Охлаждение бетона: зачем массивным конструкциям ледяная вода

Типичный пример, иллюстративный: плита толщиной 2,5 м, заливка 800 куб. м бетона. На третьи сутки твердения инженерный расчет адиабатического разогрева для такого объема дает порядка 55-65°C в ядре и около 30-35°C на поверхности — это оценка порядка величины, а не замер конкретного объекта; фактические цифры на площадке зависят от класса бетона, расхода цемента, погоды и способа выдерживания и подтверждаются только журналом контроля температуры с реальными термодатчиками. Перепад в 20-35 градусов в подобной ситуации — прямой путь к сквозной трещине: горячее ядро расширяется, остывающая поверхность держит эту деформацию и рвется первой. Инженер ПТО в такой момент обычно уже знает про экзотермию цемента и трубы охлаждения в теле массива — но не знает, как правильно организовать охлаждение воды для бетона, на сколько градусов ее охлаждать и какой мощности чиллер или генератор ледяной воды под эту задачу нужен. Расчет холодопроизводительности — это холодильная инженерия, смежная зона, не строительная. Разберем охлаждение бетона так, чтобы после статьи в руках были числа для раздела ППР, а не общие слова про “правильный подбор оборудования”.

Коротко: сколько градусов и какая мощность нужны

• Массивной конструкция считается при модуле поверхности Мп ≤ 2 — отношении площади поверхности, открытой для высыхания (кв. м), к объему (куб. м) (СП 63.13330, п. 3.13).
• Температура бетонной смеси при укладке (работы при температуре воздуха выше 25°C): для массивных конструкций с модулем поверхности менее 3 — не выше 25°C, для конструкций с модулем поверхности более 3 — не выше 30°C (СП 70.13330.2012, п. 5.12.2).
• Допустимая разность температур между ядром и боковыми поверхностями массива — не более 16-18°C, а в свободной зоне, удаленной от основания, до 20-25°C; между ядром и горизонтальной поверхностью блока — не более 14-16°C (СП 357.1325800.2017, п. 13.6; разбивка по зонам — в следующем разделе).
• Темп остывания при трубном охлаждении — не более 1°C в сутки в первые 8-10 суток, далее не более 0,5°C в сутки (СП 357.1325800.2017, п. 13.20). На втором этапе охлаждения в контактной зоне темп жестче — не более 0,5°C в сутки, в свободной зоне допускается до 1°C в сутки (п. 13.21).
• Отдельно: цифра “10-15°C в сутки”, которая часто встречается в статьях про охлаждение бетона, в тексте СП 357.1325800.2017 не подтверждается. В раздел ППР ее закладывать нельзя — реальный норматив для ответственного массива на порядок строже.

Почему трескается не от нагрева, а от перепада

Опасен не сам разогрев ядра до 58-60°C, а разница температур между ядром и поверхностью. Ядро в тепле расширяется; поверхность контактирует с воздухом, остывает быстрее и сокращается — но ее сокращение ограничено все еще горячим ядром снизу. В поверхностном слое возникает растягивающее напряжение, и как только оно превышает еще низкую на третьи сутки прочность бетона на растяжение, появляется трещина. Поэтому норматив нормирует именно перепад, причем по зонам. В контактной зоне (высота от основания до 0,2 наибольшего размера блока в плане, где основание — скала или ранее уложенный массив) конструкция сильнее всего ограничена в деформации, и там нормируется даже не перепад по сечению, а разность между максимальной температурой бетона при разогреве и минимальной в той же точке после остывания: не более 16-18°C при бетонировании длинными блоками и 20-27°C при столбчатых. Разность температур между ядром и боковыми поверхностями массива — не более 16-18°C, а в свободной зоне, удаленной от основания более чем на 0,5 наибольшего размера блока в плане, допуск мягче, 20-25°C. Разность между ядром и горизонтальной поверхностью блока не должна превышать 14-16°C ни в одной из зон: 14°C относится к длинным блокам, 16°C — к столбчатым.

Второй, отдельный риск — термоудар при снятии опалубки. Допустимая разность температур наружных слоев бетона и воздуха при распалубке зависит от модуля поверхности и коэффициента армирования: для Мп от 2 до 5 — не более 20/30/40°C при армировании до 1%, до 3% и более 3% соответственно; для Мп свыше 5 — не более 30/40/50°C (СП 70.13330.2012, таблица 5.7). Чем гуще армирование, тем жестче допуск: арматура хуже держит трещину при резком стягивании поверхностного слоя, чем массивный бетон без нее.

И третье, ради чего вообще стоит писать этот раздел: в нормах есть два разных модуля поверхности, путать их нельзя. СП 63.13330 задает Мп ≤ 2 как порог самого термина “массивная конструкция” — это привязано к влагопотере. СП 70.13330.2012 для целей производства работ пользуется другой границей: массивные конструкции — с модулем поверхности менее 3, средней массивности — от 3 до 6, отдельной категорией идут конструкции с Мп более 6 (п. 5.11.12). Это две разные шкалы из разных документов: вторая учитывает не влагопотерю, а скорость теплообмена конструкции с воздухом и используется для выбора технологии выдерживания и охлаждения бетона. В расчете и в ППР важно не перепутать, по какому из двух документов взят порог.

Два разных приема: лед в смесь или трубы в теле бетона

Охлаждение бетона в статьях обычно подают как одну технологию. На практике это два разных решения с разной задачей.

На фото: генератор льда КРИО-ЧЛ-2000 — смотреть в каталоге

Первое — охлаждение смеси до укладки: охлажденная вода затворения, замена части воды искусственным льдом, охлаждение крупного заполнителя и песка, цемент температурой не выше 40°C (СП 357.1325800.2017, п. 13.9). Жесткое требование: лед, введенный в смесь, обязан полностью растаять при перемешивании — нерастаявшие куски дают локальные пустоты и неоднородность прочности, которая вскроется только при контроле прочности, когда заливка уже сделана.

Эффект от одной холодной воды скромный: снижение температуры воды затворения на 10°C дает лишь около 2°C снижения температуры готовой смеси (инженерная оценка, не табличный норматив) — вода составляет лишь небольшую часть массы смеси, поэтому ее собственная теплоемкость погоды не делает. Отсюда переход на лед: скрытая теплота плавления льда (около 334 кДж/кг — табличная физическая константа воды) на порядок весомее явного тепла охлажденной воды в пересчете на кг компонента.

Второе, отдельное решение — охлаждение уже уложенного бетона трубами-змеевиками с хладоносителем в теле массива. Здесь у СП 357.1325800.2017 есть конкретные числа, и их стоит забрать в ППР целиком: трубы — стальные газопроводные диаметром 3/4-1 дюйма со стенкой 1,0-3,5 мм (п. 13.27); скорость воды в них — 0,5-0,9 м/с (п. 13.24); горизонтальный и вертикальный шаг труб — как правило от 1,0 до 3,0 м, уточняется расчетом температурного режима (п. 13.23); длина одного змеевика — не более 350 м, оптимально 165-225 м (п. 13.25). Разность между температурами бетона и охлаждающей воды на первом этапе — не более 30°C (п. 13.20), на втором этапе, если первый проводился, — не более 20°C (п. 13.21).

Развилка: охлаждение смеси льдом или водой дешевле и проще, но снижает только стартовую температуру — запас на старте, а не отмена экзотермии в уже уложенном массиве. Для по-настоящему массивной конструкции (Мп < 3) трубное охлаждение все равно понадобится, лед лишь облегчает нагрузку на него — конкретный порог по толщине определяется индивидуальным теплотехническим расчетом, а не единой цифрой.

На практике выбор состава смеси с пониженной экзотермией часто оказывается самым дешевым и наиболее ранним по очередности шагом снижения тепловыделения — он решается с технологом бетона на этапе проектирования состава смеси, до перехода к трубному охлаждению.

Формула: считаем нужную холодопроизводительность

Это инженерная оценка порядка величины, а не табличный норматив.

На фото: генератор ледяной воды КРИО-ЛВ-1000 — смотреть в каталоге

Q = V × Ц × q / t

• Q — требуемая холодильная мощность, кВт;
• V — объем бетона в расчетной захватке, куб. м;
• Ц — расход цемента, кг на куб. м (типично около 350 кг/куб. м для массивных конструкций);
• q — удельное тепловыделение цемента за расчетный период, кДж/кг. Исторический ориентир для низкоэкзотермичных цементов — не более 50 кал/г (≈209 кДж/кг) за 3 суток и 60 кал/г (≈251 кДж/кг) за 7 суток; цифра пришла из дореформенных гидротехнических норм (ГОСТ 4797-49 отменен с 1957 года), поэтому годится только для прикидки порядка величины. Действующий метод определения тепловыделения цемента — ГОСТ 310.5-88, а в расчет для ППР берут не справочную цифру, а фактическое тепловыделение из паспорта на конкретную партию цемента;
• t — характерное время съема основного тепла, порядка 10 суток; ориентир согласуется с СП 357.1325800.2017, п. 13.20, где первый этап трубного охлаждения заканчивается через 10-20 дней. Переводится в секунды, чтобы получить кВт.

Порядок величин по объему заливки (расход цемента около 350 кг/куб. м, тепловыделение 250-350 кДж/кг):

• 100 куб. м — средняя мощность около 10-15 кВт, пиковая — 25-40 кВт;
• 1000 куб. м — средняя около 100-140 кВт, пиковая — 250-400 кВт;
• 5000 куб. м — средняя около 500-700 кВт, пиковая — 1,2-1,8 МВт.

Экзотермия нелинейна: основная доля тепла выделяется в первые сутки твердения, а не равномерно за весь срок остывания. Если считать мощность по средней нагрузке за весь срок — оборудование “не потянет” именно в критичные сутки, когда риск трещины максимален. Точный расчет под ваш объем, класс бетона и температуру воздуха — это подбор оборудования по конкретным исходным данным, формула выше нужна, чтобы прикинуть порядок цифр до звонка расчетчику.

Что реально ставят на площадку — таблица под объем

Расчет холодопроизводительности переводится в конкретное оборудование: где-то достаточно охлаждения воды для бетона на узле, где-то нужна ледяная вода для бетона в контуре труб. Отдельный обязательный элемент любой схемы с трубным охлаждением — насосная станция обвязки: циркуляционный насос гонит хладоноситель по замкнутому контуру от чиллера к трубам в теле массива и обратно, а сама обвязка — это трубы и запорная арматура, физически соединяющие оборудование с массивом. Без насосной группы чиллер или генератор ледяной воды остаются источником холода, не подключенным к конструкции.

На фото: чиллер воздушного охлаждения КРИО-AL-280 — смотреть в каталоге

Объем заливки	Пиковая мощность (расчет)	Что ставят	Задача
до 100 куб. м	25-40 кВт	КРИО-ЧЛ на узле + компактный чиллер + насосная станция обвязки	Снизить стартовую температуру смеси, локальный контур труб
около 1000 куб. м	250-400 кВт	Чиллер под трубное охлаждение + насосная станция обвязки + КРИО-ЧЛ параллельно	Полноценный контур труб в массиве и охлаждение смеси на входе
около 5000 куб. м	1,2-1,8 МВт	Каскад чиллеров + насосная станция обвязки + генератор ледяной воды как буфер	Снятие пика без раздутия электрической мощности площадки

В каталоге холодильного оборудования под трубное охлаждение уложенного бетона стоят чиллеры КРИО-AL, КРИО-PL, КРИО-W и КРИО-M — в сумме по всем четырем линейкам холодопроизводительность от 2,45 до 1160 кВт (для трубного охлаждения бетона от сотен кубометров нужны модели от нескольких десятков киловатт, а не младшие типоразмеры ряда). Подключение труб в теле массива к любому из этих чиллеров всегда идет через насосную станцию с циркуляционным насосом — именно она, а не только сам холодильный агрегат, определяет реальную работоспособность контура на площадке. Под замену части воды затворения на узле — генераторы чешуйчатого льда КРИО-ЧЛ, 500-3000 кг льда в сутки, температура льда -1°C. Под пиковые сбросы тепла — генераторы ледяной воды с аккумуляцией КРИО-ЛВ, холодопроизводительность модельного ряда от 1,9 до 1364 кВт, запас накопленного холода до 12 276 кВт·ч на старшей модели. Резкий пик экзотермии в первые сутки и дальнейший спад — ровно тот профиль нагрузки, под который создана аккумуляция холода: она снимает пик без установленной под него полной электрической мощности площадки. Плата за это — время на “зарядку” запаса холода и больше места под скид с баком.

Отдельная оговорка: штатная температура ледяной воды в КРИО-ЛВ — плюс 0,5°C, карточка продукта рассчитана на пищевые линии. Для трубного охлаждения бетона, где по нормативу допустима разность температур бетон-вода до 30°C на первом этапе (СП 357.1325800.2017, п. 13.20), такая температура технически укладывается в допуск, но это нестандартное применение — его стоит проговаривать с производителем отдельно, а не считать готовым решением из карточки. То же касается исполнения чиллеров под хладоноситель с антифризом для температур ниже 0°C.

Для масштаба, а не как ориентир по мощности: нижняя фундаментная плита башни “Лахта Центр” в Санкт-Петербурге толщиной 3,6 м и площадью 5670 кв. м была залита непрерывно объемом 19 624 куб. м за 49 часов 20 минут (с 27 февраля по 1 марта 2015 года). Данных по мощности холодильного оборудования на этом объекте ни в одном открытом источнике нет — цифра только для порядка объема, не для подбора чиллера.

Типовые ошибки на площадке и чек-лист для расчета

Шесть ошибок, из-за которых теряют деньги на оборудовании и защиту раздела ППР:

1. Расчет мощности по средней нагрузке вместо пиковой — основной выброс тепла приходится на первые сутки твердения, а не размазан равномерно по всему сроку.
2. Водопроводная вода летом нередко прогревается выше целевых значений вместо специально охлажденной — конкретная температура зависит от региона и сезона, но такая вода обычно не дает запаса на снижение уже нагретого летом цемента и заполнителя; целевую температуру холодной воды считают под конкретный объект, а не берут произвольную цифру.
3. Нет журнала контроля температуры с термодатчиками — без него нечем доказать экспертизе, что режим твердения соблюден, раздел ППР не защищается.
4. Резкое снятие опалубки или резкое прекращение охлаждения без выдержки перепада — термоудар рвет поверхность именно в момент распалубки.
5. Ставка только на трубы без охлаждения смеси на входе — в жару смесь стартует с уже высокой базовой температурой, трубы не успевают снять и стартовый перегрев, и добавочную экзотерму.
6. Нерастаявший лед в смеси при недостаточном времени перемешивания — прямая причина локальных пустот.

Чек-лист того, что прислать для обоснованного подбора оборудования:

1. Объем заливки, куб. м;
2. Класс бетона;
3. Толщина конструкции или модуль поверхности Мп;
4. Срок набора прочности до контрольной точки;
5. Температура наружного воздуха на период заливки;
6. Доступная электрическая мощность на площадке;
7. Наличие и тип труб охлаждения в проекте;
8. Требуемый темп остывания по проекту, если задан отдельно от нормативного.

Чего честно не будет в расчете без индивидуального проекта: точного процента замены воды льдом и точного снижения температуры смеси на каждые 10% замены — в открытых нормативных источниках нет числовой нормы, только сам метод; фактической мощности холодильного оборудования на реальных крупных объектах; табличных значений тепловыделения по конкретным маркам цемента — их берут из паспорта поставщика, а не из справочника. Это зона проектировщика конструкций и индивидуального теплового расчета.

Пришлите эти восемь параметров — вместо “важно правильно подобрать оборудование” получите обоснованный подбор оборудования: генератор льда КРИО-ЧЛ, чиллер КРИО-AL/PL/W/M или генератор ледяной воды КРИО-ЛВ — с расчетом холодопроизводительности, который можно приложить к разделу ППР.