Формирование прочностных характеристик бетона при отрицательных температурах наружного воздуха (зимние условия) имеет свои особенности.
Основной проблемой является замерзание в начальный период структурообразования бетона несвязной воды затворения. При отрицательных температурах наружного воздуха вода, не вступившая в реакцию гидратации с цементом, переходит в лед и, следовательно, бетон не твердеет. Тонкий слой воды, находящийся на поверхности крупного заполнителя и арматуры, в процессе замораживания свежеуложенного бетона образует вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяные пленки. Благодаря притоку воды из менее охлажденных зон бетона, эти пленки увеличиваются в объеме и препятствуют необходимому сцеплению арматуры и заполнителя с цементным тестом.
Это приводит к тому, что в бетоне развиваются значительные силы внутреннего давления, вызванные увеличением (примерно на 9 %) объема воды при переходе ее в лед. При раннем замораживании бетона уже сформировавшаяся структура бетонного камня нарушается этими силами. 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 на 15–20 % ниже прочности бетона, выдержанного в нормальных условиях твердения; уменьшается его плотность и долговечность.
Теоретически и практически доказано, что после оттаивания замерзшего бетона в нем 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.
Минимальную прочность, при которой замораживание для бетона не опасно, называют критической. Величина нормируемой критической прочности зависит от факторов, включающих тип монолитной конструкции, класс примененного бетона, условия его выдерживания, срок приложения проектной нагрузки к конструкции, условия 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 В30 и выше; с предварительно напрягаемой арматурой – 80 % проектной прочности.
Основной целью зимнего бетонирования является обеспечение условий, при которых монолитные бетонные и железобетонные конструкции в короткие сроки с наименьшими затратами могут набрать критическую прочность.
Для решения поставленной цели на строительной площадке рекомендуется руководствоваться следующей технологией при зимнем бетонировании.
Температура укладываемой в конструкцию бетонной смеси должна быть не ниже определенной расчетом для метода термоса и не ниже +5 °С при искусственном прогреве и применении противоморозных добавок.
При приготовлении бетонной смеси в зимних условиях ее температуру повышают до 35–45 °С путем подогрева заполнителей и воды. Такая температура бетона обеспечивается подогревом заполнителей – песка и щебня – не выше 60 °С при помощи паровых регистров, во вращающихся барабанах и установках с продувкой дымовых газов через слой заполнителя – горячей водой. Воду подогревают в бойлерах или водогрейных котлах до 90 °С.
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 +45 °С. При приготовлении подогретой бетонной смеси во избежание «заваривания» цемента вначале в барабан смесителя 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.
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 –10 °С и ниже отогревают до положительной температуры.
Для предотвращения примерзания опалубки к бетону распалубливание осуществляют при температуре контактирующего слоя не ниже +5 °С.
Так как основная цель зимнего бетонирования – обеспечение условий, позволяющих набрать монолитным конструкциям критическую прочность, приоритетом технологии бетонных работ при отрицательных температурах является выбор эффективного способа выдерживания бетона монолитных конструкций в опалубке.
Укажем основные способы выдерживания бетона монолитных конструкций согласно рекомендуемым нормативным документам ТКП 45-5.03-21-2006.
Способ термоса. Сущность этого способа заключается в том, чтобы сохранить утепленной опалубкой аккумулированную энергию от нагрева воды и наполнителей, а также теплоту, выделяющуюся в процессе экзотермической реакции гидратации цемента с водой. Данный способ эффективен при возведении массивных бетонные и железобетонные конструкций с модулем поверхности от 3 до 6 м–1. Для минимизации основного недостатка способа термоса (большая продолжительность выдерживания бетона в утепленной опалубке) рекомендуется введение противоморозных добавок или ускорителей твердения бетона в бетонную смесь при ее приготовлении.
Введение противоморозных добавок в бетонную смесь при ее приготовлении обеспечивает протекание реакции гидратации цемента и твердения бетона при температуре наружного воздуха ниже 0 °С. Добавки вводят в бетонную смесь в виде водных растворов солей нитрита натрия (НН), нитрита калия (НК), поташа (П), хлористого натрия (ХН) и др. Противоморозные добавки добавляют в бетонную смесь в процентном отношении к массе цемента.
Ускорители твердения позволяют существенно снизить сроки набора бетоном величины нормируемой критической прочности и тем самым снизить затраты на эксплуатацию утепленной опалубки. Ускоряющие твердение бетона добавки являются пластификаторами и добавляют их при замесе бетона вместе со всеми ингредиентами твердения в виде водных растворов. Сегодня рекомендуют применять добавки Универсал П-2, Релаксол, Реламикс-ПК.
Для бетонирования конструкций с модулем поверхности Мп = 12 м–1 способом термоса практики рекомендуют применять предварительный электроразогрев бетонной смеси, который заключается в быстром разогреве бетонной смеси в построечных условиях путем пропускания через нее электрического тока и укладке смеси в утепленную опалубку. Бетон достигает заданной прочности в процессе медленного остывания в опалубке.
Продолжительность электроразогрева бетонной смеси до заданной температуры составляет от 5 до 20 мин.
Бетонную смесь следует транспортировать к месту укладки без перегрузок в промежуточные емкости, а укладку ее в опалубку производить в минимально короткие сроки. Время от момента окончания разогрева до окончания виброуплотнения не должно, как правило, превышать 15 мин.
Разогретую бетонную смесь укладывают в конструкцию (подготовленную опалубку) и уплотняют обычными способами. Сразу после уплотнения неопалубленную поверхность бетона укрывают влаго- и теплоизолирующим покрытием расчетной толщины, обеспечивающей последующее остывание монолитной конструкции по заданному температурному режиму.
Согласно ТКП 45-5.03-21-2006 при возведении монолитных конструкций с модулем поверхности от 6 до 10 м–1 (колонны, балки, прогоны, элементы рамных конструкций, стены, перекрытия и др.) рекомендуется применять способы искусственного прогрева бетона. Сущность искусственного прогрева заключается в обеспечении требуемой температуры бетона во время его выдерживания в опалубке до набора им критической или заданной прочности.
Искусственный прогрев базируется на применении следующих методов:
- бетонирование в тепляках;
- электродный прогрев бетона;
- обогрев бетона с применением нагревательных проводов;
- прогрев бетона в термоактивной опалубке.
Бетонирование в тепляках. Тепляки – это временные сооружения или приспособления, внутри которых поддерживается положительная температура для обеспечения твердения бетона, а в некоторых случаях и для производства подготовительных и бетонных работ. По конструкции, габаритам и способам укладки в них бетонной смеси применяют тепляки следующих типов.
Малые – это палатки из паронепроницаемых материалов, в которых укладка смеси производится средствами механизации, расположенными вне тепляка, или тепляк устраивается немедленно после укладки бетона. Малые тепляки-палатки рекомендуется применять при бетонировании конструкций небольших размеров в плане (фундаменты под колонны, под оборудование, опоры, небольшие устои мостов и т. п.).
Объемные тепляки, внутри которых размещаются средства механизированной укладки бетона и производятся подготовительные и бетонные работы.
Подвижные тепляки с легким металлическим каркасом применяют для бетонирования протяженных конструкций (ленточных фундаментов, монолитных каналов подземных коммуникаций и т. п.) по захваткам. Тепляк перемещают по подготовленным направляющим или опорам. Установку опалубки и арматуры, а также распалубку захватки осуществляют вне тепляка.
Подъемные тепляки используются для возведения высотных железобетонных сооружений в скользящей опалубке. Технология производства бетонных с использованием таких тепляков апробирована при строительстве объектов в районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера Российской Федерации.
Для создания и поддержания достаточно равномерной температуры в тепляках необходимо размещать воздухонагреватели равномерно по периметру внутреннего пространства тепляка и направлять теплый воздух вниз либо устанавливать воздухонагреватели в одном месте и подавать теплый воздух в другие зоны тепляка
Электродный прогрев бетона (электропрогрев) основан на выделении внутри твердеющего бетона тепловой энергии, получаемой при пропускании переменного электрического тока через жидкую фазу бетона, используемую в качестве омического сопротивления. Для питания электропрогрева и других способов электротермообработки применяют, как правило, понижающие трансформаторы. Благодаря омическому сопротивлению пониженное напряжение в электроцепи подводят к прогреваемой монолитной конструкции посредством различных электродов (стержневых, полосовых и струнных), погружаемых в бетон или соприкасающихся с ним по поверхности. Область применения электропрогрева – прогрев монолитных конструкций с модулем поверхности 5–20 м–1.
Пластинчатые электроды применяют для сквозного прогрева конструкций толщиной до 300 мм (балки, прогоны, стены, перегородки, тоннели и т. п.). Их изготавливают из кровельной стали толщиной до 4 мм; они крепятся к палубе стальных щитов. Располагаются электроды на противоположных поверхностях конструкции опалубки (см. рис. 8, а).
Полосовые электроды применяют для периферийного прогрева конструкций толщиной до 300 мм (балки, прогоны, стены, перегородки, тоннели и т. п.). Электроды изготавливают из полосовой стали толщиной до 4 мм. Электроды располагают вертикально и закрепляют на деревянной палубе щитов опалубки. В зависимости от области применения опалубки электроды могут располагаться на одной поверхности конструкции, на двух противоположных поверхностях конструкции или с расположением на всех опалубленных плоскостях конструкций. Расстояние между электродами находится в пределах от 150 до 400 мм. Оно уточняется и при необходимости корректируется расчетом удельной мощности, которую обеспечивает принятая схема их размещения. Схемы расстановки полосовых электродов на щитах опалубки при сквозном и периферийном прогреве приведены на рис. 8, б, в, г.
Наряду с электродами, установленными на деревянной палубе щитов опалубки, применяют стержневые электроды из круглой стали диаметром от 4 до 10 мм. Такие электроды устанавливают (забивают) в бетон отдельно или в виде плоских электродных групп. Применяют такое решение для сквозного прогрева конструкций любых размеров и типов (рис. 8, д, е).
Для искусственного прогрева бетона конструкций, длина которых значительно превышает размеры сечения (балки, прогоны, колонны и т. п.), рекомендуется применять струнные электроды. Изготавливаются они из круглой стали диаметром от 4 до 16 мм. Электроды устанавливают по оси конструкции или параллельно оси.
Электрообогрев нагревательными проводами рекомендуется применять для монолитных конструкций с модулем поверхности Мп = 6 – 10 м–1, бетонирование которых может производиться при минимальной температуре воздуха до –40 °С.
288
Рис. 8. Схемы размещения электродов: а – пластинчатых; б – при периферийном прогреве; в – при двухстороннем сквозном прогреве; г – при периферийном прогреве массивных конструкций полосовыми электродами; д – при прогреве с помощью плоских групп стержневых электродов; е – при прогреве стержневыми электродами; ж – при прогреве струнными электродами; 1ф, 2ф, 3ф – фазы понижающего трансформатора
Сущность электрообогрева нагревательными проводами заключается в передаче контактным путем выделенного проводами тепла в бетон. Провода со стальной токонесущей изолированной жилой, подключаемые в электрическую сеть, работают как нагреватели сопротивления. Нагревательные провода закладываются непосредственно в массив конструкции, где они и остаются. В монолитных железобетонных конструкциях провода размещают на арматурном каркасе после установки арматуры в проектное положение. Крепление провода к арматуре производят с помощью скруток из мягкой вязальной проволоки, обрезками изолированного провода, пластмассовыми фиксаторами, скрепками из стальной проволоки, полиэтиленовым шпагатом. Во избежание обгорания изоляции, замыкания на массу и перегорания нагревательного провода устраивают выводы нагревательного провода из бетона с помощью монтажного провода. Узлы соединения тщательно изолируют. Перед укладкой бетонной смеси проверяют мегомметром отсутствие замыкания шинопроводов на массу.
Для обогрева монолитных бетонных и железобетонных конструкций рекомендуется применять нагревательный провод марки ПНСВ с жилой из стальной оцинкованной проволоки диаметром 1,2 мм, покрытой слоем изоляции (поливинилхлоридный пластикат толщиной 0,8 мм).
Для этих целей могут также использоваться аналогичные по конструкции провода марок ПВЖ, ППЖ, ПРСП и нагревательные провода марок ПОСХВ, ПОСХВП и др. – с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката или полиэтилена. Нагревательные провода с поливинилхлоридной изоляцией рекомендуются для обогрева армированных монолитных конструкций, а провода с полиэтиленовой изоляцией – неармированных.
Основными требованиями для обеспечения нормального обогрева с помощью нагревательных проводов являются: предотвращение механических повреждений изоляции при размещении и закреплении проводов на арматурном каркасе; устранение возможности коротких замыканий токоведущей жилы с арматурой, стальной опалубкой и другими металлическими элементами. Нагревательный провод укладывают в конструкцию без натяжения; в угловых местах, местах возможного перегиба провода устраивают дополнительную изоляцию из рубероида или битумизированной бумаги. Диаметр, длина нагревательного провода и шаг его раскладки в конструкции в зависимости от температуры наружного воздуха и электрического напряжения принимаются по расчету. Укладку бетонной смеси в конструкцию производят только после раскладки нагревательных проводов, подключения их к шинопроводу, проверки работы всей системы обогрева. Подготовку конструкции к бетонированию и укладку бетонной смеси при отрицательных температурах наружного воздуха производят с учетом следующих требований. Арматура диаметром 25 мм и более, прокатные профили и крупные закладные детали конструкции должны быть отогреты до положительной температуры. Укладку бетонной смеси следует вести непрерывно, без перевалок, обеспечивая минимальное охлаждение смеси при ее подаче и укладке. Температура уложенной в опалубку смеси не должна быть ниже +5 °С.
После укладки бетонной смеси горизонтальную поверхность конструкции укрывают гидроизоляционным материалом (полиэтиленовой пленкой, пергамином, толем и др.) и слоем теплоизоляции (минераловатные маты, пенополистирол и др.). Выбор и расчет режима обогрева бетона с применением нагревательных проводов приведен в разд. 9 ТКП 45-5.03-21-2006.
Прогрев бетона в термоактивной опалубке используется для обогрева бетонных и железобетонных конструкций различных конфигураций и размеров (колонн, стен, перекрытий, балок, бункеров и пр.) с модулем опалубливаемой поверхности Мп = 2 м–1 и более.
Бетонирование конструкций в термоактивной опалубке допускается при температуре наружного воздуха до –40°С. Возможна эксплуатация термоактивной опалубки при более низкой температуре, если средства механизации бетонных работ приспособлены для работы в таких условиях. Температура бетонной смеси перед ее укладкой в опалубку должна быть не ниже 5–7 °С. Скорость подъема температуры бетона не должна превышать:
- для конструкций с модулем поверхности Мп от 2 до 4 м–1 – 5 °С/ч;
- от 4 до 6 м–1 – 8 °С/ч;
- более 6 м–1 – 10 °С/ч;
- в каркасных и тонкостенных конструкциях длиной до 6 м, а также в конструкциях, возводимых в скользящей опалубке – 15 °С/ч;
- при замоноличивании стыков – 20 °С/ч.
Предельная температура обогрева бетона не должна превышать: для конструкций с Мп от 2 до 4 м–1 – 40 °С; от 4 до 6 м–1 – 60 °С; от 6 до 10 м–1 – 80 °С.
В конструктивном решении термоактивная опалубка представляет собой щиты опалубки заводского изготовления, в которые устанавливаются стандартные и аттестованные электрические нагреватели. В качестве нагревателей в опалубке могут применяться: трубчатые электронагреватели (ТЭНы), электрокабели и провода, электропроводные углеродистые ткани и ленты, пластины из них, полимерные греющие провода, проволочные, сетчатые, пластинчатые, стержневые и другие, соответствующие требованиям по электрическому сопротивлению и со сроками службы не менее 1000 ч.
Закрепление нагревателей на опалубочных щитах должно осуществляться способом, обеспечивающим их плотное примыкание к поверхности опалубки и надежное крепление. В металлических опалубках нагревательные элементы следует размещать в межреберном пространстве. Пример размещения и подключения нагревательных элементов приведен на рис. 9.
Рис. 9. Размещение и подключение нагревательных элементов в межреберном пространстве крупнощитовой металлической опалубки
С внешней стороны нагревательные элементы и открытые поверхности опалубки покрывают теплоизоляционными материалами (пенополиуретан, минеральная вата, минеральная плита и др.), выдерживающими температуру нагрева элементов. Толщину утепления определяют теплотехническими расчетами.
Перед закреплением теплоизоляции проводят испытание всей системы нагревательных элементов под током соответствующего напряжения для проверки надежности нагрева, изоляции проводов и в местах подсоединения проводов с нагревателями. При испытаниях и в условиях эксплуатации подача тока осуществляется через понижающий трансформатор с подачей соответствующего напряжения. По степени нагрева нагреватели могут быть низкотемпературные (из проводов ПОСХВ, ПОСХП, ПНСВ и др.), которые применяют при мягких режимах прогрева и высокотемпературные (из труб, кабелей, ТЭНы и др.), используемые при режимах прогрева до высоких температур (70–80 °С) в крупногабаритных и многооборачиваемых опалубках.
Укладку, распределение и уплотнение бетонной смеси в термоактивной опалубке производят так же, как и в летних условиях. Для уменьшения тепловых потерь рекомендуется укрывать опалубочные формы конструкций с модулем опалубливаемой поверхности Мп = 4 м–1 полотнищами брезента сверху, а подачу бетонной смеси осуществлять через люки или отверстия, открываемые на время бетонирования.
В период термообработки необходимо контролировать температуру прогрева. Замеры температуры с записью в журнал прогрева выполняются:
- через 30–60 минут (в период подъема температуры); через 60–90 минут (в период прогрева);
- 1 раз в смену (при остывании).
При обнаружении нарушений режима прогрева необходимо принимать соответствующие меры: например, при перегреве бетона – периодически отключать ток, при падении температуры принимать меры к усилению прогрева.
Продолжительность термообработки монолитных конструкций основных типов в термоактивной опалубке рекомендуется определять, руководствуясь номограммами, представленными на рис. 4 и 5 в ТКП 45-5.03-21-2006.
Термоактивная опалубка может быть демонтирована после завершения периода изотермического выдерживания, при этом процесс остывания конструкций должен происходить под укрытиями из этафома, брезента, полиэтиленовой пленки или инвентарных тепляков.
Наряду с вышеперечисленными нагревателями, в опалубке все более широко применяют термопрессованные опалубочные плиты (ТОП). Они изготавливаются из отходов синтетических волокон. Плиты водоустойчивые, не подвержены коррозии и гниению и обладают определенными теплозащитными свойствами. Новый материал способствовал разработке термоактивной опалубочной плиты (ТАОП), представляющей собой плоскую плиту с запрессованными внутрь проволочными нагревателями марки ПНСВ.
Плиты ТАОП рекомендуется использовать как в качестве инвентарного греющего покрытия плоских бетонных конструкций, так и в качестве греющей палубы мелкощитовых опалубок (рис. 10). Инвентарное греющее покрытие имеет максимальные размеры 1800 × 850 мм при толщине 10, 12, 15 мм. При использовании в мелкощитовых опалубках типоразмеры плит ТАОП соответствуют размерам щитов.
При использовании сухих бетонных смесей применяют паропрогрев с нагнетанием пара в объем бетона.
Суть способа состоит в том, что в опалубку укладывают и уплотняют сухие бетонные смеси. Затем через металлические трубы диаметром от 25 до 50 мм с перфорацией (отверстия диаметром от 5 до 10 мм) в сухую смесь нагнетается водяной пар под избыточным давлением от 0,3 до 0,6 МПа. В результате конденсации пара при контакте с более холодными компонентами сухой бетонной смеси образуется вода, обеспечивающая реакцию гидратации и твердения цемента. Выделяемое при реакции гидратации большое количество тепла приводит к разогреву бетона за относительно короткий период времени подачи пара.
Водяной пар для влагонасыщения и разогрева бетона может быть получен от теплоцентрали либо от мобильных передвижных парогенерирующих устройств, смонтированных на шасси автомобиля (ППУ-160-100) или на прицепных шасси.
Рис. 10. Мелкощитовая опалубка МОДОСТР-КОМБИ с греющей плитой ТАОП: а – щит мелкощитовой опалубки МОДОСТР-КОМБИ с палубой из ТАОП; б – термоактивная опалубочная плита (ТАОП); 1 – каркас щита; 2 – плита ТАОП; 3 – клеммы; 4 – кабельный отвод с вилкой; 5 – нагревательный провод; 6 – полимерный каркас