Теплота, выделяемая бетоном при твердении
Объем тепловыделения при твердении (гидратации) цемента
Объемы выделения тепла при экзотермической реакции твердения (гидратации) цемента значительны и различаются в зависимости от марки и состава цемента [4, 5]. При неизвестной марке и составе цемента, объем полного тепловыделения может быть принят как некоторое среднее на уровне 335 кДж/кг [4]. Исходя из этого, возможно произвести оценку полного тепловыделения при твердении бетона. В случае адиабатического процесса твердения (т.е. без отвода тепла), объем тепловыделения бетона В7,5 за весь период реакции, приводил бы к повышению температуры бетона на 32 ⁰С к уже имеющейся температуры бетонной смеси в момент укладки бетонной смеси. Пример графика подъёма температуры бетона приведен на рисунке ниже. В случае других марок и классов прочности бетона эта цифра оказывается еще выше (см. таблицу ниже).
Пример кривой подъема температуры бетона, твердевшего в адиабатических условиях [6]
Объем тепловыделения бетона
Сравнительный анализ теплот твердения (гидратации) цементов показывает, что объем тепла, вносимый в мерзлый грунт с бетоном, сопоставим с объемом тепла необходимого для полного оттаивания грунта в 2-5 раз большего объема (в зависимости от марки бетона и влажности грунта). Несмотря на значительные тепловыделения имеются случаи замены бетона В7,5 на цементно-песчаный раствор М150 для беспрепятственного погружения свай при буроопускном способе, а также его предварительный подогрев, при осуществлении работ в зимний период времени.
Как учитывать тепловыделения при твердении цемента?
Тепловыделение в значительной мере влияет на температуры грунтов оснований в первые месяцы после погружения свай. Как раз в те моменты, когда необходимо принимать решения о передачи нагрузки на фундаменты и продолжении строительных работ. В связи с этим, при выполнении тепловых расчетов многолетнемерзлых грунтов необходимо учитывать тепловое воздействия при гидратации бетона.
Учет этого воздействия осложняется тем, что кинетика тепловыделения при гидратации цемента зависит от продолжительности твердения, температуры твердения, марки и состава бетона, а также от типа и количества противоморозных добавок [4, 5, 6]. Пример графиков кинетики тепловыделения приведены на рисунке ниже.
Пример кинетики тепловыделения при твердении цемента [10]
В программном комплексе Борей 3D теплота, выделяемая в процессе твердения бетона, учитывается в виде внутренних источников тепла. Объем тепловыделения соответствует приведенному в таблице выше. Кинетика тепловыделения принята по СП 70.13330.2012 (табл. 9.6) [11] согласно кинетики твердения цемента, при температуре 1°С. При необходимости пользователь может ввести значения своего графика кинетики тепловыделения.
Пример графика тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на следующем рисунке.
Если используемое вами программное обеспечение не позволяет учесть кинетику тепловыделения в виде внутренних источников тепла, то возможно к начальной температуре бетона добавить подъем температуры при адиабатическом процессе твердения взятое по таблице выше. Тем самым моделируется единовременное выделение тепла всего бетона. Это вносит некоторую погрешность в расчеты, но это лучше, чем отсутствие учета тепла твердения, как такового.
Результаты расчетов
В ряде случаев, тепло вносимое сваей в грунт может быть компенсировано температурой и теплоемкостью вмещающих многолетнемерзлых грунтов оснований, что приводит к незначительному изменению исходного температурного поля. А в ряде случаев, восстановление температурного поля осуществляется достаточно быстро при работе сезонно-действующих охлаждающих устройств.
Расчеты нагруженных сооружений, в основании которых располагаются плотные кусты буроопускных свай большого диаметра показывают, что тепловое воздействие бетона приводит к значительному потеплению температур грунтов оснований (см. рисунках ниже).
Пример расчетного температурного поля грунтов в основании резервуарного парка V=2000 м3 спустя 2 месяца после погружения свай
Пример расчетного температурного поля грунтов в основании резервуарного парка V=2000 м3 спустя 2 месяца после погружения свай
Для анализа теплового влияния свайного поля произведена серия расчетов на программном комплексе Борей 3D. Расчеты выполнялись с использованием среднемесячных параметров метеостанции г.Надым. В качестве вмещающих грунтов оснований принят мерзлый суглинок с ρd,f=1,7 т/м³, Wtot=0,2 д.е. Погружение свай принято буроопускным способом. Начальная температура укладываемого бетона 20 ⁰С. Момент запуска расчета принят 15 октября. За восстановление температурного поля грунтов принимается момент времени, при котором температуры отличается от исходных не более чем на 0,1 ⁰С.
Результаты расчета скорости восстановления исходного температурного поля грунтов без применения сезонно-действующих охлаждающий устройств приведены в таблице ниже.
Время восстановления температурного поля грунтов основания группы из 16 свай
Примечание: В данной таблице приведены значения не смерзания свай с грунтом, а время полного восстановления температур грунтов (с точностью 0,1 ⁰С) до исходного состояния, после проведения строительных работ.
Историческая справка
Напомним, что требованиями ранее действовавшего СНиП 2.02.04-88 (п.3.19) предусматривалось: «… Полые сваи и сваи-оболочки, не требующие по расчету бетонного заполнения, допускается заполнять грунтом, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания и выше — бетоном класса не ниже В15 …». С введением в действие СП 25.13330.2012, начался виток практически повсеместного применения бетонирования тела свай на многолетнемерзлых грунтах ММГ. Требованиями СП 25.13330.2012 (п.6.3.10) предусматривалось: «… Полые сваи и сваи-оболочки, не требующие по расчету бетонного заполнения, допускается заполнять бетоном класса не ниже В7,5, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания и выше — бетоном класса не ниже В15, …».
На наш взгляд, изменения требований относительно заполнения свай были обусловлены случаями выпучивания «заполнителя» через сваю и деформацию оголовков (см. фото ниже), а также сложностью получить качественный сыпучий грунт для укладки внутрь тела сваи в зимний период времени.
На практике, это привело к тому, что контролирующие органы стали требовать, а проектные организации применять бетоны и цементно-песчаные растворы для заполнения тела сваи. Учитывая длительные сроки проектирования и строительства, строительная отрасль только через несколько лет начала в полной мере ощущать последствия данных изменений.
В течении нескольких редакций СП 25.13330.2012 (изм. 1-3) требованию по заполнению свай трансформировались и на сегодняшний день в редакции СП 25.13330.2020 выглядят следующим образом (п.6.2.7):
6.2.7 Полые сваи и сваи-оболочки следует заполнять бетоном класса не ниже В7,5, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания и выше — бетоном класса не ниже В15 для обеспечения прочности и долговечности. Допускается заполнять внутреннюю полость полых свай и свай-оболочек сухой цементно-песчаной смесью (ЦПС) или цементно-песчаным раствором при соблюдении следующих требований:
- конструкция сваи должна быть герметичной;
- качество сварных швов должно проверяться визуально и ультразвуковым контролем (УЗК) по ГОСТ Р 55724 и ГОСТ 23118;
- не допускается наличие в свае посторонних предметов, воды, снега и льда;
- должно обеспечиваться 100% заполнение внутреннего пространства сваи с учетом самоуплотнения ЦПС и изменения объема цементно-песчаного раствора при его замерзании.
Дополнительно при применении сухой ЦПС:
- необходимо предусматривать мероприятия по исключению попадания воды и снега в сухую ЦПС;
- соотношение цемента и песка в сухой ЦПС должно определяться проектом с учетом условий строительства, а также размещаемых на фундаменте конструкций, но не менее 1:5;
- для приготовления сухой ЦПС с целью исключения коррозии изнутри следует использовать портландцемент общестроительного назначения без минеральных добавок и непучинистый незасоленный песок;
- при приготовлении сухой ЦПС необходимо обеспечить допустимый уровень ее влажности согласно ГОСТ 31357.
Дополнительно при применении цементно-песчаного раствора:
- следует применять цементно-песчаный раствор марки по прочности на сжатие не ниже М100 с пределом прочности на сжатие не менее 10 МПа, пределом прочности на растяжение при изгибе не менее 3 МПа, морозостойкостью не менее 50 циклов (Р50);
- при заполнении сваи раствором в зимнее время монтаж оголовка допускается выполнять после полного замерзания или твердения раствора.
6.2.8 При устройстве буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах, используемых в качестве оснований по принципу I, применение химических добавок для ускорения твердения бетона, уложенного в распор с мерзлым грунтом не рекомендуется.
Статьи на данную тему
- Журнал «Мир дорог». №142, 2021. Рязанов А.В., Усачев А.А.. Учет тепловыделения от буронабивных свай мостовых сооружений при прогнозных расчетах температур грунтов оснований.
- Труды Международной научной конференции (Москва, МГУ, 4 февраля 2021 г.). Рязанов А.В., Усачев А.А.. Тепловое воздействие свай на многолетнемерзлые грунты основания.
Список литературы:
- СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88».
- СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
- СНиП 82-02-95 Федеральные (типовые) элементные нормы расхода цемента при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
- Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера. / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. — М.: Стройиздат, 1982г.
- Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетона. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. –386 с.
- Дворкин Л.И., Гоц В.И., Дворкин О.Л. Испытания бетонов и растворов. Проектирование их составов. – 2-е изд. – М.: Инфра-Инженерия, 2015. – 432 с.
- Рекомендации по технологии устройства и теплотехническим расчетам буронабивных и комбинированных свай в вечномерзлых грунта. ВНИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Москва 1990г. 29 с.
- Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах. Академия наук СССР. Сибирское отделение. Якутск 1991г.
- ВСН-01-76 «Инструкция по проектированию и устройству буронабивных свай-стоек в вечномерзлых грунтах района Норильска». НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.
- Руководство по электротермообработке бетона. М., Стройиздат, 1974г. 255с.
- СП 70.13330.2012. Несущие и ограждающие конструкции (Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87).