«Устройство бетонных и железобетонных монолитных конструкций» (С-2) (стр. 15 )

До 1970 г. критической прочностью считалась прочность не менее 50% от марочной. СНиП III. В-1-70 дифференцировал критическую прочность бетона в зависимости от его марки. Прочность бетона к моменту его возможного замерзания должна составлять не менее 50% проектной прочности при марке бетона до 150, 40% - для бетонов марок 200 и 300 и 30% - для бетона марок 400 и 500. Действующий сегодня СНиП 3.03.01-87 фактически продублировал эти допуски: прочность бетона монолитных конструкций к моменту замерзания должна быть не менее 50% проектной прочности для класса В7.5 - В10, 40% - для класса В12.5 – В25 и 30% - для класса В30 и выше. Для конструкций, эксплуатирующихся внутри зданий, а также фундаментов под оборудование и подземных конструкций критическая прочность составляет 5 МПа.

§2. Общие принципы зимнего бетонирования

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующие основные выводы, касающиеся температурных условий твердения бетона:

1. Вода в твердеющем бетоне не должна замерзать. Для твердения бетона необходимо наличие воды в жидком, химически активном состоянии. Замерзание воды в бетоне, переход ее в кристаллическое, химически неактивное состояние – в лед, прекращает процессы твердения.

2. Скорость набора бетоном прочности зависит от температуры. Чем выше температура твердения, тем в более короткие сроки набирает бетон требуемую прочность. В таблицах 1 и 2 показан характер нарастания прочности бетона R ( в %% от марочной прочности)марок М200 и М300 в разные сроки при разных средних температурах твердения T.

Таблица 1

Рост относительной прочности бетона в зависимости от сроков и температуры твердения

T, ◦С	Прочность бетона R (в % от ) в зависимости от сроков твердения, суток
2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
50	74	93
40	58	80	95
30	59	71	83	90	95	98	100
20	40	59	68	75	80	85	87	91	94	95	96	97	98	100
10	30	45	55	62	68	72	75	78	80	82	84	85	88	89
5	23	38	47	55	60	64	68	71	73	75	78	79	80	81

Таблица 2

Т, ◦С	Прочность бетона R (в % от ) в зависимости от сроков твердения, часов
8	16	24	32	40	48	56	64
80	58	75	83	92	100
70	49	68	77	81	91	96	100
60	31	49	62	70	78	84	90	95
50	26	32	58	65	69	74	79	84

Это два основных постулата, опираясь на которые разрабатываются методы зимнего бетонирования. Первый, естественно, является в буквальном смысле ключевым, т. к. он определяет, может идти процесс твердения или нет: вода в жидком состоянии – возможности гидратации открыты, вода замерзла – возможности гидратации закрыты, вода оттаяла – возможности гидратации восстановились. Второй постулат носит уже вторичный технологический характер, т. к. только при наличии жидкой фазы определяет скорость химических реакций, интенсивность, продолжительность и сроки набора бетоном требуемой прочности.

В формулировке первого постулата ничего не говорится о температуре бетона или воды; постулируется условие – в наличии должна быть вода в жидком, химически активном состоянии. Если бетон и, соответственно, вода в бетоне имеют температуру, например, -15°C, но вода каким-то образом удерживается в жидком состоянии, процесс гидратации идет. От температуры, теперь уже в соответствии со вторым постулатом, зависит интенсивность этого процесса. На этом принципе построено применение так называемых «холодных бетонов», или бетонов с противоморозными добавками. Если в процессе приготовления бетонной смеси жидкая фаза вводится в виде концентрированного раствора в воде какого-либо вещества, имеющего температуру замерзания ниже 0°C, то в пределах эвтектической температуры этого вещества раствор находится в жидком состоянии (естественно, и в зависимости от концентрации), и гидратационные процессы имеют возможность развиваться.

Эвтектическая температура (т. е. температура, по достижении которой вода начинает выкристаллизовываться в т. н. «пресный лед») широко известных в строительстве противоморозных добавок меняется в довольно широких пределах: нитрит натрия – минус 19,6°C, поташ – минус 36,5°C, хлорид кальция – минус 55°C.

Бетон с добавкой нитрита натрия при температуре -15°C на седьмые сутки набирает 15%, на четырнадцатые – 25%, в месячном возрасте – 35% и в трехмесячном – 60% от проектной прочности. Бетон с добавкой поташа и в те же сроки набирает соответственно 25, 40, 65 и 80% [99].

Применение этих и подобных добавок позволяет производить бетонные работы при температурах до минус 25°C и, кроме того, без подогрева составляющих материалов и последующего обогрева уложенного бетона.

Бетонирование с применением противоморозных добавок – один из двух беспрогревных методов зимнего бетонирования, основанный на сохранении жидкой фазы в химически активном состоянии, даже когда температура бетона и самой жидкой фазы имеют ту или иную отрицательную величину.

Другой беспрогревный метод зимнего бетонирования – бетонирование способом «термос». В основе этого метода лежит использование того тепла, которое было внесено в бетон при его изготовлении (оттаивание, отогрев и нагрев заполнителей, нагрев воды), и экзотермического тепла, выделяющегося в ходе реакций гидратации цемента – с одной стороны, и с другой стороны, некоторая изоляция бетонируемой конструкции от воздействия отрицательной температуры внешней среды путем оснащения опалубки специальной тепловой защитой – т. е. создание условий своеобразного «термоса». При этом теплоизоляция рассчитывается таким образом, чтобы за время остывания бетона до заданной температуры бетон успел набрать расчетную прочность (это может быть критическая прочность, может быть относительная прочность в процентах от проектной), достаточную для того, чтобы противостоять всем негативным последствиям замерзания или для непосредственной работы в определенных условиях нагружения.

Частным случаем «термоса» является так называемый «горячий термос», когда бетонная смесь на бетоносмесительном узле или непосредственно на строительной площадке разогревается до температуры 50-80°C и с температурой такого порядка (с учетом неизбежных теплопотерь) укладывается в утепленную опалубку. Естественно, что при «горячем термосе» и при прочих равных условиях, бетон за время своего остывания успевает набрать намного более высокую прочность.

С некоторой долей условности к беспрогревным можно отнести еще один метод – бетонирование в тепляках. Если бетонирование с противоморозными добавками не предполагает вообще никакого разграничения (кроме опалубки) между бетоном и внешней средой, а бетонирование способом «термос» основано на разграничении тепловой изоляцией бетона и внешней среды, то бетонирование в тепляках основано на отграничении некоего замкнутого объема (может быть, и очень большого) внешней среды от «остальной» внешней среды и создании в этом замкнутом объеме искусственных температурных условий. При этом, в зависимости от того, какая искусственная среда создана и какие производственные (технологические) задачи ставятся, бетонирование в тепляках может вестись с применением и других методов зимнего бетонирования: противоморозных добавок, «термоса» и различных методов прогрева.

Рассмотренные три метода зимнего бетонирования: бетонирование с применением противоморозных добавок, бетонирование способом «термос» и бетонирование в тепляках при всех своих отличиях имеют одно общее: ни один из этих методов не ставит задачу форсированного набора бетоном прочности. Все эти три метода фактически работали вокруг первого постулата – не дать жидкой фазе замерзнуть и обеспечить возможность набора, пусть медленного, но все же набора бетоном прочности. Условия сегодняшнего производства зачастую диктуют высокие темпы производства работ, ускорение оборачиваемости дорогостоящего опалубочного парка, обеспечение возможности передачи на забетонированные конструкции последующих нагрузок (технологических и конструкционных), сокращения сроков строительства и т. п. При этом возникает задача создания таких условий твердения бетона, когда в минимальные (технически обоснованные) сроки бетон приобретет требуемую (а это может быть от 70 до 100% от проектной) прочность, т. е. воспользоваться возможностями второго постулата и перейти в методам ускорения твердения бетона, основанными на его термообработке.

Группа методов зимнего бетонирования, использующая температурный фактор, по терминологии является группой методов «активной» термообработки, т. к. тепловое воздействие осуществляется в течение всего режима выдерживания: в период подъема температуры, в период изотермического прогрева и, возможно, в период регулируемого остывания. В зависимости от того, каким технологическим путем достигается передача (введение) тепла бетону, различают электропрогрев, инфракрасный обогрев, индукционный нагрев, конвективный (различными источниками) обогрев, выдерживание в термоактивных (греющих) опалубках, прогрев внутренними источниками (греющие провода).

Каждый из этих методов позволяет производить интенсивный подъем температуры бетона (с той или иной степенью равномерности температурного поля по сечению конструкций), поддержание ее на изотерме, и при необходимости влиять на скорость и продолжительность остывания. Как видно из таблиц 1 и 2, при прогреве в течение суток может быть достигнута прочность 70-80% от проектной.

§ 3. Метод термоса

Как указывалось выше, возможны два варианта термоса: традиционный и, так называемый, «горячий» термос.

При традиционном термосе бетонная смесь готовится на бетоносмесительном узле на горячей воде и отогретых и разогретых заполнителях. Температура бетонной смеси на выходе может составлять 30-40°C. Имеющая такую температуру смесь транспортируется различными транспортными средствами на строительную площадку, перегружается в бункера (бадьи) или непосредственно в приемные бункера бетоноукладочных машин и укладывается в опалубку или блок бетонирования. В процессе транспортных операций в зависимости от их продолжительности и температуры окружающей среды (а также условий обветривания) бетонная смесь теряет некоторое количество тепла. Дополнительные потери происходят в результате затрат тепла на отогрев опалубки и арматуры. Суммарные потери тепла могут достигать значительной величины и их необходимо минимизировать. Но какие-то потери оказываются неизбежными. В результате бетон, уже пришедший в тепловое равновесие с опалубкой и арматурой, может иметь к началу режима остывания температуру на 5-15°C меньшую, чем на выходе из бетоносмесителя, – и равную Tн. С этого момента тепловое состояние бетона оказывается под воздействием двух факторов: положительного – экзотермии цемента, и отрицательного – потерь тепла через ограждение опалубки, неизбежных, если теплозащита не абсолютна, а температура окружающей среды ниже температуры бетона.

Экзотермия цемента является природным энергетическим потенциалом твердеющего бетона, что связано с термохимическими свойствами цемента, проявляющимися в процессе гидратации минералов цементного клинкера.

Величина теплоты гидратации зависит от многих факторов – минералогического состава цемента, тонкости его помола, количества и вида добавок, водоцементного отношения, – и определяется, как правило, экспериментально. Большое влияние на характер тепловыделения цемента оказывает температурный фактор – с повышением температуры увеличивается интенсивность выделения тепла в бетоне и сокращается время наступления его максимума. Следовательно, для развития процесса тепловыделения необходим тепловой импульс, которым и является начальная температура бетонной смеси – с повышением ее интенсивно развиваются процессы гидратации. В табл. 3 приведены величины тепловыделения цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры и продолжительности твердения.

Качество тепловой защиты определяет скорость остывания бетона, а в зависимости от разности температуры бетона и окружающей среды и продолжительность остывания. Чем меньше теплопотери, тем более продолжительно остывание и тем большую прочность успевает набрать бетон до момента своего замерзания.

 

Рис.1 К расчету средней температуры и продолжительности остывания бетона при

термосном выдерживании

Целесообразность применения термосного выдерживания бетона определяется массивностью конструкции, выражающейся через модуль поверхности , активностью и тепловыделением цемента, начальной температурой уже уложенного бетона и температурой наружного воздуха Тнв, скоростью ветра и возможностью получения заданной прочности в установленные сроки. Сочетание этих факторов определяет область применения метода, за пределами которой невозможно обеспечить заданную проектом прочность бетона к моменту его распалубки или замерзания, и тогда следует комбинировать термос с другими методами либо полностью переходить на методы ускорения твердения бетона.

При расчете термосного выдерживания обычно в зависимости от технологической обстановки решают одну из двух задач: определение продолжительности охлаждения бетона и величины набранной им за это время прочности при заданном термическом сопротивлении теплоограждающих конструкций (рис.1) или определение величины термического сопротивления теплоограждающей конструкции, требуемой для достижения бетоном заданной прочности в установленные проектом или нормами сроки.

Продолжительность остывания бетона ,час от начальной температуры Тн для конструкций с модулем поверхности до конечной температуры Тк обычно определяют по формуле :

Тепловыделение цементов (Э) различных видов и марок в зависимости от температуры твердения и времени твердения	Таблица 3
Вид и марка цемента	Температура, °C	Тепловыделение цементов, кДж/кг, при времени их твердения, сут
0,25	0,5	1	2	3	7	14	28
Портланд-цемент 300	5 10 20 40 60	− 8 25 50 83	− 25 42 84 147	25 42 75 147 188	58 84 126 188 230	84 126 167 230 272	167 188 230 251 298	209 230 251 293 −	230 272 293 − −
Портланд-цемент 400	5 10 20 40 60	− 12 42 84 130	− 25 67 134 188	29 50 105 188 230	63 105 167 230 272	109 146 209 272 314	188 209 272 314 335	209 251 314 335 −	251 293 335 − −
Портланд-цемент 500, 600	5 10 20 40 60	12 25 42 105 188	25 42 84 167 230	42 63 125 209 272	89 105 188 272 314	125 167 251 293 356	188 251 292 356 377	230 293 335 377 −	272 314 377 − −
Портланд-цемент быстротвердеющий 600	5 10 20 40 60	25 33 63 117 209	33 50 105 188 251	50 75 147 230 293	105 125 209 293 335	147 167 293 335 377	209 372 335 377 419	251 335 377 419 −	314 377 419 − −
Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент 300	5 10 20 40 60	− − − 42 63	12 25 33 75 105	25 33 62 117 147	42 63 125 167 209	63 105 147 209 230	126 167 209 251 272	167 209 251 272 −	188 230 272 − −

, час, (3.1)