Моделирование процессов теплопереноса при бетонировании массивных железобетонных конструкций

Массивные железобетонные конструкции – фундаменты, стены, перекрытия, ригели, тела мостовых опор, плотины – подвержены значительным температурным деформациям из-за экзотермии бетона и внешнего теплового воздействия. Неравномерное распределение температур по массиву конструкции приводит к возникновению температурных напряжений, которые могут вызвать трещинообразование в бетоне и приводить к снижению долговечности конструкции. Теплофизическое моделирование позволяет с большой долей вероятности прогнозировать температурные поля возводимых конструкций и напряжения на этапе проектирования, оптимизируя технологии бетонирования (скорость оборачиваемости опалубки, термообработку, состав бетонной смеси и проч.). Методологическую основу исследования составляют: теория нестационарного нелинейного тепломассопереноса, подходы механики деформируемого твердого тела, позволяющие моделировать напряжённо- деформируемое состояние массивных конструкций с учетом сопряженных термических, фазовых и химических процессов. При твердении бетона происходит экзотермическая реакция гидратации компонентов цемента, сопровождающаяся выделением тепла. В массивных конструкциях из-за низкой теплопроводности бетона тепло аккумулируется, что приводит к: неравномерному прогреву; температурным деформациям (расширению при нагреве и сжатии при остывании); возникновению напряжений из-за ограниченной свободы деформирования. Моделирование процессов теплопереноса позволяет прогнозировать температурные поля и напряжения, оптимизировать технологии бетонирования и предотвращать разрушение конструкций. Современные вычислительные методы обеспечивают высокую точность расчетов, что особенно важно для ответственных сооружений (плотин, мостов, фундаментов АЭС).

1. Смирнов Н.В., Антонов Е.А. Роль ползучести бетона в формировании термонапряжённого состояния монолитных железобетонных конструкций в процессе её возведения // Научные труды ОАО ЦНИИС «От гидравлического интегратора к современным компьютерам». 2005. №213. С. 89–117.

2. Евланов С.Ф. Технологические трещины на поверхности монолитных пролётных строений // Научные труды ОАО ЦНИИС «Проблемы нормирования и исследования потребительских свойств мостов». 2002. № 208. С. 27–36.

3. Васильев А.И., Вейцман С.Г. Современные тенденции и проблемы отечественного мостостроения // Научно-технический журнал «Вестник мостостроения». 2015. № 1. С. 2–17.

4. Соловьянчик А.Р., Шифрин С.А., Ильин А.А., Соколов С.Б. Выбор технологических параметров производства бетонных работ при возведении массивных ростверков и опор арочного пилона вантового моста через реку Москву // Научные труды ОАО ЦНИИС «Исследование транспортных сооружений». 2006. № 230. С. 24–30.

5. Gakhova, L.N. Температурные напряжения в массивах железобетонных конструкций // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2017. № 4(3). С. 48-53. http://jfams.ru/index.php/JFAMS/article/view/116

6. Пуляев И.С., Александрова О.В., Пуляев С.М., Курицын В.С. Обоснование размеров блоков бетонирования при возведении тоннельных сооружений и подпорных стен мостовых конструкций // Вестник ВСГУТУ. 2023. № 4 (91). С. 56-64.

7. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований.

8. СП 46.13330.2012 Мосты и трубы.

9. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции.

10. Соловьянчик А.Р., Коротин В.Н., Шифрин С.А., Вейцман С.Г. Опыт снижения трещинообразования в бетоне от температурных воздействий при сооружении Гагаринского тоннеля // Научно-технический журнал «Вестник мостостроения». 2002. №3–4. С. 53–59.

11. Величко В.П., Черный К.Д. Учет напряженно-деформированного состояния в сборно-монолитных опорах мостов на стадии их сооружения // Научно-технический журнал «Транспортное строительство». 2013. № 2. С. 11–13.

12. Баженов Ю.М. Технология бетона. М. : Изд-во АСВ. 2015. 528 с.

13. Лапидус А.А., Хубаев А.О., Бидов Т.Х., Топчий Д.В. Совершенствование процесса бетонирования монолитных конструкций в условиях арктической зоны // Промышленное и гражданское строительство. 2024. № 12. С. 9-16. DOI: 10.33622/0869-7019.2024.12.09-16

14. Пассек В.В., Соловьянчик А.Р. Методика исследований температурного режима балок пролётных строений мостов в процессе тепловлажностной обработки // Сборник научных трудов ЦНИИС «Температурный режим и вопросы повышения устойчивости и долговечности транспортных сооружений на БАМ». 1980. С. 97-103.

15. Соколов С.Б. Влияние колебаний температуры воздуха в тепляках на температуру твердеющего бетона при возведении монолитных плитно-ребристых пролётных строений в холодный период года // Научные труды ОАО ЦНИИС «От гидравлического интегратора к современным компьютерам». 2005. №213. С. 167–172.

16. Смирнов Н.В., Антонов Е.А. Роль ползучести бетона в формировании термонапряжённого состояния монолитных железобетонных конструкций в процессе её возведения // Научные труды ОАО ЦНИИС «От гидравлического интегратора к современным компьютерам». 2005. №213. С. 89–117.

17. Шифрин С.А., Ткачёв А.В. Тепловое взаимодействие твердеющего бетона и бетонного основания в условиях солнечной радиации // Сборник трудов ВНИИПИТеплопроект. 1985. С. 19-27.

18. Лукьянов В.С., Соловьянчик А.Р. Физические основы прогнозирования собственного термонапряжённого состояния бетонных и железобетонных конструкций // Сборник научных трудов ЦНИИС. 1972. №73. С. 36–42.

19. Величко В.П., Цимеринов А.И. Методика прогнозирования термонапряжённого состояния цилиндрических бетонных массивов // Сборник научных трудов ЦНИИС. 1972. №73. С. 117–129.

20. Гинзбург А.В. Обеспечение высокого качества и эффективности работ при возведении тоннелей из монолитного бетона // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». № 1. 2014. С. 98–110.

21. Nesvetaev, G.V., Koryanova, Yu.I., Yazyev, B.M. Autogenous shrinkage and early cracking of massive foundation slabs. Maazine of Civil Engineering. 2024. № 17(6). Article no. 13005. DOI: 10.34910/MCE.130.5

22. Несветаев Г.В., Корянова Ю.И, Шуть В.В. Учет влияния добавок на тепловыделение бетона с целью предотвращения раннего рещинообразования массивных монолитных конструкций // Вестник евразийской науки. - 2024. - Т.16. № 6. URL: https://esj.today/PDF/50SAVN624.pdf.

23. Пуляев И.С., Пуляев С.М. Учет температурного фактора твердеющего бетона при возведении объектов транспортной инфраструктуры // Вестник ВСГУТУ. 2020. № 4 (79). С. 92-100.

24. Пуляев И.С., Пуляев С.М. Учёт собственного термонапряженного состояния твердеющего бетона при обеспечении требуемых потребительских свойств конструкций крымского моста // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2018. Т. 15.№ 5 (63). С. 742-759.

25. Травуш В.И., Никифоров С.В. Технология бетонирования массивных конструкций фундаментов зданий МФК «Лахта Центр» // Строительство и реконструкция. 2025. № 2. С. 44-55. https://doi.org/10.33979/2073-7416-2025-118-2-44-55

26. Елисеев В.В. Механика деформируемого твёрдого тела. С.-П(б), 2006, 231 с.

27. Fedosov S., Pulyaev I., Aleksandrova O., Cherednichenko N., Derbasova E., Lezhnina Yu. Thermophysical processes in hardening concrete as a factor for quality assurance of erected reinforced concrete structures of transport facilities. Architecture and Engineering. 2024. Vol. 9. № 4. Pp. 75-86.

28. Васильев А.И., Вейцман С.Г. Современные тенденции и проблемы отечественного мостостроения // Научно-технический журнал «Вестник мостостроения». 2015. № 1. С. 2–17.

29. Балючик Э.А., Черный К.Д. Повышение трещиностойкости опор мостов из монолитного бетона конструктивными методами // Сборник научных трудов ЦНИИС. 2010. № 257. С. 49–57.

30. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат. 1963, 536 с.

31. Федосов С.В., Баканов М.О., Федосеев В.Н. Методы теории теплопроводности в приложении к задачам моделирования процессов сушки и термической обработки твёрдых материалов. Москва - Вологда, «Инфра-Инженерия», 2024, 212 с.

32. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Изд. АН БССР, 1961, 525 с.