5. Выбор опалубки для зимнего бетонирования

Зимними считаются условия, когда среднесуточная температура окружающей среды снижается до 5 °С и в течение 1 сут. падает ниже 0 °С.

При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода превращается в лед и, как твердое тело, в химическое соединение с цементом не вступает; бетон не твердеет. Одновременно в бетоне развиваются силы внутреннего давления, вызванные увеличением (примерно на 9 %) объема воды при превращении ее в лед. При раннем замораживании бетона его неокрепшая структура не может противостоять этим силам и разрушается. При последующем оттаивании замерзшая вода вновь превращается в жидкость, и реакция твердения возобновляется, однако разрушенные связи в бетоне полностью не восстанавливаются.

Замораживание бетона сопровождается образованием вокруг арматуры и заполнителя ледяных пленок, которые увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры и заполнителя. Эти процессы снижают прочность бетона, его сцепление с арматурой, плотность, стойкость и долговечность.

Если бетон до замерзания приобретает определенную прочность, то упомянутые выше процессы не оказывают на него неблагоприятного воздействия. Минимальная прочность, при которой замораживание для бетона не опасно, называется критической и зависит от класса бетона, вида и условий эксплуатации конструкций: для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 50 % проектной прочности для классов В7,5–В10, 40% для классов В12,5–В25 и 30% для классов В30 и выше; для конструкций, нагружаемых расчетной нагрузкой – 100% проектной прочности /8/.

При производстве бетонных работ должны одновременно решаться две взаимосвязанные задачи: технологическая (обеспечение необходимого качества бетона к заданному сроку) и экономическая (обеспечивание минимального расхода материальных и энергетических ресурсов).

Технологическую задачу решают применением соответствующих методов выдерживания бетона. Методы зимнего бетонирования необходимо выбирать на основании технико-экономического анализа.

Существуют следующие методы выдерживания бетона в зимних условиях /1,10/.

Выдерживание в искусственных укрытиях (тепляках), где поддерживается температура, необходимая для нормального твердения бетона. В связи с появлением новых пленочных покрытий этот метод широко применяют зарубежом, поскольку «пленочный эффект» создает комфортные условия для труда и твердения бетона даже без дополнительного обогревания.

Выдерживание методом термоса подразумевает укладывание бетона, имеющего температуру 15...20 °С, в утепленную опалубку. За счет начального теплосодержания бетонной смеси и теплоты, выделяемой в процессе твердения (явление экзотермии), бетон набирает заданную прочность до того момента, когда в какой-либо части забетонированной конструкции температура снижается до 0 °С.

Применение метода термоса наиболее эффективно для массивных конструкций с модулем поверхности (М_п) до 6: М_п = ΣS/V, где ΣS — суммарная площадь охлаждаемой поверхности конструкции; V — объем конструкции. Например, куб со сторонами 111 м имеет площадь ΣS = 6м²; объем V = 1м³, а М_п = 6. Куб со сторонами 333 м имеет ΣS = 54м²; объем V = 27м³, а М_п = 2. Для колонны размером 0,40,43,6 м; ΣS = 6,08м²; V = 0,576м³, а М_п = 10,5. Этот метод достаточно эффективен и для конструкций с бóльшим модулем поверхности (до 8... 12), если осуществить предварительный электроразогрев бетонной смеси (рис. 5.1) в бункерах перед укладкой в опалубку (способ электротермоса). Бетонная смесь при этом форсированно разогревается в течение 5...15 мин током промышленной частоты сетевого напряжения 220...290 В до температуры бетонной смеси t_б.с = 70... 80 °С.

Рис. 5.1. Бетонирование конструкций с предварительным разогревом

бетонной смеси:

а – схема бетонирования; б – разогрев смеси в электробадье: в – то же в кузове автомашины; 1– БРУ; 2 – передвижная бетономешалка; 3 – электробадьи; 4 – распределительное устройство; 5 – кран; 6 – укладка смеси; 7 – электроды

Разновидностью метода электротермоса является метод форсированного электроразогрева бетонной смеси сразу после ее укладки в опалубку с последующим повторным вибрированием. Разогревание смеси непосредственно в опалубке исключает преждевременную потерю подвижности, а повторное вибрирование сводит к минимуму возможность структурных нарушений, возникающих при форсированном разогревании. Этот метод более экономичен, так как требует меньшего расхода электроэнергии.

Методы электротермообработки бетона наиболее эффективны для конструкций с М_П ≥ 6. Их можно разделить на три группы: электродный прогрев, индукционный прогрев и электрообогрев с применением различного рода электронагревательных устройств (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Электропрогрев бетона:

а – электродный; б – индукционный; в, г – опалубка с греющими кабелями и сетчатыми нагревателями; h – высота навивки кабеля; 1 – электроды; 2 – прогреваемая конструкция; 3 – арматура; 4 – кабель; 5 – нагреватели; 6 – асбестоцементный лист; 7– утеплитель; 8 – защитный лист

Характерными особенностями способа термоса при зимнем бетонировании являются:

• бетонирование массивных конструкций при модуле поверхности (отношение её поверхности к объему), М_П = 2 – 5 м^-1;

• средняя температура наружного воздуха за время остывания бетона, t_НВ до -20 ÷ -22 °С;

• скорость ветра – до 15 м/с;

• приготовление бетонной смеси ведется с подогревом воды, а при необходимости и заполнителя; температура бетонной смеси при выходе из бетоносмесителя, при приготовлении её на портландцементе марок ниже 600, должна быть не выше 35 °С, а наибольшая температура воды затворения 70 °С;

• укладка бетонной смеси ведётся в утеплённую опалубку или деревянную опалубку необходимой толщины;

• при транспортировании бетонной смеси должны приниматься меры по недопущению её чрезмерного охлаждения.

СНиП 3.03.01-87 устанавливает необходимую прочность бетона по отношению к проектной к моменту возможного замерзания или охлаждения ниже расчетных температур: бетон классов В7,5÷В10 – 50%; классов В12,5÷В25 – 40%; В30 и выше – 30%.

Для приготовления бетонной смеси рекомендуется применять портландцементы марок 400 и выше, высокоалитовые (С₃ более 55%) с содержанием молотых добавок до 10%, сроком хранения до 2 мес., а также портландцементы высокомарочные (М 400 и выше), алитовые (С₃ не менее 50%) с содержанием С₃А не более 8%, с активными кремнеземистыми добавками до 10%.

Приготовление, транспортирование и укладка бетонной смеси должны осуществляться в соответствии с требованиями, изложенными в /8-10/.

На основании вышеизложенного проверка возможности применения имеющейся опалубки для производства бетонных работ в зимнее время и определение необходимой толщины теплоизолирующего слоя опалубки является важной технологической задачей.

Задача №5.1.

Необходимо выполнить бетонирование ступенчатого фундамента длиной 2,5 м (рис. 5.3), имеющего размеры: а₁ = 3,3м; а₂ = 2,7м; а₃ = 2,1м; h₁ = 0,6м; h₂ = 0,5м; h₃ = 2,7м. t_бН = 20 °С – начальная температура уложенной бетонной смеси; t_бК = 5 °С – конечная температура остывания бетона. Бетон марки В20 на портландцементе М400 с расходом цемента Ц = 270 кг/м³. Температура наружного воздуха t_НВ = –22 °С. Скорость ветра V = 10 м/с. Необходимая прочность бетона R = 50% от проектной R₂₈. Опалубка стальная с толщиной палубы δ₁ = 3мм, с утепляющим слоем толщиной δ₂ = 20мм из минераловатной плиты; защитный слой толщиной δ₃ = 3мм из фанеры.

Определить пригодность опалубки для использования в зимнее время.

Рис. 5.3 Эскиз столбчатого фундамента

Решение.

1. Определяем модуль поверхности конструкции

2. Определяем среднюю температуру остывания уложенного бетона

°С

3. По кривым набора прочности бетоном (рис. 5.4) определяем продолжительность остывания бетона до заданной температуры при t_бср = 15,1 °С

τ_ост. = 7 суток = 168 час.

4. Определяем необходимый коэффициент термического сопротивления опалубки

Вт/(м²град)

где С_б = 1,05 кДж/кгград – удельная теплоемкость бетона (табл. 5.1); γ_б = 2400 кг/м³ – плотность бетона (см. табл. 5.1); Э = 241 кДж/кг – тепловыделение цемента за время твердения τ_ост (табл. 5.2).

а)

б)

Рис. 5.4 Зависимость прочности R от продолжительности

твердения τ бетонов класса В15…В22,5 на шлакопортландцементе марки 400(а) и на портландцементе марки 400(б) /10/. Цифры у кривых – средняя температура

остывания уложенного бетона.

5. Определим коэффициент термического сопротивления имеющейся опалубки (для однослойного ограждения)

Вт/(м²град).

где R_t – термическое сопротивление многослойного ограждения; _Н = 33,18 Вт/(м²град) – коэффициент теплопередачи у наружной поверхности ограждения при V = 10 м/с (табл. 5.3); δ_i – толщина отдельного слоя опалубки, м; λ_i – коэффициент теплопроводности отдельного слоя опалубки, Вт/мград.

Таблица 5.1 – Теплофизические характеристики строительных

материалов /9/.

Материал	Объемная масса в сухом состоянии, кг/м3	Расчетная величина коэф. теплопроводности λ, Вт/(м°С)	Удельная теплоемкость С, кДж/(кг°С) (в сухом состоянии)
Железобетон (W = 3%)	2500	2,03	0,84
Бетон на гравии или щебне из природного камня	2400	1,88	0,84 – 1,05
Шлакобетон на доменных гранулированных шлаках	1000	0,41	0,84
Керамзитобетон (W = 10%)	1600	0,75	0,94
Шлак	800	0,34	–
Плиты мягкие и полужесткие минераловатные на битумном связующем (W = 5%)	200	0,067	0,92
То же	350	0,081	0,92
Плиты мягкие и полужесткие на синтетическом связующем (W = 5%)	175	0,06	0,76
То же	100	0,052	0,92
Маты минераловатные прошивные	100	0,048	0,76
Древесина хвойных пород (поперёк волокон), W = 20%	500	0,17	2,52
Древесина лиственных пород (поперёк волокон)	700	0,23	2,52
Фанера клееная (W = 13%)	600	0,17	2,52
Плиты древесноволокнистые и древесностружечные (W = 12%)	1000	0,29	2,1
	600	0,16	2,1
	400	0,14	2,1
Пенопласт плиточный	100	0,05	1,26
	75	0,044	1,26
Рубероид, толь кровельный	600	0,17	1,47
Сталь	7800	52	0,48

Таблица 5.2 Тепловыделение портландцемента (М400) в зависимости от температуры и времени твердения

Температура, °С	Тепловыделение цемента кДж/кг, при времени твердения, сут
	0,25	0,5	1	2	3	7	14	28
5	–	–	29	63	109	188	209	251
10	10	25	50	105	146	209	251	293
20	42	67	105	167	209	272	314	335
40	84	134	188	230	272	314	335	–
60	130	188	230	272	314	335	–	–

Примечание. При промежуточных значениях температуры и времени твердения значения тепловыделения определять интерполяцией.

6. Сопоставляя коэффициенты термического сопротивления имеющейся опалубки с необходимым коэффициентом К приходим к выводу, что имеющаяся опалубка непригодна для заданных условий бетонирования.

7. Определим необходимую толщину утеплителя опалубки при тех же условиях

Принимаем толщину утеплителя опалубки из минераловатной плиты δ₂ 35мм.

Таблица 5.3 Значения коэффициента теплопередачи _Н у наружной

поверхности опалубки

Значения коэффициента н, Вт/м2град	Скорость ветра V, м/с
	0	1	3	5	10	15
	3,77	3,88	14,96	26,56	33,18	43,15

Задача №5.2.

Эскиз столбчатого фундамента показан на рис. 5.1, а его вариантные размеры приведены в табл. 5.4. Имеется опалубка: деревянная щитовая из досок δ = 30 мм; стальная утепленная (палуба δ₁ = 3 мм; утеплитель из минераловатной плиты δ₂ = 20 мм; обшивка из фанеры δ₃ = 4 мм).

Определить пригодность использования имеющейся опалубки для производства бетонных работ в зимнее время; при необходимости определить толщину слоя утеплителя.

Таблица 5.4. – Варианты задач

№ варианта	Размеры фундаментов, м		tбН, град	tбК, град	tНВ, град	V, м/с	Ц, кг/м3	R = %R28	γ, кг/м3
	a1 a2 a3	h1 h2 h3
5.2	3,2 2,8 2,1	0,6 0,4 4,0	19	0	– 18	10	225	50	2450
5.3	2,3 1,8 1,5	0,5 0,4 2,3	16	0	– 20	5	225	50	2350
5.4	2,1 1,6 1,2	0,5 0,5 2,6	20	5	– 20	10	232	70	2380
5.5	2,6 2,3 2,0	0,5 0,4 2,8	18	0	– 16	10	230	40	2400

Контрольные вопросы

1. Методы выдерживания бетона в зимних условиях?

2. Физическая природа и последствия замораживания бетона?

3. Сущность метода термоса?

4. Назначение и устройство опалубки для зимнего бетонирования?

5. Требования к опалубке?