Модуль поверхности конструкции это

где F— поверхность охлаждения конструкции;

V — объем конструкции, м 3 .

Пусть охлаждение бетонного прогона происходит через все грани, тогда

Средняя температура охлаждения бетона принимается в зависимости от модуля поверхности конструкции:

Средняя температура наружного воздуха t_вс за время охлаждения бетона принимается по прогнозу погоды. Для данного случая по условиям задачи t_вс= -10 о С.

Подставляя в формулу Скрамтаева все известные величины, вычисляем продолжительность охлаждения бетона:

t =2500 · (40-0) + 280 · 272 /[2,70 · 6 · (20-(-10)) ]=362,5 ч »15 суток

Определить толщину теплоизоляции из древесных опилок, обеспечивающую твердение бетонной стойки железобетонного каркаса размером 0,3´0,4´4,8 м в течение 28 суток до замерзания при температуре наружного воздуха — 40 о С. Температура свежеуложенного бетона равна 35 о С. Расход шлакопортландцемента М400 в бетоне составляет 300 кг/м 3 . Коэффициент теплопроводности древесных опилок равен 0,1 Вт/(м · К). Температуру замерзания бетона принять 0 о С.

Из формулы (3.2) определения коэффициента теплопередачи толщина слоя теплоизоляции:

Из уравнения теплового баланса Б.Г. Скрамтаева (3.1) коэффициент теплопередачи:

Продолжительность охлаждения бетона t=28 · 24=672 ч.

Модуль поверхности (3.3) бетонной стойки:

Средняя температура бетона за время охлаждения для

Тепловыделение шлакопортландцемента DЭМ400 за 28 суток твердения равно 251 кДж/кг (Приложение 2). Коэффициент теплопередачи

Толщина теплоизоляции из опилок:

Определить расход электроэнергии, необходимый для подогрева бетонной смеси плотностью 2300 кг/м 3 в прогоне , размером 0,5´0,5´4 м от 5 о С до 85 о С.

Количество теплоты , необходимое для подогрева бетона

где Q— количество теплоты, кДж;

V— объем бетонной смеси, м 3 ,

c_б— удельная теплоемкость бетонной смеси, ориентировочно принимаемая равной 1,05 кДж/(кг · К);

t_к,t_н — конечная и начальная температура бетона, о С.

Объем бетонной смеси в прогоне:

Требуемое количество теплоты:

Т.к. 1 кВт · ч =3600 кДж расход электроэнергии на подогрев бетонной смеси составит:

Свойства бетона

Задача 7.

Для тяжелого бетона с пределом прочности при сжатии 20 МПа оценить призменную прочность, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности при осевом растяжении, прочность сцепления бетона с арматурой.

Определение призменной прочности и прочности на растяжение при изгибе проводят на образцах бетона размерами 100´100´400, 150´150´600, 200´200´800 мм. Оценить призменную прочность, исходя из предела прочности бетона при сжатии, можно по формуле Гвоздева

Предел прочности на растяжение при изгибе ориентировочно можно вычислить по формуле ЦНИИСК

Прочность бетона на осевое растяжение определяют испытанием образцов- восьмерок, изготовленных в специальных формах. Зная прочность бетона при сжатии, по уравнению Фере можно рассчитать предел прочности при осевом растяжении

Прочность сцепления бетона с арматурой составляет 15 -20 % от предела прочности при сжатии, т.е. в интервале:

Для бетона М200 прочность сцепления составит:

Приложение 1

Ориентировочный расход воды на 1 м 3 бетонной смеси

Жесткость, с	Подвижность , см	Расход воды, л/м 3 , при крупности заполнителя, мм
гравия	щебня
>31 30 — 21 20 — 11 10 — 5 — — — —	— — — — 1- 4 5 — 9 10 — 15 16 — 20

Приложение 2

Вид цемента	Марка цемента	Тепловыделение цемента, кДж/кг, при продолжительности твердения в нормальных условиях
3 суток	7 суток	28 суток
Портландцемент Быстротвердеющий портландцемент Шлакопортландцемент Пуццолановый портландцемент Глиноземистый цемент

1. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. — М.:Строй-

издат, 1986 — 688 с.

2. Микульский В.Г. и др. Строительные материалы. — М.: АСВ, 1996. — 496 с.

3. Баженов Ю.М. Технология бетона. — М.: Высшая школа, 1987. — 415 с.

4. Баженов В.К. Методика решения задач по строительным материалам. — М.: 1978. — 44 с.

5. Попов Л.Н. Лабораторный контроль строительных материалов и изделий. — М.: Стройиздат , 1986.- 349 с.

6. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и

изделий. — М.: Высшая школа, 1984.- с.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Ошибки при расчете модуля поверхности бетона не позволяют точно определить методику прогрева материала. В результате возрастают риски появления в конструкции различных дефектов, например, трещин. Они могут появиться при избытке тепла. Особенно это актуально при работе с бетоном зимой, так как важно не только правильно выбрать методику укладки, но и необходимые присадки.

Особенности расчета

Лучше всего работать с бетоном на открытом воздухе в теплое время года. Однако это не всегда возможно, потому что строительство приходится продолжать зимой. Основной проблемой, возникающей при работе с бетонной смесью в зимнее время, является необходимость дать материалу набрать прочность до начала процесса кристаллизации воды в смеси. Для решения этой задачи приходится подогревать раствор либо теплоизолировать опалубку.

Выбирая один из этих методов, необходимо исходить из скорости остывания формы с материалом. Для определения показателя скорости, с которой массив отдает тепло, используется следующая формула:

Отношение площади охлаждаемой поверхности к ее внутреннему объему называется модулем поверхности бетона. Формула для его расчета имеет следующий вид:

Единицей измерения этого показателя является м -1 или 1/м. Следует заметить, что бетон прекращает набирать прочность при температуре около 0 градусов. Охлаждаемыми частями конструкции являются те, что вступают в контакт с более холодным воздухом или другими элементами строения.

На практике расчет модуля поверхности бетона – довольно трудоемкий процесс, так как конструктивные элементы здания могут иметь сложную геометрическую форму. Для упрощения задачи в строительстве принято использовать упрощенные формулы для расчета наиболее распространенных конструктивных элементов. Познакомиться с ними можно в таблице:

Практическое применение

Знать формулу для расчета параметра, влияющего на скорость остывания массива, мало. Важно понять, как применяется расчет модуля поверхности бетонной конструкции на практике.

Скорость остывания и нагрева

Вполне очевидно, что практически обеспечить одновременное остывание либо нагрев материала по всему объему строения невозможно. Все изменения условий приводят к появлению температурной разницы между ядром массива и его поверхностью. Следует заметить, что чем более массивной является конструкция, тем выше будет и температурная дельта.

На практике это приводит к увеличению внутренних напряжений в бетоне и появлению трещин в нем, так как материал еще не набрал необходимую прочность. Выход из сложившейся ситуации существует — необходимо замедлить скорость остывания поверхности конструкции.

Существует следующая зависимость скорости охлаждения от модуля поверхности:

• Параметр Мп не превышает 4 м -1 — скорость составляет менее 5 градусов/час.
• Мп находится в диапазоне от 5 до 10 м -1 — скорость остывания не должна превышать 10 градусов/час.
• Показатель Мп превышает 10 м -1 — максимум 15 градусов/час.

Стабилизировать скорость охлаждения можно с помощью теплоизоляции конструкции, а нагрева — регулируя мощность тепловой пушки.

Способ поддержания температуры

После выполнения всех необходимых расчетов требуется выбрать способ оптимизации температурного режима для набора материалом заданной прочности. Если показатель Мп не превышает 6 м -1 , то чаще всего используется метод «термоса». Для этого достаточно сделать качественную теплоизоляцию конструкции, в результате чего теплоотдача значительно снизится.

Если же Мп находится в диапазоне от 6 до 10 м -1 , то можно использовать одно из нескольких решений:

1. После разогрева бетонная смесь помещается в форму. Если теплоизоляция опалубки качественная, то время остывания материала до критической температуры значительно повышается. Кроме этого, разогретый бетон способен быстрее набирать прочность.
2. В бетон добавляются специальные присадки для ускорения затвердевания смеси.
3. Использование портландцементов высоких марок. Эти материалы не только быстрее набирают прочность, но и в процессе гидратации выделяют дополнительное тепло.
4. С помощью специальных добавок можно снизить температуру кристаллизации воды в материале.

Если показатель Мп превышает 10 м -1 , то единственным способом снижения скорости остывания являются тепловые пушки либо нагревающие кабели.

Процедура распалубки

Когда температура была оптимизирована и бетонная смесь набрала минимальный запас прочности, необходимо снять опалубку и теплоизоляцию. Так как эти работы проводятся при низкой температуре, то большое значение имеет разница температур поверхности конструкции и окружающей среды.

Эта дельта также зависит от модуля поверхности материала и коэффициента армированности конструкции. Последний параметр представляет собой отношение сечения всей арматуры к сечению массива. Взаимосвязь этих показателей имеет следующий вид:

1. Если при коэффициенте армирования не более 1%, Мп находится в диапазоне от 2 до 5 м -1 — максимально допустимая температурная разница не должна превышать 20 градусов.
2. Коэффициент армированности составляет 1−3% – дельта не должна превышать 30 градусов.
3. Показатель армированности превышает 3% – температура воздуха может быть на 40 градусов ниже бетона.
4. Мп превышает 5 м -1 при любом коэффициенте армированности — дельта равна 40−50 градусов.

Если бетон не успел набрать необходимую прочность, то его нельзя дробить с помощью перфоратора либо отбойного молотка, так как на конструкции могут появиться трещины. Когда необходимо сделать проемы в конструкции, то они должны быть предусмотрены еще на стадии установки опалубки до заливки смеси. Если же без обработки поверхности обойтись нельзя, то допускается использование только алмазного инструмента.

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 такое

Определение

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.

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.

1. 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.
2. Рассчитываем объем плиты. Он равен, как мы помним из школьного курса геометрии, произведению сторон прямоугольного параллелепипеда: 10 х 6 х 0,25 = 15 м3.
3. 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.

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!