СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКОЙ МОНОЛИТНЫХ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ГРЕЮЩЕЙ ОПАЛУБКЕ
CONTROL METHOD OF THERMAL TREATMENT OF SOLID-CAST AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURES IN WARM CONCRETE FORM

Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано для автоматизированного управления процессом тепловой обработки при изготовлении бетонных и железобетонных монолитных конструкций в греющей опалубке непосредственно на строительной площадке с контролем в них текущей прочности бетона при возведении зданий в ускоренных темпах и при выполнении работ в сложных климатических условиях.
Известен способ регулируемого нагрева в греющей опалубке, реализуемый при изготовлении монолитных конструкций непосредственно на строительной площадке (Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях, РААСН, НИИЖБ, Москва, 2005 - с.127-134), согласно которому для реализации определенного теплового режима выдерживания рассчитывают необходимую мощность нагревателей на стадиях периода разогрева и активного прогрева бетона и регулируют ее путем изменения подаваемого рабочего напряжения. Недостатками указанного способа являются:
- энергетический расчет выполняется для конкретного типа применяющейся греющей опалубки и обогреваемой конструкции при фиксированных внешних условиях;
- для соблюдения расчетного режима прогрева необходимо иметь возможность плавного изменения мощности (напряжения) во времени;
- регулирование подачи электроэнергии производится в едином цикле без учета неединовременности начала обогрева конструкций в пределах бетонируемых захваток, то есть предполагается на один понижающий трансформатор иметь один контур обогрева, характеризующийся единым режимом и временем начала обогрева;
- минимальная автоматизация процесса термообработки (предусматривается только автоматическое отключение питания щита греющей опалубки в случае превышения максимально возможной для него температуры - защита от перегрева);
- невозможность точного соблюдения запроектированного режима прогрева, трудоемкий ручной способ контроля фактического режима и динамики нарастания прочности бетона.
Другой способ управления тепловой обработкой бетонных и железобетонных изделий (описание изобретения к патенту RU 2028283 С1, 1995 г.) ориентирован на заводскую технологию производства изделий и не в полной мере отвечает требованиям тепловой обработки конструкций на строительной площадке с учетом реальных условий энергоснабжения и наличия переменных внешних факторов, как погодных, так и временных, что имеет место в монолитном строительстве.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ автоматического управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках (описание изобретения к патенту RU 2003119850 А, 2003 г.), согласно которому уложенную смесь нагревают, измеряют ее температуру, ограничивают максимальную температуру поверхностного слоя смеси путем изменения подачи теплоносителя, выдерживают бетон до набора требуемой прочности, а также измеряют температуру наружного воздуха и скорость ветра, учитывают вид бетонируемого сооружения, конструктивные особенности термоактивной опалубки, вид уложенной смеси и определяют время набора бетоном заданной прочности, время подъема температуры до величины изотермического прогрева и время остывания бетона. Недостатками этого способа являются:
- система управления разработана для определенного типа греющей опалубки, режимы прогрева жестко привязываются по характеру или времени без возможности перехода в последующем на другой режим (только аварийный вариант), например, когда стало известно, что необходимо иметь в конструкции большую или меньшую прочность от изначально заданной;
- установка каждый раз многочисленного оборудования и его коммутация трудоемка и нетехнологична, а использование единой системы управления невозможно в условиях больших объемов бетонирования при ускоренных темпах работ, когда начало обогрева для отдельных захваток различно и применяются различные режимы прогрева отдельных конструкций;
- невозможность точного соблюдения запроектированных температурных режимов тепловой обработки бетона в условиях строительной площадки, например, когда количество потребляемой энергии определяется не необходимой для поддержания режима, а фактически имеющейся, когда применяется греющая опалубка разных производителей, различающаяся показателями полезной мощности;
- отсутствие оперативного и удобного инструмента контроля фактического режима прогрева с фиксацией необходимых нормируемых и дополнительных параметров обогрева бетона, являющихся неотъемлемой частью технологического процесса при возведении монолитных конструкций на строительной площадке, что также затрудняет анализ и принятие решений по управлению обогревом при больших объемах бетонирования.
Задачей настоящего технического решения является устранение указанных недостатков, а также обеспечение необходимой гибкости тепловых режимов, рациональное использование экзотермии цемента и энергоресурсов, максимальное сокращение срока термообработки до заданной прочности бетона с учетом накладываемых ограничений на режим прогрева и реальных условий энергоснабжения, повышение общей технологичности использования греющей опалубки.
Для решения поставленной задачи в способе управления тепловой обработкой монолитных бетонных и железобетонных конструкций в греющей опалубке, включающем измерение температуры на протяжении всего периода разогрева, активного прогрева и остывания бетона в опалубке, а также определение достигнутой им прочности и момента окончания активного прогрева, предусмотрены следующие операции:
28
- Перед началом разогрева на блоках управления питанием, стационарно закрепленных на каждом базовом щите греющей опалубки (фиг.1) и снабженных индикаторами номера программы, показаний текущей температуры и прочности бетона, а также индикатором потребления электроэнергии (фиг.2), выбирают одну из предустановленных программ режима нагрева палубы (табл.1), включающих сочетание параметров-ограничителей режима нагрева палубы: максимальную скорость разогрева, максимальную температуру нагрева и максимальную скорость остывания (по умолчанию стоит 6-я программа), а также задают относительную прочность бетона к моменту окончания активного прогрева (по умолчанию стоит 50% R).
- Далее на протяжении всего периода разогрева, активного прогрева и остывания бетона в опалубке автоматически (с интервалом в 1 минуту) производится измерение температуры на границе соприкосновения бетона с рабочей поверхностью базового щита греющей опалубки цифровым датчиком температуры (фиг.3), а полученная температура сравнивается с параметрами-ограничителями программы режима нагрева палубы и проводится регулирование разогрева, активного прогрева и остывания бетона в опалубке посредством включения-выключения подачи электроэнергии на базовый щит греющей опалубки (фиг.4).
- По каждому базовому щиту греющей опалубки на основе полученных температурных данных в автоматическом режиме (с интервалом 0,5 часа) вычислительным устройством по температурно-временному фактору определяется текущая прочность бетона, ее значение показывается на индикаторе, и при достижении заданной прочности производится инициирование процесса остывания путем прекращения подачи энергии к щиту опалубки, при этом дальнейший процесс остывания также контролируется программой.
Вычисление прочности бетона осуществляется по температурно-временному фактору известным способом «градусо-часов» (зрелости бетона, приведенному возрасту) с возможностью учета реальной кинетики твердения применяемого бетона (по умолчанию заложен общеупотребительный справочный график, ориентировочно для бетона В25). Для учета характера твердения бетона имеется возможность задавать (посредством переносного блока-программатора с RS-интерфейсом) относительную прочность нормального твердения применяемого бетона в 1, 3, 5, 7, 14, 28 суток (например, по кубиковым испытаниям промежуточной прочности). На основе этих данных сплайн-интерполяцией рассчитывается матрица коэффициентов (график нормального твердения), позволяющая в каждый момент времени определить приведенный возраст и прочность бетона для реально применяющегося бетона. Данные о температуре и прочности (в интервале 0,5 часа) хранятся на протяжении всего периода обогрева бетона, для формирования отчетности температурно-прочностную историю можно «скачать» непосредственно с блока управления каждого щита.
При подсоединении дополнительного съемного цифрового датчика температуры (установленного в теле бетона) определение температуры для расчета прочности выполняется автоматически по нему. Если по съемному датчику измеренные значения температур и скорости их изменения выходят за пределы параметров-ограничителей программы режима нагрева палубы, то индикация температуры, регулирование разогрева и активного прогрева в этот период также выполняются по съемному датчику (актуально для массивных конструкций).
Для реализации оперативности и удобства контроля фактического режима прогрева с автоматической фиксацией необходимых нормируемых и дополнительных показателей прогрева бетона в условиях строительной площадки, а также для возможности сокращения энергопотребления за счет контролируемого остывания эффективно использовать дистанционную радиосвязь между оператором и блоками управления. При этом вычислительную часть блока управления следует вынести на компьютер оператора, которая будет осуществляться специальной программой, а на блоке управления дополнительно устанавливается датчик температуры воздуха. Тогда:
- индентифицируются опрашиваемые базовые греющие щиты, формируются файлы с группировкой в них щитов по единому началу обогрева и назначается дискретный шаг опроса (сеанса приема-передачи), к каждому файлу привязывается таблица, включающая: приведенные характеристики обогреваемой конструкции и вида опалубки; характеристики нормального твердения применяемого бетона, назначенный максимально допустимый перепад бетон-воздух при распалубке, требуемая прочность бетона и вид ее достижения (фактически достигнутая или прогнозируемая к моменту остывания до заданного безопасного температурного перепада бетон-воздух или прогнозируемая к заданному моменту времени);
- далее в автоматическом режиме (или дополнительно в любой момент времени оператором) с помощью приемопередатчиков радиосвязи в блоках управления и на компьютере оператора осуществляется опрос щитов - измеренная температура бетона и наружного воздуха в зоне работ передается на компьютер;
- полученные значения температур заносятся в электронную форму температурного листа с временной привязкой, где обрабатываются программой по каждому щиту - по температурно-временному фактору вычисляется текущая и прогнозируемая к моменту остывания прочность бетона, а также фиксируются дополнительные фактические параметры прогрева - текущий перепад температур между поверхностью бетона и наружным воздухом, средневзвешенная температура, максимальная скорость подъема, остывания и максимальная температура разогрева за период контролируемого выдерживания;
- после обработки полученных данных на блок управления передается текущая прочность и в зависимости от выбранного оператором параметра окончания прогрева (фактически достигнутая прочность или прогнозируемая прочность к моменту остывания до безопасного температурного перепада бетон-воздух или прогнозируемая к заданному моменту времени), по достижении которого передается сигнал об окончании активного прогрева, производится инициирование процесса остывания путем прекращения подачи энергии к щиту опалубки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема подключения базовых и доборных щитов греющей опалубки, на фиг.2 - блок управления питанием греющего щита, на фиг.3 - размещение стационарного и съемного датчиков температуры, на фиг.4 - схема реализуемого логического алгоритма операции автоматизированного управления питанием щитов. В таблице 1 показан порядок предустановленных программ режима нагрева палубы, включающих сочетание нормируемых параметров-ограничителей режима обогрева различных конструкций и производства вспомогательных технологических процессов. На фиг.5 приведен пример обогрева различных конструкций в едином электрическом контуре.
Пример 1: регулирование прогрева без дистанционной передачи данных.
28
На захватке производился обогрев перекрытия греющим проводом, а также стены и колонны в греющей опалубке, при этом с греющей сочеталась обычная опалубка (греющая опалубка собиралась на основе применяемой системной летней опалубки, но с греющей палубой, утеплением и блоками управления на базовых щитах). Обогрев стены выполнялся односторонний, колонну обогревали с двух сторон (фиг.5). После установки в проектное положение базовые щиты греющей опалубки подключили под нагрузку по программе №1 для отогрева арматуры, затем в разогретую опалубку укладывали бетон. По окончании бетонирования стены на базовых щитах греющей опалубки стены подключили установленные в теле бетона датчики температуры, выставили программу нагрева №4, обнулили текущую прочность (время отсчета выдерживания бетона). Спустя 2 часа забетонировали колонну, также подключили датчик температуры в теле бетона колонны, на базовом щите греющей опалубки колонны выставили программу нагрева №6 и обнулили текущую прочность. После набора бетоном стены около 20% R на щитах стены программу нагрева изменили на №7 (ступенчатые режимы нагрева).
28
При постоянном пониженном напряжении скорость и температура разогрева не превышали ограничений программы, поэтому обогрев протекал по саморегулирующемуся режиму с максимально возможной интенсивностью в данных условиях. После отключения от прогрева перекрытия напряжение повысили до максимального для греющей опалубки, при этом спустя несколько часов режим прогрева стал ограничиваться установками программы. После достижения 50% R щиты греющей опалубки стали отключаться на остывание, после чего сняли температурно-прочностную историю обогрева с блока управления на колонне и выборочно с одного на стене и начали распалубку с последующим укрытием конструкций теплоизоляционным материалом (замена опалубки на утеплитель производится для повышения оборачиваемости последней, поскольку бетон в утепленной (греющей) опалубке слишком долго остывает до безопасного температурного перепада бетон-воздух).
Пример 2: регулирование прогрева с дистанционной передачей и обработкой данных.
Тип бетонируемых конструкций и опалубка, как в примере 1, только после подключения базовых щитов греющей опалубки под нагрузку они автоматически идентифицируются в списке на компьютере оператора, находящегося на посту контроля за термообработкой, который затем создает файлы захваток обогрева, куда помещает ссылки на щиты единовременного подключения (в нашем случае 2 файла - на стену и колонну). По умолчанию каждому новому файлу назначаются параметры опроса, которые при необходимости можно изменить. Далее к каждому файлу оператор привязывает таблицу характеристик (как правило, выбирает из списка уже готовых по типам конструкций, при необходимости корректирует исходные данные или создает новую таблицу). Таблица содержит четыре основных элемента:
- приведенные характеристики конструкции: объем бетона, площади теплоотдающих поверхностей и термическое сопротивление ограждений на этих площадях;
- тип используемого бетона: ссылка на набор данных нормального твердения бетона;
- требуемая прочность и критерии окончания активного прогрева: по фактически достигнутой прочности или по прогнозируемой к моменту остывания до безопасного температурного перепада бетон-воздух с указанием значения этого перепада или по прогнозируемой к заданному моменту времени с указанием времени прогноза (учет остывания до нуля градусов и твердения при положительных температурах среды);
- дополнительные данные, характеризующие теплофизические свойства материалов, тепловыделение бетона и теплоотдачу в окружающую среду.
28
Последующий процесс приема-передачи данных осуществляется в автоматическом режиме: в соответствии с шагом опроса открывается файл, опрашиваются по порядку занесенные в него щиты, а полученные по ним температуры заносятся в электронный температурный лист (таблицу) файла с указанием времени записи. При этом вычисляется текущая прочность бетона, ее значение передается на блок управления соответствующего щита для индикации, а также проверяется необходимость начала остывания в соответствии с критерием окончания активного прогрева (в нашем случае это прочность 50% R, прогнозируемая к моменту остывания до безопасного температурного перепада бетон-воздух 30°С). Дополнительно программа производит анализ процесса обогрева по каждому щиту по нормируемым параметрам и в режиме просмотра файла показывает:
- текущую достигнутую прочность;
- прогнозируемую прочность по выбранному критерию и продолжительность остывания;
- текущий перепад бетон-воздух;
- максимальную скорость нагрева и остывания, максимальную температуру нагрева бетона;
- графики динамики изменения температуры и прочности для большей наглядности, выявления нежелательных отклонений и возможности моделирования вероятных изменений температур и прочности путем дописывания данных вручную.
28
28
28
В примере оказалось, что обогрев стены достаточно производить до 42% R, а колонны до 35% R для обеспечения в конструкциях прочности 50% R к моменту остывания до безопасного температурного перепада бетон-воздух при распалубке, при этом остывание стены должно продолжаться 14 часов, а колонны - 21 час. Чтобы не задерживать опалубку, было принято решение обогревать бетон конструкций еще 4 часа, а затем заменить ее на равноценный по приведенному термическому сопротивлению утеплитель.
Таким образом, изобретение дает возможность осуществлять единовременный обогрев различных конструкций по различным режимам в одном контуре обогрева, при этом использовать любые типы греющих опалубок и применять гибкие тепловые режимы, получить эффект энергосбережения за счет использования экзотермии цемента и учета остывания, наглядно оперировать с данными реальных режимов прогрева в ходе обязательного для строительной площадки температурного контроля, что повышает общую технологичность греющих опалубок и обогрева монолитных конструкций в них, а также качество получаемых конструкций через эффективное управление процессами структурообразования бетона.