Специфика и методы зимнего бетонирования

Понятие «зимние условия» в технологии монолитного бетона и железобетона несколько отличается от общепринятого – календарного.

Зимними считаются условия бетонирования при установлении среднесуточной температуре наружного воздуха не выше 5ºС или при опускании в течение суток минимальной температуре ниже 0ºС. Подобные климатические условия продолжаются на территории России в среднем 6…7 мес. в году.

Формирование прочностных характеристик бетона в зимних условиях имеет свои особенности. Основной проблемой является замерзание в начальный период структурообразования бетона несвязной воды затворения.

При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода переходит в лед и не вступает в химическое соединение с цементом. Вода, тонким слоем находящаяся на поверхности крупного заполнителя и арматуры, в процессе замораживания свежеуложенного бетона образует вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяные пленки. Эти пленки благодаря притоку воды из менее охлажденных зон бетона, увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры и заполнителя, препятствуя необходимому сцеплению с цементным тестом и созданию плотной структуры после оттаивания бетона.

В результате этих процессов прекращается реакция гидратации и, следовательно, бетон не твердеет. Одновременно в бетоне развиваются значительные силы внутреннего давления, вызванные увеличением (примерно на 9%) объема воды при переходе ее в лед. При раннем замораживании бетона его неокрепшая структура не может противостоять этим силам и нарушается. При последующем оттаивании замерзшая вода вновь превращается в жидкость, и процесс гидратации цемента возобновляется, однако разрушенные структурные связи в бетоне полностью не восстанавливаются. Конечная прочность бетона оказывается ниже на 15…20% прочности бетона, выдержанного в нормальных условиях твердения, уменьшается его плотность, стойкость и долговечность.

Теоретически и практически доказано, что в замерзшем бетоне после его оттаивания будет продолжаться процесс набора прочности до заданной марочной при условии набора им к моменту замерзания так называемой критической прочности. Поэтому цель зимнего бетонирования – предохранение бетона от замерзания в ранние сроки, обеспечение надлежащих условий его твердения, приводящих к набору критической прочности.

Если бетон до замерзания приобретает необходимую начальную прочность, то все упомянутые выше процессы не оказывают на него неблагоприятного воздействия. Минимальную прочность, при которой замораживание для бетона не опасно, называют критической. Критерий морозостойкости – критическая прочность, выраженная в % от проектной прочности в возрасте 28 сут, при достижении которой бетон может быть заморожен без снижения его прочностных показателей после продолжения твердения при наступлении положительных температур.

Величина нормируемой критической прочности зависит от факторов, включающих тип монолитной конструкции, класс примененного бетона, условия его выдерживания, срока приложения проектной нагрузки к конструкции, условий эксплуатации и составляет:

*  для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 50% проектной прочности для В7,5...В10, 40% для B12,5... B25 и 30% для В 30 и выше;

*  для конструкций с предварительно напрягаемой арматурой – 80% проектной прочности;

*  для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или расположенных в зоне сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов – 70% проектной прочности;

*  для конструкций, нагружаемых расчетной нагрузкой, – 100% проектной прочности;

*  для ненесущих конструкций – критическая прочность должна быть не ниже 5 МПа (50 кгс/см²).

Продолжительность твердения бетона и его конечные свойства в значительной степени зависят от температурных условий, в которых выдерживают бетон. По мере повышения температуры увеличивается активность воды, содержащейся в бетонной смеси, ускоряется процесс ее взаимодействия с минералами цементного клинкера, интенсифицируются процессы формирования коагуляционной и кристаллической структуры бетона. При снижении температуры, наоборот, все эти процессы затормаживаются, и твердение бетона замедляется.

Основной целью зимнего бетонирования является обеспечение условий, при которых монолитные железобетонные конструкции в короткие сроки с наименьшими затратами могли бы набрать критическую прочность по морозостойкости или требуемую для восприятия проектных нагрузок. Для этого применяют специальные способы приготовления, подачи, укладки и выдерживания бетона.

Задача всех существующих и разрабатываемых методов зимнего бетонирования – достижение бетоном критической, а для большинства несущих конструкций прочности 50...70%-й от марочной в возможно короткие сроки, при соответствующем технико-экономическом обосновании принятых решений и при обязательном выполнении следующих мероприятий:

*  применение бетонных смесей с водоцементным отношением до 0,5;

*  приготовление бетона на высокоактивных и быстротвердеющих портланд- и шлакопортландцементах, на других вяжущих, в частности магнезиальном, обладающим рядом совершенно уникальных свойств, в том числе твердением при отрицательных температурах;

*  использование добавок-ускорителей твердения бетона;

*  подогрев воды и заполнителей;

*  в отдельных случаях увеличение расхода цемента или повышение марки цемента относительно проектной.

Применимость существующих методов зимнего бетонирования, а иногда и их совокупности, определяют технико-экономическим обоснованием, базирующемся на следующих факторах:

*  вид и массивность бетонируемых конструкций;

*  состав, темпы укладки и требуемая прочность бетона;

*  наличие энергоресурсов;

*  вид имеющихся теплоизоляционных материалов;

*  метеорологические условия;

*  особенности строительной площадки.

Приготовление бетонной смеси. Температура укладываемой в конструкцию бетонной смеси должна быть не ниже определенной расчетом для метода термоса и не ниже +5ºС при искусственном прогреве и применении противоморозных добавок. Бетонную смесь приготовляют подогретой и имеющей температуру выше полученной расчетом, так как необходимо учитывать теплопотери от момента приготовления до укладки смеси в конструкцию. При приготовлении бетонной смеси в зимних условиях ее температуру повышают до 35...45ºС путем подогрева заполнителей и воды.

Такая температура бетона обеспечивается подогревом заполнителей – песка и щебня не свыше 60ºС при помощи паровых регистров, а во вращающихся барабанах, в установках с продувкой дымовых газов через слой заполнителя – горячей водой. Воду подогревают в бойлерах или водогрейных котлах до 90ºС. Подогрев цемента запрещается, но его рекомендуется хранить в утепленном помещении. Температура приготовленной бетонной смеси при выходе из бетономешалки оказывается в этом случае в пределах до +45ºС.

 

Таблица Максимальная температура составляющих

Бетонной смеси

 

Тип цемента	Максимальная температура
	воды	заполнителей	бетонной смеси на выходе
Портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент марок ниже М600	70	60	35
Быстротвердеющий портландцемент и портландцемент марок М600 и выше	60	50	30
Глиноземистый портландцемент	40	30	25

 

В летних условиях в барабан смесителя, предварительно заполненного водой, все сухие компоненты загружают одновременно. При приготовлении подогретой бетонной смеси применяют иной порядок загрузки составляющих в бетоносмеситель. Зимой во избежание «заваривания» цемента в барабан смесителя вначале заливают 50% воды затворения, засыпают крупный заполнитель, а после нескольких оборотов барабана бетономешалки – песок, цемент, заливают оставшееся количество воды. По сравнению с летним периодом продолжительность перемешивания увеличивается в 1,25...1,5 раза.

Транспортирование бетонной смеси осуществляют в закрытой утепленной и прогретой перед началом работы таре (бадьи, кузова машин). Автомашины имеют двойное днище, в полость которого поступают отработанные газы мотора, что предотвращает потери тепла. Бетонную смесь следует транспортировать от места приготовления до места укладки по возможности быстрее и без перегрузок. Места погрузки и выгрузки должны быть защищены от ветра, а средства подачи бетонной смеси в конструкции (хоботы, виброхоботы и др.) утеплены.

Подготовка основания, на которое будут укладывать бетонную смесь, заключается в его отогреве до положительной температуры и предохранении от промерзания. Слой старого или ранее уложенного бетона отогревают на 30 см и предохраняют от промерзания все то время, которое требуется свежеуложенному бетону для приобретения начальной прочности, которая не может быть ниже критической.

Состояние основания, на которое укладывается бетонная смесь, а также температура основания и способ укладки должны исключать возможность замерзания смеси в зоне контакта с основанием. При выдерживании бетона в конструкции методом термоса, при предварительном разогреве бетонной смеси, а также при применении бетона с противоморозными добавками допускается укладывать смесь на неотогретое непучинистое основание или старый бетон. В этом случае по предварительному расчету в зоне контакта на протяжении расчетного периода выдерживания не должно произойти замерзания укладываемого бетона.

Опалубку и арматуру до бетонирования очищают от снега и наледи. Арматура диаметром 25 мм и более, жесткие прокатные профили и крупные металлические закладные детали при температуре –10ºС и ниже отогревают до положительной температуры.

Распалубливание осуществляют при температуре контактирующего слоя не ниже +5ºС для избежания примерзания опалубки к бетону и их повреждения при распалубливании.

Возведение монолитных железобетонных конструкций может быть осуществлено, как правило, с использованием нескольких способов зимнего бетонирования. Нахождение оптимального способа для данных конкретных условий должно базироваться на минимальных значениях трудоемкости, и энергоемкости, стоимости и продолжительности работ, с учетом температуры наружного воздуха, объема работ, наличия электрических мощностей и специального оборудования и материалов для выбранного способа производства работ.

Существует ряд способов зимнего бетонирования, каждый из которых не является универсальным. Степень массивности конструкций характеризуется модулем ее поверхности, представляющим собой отношение площади охлаждаемых поверхностей конструкции к ее объему. Метод «термоса» и его разновидности учитывают начальное теплосодержание бетонной смеси и тепловыделение цемента в процессе его гидратации; он применим для массивных конструкций с модулем поверхности М_п £ 5. Для колонн, балок и других линейных конструкций модуль поверхности М_п определяют отношением периметра к площади поперечного сечения

М_п = F/V

где F – площадь поверхности охлаждения; V – объем конструкции.

Примеры:

 

Куб со сторонами	1 × 1 × 1 м	F = 6 м2	V = 1 м3	Мп = 6
То же	2 × 2 × 2 м	F = 24 м2	V = 8 м3	Мп = 3
То же	3 × 3 × 3 м	F = 54 м2	V = 27 м3	Мп = 2
Колонна	0,4 × 0,4 × 0,4 м		Мп = 10
Стена	5 × 3 × 0,3 м		Мп = 7,4
То же	5 × 3 × 0,2 м		Мп = 10,7

 

Для менее массивных конструкций (М_п > 5) применимы методы искусственного прогрева – электропрогрев, контактный, индукционный и инфракрасный обогрев, использование термоопалубки, греющих проводов, широко практикуется применение специальных противоморозных химических добавок, эффект которых в значительном понижении температуры замерзания воды.

Существующие методы зимнего бетонирования позволяют при применении одного из них или в комбинации с другим вести работы в различных зимних условиях, адекватно отвечая на изменения окружающей среды.

Перспективными являются комбинированные способы зимнего бетонирования, например, термос с использованием в бетоне противоморозных добавок, электропрогрев или обогрев в греющей опалубке бетонов с противоморозными добавками, электрообработка бетонной смеси в тепляках и др.

Выбор того или иного метода зависит от вида и массивности конструкции, вида, состава и требуемой прочности бетона, метеорологических условий производства работ, энергетической оснащенности строительной площадки и др.

Успешность зимнего бетонирования в непрерывности и достаточной интенсивности укладки бетонной смеси с перекрытием ранее уложенного слоя и снижения в нем температуры ниже предусмотренной, обязательном виброуплотнении уложенной смеси и круглосуточности работ, постоянном контроле качества бетона. Минимальная температура укладываемой бетонной смеси в конструкцию должна быть не ниже +20ºС.

В настоящее время значительно возросли темпы возведения монолитных зданий (до 4 этажей в месяц). При этом значительно сокращаются сроки выдерживания монолитных конструкций до одних – трех суток при распалубочной прочности до 50...70% проектной. Появились легкие теплоизоляционные материалы, различные электронагреватели, греющие кабели, провода, термоопалубки, приборы для определения температуры твердеющего бетона и средства автоматического управления режимами выдерживания конструкций. Компьютерное программное обеспечение позволяет не только рассчитывать и прогнозировать технологические параметры, но и осуществлять оптимальное управление технологическими процессами.

Технологическая карта на производство бетонных работ в зимних условиях должна включать следующие регламентирующие положения:

 рекомендованный метод зимнего бетонирования;

 требования к составу бетонной смеси, особенности ее приготовления, доставки и укладки в конструкцию, температуру бетонной смеси при приготовлении и укладки в конструкцию;

 схему разбивки типового этажа возводимого сооружения на технологические захватки, увязанные с суточным объемом укладываемой бетонной смеси;

 температурно-влажностный режим выдерживания забетонированных конструкций;

 требуемую прочность бетона по окончании организованного выдерживания;

 мероприятия по контролю качества и набору прочности бетона.

 

Метод термоса

Возведение монолитных конструкций без искусственного прогрева является наиболее экономичным способом зимнего бетонирования. Сущность способа заключается в первоначальном нагревании бетонной смеси за счет подогрева заполнителей и воды, а также использовании тепла, выделяющегося при твердении цемента, для приобретения бетоном заданной прочности в процессе его медленного остывания в утепленной опалубке.

За счет аккумулированной энергии от нагрева воды и наполнителей, последующего выделения теплоты экзотермии цемента – реакции гидратации цемента с водой, массивная теплоизолированная (для уменьшения теплопотерь и, следовательно, увеличения времени остывания) конструкция набирает требуемую прочность за расчетный период времени до замерзания.

Область применения метода термоса – бетонирование в практически любых теплоизолированных опалубках массивных монолитных конструкций (фундаменты, блоки, стены, плиты) с модулем поверхности М_п 3…8. Кроме этого целесообразно применять метод в тех случаях, когда к бетону предъявляют повышенные требования по морозостойкости, водопроницаемости и трещиностойкости, так как термосное выдерживание сопровождается минимальными напряжениями в бетоне от воздействия температуры.

Целесообразность применения метода термоса устанавливается в результате технико-экономического расчета с учетом массивности конструкции М_п, активности и тепловыделения цемента, температуры уложенного бетона, температуры наружного воздуха, скорости ветра, а также возможности получения требуемой прочности бетона в заданный срок.

В зависимости от вида цемента, температуры бетонной смеси, средней температуре остывания и полученной по расчету продолжительности остывания по графикам определяют прочность, которую приобретет бетон через Т ч. Температура бетонной смеси, уложенной в опалубку, к началу выдерживания при методе термоса устанавливается расчетом, и не может быть ниже 5ºС. Если определенная таким образом прочность окажется меньше требуемой, то уменьшают коэффициент теплопотерь за счет дополнительного утепления конструкции. Можно увеличить начальную температуру бетона за счет предварительного, непосредственно перед укладкой в конструкцию, кратковременного электроразогрева бетонной смеси в кузовах, бункерах и бадьях трехфазным током промышленной частоты, напряжением 220 и 380 В с помощью пластинчатых электродов.

В процессе твердения бетона выделяется экзотермическая теплота, количественно зависящая от вида применяемого цемента и температуры выдерживания. Наибольшим экзотермическим тепловыделением обладают высокомарочные и быстротвердеющие портландцементы. Поэтому при применении метода термоса рекомендуется применять бетонную смесь на высокоэкзотермичных портланд- и быстротвердеющих цементах, укладывать смесь с повышенной начальной температурой и тщательно утеплять.

Метод тем эффективней, чем массивнее бетонируемая конструкция.

Метод термоса применим: в обычных условиях на подогретой бетонной смеси (М_П £ 5); при использовании высокотермальных цементов с добавкой ускорителей твердения (М_П £ 8); при предварительном электроразогреве бетонной смеси до 80 ºС перед самой укладкой в конструкцию (М_П £ 12).

Для ускорения твердения бетона в начальный период термосного выдерживания количество воды затворения должно быть минимальным. Удобоукладываемость бетонной смеси необходимо повышать введением пластифицирующих добавок. Если метод термоса применяют для крупных массивов (например, фундаментная плита), начальную температуру бетонной смеси следует занижать по сравнению с аналогами, имеющими меньший модуль поверхности, во избежание значительного саморазогрева бетона за счет экзотермии и предотвращения существенных температурных напряжений в конструкции.

Модификациями метода термоса, позволяющими расширить область его применения на конструкции с большим М_п, являются термос с добавками-ускорителями и предварительный электроразогрев бетонной смеси (горячий термос).

В случаях резкого изменения погоды (резкое похолодание, вьюга, пурга, метель и др.) а значит и температурных условий выдерживания бетона, заложенных в расчет, необходимо принимать дополнительные оперативные меры для обеспечения получения уложенным бетоном критической прочности до его замерзания. К таким мерам можно отнести устройство дополнительной теплоизоляции бетона, продление сроков его выдерживания и при необходимости искусственный обогрев.

К достоинствам метода «термоса» необходимо отнести низкие трудоемкость и энергоемкость, обеспечивающие минимальную себестоимость зимних работ. Недостатки метода – большая продолжительность выдерживания бетона и ограничения по степени массивности бетонируемых конструкций. Перспектива применения всех разновидностей метода термоса в разработке новых технологичных теплоизоляционных материалов, обеспечивающих простую по устройству и качественную изоляцию свежеуложенного бетона в конструкции любой формы, а также выпусков арматуры.