Применение холода в строительной технике: анализ особенностей и перспектив развития

Процессы охлаждения и замораживания различных продуктов и веществ имеют широкую область применения.

В зависимости от типа конкретной решаемой прикладной задачи вопрос применения холода будет иметь свою специфику, свою технологию и методику реализации.

В рамках настоящей работы рассматривается вопрос исследования современного состояния применения холода в строительной технике.

Целью работы является анализ особенностей применения холода в данной области техники, определение практических примеров, анализ перспектив развития холодильных технологий в строительстве.

Применение холода в строительной технике зародилось за рубежом. Первоначально его использовали при постройке крупных плотин, а также успешно применяли для возведения различных железобетонных конструкций. Постепенно применение холода получило свое развитие в двух направлениях - для обеспечения высокого качества бетонов и для замораживания грунтов при строительстве [1].

Специфика применения холода для обеспечения качества бетонов определяется следующим.

Для производства новых образцов сборных железобетонных конструкций (плит перекрытий, панелей стен,  конструкций с предварительно напряженной арматурой) необходим крайне плотный и высокопрочный бетон с малой усадкой.

Известно, что бетон во время процесса схватывания выделяет тепло, и в  результате этого повышается его температура.

Происходит это из-за наличия экзотермических химических реакций в процессе гидратации бетона.

Повышение температуры бетона вызывает возникновение термических деформаций. Последнее влечет за собой появление в толще бетона высоких напряжений, которые впоследствии могут привести к появлению трещин.

В связи с этим охлаждение бетона является очень важным процессом, от которого в конечном итоге зависит прочность и долговечность бетонной конструкции.

При этом необходимо использовать искусственное охлаждение, независимо от того, изготавливали ли конструкции на строительной площадке или на самом заводе железобетонных изделий.

Свои лучшие качества и долговечность службы бетон достигает тогда, когда его перед укладкой в соответствующие сооружения охлаждают до температуры примерно 15 °С.

Рассмотрим способы отвода тепла из бетона:

1) Охлаждение с помощью проточной холодной воды. Вода в этом случае циркулирует в трубах, которые заложены в массив сооружения или арматуру бетона. Вода при этом может браться из близлежащего водоема. Циркуляцию воды обеспечивает насосная система.

2) Охлаждение с помощью холодной воды и льда при подготовке бетона необходимого состава (перед укладкой). В этом случае возможно достичь температуры укладки 5 °С, однако возникает проблема поиска источника льда.

3) Предварительное охлаждение водой или воздухом инертных материалов, которые входят в состав бетона.

В данном случае отсутствует необходимость возведения охлаждающих устройств на месте строительства, однако возникает проблема транспортировки охлажденных компонентов смеси.

Также необходимо проводить мероприятия по снижению притока тепла к бетону или его составляющим – таких, как укрытие инертных материалов от воздействия солнечной радиации, тепловая изоляция барабанов бетономешалок или укрытие их мокрым брезентом и т. д.

Особо важное значение охлаждение бетона имеет для гидротехнических сооружений - плотин, доков, так как сопротивляемость бетона просачиванию воды повышается при снижении его температуры.

Еще одним направлением является применение холода для замораживания грунтов в районе строительства при возведении подземных сооружений (канализационные системы, ветки метро) [2].

Целью замораживания является повышение прочностных свойств и степени гидроизоляции грунта. Метод замораживания грунтов в настоящее время широко распространен в строительной технике при строительстве вертикальных и горизонтальных шахт и тоннелей.

Физически метод замораживания грунта основан на механизме отвода тепла и кристаллизации водоносных пластов грунта. Для этого в грунте бурятся скважины, в которые далее с помощью насосов закачивается охлаждающая жидкость.

При отъеме тепла водоносные пласты превращаются лед, скрепляя при этом частицы грунта, в результате чего образуется так называемый  ледопородный массив, который отличается высокой прочностью и полной водонепроницаемостью.

В качестве охлаждающей жидкости может быть использован рассол или жидкий азот. При рассольном охлаждении используют раствор хлористого кальция с температурой – 25 °С.

Сам рассол при этом охлаждается аммиачной или фреоновой холодильной машиной, расположенной в непосредственной близости от скважин.

Несмотря на низкую температуру, при рассольном охлаждении грунт промораживается очень медленно (несколько сантиметров в час), кроме того вода из рассола попадает в грунт, что приводит к его вспучиванию.

С этой точки зрения рассольное охлаждение грунта не является оптимальным.

При использовании для замораживания жидкого азота с температурой -196 °С (77 К) вышеописанных трудностей удается избежать. Скорость промораживания грунта достигает 20 см в час.

Попадая в скважину, жидкий азот испаряется, отнимая при этом тепло у грунта.

Пары азота отводятся в атмосферу. Единственный недостаток данного способа – его дороговизна. Жидкий азот приходится отдельно закупать у производителя (на заводах по разделению воздуха методом глубокого охлаждения) и транспортировать к району строительства в авто- или железнодорожных цистернах.

Замороженный грунт сохраняет свое состояние довольно продолжительное время (до года).

Однако для повышения качества строительного сооружения грунт необходимо периодически подмораживать.

Таким образом, применение холода в настоящее время является неотъемлемым этапом строительных технологий возведения бетонных блоков, а также подземных сооружений.

При этом могут применяться различные технологии охлаждения (охлаждение водой, льдом, рассолом, жидким азотом). Развитие технологий применения холода в строительстве является перспективным и актуальным направлением.