Гидратация – это физико-химический процесс, протекающий при взаимодействии компонентов цементной смеси с водой, в результате которого происходит схватывание цемента и последующее его твердение. Процесс гидратации характеризуется интенсивным выделением тепловой энергии, изменяющейся в зависимости от вида, марки и начальной температуры цемента в пределах от 188 до 419 кДж/кг [2][3]. Большая часть тепловой энергии при гидратации выделяется в период с 1-х по 9-е сутки (85–90%), оставшаяся часть (10–15 %) – вплоть до 28-го дня. Такое тепловыделение приводит к повышению температуры раствора на 20–50 °С [4][5].

При строительстве зданий и сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с применением буронабивных свай такое продолжительное по времени тепловое воздействие ведет к формированию вокруг фундаментов ореолов оттаивания, а в некоторых случаях, при прерывистом в плане и по глубине распространении мерзлоты, формированию единого талого грунтового массива.

Если в случае использования грунтов по Принципу I тепловыделение в процессе гидратации оказывает больше отрицательное влияние, увеличивая время смерзания свай со вмещающими грунтами, то при использовании грунтов по Принципу II, наоборот, может существенно сократить сроки подготовки основания для передачи проектных нагрузок.

Несмотря на то что сам процесс гидратации и сопутствующего тепловыделения достаточно подробно описан в научной и технической литературе [2–5], ощущается недостаток структурированных и взаимосвязанных характеристик и параметров в линейке состав бетонного раствора – выделяемая теплота и повышение температуры в процессе гидратации – влияние на прочностные и деформационные характеристики мерзлых (оттаивающих) грунтов. Без понимания параметров в данной последовательности проблематично выполнять корректные прогнозные теплотехнические и деформационные расчеты при проектировании и оценивать надежность системы фундамент – грунт основания.

Для целей практического применения при проектировании было проведено экспериментальное исследование процесса гидратации цемента при твердении и оценено изменение его температуры, а в дальнейшем, с учетом полученных данных, выполнены теплотехнические и деформационные расчеты.

В процессе экспериментального исследования в лабораторных условиях были подготовлены три образца цементной смеси на основе портландцемента марки М500 с различным соотношением цемент/песок (щебень в образцах не использовался ввиду ихмалых размеров):

Подготовленный раствор заливался в деревянные формы размерами 15 × 15 × 15 см (рис. 1). Для создания эффекта «термоса» и приближения условий твердения к реальным эти формы помещались в специальные теплоизоляционные ящики изпенополистирола. Измерения температуры цементной смеси выполнялись при помощи термометрической косы и логгера, записывающего полученные данные с периодичностью один раз в час (рис. 2).

Результаты измерения температуры в процессе экспериментального исследования приведены на рис. 3.

При рассмотрении результатов измерения температуры цементной смеси (бетона) во времени видно, что максимальное повышение температуры фиксируется примерно через сутки после начала эксперимента. При начальной температуре смеси 22,0–23,2 °С повышение температуры составляет:

В дальнейшем наблюдалось плавное понижение температуры образцов (остывание) до фоновых значений, продолжавшееся вплоть до 11-го дня эксперимента.

По истечении 28 дней образцы бетона были извлечены из деревянных форм (рис. 4) и испытаны на прочность.

По результатам испытаний получены следующие характеристики:

Результаты экспериментального исследования применены при проектировании фундаментов пассажирского терминала аэровокзального комплекса в г. Магадане.

Проектируемый пассажирский терминал аэровокзального комплекса располагается в п. Сокол в 50 км от г. Магадана. Для района характерна отрицательная среднегодовая температура воздуха минус 4,5 °С и островное распространение многолетнемерзлых грунтов.

Непосредственно в контуре застройки, на всю глубину выполненных изысканий, присутствуют как талые, так и высокотемпературные (минус 0,3 – минус 0,1 °С) мерзлые грунты, представленные в основном дресвяными суглинками с прослоями песка.

В качестве фундамента пассажирского терминала в процессе предпроектной проработки было предложено использование монолитной железобетонной «перевернутой» ребристой плиты со свайным основанием. Плита толщиной 600 мм с утолщением до1200 мм в местах устройства свайных кустов. Сваи фундамента буронабивные, диаметром 400 мм, глубиной заложения 14 м от дна котлована. Размеры плиты и свайного поля в плане составляют 102 × 61,5 м (рис. 5).

Так как под одной частью проектируемого здания на всю рассматриваемую глубину распространены талые грунты, а мерзлые грунты, присутствующие в другой части здания, слабольдистые и имеют высокие отрицательные температуры, близкие к температуре начала замерзания, по результатам рассмотрения различных вариантов, было принято решение использовать грунтовое основание по Принципу II.

Оттаивание мерзлых грунтов предполагалось в процессе устройства буронабивных свай и заливки фундаментной плиты за счет тепловыделения в процессе гидратации цемента при твердении. Для подтверждения возможности применения такого решения были выполнены теплотехнические расчеты с использованием данных, приведенных в [2][3], и данных, полученных в ходе экспериментального исследования.

Теплотехнические расчеты выполнялись в программе «WEBGEO», позволяющей прогнозировать изменения температурного режима грунтов основания зданий и сооружений в трехмерном пространстве с учетом влияния как природных, так и техногенных факторов. Размеры расчетной области выбирались с таким условием, чтобы в нее помещалось все проектируемое здание (свайное поле) с участками прилегающей территории. Подобный выбор обеспечивает корректную теплофизическую постановку задачи (рис. 6). В дальнейшем область исследования разбивалась на прямоугольные элементы (блоки) размером не более 0,2 м для более детального учета мерзлотно-грунтовых условий. Для каждого выделенного внутреннего блока модели задавались свои физико-механические и теплофизические характеристики, соответствующие свойствам грунтов, определенным в результате инженерно-геологических изысканий.

Климатические параметры задавались по данным ближайшей метеостанции.

Начальная температура бетонной смеси принималась в расчетах, равной 20 °С. Для обеспечения равномерного твердения бетонной смеси и предотвращения ее преждевременного охлаждения на участках поверхности, где закачивалось устройство свай, в расчетах на протяжении 28 дней принималось, что температура не опускается ниже 0 °С.

Теплотехнические расчеты выполнялись в 2 этапа:

Этап 1. Предварительное моделирование по подбору граничных условий и условий теплообмена атмосферы с грунтовой поверхностью для сопоставления и верификации расчетной модели с данными инженерных изысканий (начальное распределение температуры по глубине грунтового разреза, положение границы распространения мерзлоты).

Этап 2. Откопка котлована и последовательное устройство буронабивных свай с последующим возведением фундаментной плиты. Детальный теплотехнический расчет при устройстве буронабивных свай выполнялся для участка развития мерзлых грунтов. Принималось, что один куст свай (16 шт.) устраивается в среднем за 4 дня. Работы параллельно выполняются с двух сторон. Бетонирование фундаментной плиты начинается «захватками» по 4 группы кустов свай (8 кустов, 128 свай) спустя примерно 14 дней после окончания устройства последнего куста свай в группе.

Результаты теплотехнических расчетов показали, что в процессе устройства буронабивных свай и плиты фундамента за счет тепловыделения при твердении бетона происходит интенсивное оттаивание мерзлых грунтов основания.

После устройства части свайного поля на участке развития мерзлых грунтов, для которого выполнялся детальный теплотехнический расчет, глубина зоны растепления достигает 2,4 м, считая от нижнего конца свай. После устройства всего свайного поля в контуре проектируемого здания образуется сплошной массив талого грунта, а глубина зоны растепления достигает 5,3 м, считая от нижнего конца свай (рис. 7).

Последующие расчеты несущей способности свай, устойчивости на действие вертикальных, горизонтальных и сейсмических воздействий подтвердили достаточную надежность системы основание – сооружение и правильность принятого технического решения по устройству фундамента.

На основании всех выполненных расчетов в проектную документацию были заложены требования по минимальной температуре приготавливаемой бетонной смеси и ориентировочным срокам формирования оттаивающего массива в основании здания.

Для контроля за реализацией проектных решений на стадии строительства и эксплуатации объекта разработаны программа и проект геотехнического мониторинга, включающие наблюдения за: