Модуль поверхности бетона: определение, формула, расчет, типовая технологическая карта на бетонные работы

Описание понятия

Модулем поверхности называется отношение охлаждаемой или нагреваемой площади с использованием строительного материала к его объему. Этот параметр важен как для строительства, так и для процесса эксплуатации, поскольку определяет условия применения и долговечность материала.

Мп = S/V – формула:

• Мп – модуль поверхности;
• S – площадь конструкции;
• V – объем монолита.

Существует несколько способов расчета его значений, которые предназначены для реальных конструкций. Также при составлении формулы учитывается и способ заливки и наличие дополнительных элементов, толщина слоя, условия, в которых происходит просушивание основы. При неверных расчетах поверхности бетона, это может привести к неправильному выбору технологии прогрева, появление дефектов на поверхности, трещин и разломов.

Перед строителями при укладке смеси в зимний период стоит главная задача – обеспечить бетону возможность быстро затвердеть в условиях, при которых он бы набрал все свои характеристики. При частых осадках, низких температурах, климатических перепадах делать укладку бетона не рекомендуется.

Смежное понятие

Несложная ассоциативная цепочка заставит нас затронуть еще одно понятие, относящееся к бетонным конструкциям. Это так называемый модуль Юнга для бетона (он же — модуль упругости или модуль деформации).

Наглядное представление смысла термина.

Значение модуля определяется экспериментально, по результатам испытания образца, измеряется в паскалях (чаще, с учетом высоких значений, в мегапаскалях) и обозначается символом Е. Честно говоря, этот параметр интересен лишь специалистам и при малоэтажном строительстве не учитывается.

Упрощенно говоря, этот параметр описывает способность материала кратковременно деформироваться при значительных нагрузках без необратимых нарушений внутренней структуры. Еще проще? Пожалуйста: чем выше модуль упругости, тем меньше вероятность, что при ударе кувалдой от фундамента отколется кусок бетона.

После такого определения логично предположить, что модуль упругости (или деформации) связан с прочностью на сжатие и, соответственно, маркой (классом) материала.

Действительно, зависимости практически линейная.

• Для тяжелого бетона естественного твердения класса В10 модуль деформации равен 18 МПа.
• Классу В15 соответствует значение в 23 МПа.
• В20 — 27 МПа.
• Модуль деформации бетона В25 равен 30 МПа.
• Класс В40 — 36 МПа.

Полная таблица значений для разных видов бетона.

Определение качества

Если говорить об идеальном времени для проведения бетонных работ на открытом воздухе, то это, безусловно, теплый сезон. В такой период, как правило, преобладает положительная температура, нет большого количества осадков, стабильное солнце, благодаря прогреванию которого текстура материала быстро твердеет. К сожалению, не всегда есть возможность работать при таких условиях, чаще всего строительство осуществляется при низких температурах.

В процессе бетонирования под морозом появляется основная проблема, суть которой заключается в наборе прочности бетона и начала кристаллизации воды в нем. К основным методам ее решения относят создание теплоизоляции опалубки или специального подогрева уложенной смеси.

Выбор решения зависит от того, насколько быстро форма с вложенным материалом будет застывать. Определить это можно с помощью специальных формул и отношением площади к охлаждаемой поверхности и ее объему. Модуль поверхности бетона помогает решить ряд вопросов и определить как быстро, контактируя с холодным воздухом, данная площадь сможет затвердеть.

При вычислении модуля в зимнее время надо учитывать тот фактор, что процесс набора бетоном прочности прекращается при охлаждении температуры до 0 градусов. Охлаждаемыми считаются только те части поверхности, которые контактируют с более холодным воздухом.

Мастера советуют применять дополнительные нагревающие элементы, которые помогут быстрее решить проблему с затвердеванием уложенного монолита.

Что это такое

Основной сезон ведения строительных работ — лето. В этот период погодные условия в максимальной степени располагают к заготовке растворов, установке опор, и т.д. Но поставленной цели не всегда удается добиться в срок, поэтому процесс возведения сооружений может затянуться до поздней осени или даже зимы.

Из-за снижения температуры воздуха процессы работы с цементным раствором усложняются. Необходимо рассчитать время, за которое жидкость в смеси начнет замерзать, и создать условия, чтобы бетон оформился и приобрел крепость быстрее, чем вода в нем замерзнет. С этой целью была введена рассматриваемая величина.

Модуль поверхности бетона — это величина, выраженная через частное площади поверхности конструкции, имеющей контакт с воздухом, и объема смеси.

Параметры расчета

Если говорить о практической стороне, то расчет балок, цилиндров, дополнительных переходов в диаметре может быть достаточно сложным. Поэтому мастера упрощают это и используют несколько формул для основных конструктивных элементов.

При отчислении используются такие хитрости, как длина балки или высота колонны, другие показатели не влияют на модуль поверхности и не учитываются в расчетах. При расчетах принимается во внимание вся поверхность. Правда, этот расчет будет актуальным только в том случае, если она максимально быстро охлаждается.

То есть бетонная поверхность стоит на мерзлом грунте или постоянно контактирует с холодным воздухом. В противном случае его элементы в расчет не берутся. Строители советуют использовать модуль поверхности бетона при составлении проекта здания.

Это поможет вычислить нужные данные и принять меры, благодаря которым процесс затвердевания будет быстрым и качественным.

Определение модуля и формула

Модуль для бетонной поверхности высчитывается по формуле: Mп=S1:V. Поэтому первым делом необходимо определить объем, перемножив между собой длину, высоту и ширину. При условии, что эти показатели раствора для бетонирования в холодное и теплое время года равны 2/3/1 соответственно, тогда объем равен 6 м3. Площадь рассчитывают следующим образом:

• S=4+6+12=22 м2, — для замерзшего грунта;
• S2=4+6+6=16 м2, — в теплом грунте.

Для мерзлой и теплой поверхности площадь разнится, так как мокрый грунт вытягивает температуру из раствора.
Площади разнятся в конечных цифрах за счет учета в расчете граней. Принято считать, что замерший или мокрый грунт вытягивает некоторое количество тепла из раствора, поэтому для охлажденной поверхности площадь одной грани добавлена в формулу 2 раза. Из этого следует:

• Mп1=S/V=3,67, — для охлажденного грунта;
• Mп2=S2/V=2,67, — на теплой поверхности.

Разница в модуле между теплым и холодным грунтом составляет 1 параметр при одном и том же объеме раствора. Расчет проводится, чтобы узнать скорость увеличения значения температуры в час и, соответственно, выполнить все методы для его прогрева. В зависимости от показателя, выбирается способ поддержания тепла. При значениях модуля поверхности бетона не более 6, используют «способ термоса». Основу опалубки теплоизолируют, плюс раствор самопроизвольно разогревается за счет химической реакции портландцемента с жидкостью.

Методы, которые используют для прогрева бетона: термос, подогрев с помощью трансформаторов, добавление добавок с эффектом ускорения твердения смеси, повышение температуры раствора дизельными обогревателями.

Нагревание и охлаждение

К сожалению, обеспечить качественный одновременный нагрев или охлаждение бетона по всему периметру монолита нереально. Любое изменение условий в плюс или минус может привести к появлению дельта температур между ядром и поверхностью.

Если дельта небольшая, то конкретного влияния на поверхность не будет, бетон постепенно затвердеет, потом проявятся его основные качества. Но если температура будет очень резкой, то на поверхности могут образоваться трещины или сколы. Что касается расчета на практике, то он будет тем больше, чем массивнее конструкция и, наоборот. Если увеличение перепада температур будет резким, то это приведет к росту внутренних напряжений в материале.

Для того чтобы избежать этого, строители советуют делать укладку шарами, заливая бетон постепенно. Температура во всех его участках должна быть приблизительно одинаковой. Этот указатель также берется в расчет при составлении формулы модуля поверхности бетона.

При модуле поверхности до 4 метров изменение температуры не должно быть больше 5 градусов в час. Если он лежит в диапазоне от 5 до 10 метров, то скорость изменения не должна превышать 10 градусов в час. Если модуль более 10 метров, то скорость изменения не больше 15 градусов в час.

Что касается обеспечения стабильности температур, то этот фактор возможен при использовании теплоизоляции бетонного монолита. При качественном нагреве должна осуществляться постоянная регулировка мощности кабеля для бетона или использования тепловой пушки. Без этого образуются сколы в случае перегревания и быстрой кристаллизации воды на поверхности бетона.

Что с этим делать

После того как необходимая величина вычислена, нужно правильно ее применить. От верного использования зависит, получится ли в результате строительства крепкое надежное здание.

Скорость нагрева и охлаждения

Чем меньше полученная величина, тем большим количеством трещин будет покрыт бетон, если вовремя не принять меры, которые заключаются в поддержании температуры на едином уровне и постепенном охлаждении.

Допустимая скорость охлаждения в зависимости от величины модуля:

• меньше 4 м-1 — до 5°C в час;
• от 5 до 10 м-1 — до 10°C в час;
• более 10 м-1 — до 15°C в час включительно.

Выбор способа поддержания температуры

Существует несколько способов обеспечения постепенного охлаждения без использования электрических приборов. Уровень их эффективности зависит от значения модуля поверхности.

Распалубка

Процесс снятия поддерживающих конструкций после приобретения бетоном начального уровня крепости в условиях низкой температуры отличается от стандартного. При снятии опалубки и теплоизоляции те поверхности, что были под прикрытием, сталкиваются с холодным воздухом, что может сказаться в дальнейшем на уровне их крепости.

Значение в данном случае имеет не только величина модуля, но и коэффициент армирования. Это значение определяет количество арматуры относительно массы бетона. Для определения достаточно сложить сечение каждого прута и разделить сумму на площадь верхней части бетонной плиты. Значение выражается в виде процентов.

Допустимы следующие перепады температур в разных условиях:

1. Если модуль не превышает значения 5 м-1, коэффициент армирования меньше 1%, то снимать опалубку стоит лишь при разнице в температуре бетона и воздуха менее 20°C.
2. При модуле меньше 5 м-1, но коэффициенте 1-3% допустимая разница повышается на 10°C.
3. Если арматуры много, коэффициент выше 3%, то ощутимых повреждений не будет, при снятии опалубки с разницей температур воздуха и раствора в 40°C.
4. При модуле поверхности выше 5 м-1 используются те же значения, но на 10°C выше:
   меньше 1% — 30°C;
5. от 1% до 3% — 40°C;
6. больше 3% — 50°C.

Поддержка температуры

О том, что это модуль поверхности бетона рассмотрим более подробно. Практически везде указывается информация о важности поддержки стабильной температуры. Для этого могут применяться различные методики.

Если модуль поверхности в диапазоне от 6 до 10 метров, то здесь смесь желательно разогревать перед укладкой в форму. При таком варианте увеличивается период охлаждения до критической температуры, горячий бетон быстрее схватывается и набирает нужную прочность. Это эффективный вариант для быстрой работы. Второй способ заключается в использовании дополнительных элементов, которые вводятся в смесь непосредственно перед кладкой и ускоряют ее затвердевание. Например, быстротвердеющий портландцемент высоких марок. Можно еще этого добиться увеличением количества бетона.

Что касается альтернативного подхода, то он сводится к понижению температуры с помощью кристаллизации воды. Сюда также добавляются специальные элементы, которые увеличивают прочность даже при отрицательных температурах. При правильном выборе способа затвердевания, исходя из отчислений модуля поверхности, можно получить качественный результат и долговечную поверхность без недостатков и трещин.

Формула расчета модуля поверхности бетона

Ошибки при расчете модуля поверхности бетона не позволяют точно определить методику прогрева материала. В результате возрастают риски появления в конструкции различных дефектов, например, трещин. Они могут появиться при избытке тепла. Особенно это актуально при работе с бетоном зимой, так как важно не только правильно выбрать методику укладки, но и необходимые присадки.

Особенности расчета

Лучше всего работать с бетоном на открытом воздухе в теплое время года. Однако это не всегда возможно, потому что строительство приходится продолжать зимой. Основной проблемой, возникающей при работе с бетонной смесью в зимнее время, является необходимость дать материалу набрать прочность до начала процесса кристаллизации воды в смеси. Для решения этой задачи приходится подогревать раствор либо теплоизолировать опалубку.

Выбирая один из этих методов, необходимо исходить из скорости остывания формы с материалом. Для определения показателя скорости, с которой массив отдает тепло, используется следующая формула:

Отношение площади охлаждаемой поверхности к ее внутреннему объему называется модулем поверхности бетона. Формула для его расчета имеет следующий вид:

Единицей измерения этого показателя является м-1 или 1/м. Следует заметить, что бетон прекращает набирать прочность при температуре около 0 градусов. Охлаждаемыми частями конструкции являются те, что вступают в контакт с более холодным воздухом или другими элементами строения.

На практике расчет модуля поверхности бетона – довольно трудоемкий процесс, так как конструктивные элементы здания могут иметь сложную геометрическую форму. Для упрощения задачи в строительстве принято использовать упрощенные формулы для расчета наиболее распространенных конструктивных элементов. Познакомиться с ними можно в таблице:

Практическое применение

Знать формулу для расчета параметра, влияющего на скорость остывания массива, мало. Важно понять, как применяется расчет модуля поверхности бетонной конструкции на практике.

Скорость остывания и нагрева

Вполне очевидно, что практически обеспечить одновременное остывание либо нагрев материала по всему объему строения невозможно. Все изменения условий приводят к появлению температурной разницы между ядром массива и его поверхностью. Следует заметить, что чем более массивной является конструкция, тем выше будет и температурная дельта.

На практике это приводит к увеличению внутренних напряжений в бетоне и появлению трещин в нем, так как материал еще не набрал необходимую прочность. Выход из сложившейся ситуации существует — необходимо замедлить скорость остывания поверхности конструкции.

Существует следующая зависимость скорости охлаждения от модуля поверхности:

• Параметр Мп не превышает 4 м-1 — скорость составляет менее 5 градусов/час.
• Мп находится в диапазоне от 5 до 10 м-1 — скорость остывания не должна превышать 10 градусов/час.
• Показатель Мп превышает 10 м-1 — максимум 15 градусов/час.

Технологическая карта

Это основной документ, в котором имеются сведения об укладке бетона, его технические характеристики, перечисление людей, принимающих участие в кладке. Еще в нем указан температурный режим, при котором затвердевание будет максимальным. Технологическая карта считается важным документом для инженерно-технических работников, строительных и проектных организаций.

Также она может использоваться производителями работ, мастерами и бригадиром в процессе кладки материалов. Обязательным является указание авторства технологической карты.

Она состоит из нескольких категорий. К основным относятся: область применения, организация и технология выполнения работ с указанием требования к качеству, потребность в материально-технических ресурсах, а также перечисление необходимых элементов, которые будут использоваться при кладке материала.

Обязательным элементом технологической карты является наличие решения по технике безопасности, а также технико-экономические показатели. Хотя этот документ составляется под конкретную область, здесь также считаются обязательными примеры определения модуля поверхности, пользования технологической картой и определения прочности бетона.

Технологическая карта является документом, по которому будет определяться уровень практичности и качественности бетона. Обязательным ее элементом считается расчет модуля поверхности бетона.

Примеры расчета

В качестве примера можно вычислить модуль поверхности из плиточного фундамента. Его габариты 6х10 м, а толщина составляет 0,25 м. Монолит укладывают в мороз на оттаявшую почву.

Не охлаждается только плита внизу. Она соприкасается с почвой обладающей плюсовой температурой. Необходимо сложить площади: (0,25х6)х2+(0,25х10)х2+6х10=68 м2.

Далее потребуется рассчитать объем плиты. Стоит вспомнить школьную геометрию. Объем элемента монолита будет равен произведению сторон параллелепипеда: 10х6х0,25=15 м3.

Остается вычислить модуль поверхности: 68 м2/15 м3= 4,5 (3) 1м.

В действительности расчеты являются достаточно сложными. Они отнимают много времени. Для упрощения задачи строители применяют формулы. Каждый элемент конструкции вычисляется отдельно.

Наличие распалубки

После того как залитый бетон начинает набирать минимально необходимую прочность, температура на поверхности и возле ядра стабилизируется, снимается опалубка и убирается созданная теплоизоляция. Это должно происходить при отрицательных температурах. Если температурный режим в процессе не соблюдается, это приводит к расколу поверхности.

Если коэффициент армирования превышает 3 %, воздух может быть на несколько градусов холоднее бетона. Если же модуль поверхности более 5 метров, максимально допустимые перепады температур принимают значение 30, 40 или 50 градусов. Это обязательно нужно учитывать. Если говорить о том, что это модуль поверхности бетонной конструкции, то его понятие близко к модулю бетона. Но сюда включаются значения дополнительных элементов, которые используются в процессе кладки.

Фактор зависит от наличия добавок в основную смесь.

Модуль поверхности бетона: определение, примеры расчета

Что это за параметр — модуль поверхности? Нам предстоит познакомиться с новым для себя понятием и изучить методы расчета его значений для настоящих конструкций. Помимо этого, мы затронем базы зимнего бетонирования и влияние модуля поверхности на используемые наряду с этим способы проведения работ.

Что с этим делать

Итак, мы обучились вычислять некоторый параметр, который воздействует на скорость остывания массива на холоде. И как применить его в настоящем постройке?

охлаждения и Скорость нагрева

Потому, что обеспечить одновременный нагрев либо охлаждение бетона по всему объему массива нереально, любое изменение условий волей-неволей приведет к появлению дельты температур между поверхностью и ядром.

Внимание: эта дельта будет тем больше, чем более массивна конструкция. Другими словами, несложнее говоря, чем меньше отношение ее площади к объему.

Повышение перепада температур между поверхностью и ядром неизбежно приведет к росту внутренних напряжений в материале; потому, что речь заходит о бетоне, не собравшем прочность, трещины не просто вероятны — гарантированы.

Выход? Он сводится к тому, дабы максимально замедлить изменение температуры поверхности массива.

Модуль поверхности	Скорость трансформации температуры
Мп до 4 1/м	Не больше 5 градусов/час
Мп лежит в диапазоне 5 — 10 1/м	Не больше 10 градусов/час
Мп более 10 1/м	Не больше 15 градусов/час

Стабильность температур при охлаждении обеспечивается, в большинстве случаев, теплоизоляцией цементного монолита; при нагреве — регулировкой мощности кабеля для бетона либо тепловой пушки.

Выбор метода поддержания температуры

Это применение взятого значения модуля поверхности имеет прямое отношение к расчету скорости нагрева/охлаждения: на базе выполненного расчета выбирается метод стабилизации температуры до комплекта бетоном прочности.

Для модуля поверхности не выше 6 достаточно так именуемого метода термоса. Форма просто-напросто как следует теплоизолируется, что значительно уменьшает теплоотдачу.

Помимо этого: в ходе гидратации (химических реакций портландцемента с водой) выделяется достаточно большое количество тепла, которое содействует саморазогреву смеси.

Для Мп в диапазоне 6 — 10 1/м вероятно пара решений:

• Смесь разогревается перед укладкой в форму. В этом случае при должной теплоизоляции возрастает период ее охлаждения до критической температуры (0 градусов); кроме того — тёплый бетон схватывается и набирает прочность значительно стремительнее.

• В смесь вводятся добавки, ускоряющие ее затвердевание. Как вариант — используются быстротвердеющие портландцементы высоких марок, каковые, не считая ускоренного комплекта прочности, нужны тем, что в ходе гидратации выделяют больше тепла.
• Другой подход сводится к понижению температуры кристаллизации воды в застывающей цементной смеси. Благодаря соответствующим добавкам комплект прочности длится при отрицательных температурах.

Полезно: стоит предостеречь от применения для данной цели солевых растворов. Их цена вправду ниже специальных синтетических добавок; но она нивелируется высоким (от 5%) содержанием соли в воде для затворения. Наряду с этим высокое содержание солей снижает итоговую прочность бетона и содействует ускоренной коррозии арматуры.

Наконец, для модуля поверхности более чем 10 единственное здравое решение — подогрев бетона греющим кабелем либо тепловыми пушками до комплекта определенного процента проектной прочности. Значение минимальной прочности до заморозки зависит от области эксплуатации и класса бетона монолита; полная инструкция по подбору значений содержится в СНиП 3.03.01-87.

Конструкция, класс бетона	Минимальная прочность
Монолиты, предназначенные для эксплуатации в зданий; фундаменты под промышленное оборудование, не подвергающиеся ударным нагрузкам; подземные сооружения	5 МПа
Монолитные конструкции из бетона В7,5 — В10, эксплуатирующиеся на открытом воздухе	50% марочной
Монолитные конструкции из бетона В12,5 — В25, эксплуатирующиеся на открытом воздухе	40% марочной
Монолитные конструкции из бетона В30 и выше, эксплуатирующиеся на открытом воздухе	30% марочной
Преднапряженные конструкции (изготовленные на базе растянутого армирующего каркаса из упругих сталей)	80% марочной
Конструкции, нагружаемые сразу после прогрева полной проектной нагрузкой	100% марочной

Распалубка

По окончании комплекта минимально стабилизации температуры и необходимой прочности монолита снимается опалубка и убирается теплоизоляция. Потому, что это происходит при отрицательных температурах, дельта между поверхностью бетона и окружающим воздухом также ответственна и также привязана к модулю поверхности.

• При Мп, лежащем в диапазоне 2-5, и коэффициенте армирования (отношении неспециализированного сечения арматуры к сечению монолита) до 1% максимально допустимая дельта температур образовывает 20 С.
• При коэффициенте армирования от 1 до 3 процентов большая дельта температур — 30 градусов.
• При коэффициенте армирования более чем 3% воздушное пространство возможно на 40 градусов холоднее бетона.
• При модуле поверхности более чем 5 1/м максимально допустимые перепады температур для различных коэффициентов армирования принимают значения 30, 40 и 50 градусов соответственно.

Обработка зимнего бетона

В случае если по окончании комплекта полной прочности монолиты и зимний бетон из неподготовленного бетона обычной влажности обрабатываются в полной мере традиционно, то устройство и перфорация проемов в монолите до комплекта им прочности имеет свою специфику.

Несложнее говоря, не собравший марочную прочность и замерзший бетон не следует дробить перфоратором и отбойным молотком. В этом случае вероятно появление трещин.

Обработка бетона зимой

Если говорить об обработке бетона после того, как он набрал нужную прочность, то здесь нет ничего особенного. Но что касается устройства проема в монолите до набора им прочности, здесь выделяется ряд специфических факторов.

Специалисты советуют не использовать отбойный молоток или перфоратор на поверхности, которая еще не набрала нужной прочности. Иными словами, бетон, который еще не набрал нужной марочной прочности, лучше не трогать, поскольку это чревато появлением трещин и недостатков на поверхности.

Оптимальным вариантом устройства проемов является формирование опалубки и дополнительных для нее элементов на стадии, которая начинается перед заливкой монолита. В таком случае поверхность не будет разрушаться под воздействием механической нагрузки.

Существуют места, в которых невозможно добавить опалубку, там применяется рифленая арматура. Рифление на поверхности само по себе служит анкером для дальнейших работ. В процессе создания технологической карты также учитывается модуль поверхности плиты перекрытия.

Понятие модуля упругости бетона и единицы измерения

В процессе эксплуатации твёрдые тела подвергаются нагружению и начинают деформироваться. Сначала протекающие деформационные изменения являются обратимыми, а их величина от прикладываемого усилия является линейной. Как только нагрузка снимается, изделие полностью восстанавливает первоначальную форму. Для описания протекающих процессов используется закон Гука, согласно которому в качестве коэффициента пропорциональности между абсолютным сжатием либо удлинением и прикладываемым усилием используется модуль упругости.

Определение данного показателя звучит следующим образом: модуль упругости – коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и соответствующей ему относительной продольной деформацией. Измеряется в кгс/см² (Н/м², Па). Называют модулем Юнга.

Как только нагрузка превысит определённый уровень, начинается фаза необратимых изменений. Деформативность становится неупругой. Сдвиг увеличивается без дальнейшего приложения нагрузки. В зоне ползучести внутренние связи начинают разрушаться, и бетонная конструкция теряет прочность.

ФОТО: gidrocor.ru При превышении определённого значения бетонная конструкция начинает разрушаться

Источник: furnilux.ru