Для твердения бетонов необходимо наличие в нем жидкой фазы воды. Ее превращение в лед не только тормозит процессы гидролиза и гидратации цемента, но и вызывает деструкцию цементного камня. Ученые в течение ряда лет изучают условия, при которых не нарушается сплошность бетона в процессе твердения при отрицательных температурах, а также сохраняется в твердеющем бетоне вода в жидком состоянии. На громадной территории нашей страны преобладают суровые климатические условия, поэтому разработка способов круглогодичного производства работы имеет большое значение.
Зимнее бетонирование, разработанное и широко внедренное в нашей стране, нашло широкое признание во многих странах мира.
Все способы бетонирования при отрицательных температурах можно разделить на две группы; 1) производство работ без утепления бетона, допускающее частичное замерзание воды — холодный способ; 2) производство работ с утеплением бетона, не допускающее замерзания воды. Каждый из приемов имеет некоторые недостатки.
Производство работ без утепления бетона, допускающее частичное замерзание воды, привлекает своей простотой. При этом способе обеспечивают такое состояние воды, при котором она не превращается в лед при отрицательных температурах. Известно, что в зависимости от химического состава вода переходит в твердо-фазовое состояние при разных отрицательных температурах. Выбрав недефицитные химические добавки, легко растворяющиеся в воде, снижающие в нужных диапазонах температуру замерзания таких водных растворов и не вызывающие отрицательного действия на процессы гидролиза и гидратации цемента, можно производить бетонные работы. Для этой цели были предложены две химические добавки: СаС12 и NaCl, а в последние годы и др.
Количество добавок электролитов, указанных в таблицах, легко контролируется по плотности соответствующих растворов. Это позволяет указанные в инструкциях и монографиях, их количества в 1 кг или 1 л раствора также дозировать с требуемой точностью, приготавливая воду затворения с необходимой эвтектикой для конкретных условий бетонирования.
Опыт работ с химическими добавками показывает, что хлористые соли без ингибиторов имеют ограниченное применение. Положительные результаты применения холодного бетонирования получены только в пределах температур примерно до —20° С. Имеются неудачные случаи применения этого способа при изготовлении железобетонных конструкций. Надо заметить, что в инструкциях рассматривается дозирование; хлористых солей без учета состава бетона.
Следовательно, при применении высокопрочных бетонов с большим расходом цемента один и тот же процент хлористых солей создает различную степень агрессивного воздействия на арматуру. В последнее время получены (в МАДИ и ВНИИСтройнефти) добавки ННК (нитрит, нитрат кальция) и ННХК (нитрит, нитрат кальция и хлористый кальций), которые устраняют коррозию арматуры, вызываемую хлорид-ионами. Эти добавки в обычных условиях и при пропаривании ускоряют твердение бетона, повышают его сцепление с арматурой.
Сказанное о столь эффективном влиянии нитрита и нитрата кальция на свойства бетона объясняется тем, что эти электролиты значительный период времени находятся в воде, размещенной в порах, не связываясь с гидратируемыми минералами цемента. Этим самым повышается ионная сила воды, еще не вошедшей в гидратные соединения, ускоряется процесс гидратации (например, прочность бетона с указанными добавками уже через 2—4 ч после приготовления в несколько раз выше прочности бетона такого же состава без добавок).
Оптимальное количество добавки ННК для ускорения твердения -3% от массы цемента; (количество добавки несколько варьируется для разных цементов).
В отличие от ранее приведенных добавок (кроме NaCl), вступающих в химическую связь с рядом клинкерных фаз, добавка нитрита натрия не реагирует с минералами цемента, а только изменяет (cостав и свойства воды затворения (жидкой фазы), находящейся в Сетоне. Эта добавка меняет температуру замерзания воды (а также растворимость минералов, повышая ионную силу раствора и ряд других его свойств) и рекомендуется для работ при относительно высоких температурах (от 0 до —10° С).
В зависимости от условий производства работ и других условий, связанных с регулированием технических свойств бетона (например, морозостойкости, коррозионной стойкости), ее дозировка колеблется от 2 до 5% от массы цемента. Даже не зная результатов исследований технических свойств бетонов на перечисленных добавках, можно выявить целесообразные пределы использования их для разных температур.
Состав добавки НКМ для каждого температурного интервала различен: для температуры от 0 до —5° С — по одной части нитрата кальция и мочевины (4% +4%); от —6 до —10° С—по одной части нитрата кальция йодной мочевины (8% +8%); от—11 до -15° С — три части нитрата кальция и одна часть мочевины (15% + + 5%); от —16 до —20° С—три части нитрата кальция и одна часть мочевины (18,75%+ 6,25%). Из сравнения содержания добавки НКМ в холодном бетоне при температуре воздуха —20° С и хлористой соли видно, что дозировки одинаково велики, что усложняет их широкое использование при особо низких температурах воздуха. Однако указанные серии добавок на базе ННК позволяют менять их количество не только с учетом температурного фактора, но и требуемых сроков получения заданной прочности. Следовательно, количество добавки НКМ можно значительно уменьшить, если сроки нарастания прочности допустимо удлинять.
Добавки типа НКМ, ННК, ННХК не устраняют частичного образования льда в бетоне, однако его кристаллический облик иной, чем льда, образующегося без этих добавок или при наличии хлористых солей. Такой лед не вызывает деструктивных процессов в бетоне. B отличие от хлористых солей, где важно полное соответствие их дозы температуре воздуха, любое возможное изменение температуры воздуха, наступившее после окончания бетонирования при использовании добавок на основе ННК, скажется только на кинетике упрочнения бетона без его деструкции.
В дорожном и аэродромном строительстве эти добавки позволяют получать в соответствии с результатами широко проведенных испытаний частично замороженные бетоны с необходимой прочностью без деструкции при оттаивании. Такие бетоны при замораживании будут постепенно упрочняться до проектной величины.
Производство работ с утеплением бетона осуществляется способами, выбор которых связан с условиями производства работ и геометрическими размерами бетонируемой конструкции. Любой способ связан с приготовлением бетонной смеси на горячей воде и нагретых заполнителях. Подогрев заполнителей необходим в двух случаях: для устранения попадания в бетон снега (льда) и для получения бетонной смеси с заданной температурой. Приготовление бетона осуществляется рядом технологических переделов вне отапливаемых помещений. При низких температурах воздуха и значительном времени перевозки смеси до места ее укладки вода в смеси может замерзнуть.
Для температуры воздуха —30° С расчет по формуле дает смесь с расчетной температурой 40° С при нагревании воды до 70° С, песка до 30° С и гравия (щебня) до 35° С. При транспортировании на неутепленных транспортерах в закрытой галерее на расстоянии до 500 м такая смесь теряла примерно 20° С к моменту окончания укладки в блоках, закрытых шатрами с обогревом пространства. Каждый расчет температуры бетонной смеси должен быть уточнен опытным путем.
Для определения охлаждения бетона проф. В. С. Лукьянов предложил формулу, которая дает точные значения параметров охлаждения бетона в массивных сооружениях (например, опорах мостов, Отдельных блоков гидротехнических сооружений).
Ориентировочно определить сроки охлаждения конструкции можно по более простой формуле проф. Б. Г. Скрамтаева, в которой время остывания бетона в конструкции до 0° С связано с исходной температурой уложенного бетона, содержанием цемента Ц в I м3 бетона; экзотермическим эффектом 3 цемента от твердения; поверхностью F охлаждения бетона конструкций, объемом V бетона конструкции, м3; средней наружной температурой tK воздуха за время твердения бетона, средней температурой бетона за время остывания.
Для теплозащиты широко используют пергамин, толь, войлок, шевелин, шлаковой лок, фанеру, опилки, шлак, камышит, соломит и др. Расчетные температуры воздуха надо брать из СНиП П-А.6—62.
Значения термического сопротивления различных теплоизоляции также имеются в справочниках.
Как видно из формулы, при бетонировании в зимнее время необходимо учитывать климатические условия, вид бетонируемого объекта, наличие теплоизолирующих материалов, видомарку цемента, наметить ряд вариантов производства работ, выполнить расчеты и запроектировать их осуществление. При этом назначаются различные сроки получения марочной прочности бетона. Например, бетон массивных сооружений (шлюзов, плотин, гидростанций и ряда других объектов строительства) с длительным периодом производства работ проектируется с марочной прочностью на срок не менее 180 сут.
К производству бетонных работ в зимнее время предъявляют дна основных требования: 1) не обязательно получение заданной прочности бетона в относительно короткие сроки твердения (аналогичные срокам твердения в условиях положительных температур), Но необходимо образование цементного камня такой структуры, пpи которой замерзание бетона не вызывает его деструкции; этот срок твердения бетона назван критическим; 2) получение бетона заданной прочности в любой срок после уплотнения; срок твердения связан с сохранением в бетоне положительных температур, при которых процессы гидролиза и гидратации цемента обеспечивают необходимую кинетику структурообразования цементного камня. Понятие критических сроков твердения или критической прочности по мере углубления исследований процессов твердения систематически уточняется. Условно назначенная цифра такой прочности в 50% нуждается в проверке, так как кинетика твердения у разных видов и марок цемента неодинакова и указанный показатель не вскрывает особенностей связывания воды в цементном камне.
Это положение подтверждается повторным вибрированием (встряхивание) системы цементное тесто — вода после ее оттаивания. Образцы, в которых при встряхивании произошло повторное тиксотропное разжижение, приобретают такую же прочность, что и образцы нормального твердения, так как этим ликвидируется раздвижка флокул из зерен гидратирующего цемента, которая была вызвана образованием льда. Если вслед за оттаиванием производить повторное вибрирование бетона указанным способом, можно добиться восстановления первоначальной плотности бетона, полученной при укладке.
Немедленное замораживание бетона вслед за уплотнением дает различный эффект по его деструкции при разных температурах. В указанном случае деструкция не достигла возможной наибольшей величины, так как намораживание бетона производилось непродолжительное время при относительно невысоких отрицательных температурах воздуха. Меньшая потеря прочности замороженного бетона с пластификатором с. с. б. объясняется меньшим количеством воды в таких бетонах. Сказанное также подтверждается и прямыми опытами по испытанию замороженных бетонов до их оттаивания.
Опыты показывают, что с понижением температуры замораживания прочность образцов, испытанных при наличии в них льда, увеличивается тем больше, чем больше воды перешло в твердую фазу. При этом бетон, который до замораживания твердеет длительный срок, имеет большую суммарную прочность. Из этого видно, что вода в бетоне имеет различный вид и на его деструкцию влияет только та часть воды затворения, которая замерзает при вполне определенных условиях.
Рассмотрим приемы утепления бетонной смеси, приготовленной на подогретых материалах. Поскольку нагрев воды, имеющей из всех компонентов бетона наибольшую теплоемкость, является самым простым способом, воду следует нагревать до максимальной температуры (близкой к кипению). При затворении смеси на горячей воде происходит быстрое загустевание цементного теста, которое по мере остывания постепенно возвращается к нормальному состоянию. Смесь снова приобретает проектную пластичность-жесткость без последующего практически выявляемого изменения качества бетона.
Определив условия подогрева материалов, выявляют условия, обеспечивающие твердение бетона при отрицательных температурах воздуха. Для сохранения воды в твердеющем бетоне его обогревают паром, электроэнергией и инфракрасными лучами. Любой способ требует конструкции опалубки, которая бы сохраняла тепло предварительно подогретого материала и экзотермическое тепло, выделяющееся в результате процесса гидролиза и гидратации цемента. Для этого устраивают двойную опалубку из досок с полостью внутри ее. Внутренние поверхности досок обшивают каким-либо листовым материалом (например, пергамином), заполняя полость, например опилками.
При модуле поверхности конструкций (соотношении внешних поверхностей конструкции к их объему) M = F/V<5 для определенного минимального значения отрицательных температур воздуха удается без подогрева сохранять тепло в бетоне с применением утепленной опалубки указанными способами. Такой способ работ назван термосным. При производстве бетонных работ в зимнее время возможны сочетания различных способов. Например, при достаточно низких температурах воздуха (от —40 до —50° С) устроена массивная опора (неармированного бетона) под мостовой переход в Сибири с сочетанием приема холодного бетонирования и способа термоса. Для обеспечения твердения бетона при температуре от —20 до —25° С вводили хлористые соли. В указанном случае способ термоса позволяет повысить его температуру до указанного предела (при температуре внешней среды от —40 до —50° С).
При указанных температурах нельзя предупредить замерзания воды только с хлористыми солями. Применение пара целесообразно только с поверхности конструкций — периферийный обогрев. Это достигается, например, путем включения труб, по которым подводится пар, в свободное пространство между плоскостями двух опалубок. Возможны другие приемы подведения пара. В частности, в бетонируемый объект закладывают трубы, по которым при твердении бетона циркулирует пар. Обогрев бетона открытым паром создает трудности, так как пар, конденсируясь, образует наледь, которую приходится систематически снимать. Применение электроэнергии при наличии резервных мощностей проще и дешевле пара. На протяжении ряда лет разработаны технические приемы осуществления этого способа. В этом случае промышленный ток можно, подводить: 1) к поверхности забетонированного объекта; 2) внутрь забетонированного объекта, подключая ток к специально оставляемым в нем электродам или к арматуре; 3) к электродам, вставляемым внутрь между поверхностями «теплой» опалубки в слой плотно утрамбованных опилок, смоченных раствором поваренной соли (метод электротермоактивной опалубки).
Надо отметить, что по сравнению с пропариванием электропрогрев наиболее эффективен при изготовлении легких бетонов на пористых каменных материалах (керамзите, пемзе, шлаке, перлите и др.). Электропрогрев по сравнению с пропариванием при наличии свободных мощностей позволяет просто и быстро проводить зимнее бетонирование, исключает коррозию металла при многократной оборачиваемости инвентаря, используемого при пропаривании бетона (металлической опалубки, разнообразных креплений, труб, подмостей и др.). Однако электрообогрев имеет и недостатки. К наиболее существенным надо отнести опасность работ с промышленным током напряжением 220/380 В при использовании электротермоактивной опалубки. Для того чтобы исключить несчастные случаи при кратковременных включениях тока, с мест территории, к которым подведена электроэнергия, выводится работающий персонал. В этом методе особое внимание надо обращать на изоляцию опилок от поверхности бетона и электродов из арматурной стали от деревянной опалубки. Контакт бетона с нагреваемыми опилками приводит к созданию опасности для работающих вследствие появления напряжения в сооружении и к громадным потерям энергии, так как ток проходит через бетон сооружения. Опилки хвойных пород для придания электропроводности всегда должны быть смочены раствором поваренной соли соответствующей концентрации (например, при напряжении в 220 В концентрация раствора составляет 58 г хлористого натрия на 1 л раствора; при напряжении 380 В 25 г ни 1 л). Опилки без комков укладывают в опалубку послойно, тщательно уплотняя для создания плотного контакта с электродами. В атом случае исключаются потери энергии, загорание опилок и опалубки.
Нагревать опилки допускается до температуры, не приводящей к их загоранию.
На строительстве канала им. Москвы применялись электроды из арматурной стали для термоактивпой опалубки. Этот способ эффективен, ускоряя твердение бетона и в осенне-весенне-летний периоды. Опыт показывает, что в зависимости от качества термоактивной опалубки, зимних погодных условий (температуры и ветра), сроков заданного нарастания прочности бетона, опалубку надо прогревать от 1 до 2—4 раз в сутки, каждый раз включая ток для подогрева опилок на срок меньше 1 ч. Отметим, что ток можно включать з случае, если опилки замерзли. Контакт электрода с проводом, подводящим ток, должен быть плотным и надежным. Перед каждым включением тока проверяют тщательность прилегания металлических электродов к опилкам и из влажность.
В случае неплотного контакта между поверхностью электродов и массой опилок и при их низкой влажности опилки необходимо поливать горячей водой и уплотнять, сняв напряжение на термоактивную опалубку. Для осуществления двух других приемов электрообогрева (способов 1 и 2) непосредственно на месте работ ток трансформируют до 37—50 В.
Обогрев бетона с помощью внешних поверхностных электродов (пластинчатых, полосовых, нашивных, электродных щитов) и внутренних (струнных и стержневых) успешно применяют для прогрева монолитного малоармираванного бетона (например, подпорных стен, фундаментов, в том числе бутобетонных полов, оснований крупногабаритных сборных опор под эстакады, балок и других крупногабаритных деталей). Струнные электроды, располагаемые параллельно оси бетонируемой конструкции (поэтому их также называют продольными электродами), имеют преимущество по сравнению со стержневыми электродами, находящимися перпендикуляр но оси, так как в последнем случае усложняется монтаж электродов и распалубка конструкций. В случае применения струнных электродов прогрев бетона протекает равномернее.
Надо учитывать расстановку электродов, которые изготавливают из арматурной стали диаметром от 6 до 16 мм. Расстояние между электродами зависит от Величины напряжения переменного тока, подаваемого для прогрева бетона, наибольшей мощности тока, подаваемого для обогрева, и диаметров электродов. Это расстояние может быть определено по номограммам.
Техническая сторона прогрева бетона должна быть заранее определена для каждой конструкции, изготавливаемой в зимних условиях. Важно не допустить замерзания воды в бетоне конструкций сложных очертаний, которые наиболее трудно обеспечить равномерным прогревом. В последним случае применяют различные типы электродов. При распределении электродов в бетонируемой конструкции необходимо обеспечить прогрев бетона до заданных температур и сохранение в твердеющем бетоне всей воды затворения. 3десь уместно напомнить, что местное повышение температур бетона создает условия для миграции и испарения влаги из бетона, что равноценно некачественному уходу за бетоном, например, в жаркий летний день. В частности, прогрев бетона с арматурой резко ухудшает ее сцепление с бетоном, что снижает свойства железобетонных конструкций. Поверхность электродов должна быть чистой (не покрыта краской, маслом, ржавчиной, грунтом, пылью и т. д.). Полосовые электроды можно изготавливать из отходов листового металла и, в частности, старой кровельной стали, которая должна быть очищена от краски. Естественно желание применять меньше электродов, но это связано с увеличением напряжения и, следовательно, с усложнением работ, так как необходимы специальные меры по охране труда, и такое их расположение, которые обеспечивало бы равномерный прогрев бетона и изоляцию электродов.
Сказанное о важности правильного выбора числа и типа электродов, их расположения надо рассматривать с учетом физической особенности двух типов материалов, резко различающихся по электропроводности. Так как ток преимущественно протекает по арматуре, то с этим фактом необходимо считаться, имея в виду, что в местах контакта электродов и арматуры возможен перегрев бетона, высыхание, что приведет к получению бетона с низкими техническими свойствами. Оказанное имеет особое значение для выбора бетона, в котором отсечка воды от цемента должна быть сведена к минимуму. В этом случае важно учитывать эффект от применения различных добавок минерального и органического вида. Вопрос о зимнем бетонировании с электропрогревом изложен в ряде специальных монографий. Несомненно, в ряде случаев этот метод найдет широкое применение и для ускорения твердения бетона, в том числе на заводах ЖБК.
Кроме перечисленных приемов производства бетонных работ в зимнее время надо отметить и бетонирование в тепляках. При этом пне бетонируемого объекта устраивают временное обрамляющее ого сооружение (из металлических конструкций с соответствующими условиями работы стеновыми панелями, например, из дерева или плотного брезента с утепляющими слоями), отапливаемое внутри. В последнее время предложено непосредственно перед укладкой дополнительно прогревать бетонную смесь при помощи групповых электродов, погружаемых в ее объем, или другим приемом.
Все способы прогрева бетонной смеси в зимнее время и для ускорения твердения должны быть технически состоятельны и экономически оправданы.