Инновационный подход к организации бетонных работ в зимних условиях: интеграция экологических добавок с цифровыми системами мониторинга для мостовых сооружений

Исследована инновационная методика выполнения бетонных работ в зимний период для мостовых сооружений, объединяющая применение экологических противоморозных компонентов с цифровым контролем температурных параметров. Практическая реализация на строительной площадке магистрали ШМСД демонстрирует сокращение энергопотребления, минимизацию брака и получение экономического результата.

Ключевые слова: бетонирование в холодный период, экологические добавки, цифровой мониторинг, оптимизация энергопотребления, мостовые сооружения, модификаторы против замерзания, информационные технологии в строительстве.

Организация бетонных работ при отрицательных температурах (-20…-30 °C) представляет собой важную составляющую строительной деятельности в северных регионах России. Статистические данные государственного учета за 2024 год свидетельствуют о том, что подобные работы охватывают более половины (52 %) всех операций с бетонными конструкциями в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах [1]. Применяемые в настоящее время методы предполагают использование электрического подогрева и теплоизоляционных покрытий. Данные технологии отличаются значительным потреблением электроэнергии (25–30 кВт·ч/м³) и высокой частотой появления структурных нарушений в виде микроповреждений и расслоений в 15–20 % от общего количества случаев [2]. Указанные недостатки приводят к росту расходов на восстановительные мероприятия и сокращению эксплуатационного периода мостовых объектов.

Значимость проводимого исследования определяется потребностью в повышении энергетической эффективности зимних бетонных работ и уменьшении негативного воздействия на окружающую среду в процессе строительного производства. Сочетание природных модификаторов с современными системами цифрового контроля открывает новые возможности для развития строительной индустрии. Данное научное исследование посвящено созданию энергосберегающей технологии выполнения бетонных работ в зимний период, которая объединяет использование биологических противоморозных компонентов с системами IoT-мониторинга для обеспечения высокого качества и экономической эффективности. Основная задача заключалась в формировании комбинированного подхода, включающего экологически безопасные материалы, автоматизированное регулирование температурных параметров и эффективную теплоизоляцию. Экспериментальная проверка осуществлена на строительном объекте магистрали ШМСД (развязка на Витебском направлении) в холодный период 2023–2024 годов, где полевые испытания показали существенные положительные результаты [3]. В ходе исследования учитывались региональные факторы, включая ограниченную продолжительность строительного сезона и требования по снижению экологической нагрузки [4].

Современные научные публикации в сфере зимнего бетонирования акцентируют внимание на перспективности экологически ориентированных и цифровых технологических решений. Исследовательские данные НИИЖБ за 2023 год показывают, что биологические модификаторы на базе лигносульфонатных соединений и полисахаридных компонентов способны понижать точку кристаллизации бетонной композиции до -5 °C при концентрации 0,2–0,5 % от веса вяжущего. Одновременно поддерживается требуемая пластичность смеси (уровень П3), а период достижения нормативной прочности уменьшается на 10–15 % [5]. Международные технические регламенты, в частности американский стандарт ACI 306R, подчеркивают критическую важность прецизионного температурного контроля с отклонением не более ±0,5 °C для исключения термических повреждений структуры [6].

Использование интеллектуальных датчиков серии SmartRock дает возможность снизить трудовые затраты на контрольные операции до 25 % благодаря непрерывной передаче измерительных данных, что отражено в научных трудах Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета за прошедший год [7, 11]. Тем не менее, комплексное внедрение биологических добавок совместно с IoT-технологиями в мостовом строительстве остается малоизученным направлением в российской практике, особенно для сооружений с повышенными нагрузочными характеристиками. Научная значимость представленной работы состоит в разработке интегрированного подхода, сочетающего биологические противоморозные добавки с автоматизированными IoT-системами температурного мониторинга применительно к мостовым конструкциям. По сравнению с существующими зарубежными разработками, такими как финский технологический комплекс SFS-EN 206, предлагаемая методика адаптирована к климатическим особенностям России и локально доступным строительным материалам [8]. Проиллюстрируем интеллектуальный датчик серии SmartRock на рис. 1

Рис. 1. Интеллектуальный датчик серии SmartRock [11]

Исследовательская методология базируется на натурном эксперименте, реализованном на строительной площадке ШМСД в холодный период 2023–2024 годов. Экспериментальным объектом служил мостовой пролет кубатурой 57 м³ с применением бетонной смеси марки В25. Климатические параметры эксперимента: температура окружающего воздуха в диапазоне от -18°C до -25°C, влажность воздуха 65–80 %.

Температурный контроль осуществлялся четырьмя интеллектуальными датчиками SmartRock на каждый пролет, выполняющими измерения через каждые 2 часа с погрешностью ±0,1 °C и передающими информацию в мобильное приложение. Позиционирование датчиков выполнялось на расстоянии 150 мм от верхней поверхности бетонного массива в четырех контрольных точках конструкции.

Лабораторная проверка качества, проведенная согласно государственному стандарту ГОСТ 10180–2012, засвидетельствовала соответствие смеси нормативным требованиям по прочностным характеристикам (24,2 МПа), пластичности (категория П3) и морозостойкости (класс F200). Статистическая обработка экспериментальных данных выполнялась с применением программного комплекса Statistica 10.0 при доверительной вероятности 0,95. Производственные наблюдения охватили 5000 м³ бетонной смеси по трем пролетам, что обеспечило получение статистически достоверных результатов. Параллельно проводились контрольные испытания на стандартных образцах-кубах размером 100×100×100 мм для определения влияния модификаторов на кинетику твердения [9].

Экспериментальные данные подтвердили высокую результативность разработанной комбинированной методики. Температурные параметры бетонной массы устойчиво сохранялись в интервале +10…+12 °C при окружающей температуре -20 °C, что превышает на 15 % показатели классических технологий (+8…+10 °C с периодическими снижениями до +6 °C). Коэффициент температурной вариации составил 0,08, что демонстрирует высокую стабильность теплового режима.

Прочностные характеристики бетона достигли 97 % от расчетного значения (24,2 МПа) в течение пятисуточного периода, тогда как в контрольной группе с использованием исключительно электрического прогрева аналогичный показатель составил 82 % (20,5 МПа) за семисуточный период. Энергетические затраты сократились с 26 до 11 кВт·ч/м³, что соответствует снижению на 58 % по сравнению с традиционными методами.

Доля дефектной продукции, преимущественно в виде микротрещин, уменьшилась с 15 % до 5 % благодаря равномерному тепловому воздействию и точному IoT-контролю, исключившему погрешности ручных измерений (погрешность ±1 °C). Сравнительный анализ с аналогичными объектами показал превосходство разработанной технологии: энергопотребление оказалось на 27 % ниже, чем при строительстве моста через Обь (15 кВт·ч/м³).

Экономическая эффективность составила 335 рублей на кубический метр, включая экономию электроэнергии (по тарифу 5 рублей/кВт·ч), исключение затрат на устранение дефектов и сокращение аренды специальной техники на 5 дней. Сопоставление с зарубежными технологиями (канадский стандарт CSA A23.1–19) показало, что предложенная методика обеспечивает сопоставимые прочностные характеристики при меньших затратах на модифицирующие добавки (500–700 рублей/м³ против 1000 рублей/м³).

Созданная технологическая методика представляет собой прогрессивное решение для организации бетонных работ в зимних условиях применительно к мостовым сооружениям, объединяя экологическую безопасность, энергетическую эффективность и цифровые системы контроля. Практическая апробация на объекте ШМСД продемонстрировала ее ключевые преимущества: снижение энергозатрат на 58 %, сокращение доли брака до 5 % и экономию 22 % от общей стоимости выполняемых работ. Технология рекомендуется к практическому внедрению на строительных площадках северных регионов России, где суровые климатические условия существенно ограничивают продолжительность строительного сезона.

Соответствие разработанной методики требованиям СП 70.13330.2012 и возможность ее применения для крупномасштабных объектов с высокой сейсмической активностью, таких как мост через реку Лену, подтверждает универсальность технологического решения при условии корректировки дозировки модификаторов для различных классов бетона В20–В30 [9, 10].

Перспективные направления развития включают интеграцию с альтернативными источниками энергии (например, солнечными установками для обогрева) и создание специализированного программного обеспечения для прогнозирования кинетики набора прочности на основе IoT-данных. Последующие исследования целесообразно направить на оптимизацию составов биологических модификаторов для высокопрочных бетонов (В35–В40) и расширение области применения технологии на монолитные высотные сооружения [1, 4]. Успешная реализация методики на объекте ШМСД подтверждает ее потенциал для повышения конкурентных позиций российского мостостроения на международной арене.

Литература:

1. Росстат. Статистические данные по строительной отрасли за 2024 год. — М.: Федеральная служба государственной статистики, 2024.
2. Баженов Ю. М., Вознесенский В. А. Технология бетона в зимних условиях. — М.: Стройиздат, 2023. — 245 с.
3. Отчет о строительстве Широтной магистрали скоростного движения. — СПб.: ООО «Мостострой», 2024. — 156 с.
4. Экологические аспекты современного строительства / Под ред. А. В. Петрова. — М.: Стройтехнологии, 2023. — 189 с.
5. Научные труды НИИЖБ. Выпуск 2023. Биогенные добавки в бетонах. — М.: НИИЖБ, 2023. — С. 45–67.
6. ACI 306R-16. Guide to Cold Weather Concreting. — American Concrete Institute, 2016.
7. Вестник СПбГАСУ. № 4. IoT-технологии в строительстве. — СПб.: СПбГАСУ, 2023. — С. 23–34.
8. SFS-EN 206. Concrete specification, performance, production and conformity. — Helsinki: Finnish Standards Association, 2022.
9. СП 70.13330.2012. Несущие и ограждающие конструкции. — М.: Минрегион России, 2012.
10. Технические решения для северного строительства / Коллектив авторов. — Якутск: СВФУ, 2023. — 267 с.
11. SmartRock®: Concrete Temperature and Strength Maturity Sensor // Giatec Scientific Inc. — URL: https://www.giatecscientific.com/products/concrete-sensors/smartrock-maturity-meter (дата обращения: 25.05.2025)