9.5. Производство бетонных работ в зимних условиях

Продолжительность твердения и конечные свойства бетона в значительной степени зависят от температурных условий, в которых выдерживают бетон. По мере повышения температуры увеличивается активность взаимодействия воды с минералами цементного клинкера, интенсифицируются процессы формирования коагуляционной и кристаллической структуры бетона.

При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода переходит в лед и как твердое тело в химическое соединение с цементом не вступает. В результате этого 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 неокрепшая структура бетона не может противостоять этим силам, в результате чего происходит ее нарушение. При последующем оттаивании замерзшая вода вновь превращается в жидкость и процесс гидратации цемента возобновляется, однако разрушенные структурные связи в бетоне полностью не восстанавливаются.

Замораживание свежеуложенного бетона сопровождается также образованием вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяных пленок, которые из-за притока воды из менее охлажденных зон бетона увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры и зерен заполнителя. Эти процессы резко снижают прочность бетона, его сцепление с арматурой, уменьшают его плотность, прочность, водонепроницаемость, стойкость и долговечность. Если бетон до замерзания приобретает определенную начальную прочность, то все упомянутые выше процессы не оказывают на него неблагоприятного воздействия.

Минимальная прочность, при которой замораживание для бетона не опасно, называется критической. Величина критической прочности в зависимости от марки бетона, типа конструкций и условий их работы составляет:

- для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 30–50 % проектной прочности для бетонов соответственно высоко- и низкомарочных;

- для конструкций с предварительно напрягаемой арматурой, для пролетных строений мостов и других особо ответственных железобетонных конструкций – 70 % проектной прочности;

- для конструкций гидротехнических сооружений, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию или воздействию давления воды, а также для всех конструкций, к которым предъявляются специальные требования по морозостойкости и водонепроницаемо-сти, – 100 % проектной прочности.

Достижение указанной прочности в зимних условиях обеспечивается путем создания и поддержания таких температурно-влажностных условий, при которых бетон может набрать прочность не ниже критической в минимальные сроки. Эти условия обеспечиваются при применении специальных способов приготовления бетонной смеси, а также устройств транспортирования ее к месту укладки, подачи в блоки бетонирования, укладки и выдерживания в процессе твердения.

Для приготовления бетонной смеси в зимних условиях применяют подогретые заполнители и воду. Заполнители подогревают до температуры 60 ^оС паровыми регистрами, продувкой горячих дымовых газов или горячей воды через слой заполнителя во вращающихся барабанах; воду – в бойлерах или водогрейных котлах до 90 ^оС и выше. В результате этого получают теплую бетонную смесь с температурой до 35–45 ^оС. Загрузка составляющих в бетоносмеситель и приготовление подогретой бетонной смеси во избежание заваривания цемента осуществляется в следующем порядке: в барабан смесителя вначале заливают воду и загружают крупный заполнитель, затем после нескольких оборотов барабана – песок и цемент. Общую продолжительность перемешивания бетонной смеси в зимних условиях увеличивают в 1,2–1,5 раза.

Бетонную смесь транспортируют в закрытой утепленной и прогретой перед началом работы таре (бадьях, кузовах автомобилей). Для этого в полость двойного днища автомобиля подают отработавшие газы двигателя, вследствие чего уменьшаются теплопотери. Бетонную смесь от места приготовления до места укладки стремятся перевозить по возможности быстрее и без перегрузок. Места погрузки и выгрузки должны быть защищены от ветра, а средства подачи бетонной смеси в конструкции – утеплены.

Подготовка блоков к бетонированию заключается в следующем. Основание, на которое укладывают бетонную смесь, до укладки отогревают до положительных температур и предохраняют от замерзания до приобретения вновь уложенным бетоном требуемой прочности. Опалубку и арматуру перед бетонированием очищают от снега и наледи, арматуру диаметром более 25 мм, а также арматуру из жестких прокатных профилей и крупные закладные части при температуре ниже –10 ^оС предварительно отогревают до положительной температуры.

Для сохранения тепла в период твердения бетонной смеси применяют различные методы утепления опалубки. Например, используют несъемные щиты-утеплители, которые представляют собой каркас с уложенным в него теплоизоляционным материалом. В качестве теплоизоляции применяют шлаковату, стекловату, опилки или полимерный вспененный утеплитель – пенопласт. От проникновения к утепленному слою влаги из атмосферы или бетонной смеси утеплитель защищают гидроизоляционным материалом. Щит-утеплитель имеет самостоятельные средства крепления к бетону, так как после набора бетоном необходимой для распалубки прочности основной щит снимают и переставляют на другой блок, а щит-утеплитель остается на поверхности бетона до набора им прочности, допускающей его замораживание.

Иногда производят утепление самой опалубки, которое осуществляется следующим образом: с наружной стороны щита в ячейки, образуемые ребрами и прогонами деревянного или деревометаллического щита, прокладывают слой гидроизоляционного материала (рубероид или полиэтиленовую пленку). По слою гидроизоляционного материала укладывают один или несколько слоев теплоизоляционного материала. Толщину теплоизоляции устанавливают в зависимости от коэффициента теплопередачи щита. Как правило, для условий гидротехнического строительства коэффициент теплопередачи утепленной опалубки принимают равным 1,0–1,5 Вт/см · ^оС, что соответствует толщине слоя минеральной ваты около 50 мм, пенопласта – 30 мм и опилок – 80–100 мм. По слою теплоизоляционного материала укладывают еще один слой гидроизоляции и сверху набивают фанеру или доски любой толщины для защиты утеплительного слоя от механических повреждений.

Бетонирование блоков зимой ведут без перерывов и высокими темпами, при этом ранее уложенный слой бетона должен быть перекрыт до того, как температура в нем снизится ниже предусмотренной.

Особое внимание обращают на методы выдерживания бетона в зимних условиях. Обычно применяют следующие методы выдерживания:

– предусматривающие сохранение начального тепла, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении, и тепла, образующегося за счет экзотермии цемента. К таким методам относятся так называемый метод термоса и метод термоса с предварительным электроразогревом бетонной смеси;

– основанные на искусственном прогреве бетона, уложенного в конструкцию. К ним относятся: электропрогрев, индукционный, инфракрасный и контактный прогрев, паро- и воздухопрогрев;

– использующие эффект понижения эвтектической точки воды в бетоне путем введения в бетонную смесь таких специальных противоморозных химических добавок, как хлористый кальций и натрий, азотистокислый натрий, углекислый калий и др.

Выбор того или иного метода выдерживания бетона зависит от вида и массивности конструкции, требуемой прочности бетона к моменту замораживания, метеорологических условий, энергетической оснащенности строительной площадки.

Метод термоса имеет наибольшее распространение в гидротехническом строительстве. Сущность его заключается в том, что уложенный в сооружение бетон выдерживается в утепленной опалубке с утеплением поверхности блока бетонирования теплоизоляционными материалами. Этот метод эффективен для выдерживания массивных конструкций с модулем поверхности менее 5 м²/м³. Модуль поверхности М_п, м²/м³, представляет собой отношение суммарной площади поверхности блока F, м², к его объему V, м³:

Возможность использования метода термоса может быть проверена по формуле профессора Б. Г. Скрамтаева:

γ_б С_б t_б.н + С_ц Э = М К α n (t_б.ср – t_н.в),

где γ_б – плотность бетонной смеси, кг/м³;

С_б – удельная теплоемкость бетонной смеси, кДж/кг · ^оС;

t_б.н – начальная температура укладываемого бетона, ^оС;

С_ц – доза цемента на 1 м³ бетонной смеси, кг;

Э – удельное тепловыделение при твердении 1 кг цемента (экзотермия), кДж/кг (равная 125–380 в зависимости от марки цемента и продолжительности твердения);

М – модуль поверхности блока бетонирования;

К – коэффициент теплопередачи опалубки и теплоизоляции;

а₁, а₂, а₃ – толщина слоев опалубки и теплоизоляции, м;

λ₁, λ₂, λ₃ – коэффициент теплопроводности материалов, Вт/м² · ^оС (картон, толь, рубероид – 0,17; доски – 0,2; опилки – 0,24; шлак – 0,34; минеральная вата – 0,49);

α – коэффициент продуваемости, равный 1,25–2,50;

n – продолжительность остывания бетона до 0 ^оС, ч;

t_б.ср – средняя температура бетона за время остывания, которая может быть принята равной: при М ≤ 3 t_б.ср = (t_б.н + 5) / 2; при М ≤ 8 t_б.ср = t_б.н / 2; при М ≤ 12 t_б.ср = 0,33 t_б.н;

t_н.в – средняя температура наружного воздуха.

Определив по формуле продолжительность остывания до 0 ^оС, по графикам набора прочности в зависимости от средней температуры твердения устанавливают, отвечает ли прочность бетона к концу остывания его прочности в 28-дневном возрасте. Осредненный график твердения бетона на портландцементе при температурах бетона от 1 до 35 ^оС приведен на рис. 9.16.

Рис. 9.16. График твердения бетона на портландцементе

Если в результате проверки установлено, что прочность, полученная бетоном к моменту остывания до 0 ^оС, не менее критической, то заложенные в расчет параметры выдерживания принимают для производства работ. Если же бетон за время остывания до 0 ^оС не набирает необходимой прочности, то можно или увеличить толщину утеплителя, или заменить принятый утеплитель на другой, имеющий лучшие теплоизоляционные свойства, или повысить температуру бетонной смеси с помощью кратковременного электроразогрева бетонной смеси в бадьях или кузове автосамосвала перед укладкой в блок путем пропускания электрического тока через электроды, погружаемые в бетонную смесь (рис. 9.17). Если эти меры не дают желаемого результата, то предусматривают обогрев блока бетонирования.

Рис. 9.17. Схема электроразогрева бетонной смеси в кузовах автосамосвалов:

1 – ограждение; 2 – ворота; 3 – автосамосвал; 4 – направляющие для автосамосвала;

5 – система опускных электродов; 6 – механизм подъема системы электродов;

7 – направляющая рама; 8 – пульт управления; 9 – токоподводящий кабель

Для ускорения процесса набора прочности при выдерживании бетона методом термоса, особенно в условиях бетонирования блока без шатров или тепляков при температуре наружного воздуха до –5 ^оС, в бетонную смесь вводят добавки-ускорители в количестве 1,5–2,0 % от массы цемента: хлорид кальция, нитрит кальция, нитрит-нитрит кальция (ННК), нитрит-нитрит хлорида кальция (ННХК), нитрит натрия. К этой группе добавок относятся и поверхностно-активные добавки (ПАВ).

В связи с тем что в гидротехническом строительстве не все добавки можно использовать по условиям коррозионной стойкости, применение их должно быть согласовано со службой авторского надзора и лабораторией строительства. Это требование относится и к противоморозным добавкам, снижающим температуру замерзания жидкой фазы бетонной смеси. Использование противоморозных добавок позволяет укладывать бетон в зимних условиях при температуре наружного воздуха от –15 до –25 ^оС.

В случаях, когда метод термоса оказывается неэффективным, используют активные методы обогрева бетона: электропрогрев бетонной смеси, периферийный электроподогрев, применение термоактивной опалубки, тепляков или шатров.

Принцип электропрогрева бетонной смеси заключается в том, что между двумя электродами, опущенными в свежеуложенную бетонную смесь, пропускается электрический ток, который, проходя через бетон как через сопротивление, выделяет тепло. Для подведения электрической энергии к бетону используют различные электроды: пластинчатые, полосовые, стержневые, струнные.

Периферийный обогрев состоит в том, что по периметру основания блока и по вертикальным внутренним стенкам опалубки нашивают электроды из арматурной стали диаметром 4–6 мм на расстоянии не менее 60 мм от арматуры блока. Электроды устанавливают через 25–30 см один от другого. Электрообогрев производится переменным током напряжением 60–90 В с прогревом периферийного слоя бетона до температуры не выше 30 ^оС. В результате вокруг блока создается как бы тепловая рубашка из наружных слоев бетона, сохраняющая внутреннее тепло экзотермии и благоприятные температурные условия созревания бетона.

Периферийный электрообогрев рационально применять при массивных конструкциях блоков бетонирования с модулем поверхности менее 5, когда тепла экзотермии недостаточно для выдерживания бетона способом термоса.

Средняя удельная мощность электрообогрева для сооружений с М < 5 при наружной температуре воздуха –20 ^оС, начальной температурой бетона 5 ^оС и конечной 30 ^оС составляет 0,20–0,25 кВт/м², расход электроэнергии на 1 м² обогреваемой поверхности – около 6 кВт · ч, или около 2 кВт · ч на 1 м³ бетона. Расход металла на электроды колеблется от 1,3 до 1,6 кг на 1 м² поверхности блока.

Опыт показывает, что продолжительность периферийного электрообогрева зависит от среднесуточной температуры воздуха и составляет: при –15 ^оС – 24 ч; –20 ^оС – 35 ч; –25 ^оС – 48 ч и при –30 ^оС – 60 ч. Эти сроки обеспечивают нарастание прочности в периоды обогрева и остывания бетона до 0 ^оС не менее 50 % проектной.

В связи с тем что применение периферийного электроподогрева для густоармированных железобетонных конструкций из-за возможности замыкания электродов на арматуру требует большой осторожности, этот метод вытесняется более прогрессивным методом электроподогрева – термоактивной опалубкой. Термоактивная опалубка представляет собой металлические утепленные опалубочные щиты, несущие в себе электронагреватели. На щитах предусмотрены специальные разъемы для подключения к источнику питания. После окончания бетонирования блока и укрытия поверхности теплоизоляционным материалом включается система питания и начинается процесс активного прогрева бетона. Температура в месте контакта термоактивного щита и бетона во избежание пересыхания поверхности в процессе прогрева не поднимается выше 40 ^оС и поддерживается постоянной на протяжении всего процесса выдерживания бетона.

Тепляки или шатры для поддержания тепла в бетонной смеси применяют в районах с длительной зимой, большими морозами и обильными осадками. Тепляк или шатер покрывает бетонируемый блок или секцию блоков со всех сторон, что позволяет поддерживать внутри них постоянную положительную температуру 5–10 ^оС. Большие объемные тепляки по конструкции используют двух типов: воздухоопорные из полимерной ткани и каркасные с металлическим каркасом и ограждениями из утепленных щитов. Объемный воздухоопорный тепляк устраивают из полимерной армированной ткани путем создания избыточного давления воздуха и образования купола или полуцилиндра со сферическими торцами (рис. 9.18). Для въезда в тепляк автомобилей и строительных машин устраивают шлюзы, что создает определенные неудобства. В связи с этим представляют интерес конструкции воздухоопорных тепляков с двойными стенками, между которыми создается избыточное давление воздуха.

Достоинства воздухоопорных тепляков – простота конструкции, многооборачиваемость, быстрота и малая трудоемкость монтажа и демонтажа, малая масса.

При назначении сроков распалубки в зимнее время и снятия тепловой защиты необходимо учитывать следующие требования: не допускается снятие опалубки и теплозащиты, если температура в ядре конструкции продолжает повышаться; не допускается снятие теплозащиты до достижения бетоном критической прочности; распалубка конструкций и снятие теплоизоляции допускается, если разность температур наружного воздуха и ядра блока не превышает 20 ^оС для конструкций с модулем поверхности до 5 м²/м³ и 30 ^оС для конструкций с модулем выше 5 м²/м³; не допускается примерзание опалубки и поверхности бетона, в связи с чем по достижении поверхностью бетона температуры 5 ^оС опалубка должна быть отделена от бетона без раскрытия поверхности с тем, чтобы в дальнейшем распалубку можно было произвести без повреждения поверхности бетона и опалубки.

Рис. 9.18. Производство бетонных работ в тепляках:

а – конструктивные схемы воздухоопорных тепляков типа

«полуцилиндр со сферическими торцами» и «купол»:

1 – шлюз; 2 – сферический торец; 3 – полуцилиндрическая

оболочка тепляка; 4 – машинное отделение; 5 – купол

(оболочка) тепляка; б – технологическая схема

механизированной укладки бетонной смеси в тепляке:

1 – оболочка тепляка; 2 – шлюз; 3 – автосамосвал

с бетонной смесью; 4 – поворотные бадьи (ковш-бадья);

5 – стреловой кран на базе автомобиля; 6 – блок

бетонирования; 7 – котлован

При необходимости распалубки поверхностей, подлежащих дальнейшему бетонированию, до достижения указанных выше условий эти поверхности должны быть немедленно после распалубки укрыты непродуваемым теплозащитным покрытием, снятие которого допускается в процессе бетонирования смежного блока.