Модуль поверхности бетона: определение, примеры расчета. Скорость нагрева и охлаждения

0
950

Что это за параметр — модуль поверхности? Нам предстоит познакомиться с новым для себя понятием и изучить способы расчета его значений для реальных конструкций. Кроме того, мы затронем основы зимнего бетонирования и влияние модуля поверхности на применяемые при этом методы проведения работ.

Тема статьи непосредственно связана с зимним бетонированием.

Что это такоеОпределение

Идеальное время для бетонных работ на открытом воздухе — теплый сезон. Увы, не всегда есть возможность дождаться весны: в ряде случаев монолитное строительство осуществляется и при отрицательных температурах.

Кроме того: в ряде регионов страны теплый сезон просто-напросто слишком короток.
В Якутске, например, среднемесячная температура выше нуля лишь пять месяцев в году.

При бетонировании в мороз основная проблема — дать бетону набрать прочность до начала кристаллизации воды в нем. Основные методы ее решения сводятся к теплоизоляции опалубки или подогреву уложенной смеси. При этом выбор конкретного решения определяется прежде всего тем, насколько быстро форма с бетоном будет остывать.

Скорость же, с которой определенная конструкция будет терять тепло, определяется отношением площади ее охлаждаемой поверхности к объему.

Практический вывод: медленнее всего будет остывать идеальный шар.

Модуль поверхности бетонной конструкции — это, собственно, и есть отношение ее охлаждаемой площади к внутреннему объему. Формула модуля поверхности бетона предельно проста: Мп = S/V, где Мп — модуль поверхности; S — площадь поверхности конструкции, контактирующая с холодным воздухом, грунтом или охлажденными ниже нуля прочими элементами конструкции; V — полный объем монолита.

Поскольку в числителе формулы значение указывается в квадратных метрах (м2), а в знаменателе — в кубических (м3), искомый параметр будет измеряться в странных единицах, описываемых как 1/м, или м^-1.

Важный момент: поскольку процесс набора бетоном прочности практически прекращается при охлаждении до 0 градусов (температуры кристаллизации воды), охлаждаемыми считаются лишь те части поверхности монолита, которые контактируют с более холодным воздухом, основанием или конструктивными элементами.

При укладке бетона на непромерзший грунт нижняя поверхность фундамента исключается из расчетов.

Примеры расчета

Давайте рассчитаем интересующий нас параметр для плитного фундамента размером 6х10 м и толщиной 0,25 м, укладываемого при отрицательной температуре окружающего воздуха на талый грунт.

  • Очевидно, что охлаждаться будут все поверхности плиты, кроме нижней: она ведь контактирует с грунтом, имеющим температуру выше нуля. Складываем их площади: (6 х 0,25) х 2 + (10 х 0,25) х 2 + 6 х 10 = 3 + 5 + 60 = 68 м2.
  • Рассчитываем объем плиты. Он равен, как мы помним из школьного курса геометрии, произведению сторон прямоугольного параллелепипеда: 10 х 6 х 0,25 = 15 м3.
  • Вычисляем модуль поверхности: 68 м2 / 15 м3 = 4,5(3) 1/м.
  • На практике расчеты балок, цилиндров с переходами диаметров и прочих конструкций могут быть достаточно сложны и занимать значительное время. Как и все люди, строители склонны по возможности упрощать себе жизнь; для этой цели существует несколько упрощенных формул расчетов для основных конструктивных элементов.

    Конструктивный элемент Формула расчета
    Балки и колонны прямоугольного сечения со сторонами сечения, равными A и B Мп = 2/А + 2/В. Длина балки или высота колонны не влияет на модуль поверхности и не учитывается в расчетах.
    Балки и колонны квадратного сечения со стороной сечения, равной А Мп = 4/А
    Куб со стороной А Мп = 6/А. В этом случае учитываются все поверхности куба; расчет актуален для случая, когда все они охлаждаются (куб стоит на мерзлом грунте и контактирует с холодным воздухом).
    Отдельно стоящий на мерзлом грунте параллелепипед со сторонами А, В и С Мп = 2/А + 2/В + 2/С
    Параллелепипед со сторонами А, В и С, прилегающий одной из граней к теплому массиву Мп = 2/А + 2/В + 1/С
    Цилиндр с радиусом R и высотой С Мп = 2/R + 2/С
    Плита или стена толщиной А, охлаждаемая с обеих сторон Мп = 2/А

    Наглядный пример: монолитная стена охлаждается с обеих сторон.

    Что с этим делать

    Итак, мы научились вычислять некий параметр, который влияет на скорость остывания массива на холоде. И как применить его в реальном строительстве?

    Скорость нагрева и охлаждения

    Поскольку обеспечить одновременный нагрев или охлаждение бетона по всему объему массива невозможно, любое изменение условий волей-неволей приведет к появлению дельты температур между ядром и поверхностью.

    Внимание: эта дельта будет тем больше, чем более массивна конструкция.
    То есть, проще говоря, чем меньше отношение ее площади к объему.

    Увеличение перепада температур между ядром и поверхностью неизбежно приведет к росту внутренних напряжений в материале; поскольку речь идет о бетоне, не набравшем прочность, трещины не просто возможны — гарантированы.

    Последствия быстрого охлаждения.

    Выход? Он сводится к тому, чтобы максимально замедлить изменение температуры поверхности массива.

    Модуль поверхности Скорость изменения температуры
    Мп до 4 1/м Не больше 5 градусов/час
    Мп лежит в диапазоне 5 — 10 1/м Не больше 10 градусов/час
    Мп более 10 1/м Не больше 15 градусов/час

    Стабильность температур при охлаждении обеспечивается, как правило, теплоизоляцией бетонного монолита; при нагреве — регулировкой мощности кабеля для бетона или тепловой пушки.

    Выбор способа поддержания температуры

    Это использование полученного значения модуля поверхности имеет прямое отношение к расчету скорости нагрева/охлаждения: на основе выполненного расчета выбирается способ стабилизации температуры до набора бетоном прочности.

    Для модуля поверхности не выше 6 достаточно так называемого способа термоса. Форма просто-напросто качественно теплоизолируется, что существенно уменьшает теплоотдачу.

    Кроме того: в процессе гидратации (химических реакций портландцемента с водой) выделяется довольно значительное количество тепла, которое способствует саморазогреву смеси.

    Для Мп в диапазоне 6 — 10 1/м возможно несколько решений:

    • Смесь разогревается перед укладкой в форму. В этом случае при должной теплоизоляции увеличивается период ее охлаждения до критической температуры (0 градусов); мало того — горячий бетон схватывается и набирает прочность гораздо быстрее.

    Заливка горячим бетоном.

    • В смесь вводятся добавки, ускоряющие ее затвердевание. Как вариант — применяются быстротвердеющие портландцементы высоких марок, которые, кроме ускоренного набора прочности, полезны тем, что в процессе гидратации выделяют больше тепла.
    • Альтернативный подход сводится к понижению температуры кристаллизации воды в застывающей бетонной смеси. Благодаря соответствующим добавкам набор прочности продолжается при отрицательных температурах.

    Полезно: стоит предостеречь от использования для этой цели солевых растворов.
    Их цена действительно ниже специализированных синтетических добавок; однако она нивелируется высоким (от 5%) содержанием соли в воде для затворения.
    При этом высокое содержание солей снижает итоговую прочность бетона и способствует ускоренной коррозии арматуры.

    Наконец, для модуля поверхности свыше 10 единственное здравое решение — подогрев бетона греющим кабелем или тепловыми пушками до набора определенного процента проектной прочности. Значение минимальной прочности до заморозки зависит от класса бетона и области эксплуатации монолита; полная инструкция по подбору значений содержится в СНиП 3.03.01-87.

    Конструкция подогревается до набора полной или частичной прочности.

    Конструкция, класс бетона Минимальная прочность
    Монолиты, предназначенные для эксплуатации внутри зданий; фундаменты под промышленное оборудование, не подвергающиеся ударным нагрузкам; подземные сооружения 5 МПа
    Монолитные конструкции из бетона В7,5 — В10, эксплуатирующиеся на открытом воздухе 50% марочной
    Монолитные конструкции из бетона В12,5 — В25, эксплуатирующиеся на открытом воздухе 40% марочной
    Монолитные конструкции из бетона В30 и выше, эксплуатирующиеся на открытом воздухе 30% марочной
    Преднапряженные конструкции (изготовленные на основе растянутого армирующего каркаса из упругих сталей) 80% марочной
    Конструкции, нагружаемые сразу после прогрева полной проектной нагрузкой 100% марочной

    Распалубка

    После набора минимально необходимой прочности и стабилизации температуры монолита снимается опалубка и убирается теплоизоляция. Поскольку это происходит при отрицательных температурах, дельта между поверхностью бетона и окружающим воздухом тоже важна и тоже привязана к модулю поверхности.

    С момента распалубки начинается стремительное охлаждение монолита.

    • При Мп, лежащем в диапазоне 2-5, и коэффициенте армирования (отношении общего сечения арматуры к сечению монолита) до 1% максимально допустимая дельта температур составляет 20 С.
    • При коэффициенте армирования от 1 до 3 процентов максимальная дельта температур — 30 градусов.
    • При коэффициенте армирования свыше 3% воздух может быть на 40 градусов холоднее бетона.
    • При модуле поверхности свыше 5 1/м максимально допустимые перепады температур для разных коэффициентов армирования принимают значения 30, 40 и 50 градусов соответственно.

    Обработка зимнего бетона

    Если после набора полной прочности зимний бетон и монолиты из неподготовленного бетона нормальной влажности обрабатываются вполне традиционно, то перфорация и устройство проемов в монолите до набора им прочности имеет свою специфику.

    Проще говоря, не набравший марочную прочность и замерзший бетон не стоит дробить отбойным молотком и перфоратором. В этом случае возможно появление трещин.

    До набора полной прочности бетон легко трескается.

    Оптимальный способ устройства проемов — формирование опалубки для них еще на стадии заливки монолита. Среди прочего, в этом случае возможна полноценная анкеровка краев арматуры по краям проема. Там, где это невозможно и проем придется вырезать по месту, применяется рифленая арматура: рифление на ее поверхности само по себе служит анкером для прутка.

    Полезно: для устройства отверстия (например, продуха или ввода коммуникаций в ленточном фундаменте) при его заливке своими руками достаточно заложить в опалубку асбестоцементную или пластиковую трубу соответствующего диаметра.

    На фото — простейший способ устройства продухов.

    Для собственно обработки там, где без нее не обойтись, предпочтителен алмазный инструмент. Алмазное бурение отверстий в бетоне не требует использования ударного режима; как следствие — меньше вероятность трещин и сколов. Резка железобетона алмазными кругами оставляет края реза идеально ровными и, что очень удобно, не требует смены режущего круга при резке армирования.

    Смежное понятие

    Несложная ассоциативная цепочка заставит нас затронуть еще одно понятие, относящееся к бетонным конструкциям. Это так называемый модуль Юнга для бетона (он же — модуль упругости или модуль деформации).

    Наглядное представление смысла термина.

    Значение модуля определяется экспериментально, по результатам испытания образца, измеряется в паскалях (чаще, с учетом высоких значений, в мегапаскалях) и обозначается символом Е. Честно говоря, этот параметр интересен лишь специалистам и при малоэтажном строительстве не учитывается.

    Упрощенно говоря, этот параметр описывает способность материала кратковременно деформироваться при значительных нагрузках без необратимых нарушений внутренней структуры. Еще проще? Пожалуйста: чем выше модуль упругости, тем меньше вероятность, что при ударе кувалдой от фундамента отколется кусок бетона.

    После такого определения логично предположить, что модуль упругости (или деформации) связан с прочностью на сжатие и, соответственно, маркой (классом) материала.

    Действительно, зависимости практически линейная.

    • Для тяжелого бетона естественного твердения класса В10 модуль деформации равен 18 МПа.
    • Классу В15 соответствует значение в 23 МПа.
    • В20 — 27 МПа.
    • Модуль деформации бетона В25 равен 30 МПа.
    • Класс В40 — 36 МПа.

    Полная таблица значений для разных видов бетона.

    Заключение

    Надеемся, что не утомили читателя обилием скучных определений и сухих цифр. Как обычно, дополнительную тематическую информацию можно найти в приложенном видео в этой статье. Успехов!

    ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

    Please enter your comment!
    Please enter your name here