В комплексе работ по возведению сооружений основную часть составляют бетонные работы. Для их качественного выполнения требуется учитывать разнообразные условия и выбирать наиболее эффективные способы ведения. Бетонные работы включают в себя набор производственных процессов, позволяющих получить бетонную кладку нужного качества с наименьшими затратами и в оптимальные сроки. В период времени, когда превалируют отрицательные температуры, при разработке проекта производства бетонных работ необходимо учитывать все требования СНиП и достичь максимальную эффективность проектируемых мероприятий. Процесс проектирования должен осуществляться с учетом температурно-влажностного режима твердения бетона при строительстве бетонных сооружений в различных климатических условиях, и особенно зимой, это является одним из основных вопросов производства бетонных работ [1]. Учет состава композиционных добавок и температурно-влажностных режимов необходим для обеспечения прочности сооружений из бетона и определяет их основные качественные характеристики. Кроме этого это определяет временные характеристики производства работ, которые в свою очередь влияют на весь спектр строительно-монтажных работ. Исходя из реального состояния дел в строительной отрасли, применение сложных и материалоёмких устройств для обеспечения необходимого качества выполняемых работ сложно реализуемо и экономически не целесообразно. Поэтому необходимы новые инновационные технические решения, которые позволят обеспечить необходимое качество выполняемых работ и снизить материальные издержки [2].
Данная статья посвящена исследованиям инновационных технологий производства бетонных работ в зимний период с исследованием различных способов прогрева бетонных смесей с помощью композиционных материалов разработанным алгоритмом управления поддержания заданных параметров, в зависимости от процесса набора прочности бетона и климатических факторов.
Целью наших исследований был анализ процессов производства бетонных работ с алгоритмическим контролем температурно-влажностного режима при производстве бетонных сооружений в зимних климатических условиях, позволяющие получить бетонную кладку нужного качества с наименьшими энергетическими затратами и в оптимальные сроки. А также оптимизация производственного процесса бетонирования в зимний период времени с разработкой алгоритма управления процесса поддержания температурного интервала, в зависимости от процесса набора прочности бетона и климатических факторов.
Материалы и методы исследования
Результаты исследований были проведены на реально существующих строительных площадках г. Иркутска: строительство жилищного комплекса «Новая эра» и строительство жилого дома в мкр. Зелёный для министерства обороны РФ.
Перед началом проведения экспериментов были изучены все способы зимнего бетонирования, которые применяются в настоящее время, произведена оценка преимущества и недостатков каждого из способов [3].
В комплексе работ по возведению сооружений при современном строительстве основополагающую часть составляют бетонные работы.
Известно, что при температуре +5 °С бетонные смеси резко снижают набор прочности. Все реакции гидратации (твердения) бетона замедляются. При температуре ниже 0 °С химически несвязанная вода превращается в лед и увеличивается в объеме приблизительно на 9 %. В результате в бетоне возникают напряжения, разрушающие его структуру. Замерзший бетон обладает высокой прочностью, но только за счет сцепления замерзшей воды.
При оттаивании процесс гидратации цемента возобновляется, но из-за нарушений структуры бетон не может набрать проектной прочности и его качество значительно ниже, чем не подвергавшегося замерзанию [4].
Внесение химических добавок приводит к некоторому замедлению набора прочности бетоном по сравнению со скоростью твердения бетона в нормальных условиях, но хим. добавки не панацея от низких температур.
В период времени, когда превалируют отрицательные температуры, при разработке проекта производства бетонных работ необходимо учитывать все требования СНиП и получить максимальную эффективность проектируемых мероприятий. Процесс проектирования должен осуществляться с учетом температурно-влажностного режима твердения бетона при строительстве бетонных сооружений в различных климатических условиях, и особенно зимой, это является одним из основных вопросов производства бетонных работ. Учет состава композиционных добавок и температурно-влажностных режимов необходим для обеспечения прочности сооружений из бетона и определяет его основные качественные характеристики. Кроме этого определяют временные характеристики производства работ, которые в свою очередь влияют на весь спектр строительно-монтажных работ [5].
Поэтому необходимы новые инновационные технические решения, которые позволят обеспечить необходимое качество выполняемых работ и снизить материальные издержки, также нужно учитывать сложность всех проводимых работ и осознавать ответственность за результат своей работы.
Для проведения исследований нами была изготовлена термоактивная опалубка, параметры которой меняются в зависимости внешних метеорологических условий.
Термоактивной (греющей) опалубкой называются многослойные щиты, которые оснащены нагревательными элементами и утеплены. Теплота через палубу щита передается в поверхностный слой бетона, а затем распространяется по всей его толщине. Обогрев бетона таким способом не зависит от температуры наружного воздуха. Греющую опалубку применяют при возведении тонкостенных и среднемассивных конструкций, а также при замоноличивании стыков и швов при температуре наружного воздуха до –40 °С. Конструкции греющей опалубки многообразны. Основное требование, предъявляемое к ним, – равномерность распределения температуры по опалубке щита [6].
В качестве нагревательных элементов применяют трубчатые электронагреватели (ТЭНы), греющие провода и кабели, гибкие тканевые ленты, а также нагреватели, изготовленные из нихромовой проволоки, композиции полимерных материалов с графитом (углеродные ленточные нагреватели) и токопроводящими элементами и др.
Перед установкой термоактивной щитовой опалубки проверяют осмотром целостность изоляции и электрической разводки. Опалубку устанавливают в блок бетонирования отдельными щитами вручную или укрупненными панелями с помощью кранов. После крепления щиты и панели подсоединяют к электрической сети. Установки для питания термоактивной опалубки и управления режимом прогрева бетона состоят из понижающего трансформатора, системы разводки, щита управления и помещения для дежурного электрика или оператора.
Для изготовления термоактивной опалубки нами был использован нагревательный элемент с положительным коэффициентом сопротивления [7]. При эксплуатации в нормальных условиях, в температурном диапазоне до 40 °С, учитывая градиент температуры на поверхности нагревательного элемента, процентное изменение сопротивления, а соответственно, и изменение удельной мощности не превышает значения ±0,5 %. При изменении внешних метеорологических условий, когда внешняя температура уменьшается, соответственно меняется коэффициент теплоотдачи и изменяется температура на самом нагревательном элементе. Для того, чтобы восстановить температуру, нагревательный элемент меняет свое сопротивление и восстанавливает температуру. При существенных изменениях теплоотдачи максимальное изменение выделяемой мощности составляет 40 %. Характеристики применяемого нагревательного элемента полностью моделируют работу терморегулирующего устройства [8]. На рис. 1 показан внешний вид нагревательного элемента, а на рис. 2 показан внешний вид изготовленной термоактивной опалубки.
Рис. 1. Внешний вид нагревательного элемента
Кратко рассмотрим некоторые способы прогрева бетона [9, 10]:
Прогрев методом тепляк
Достоинства: простота конструкций (не требует квалифицированной рабочей силы), простота использования.
Недостатки: энергозатратность, дополнительные временные затраты на возведение конструкций и сами затраты на материалы.
Прогрев методом стержневых арматурных электродов
Достоинства: дешёвые электроды, простота использования.
Недостатки: энергозатратность, сложность в поддержании равномерности прогрева, необходимо постоянно контролировать процесс.
Прогрев методом резистивных греющих кабелей
Достоинства: небольшие энергозатраты, простота использования, равномерный прогрев.
Недостатки: дороговизна самого кабеля, необходимость в технически грамотном и аккуратном персонале.
Прогрев методом резистивной греющей (термоактивной) опалубки:
Достоинства: небольшие энергозатраты, простота использования, равномерный прогрев, многооборотность, а значит, быстрая окупаемость.
Недостатки: нет серийного производства, дороговизна изготовления, квалифицированный обслуживающий персонал.
Результаты исследования и их обсуждение
Каждая схема прогрева бетонной смеси проводилась с помощью инновационной разработки – модуля, который с помощью разработанного алгоритма управления схемами прогрева контролировал параметры: температура наружного воздуха, температура бетонной смеси, ветровая нагрузка на элемент конструкции.
С помощью разработанного программного обеспечения обеспечивался контроль параметров каждого из вышеперечисленных способов прогрева бетонных смесей в различных конструктивных элементах.
При проведённом анализе и рассмотрении смет на различные виды прогревочного оборудования выявилась следующая закономерность: основные затраты на обеспечение качественного прогрева бетона – это стоимость электроэнергии.
Для определения ориентировочных затрат на эксплуатацию различных систем прогрева бетонной смеси проводились замеры на фактически существующих участках строительных площадок с одинаковым объёмом принимаемой бетонной смеси. Расчётные данные проводились в равных условиях – при одинаковых температурах, ветровых нагрузках. Расчётной единицей времени принято 24 часа, т.е. 3 рабочие смены по 8 часов (одни сутки). Для примера производится расчёт ориентировочной стоимости, которую можно привести для сравнения с учётом того, что все схемы бетонирования производились при температуре ниже 10 °С.
Рис. 2. Внешний вид изготавливаемой термоактивной опалубки
В нашей климатической зоне предлагается определять количество часов работы в год следующим образом: бетонирование с применением прогревочного оборудования начинается с начала ноября и заканчивается в конце марта.
Таким образом, расчётный период составляет 5 месяцев или 151 календарный день по 24 часа – всего 3624 часа. Необходимо учесть, что 20 % времени система отключена автоматикой и не работает из-за возможного изменения параметров температуры воздуха и разогревающегося бетона.
Принимается – 3624 часа минус 20 % = 2899,2 часа, округляем до 2900 рабочих часов.
Для сравнения ориентировочной годовой стоимости вышеуказанных схем достаточно получить данные об энергетических затратах каждой отдельно взятой системы прогрева бетонной смеси в сутки.
А. Прогрев способом «тепляк»
Cгод = Pном•H•W – 48 кВт ×2900 часов•0,82 руб. = 114,144 руб.
Б. Прогрев «электродами»
Cгод = Pном•H•W – 54 кВт ×2900 часов•0,82 руб. = 128,412 руб.
В. Прогрев резистивным кабелем
Cгод = Pном•H•W – 30 кВт ×2900 часов•0,82 руб. = 71,340 руб.
Г. Прогрев термоактивной опалубкой
Cгод = Pном•H•W – 20 кВт ×2900 часов•0,82 руб. = 47,560 руб.
Из расчётов видно, какая из систем прогрева бетонной смеси наиболее дорогая в денежном отношении, но не стоит пренебрегать и стоимостью самого оборудования, расходных материалов и оборотностью данных материалов. Важно заметить, что есть плюсы и минусы каждого способа прогрева.
Выводы
В результате исследований было определено, что нагревательные элементы обладают свойствами саморегуляции, максимальная их эффективность в системах зимнего бетонирования имеет значительную экономическую эффективность, потребление нагревательными элементами электроэнергии на 20–30 % меньше, чем в предыдущих экспериментах. При расширении производства это даст неоспоримое преимущество на рынке. Все аналогичные проекты разрабатываются на основе микропроцессорной технологии, где стоимость системы управления в несколько раз превышает стоимость самих нагревателей.
Исследования и расчеты показали, что прогрев с помощью термоактивной опалубки является экономически привлекательным для использования в строительных компаниях при массовой застройке в климатических условиях, в которых превалируют отрицательные температуры [11]. Использование нагревательных элементов с положительным коэффициентом расширяет возможности использование электрических нагревательных устройств при производстве строительных работ, так как для их оптимальной работы не требуется сложная и дорогостоящая аппаратура.
Библиографическая ссылка
Шелехов И.Ю., Смирнов Е.И., Пакулов С.А., Главинская М.М. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД ВРЕМЕНИ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 6. – С. 99-102;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36706 (дата обращения: 25.04.2024).