Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД ВРЕМЕНИ

Шелехов И.Ю. 1 Смирнов Е.И. 1 Пакулов С.А. 1 Главинская М.М. 1
1 ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»
В статье представлен анализ технологий зимнего бетонирования, представлены результаты исследований и расчеты применения подогрева бетонных смесей для увеличения качества производства строительных работ. Представлена оценка разных методов подогрева бетонных смесей, показаны преимущества и недостатки каждого метода. В результате исследований было определено, что прогрев методом резистивной греющей (термоактивной) опалубки в системах зимнего бетонирования имеет значительную экономическую эффективность, потребление нагревательными элементами электроэнергии более чем на 30?% меньше, чем при других видов электрического подогрева. В результате проделанной работы было показано, что внедрение новых типов нагревательных элементов поможет увеличить не только качество выполняемых работ по зимнему бетонированию, но и существенно снизить экономические затраты. Исследования и расчеты авторов 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.
зимнее бетонирование
электронагрев
полупроводниковые материалы
полупроводниковые нагревательные элементы
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2011. – С. 524.
2. Золотухин С.Н., Горюшкин А.Н. Бетонирование при отрицательных температурах // Научный вестник ВГАСУ: материалы 15-й межрегиональной научно-практической конференции «Высокие технологии. Экология». – Воронеж, 2012. – С. 81–85.
3. Вытчиков Ю.С., Беляков И.Г., Нохрина Е.Н. Исследование теплового режима обогрева бетонных конструкций при зимнем бетонировании // Естественные науки и техносферная безопасность: сборник статей по мат-лам 72-й Всероссийской науч.-техн. конф. – Самара, 2015. – С. 171–177.
4. Толочная Е.Б., Титов М.М. Численное моделирование теплофизических процессов в технологии зимнего бетонирования сборно-монолитного каркаса здания // Известия вузов. Строительство. – 2012. – № 11–12. – С. 54–61.
5. Foley T., Schexnayder C. Placing Winter Concrete: Pearl Harbor Memorial Bridge // Practice periodical on structural design and construction. – 2014. – № 20(3).
6. Имайкин Д.Г., Ибрагимов Р.А., Мартынов М.М., Сунгатуллина А.Р. Технология зимнего бетонирования строительных конструкций с применением термоактивной опалубки // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – Т. 17, № 24. – С. 96–98.
7. Шелехов И.Ю., Шелехова И.В., Иванов Н.А., Головных И.М., Ким БьянгЧул. Патент на полезную модель № 109628 «Нагревательный элемент» от 21.03.2011, патентообладатель: ООО «Термостат», Институт кооперации науки и промышленности Пусанского национального университета.
8. Шелехов И.Ю., Смирнов Е.И., Иноземцев В.П. Применение новых технологий электрического нагрева в процессе зимнего бетонирования // Новая наука: сборник статей Международной научно-практической конференции (04 декабря 2015 г., г. Стерлитамак) / в 2 ч. Ч. 2. – Стерлитамак: РИЦ АМИ, 2015. – С. 200–205.
9. Корытов Ю.А. Зимнее бетонирование с применением нагревательных проводов // Механизация строительства. – 2010. – № 3. – С. 14–20.
10. Никоноров С.В., Байбурин А.Х., Кнутарева Н.В. Методика расчета технологических параметров метода «термоса», обеспечивающая гарантированный набор прочности бетона // Вестник южно-уральского государственного университета. – 2005. – № 13(53). – С. 79–80.
11. Рупосов В.Л., Шелехов И.Ю. Подходы к экономической оценке новых нагревательных приборов: монография. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. – 174 с.

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.

pic_Shelekhov_1.tif

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.

pic_Shelekhov_2.tif

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: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36706 (дата обращения: 25.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074