Бетонные работы в зимнее время – технологии выполнения (часть первая)

«Зимние условия» создаются на строящемся объекте, где значительная доля работ связана с монолитным железобетоном, значительно раньше, чем наступает зима по календарю. Строительство становится «зимним», как только среднесуточные температуры падают до +5^оС и в ночные часы случается температура менее 0^оС.

В условиях минусовых температур вода в составе полностью не отвердевшего бетона прекращает реагировать с цементом и замерзает, становясь льдом. Интенсивность процессов гидратации резко снижается, бетон перестает отвердевать. Параллельно в толще бетона нарастает внутреннее давление, возникающее из-за 9% увеличения водного объема, превратившегося в лед. Если вымораживание бетонной отливки происходит на ранней стадии работ (непосредственно после укладки бетона), то структура железобетона полностью нарушается, поскольку у него отсутствует способность противостоять процессам замерзания внутреннего объема жидкости. В случае оттаивания бетона лед снова становится водой и активизируется гидратационный процесс, но полного восстановления структуры бетона не произойдет.

При замораживании только что уложенного бетона вокруг его внутреннего арматурного «скелета» и зерен наполнителя образуется ледяная корка, нарастающая за счет поступающей воды из внутренних зон бетона с более высокой температурой. Каждая ледяная корка постепенно наращивает толщину стенок и отодвигает цементное тесто от бетонного наполнителя и арматуры, что снижает прочностные характеристики бетона, негативно влияет на его долговечность.

Если же бетон успеет набрать минимально-достаточную прочность до замерзания, то негативные процессы в его структуре не разовьются. Степень прочности бетона, при которой низкие температуры для него не представляют опасности, носит название «критическая».

Нормативы критической прочности бетона связаны с его классом, видом и условиями, в которых будет эксплуатироваться данная конструкция. В случае конструкций из бетона и железобетона (арматура ненапрягаемая) критическая прочность должна составить для В7,5-В10 не менее 50% от прочности по проекту, для В12,5-В25 не менее 40%, более В30 – 30%. Для бетонных конструкций, содержащих предварительно напрягаемую арматуру, критическая прочность должна быть не менее 80% от проектной. Для конструкций из бетона, подверженных сменяющимся циклам заморозки и оттаивания необходимо достичь 70% прочности. Нагружаемые конструкции обязаны набрать полную, 100% прочность от проектной перед тем, как окажутся под воздействием минусовых температур.

Длительность периода отверждения бетона, в течение которого достигается набор необходимых прочностных характеристик, во многом зависит от температурных условий на строительной площадке. Чем выше температура воздуха, тем более высока активность водной составляющей бетонной смеси – процессы реакции с цементным клинкером проходят быстрее, что ускоряет внутреннюю коагуляцию и формирование кристаллической структуры. Соответственно, понижение температуры ведет к замедлению этих процессов.

Бетонные работы в зимнее время необходимо производить в искусственно созданных условиях в отношении температуры и влажности, добиваясь твердения бетона до критической или проектной прочности за меньшее время и с меньшими затратами. Чтобы достичь необходимых результатов, используются особые технологии смешивания, доставки в размещения на месте, а также последующего выдерживания бетона.

Предварительный подогрев бетонной смеси

Во время составления смеси бетона в условиях низких температур выполняется ее нагрев до 35-40^оС, обеспечиваемый предварительным разогревом компонентов.Вода греется в котлах до температуры 90^о, а наполнитель до 60^оС разогревается в барабанах при помощи пара, дымовых газов и горячей воды. Нагревать цемент категорически нельзя.
Искусственно нагретая бетонная смесь для «зимней» стройплощадки составляется иначе, чем в теплый сезон. Если летом сухие компоненты смеси единовременно загружаются в бункер смесителя, куда ранее была залита вода, то зимой порядок таков – прежде заливается вода и отсыпаются крупные фракции заполнителя. Когда смесительный барабан совершит несколько оборотов, в него грузится цемент и песок. Игнорирование такой последовательности действий приведет к «завариванию» цемента.

Длительность промешивания бетонной смеси при отрицательных температурах необходимо увеличить в 1,2-1,5 раза по сравнению с «летним» сроком ее смешивания. Транспортировка готового бетона выполняется в прогретой, утепленной и закрытой емкости, будь то бадья или кузов автомашины. Прогрев кузова автотранспорта обеспечивается таким образом – он делается двойным, в созданную таким образом полость направляются выхлопные газы от двигателя, что позволит уменьшить потери тепла. Доставка бетонной смеси должна происходить с максимально возможной скоростью и без каких-либо промежуточных перегрузок. Участки, на которых происходит погрузка и выгрузка смеси бетона, необходимо огородить от ветра, а средства, по которым поступает бетон (хоботы) – утеплить.

Подготовка бетонных работ в зимнее время

Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность.

Непосредственно перед началом работ по бетонированию опалубка и арматура чистятся от наледи и снежных масс. Если диаметр арматуры превышает 25 мм, либо она выполнена из жесткого профилированного проката или содержит металлические закладные элементы значительного размера, то в условиях отрицательных температур менее -10^оС следует нагреть арматуру.

Процессы бетонирования в условиях зимы производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.

Современные технологии выполнения бетонных работ в зимний период позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:

• технология «термоса», базирующаяся на сохранении начальной теплоты смеси, нагретой в процессе составления или перед укладкой на месте работ, а также на использовании выделений тепла, происходящих из-за реакции цемента с водой во время отверждения бетона;
• технология искусственного прогрева бетонной смеси после выполнения ее укладки в конструкцию;
• технология химического снижения точки замерзания воды в составе бетонной смеси и повышения скорости реакции цемента.

В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкции и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.

Бетонные работы зимой и технология «термоса»

Ее суть – в укладке смеси бетона, имеющей температуру в диапазоне от 15 до 30^оС, в опалубку с утеплением. Это обеспечит набор бетоном достаточной прочности благодаря его начальной тепловой энергии и экзотермической реакции цемента, что не позволит бетонной конструкции замерзнуть до срока. Количество теплоты, вырабатываемой в результате экзотермических реакций, зависит от температуры выдерживания и вида цемента, использованного при составлении смеси.

Лучшие данные по тепловыделению показывают портландцементы высоких марок и с быстрым отверждением. Сохранение тепла в бетоне существенно зависит от экзотермии, поэтому бетонные работы по технологии «термоса» следует производить на смесях с быстротвердеющими и высокоэкзотермичными портландцементами, укладываемыми с искусственно поднятой начальной температурой в хорошо утепленную конструкцию.

Применение специальных химических добавок. Некоторые химикаты – поташ К₂СО₃, хлористый кальций CaCL, нитрат натрия NaNO₃ и пр. – будучи введенными в состав бетона в небольшом объеме, как правило, не более 2% от количества цемента, повышают скорость твердения бетона на начальном этапе выдерживания. К примеру, при введении хлористого кальция в количестве 2% от массы цемента обеспечивает 1,6 кратную прочность бетона через 2,5 суток от момента укладки в конструкцию, по сравнению с бетоном идентичного состава, но не содержащего специальной добавки. Химические добавки также обеспечивают смещение точки замерзания воды до -3^оС, что позволяет нарастить сроки остывания бетона и тем самым обеспечить ему больший набор прочности. Более подробно информация о методиках химического улучшения характеристик бетона для ведения зимней стройки раскрыта в этом материале.

Составление бетонных смесей, включающих в себя химические добавки, выполняется с использованием горячей воды и нагретых зернах наполнителя. При извлечении из смесителя такой бетон обычно имеет температуру от 25 до 35^оС, непосредственно перед укладкой его температура падает до примерно 20^оС. Укладку в конструкции химически модифицированных бетонов осуществляют при внешней температуре воздуха от -15 до -20^оС, после размещения в утепленной опалубке сверху настилается один-два слоя теплоизоляции. Отверждение бетонной конструкции происходит за счет эффекта «термоса» при одновременном действии дозированных химических компонентов. Технология «термосного» бетонирования наряду с использованием химикатов проста и относительно недорога, ее можно применять при создании конструкции с модулем поверхности (Мп) менее пяти.

Бетонирование по методу «горячего термоса». Базируется на быстром прогреве бетона до 60-80^оС и уплотнении смеси в конструкции до того, как она остынет. Далее бетонная смесь выдерживается по «термосной» технологии, либо выполняется ее дополнительный подогрев в течение срока набора критической прочности.

На строительной площадке бетонная смесь чаще всего разогревается при помощи электротока – в ней размещаются электроды и подается переменный ток, нагрев происходит благодаря сопротивлению бетона. Мощность и количество тепловой энергии, вырабатываемой за единицу времени, прямо пропорциональна напряжению на электродах и обратно пропорциональна омическому сопротивлению смеси. При этом интенсивность омического сопротивления зависит от плоскостных размеров электродов, дистанции между ними и удельному омическому сопротивлению смеси бетона.

Электрический нагрев бетонной смеси выполняется под током в 380В, в более редких случаях – под 220В. Для обеспечения этой операции, строительная площадка комплектуется трансформаторным постом, распределительным щитком и пультом управления. Прогрев смеси осуществляется в бадье либо в кузове самосвала непосредственно. Первый метод выполняется в следующей последовательности – составленная на бетонном заводе смесь вывозится при помощи автотранспорта на объект строительства, перегружается специальные бадьи, оборудованные электродами, греется до тех пор, пока ее температура не составит 70-80^оС, а затем укладывается в опалубку на месте работ. Как правило, используются бадьи-туфельки, оборудованные тремя стальными 5 мм электродами, запитанными к электросети через кабельные разъемы. Чтобы бетон равномерно распределился в электробадье, а также для упрощения дальнейшей выгрузки, на корпус бадьи монтируется вибратор.

Следуя второму методу автосамосвал, в кузове которого содержится бетонная смесь, прибывает на стройплощадку и следует на пост разогрева – его кузов располагается точно под электродной рамой. Активируется работа вибрационной установки, затем в содержащийся в кузове бетон заводятся электроды, к ним подается электроток. Нагрев смеси выполняется на протяжении 10-15 минут при ее нагреве до 60^оС (верно для быстротвердеющих портландцементов), до 70^оС для портландцементов и до 80^оС для шлакопортландцементов.

Чтобы быстро и за крайне короткий срок нагреть бетон до необходимой температуры, важно обеспечить площадку высокими электрическими мощностями. К примеру, на 15-ти минутный прогрев кубометра бетонной смеси до 60^оС уйдет 240 кВт, а на более быстрый 10 минутный до этой же температуры – 360 кВт.

Следующая часть статьи, посвященная прогреву уложенной в конструкцию смеси, находится по этой ссылке.