Технология бетонирования колонн в зимних условиях

Величина нормируемой  критической прочности зависит  от класса бетона, вида и условий  эксплуатации конструкции и составляет: для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 50% проектной прочности для В7,5-В10, 40% для В12,5-В25 и 30% для В 30  
и выше, для конструкций с предварительно напрягаемой арматурой – 80% проектной прочности, для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или расположенных в зоне сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов – 70% проектной прочности, для конструкций, нагружаемых расчетной нагрузкой – 100% проектной прочности.

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.

При бетонировании колонн в зимних условиях необходимо создать  
и поддерживать такие температурно-влажностные условия, при которых бетон твердеет до приобретения или критической, или заданной прочности 
в минимальные сроки с наименьшими трудовыми затратами. Для этого применяют специальные способы приготовления, подачи, укладки  
и выдерживания бетона.

При приготовлении бетонной смеси в зимних условиях ее температуру  повышают до 35-40°С путем подогрева заполнителей и воды. Заполнители подогревают до 60°С паровыми регистрами, во вращающихся барабанах, 
в установках с продувкой дымовых газов через слой заполнителя, горячей водой. Воду подогревают в бойлерах или водогрейных котлах до 90°С. Подогрев цемента запрещается.

При приготовлении подогретой бетонной смеси применяют иной порядок  загрузки составляющих в бетоносмеситель. В летних условиях  
в барабан смесителя, предварительно заполненного водой, все сухие компоненты загружают одновременно. Зимой во избежание «заваривания» цемента в барабан смесителя вначале заливают воду и загружают крупный заполнитель, а затем после нескольких оборотов барабана - песок и цемент. Общую продолжительность перемешивания в зимних условиях увеличивают в 1,2-1,5 раза. Бетонную смесь транспортируют в закрытой утепленной  
и прогретой перед началом работы таре (бадьи, кузова машин). Автомашины имеют двойное днище, в полость которого поступают отработанные газы мотора, что предотвращает теплопотери. Бетонную смесь следует транспортировать от места приготовления до места укладки по возможности быстрее и без перегрузок. Места погрузки и выгрузки должны быть защищены от ветра, а средства подачи бетонной смеси в конструкции (хоботы, виброхоботы и др.) утеплены.

Опалубку и арматуру до бетонирования очищают от снега  и наледи, арматуру диаметром более 25мм, а также арматуру из жестких прокатных профилей и крупные металлические закладные детали при температуре ниже - 10°С отогревают до положительной температуры.

Бетонирование следует вести  непрерывно и высокими темпами, при  этом ранее уложенный слой бетона должен быть перекрыт до того, как в  нем температура будет ниже предусмотренной.

Строительное производство располагает обширным арсеналом  эффективных и экономичных методов  выдерживания бетона в зимних условиях, позволяющих обеспечить высокое  качество конструкций. Эти методы можно  разделить на три группы:

• метод, предусматривающий использование начального теплосодержания, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении или перед укладкой в конструкцию, и тепловыделение цемента, сопровождающее твердение бетона - так называемый метод «термоса»,
• методы, основанные на искусственном прогреве бетона, уложенного в конструкцию - электропрогрев, контактный, индукционный  
  и инфракрасный нагрев, конвективный обогрев,
• методы, использующие эффект понижения эвтектической точки воды в бетоне с помощью специальных противоморозных химических добавок.

Указанные методы можно комбинировать. Выбор того или иного метода зависит  от вида и массивности конструкции, вида, состава 
и требуемой прочности бетона, метеорологических условий производства работ, энергетической оснащенности строительной площадки и т. д.

Метод «термоса»

Технологическая сущность метода «термоса» заключается в том, 
что имеющая положительную температуру (обычно в пределах 15-30°С) бетонная смесь укладывается в утепленную опалубку. В результате этого бетон конструкции набирает заданную прочность за счет начального теплосодержания и экзотермического тепловыделения цемента за время остывания до 0°С (Рис.4).

Рис.4 Схема выдерживания бетона методом термоса:

1 – опалубка; 2 – бетон; 3 – пароизоляция; 4 – теплоизоляция; 5 – температурная кривая разогрева бетона.

В процессе твердений бетона выделяется экзотермическая теплота, количественно зависящая от вида применяемого цемента и температуры  выдерживания.

Наибольшим экзотермическим  тепловыделением обладают высокомарочные и быстротвердеющие портландцементы. Экзотермия бетона обеспечивает существенный вклад в теплосодержание конструкции, выдерживаемой методом «термоса». Поэтому при применении метода «термоса» рекомендуется применять бетонную смесь на высокоэкзотермичных портландских и быстротвердеющих цементах, укладывать с повышенной начальной температурой и тщательно утеплять.

Бетонирование методом  «Термос с добавками-ускорителями»

Некоторые химические вещества (хлористый кальций СаСl, углекислый калий-поташ К2СО3, нитрат натрия NaNO3 и др.), введенные 
в бетон в незначительных количествах (до 2% от массы цемента), оказывают следующее действие на процесс твердения: эти добавки ускоряют процесс твердения в начальный период выдерживания бетона. Так, бетон с добавкой 2%-ного хлористого кальция от массы цемента уже на третий день достигает прочности, в 1,6 раза большей, чем бетон того же состава, но без добавки. Введение в бетон добавок-ускорителей, являющихся одновременно 
и противоморозными добавками, в указанных количествах понижает температуру замерзания до -3°С, увеличивая тем самым продолжительность остывания бетона, что также способствует приобретению бетоном большей прочности.

Бетоны с добавками-ускорителями готовят на подогретых заполнителях и горячей воде. При этом температура  бетонной смеси на выходе из смесителя  колеблется в пределах 25-35°С, снижаясь к моменту укладки до 20°С. Такие бетоны применяют при температуре наружного воздуха -15-20°С. Укладывают их в утепленную опалубку и закрывают слоем теплоизоляции. Твердение бетона происходит в результате термосного выдерживания в сочетании с положительным воздействием химических добавок. Этот способ является простым и достаточно экономичным.

Бетонирование «Горячий термос»

Заключается в кратковременном  разогреве бетонной смеси 
до температуры 60-80°С, уплотнении ее в горячем состоянии и термосном выдерживании или с дополнительным обогревом.

В условиях строительной площадки разогрев бетонной смеси осуществляют, как правило, электрическим током. Для этого порцию бетонной смеси  с помощью электродов включают в  электрическую цепь переменного  тока в качестве сопротивления.

Таким образом, как выделяемая мощность, так и количество выделяемой за промежуток времени теплоты зависят  от подводимого 
к электродам напряжения (прямая пропорциональность) и омического сопротивления прогреваемой бетонной смеси (обратная пропорциональность).

В свою очередь, омическое  сопротивление является функцией геометрических параметров плоских электродов, расстояния между электродами и удельного  омического сопротивления бетонной смеси.

Электроразогрев бетонной смеси осуществляют при напряжении тока 380 и реже – 220 В. Для организации электроразорева на строительной площадке оборудуют пост с трансформатором (напряжение на низкой стороне 380 или 220 В), пультом управления и распределительным щитом.

Электроразогрев бетонной смеси  осуществляют в основном в бадьях или в кузовах автосамосвалов.

В первом случае приготовленную смесь (на бетонном заводе), имеющую  температуру 5-15°С, доставляют автосамосвалами 
на строительную площадку, выгружают в электробадьи, разогревают 
до 70- 80°С и укладывают в конструкцию. Чаще всего применяют обычные бадьи («туфельки») с тремя электродами из стали толщиной 5мм, к которым с помощью кабельных разъемов подключают провода (или жилы кабелей) питающей сети. Для равномерного распределения бетонной смеси между электродами при загрузке бадьи и лучшей выгрузке разогретой смеси  
в конструкцию на корпусе бадьи установлен вибратор.

Во втором случае приготовленную на бетонном заводе смесь доставляют на строительную площадку в кузове автосамосвала. Автосамосвал въезжает на пост разогрева и останавливается  под рамой с электродами. При  работающем вибраторе электроды  опускают в бетонную смесь и подают напряжение. Разогрев ведут в течение 10-15мин 
до температуры смеси на быстротвердеющих портландцементах 60°С,  
на портландцементах – 70°С, на шлакопортландцементах – 80°С.

Для разогрева смеси до столь высоких температур за короткий промежуток времени требуются большие  электрические мощности. Так, для разогрева 1м смеси до 60°С за 15 мин требуется 240 кВт, а за 10 мин – 360 кВт установленной мощности.

Искусственный прогрев  и нагрев бетона

Сущность метода искусственного прогрева и нагрева заключается  
в повышении температуры уложенного бетона до максимально допустимой,  
и поддержании ее в течение времени, за которое бетон набирает критическую или заданную прочность.

Физическая сущность электропрогрева (электродного прогрева) идентична рассмотренному выше способу электроразогрева бетонной смеси, то есть используется теплота, выделяемая в уложенном бетоне при пропуске через него электрического тока.

Образующаяся теплота  расходуется на нагрев бетона и опалубки 
до заданной температуры и возмещение теплопотерь в окружающую среду, происходящих в процессе выдерживания. Температура бетона при электропрогреве определяется величиной выделяемой в бетоне электрической мощности, которая должна назначаться в зависимости 
от выбранного режима термообработки и величины теплопотерь, имеющих место при электропрогреве на морозе.

Для подведения электрической  энергии к бетону используют различные  электроды: пластинчатые, полосовые, стержневые и струнные.

К конструкциям электродов и схемам их размещения предъявляются  следующие основные требования:

1. мощность, выделяемая в бетоне при электропрогреве, должна соответствовать мощности, требуемой по тепловому расчету;
2. электрическое и, следовательно, температурное поля должны быть по возможности равномерными;
3. электроды следует располагать по возможности снаружи прогреваемой конструкции для обеспечения минимального расхода металла;
4. установку электродов и присоединение к ним проводов необходимо производить до начала укладки бетонной смеси (при использовании наружных электродов).

В наибольшей степени удовлетворяют  изложенным требованиям пластинчатые электроды. Они принадлежат к разряду поверхностных 
и представляют собой пластины из кровельного железа или стали, нашиваемые на внутреннюю, примыкающую к бетону поверхность опалубки и подключаемые к разноименным фазам питающей сети. В результате токообмена между противолежащими электродами весь объем конструкции нагревается. С помощью пластинчатых электродов прогревают слабоармированные конструкции правильной формы небольших размеров (колонны, балки, стены и др.).

Полосовые электроды изготовляют  из стальных полос шириной  
20-50мм и так же, как пластинчатые электроды, нашивают на внутреннюю поверхность опалубки.

Токообмен зависит от схемы присоединения полосовых электродов 
к фазам питающей сети. При присоединении противолежащих электродов  
к разноименным фазам питающей сети токообмен происходит между противоположными гранями конструкции и в тепловыделение вовлекается вся масса бетона. При присоединении к разноименным фазам соседних электродов токообмен происходит между ними. При этом 90% всей подводимой энергии рассеивается в периферийных слоях толщиной, равной половине расстояния между электродами. В результате периферийные слои нагреваются за счет джоулевой теплоты. Центральные же слои (так называемое «ядро» бетона) твердеют за счет начального теплосодержания, экзотермии цемента и частично за счет притока теплоты от нагреваемых периферийных слоев. Первую схему применяют для прогрева слабоармированных конструкций толщиной не более 50см. Периферийный электропрогрев применяют для конструкций любой массивности.

При сложной конфигурации бетонируемых конструкций при меняют стержневые электроды – арматурные прутки диаметром 6-12мм, устанавливаемые в тело бетона.

Наиболее целесообразно  использовать стержневые электроды  в виде плоских электродных групп. В этом случае обеспечивается более равномерное температурное поле в бетоне.