Как производить прогрев бетона при строительстве в зимнее время

Сегодня зимнее бетонирование – одна из актуальных проблем в строительном производстве. Ежегодно в мире при возведении зданий и сооружений используется около 15 млрд м3 бетона. При этом около 75% общего объема применяется при строительстве конструкций и сооружений в зимних условиях, то есть при отрицательных температурах воздуха.Теоретически строительные работы должны проводиться до наступления зимних холодов или при температуре воздуха, не превышающей +350 C. В таких случаях никаких дополнительных условий ухода за твердеющим бетоном не требуется. Но даже в нормальных температурных условиях, учиты­вая, что для твердения бетона необходима постоянная влажность, во избежание раннего высыхания его укрывают от прямых солнечных лучей.

Территория СНГ включает районы, например в Сибири, где колебания температур воздуха в разные сезоны года происходят в диапазоне от +500 C до –500 C, при этом зимний период составляет 6 или даже 8 месяцев. Такие суровые климатические условия крайне неблагоприятны для строительства. Не следует забывать и о том, что существуют зоны вечной мерзлоты, которые занимают почти четверть поверхности земного шара. Однако в таких районах также ведется интенсивное строительство. В странах Северной Европы зимнее строительство – обычная практика. Так, в Финляндии половина объема строительных работ приходится на зиму, то есть на тот период, когда постоянная средняя температура воздуха немного ниже 00 C.

Морозостойкость бетона

Бетон, уложенный в строительную конструкцию, должен в процессе затвердения набрать прочность, а для этого необходимы свойства морозостойкости.

Морозостойкость – способность строительного материала выдерживать в состоянии насыщенности водой многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и понижения прочности. При зимнем бетонировании в суровых климатических условиях морозостойкость бетона является главным фактором качественного возведения конструкций.

Мороз опасен для свеже­уложенного бетона, прежде всего, по причине воздействия низких температур воздуха на процессы схватывания и твердения цементов. Так, при снижении температуры с +20^° C до +5^° C схватывание бетона замедляется в 2–5 раз. Замедление процесса твердения особенно заметно при дальнейшем снижении температуры до 0⁰ C. При восстановлении нормальных температурных условий выдерживания твердение продолжается с достаточной скоростью. При температуре бетона ниже 0⁰ C данный процесс полностью прекращается. Это объясняется тем, что при замерзании бетона свободная вода, содержащаяся в его порах, превращается в лед и, соответственно, увеличивается в объеме.

Льдистость

Для того чтобы оценить степень влияния температуры на процесс твердения, используют такой термин, как льдистость. Льдистость – это отношение количества льда к массе химически не связанной воды. У образцов, находящихся на морозе в первые часы после изготовления, большая часть воды переходит в лед при температуре ниже –2⁰ C, а у помещенных на мороз через 24 часа нормального твердения – при температуре –5⁰ C. Большое влияние на льдистость оказывает продолжительность твердения до начала замерзания, или степень гидратации цемента, а также активность цемента и водоцементное отношение. Чем выше прочность бетона до замерзания, чем больше в нем продуктов гидратации, тем больше количество незамерзшей воды.

В результате замерзания замедляется образование цементного камня. Происходит частичное или полное прекращение процесса гидратации цемента. Следовательно, прекращается и твердение бетона. Процессы гидратации протекают не полностью, и бетон не успевает приобрести требуемые физико-механические свойства. Вследствие этого получается бетон с дефектной структурой.

Замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме на 9%. По этой причине в порах бетона развивается большое давление, которое вызывает разрушение структуры еще не затвердевшего бетона. Скопившаяся на поверхности зерен крупного заполнителя вода при замерзании образует тонкую ледяную пленку, которая препятствует соприкосновению поверхности заполнителя с цементным тестом. В итоге ухудшается монолитность бетона. Если бетон замораживается в раннем возрасте, то лед разрушает большое количество кристалликов цементного клея. Если затворе­ние бетона было проведено до замораживания, а твердение бетона еще не началось, то оно не начнется и после замерзания.

В тот период, когда свободная вода находится в состоянии льда, твердение приостанавливается. При оттаивании бетона лед превращается в жидкость, и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замерзания, но уже при изменившейся структуре. По причине изменений, происходящих в структуре бетона, уменьшаются его прочность и сцепление с арматурой. Чем раньше бетон подвергся замораживанию, тем ниже его конечная прочность. Наиболее значительно сказывается на качестве бетона его замерзание в период схватывания цемента. Также способствует ухудшению характеристик бетона и его многократное замерзание и оттаивание в начальный период твердения во время оттепелей и заморозков.

Прогрев бетона

Для обеспечения качественного строительства в зимних условиях были разработаны методы, с помощью которых создаются благоприятные условия для твердения бетона даже в самые сильные морозы.

В течение срока, который определяется достижением заданной прочности бетона, необходимо поддерживать соответствующие температуру и влажность, используя для этого внутреннее тепло бетона или же дополнительно обогревая твердеющий бетон. Разработаны и внедрены в практику несколько методов прогрева, которые используются при зимнем бетонировании. Наиболее эффективными являются способы термоса, электронагрева и паропрогрева.

На месте бетонную смесь укладывают в опалубку из деревянных или металлических щитов, соответствующих форме будущей конструкции. В опалубке устанавливают стальной каркас-арматуру.

Бетонную смесь укладывают с максимально возможной скоростью, без перерывов. Твердение бетона зависит от химических реакций цемента с водой. Основными факторами, определяющими ход данных процессов, являются температура и влажность воздуха. Поэтому в зимнее время при низких температурах опалубку утепляют, причем сразу же после окончания бетонирования; щитами и матами укрывают и верхнюю, открытую, поверхность бетона.

Способ термоса

Данный метод широко применяется в промышленном и гражданском строительстве. По способу термоса бетон твердеет под слоем теплоизоляционных материалов (шлак, опилки, камышит). Такие материалы плохо проводят тепло, и во многих случаях их количество оказывается достаточным для того, чтобы во время остывания бетон приобрел необходимую прочность. При такой прочности можно распалубливать конструкцию, не боясь замораживания, – после оттаивания бетон не разрушится. Способ термоса является наиболее экономичным и простым по сравнению с другими методами прогрева бетона. Для его реализации не требуется специальное оборудование, но применять его можно только при бетонировании массивных конструкций, так как тонкостенные очень быстро остывают. Применение способа термоса позволяет создать нормальные условия для производства работ и, соответственно, увеличить интенсивность укладки бетона.

Если при применении способа термоса невозможно достичь требуемой прочности в установленные сроки, рекомендуется использовать искусственный прогрев бетона электрическим током или паром. Высокотемпературное воздействие на бетон является эффективным спо­собом ускорения его твердения. Такой прогрев бетона в конструкции выполняется при применении электрического тока. В этом случае подача электрического тока к месту использования производится просто, при этом ее легко регулировать и контролировать, к тому же возможна автоматизация процесса тепловой обработки бетона.

Существуют три способа прогрева бетона: электродный прогрев (электропрогрев), электрообогрев с помощью электронагревательных устройств и индукционный прогрев (прогрев в электромагнитном поле). Каждый из этих способов не универсален и эффективен только для определенных конструкций и условий строительной площадки. Наиболее распространенными способами прогрева бетона являются электропрогрев и электрообогрев.

Электропрогрев

Данный способ основан на принципе нагрева проводника при прохождении через него переменного тока. Постоянный ток для этих целей не под­ходит, так как при его применении происходит электролиз воды, коррозия и экранирование поверхности электродов выделяемыми газами.

В свежеуложенный бетон вводят металлические электроды, через которые пропускают переменный электрический ток. С помощью электродов бетон прогревают при пониженных (50–127 В), а иногда и повышенных (220–380 В) напряжениях. Электропрогрев бетона при напряжении свыше 127 В можно применять только при сооружении неармированных конструкций, при этом должна тщательно соблюдаться техника безопасности. В армированном бетоне при повышенных напряжениях тока возникают значительные местные перегревы, вызывающие интенсивное испарение влаги, что снижает прочность бетона. По этой причине электропрогрев железобетонных конструкций следует выполнять при пониженных напряжениях, обеспечивающих возможность более точного соблюдения заданного режима.

Электрическое сопротивление свежеприготовленного бетона, уложенного в опалубку, увеличивается по мере затвердевания бетона. На ранней стадии твердения бетон обладает достаточно хорошей электропроводностью, так что его можно отнести к проводникам второго рода с ионной проводимостью. Включенный в электрическую цепь, он нагревается при прохождении электрического тока. Выделяющееся тепло способствует интенсификации химического взаимодействия воды с минералами цементного клинкера, что вызывает твердение бетона. Электрический ток, протекающий по бетону, вызывает его нагревание и твердение. Чем больше сопротивление, тем выше напряжение тока.

Однако значительное увеличение сопротивления бетона может сказаться на качестве прогрева бетона. При достижении критического сопротивления ток используемого напряжения не в состоянии «преодолеть» это возросшее сопротивление, поэтому цепь прерывается и электрообогрев прекращается. Следовательно, необходимо обеспечить такой режим защиты бетона от влагопотерь, чтобы бетон успел прогреться и набрать требуемую прочность.

Расход электроэнергии при электронагреве не превышает 80–100 кВт/ч на 1 м² бетона и зависит от температуры окружающего воздуха и продолжительности прогрева. Максимальное значение температуры прогрева и его продолжительность зависят от вида применяемого цемента и требуемой прочности, причем температура не должна превышать +60⁰ C. Качество прогрева в значительной степени зависит от размеров электродов. Диаметр стержневых электродов должен быть не менее 5 мм, а ленточных – не менее 15 мм. Для прогрева бетона также используется специализированный греющий провод, который укладывается в саму конструкцию еще до начала ее бетонирования. Для прогрева монолитного бетона и железобетона используется нагревательный провод ПНСВ, имеющий стальную жилу и изоляцию из ПВХ-пластиката или полиэтилена. Он применяется в напольных нагревателях при напряжении переменного тока до 380 В и номинальной частоте 50 Гц.

Нагреваемые электроды создают температурное поле в бетоне. Важным фактором нормального режима прогрева является равномерность температурного поля, которая достигается при правильной расстановке электродов.

Все вышесказанное относится и к неармированному бетону. При прогреве бетона в железобетонной конструкции необходимо учитывать характер и густоту армирования, расположение арматуры и ее диаметр. Стальная арматура и хомуты влияют на формирование электрического поля и искажают его. Главное условие нормального электрообогрева – это обеспечение равномерности и электрического поля в бетоне. Поэтому электроды следует располагать на максимальном расстоянии от элементов арматуры. Иногда при прогреве железобетонных конструкций в качестве одного из электродов можно использовать арматуру. В этом случае в качестве другого электрода используют уложенные на поверхности бетона пластины, что позволяет прогревать элементы, имеющие нормальное армирование (ненапрягаемую арматуру).

Сегодня электропрогрев часто применяется для ускорения твердения бетона на объектах зимнего строительства. Ежегодно при применении данного способа прогревается свыше 12 млн м3 бетона. Электропрогрев используют как при возведении монолитных конструкций, так и в заводском производстве сборного железобетона вместо пропаривания. К тому же это один из высокоэкономичных способов тепловой обработки бетона.

Электрообогрев

Данный способ может при­меняться для электротермообработки бетона в любых конструкциях независимо от их армирования, конфигурации, вида бетона и цемента. Принцип состоит в том, что тепло к бетону подводится с поверхности, а во внутренние слои тепло переносится за счет теплопроводности. Нагрев внутренних слоев необходимо производить постепенно, учитывая экзотермию цемента. С особой осторожностью данный способ следует применять для обогрева массивных конструкций. Необходимо учитывать, что внутренние слои прогреваются медленнее, чем поверхностные, и разница температур между слоями может быть велика. В таких условиях создается неблагоприятное термонапряженное состояние конструкции. Глубина эффективного прогрева бетона в конструкции при применении этого способа обычно составляет около 20 см. Однако, в случае если выполняется односторонний подвод тепла к конструкциям небольшой толщины, глубина эффективного прогрева может уменьшиться до 15 см. Данная величина зависит в зимнее время от температуры наружного воздуха и теплозащиты необогреваемой поверхности конструкции.

Имеются две разновидности способа электрообогрева: обогрев высокотемпературными нагревателями (генераторы инфракрасного излучения), имеющими температуру поверхности выше 250⁰ С, и низкотемпературными, имеющими температуру поверхности до 2500 С. Высокотемпературные нагреватели используются, как правило, в заводских условиях при изготовлении сборных железобетонных изделий и для прогрева бетона в монолитных конструкциях применяются редко. Низкотемпературные нагреватели применяются в построечных условиях для обогрева бетона, причем электронагреватели монтируются в опалубку или же изготовляются в виде греющих щитов.

Для электрообогрева применяют электрический ток напряжением 110–220 В, при этом необходимо соблюдать требования технической безопасности. Расход электроэнергии для зон с температурой наружного воздуха –20⁰ С составляет примерно 100–120 кВт ч. на 1 м³ бетона.

Паропрогрев

Прогрев бетона паром высокоэффективен – его часто применяют на стройках, а также на заводах железобетонных изделий. В опалубке с внутренней стороны вырезают каналы, через которые пропускают пар. Можно также изготовить двойную опалубку и вводить пар в промежутки между стенками. Часто пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона, и нагревают его до +50–80⁰ С. При высоких температурах, которые создаются при паропрогреве бетона, и нормальной влажности воздуха твердение происходит значительно быстрее. Например, через двое суток можно получить необходимую прочность бетона, которая при обычных условиях достигается в течение 7 суток твердения. Однако паропрогрев бетона требует больших дополнительных затрат на оборудование и рекомендуется в первую очередь для сооружения тонкостенных конструкций.

П. Л. Шумра, главный конструктор УГК «МЭТЗ им. В. И. Козлова»