеры, управ­
ляющие на стадии проектирования как традиционным (рис. 1, а),
так и нетрадиционным (рис. 1, б и рис. 1,в) температурными
режимами. Эти алгоритмические диспетчеры использованы при
разработке математических моделей и программных продуктов,
описанных в соответствующих разделах диссертационной рабо­
ты, и достаточно полно опубликованы в печати.
16
N=M, теТр л теТт
jV=0, теГ„,„,
N-M, те Тг ѵ (те Тур л р=2Лг,
£=1,2,...,5)
N=0, х еТ0СПІ ѵ (теТурЛ р=2к1,к=1,2 S)
д±_ (dt_
хеТрЛ Qx <[QT и
N-M-AM,
3t
в)
теТрл
N=0,
TGTocmAabs\
(ЁІ
Q J \
<
T
( dt
Qt> dt
(dt
dt
Qx jmax N~AM,
XeTecm^abs^fa
dt
)> [fo
Jmax
Рис. 1. Традиционный (а) и управляемые (б, в) температурные режимы
выдерживания бетона: а) традиционный температурный режим с изо­
термическим выдерживанием бетона; б) управляемый температурный
режим выдерживания бетона в оптимальном температурном диапазо­
не; в) управляемый ступенчатый температурный режим разогрева и
остывания бетона.
Исследованы особенности управления термообработкой бе­
тона в оптимальном температурном диапазоне и н ступен­
чатом температурном режиме.
При управлении температурным режимом с прогревом бетона
электрическими нагревательными проводами и в термоопалуб-^
17
ке в оптимальном температурном диапазоне te(t„,)„, tmax)onm,
как правило, не возникает затруднений при соблюдении сле­
дующих условий:
1) с учетом суточных колебаний температуры воздуха сум­
марная тепловая мощность нагревателей должна обеспечить ра­
зогрев бетона до температуры ішах температурного диапазона;
2) искусственный объемно-распределенный источник тепла в
дифференциальном уравнении теплопроводности прогреваемого
бетона с учетом регулирования приведен к размерности элемен­
тов дифференциального уравнения теплопроводности свежеуложенного бетона.
Для электродного прогрева бетона в оптимальном темпе­
ратурном диапазоне разработан и предложен метод «тройно­
го» управления температурным режимом: управление темпера­
турным режимом непосредственно в оптимальном диапазоне
путем своевременного включения и выключения нагревателей,
управление тепловой мощностью, выделяющейся в бетоне по
закону Джоуля-Ленца, изменением напряжения или схемы ком­
мутации электродов и управление электрическим сопротивлени­
ем бетона путем введения в него необходимого количества противоморозной добавки (при необходимости).
Для практической реализации управления термообработкой
бетона введением в него противоморозных добавок в лаборатор­
ных условиях были проведены исследования удельного сопро­
тивления бетона на Чернореченском портландцементе, затво­
рённого на воде и растворе нитрита натрия. Полученные экспе­
риментальные данные достаточно достоверно, с погрешностью
0,1 -*• 0,5 %, интерполированы уравнениями регрессии с включе­
нием их в разработанные математические модели.
Основное назначение управляемого ступенчатого темпе­
ратурного резкими при разогреве и остывании бетона - умень­
шение (при необходимости) скорости перестройки температур­
ного поля после соответственно включения и выключения на­
гревателей с помощью созданных технических средств.
Для случая беспрогревного выдерживания бетонов с противоморозными добавками математически формализованы для ис-
18
пользования в математических моделях широко опубликован­
ные в официальных изданиях данные, количественно характери­
зующие процесс нарастания прочности бетонов с введением в
бетонную смесь добавок, наиболее часто применяющихся в
строительном комплексе г. Новосибирска. Это противоморозные добавки «Нитрит натрия» (НН) и «Формиат натрия - сырец»
(ФН-С) при температуре выдерживания бетона до -15° С, а так­
же комплексная добавка «Бенотех ПМП-1», твердеющая при
температуре до -25 "С.
Таким образом, аргументировано показана возможность ма­
тематической формализации теплового воздействия на бетон в
оптимальном температурном диапазоне и ступенчатом темпера­
турном режиме, а объёмно-распределённые тепловые источни­
ки приведены к размерности элементов дифференциального
уравнения теплопроводности. Создан нетрадиционный инстру­
ментарий управления термообработкой бетона - алгоритмиче­
ские диспетчеры.
В третьей главе («Бетонирование монолитных железобе­
тонных фундаментов») автор обращается к разработанному
Ю.А. Поповым эффективному алгоритму реализации классиче­
ской задачи Стефана для несвязанных и связанных грунтов и
схеме их адаптации к рассматриваемым задачам. Полученный на
этой основе метод прогноза температурного поля и глубины про­
мерзания основания на момент вскрытия котлована, а так же на
момент начала укладки бетонной смеси для случая существенно­
го несовпадения их сроков, позволили разработать методику про­
гнозирования температурных полей и глубины промерзания не­
связных и связных грунтов основания с погруженными сваями.
Такой прогноз остро востребован для обоснования технологии
зимнего бетонирования монолитных ростверков, особенно с уче­
том того обстоятельства, что сваи являются своеобразными «мос­
тиками холода», существенно увеличивающими глубину промер­
зания основания. Бетонирование ростверков при реконструкции
аэровокзала внутренних воздушных линий аэропорта «Толмачёво» зимой 2006 •* 2007 гг. подтвердило правильность предложен­
ных математических моделей и схему их численной аппроксима-
19
ции. Прогноз промерзания грунта с ранее погружёнными в него
сваями полностью подтвердился.
Рекомендации по электрообогреву монолитного бетона при
укладке бетона на мёрзлое основание, требуют не только предва­
рительно оттаять промерзший грунт, но и прогреть его до темпе­
ратуры +5-40 °С на поверхности. Для аргументированного под­
тверждения необходимости такого отогрева или обоснования
возможности его не проводить, разработан метод расчетного
обоснования процесса прогрева несвязного или связного грунта
основания, а затем обоснованы физические и математические
модели динамики температурного поля и прочности бетона,
твердеющего в конструкции. В режиме автоматизированного
проектирования имеется возможность рассмотреть возможные
варианты термообработки бетона. На отогретом и промёрзшем
основании просчитываются:
- только периферийный прогрев вертикальных граней фунда­
ментных плит греющим проводом, полосовыми электродами
или в термоопалубке;
- периферийный прогрев вертикальных граней в сочетании с
внутренним прогревом бетона электрическими нагревательными
проводами на уровне нижней и верхней арматурных сеток;
- периферийный прогрев вертикальных граней полосовыми
электродами в сочетании с прогревом бетона сверху полосовы­
ми электродами на инвентарных накладных щитах. Зимой 2005
•*- 2006 года перед бетонированием фундаментной плиты (М„~2,2
м"1) административно-торгового центра на ул. Добролюбова в г.
Новосибирске, основание, сложенное из несвязанных грунтов,
промёрзло на 1,4 м. Расчеты показали, что «проходит» самый
экономичный, но самый жесткий вариант - периферийный про­
грев конструкции без отогрева основания. На рис. 2 приведены
расчётные и фактические данные произведённого бетонирова­
ния.
20
I
,
•
/
M1H)
«.OH
Рис. 2. Результаты расчетов, производственного эксперимента и мас­
штабные температурные поля при бетонировании фундаментной пли­
ты с периферийным прогревом вертикальных граней электрическими
нагревательными проводами на непрогретом грунтовом основании: а)
изменение во времени среднеобъемной температуры бетона (1 - по
данным расчетов; 3 - по данным измерений) и температуры на контак­
те с песчаной подсыпкой (2 - по данным расчетов; 4 - по данным из­
мерений); б) изменение во времени относительной прочности бетона;
в) масштабное температурное поле в грунте основания и в бетоне пли­
ты; г) то же, в фундаментной плите.
Аналогичный способ расчётного обоснования термообработ­
ки бетона в ростверках, основанный на описанной выше методи­
ке прогноза промерзания грунта с ранее погружёнными сваями,
позволил успешно моделировать поля температур и прочности
твердеющего бетона. Использованные ранее методы численной
реализации разработанных математических моделей позволяют,
перебрав все возможные варианты тепловой обработки, выбрать
наиболее эффективный.
21
На рис. 3 приведены результаты расчетов при обосновании
технологии зимнего бетонирования монолитного ростверкаплиты в процессе строительства жилого комплекса на ул. Вату­
тина в г. Новосибирске в январе 2008 г. и данные натурных из­
мерений в процессе производства работ.
t, "С
Еѵ;,,кВіч/м 3
Е.кНтч
ТЗ—В—ЕПЗ—ІГ"
ІЬО
II»
l/t)
ISC
Ч№ ІЭО ' i'.V
2Ю
iJO
Г,ч
Рис. 3. Температура бетона (а), общие и удельные энергозатраты (б)
при бетонировании ростверка: 1 - расчетная среднеобъемная темпера­
тура бетона при его периферийном и внутреннем прогреве феющим
проводом на предварительно отогретом основании; 2 - то же, по дан­
ным измерений; 3 - расчетная температура бетона на контакте с грун­
том основания; 4 - то же, по данным измерений; 5 и 6 - общие и
удельные энергозатраты; 7 - расчетная и фактическая (точки) проч­
ность бетона.
Таким образом, прогноз промерзания грунтов с учётом фазо­
вых переходов, расчётное подтверждение достаточно­
сти/недостаточности тепла в основании для беспрогревного вы­
держивания и точный расчёт потребности в тепле, если его не­
достаточно, позволил разработать механизм полезного исполь­
зования тепла, аккумулированного в грунтовом основании.
В четвёртой главе («Управление процессами твердения мо­
нолитных каркасных конструкций») рассмотрены методы и
22
следовательность выполнения технологических операций при
зимнем бетонировании конструктивных элементов монолитных
каркасов:
- одиночных колонн и комбинаций колонны с ранее забето­
нированной плитой перекрытия, плиты с ранее забетонирован­
ной колонной и синхронное бетонирование колонн с диафраг­
мой (Мп=7,5 + 12,0 м"1);
- стен и перегородок, в том числе с проёмами
(Мп= 5,0 + 10,0 м-1);
- плит перекрытия с балками (Мп= 9,0 •*• 15,0 м"1).
Для указанных расчетных схем обоснованы физические и ма­
тематические модели динамики полей температур и прочности
бетона. Для варианта электродного прогрева в математические
модели включены уравнения регрессии, описывающие динамику
удельного электрического сопротивления бетона на Чернореченском портландцементе, и дополнительный алгоритмический
диспетчер, управляющий переключением выходного напряже­
ния тока от понижающего трансформатора или схемой коммута­
ции нагревателей. Еще один математически формализованный
алгоритмический диспетчер регулирует термообработку при
превышении предельно допустимой скорости перестройки тем­
пературного поля после включения и выключения нагревателей.
Рассмотрены наиболее часто встречающиеся в практике строи­
тельства альтернативные методы термообработки: периферий­
ный прогрев бетона электрическими нагревательными провода­
ми, а также сквозной электродный прогрев. Каждый из прогревных методов выдерживания бетона реализован при традицион­
ном температурном режиме с изотермическим выдерживанием
бетона и при управляемом температурном режиме выдержива­
ния в оптимальном температурном диапазоне. Предложенные
решения проверялись и отлаживались на конкретных техниче­
ских задачах, возникающих на строительных площадках. Так,
зимой 2005 -^- 2006 г. при бетонировании колонн размерами
400x400x3100 мм, плит перекрытия 6000x3000x250 мм и их
комбинаций на строительстве административного здания по ул.
Свердлова-Советская был применён периферийный и сквозной
23
электродный прогрев, а также термообработка бетона греющим
проводом в изотермическом и оптимальном температурных ре­
жимах. Результаты экспериментов показали их высокую сходи­
мость с расчётными (рис. 4) и подтвердили большую эффектив­
ность термообработки бетона в оптимальном температурном
диапазоне по сравнению с традиционным непрерывным изотер­
мическим выдерживанием.
а)
б)
і 70. DO
60. QO
50.00
ДО. 00
50
/\
зам
20. №
1#,М
0.00
-10.00
-J0.00
-30.00
-40.00
/
I-
\/\
^У
/ \
11
/
г 1
/~
^
(2 10
20
60
40
Время теіпшиой обработки, ч
г)
в)
-а 100
| «о
1 40
1
0
20
40
«0
80
"
Время тспловоі) обработки. ч
2П
О
20
40
60
Время тепдовоіі обработки, ч
80
Рис. 4. Бетонирование колонны на ранее забетонированной плите пере­
крытия с прогревом бетона электрическими нагревательными прово­
дами в оптимальном температурном диапазоне: а) масштабное темпе­
ратурное поле; б) изменение во времени среднеобъёмной температуры
бетона (1) и его температуры на контакте с плитой перекрытия (2);
в) нарастание прочности бетона с результатами натурных испытаний;
г) изменение во времени удельных энергозатрат.
Показано, что прерывистая подача энергии при быстром на­
греве и продолжительном остывании в пределах заданного тем­
пературного диапазона позволяет максимально, до 10 •*- 12 %,
24
экономить электроэнергию за счёт тепловой инерции конструк­
ции.
Для стен, перегородок, плит перекрытий и их комбинаций с
различным расположением рабочих швов рассмотрены методы и
последовательность технологических операций при их зимнем
бетонировании. С учётом возможных проёмов в стенах и балок в
перекрытиях обоснованы физические и математические модели
динамики температурного поля и поля прочности бетона также
для наиболее часто применяемых методов прогрева: электриче­
скими нагревательными проводами и полосовыми электродами
для двух температурных режимов выдерживания бетона: изо­
термического и управляемого, в оптимальном температурном
диапазоне. Подробно рассмотрена численная реализация мате­
матических моделей с численной аппроксимацией дифференци­
альных уравнений теплопроводности бетона по неявной разно­
стной схеме дробных шагов.
В разработанных программных продуктах все расчеты с за­
данной периодичностью сопровождаются выводом на печать
масштабных температурных полей, позволяющих судить о рав­
номерности прогрева бетона. Для всех типов конструкций вве­
дены алгоритмические диспетчеры, позволяющие автоматически
корректировать температурные поля и изменять режим термо­
обработки в процессе производства работ, руководствуясь фак­
тическими данными от контрольных датчиков.
На примере строительства жилого дома по ул. Орджоникидзе
и административного здания по ул. Свердлова-Советская в г.
Новосибирске аргументированно подтверждена правильность
прогнозирования температурных полей и прочности, а также
эффективность в пределах 25 % управляемого температурного
режима в оптимальном температурном диапазоне в сравнении с
традиционным изотермическим выдерживанием (табл.). Резуль­
таты исследований достаточно широко освещены в технической
периодике.
25
Таблща
Расчетные и фактические параметры зимнего бетонирования
внутренней стены монолитного жилого дома по ул. Орджоникидзе
в г. Новосибирске с термообработкой греющим проводом
№
п/п
Режим термообработки
бетона
Время
набора
критиче­
ской
прочно­
сти, ч
Общие
энергоза­
траты,
кВтч
Удельные
энергозатра­
ты, кВт-ч/м3
1
Изотермическое выдер­
живание при tc(,=50 °C
Выдерживание в опти­
мальном температурном
диапазоне t е (40, 60 °С)
То же, te(30, 70 °С)
Тоже, te(45,55°С)
47.75
617.41/632,8
113.54/116,32
44.00
490.16/504,8
90.14/92,79
40.75
44.75
504.31/518.0
464.56/477.9
92.76/95,22
85.44/87,85
2
3
4
Примечание: в числителе расчётные и в знаменателе фактические зна­
чения энергозатрат; полужирным шрифтом выделен наиболее эффек­
тивный вариант (энергосбережение 24.7 % по сравнению с традицион­
ным изотермическим выдерживанием).
Таким образом, для среднемассивных каркасных конструк­
ций применён, отлажен и практически реализован метод компь­
ютерного моделирования технологии зимнего бетонирования.
Используя для термообработки широкоизвестные
способы
электродного прогрева и прогрева греющим проводом в режиме
выдерживания в оптимальном температурном диапазоне, дока­
зана возможность существенного (10 -*- 25 %) энергосбережения
при соблюдении всех нормативных температурных ограниче­
ний. Включённые в математическую модель алгоритмические
диспетчеры позволяют не только правильно назначить режим и
способ теплового воздействия, но и управлять термообработкой
в условиях стройплощадки.
В пятой главе {«Зимнее бетонирование стыков сборных
строительных конструкций») на основании анализа литератур­
ных источников и производственного опыта приведена класси-
26
фикация стыков по основным признакам и методов их замоноличивания в зимних условиях. Обоснована необходимость до­
полнительного решения принципиально новых задач, связанных
с появлением новых конструктивных решений сборных железо­
бетонных конструкций и соответственно новых типов стыков
сложной геометрической формы и стыков конструкций, выпол­
ненных из разных материалов, например, стыков металлических
и железобетонных колонн.
Установлено, что в существующие технологии замоноличивания стыков, в силу их ответственности, для гарантии, созна­
тельно заложен существенный перерасход дорогостоящих ре­
сурсов, с чем можно и нужно бороться. Применение таких не­
традиционных методов решения, как математическое моделиро­
вание с численной аппроксимацией дифференциальных уравне­
ний теплопроводности материала заделки и стыкуемых элемен­
тов такие задачи можно решать без особых проблем.
На примере конкретной технической задачи - замоноличивания стыков при монтаже каркаса административного здания по
ул. Ленина в г. Новосибирске зимой 2006/2007 г. разработаны
физические и математические модели динамики температурного
поля и прочности бетона замоноличивания простой геометри­
ческой формы. Для типовых стыков сборных железобетонных
колонн серии ИИ-04 с помощью компьютерного моделирования
предложены и просчитаны следующие комбинации тепловой
обработки: а) прогрев стыков в термоактивной опалубке; б) про­
грев стыков в термоактивной опалубке с тепловой завесой; в)
прогрев стыка в термоактивной опалубке и греющим проводом с
предварительным отогревом стыкуемых элементов. Все вариан­
ты предусматривают термообработку в оптимальном с позиций
требований ППР температурном диапазоне. Введённые в мате­
матическую модель алгоритмические диспетчеры дают возмож­
ность автоматического регулирования процесса термообработки
в случае изменения внешних условий - снижения или повыше­
ния температуры, усиления ветра, временного аварийного вы­
ключения электроэнергии и пр. и при появлении недопустимых
скоростей перестройки температурных полей.
27
Масштабные температурные поля стыкуемых элементов и
бетона заделки на момент окончания тепловой обработки для
указанных выше вариантов и технологические операции при
реализации принятого варианта приведены на рис. 5.
б)
33.00
32.00
31.00
3D.B0
і 29.00
•; га.ое
-<-. 27.00
І 26.00
30.00
25.00
20.ОС
^
'і^
15.00
10.00
5.00
0.00
•5.00
•10.00
•15.00
•20.00
-25.00
-ЭО.М
.500
.СМ
35,00
.«'
г.о
1.0
в. о
:
ісі
!...
<« ,
:....
т
6.0 4.0 2.0 0.0 2.0 4.0 6.0
Ы^Лй
v-j-r-MJ»
20.W
- І5.ІЧІ
Ш 1000
[fcOfl
ІАМ
йло.оо
8-15.00
1.20 00
l-w.oo
•-х.оо
Рис. 5. Масштабные температурные по­
ля в бетоне заделки стыков после окон­
чания тепловой обработки, полученные
расчётным путём: а), б) и в) - соответ­
ственно по указанным выше вариантам.
Анализ показывает, что при одинаковых затратах энергии и
труда только третий вариант гарантирует качество заделки и яв­
ляется оптимальным, а равенство результатов даёт возможность
экономии только электроэнергии в пределах 30 %.
Аналогичные результаты получены при прогнозировании с
применением метода конечных элементов и бетонировании сты­
ков сложной геометрической формы.
Таким образом, разработанные схемы выбора метода зимнего
бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций
простой и сложной геометрических форм, а также расчётное
обоснование параметров выбранного способа производства ра­
бот позволили обеспечить высокое качество проектных работ и
гарантированное
соблюдение
всех
нормативных
28
ных ограничений в процессе производства работ при реально
зафиксированной экономии электроэнергии до 30 %.
В шестой главе («Научное обоснование концепции системы
автоматического управления температурным режимом про­
грева бетона в процессе производства работ») для практиче­
ской реализации управляемых температурных режимов тепло­
вой обработки бетона непосредственно в процессе производства
зимних бетонных работ дано научное обоснование системы ав­
томатического управления (САУ) тепловой обработки бетона на
базе персонального компьютера. Описана конструкция цифро­
вого автоматического регулятора мощности (ЦАРМ) - основно­
го узла системы.
Подробный алгоритм работы ЦАРМ рассмотрен на примерах
зимнего бетонирования одиночной колонны монолитного карка­
са зданий с последующим бетонированием сопрягаемой плиты
перекрытия. При этом нестандартная (управляющая) программа
ЦАРМ включает: блок предварительного обоснования суммар­
ной тепловой мощности нагревателей для ожидаемой темпера­
туры воздуха на время производства работ и блок обоснования
оптимальной амплитуды температурного диапазона te(tmin,
(та*) и средней температуры выдерживания бетона (tmm+tmai)/2
из условия набора бетоном заданной прочности в заданные сро­
ки.
Обоснованы физические и математические модели динамики
температурного поля и прочности бетона с автоматическим ис­
пользованием показаний термодатчиков в качестве граничных
условий I рода при численной реализации математических мо­
делей в управляющих программах для альтернативных методов
прогрева бетона (греющим проводом, электродным прогревом и
в термоопалубке). Для достоверного автоматического фиксиро­
вания времени набора бетоном заданной прочности в управ­
ляющих программах использована компьютерная интерполяция
экспериментальных данных ЦНИИОМТП.
Приведены подробные данные производственных испытаний
САУ на строительстве административно-торгового здания по ул.
Добролюбова в г. Новосибирске в марте 2006 г. При сравни-
29
тельном
бетонировании
двух
фундаментных
блоков
1200x1050x500 мм один прогревался электрическими нагрева­
тельными проводами непосредственно от понижающего транс­
форматора с изотермическим выдерживанием бетона, а другой через ЦАРМ с управляемым температурным режимом в опти­
мальном температурном диапазоне, соблюдая все нормативные
температурные ограничения.
Проведенные производственные испытания разработанной
САУ документально подтвердили возможность:
- гарантированно выполнять температурные ограничения
СНиП 3.03.01-87*
- обеспечить до 30 % энергосбережения за счет полезного ис­
пользования тепловой инерции бетона и автоматического учета
суточной динамики температуры воздуха и скорости ветра;
- повысить надежность технологического процесса зимнего
бетонирования монолитных строительных конструкций путем
исключения человеческого фактора, нейтрализации блоком
ЦАРМ возможных ошибок в расчете электрической сети нагре­
вателей, а также последствий несовпадения расчетного значения
и фактической температуры воздуха;
- практически реализовать схему тройного управления тем­
пературным режимом бетона при его электродном прогреве.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Научно обоснована, практически реализована и внедрена в
производство технология управления термообработкой бе­
тона в оптимальном температурном диапазоне. Установле­
но, что предложенная технология обеспечивает соблюдение всех
нормативных температурных ограничений, нейтрализацию воз­
можных несовпадений расчетного и фактического значений
температуры окружающей среды и достижение до 30 % эконо­
мии энергии только за счет рационального использования теп­
ловой инерции конструкции.
Доказано, что созданные в процессе исследований алгорит­
мические диспетчеры позволяют не только управлять темпера­
турным режимом прогрева бетона в термоопалубке, греющими
изолированными проводами и матами, но и дают возможность
30
«тройного» управления электропрогревом бетона. Управление
осуществляется изменением: температурного режима (вклю­
чением-выключением нагревателей), тепловой мощности (регу­
лирование силы тока или изменение схемы коммутации элек­
тродов) и (при необходимости) электрического сопротивления
бетона (введением в бетонную смесь химических добавок).
2. Научно обоснована, практически реализована и внедрена в
производство технология управления термообработкой бе­
тона в ступенчатом температурном режиме при разогреве и
остывании бетона. Определено, что созданный в стандартных и
управляющих программных продуктах алгоритмический дис­
петчер позволяет регулировать выделяемую мощность нагрева­
телей как при разогреве бетона, так и при его остывании (крат­
ковременным и своевременным включением-выключением на­
гревателей) с целью соблюдения допустимой скорости пере­
стройки температурного поля.
3. На основе компьютерного моделирования разработан и
внедрен в производство на строительных площадках
г. Новосибирска метод расчетного обоснования технологии зим­
него бетонирования фундаментов и ростверков. Обоснована
возможность максимального использования как естественного
тепла, аккумулированного в талой части основания, так и искус­
ственного тепла, внесенного в грунт при его предварительном
оттаивании. Разработана методика автоматизированного вари­
антного проектирования термообработки, включающая: перифе­
рийный обогрев и сквозной прогрев бетона в зоне контакта с
грунтом, в середине и на поверхности фундамента, а также их
комбинаций на промёрзшем и отогретом основании.
4. С использованием метода математического моделирования
в совокупности с современными средствами вычислительной
математики и информационными технологиями разработаны и
практически реализованы на строительных объектах
в
г. Новосибирске методы зимнего бетонирования монолитных
каркасных конструкций надземной части зданий - колонн, ба­
лок, стен и плит перекрытий. Обоснована и предложена схема
выбора метода термообработки бетона в конкретной конструк-
31
ции с рассмотрением альтернативных вариантов: в термоопа­
лубке, греющим проводом, сквозным или периферийным элек­
тродным прогревом. С помощью созданных алгоритмических
диспетчеров на стадии проектирования и производства работ
контролируется и управляется процесс твердения бетона с со­
блюдением всех температурных ограничений и выводом на дис­
плей или печать масштабных температурных полей в конструк­
ции, а также значений его среднеобъемной температуры и тем­
пературы в местах контакта с ранее забетонированными и про­
мороженными конструкциями.
5. Разработана и внедрена в производство двухэтапная техно­
логия зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных
конструкций с управлением отогревом стыкуемых элементов и
термообработкой бетона замоноличивания, в том числе стыков
сборных элементов из разных материалов, основанная на ком­
пьютерном моделировании тепловых процессов. Обоснована
методика прогнозирования характера твердения бетона заделки
с контролем всех температурных ограничений на стадии проек­
тирования и управления набором прочности и сцеплением сты­
куемых поверхностей с бетоном замоноличивания по всей кон­
струкции.
6. Сконструирована, изготовлена и проверена на практике
система автоматического управления тепловой обработкой бе­
тона на базе оригинальной разработки - цифрового автоматиче­
ского регулятора мощности и персонального компьютера. Про­
изводственные испытания экспериментального образца системы
подтвердили возможность энергосбережения до 30% за счет
полезного использования тепловой инерции бетона при его вы­
держивании в оптимальном температурном диапазоне с автома­
тическим учетом суточной динамики температуры воздуха, ско­
рости и направления ветра при гарантированном выполнении
всех температурных ограничений на стадии производства ра­
бот. Оригинальность разработки подтверждена патентом РФ на
изобретение № 2322344 «Устройство для автоматического регу­
лирования температурного режима при тепловой обработке мо­
нолитных железобетонных конструкций» от 20.04.2008 г.
32
Основные положения диссертации представлены в
следующих опубликованных работах:
Монография
1. Молодин В. В. Бетонирование монолитных строительных
конструкций в зимних условиях : монография / В. В. Молодин,
Ю. В. Лунев. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2006. - 300 с.
Статьи в журналах с внешним рецензированием
2. Молодин В. В. Исследование температурного режима при
замоноличивании стыков с форсированным разогревом бетон­
ной смеси / В. В. Молодин, В. И. Зубков, А. С. Арбеньев // Изв.
вузов. Стр-во и арх-ра. - 1984. - № 2. - С. 16-19.
3. Арбеньев А. С. Заделка стыков с электроразогревом смеси /
А. С. Арбеньев, В. В. Молодин // Бетон и железобетон. - 1985. № 3 . - С . 8-9.
4. Молодин В. В. Ресурсо, энергосбережение при зимнем бе­
тонировании фундаментных плит / В. В. Молодин, Ю. В. Лунев
// Изв. вузов. Строительство. - 2006. - № 8. - С. 32-^12.
5. Молодин В. В. Зимнее бетонирование стыков сборных же­
лезобетонных конструкций / В. В. Молодин, Ю. В. Лунев // Из­
вестия вузов. - 2006. Строительство. - № 11-12. - С. 44-52.
6. Попов Ю. А. Управляемые режимы тепловой обработки
бетона / Ю. А. Попов, В. В. Молодин, Ю. В. Лунев// Бетон и же­
лезобетон. - 2006. - № 5. - С. 10-12.
7. Молодиц В. В. Энергосберегающая технология зимнего
бетонирования фундаментных плит / В. В. Молодин, Ю. В. Лу­
нев // Бетон и железобетон. - 2006. - № 6. - С. 3-5.
8. Молодин В. В. Зимнее бетонирование строительных кон­
струкций жилых и гражданских зданий в монолитном исполне­
нии / В. В. Молодин, Е. К. Усинский // Изв. вузов. Строительст­
во. - 2007. - № 6. - С. 51-60.
9. Молодин В. В. Управляемый температурный режим тепло­
вой обработки бетона при зимнем бетонировании элементов мо­
нолитного каркаса жилых и гражданских зданий / В. В. Моло­
дин, С. Н. Андриевский, Ю. В. Лунев // Изв. вузов. Строительст­
во. - 2007. - № 7. - С. 55-64.
10. Молодин В. В. Зимнее бетонирование одиночных колонн
и плит перекрытий монолитных каркасов жилых и гражданских
33
зданий / В. В. Молодин, С. Н. Андриевский, Ю. А. Пинаева //
Изв. вузов. Строительство. - 2008. - № 7. - С. 35-44.
11. Молодин В. В. Зимнее синхронное бетонирование смеж­
ных колонн и диафрагмы с последующим бетонированием плит
перекрытий монолитных каркасов жилых и гражданских зданий
/ В. В. Молодин, С. Н. Андриевский, Ю. А. Пинаева // Изв. ву­
зов. Строительство. - 2008. - № 8. - С. 30-38.
12. Молодин В. В. Зимнее бетонирование фундаментных
плит и монолитных ростверков жилых и гражданских зданий /
В. В. Молодин, Е. К. Усинский // Изв. вузов. Строительство. 2 0 0 8 . - № 9 . - С . 32-41.
13. Молодин В.В. Зимнее бетонирование плит перекрытий
надземной части зданий в монолитном исполнении / В.В. Моло­
дин, И.А. Паргачевская // Изв. вузов. Строительство. - 2009.- №
3-4.-С. 5 1 - 6 0 .
14. Молодин В.В. Зимнее бетонирование стен и перегородок
надземной части зданий в монолитном исполнении /В.В. Моло­
дин, И.А. Паргачевская // Изв. вузов. Строительство. - 2009.-№
7.-С. 42-51.
15. Попов Ю.А. Управляемые температурные режимы тепло­
вой обработки бетона при зимнем бетонировании монолитных
строительных конструкций / Ю.А. Попов, С.НАндриевский,
Ю.В. Лунёв, В.В. Молодин, А.С. Суханов, М.М. Титов // Изв.
вузов. Строительство. - 2010.- № 4 .- С. 77-90.
Авторские свидетельства и патенты
16. Авт. св. № 1058950 (СССР). Устройство для разогрева бе­
тонной смеси. В. В. Молодин, А. С. Арбеньев [и др.]. Опубл. в
БИ 1983, №45.
17. Авт. св. № 1074722 (СССР). Устройство для уплотнения и
разогрева бетонной смеси. В. В. Молодин, В. И. Зубков [и др.].
Опубл. в БИ 1984, № 7.
18. Авт. св. № 1303416 (СССР). Устройство для непрерывно­
го электроразогрева бетонной смеси. В. В. Молодин, Б. Л. Аро­
нов [и др.]. Опубл. в БИ 1987, № 14.
19. Авт. св. № 1399433 (СССР). Переносной бункер для бе­
тонной смеси. В. В. Молодин. Опубл. в БИ 1988, № 20.
34
20. Авт. св. № 1677210 (СССР). Опалубка для возведения со­
оружений из монолитного железобетона. В. В. Молоди н, А. А.
Уколов [и др.]. Опубл. в БИ 1990, № 18.
21. Патент РФ 2322344 В28В 11/24 Устройство для автома­
тического регулирования температурного режима при тепловой
обработке монолитных железобетонных конструкций /
Ю. А. Попов, В. В. Молодин [и др.] /Опубл. 20.04.2008, бюл. №
11.
Статьи в других журналах и сборниках
22. Попов Ю.А. Использование цифрового автоматического
регулятора мощности при зимнем бетонировании строительных
конструкций / Ю. А. Попов, В. В. Молодин [и др.] // Математи­
ка. Механика. Информатика : сб. тр. Всерос. науч. конф. - Челя­
бинск : Изд-во ЧТУ, 2007. - С. 152-159.
23. Молодин В. В. Управляемый температурный режим теп­
ловой обработки бетона при зимнем бетонировании конструк­
ций монолитного каркаса / В. В. Молодин, С. Н. Андриевский,
Ю. А. Денисова (Пинаева) // Сб. «Актуальные проблемы Транс­
сиба на современном этапе». Тр. Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2007. - С . 291-292.
24. Попов Ю. А. Управляемый режим тепловой обработки бе­
тона при зимнем бетонировании строительных конструкций /
Ю. А. Попов, В. В. Молодин, Ю. В. Лунев // Развитие вуза через
развитие науки : сб. докладов. IV Всерос. науч.-практ. конф.
МОиН РФ. Ч. I. - Тольятти : Изд-во Современник : ТВТИ, 2006.
- С. 24-30.
25. Попов Ю. А. Энергосберегающие управляемые режимы
тепловой обработки бетона / Ю. А. Попов, В. В. Молодин, Ю. В.
Лунев [и др.] // Состояние современной строительной науки
2006: сб. науч. тр. IV Междунар. науч.-практ. интернет-конф.
МОиН Украины. - Полтава : Полтавский ЦНТЭИ, 2006. - С.
181-184.
26. Попов Ю. А. Понятие «Качество технологии зимнего бе­
тонирования монолитных строительных конструкций» и пути
его достижения на стадиях проектирования и производства ра­
бот / Ю. А. Попов, В. В. Молодин [и др.] // Сб. «Развитие вуза
через развитие науки». Тр. V Всеросс. науч.-практ. конф. МОиН
35
РФ. Часть 1. - Тольятти : Изд-во Современник: ТВТИ, 2007. - С.
58-62.
27. Молодин В. В. Зимнее бетонирование конструкций моно­
литного каркаса зданий с электродным прогревом бетона / В. В.
Молодин, С. Н. Андриевский, Ю. А. Пинаева // Сб. «Актуальные
проблемы строительной отрасли». Тр. Всеросс. науч.-техн. конф.
-Новосибирск : Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2008. - С . 133-134.
28. Попов Ю. А. Зимнее бетонирование монолитных стен и
плит перекрытий с электродным прогревом бетона / Ю. А. По­
пов, В. В. Молодин, И. А. Паргачевская // Сб. «Актуальные про­
блемы строительной отрасли». Тр. Всеросс. науч.-техн. конф. Новосибирск: Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2008. - С . 129-130.
29. Молодин В.В. Экспериментальные исследования удельно­
го электрического сопротивления бетона на Искитимском (Но­
восибирская область) портландцементе /В.В. Молодин [ и др.] //
Сб. докладов II Междунар. науч.-практ. конф. «Развитие ВУЗа
через развитие науки». Часть I.- Тольятти, Изд-во ТВТИ, 2008. С. 2 1 - 2 6 .
30. Попов Ю.А. Нетрадиционное решение задач ресурсо-,
энергосбережения при зимнем бетонировании монолитных
строительных конструкций / Ю.А. Попов, В.В. Молодин // Сб.
докладов II Междунар. науч.-практ. конф. «Развитие ВУЗа через
развитие науки». Часть L- Тольятти, Изд-во ТВТИ, 2008. С. 26 32.
31. Молодин В.В. Система автоматического управления теп­
ловой обработкой бетона при зимнем бетонировании монолит­
ных строительных конструкций (на базе персонального компью­
тера) / В.В. Молодин, А.С. Суханов // Сб. докладов II Междунар.
науч.-практ. конф. «Развитие ВУЗа через развитие науки». Часть
I.- Тольятти, Изд-во ТВТИ, 2008. С. 68 - 75.
32. Молодин В.В. Реализация управляемых температурных
режимов выдерживания бетона при зимнем бетонировании мо­
нолитных строительных конструкций / В.В.Молодин, Ю.А. По­
пов [и др.] // Сб. докладов II Междунар. научно-практ. конф.
«Развитие ВУЗа через развитие науки». Часть I.- Тольятти, Издво ТВТИ, 2008. С. 75 - 80.
36
Молодив Владимир Викторович
ТЕХНОЛОГИЯ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ С УПРАВЛЕНИЕМ ТЕРМООБРАБОТКОЙ БЕТОНА
ПУТЁМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Новосибирский государственный архитектурно-строительный
Университет (Сибстрин)
630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, ИЗ.
Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАХА
Тираж 100. Заказ №37