Особенности теплозащиты бетона в условиях сухого и жаркого климата

Остановимся на некоторых особенностях теплозащиты бетона в условиях сухого и жаркого климата. В этих условиях особое внимание следует уделять технологическим мероприятиям по температурному регулированию твердеющего бетона, позволяющим существенно снизить максимальную температуру при экзотермическом разогреве бетона. Здесь используют все возможные мероприятия из изложенных ранее, в том числе такие, как искусственное охлаждение уложенного бетона, непрерывный полив горизонтальных и вертикальных поверхностей блока, бетонирова­ние в периоды суток с минимальными температурами (ночью), соблюдение соответствующих перерывов между бетонированием блоков по высоте для повышения эффекта поверхностного охлаждения.

В условиях жаркого климата обычно применяют секционную систему разрезки на блоки бетонирования, поэтому теплозащитные свойства боковой опалубки мало влияют на тем­пературный режим блоков в целом. Наибольшее влияние оказывают усло­вия теплообмена по горизонтальным поверхностям блоков, поэтому приме­нение поверхностного искусственного охлаждения в данных условиях на­иболее эффективно. Для того чтобы устранить воздействие солнечных лучей на укладываемую бетонную смесь, блок бетонирования затеняют специальным шатром любой конструкции. В этом случае под шатром созда­ется микроклимат, где температура может быть ниже на 4–5°С темпе­ратуры наружного воздуха. Относительная влажность воздуха под шатром в жаркие дни может быть выше влажности наружного воздуха на 20–30%. Например, для затенения блоков Токтогульской плотины был приме­нен самоподъемный шатер.

ГЛАВА 15. Разрезка сооружений на блоки бетонирования

15.1. Основные причины разрезки сооружений постоянными и временными швами

Существенное влияние на термонапряженное состояние сооружения, его трещиностойкость и монолитность в период строительства и эксплуатации оказывает разрезка сооружений на блоки бетонирования.

Причины, вызывающие необходимость разрезки сооружения на блоки бетонирования, можно разделить на две основные группы. Первая группа – производственные причины, связанные с обеспечением условий возведения сооружения. Вторая группа – причины, связанные с обеспечением трещиностойкости и монолитности сооружений в период строительства и эксплуатации. Обе группы причин требуют возведения сооружения отдельными частями, ограниченными как в плане, так и по высоте, и называемыми блоками бетонирования.

По производственным причинам практически невозможно обеспечить непрерывное возведение массивных сооружений на всю их длину, ширину и высоту. Здесь сказываются ограничения по рациональной высоте опалубки, арматурных конструкций, по очередности возведения сооружений, по производительности бетонного завода и бетоноукладочных средств и др.

По условиям борьбы с трещинообразованием также невозможно обес­печить монолитность массивных сооружений без разрезки их на отдель­ные блоки системой швов. Швы могут быть постоянными и временными.

Постоянные швы называют температурно-осадочными и осадочными и предназначают для обеспечения возможности взаимных перемещений час­тей сооружений от температурных деформаций и осадки основания как в период строительства, так и в период постоянной эксплуатации. Посто­янные швы устраиваются сквозными, разрезающими все тело сооружения до основания, и несквозными – в виде надрезов, проходящих либо только в верхней части сооружений и не доходящих до ее основания, либо вдоль наружных граней сооружений на глубину распространения существенных колебаний температуры бетона в период эксплуатации (обычно 4–6 м.).

Применительно к плотинам эти швы устраивают, как правило, плоскими нормально к оси плотины и делят ими плотину на отдельные секции или части (рис.15.1). Швы снабжают уплотнениями, обеспечивающими их водонепроницаемость и необходимую свободу деформаций. Расстояние между сквозными и несквозными температурными швами определяют расчетом с учетом климатических и геологических условий, высоты плотины, ее конструктивных особенностей и производственно-технологических условий, определяющих температурно-осадочные деформации плотины и ее основания.

Рис. 15.1. Принципиальные схемы разрезки массивных бетонных плотин постоянными швами: а – высоконапорной на скальном основании, б – низконапорной на мягком основании

1, 2, 3 – глухая, станционная, водосливная части плотин соответственно; 4 – сквозные вертикальные температурно-осадочные швы; 5,6 – температурные швы-надрезы на гребне и на гранях плотины; 7 – водоприемники; 8 – водосливные отверстия

Для сооружений на скальных основаниях расстояния между постоян­ными швами определяются в зависимости от вышеперечисленных факторов и колеблются в пределах от 9 до 30 м. В табл.15.1 приведены данные о размерах секций плотины (расстояние между температурными швами) по построенным и строящимся высоким плотинам на скальных основани­ях. Расположение постоянных температурных швов увязывают с намечае­мой схемой пропуска строительных расходов, схемой расположения основ­ных водопропускных отверстий с размерами турбинных блоков здания ГЭС и насосных станций и т.д. Обычно в этих случаях в каждой секции рас­полагают по одному водосливному пролету или по одному агрегату ГЭС (рис.15.I,а).

Для сооружений на мягких основаниях расстояние между постоянны­ми осадочными швами может быть значительно большим, чем на скальных основаниях (до 60 м. и более). В этом случае каждая секция может вклю­чать в себя несколько водосливных пролетов или блоков агрегатов (рис15.1,б).

Временные швы называют строительными и устраивают для тех же целей, что и постоянные, но только для строительного периода. Поэто­му они в основном рассчитываются на восприятие температурных деформа­ций, связанных с температурными колебаниями от экзотермического разо­грева бетона в строительный период и последующего его остывания под воздействием наружного воздуха.

В период остывания блоков вертикальные строительные швы раскрываются, образуя между блоками щели. Поэтому к моменту нагружения со­оружения эксплуатационными нагрузками эти «щели» должны быть ликвиди­рованы или конструкция и взаимные расположения швов должны быть тако­вы, чтобы обеспечивать совместную монолитную работу отдельных блоков при наличии между ними небольших щелей.

Процесс ликвидации щелей в вертикальных строительных швах между блоками бетонирования обычно называют омоноличиванием сооружения. Омоноличивание швов осуществляется заполнением щелей материалом, спо­собным передавать возникающие между блоками усилия. При этом при небольших раскрытиях швов применяют нагнетание цементного раствора под давлением (способ цементации), а при наличии широких объемных швов – метод заполнения бетоном.

Монолитность горизонтальных межблочных швов достигается специ­альной обработкой поверхности, обеспечивающей хорошую связь блоков бетонирования. На поверхности блоков после окончания бетонирования образуется так называемая цементная пленка, обладающая большой «пори­стостью». Обработка поверхности и преследует цель ликвидации такой пленки. Для этого используют различные методы обработки поверхности сжатым воздухом, водой под давлением, механическими щетками или с по­мощью пескоструйного аппарата. Как показали исследования, прочность горизонтального шва и его водонепроницаемость существенно зависят от длительности перерывов в бетонировании блоков. При регулярной уклад­ке бетона и перерывах в бетонировании, не превышающих 15 дней, обрабо­танный шов мало отличается от монолитного бетона по водонепроницаемо­сти и прочности. Наоборот, при больших перерывах в бетонировании строительный шов существенно отличается по свойствам от монолитного бетона.

Плотины	Породы основания	Среднегодовая температура воздуха, °С	Размеры секций, м
Водосливная часть	Станционная часть	Глухая часть
Амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, °С	Ниже УМО	Выше УМО	Ниже УМО	Выше УМО	Ниже УМО	Выше УМО
Бухтарминская     Мамаканская   Братская     Красноярская     Зейская	Габбро, амфиболиты     Криссталические сланцы     Диабазы     Граниты     Диариты			-   6–9           6–9	19–20	-   6–9	13–15	-   7,5       7,5     7,5

Таблица 15.1

Размеры секций плотин

П р и м е ч а н и е: «+» В числителе – до водоприемника; в знаменателе – выше водоприемника.

15.2. Основные принципы разрезки сооружений на блоки бетонирования

Размеры блоков бетонирования во многом зависят от системы разрезки сооружений на блоки бетонирования. В практике гидротехнического строительства применяются следующие основные системы разрезки: с перевязкой швов («днепровская»), столбчатая, секционная (длинными блоками), послойная а также ряд комбинаций и разновидностей этих систем.

Особенности разрезки на блоки бетонирования при различных системах будут даны ниже, в соответствующих разделах. Здесь же отметим только некоторые общие принципы разрезки, касающиеся всех систем.

Форма блоков бетонирования должна быть по возможности простой. Обычная форма блока – прямоугольный параллелепипед, иногда с одной или двумя скошенными гранями.

Размеры блоков бетонирования в плане определяются как чисто производственными условиями (мощность бетонного хозяйства, сроки пере­крытия слоев и т.д.), так и требованиями к температурному режиму блоков с точки зрения обеспечения условий отсутствия трещинообразования

Максимальные плановые размеры блоков по производственным условиям определяются прежде всего производительностью комплекса бетоносмесительных и бетоноукладочных машин. По этим условиям площадь блока и производительность этих машин связаны следующей зависимостью:

, (15.1)

где: – площадь блока, м²; – толщина укладываемого слоя, м; – эксплуатационная производительность определяющей машины на стадии приготовления, транспорта, подачи и уплотнения бетона, м³/ч; – число одновременно бетонируемых слоев в блоке (обычно 1, реже 2); – время начала схватывания бетонной смеси (ч); – число одновременно работающих машин; – время транспортирования бетонной смеси (ч). Эта формула выражает требование о том, чтобы перекры­тие нижележащего слоя бетона вышележащим при укладке происходило за время до начала схватывания бетона

Высота блоков бетонирования по производственным условиям опре­деляется главным образом конструкцией и условиями крепления опалубки

В целом при выборе систем разрезки на блоки бетонирования и раз­меров блоков следует иметь в виду следующее:

1. Любой строительный шов может стать слабым сечением в сооруже­нии в отношении водопроницаемости и прочности. По указанным причинам следует всячески стремиться к уменьшению числа строительных швов.

2. Взаимное расположение блоков должно обеспечить свободу рас­крытия швов между ними в строительный период и монолитную работу в период эксплуатации, что обеспечивается или омоноличиванием швов, или специальными условиями расположения блоков.

3. С точки зрения производства бетонных работ в блоке их разме­ры должны быть максимально большими, что обеспечивает лучшую механи­зацию всех работ внутри блока, повышает производительность и интенсивность работ, уменьшает их стоимость.

4. С точки зрения обеспечения условий трещиностойкости размеры блоков должны быть как можно меньше.

5. Противоречивые требования к размерам блоков по п. 3 и 4 должны разрешаться технико-экономическим сопоставлением различных вариантов разбивки на блоки. Чем больше размеры блоков при прочих равных условиях, тем меньше материальные и трудовые затраты на опалубочные работы, на укладку бетона в блоки, но выше затраты на технологичес­кие мероприятия по обеспечению трещиностойкости блоков данных размеров..

6. В принципе в большинстве случаев может быть применена любая известная система разрезки при достаточно широком диапазоне размеров блоков бетонирования. Задача состоит в выборе оптимальной разрезки, обеспечивающей возведение монолитного бетонного сооружения в заданные сроки при наименьшей стоимости.

15.3. Разрезка ярусная «вперевязку» («днепровская»)

Сущность. Эта система предусматривает разрезку сооружения на блоки с взаимной их перевязкой (перекрытием) по типу кирпичной кладки (рис. 15.2, 15.3).

Рис. 15.2. Схема ярусной «вперевязку» разрезки для сооружений на мягких основаниях

1 – вертикальные межблочные строительные швы; 2 – горизонтальные межблочные швы; 3 – высота бло­ков; 4 – длина блоков; 5 – длина секций; 6 – по­стоянные температурно-осадочные швы; 7 – постоян­ные швы-надрезы; 8 – площадка скольжения; 9 – на­правление температурных деформаций граней блоков; 1, 2…9 – последовательность бетонирования блоков в плане

Обеспечение монолитности. Совместная работа блоков и монолит­ность сооружения обеспечивается наличием и соблюдением определен­ных конструктивных и технологических условий: а) условий, исключающих образование трещин на продолжении межблочных швов; б) температурных условий для минимального раскрытия этих швов.

Для выполнения первого условия требуется, чтобы система укладки допускала взаимные смещения (проскальзывание) блоков относительно друг друга в период их температурных деформаций, т.е. в период их остывания до принятия нагрузок. В строительный период по горизонтальным плоскостям скольжения между блоками действуют вертикальные напряжения от собственного веса вышележащих блоков. Общее сопротивление проскальзыванию пропорционально этим напряжениям , длине участка перевязки блоков и коэффициенту трения бетона по бетону , т.е.

.

Для обеспечения «проскальзывания» это сопротивление не должно быть больше сопротивления разрыву вышележащего блока, в противном случае в нем образуется трещина. Сопротивление разрыву вышележащего блока зависит от прочности бетона на растяжение и высоты блока. Из этих условий при данной системе разрезки ограничивается высота сооружений, т.е. , и перекрытие блоков . Расчеты и практика показывают, что при наиболее распространенных условиях высота сооружений не должна превышать 50 м., а перекрытие шва по величине не должно превышать половины высоты блока бетонирования.

. (15.2)

Рис. 15.3. Схема ярусной «вперевязку» разрезки в плотинах на скальных основаниях

I – вертикальные межблочные строительные швы; 2 – горизонтальные межблочные швы; 3 – высота бло­ков; 4 – длина блоков; 5 – длина секции; 6 – пос­тоянные температурно-осадочные швы; 7 – возможные постоянные швы-надрезы; 8 – площадка скольжения; 9 – направление температурных деформаций граней блоков; 10 – участок глухой плотины; 11 – участок водосливной плотины; 12 – возможное дополнительное армирова­ние над швом

В конкретных условиях эти ограничения можно обосновать расчетами, исходя из указанных требований. Для уменьшения трения по плоскости скольжения полезно также проводить «заглаживание» участка перехлеста в нижележащем блоке. При невозможности выдерживания данного условия необходимо предусматривать дополнительное армирование этого блока на участке над ни­жележащим швом. Для выдерживания второго условия по минимальному раскрытию швов требуется выдерживание определенного температурного режима.

Обеспечение необходимого температурного режима. Основным сред­ством регулирования температурного режима в блоках при данной системе является естественное и искусственное поверхностное охлаждение го­ризонтальных поверхностей блоков в период перерывов в бетонировании смежных по высоте блоков. При этом рекомендуется, чтобы укладка сосед­него и вышележащего блоков производилась после остывания ранее уложен­ного и прохождения в нем основных температурных деформаций. Для этого укладку блоков в одном ярусе ведут в строго определенном шахматном порядке, обеспечивающем значительные временные разрывы в укладке смеж­ных блоков. Опыт строительства показывает, что такие перерывы должны быть не менее 7–14 дней (1–2 недели) в зависимости от конкретных ус­ловий. Это обстоятельство значительно ограничивает интенсивность ве­дения бетонных работ по высоте.

В случае возможных значительных температурных деформаций в стро­ительный период применяют так называемые «замыкающие блоки», которые бетонируются после прохождения температурных и осадочных деформаций между соседними блоками.

Размеры блоков. Размеры блоков бетонирования на скальных основа­ниях определяются как производственными условиями, так и требования­ми трещиностойкости. Для скальных оснований по опыту практики в ос­новном применяют блоки с плановыми размерами до 20 м. при высоте 3–4 м. На мягких основаниях размеры блоков обусловливаются практически толь­ко производственными условиями и могут достигать значительно больших размеров.

Преимущества и недостатки. Преимуществом данной системы является отсутствие цементации (омоноличивания) швов. Совместность работы отдельных блоков обеспечивается перекрытием, или перевязкой, швов по вы­соте. Это преимущество обеспечило ее большое распространение для бе­тонных и железобетонных сооружений небольшой высоты – до 50 м. – как на скальных, так и особенно на мягких основаниях.

Недостатком является ограниченная область применения (для отно­сительно невысоких сооружений) и относительно малая интенсивность роста сооружений по высоте.

Область применения. Система разрезки «вперевязку» впервые была применена при строительстве плотины Днепровской ГЭС, отчего ее часто называют Днепровской. Все плотины на скальных основаниях небольшой высотой возведены с такой разрезкой (Волховская, Ондская, Бухтарминская и др.), а также все плотины на мягких основаниях (плотины каскада Волжских, Днепровских, Камских и других ТЭС).

Особенно широко применяется эта система при возведении таких сооружений, как подпорные стены, здания гидроэлектростанций, водосборные сооружения деривационных ГЭС, судоходные шлюзы и др. Применение ее здесь имеет некоторые особенности для внешне статически неопределенных конструкций, например, отсасывающих труб ГЭС, водозаборных сооружений, днищ шлюзов и др. Такие конструкции разбиваются швами на отдельные статически определимые элементы, в которых не возникает усилий при изменении температуры составляющих ее элементов. Между статически определимыми элементами оставляют объемные швы (замыкающие блоки), которые омоноличиваются (бетонируются) после достижения бетоном омоноличиваемых конструкций температур, назначенных в проекте, из условий получения наименьших температурных напряжений в статически неопределимой системе (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Схема разрезки с применением замыкающих блоков; а – камер шлюзов; б – рамных конструкций ГЭС, водоприемников

1 – вертикальные межблочные швы; 2 – горизонтальные межблочные строительные швы; 3 – постоянные температурно-осадочные швы; 4 – замыкающие блоки

Соответственно обусловливают и порядок возведения таких сооружений: вначале возводят статически определимые элементы, затем производят омоноличивание швов, после чего система становится статически неопределимой, реагирующей на изменение температуры в любом элементе. Устройство объемных замыкающих блоков является основным методом омоноличивания строительных швов при возведении таких конструкций. В статически определимых конструкциях таких сооружений обычно применяют рассмотренную выше систему разбивки вперевязку. Размер и расположение швов определяют условиями производства работ и конструктивными особенностями каждого элемента. Во всех случаях следует стремиться к возможно большей высоте блоков бетонирования, особенно в стенах и бычках. Часто высота блоков бетонирования определяется размерами отдельных армоконструкций или армопанелей, служащих опалубкой блока, и достигает 9–12 и более метров.

Решение вопросов трещиностойкости блоков бетонирования зависит от наличия или отсутствия арматуры в конструкциях, В случае армированной конструкции, к которой не предъявляется требование трещиностойкости, специальных мер для обеспечения ее трещиностойкости можно не принимать, ограничиваясь лишь выполнением требований допустимого раскры­тия трещин. В неармированных конструкциях или в армированных, к кото­рым предъявляется требование трещиностойкости, необходимо предусматривать соответствующие меры, обеспечивающие их монолитность к моменту ввода в эксплуатацию.

15.4. Столбчатая система разрезки

Столбчатая система разрезки заключается в разрезке плотины на отдельные «столбы» вертикальными строительными межстолбчатыми швами, параллельными оси плотины. Каждый столб разбивается по высоте на отдельные блоки горизонтальными строительными швами. Применяют два ва­рианта столбчатой разрезки с тонкими межстолбчатыми швами и с объем­ными межстолбчатыми швами.