Бетонирование при низких температурах

Аннотация

А.М. Осипов

Рассматривается зимнее бетонирование. Проблемы и причины твердения бетона при отрицательных температурах и их возможное решение. Введение добавок для повышения морозостойкости. Метод термоса. Прогрев бетона. А так же совместное использование нескольких методов для экономии ресурсов и повышения качества зимнего бетонирования.

Ключевые слова: бетонирование при низких температурах, метод термоса, прогрев бетона, укрывание бетона пленкой и ТЭМами, совместное использование всех методов

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

В настоящее время все больше прогрессирует монолитное домостроение. Строительство из монолитного бетона позволяет свободно осуществлять любую планировку квартир и домов, а так же позволяет проводить обширное строительство в районах, где отсутствует место для полносборного домостроения или оно недостаточно.

Ответственным периодом в монолитном строительстве является зимнее время.  При пониженных температурах скорость бетонирования резко снижается или оно вообще прекращается. Основным вопросом бетонирования является  ускорение твердения при отрицательных температурах. Так чем же можно ускорить твердение?

В процессе исследований и обследования объектов монолитного строения, а так же результатов научно-технического сопровождения ряда объектов выявил ряд проблем, решение которых позволит сделать бетонирование круглогодичным, ускорить процесс возведения монолитных зданий, повысить качество бетона, конструкций и растворов.

Основными проблемами и причинами являются отсутствие контроля температуры твердения бетона, что ведет к недобору прочности в контролируемом возрасте; нарушение технологии прогрева бетона в монолитных конструкциях, что обуславливает недобор прочности как в промежуточном так и в проектном возрасте; затормаживание процесса гидратации цемента (увеличение сроков набора прочности бетона); вымерзание воды, входящей в состав бетона (полная остановка процесса набора прочности); чем раньше до завершения процесса твердения был заморожен бетон, тем ниже будет конечная прочность и его свободная вода при замерзании увеличивается в объеме, что приводит к разрушению формирующихся структурных связей и особенно интенсивно в начале твердения бетона.

Каким же образом каждая из причин воздействует на поведение набирающего прочность бетона?  

И так низкая температура (0+10 ^оС) существенно затормаживает процесс  гидратации цемента,  растягивает срок набора прочности бетона. На пример, в нормальных условиях (+20 ^оС) за неделю бетон набирает до 70% прочности. При температуре окружающего воздуха +5 ^оС, срок набора 70% марочной прочности бетона может растянуться на 3-4 недели.

Повышенная температура является катализатором химических процессов, а так же процесс гидратации цемента. Поэтому, при изготовлении  железобетонных изделий (ЖБИ) применяется пропаривание свежеотлитых изделий из бетона. При пропаривании, в камере с погруженными в неё свежеизготовленными железобетонными изделиями поддерживается температура 70-80 ^оС и повышенная влажность. Благодаря таким условиям, бетон ускоренными темпами набирает марочную прочность. И нужные 70% прочности, бетон может набрать за 8-12 часов.

Если низкая положительная температура тормозит процесс схватывания и набора прочности бетона, то отрицательная - полностью его останавливает. Причина тому – вымерзание воды в бетоне. Процесс гидратации цемента невозможен в отсутствие воды. Она является необходимым компонентом для образования цементного камня. Цемент должен находиться в контакте с водой (влагой) в течение всего времени созревания.

Стандартный срок набора марочной прочности бетона – 28 суток. В таком возрасте он должен набрать прочность  спрогнозированую лабораторией бетонного завода. Однако, как мы уже выяснили, при бетонировании в зимних условиях, процесс схватывания и набора прочности может растянуться, а то и вовсе остановиться, вплоть до наступления оттепели.

Бетон, укладываемый при отрицательной температуре, должен приобрести определенную прочность (распалубочную, для частичной нагрузки, или полную). Чем больше времени проходит от укладки до замерзания воды в бетонной смеси, тем прочность бетона будет ближе к проектной и тем меньше образуется внутренних микродефектов, которые отрицательно сказываются на его долговечности. 

Так же в ГОСТах регламентируется значение критической прочности бетона, являющейся минимальной, при которой обеспечивается необходимое сопротивление давлению образующегося льда и сохранение в последующем при положительных температурах способности к твердению без ощутимого ухудшения прочности и других свойств. Размер критической прочности зависит от требуемого проектного класса бетона, времени и температуры бетонной смеси до замерзания. При отрицательной температуре окружающего воздуха во избежание недобора прочности после твердения при нормальной температуре. К моменту загрузки конструкции прочность должна достигнуть 100% проектной прочности. 

Мы подошли к тому что нужно ускорить твердение и сохранить воду затворения бетона от вымерзания за счет: использования внутреннего запаса тепла бетона;  дополнительной подачей тепла извне.

Чтобы использовать внутренний запас тепла бетона применяют высокопрочные, быстротвердеющие, тонкомолотые портландцементы, ускорители твердения и противоморозные добавки. Так же нужно пытаться уменьшить количество воды затворения за счет применения пластифицирующих, пластифицирующе-воздухововлекающих добавок, суперпластификаторов. 

Внутренняя температура бетона зависит от выделяемого тепла при гидратации цемента (экзотермии цемента), но этого запаса тепла не хватает для достижения критической прочности в короткие сроки и при низких температурах нужной прочности невозможно достичь без дополнительных мероприятий. Температура бетонной смеси перед укладкой должна быть не ниже 5^оС, а в тонкостенные - 20^оС. Обеспечить эту температуру за счет экзотермии цемента не всегда удается, особенно при низких отрицательных температурах. Поэтому внутренний запас тепла повышают путем подогрева составляющих бетонной смеси (воды, заполнителей). Но при этом температура бетонной смеси при выходе из смесителя не должна превышать 30^оС, в противном случае она быстро теряет свою подвижность. Это отрицательно сказывается на укладке и уплотнении бетонной смеси, что приводит к ее недоуплотнению.

Рассмотрим пример введения добавок в бетон под названием «холодный бетон». Этот способ основан на введении в бетонную смесь водных растворов противоморозных добавок хлористого кальция совместно с хлористым натрием NaCl в количестве до 7,5%, нитрата натрия NaNO3 до 10% и поташа К2СО3 до 15% от массы цемента. Такие добавки снижают температуру замерзания воды, а хлористый кальций, кроме того, ускоряет процесс твердения. Бетонные смеси холодного бетона целесообразно укладывать лишь при отрицательных температурах (не ниже —20°С).

Для дополнительной подачи тепла в наше время используют: электропрогрев бетона; укрывание бетона пленкой ПВХ, утеплителями и использование ТЭМов и другого; сооружение временного укрытия с прогревом тепловыми пушками.

Чаще электропрогрев бетона применяется на массивных стройках, где имеется возможность использовать трансформаторы большой мощности (30-80 кВт). Но на рядовых строительных площадках подстанции и электросети недостаточной мощности, зимний прогрев бетона - это малореальное мероприятие для частного застройщика. Поэтому стоит задуматься о снижении потребления электроэнергии.

Для сохранения тепла необходимо применять утепленные опалубки, укрывать горизонтальные поверхности теплоизоляционным материалом с соответствующими теплотехническому расчету. Этот способ называется – термос. Этот способ достаточно эффективен при бетонировании массивных конструкций при температурах наружного воздуха не ниже минус 10–15^оС, в зависимости от вида применяемого цемента, температуры смеси перед укладкой и т. д. При бетонировании сравнительно тонкостенных конструкций в условиях более низких температур для достижения распалубочной прочности в короткие сроки применяют подачу тепла извне сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси. 

Укрывание бетона – наиболее подходящий метод бетонирования в зимнее время, при пограничных температурах воздуха +3-3 ^оС. Схватывание и твердение бетона – изотермический процесс, то есть: при застывании и наборе прочности, цемент, контактируя с водой, выделяет тепло. И для удержания тепла  необходимо свежеотлитую конструкцию из бетона укрыть ПВХ плёнкой, утеплителем или ТЭМом. В некоторых случаях, если при бетонировании в зимнее время применялся обычный бетон без противоморозных добавок, а температура воздуха резко упала до низких минусовых значений (-5-15) целесообразно использовать газовые или электрические пушки. Если будет использоваться дополнительный прогрев тепловыми пушками, то укрытие из плёнки ПВХ укладывается не на поверхность бетона, а на временный каркас из досок, брусков и т.п. Создаётся нечто наподобие низкой «палатки» или «шатра» над бетонной конструкцией и под это укрытие ставятся тепловые пушки. Чем выше будет температура в помещении, тем быстрее будет идти процесс набора прочности, и соответственно, раньше можно будет прекратить прогрев.

Режимы прогрева бетона должны выбираться таким образом, чтобы уменьшить негативные изменения в его структуре. Этому содействуют мероприятия, которые достаточно широко применяются при бетонировании в зимнее время: 

• предварительное выдерживание для достижения начальной прочности, равной критической, в процессе которого часть воды связывается с минералами цементного клинкера, адсорбируется на поверхности субмикрокристаллов новообразований и частично испаряется (способствует снижению количества «лишней» воды в бетоне); 

• уменьшение скорости подъема температуры, которое обеспечивает опережение прироста прочности бетона по сравнению с ростом внутреннего давления, возникающего в нем, тем самым создавая необходимое сопротивление этому давлению. 

Условие зименего прогрева — это мягкий режим, под которым подразумевают медленный подъем температуры (10–15 ^o С/час., не более) до температуры изотермического прогрева, а также соблюдение требований по температуре изотермического прогрева в зависимости от модуля поверхности конструкции.

Таким образом одним прогревом бетона за счет ТЭМов или другим утеплителем, не всегда можно достичь требуемых результатов, тем более что следует задуматься о растущих каждый год затратах на электроэнергию.  Поэтому стоит применять в комплексе противоморозные добавки.  Их применение способствует понижению температуры замерзания воды в бетонной смеси, что обеспечивает проведение бетонных работ и твердение бетона даже при отрицательных температурах, а достижение критической прочности в более короткие сроки.

Литература

1. Аханов В.С.  Электротермия в технологии бетона – Махачкала: ростовский научно-исследовательский институт академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 1971

2. Невский В.А. Строительное материаловедение: учебное пособие. – Изд. 2-е, доп. И перераб. Ростов-на-Дону, Феникс, 2009

3. Шестеров С.В. Технология бетона. Учебное пособие для вузов. Москва, «Высшая школа», 1977

4. Киреева Ю.И., Лазаренко О.В. Строительные материалы и изделия. – Изд. 3-е, доп. – Ростов-на-Дону, Феникс, 2010