С. М. ТРЕМБИЦКИЙ, канд. техн. наук (ЗАО НТЦ Этэка), ТЕХНИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРОГРЕВОМ БЕТОНА
Современное строительство в мире базируется в основном на возведении зданий и сооружений из монолитного и монолитно-сборного железобетона. Надёжной основой этих строительных технологий в России является устойчивое отечественное производство высококачественных бетона и сборных железобетонных изделий и конструкций. Основные показатели строительства неизменны - темпы, качество и стоимость, т.е. строителей оценивают по тому, как быстро, как хорошо и как доступно по стоимости они строят. Темпы и эффективность современного монолитного и монолитно-сборного возведения зданий и сооружений могут быть существенно повышены при условии применения интенсивной и ресурсосберегающей технологии строительства.
По оценкам экспертов, доля монолитного бетона, укладываемого при отрицательной температуре воздуха, будет возрастать в связи с увеличением объёмов монолитного жилищного строительства и его перемещением в районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Интенсификация и всесезонность строительных работ без перерыва в зимний период достигаются различными методами, одним из которых является прогрев бетона.
Качество строительства определяют строительные материалы и, в первую очередь, бетон и железобетон, роль которых, как основных конструкционных материалов, с развитием строительства всё более возрастает. Но широко применяемые бетоны на отечественных портландцементах по темпам твердения и прочностным показателям очень уязвимы при низких температурах. Твердение бетона на современных портландцементах является процессом достаточно длительным при низкой положительной (<5 °С) и особенно отрицательной температуре воздуха. Иллюстрацией влияния температуры воздуха на твердение бетона может служить, например, зависимость времени набора прочности 50% R28 от температуры для бетона классов В 15-В 25 или М200-300. Так, время твердения бетона до заданной прочности при -3 °С более чем в 10 раз превышает этот показатель при +20 °С [1].
С целью интенсификации строительных работ и всесезонного их выполнения без перерывов в продолжительный для России зимний период необходимы технические средства, обеспечивающие ускоренное твердение бетона монолитных железобетонных конструкций.
Достигнуть указанное ускорение можно путём применения:
- активизированных или быстротвердеющих цементов;
- химических добавок - противоморозных и ускорителей твердения;
- повышения дозировки цемента и уменьшения водоцементного отношения;
- бетона более высокого класса по сравнению с проектной маркой;
- тепловых методов ускорения твердения бетона. Первые два направления эффективны, но пока дороги и не способны ещё удовлетворить потребности строительства в современных масштабах. Следующие два приёма могут быть применены при соответствующем обосновании.
Из химических добавок в бетон наиболее доступными и практически обязательными в зимний период являются противоморозные добавки, например, известный нитрит натрия (НН), нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК) и из последних - формиат натрия, модификации криопласта и др.
Снижая температуру замерзания жидкой фазы бетона, эти добавки не останавливают процесс твердения, но мало влияют на скорость роста прочности бетона. Например, 10%-ная добавка ННХК (0,5% от массы цемента) позволяет бетону марки 200 в 28- суточном возрасте при температуре воздуха -15 °С получить прочность без нагрева 25-50%. Без добавки бетон в этих условиях не твердеет. Значит, противоморозные добавки не только сохраняют жидкую фазу, например, при -20 °С, но и обеспечивают гидратацию цемента и твердение бетона. Кроме того, эти добавки повышают морозостойкость бетона. Причём это достигается не поверхностно-активными воздухововлекающими добавками, повышающими пористость, а добавками-электролитами (хлориды, сульфаты, но не карбонаты), снижающими водопотребность и повышающими прочность и морозостойкость [2].
Наиболее эффективной по сумме технико-экономических параметров противоморозной добавкой является нитрит натрия (NaNO2), количество которого не должно превышать 10% от массы цемента. При этом он не только служит ускорителем твердения с противоморозным эффектом, но и проявляет пластифицирующие свойства.
Доказана также целесообразность применения в зимних условиях комплексной добавки, состоящей из суперпластификатора до 1,2% и нитрита натрия до 10% от массы цемента. В этом случае критическая прочность бетона достигается за 7.28 сут при температуре воздуха -5.-15 °С без каких-либо дополнительных мероприятий по ускорению твердения бетона, однако это очень медленно.
Таким образом, объективно необходимым и экономически обоснованным в настоящее время в технологии ускоренного бетонирования монолитных конструкций, особенно в зимний период, является применение различных методов прогрева бетона с последующим его выдерживанием до достижения нормативных значений прочности. Такая технология строительства с применением теплотехнологии при бетонировании монолитных конструкций является, в сущности, ресурсосберегающей, так как ценой дополнительных энергозатрат достигается возможность: -сократить сроки строительства в 5 - 10 раз; -эффективно использовать трудовые ресурсы и оборудование, в том числе капиталоёмкую опалубку;
-применять более дешёвые бездобавочные бетонные смеси;
-исключить вероятность замерзания бетона в раннем возрасте и гарантировать требуемое качество бетона и конструкций.
Экономически эффективные темпы строительства (бетонирование 1-3 этажей многоквартирного дома в месяц) обеспечиваются в зимний период, если сроки выдерживания бетона в опалубке до достижения прочности 40-70% проектного её значения составляют 2...5 сут. Такая скорость роста прочности бетона возможна при твердении его в условиях расширенного термоса, предполагающего догрев бетона до 30-40 °С с учётом существующей на объекте электрической и тепловой мощности (рис.1). Возможны и более интенсивные режимы прогрева и твердения бетона с достижением прочности 30-50% через 0,5-2 сут в зимний и летний периоды, но требующие строгого соблюдения мероприятий, исключающих появление температурных трещин (рис.2).
Такой метод теплового воздействия расширяет границы зимнего бетонирования конструкций от массивных до элементов с модулем поверхности до 12 м1 при температуре до -15 °С и ниже. Тепловая активация твердения бетона позволяет строительной базе мощностью 100 тыс. м2 в год работать при наличии 3-4 комплектов опалубки по 50-55 т с двухкратной ее оборачиваемостью в неделю [3].
Достижение экономически эффективных показателей обеспечивает правильная организация бетонирования, в частности зимнего, которая заранее прорабатывается в проекте (технологическом регламенте) производства работ (ППР) или в технологической карте.
На стадии ППР или технологического регламента определяются:
- участки (захватки) бетонирования;
- сроки выполнения технологических операций;
- методы и оборудование прогрева и тепловой защиты бетона монолитных конструкций;
- параметры режимов прогрева и выдерживания конструкций, обеспечивающие минимальные сроки достижения нормативной критической и распалубочной прочности бетона;
- условия, обеспечивающие трещиностойкость и требуемый рост прочности бетона на стадии выдерживания при высоких темпах строительства и динамичном росте нагрузки на конструкции согласно графику строительства;
- условия инженерно-технического сопровождения прогрева бетона конструкций;
- методика контроля температуры и прочности бетона.
Разбивка этажа на захватки осуществляется с целью:
- достижения непрерывности, равномерности и ритмичности работ при поточном методе строительства;
- достижения суточной, 2- или 3- суточной оборачиваемости опалубки;
- оптимального использования отпущенной объекту энергетической мощности с учётом бетоноёмкости захваток, которая, как правило, должна составлять по объёму 30.60 м3, а по площади - 150.200 м2 [3].
Критическая прочность, при которой остывание и замерзание конструкций считаются безопасными, нормируется в зависимости от марки бетона и составляет для бетона В 15-В25 конструкций с ненапрягаемой арматурой 40% R28, а для высокомарочных бетонов - 30% R28 [4].
Потери прочности бетона при твердении после оттаивания зависят от прочности перед замораживанием. При замораживании бетона с прочностью 50% от проектной марки потеря прочности при твердении после оттаивания составляет 5-10% , а при 70% - потери прочности не наблюдается. Однако следует знать, что допустимо однократное замораживание бетона в возрасте 6-12 ч, и при последующем разогреве в 28 - суточном возрасте наблюдается прирост прочности на 15-30% [2].
Распалубочная прочность нормируется в зависимости от вида конструкции и фактической нагрузки [4].
Движение и работа людей на забетонированных конструкциях, установка опалубки, лесов и оборудования для дальнейшего возведения конструкций допускается при прочности бетона не менее 15 кг/см2 [5].
Тепловые методы и параметры тепловых режимов (см. рис.1 и 2) должны обеспечивать оптимальный компромисс между технологически заданными сроками твердения бетона до нормативной прочности, технически доступными значениями мощности электрической или тепловой и капитальными и эксплуатационными затратами.
Расчёты и практика показывают, что экономичными и технически достижимыми сроками твердения бетона до заданной прочности в зимний период являются:
критическая прочность 1-2 сут;
распалубочная прочность 2-5 сут.
Режим твердения бетона с такими сроками для
конструкций с модулем поверхности от 8 до 15 м1 при базовой средней температуре воздуха -10 °С и начальной температуре бетона +10 °С требует дог- рева бетона до 30 °С в течение не более суток при мощности, в зависимости от метода прогрева, его КПД и тепловой защиты, 2-4 кВт/м3 с расходом энергии 40-80 кВт.ч/м3, 35-70 тыс. ккал/м3 или 5-10 л топлива на 1 м3. Эти базовые параметры периода разогрева бетона стен, колонн, плит перекрытий и других конструкций позволяют быстро определить мощность и количество источников тепловой энергии для захваток конкретного объёма.
Возможен и метод пассивного термоса при выдерживании конструкций с модулем поверхности до 5 м‘1 (например, фундаментные плиты толщиной 400 мм и более, колонны, стены толщиной более 400 мм). Такие конструкции при температуре воздуха не ниже 0 °С, в фанерной опалубке или утеплённые по краям и сверху теплоизоляционным материалом с термическим сопротивлением не менее 0,4 м2.°С/Вт, находятся практически при положительной температуре за счёт внутреннего тепловыделения. Как известно, обычный портландцемент с показателем активности Q=45 обеспечивает тепловыделение при 5 °С в течение первых двух суток от 40 до 50 ккал на 1 кг цемента.
Параметры пассивного термоса массивных конструкций должны быть также отражены в ППР или в технологическом регламенте, а именно: расчётный прирост температуры бетона за первые 1-2 сут, время остывания бетона, например до 0 °С с оценкой роста прочности за указанный период и рекомендации по утеплению конструкции и её периферийных зон.
Как правило, низкомодульные массивные конструкции в условиях пассивного термоса при температуре воздуха 0 °С без дополнительных энергозатрат достигают 40-50% марочной прочности за 3-6 сут в зависимости от вида цемента, его расхода, а также типа и качества теплоизоляции. C целью ускорения твердения бетона и тем более при температуре ниже 0 °С целесообразен периферийный электроподогрев бетона, который, накпадываясь на тепло внутренней экзотермии, выравнивает температурное поле в бетоне конструкции (колонны, плиты или стены).
В условиях расширенного термоса с подогревом бетона низкотемпературная кинетика его твердения при температуре от 20 до 40 °С в зимнее время является рациональной как по энергетическим показателям, так и с учётом требований соблюдения определённого температурного перепада между поверхностью бетона и воздухом при распалубке или снятии теплоизоляции. Величина этого температурного перепада, исключающая опасные термонапряжения в бетоне и возникновение трещин при прогреве конструкций в зимний и летний периоды, зависит от модуля поверхности и степени армирования конструкции [5].
Температура бетонной смеси на выходе из смесителя в зимнее время должна быть не выше 25-35 °С соответственно для цемента глинозёмистого и обычных портландцементов. Причём желательно в зимний период применять портландцементы алитовые, средне- и высокоалюминатные с показателем тепловыделения 55 ккал/кг (быстротвердеющий цемент) или 45 ккал/кг (цемент обычный) в течение 3 сут при температуре смеси 5 °С. Температура бетонной смеси, уложенной в опалубку, должна быть к началу прогрева или термосного выдерживания не ниже +5 °С.
Рассмотренные условия зимнего бетонирования по срокам твердения и качеству бетона соблюдаются при реализации, например, режимов расширенного термоса, рассчитанных на базовую температуру воздуха -10 °С (табл.1). Для нагрева бетона монолитных конструкций могут быть применены различные тепловые методы, наиболее известные из которых приведены в табл. 2. Каждый из методов имеет свои особенности по оборудованию, технологии применения и энергетическим характеристикам. Решающими факторами при выборе метода нагрева являются энергоёмкость, надёжность, капитальные и эксплуатационные затраты.
Практически удобным, надёжным и универсальным способом прогрева монолитного бетона является прогрев его греющим проводом. Применяются нагревательные провода марок ПНСВ-1,2(1,4), ПОСХВ, ПОСХП, ПВЖ, ППЖ, ПТПЖ-2х1,2, ПРСП и др.
Как показывает опыт, тепловой режим, основанный на использовании периферийного тепла греющего провода и тепла гидратации цемента, обеспечивает прогрев бетона достаточно равномерно по объёму конструкции. Поэтому температура и тепловые деформации в этом случае изменяются достаточно равномерно и не могут служить причиной появления температурных трещин в защитном слое. Причиной вероятного появления поверхностных трещин, скорее всего, может быть недостаточная прочность бетона на растяжение при быстром остывании большой поверхности распалубленного и не укрытого теплоизоляционным материалом бетона, если температура его поверхности, уменьшенная на величину температуры наружного воздуха, превышает нормативное значение.
Прогрев бетона греющим проводом, уложенным согласно шагу армирования , можно считать всепогодным при условии изменения времени цикла прогрева и распалубки в зависимости от температуры воздуха согласно технологическому регламенту. При необходимости выдерживания заданных заказчиком параметров режима ускоренного твердения бетона (см. рис.2) при различной температуре воздуха необходимо изменять схему укладки греющего провода и, соответственно, величину мощности согласно технологическому регламенту.
Электроразогрев бетонной смеси в строительных условиях может прийти на смену прогрева бетона электродного, греющим проводом и теплогенераторами. В настоящее время более 40% объёма зимнего бетонирования осуществляется с применением греющего провода и электродов и около 15% - с предварительным разогревом бетонной смеси для бетонирования монолитных железобетонных конструкций с модулем поверхности не более 10. В зимних условиях укладывается около 30% общего годового объёма монолитного бетона и железобетона. Доля монолитного бетона, укладываемого при отрицательной температуре воздуха, будет возрастать в связи с увеличением объёмов монолитного жилищного строительства и его перемещением в районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. По оценкам экспертов, к 2010 г. в зимних условиях будет укладываться около 40-45% годового объёма монолитного бетона [6].
Высокие темпы возведения зданий достигаются также применением высокоподвижных бетонных смесей (10-15 см), пластифицированных или с высоким водоцементным отношением, подаваемых бетононасосами [7]. При этом тем более актуальным является предварительный разогрев бетонной смеси или бетона в конструкции, особенно в зимний период. Разогретые смеси, сами по себе или в сочетании с термоактивным выдерживанием бетона, позволяют получить через сутки и даже раньше распалубоч- ную прочность. Технические решения установок для электроразогрева бетонной смеси в строительных условиях, использующие принцип ускоренного электродного прогрева бетонной смеси, которая при движении омывает стержневые электроды, включённые по схеме равномерного электрического и пространственного треугольника, приведены в [8].
Основным принципом ранней распалубки является определение минимально допустимой распалубочной прочности из условия ограничения деформативности. Например, распалубочная прочность конструкций с боковой опалубкой (стены, колонны) не должна быть ниже критической прочности.
Прочность бетона на ранней стадии его твердения должна контролироваться систематически:
- путём оценки прочности по статистическим изотермическим графикам или таблицам твердения бетона конкретной марки при непрерывном контроле температуры бетона;
- методом приведения времени твердения при конкретной температуре ко времени твердения бетона соответствующей марки в нормальных условиях с оценкой прочности по графику нормального твердения;
- с помощью аналитической компьютерной программы, аппроксимирующей статистическую кинетику твердения бетона различных марок, с использованием текущих измерений температуры бетона, времени твердения и прочности.
В основе систематической оценки текущей прочности бетона лежит непрерывный статистический метод, основанный, в частности, на пирометрическом контроле изменения температуры поверхности бетона или опалубки.
Методика измерения температуры бетона в конструкциях (колонны, стены, перекрытия), применяемая ЗАО НТЦ Этэка по данным пирометрического контроля температуры поверхности фанерной опалубки с пересчётом по формулам, учитывающим температуру воздуха, является достаточно точной и объективной, так как использует информацию о нагреве конструкции по нескольким точкам.
Инженерно-техническое сопровождение выдерживания бетона с прогревом в первые сутки твердения, выполняемое ЗАО НТЦ Этэка, предусматривает ведение следующей документации в программе Excel:
- лист пирометрического контроля температуры конструкции;
- табель результатов измерения и расчёта параметров режима твердения бетона в конструкции;
- температурный лист конструкции или её захватки;
- ведомость текущих значений температуры и прочности бетона в конструкциях.
По результатам непрерывного контроля параметров прогрева бетона определяются и даются в виде рекомендаций заказчику:
- время прекращения прогрева;
- время дальнейшей выдержки в опалубке или в утеплённых условиях;
- время распалубки и последующей выдержки в открытом или утеплённом состояниях.
Всё вышеизложенное - это краткая информация об ускоренных, ресурсосберегающих, всепогодных и главным образом зимних методах бетонирования конструкций, позволяющих устранить такой недостаток монолитного домостроения, как негативное влияние погодных условий и прежде всего отрицательной температуры воздуха на процессы бетонирования, твердения и выдерживания бетона.
Бетон и железобетон, 2007 №6