Бетоны термосного твердения

Задачи проектирования состава бетона при выдерживании конструкции методом термоса преследуют цель определить такое соотношение компонентов бетонной смеси, которое позволит обеспечить заданные свойства бетона к моменту его замерзания. В зависимости от характера учитываемых ограничений можно выделить три основные типы задач:
1) с заданными характеристиками исходных материалов и параметрами термосного выдерживания бетона;
2) с заданными параметрами термосного выдерживания бетона и возможностью выбора вида и марки цемента;
3) с возможностью выбора вида и марки цемента и параметров термосного выдерживания бетона.
Расчеты составов бетона сводятся к решению оптимизационных задач с использованием уравнений:
• требуемой прочности бетона для обеспечения заданного класса;
• теплового баланса, при котором обеспечивается необходимый тепловлажностный режим твердения бетона;
• роста прочности бетона во времени для принятых температурно-влажностных параметров режима твердения;
• абсолютных объемов.
Критериями оптимальности в задачах указанных типов могут быть минимально возможный расход цемента, энергозатраты или стоимость бетона с учетом нагрева смеси и изготовления соответствующей опалубки. Возможна постановка задач оптимизации с целью достижения заданного критерия оптимальности, например, минимальной стоимости при ограничениях по энергоресурсам и расходу цемента.
При заданном значении прочности бетона к моменту замерзания необходимую длительность изотермического выдерживания находят по известным рекомендациям с учетом температуры твердения и вида цемента.
Модуль поверхности конструкции и коэффициент теплопередачи опалубки определяют по известным формулам, затем назначают конструкцию опалубки и, при необходимости, для задач третьего типа выбирают и дополнительно рассчитывают толщину теплоизоляции.
Принимая за температуру изотермического выдерживания бетона среднюю его температуру tб.ср за период охлаждения, из формулы теплового баланса можно найти необходимый расход цемента при термосном выдерживании бетона, обеспечивающий при данном коэффициенте теплопередачи опалубки такую экзотермию, которая требуется для поддержания tб.ср. Расход цемента, принятый из условия теплового баланса, может существенно превышать необходимый расход цемента из условия прочности. В этом случае фактические прочности бетона как на момент замерзания, так и в 28 сут R28,20 будут значительно завышены. Поэтому оптимальный расход цемента можно определить путем совместного решения уравнений, и уравнения проектной прочности бетона R28,20. Очевидно, что это возможно лишь с помощью метода последовательных приближений. Расчет считают завершенным, когда разница между значениями расхода цемента из условий прочности и теплового баланса не превышает 5%.
При условии, что прочность бетона после термосного выдерживания должна быть не ниже заданной, по уравнениям можно оценить энергетическую эффективность разных возможных технологических приемов уменьшения в пределах каждого из указанных типов задач, в том числе и целесообразности некоторого перерасхода цемента.
Наиболее сложными представляются задачи с использованием критерия оптимальной стоимости (С), особенно задачи третьего типа, когда оптимизация состава бетона рассматривается неразрывно с оптимизацией параметров термосного выдерживания бетона. В этом случае целевая функция:
С = Сб.с + Соп + Снагр ,
где Сб.с - стоимость бетонной смеси на момент окончания укладки; Соп - стоимость опалубки; Снагр - стоимость предварительного нагрева бетонной смеси.
Все составляющие уравнения взаимозависимы. Решение оптимизационных задач связано с некоторыми ограничениями, вызванными наличием материальных ресурсов и условиями выполнения работ.
На стадии проектирования производства работ оптимизационные расчеты могут применяться для сравнения эффективности метода термоса с другими методами зимнего бетонирования. При этом следует рассматривать все возможные способы уменьшения расхода цемента и срока твердения бетона (утепление опалубки, применение цементов с повышенной экзотермией и ускорителей твердения, уменьшение водопотребности смеси и др.).
При расчетах составов бетонов для зимнего бетонирования, подвергаемых электропрогреву или другим способам термической обработки, необходимо учитывать различный прирост прочности при разогреве, изотермическом прогреве и охлаждении бетона, поскольку средние значения температур в каждый период обработки существенно отличаются.