Расчет твердения бетона методом термоса

6.1.1 Бетонирование с применением метода термоса базируется на принципе использования теп­ла, введенного в бетон на стадии приготовления бетонной смеси или при разогреве ее перед укладкой в опалубку, и тепловыделения цемента в процессе гидратации (экзотермии цемента) [2].

6.1.2 Устанавливают расчетное значение критической прочности бетона, которое должно быть
не ниже требований, изложенных в таблице 2, и соответствовать требованиям проектной документации к распалубочной прочности бетона конструкции.

6.1.3 Определяют значение средней температуры бетона за расчетный период твердения, которое обеспечивает достижение требуемой критической прочности бетона, в соответствии с данными таблицы 5.

При этом устанавливают рациональное для конкретных условий производства работ соотношение значения средней температуры t _сри продолжительности его выдерживания (остывания) в опалубке t_ост.

Зависимость прочности бетона от возраста и средней температуры его твердения приведена
в таблице 5.

Таблица 5 — Зависимость прочности бетона от возраста и средней температуры его твердения

Бетон	Возраст, сут	Прочность бетона, % от проектной, для средней температуры твердения, °С
		0	5	10	20	30	40
С^12/15–С^20/25 на ПЦ 400	1 2 3 5 7 14 28	5 12 18 28 35 50 65	9 19 27 38 48 62 77	12 25 37 50 58 72 85	23 40 50 65 75 90 100	35 55 65 80 90 100 —	45 65 77 90 100 — —
С^25/30 на ПЦ 500	1 2 3 5 7 14 28	8 16 22 32 40 57 70	12 22 32 45 55 70 80	18 32 45 58 66 80 90	28 50 60 74 82 92 100	40 63 74 85 92 100 —	55 75 85 96 100 — —
С^30/37, С^35/45 на ПЦ 600	1 2 3 5 7 14 28	8 17 23 34 42 58 71	13 25 35 47 57 73 83	21 36 45 58 68 82 92	32 52 62 75 85 95 100	45 65 75 83 90 100 —	59 75 85 90 100 — —
С^12/15–С^20/25 на ШПЦ 400	1 2 3 5 7 14 28	3 8 13 20 25 35 45	6 12 18 27 34 50 65	10 18 25 35 43 60 80	16 30 40 55 65 80 100	30 40 55 65 70 96 —	40 60 70 85 100 — —
Керамзитобетон С^12/15 на ПЦ 400	1 2 3 7 28	3 9 18 35 65	5 14 23 48 79	10 24 37 58 63	25 50 63 80 100	50 63 73 91 —	61 75 85 97 —

 

Приведенные в таблице 5 значения нарастания прочности бетона классов С¹²/₁₅–С³⁵/₄₅ могут быть использованы в расчетах, относящихся к бетону, полученному из низкопластичных смесей марок по подвижности П1 и П2 (осадка стандартного конуса в диапазоне 1–9 см по СТБ 1035) и приготовленных на цементе с содержанием С₃Ане более 6 %, а также полученному из смесей марок
по подвижности П3 – П5 (ОК — 10–21 см и более), если повышение удобоукладываемости смеси достигнуто за счет использования в бетоне исходного состава пластифицирующих добавок первой и второй групп по П1 к СНиП 3.09.01 при одновременном снижении начального водосодержания в бетоне не менее чем на 5 %.

В случае применения добавок — ускорителей твердения: СаСl₂, Na₂SO₄, ПВК по СТБ 1113 и других в соответствии с разделом 7 настоящего технического кодекса или по П1 к СНиП 3.09.01, а также цемента, содержащего С₃А ³ 7 % или С₃S + С₃А ³ 60 %, прочность бетона принимают по таблице 5
с поправочным коэффициентом, приведенным в таблице 6.

Таблица 6 — Поправочный коэффициент прочности бетона

Вид бетона	Поправочный коэффициент при возрасте бетона, сут
	1	2	3	5	7	14	28
Использование добавок — ускорителей твердения при С3А < 7 %	1,6	1,4	1,3	1,2	1,15	1,1	1,05
Использование цемента, содержащего С3А ³ 7 %	1,2	1,15	1,1	1,08	1,07	1,06	1,05

 

6.1.4 Рассчитывают температуру предварительного разогрева t _раз, °С, бетонной смеси, которая обеспечивает принятую по 6.1.3 t _ср за планируемый период твердения бетона t_ост с учетом снижения температуры при укладке смеси в опалубку и конечной температуры бетона к моменту распалубки, по формуле

                                  (19)

где М_п — модуль теплоотдающей поверхности бетонируемой конструкции, м^–1, определяемый согласно 6.1.5;

t _бк — температура бетона к началу снятия опалубки, °С;

t _укл— снижение температуры при укладке бетонной смеси в опалубку, °С, определяемое по указаниям 6.1.6.

6.1.5 Модуль теплоотдающей поверхности бетонируемой конструкции М_п, м^–1, определяют
как отношение площади теплоотдающей поверхности конструкции, F _т, м², к объему бетонной конструкции V, м³:

.                                                                             (20)

При расчете F _т не учитывают площадь оснований, отогретых перед укладкой бетона.

В случае укладки бетона на неотогретое основание (с учетом требований 4.4) по формуле (20) определяют модуль бетонируемой конструкции, а дополнительный расход тепла на нагрев основания учитывают по 6.1.7.

6.1.6 Снижение температуры бетона при подаче и укладке смеси в опалубку, включая операции заглаживания, гидро- и теплоизоляции поверхности конструкции, производят в соответствии с разделом 5.

6.1.7 В случае если отогрев арматуры, закладных деталей, опалубки, непучинистого грунтового основания (подготовки) или старого бетона перед укладкой бетонной смеси не производится, определяют температуру разогрева бетонной смеси  °С, по формуле

,                                        (21)

где с _б, с _ст, с_i, с _осн — соответственно, удельная теплоемкость уложенного бетона в сухом состоянии, стали, i -го слоя многослойной опалубки и материала основания конструкции, кДж/(кг·°С), определяемая по приложению А СНБ 2.04.01 для условий эксплуатации А и по таблице 7 настоящего технического кодекса;

r_б               — средняя плотность бетона, кг/м³;

V _б                                  — объем бетона, м³;

m _cт             — удельный расход арматурной стали, кг/м³;

F_i                — площадь i -ой части опалубки (теплоотдающей поверхности), м²;

d _i                 — толщина i -го слоя опалубки, м;

r _i                — плотность i -го слоя опалубки, кг/м³;

Q _оп                               — тепловые затраты на нагрев опалубки, кДж, определяемые по формуле

Q _оп = (t _cр – t _н.в)                                                      (22)

Q _осн            — тепловые затраты на отогрев основания, кДж, определяемые по формуле

Q _осн = с _оснρ_осн V _осн(t _cр– t _н.в),                                                    (23)

здесь r_осн — средняя плотность материала основания, кг/м³, принимаемая по фактическим данным или по таблице 7;

V _осн— объем отогреваемого основания, м³, определяемый по формуле

V _осн = F _осн h _осн,                                                                      (24)

F _осн— площадь отогреваемого участка старого бетона, грунта, подготовки, м²;

h _осн — глубина (высота) отогреваемого основания, м, соответствующая глубине его промерзания (если она менее 300 мм), или h _осн= 0,3 м, если глубина промерзания более 300 мм.

Таблица 7 — Теплотехнические параметры материалов

Материал	Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м^3	Коэффициент теплопроводности в сухом  состоянии l, Вт/(м×°С)	Коэффициент теплопроводности (расчетное значение)   l, Вт/(м×°С)	Удельная теплоемкость в сухом состоянии   с, кДж/(кг×°С)
1 Фанера водостойкая ламинированная	700	0,12	0,18	2,3
2 Этафом	100	0,036	0,04	1,34
3 Снег рыхлый сухой	300	0,29	—	2,1
4 Лед	900	2,32	—	1,8
5 Песчаное и гравийное основание (мерзлое) при Wm = 5 %–25 %	1600	1,10–2,73	1,10–2,73	1,05–1,47
6 То же, при Wm = 5 %–20 %	1800	1,51–2,84	1,51–2,84	1,05–1,34
7 То же, при Wm = 5 %–10 %	2000	2,14–2,90	2,14–2,90	1,05–1,13
8 Супеси пылеватые (мерзлые) при Wm = 5 %–30 %	1600	0,87–1,97	0,87–1,97	1,05–1,55
9 То же, при Wm = 5 %–20 %	1800	0,99–1,97	0,99–1,97	1,05–1,34
10 Суглинки и глины (мерзлые) при Wm = 5 %–30 %	1600	0,64–1,86	0,64–1,86	1,05–1,55
11 То же, при Wm = 5 %–20 %	1800	0,75–1,80	0,75–1,80	1,05–1,34
12 Бетон (тяжелый) мерзлый	2400	1,6	1,9	1,05
Примечания 1 Wm — влажность материала, соответствующая нормальным и влажностным условиям эксплуатации. 2 Значения параметров поз. 3–12 приведены для расчета затрат теплоты на отогрев оснований. Промежуточные значения определяют интерполяцией.

 

6.1.8 Уточненное значение температуры разогрева бетонной смеси  °С, с учетом всех теплопотерь, определяют по формуле

.                                                          (25)

6.1.9 Уточняют значение средней температуры бетона за период твердения , °С, с учетом всех теплопотерь на отогрев по формуле

.                          (26)

6.1.10 Уточняют продолжительность остывания бетона в опалубке t_ост, ч, по формуле Б.Г. Скрамтаева — С.А. Миронова, в которой экзотермию (тепловыделение цемента) учитывают в варианте холодного термоса и не учитывают при предварительном разогреве бетонной смеси:

                                                 (27)

где  и — уточненная температура разогрева и средняя температура бетона за период твердения, °С;

с _б       — удельная теплоемкость бетонной смеси, в расчетах принимают равной 1,05 кДж/кг·°С;

r_б       — средняя плотность бетона, принимаемая в соответствии с расчетом состава бетона или для тяжелого бетона — 2400 кг/м³;

Ц        — содержание цемента в 1 м³ бетона, кг;

Э        — удельное тепловыделение цемента при твердении бетона, кДж/кг (по данным таблицы 8);

К_т       — коэффициент теплопередачи используемой опалубки, Вт/(м²·°С) (см. таблицу 9);

t _н.в                  — температура наружного воздуха, °С.

Должно выполняться условие t_ост³t_выд, т. е. продолжительность остывания бетона, определен­ная по формуле (27), должна быть не менее планируемого периода выдерживания бетона в опалубке, обеспечивающего для конкретных условий производства работ достижение критической (распалубочной) прочности.

Таблица 8 — Тепловыделение 1 кг цемента при твердении бетона

Вид и марка цемента	Темпе-ратура, °С	Удельное тепловыделение цемента*, кДж/кг, за время твердения, сут
		0,25	0,5	1	2	3	7	14	28
Портландцемент марки 400	5	—	—	29	63	109	188	209	251
	10	12	25	50	105	146	209	251	293
	20	42	67	105	167	209	272	314	335
	40	84	134	188	230	272	314	335	—
	60	130	188	230	272	314	335	—	—
Портландцемент марок 500 и 600	5	12	25	42	125	89	188	230	272
	10	25	42	63	105	167	251	293	314
	20	42	84	125	188	251	292	335	377
	40	105	167	209	272	293	356	377	—
	60	188	230	272	314	356	372	—	—
Шлакопортландцемент марки 300	5	—	12	25	42	63	126	167	188
	10	—	25	33	63	105	167	209	230
	20	—	33	62	125	147	209	251	272
	40	42	75	117	167	209	251	272	—
	60	63	105	147	209	230	272	—	—
* При применении в бетоне химических ускорителей твердения (1 %–1,5 % от массы цемента) вводят поправочный коэффициент: 1,3; 1,2; 1,15; 1,1 для 1; 2; 3 и 7 сут, соответственно.

6.1.11 Коэффициент теплопередачи опалубки бетонируемой конструкции К_т, Вт/(м² × °С), если его значения отличаются для отдельных участков опалубки и укрытия неопалубленных поверхностей, определяют по формуле

,                                             (28)

где F ₁, F ₂, …, F_n — площадь отдельных участков опалубки и неопалубленных поверхностей, м²;

К_т1, К_т2, …, К_{т n} — коэффициент теплопередачи соответствующих участков опалубки и не­опалубленных поверхностей, Вт/(м²·°С).

6.1.12 Уточняют соответствие полученных значений    t _ср, обеспечивающих набор требуемой критической прочности бетона. При этом используют данные таблиц 5 и 6.

При необходимости ускорения набора прочности бетона корректируют состав бетона: используют другие материалы для бетона (например, цемент большей активности и экзотермии), увеличивают расход цемента и т. п., а также предусматривают отогрев основания (арматуры, опалубки) для снижения потерь тепла в бетоне, применяют опалубку с меньшим коэффициентом теплопередачи.