Зимнее монолитное бетонирование

Монолитные бетонные и железобетонные конструкции находят все более широкое применение при строительстве многоэтажных и высотных зданий.

Особенно ответственным периодом монолитного строительства является бетонирование в зимнее время.

При низких положительных температурах твердение цемента замедляется, а при отрицательных - свободная вода, не вступившая в реакцию с цементом замерзает и превращаясь в лед, увеличивается в объеме. При этом возникают значительные по величине внутренние напряжения и, если бетон не набрал достаточной прочности, способной им противостоять, происходит разрушению его структуры. С повышением температуры при оттепелях или весной бетон размораживается и его твердение возобновляется, но возникшие при замораживании нарушения структуры остаются и в результате наблюдается недобор прочности.

Раннее замораживание бетона вызывает также снижение сцепления арматуры и зерен заполнителя с цементным камнем ввиду образования на поверхности арматуры и заполнителя тонких слоев льда.

Этими факторами может быть обусловлено снижение несущей способности и долговечности монолитных конструкций, изготовленных в зимний период при отрицательных температурах.

Бетонирование монолитных конструкций в зимних условиях, осуществляемое при ожидаемой среднесуточной температуре наружного воздуха ниже +5°С и минимальной суточной температуре ниже 0°С, должно производиться в оптимальных температурно-влажностных условий содержания бетона.

Необходимым условием для всесезонного монолитного бетонирования является, ускорение твердения бетона с обеспечения набора достаточной (критической) прочности на ранней стадии твердения, которого можно достичь:

1) использованием внутреннего запаса тепла бетона;

2) дополнительной подачей к бетону тепла извне.

При первом способе применяют:

- высокопрочные и быстротвердеющие, а также тонкомолотые портландцементы, в том числе цементы низкой водопотребности;

- для уменьшения количества воды в бетоне применяют пластифицирующие добавки.

- химические добавки - ускорители твердения бетона.

Внутренняя температура бетона зависит от количества тепла, выделяющегося в результате экзотермической реакции гидратации цемента. Но этого тепла как правило не достаточно для достижения критической прочности в короткие сроки, а при низких температурах достаточной прочности невозможно достичь без принятия дополнительных мер.

Температура бетонной смеси перед укладкой в массивные конструкции должна быть не ниже +5°С, а в тонкостенные - не ниже +20°С.

Обеспечить такие температурные условия только за счет экзотермии цемента не всегда удается при отрицательных температурах.

Поэтому запас внутреннего тепла увеличивают путем подогрева составляющих бетонной смеси (воды, заполнителей).

Безобогревные способы бетонирования

Подогрев бетонной смеси до 50-70°С перед укладкой позволяет в короткие сроки достичь критической прочности бетоне. Для сохранения внутреннего тепла бетона применяют утепленную опалубку и укрывают открытые поверхности конструкций паро- и теплоизоляционным материалом.

Этот способ зимнего бетонирования, называемый способом термоса, эффективен при изготовлении массивных конструкций при температурах наружного воздуха до -15°С и его эффективность напрямую зависит от вида цемента, температуры смеси перед укладкой и применяемых химических добавок - ускоряющих твердение и пластифицирующих.

Согласно СНиП 3.03.01-87 "Несущие и ограждающие конструкции" при зимнем бетонировании монолитных конструкций до -15°C применяются безобогревные способы выдерживания бетона:

1) термос;

2) термос с применением ускорителей твердения бетона;

3) термос с применением комплексных добавок, обладающих одновременно противоморозными и пластифицирующими свойствами.

Температура бездобавочной бетонной смеси, уложенной в опалубку, к началу выдерживания в термосе должна быть не ниже +5°С.

А вот бетонная смесь с противоморозными добавками может иметь температуру не менее чем на 5°С выше температуры замерзания бетонной смеси. То есть, если противоморозная добавка эффективна до температуры -15°С, то бетонная смесь может иметь температуру -10°С, что значительно повышает технологичность бетонных работ.

Прочность бетона монолитных конструкций, эксплуатирующихся внутри зданий, фундаментов под оборудование, не подвергающихся динамическим воздействиям и подземных конструкций к моменту замерзания:

- для бетона без противоморозных добавок - не менее 5 МПа;

- для бетона с противоморозными добавками - к моменту охлаждения бетона до температуры, на которую рассчитано количество добавок, не менее 20% проектной прочности.

Прочность бетона конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям в процессе эксплуатации классов:

- В7,5-В10         не менее 50% проектной прочности

- В12,5-В25       40%

- В30 и выше     30% и выше

Нагружение конструкций расчетной нагрузкой допускается после достижения бетоном прочности не менее 100% проектной.

Приготовление бетонной смеси зимой производят в обогреваемых бетоносмесителях, применяют подогретую воду, оттаянные или подогретые заполнители.

Продолжительность перемешивания бетонной смеси зимой увеличивают не менее чем на 25% по сравнению с летними условиями.

Средства транспортирования должны обеспечивать предотвращение снижения температуры бетонной смеси ниже требуемой по расчету. Температура основания, на которое укладывается бетонная смесь, и способ укладки должны исключать возможность замерзания смеси в зоне контакта с основанием.

При выдерживании бетона в конструкции методом термоса, при предварительном разогреве бетонной смеси, а также при применении бетона с противоморозными добавками допускается укладывать смесь на неотогретое непучинистое основание или старый бетон, если в зоне контакта на протяжении периода выдерживания бетона не произойдет его замерзания.

При температуре воздуха ниже -10°С бетонирование густоармированных конструкций с арматурой диаметром больше 24 мм, арматурой из жестких прокатных профилей или с крупными металлическими закладными частями выполняется с предварительным отогревом металла до положительной температуры или местным вибрированием смеси в приарматурной и опалубочной зонах, за исключением случаев укладки предварительно разогретых бетонных смесей (при температуре смеси выше 45°С).

Продолжительность вибрирования бетонной смеси должна быть увеличена не менее чем на 25% по сравнению с летними условиями.

Для ограждения термоса (тепляка) используют облегченные элементы, например трехслойные стеновые панели - слоистые конструкции, наружные слои которой выполняются из металла, асбоцементных листов, водостойкой фанеры, цементно-стружечных плит и внутренним слоем из пенополиуретана. Использование трехслойных панелей повышает термическое сопротивление ограждения тепляка, повышает его оборачиваемость и скорость строительства.

Способы бетонирования с тепловой обработкой

При бетонировании сравнительно тонкостенных конструкций при отрицательных температурах для быстрого достижения распалубочной прочности применяют подачу тепла извне сразу же после укладки и уплотнения бетонной смеси.

Тепловая обработка является практически единственным способом ускорения твердения бетона в зимнее время (без использования химических добавок) и обеспечивает достижение прочности монолитных конструкций.

В настоящее время прогрев бетона монолитных конструкций осуществляется различными способами в зависимости от типа конструкций, опалубки, характеристик бетона и т. д.

Однако практика показала, что использование только одного прогрева бетона не всегда достаточно.

Большое значение имеют противоморозные добавки, которые снижают температуру замерзания воды в бетонной смеси и обеспечивают твердение бетона при отрицательных температурах с достижением критической прочности в короткие сроки.

Нашли применение различные противоморозные добавки: формиат натрия, "Лигнопан Б-4", нитрит натрия, "Релаксол", "Семпласт Крио" и др.

Некоторые добавки обладают комплексным действием (пластифицирующим и ускоряющим твердение).

Способ требует большой электрической мощности - более 1000 кВт для разогрева 3-5 м³ бетонной смеси.

В зависимости от схемы установки и подключения электродов, способ разделяет­ся на сквозной, периферийный и с использованием в качестве электродов арматуры.

Этот способ эффективен для слабо армированных конструкций - фундаментов.

Способ электрообогрева в греющей опалубке основан на передаче тепла от греющих поверхностей опалубки в бетон путем теплопроводности. В качестве нагревательных элементов применяются ТЭНы, слюдопластовые нагреватели, греющие кабели, углеграфитовая ткань, сетчатые нагреватели и др.

Этот способ наиболее эффективен (по СНиП 3.03.01-87) для фундаментов зданий и под оборудование, массивных стен, колонн, балок, рамных конструкций, полов, плит перекрытий, тонкостенных конструкций, бетонирование которых ведется при температуре окружающего воздуха до -40°С.

Способ инфракрасного обогрева бетона предусматривает использование тепловой энергии, выделяемой инфракрасными излучателями, направленной на открытые или опалубленные поверхности конструкций.

Способ используется для: а) отогрева промороженных бетонных и грунтовых оснований, арматуры, опалубки, удалении снега и наледи; б) ускорения твердения бетона в скользящей опалубке, плит перекрытий; в) создания тепловой защиты поверхностей, недоступных для утепления.

Самым эффективным и технически безошибочным является:

сочетание безобогревных способов и способов с тепловой обработкой с ускорением и интенсификацией твердения бетона введением в него противоморозных химических добавок.

Необходимо отметить, что не все добавки, рекомендованные ГОСТ 24211-2003, эффективны для зимнего бетонирования с применением прогревных способов монолитного бетонирования.

Поваренная соль NaCI и хлорид кальция СаCl ₂ ,неблагополучны в коррозионном отношении при введении более 2 кг на 100 кг цемента, а в меньшем количестве они не эффективны,нитритнатрия NaNО₂ - ядовит, натриевая селитра NaNO₃ и кальциевая селитра Са(NO₃)₂ эффективны только в сочетании с другими противоморозными добавками, что ведет к удорожанию; поташ (углекислый калий) K₂СО₃, снижает прочность и морозостойкость; кальцинированная сода N₂СОз -ускоряет схватывание и снижает удобоукладываемость; формиат натрия NaCOOH - эффективен только до -10°С, мочевина (карбамид) H₂NCONH₂ не подходит для прогревных методов, т.к. деструктирует (разлагается) при температуре выше -40°С.

Наиболее широко применяются поташ, нитрит натрия и формиат натрия.

Применение поташа как противоморозной добавки может вызвать недобор прочности более 30%, снижение морозостойкости и водонепроницаемости. Дело в том, что кристаллизационные процессы с поташом протекают со значительным увеличением объема и в бетоне появляются внутренние напряжения, вызывающие появление микро- и макротрещин вплоть до разрушения конструкции.

Однако поташ может и не ухудшать прочность и морозостойкость бетона, если он вводится в бетонную смесь совместно с замедлителями схватывания - сульфитно-дрожжевой бражкой СДБ, тетраборатом натрия ТН (бура) или жидким стеклом + адипиновым пластификатором ПАЩ-1. Это ведет к удорожанию работ.

От использования нитрита натрия лучше воздержаться вследствие его ядовитости (все соли азотистой кислоты весьма ядовиты). Так, емкости для приготовления, хранения и переноски порошка и водных растворов нитрита натрия согласно НТД требуется обозначать предупредительной надписью "Яд!".

Применение формиата натрия ограничено температурой -10°С.

Поэтому, для снижения внутренних напряжений в бетоне и, поскольку поташ, нитрит натрия и формиат натрия не обладают пластифицирующим и водоредуцирующим действием, для повышения подвижности бетонных смесей и снижения В/Ц отношения их используют совместно пластифицирующими добавками.

Наиболее широко распространен суперпластификатор С-3 - лигносульфанат нафталина (в порошкообразной или жидкой товарной форме).

Необходимо отметить, что в С-3 содержится 6-10% сульфата натрия, что является причиной появления стойких высолов и сульфатной коррозии бетона, существенно снижающей долговечность строительных конструкций.

Большим недостатком является также то, что разжижитель С-3 содержит опасные в биологическом и природоохранном отношении вещества - фенол, формальдегид и производные нафталина.

В настоящее время в различных регионах России у строителей пользуется популярностью комплексная добавка для бетонов и строительных растворов Ускоритель твердения - пластификатор "Строймост Морозостоп" с противоморозным эффектом до -15°С, производимый серийно в Москве в ООО НПФ "Строймост".