4. Особенности технологии бетонных работ в экстремальных условиях

4.1. Специфика и методы зимнего бетонирования

Понятие «зимние условия» в технологии монолитного бетона и железобетона несколько отличается от общепринятого – календарного.

Зимними считаются условия бетонирования при установлении среднесуточной температуре наружного воздуха не выше 5ºС или при опускании в течение суток минимальной температуре ниже 0ºС. Подобные климатические условия продолжаются на территории России в среднем 6…7 мес. в году.

Формирование прочностных характеристик бетона в зимних условиях имеет свои особенности. Основной проблемой является замерзание в начальный период структурообразования бетона несвязной воды затворения.

При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода переходит в лед и не вступает в химическое соединение с цементом. Вода, тонким слоем находящаяся на поверхности крупного заполнителя и арматуры, в процессе замораживания свежеуложенного бетона образует вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяные пленки. Эти пленки благодаря притоку воды из менее охлажденных зон бетона, увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры и заполнителя, препятствуя необходимому сцеплению с цементным тестом и созданию плотной структуры после оттаивания бетона.

В результате этих процессов 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 бетона его неокрепшая структура не может противостоять этим силам и нарушается. 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 ниже на 15…20% прочности бетона, выдержанного в нормальных условиях твердения, уменьшается его плотность, стойкость и долговечность.

Теоретически и практически доказано, что в замерзшем бетоне после его оттаивания 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.

Если бетон до замерзания приобретает необходимую начальную прочность, то все упомянутые выше процессы не оказывают на него неблагоприятного воздействия. Минимальную прочность, при которой замораживание для бетона не опасно, называют критической. Критерий морозостойкости – критическая прочность, выраженная в % от проектной прочности в возрасте 28 сут, при достижении которой бетон может быть заморожен без снижения его прочностных показателей после продолжения твердения при наступлении положительных температур.

Величина нормируемой критической прочности зависит от факторов, включающих тип монолитной конструкции, класс примененного бетона, условия его выдерживания, срока приложения проектной нагрузки к конструкции, условий эксплуатации и составляет:

0. для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 50% проектной прочности для В7,5...В10, 40% для B12,5... B25 и 30% для В 30 и выше;

1. для конструкций с предварительно напрягаемой арматурой – 80% проектной прочности;

2. для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или расположенных в зоне сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов – 70% проектной прочности;

3. для конструкций, нагружаемых расчетной нагрузкой, – 100% проектной прочности;

4. для ненесущих конструкций – критическая прочность должна быть не ниже 5 МПа (50 кгс/см²).

Продолжительность твердения бетона и его конечные свойства в значительной степени зависят от температурных условий, в которых выдерживают бетон. По мере повышения температуры увеличивается активность воды, содержащейся в бетонной смеси, ускоряется процесс ее взаимодействия с минералами цементного клинкера, интенсифицируются процессы формирования коагуляционной и кристаллической структуры бетона. При снижении температуры, наоборот, все эти процессы затормаживаются, и твердение бетона замедляется.

Основной целью зимнего бетонирования является обеспечение условий, при которых монолитные железобетонные конструкции в короткие сроки с наименьшими затратами могли бы набрать критическую прочность по морозостойкости или требуемую для восприятия проектных нагрузок. Для этого применяют специальные способы приготовления, подачи, укладки и выдерживания бетона.

Задача всех существующих и разрабатываемых методов зимнего бетонирования – достижение бетоном критической, а для большинства несущих конструкций прочности 50...70%-й от марочной в возможно короткие сроки, при соответствующем технико-экономическом обосновании принятых решений и при обязательном выполнении следующих мероприятий:

0. применение бетонных смесей с водоцементным отношением до 0,5;

1. приготовление бетона на высокоактивных и быстротвердеющих портланд- и шлакопортландцементах, на других вяжущих, в частности магнезиальном, обладающим рядом совершенно уникальных свойств, в том числе твердением при отрицательных температурах;

2. использование добавок-ускорителей твердения бетона;

3. подогрев воды и заполнителей;

4. в отдельных случаях увеличение расхода цемента или повышение марки цемента относительно проектной.

Применимость существующих методов зимнего бетонирования, а иногда и их совокупности, определяют технико-экономическим обоснованием, базирующемся на следующих факторах:

0. вид и массивность бетонируемых конструкций;

1. состав, темпы укладки и требуемая прочность бетона;

2. наличие энергоресурсов;

3. вид имеющихся теплоизоляционных материалов;

4. метеорологические условия;

5. особенности строительной площадки.

Приготовление бетонной смеси. Температура укладываемой в конструкцию бетонной смеси должна быть не ниже определенной расчетом для метода термоса и не ниже +5ºС при искусственном прогреве и применении противоморозных добавок. Бетонную смесь приготовляют подогретой и имеющей температуру выше полученной расчетом, так как необходимо учитывать теплопотери от момента приготовления до укладки смеси в конструкцию. При приготовлении бетонной смеси в зимних условиях ее температуру повышают до 35...45ºС путем подогрева заполнителей и воды.

Такая температура бетона обеспечивается подогревом заполнителей – песка и щебня не свыше 60ºС при помощи паровых регистров, а во вращающихся барабанах, в установках с продувкой дымовых газов через слой заполнителя – горячей водой. Воду подогревают в бойлерах или водогрейных котлах до 90ºС. 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 +45ºС.

Таблица Максимальная температура составляющих