ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ЗИМНЕМ БЕТОНИРОВАНИИ

Целью данной статьи является показать современный уровень отечественных технологий зимнего бетонирования. Статья содержит обзор современных методов производства бетонных работ по строительству зданий и сооружений в зимнее время. Приведены особенности каждого метода, их преимущества и недостатки. Кроме того, рассмотрены плюсы и минусы применения технологии в целом, на основании сравнения энергоемкости и трудозатрат каждого метода. Приведено технико-экономическое сравнение видов зимнего бетонирования. Даны краткие рекомендации для курсового проектирования.

Особенности климата России, которые обуславливаются ее географическим положением, оказывают значительное влияние на проведение строительных работ в холодный период года. Продолжительность зимнего периода для климатических условий средней полосы России составляет около 5-6 месяцев [1].

Поэтому использование только короткого летнего сезона для строительства было бы неразумным и расточительным [2]. Обращаясь к истории, исследования различных способов обеспечения твердения конструкций в зимних условиях начали проводиться в СССР еще с 1930-40х годов [3]. Однако еще совсем недавно проведение бетонирования зимой рассматривалась как невозможная строительная операция, грозящая негативными последствиями.

Бетон это искусственный каменный строительный материал, который получают после формования и затвердевания специально подобранной уплотнённой смеси, состоящей из цементного вяжущего вещества, крупных и мелких заполнителей, а так же воды [3]. В результате химических реакций, происходящих между водой и цементом, образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей, образуя монолитный камень. Соответственно, крайне важно не допустить замерзания воды, находящейся внутри бетонной смеси, так как замерзание бетона в раннем возрасте влечет значительное снижение прочности вплоть до разрушения конструкции. Кроме того, для проведения монолитных работ требуется доставить бетонную смесь на объект, уложить в бортоснастку, затем осуществить обогрев и обеспечить набор прочности при положительной температуре до необходимой критической прочности.

Существенную роль в технологии зимнего монолитного бетона играют ряд факторов: характер бетонируемых конструкций, соотношение их геометрических размеров, принятая последовательность работ, климатические условия.

Наиболее распространенным решением пространственной несущей системы многоэтажного здания является монолитный или сборно-монолитный каркас. Сборно-монолитный каркас здания имеет плоские диски перекрытий, образованные традиционными многопустотными плитами и монолитными ригелями, скрытыми в их плоскостях. Колонны каркаса могут быть также монолитными. Распространенной, особенно в зарубежной практике, является система с поперечными несущими стенами и перекрытиями из монолитного бетона, образующими сотовый каркас, а также системы с ядрами (стволами) жесткости в центре здания, в которых расположены лифтовые шахты [4].

Применение монолитного бетона в возведении гражданских зданий и сооружений является одним из важнейших направлений развития современного строительства. Создание подобных объектов приводит к необходимости формирования новых, более эффективных архитектурно-строительных       систем и технологий их реализации. За последние 10-15 лет в методах возведения зданий с монолитным железобетоном произошли революционные изменения не только в технологиях производства бетона, но и в способах укладки и утепления конструкций. Значительно увеличились темпы возведения таких зданий. И хотя существенным недостатком монолитного строительства всегда считались сложности в производстве работ при отрицательных температурах, то, благодаря проведенным исследованиям и накопленному за десятилетия производственному опыту, подобные «зимние» работы выполняются круглогодично [2].

Например, применение бетононасосов и автобетоносмесителей, индустриальных опалубочных форм и других передовых технологий значительно повысило темпы укладки бетонных смесей и сделало возможным сокращение риска замораживания бетона до начала тепловой обработки. В свою очередь, появление быстротвердеющих цементов и повышение их технических характеристик позволило оптимизировать применение как противоморозных добавок, так и режимов прогрева бетона. Кроме того, появились различные теплоизоляционные материалы, технологии предварительного электроразогрева бетонной смеси,  греющие провода, термоопалубки и т.д. [4].

Существует огромное количество различных методов зимнего бетонирования как в отечественной, так и зарубежной практике. Такое многообразие обуславливает необходимость их классификации. Ряд авторов выделяет две группы методов: электротермообработка и беспрогревные методы [5]. Одним из наиболее эффективных способов бетонирования конструкций зимой является предварительный электроразогрев смеси. Тем не менее этот способ технически сложно реализуем. Способы прогрева конструкций «греющий провод» и электродный прогрев, которые также часто используются в строительстве, имеют как свои преимущества, так и недостатки. При большом выборе вариантов термообработки бетона, применяемой для различных конструктивных систем и условий внешней среды, в настоящее время наиболее распространен комбинированный метод. Это укладка греющего провода в колонны и перекрытия, конвективный обогрев замкнутых объемов. Имеются разработки по термообработке бетона в щитовой опалубке, оборудованной греющей системой (термоопалубке) [6].

Одним из наиболее эффективных способов бетонирования конструкций зимой является предварительный электроразогрев смеси. Тем не менее этот способ технически сложно реализуем. Способы прогрева конструкций «греющий провод» и электродный прогрев, которые также часто используются в строительстве, имеют как свои преимущества, так и недостатки. При большом выборе вариантов термообработки бетона, применяемой для различных конструктивных систем и условий внешней среды, в настоящее время наиболее распространен комбинированный метод. Это укладка греющего провода в колонны и перекрытия, конвективный обогрев замкнутых объемов. Имеются разработки по термообработке бетона в щитовой опалубке, оборудованной греющей системой (термоопалубке) [6].

В зимний период приготовление бетона имеет свои особенности. Кроме обеспечения условий предотвращения трещинообразования, требуется обеспечить условие набора прочности. Это условие требует, чтобы бетонная смесь не замерзла до набора определенной прочности (40-50% от необходимой прочности), а для этого смесь должна иметь положительную температуру в течение всего этого периода. Температура бетонной смеси при его приготовлении зависит от температуры ее составляющих. Поскольку заполнители хранятся обычно на открытом воздухе (зимой будет иметь место промерзание), то есть требуется их подогрев. Величина подъема температуры определяется расчетом в зависимости от необходимой температуры на выходе из бетонного завода [7].

Выбор основных методов производства бетонных работ зимой зависит от множества различных факторов. Среди них основными являются назначение конструкции, массивность, способ укладки и температура окружающей среды, время на набор прочности. Однако, в условиях крайнего севера часто приходится учитывать и другие факторы (вид опалубки, наличие утеплителя, возможности применения химдобавок и т. д.).

При выборе метода нельзя пренебрегать и такими показателями, как трудозатраты, сроки производства работ, затраты на оборудование и материалы.

Для зимнего бетонирования используют специальные смеси высокого класса с химическими противоморозными и пластифицирующими добавками, утепляют свежеуложенный бетон различными способами: с применением генераторов горячего воздуха, тепловых труб с парами теплоносителя или электроэнергии [8].

Выбор того или иного метода зимнего бетонирования обусловливается рядом факторов:

1) «термос» – массивностью конструкции, низкой температурой воздуха, упрощенной технологией работ, а также наличием достаточного времени для набора прочности;

2) бетонирование с химдобавками – отсутствием энергии, достаточным временем для набора прочности, скоростью ветра, небольшой отрицательной температурой воздуха;

3) электропрогрев – геометрическими размерами, необходимостью интенсивного набора прочности.

Окончательный выбор метода производства бетонных работ в зимнее время должен быть подкреплен экономическими показателями [9].

Метод термоса получил широкое применение еще на стройках СССР в 1930-х годах при производстве бетонных изделий и конструкций. Наиболее экономически выгодной областью применения данного метода в соответствии с указаниями СНиП 3.03.01-87 являются массивные монолитные фундаменты, блоки, плиты, стены, колонны, рамные конструкции. А так же при использовании быстротвердеющих портландцементов и эффективных теплоизоляционных материалов (особенно при умеренных морозах).

Технология выдерживания бетона, применяя метод термоса, состоит в следующем. Нагретую до температуры 25...45°С с помощью электродов бетонную смесь, доставляют на площадку и укладывают в опалубку. Сразу после окончания бетонных работ все открытые поверхности конструкции укрывают слоем теплоизоляционного материала, так как при большей температуре подогрева бетонная смесь во время транспортирования быстро загустевает. Бетон, изолированный от холодного воздуха, твердеет за счет тепла, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении, а также тепла, выделяемого в процессе экзотермической реакции твердения цементного теста.

Способ термоса целесообразно применять при бетонировании массивных конструкций. Для большей эффективности способа желательно использовать высокопрочные и быстро-твердеющие цементы, химические добавки и другие технологические мероприятия по ускорению твердения бетона.

Суть методов искусственного прогрева заключается в том, чтобы повысить температуру уложенного бетона до максимума с последующим поддержанием ее в течение некоторого времени. За это время уложенный бетон набирает критическую или расчетную прочность. Искусственный прогрев представляет собой группу методов, каждый из которых основан на использовании электрической энергии от некоторого источника, и переводе этой энергии в тепловую. За счет пропускания электрического тока через бетон или при подводу тепла к бетону с помощью различных нагревательных устройств, происходит повышение температуры. Разнообразие методов искусственного прогрева позволяет в каждом конкретном случае (в зависимости от массивности конструкции, условий окружающей среды, назначения конструкции и т. д.) выбирать наиболее эффективный.

Методы искусственного прогрева бетонных и железобетонных конструкций можно классифицировать следующим образом:

1) электродный прогрев;

2) обогрев различными электронагревательными устройствами;

3) нагрев в электромагнитном поле;

4) инфракрасный обогрев.

Применение искусственного прогрева помогает добиться заданных физико-механических свойств бетонов, существенно не отличающихся от свойств бетонов, твердеющих в нормальных условиях.

Одновременно он требует от инженерно-технических работников знаний электрофизических и теплофизических процессов, протекающих в бетоне. Только в этом случае искусственный прогрев может быть эффективен и экономичен по сравнению с другими методами.

Производство работ с искусственным прогревом бетона должно вестись в соответствии с разработанным проектом, в котором содержатся: указания по выбору электрооборудования, схемы установки электродов (стержневых, полосовых, пластинчатых, струнных, нашивных и т.д.), указания по установке электронагревательных элементов (инфракрасных и низкотемпературных), схемы подводки электропитания с подключением электродов или электронагревателей.