Бетонирование в зимних условиях
Твердение бетона без противоморозных добавок возможно только при положительной температуре. Ниже нуля градусов рост прочности практически прекращается. Замерзание в раннем возрасте приводит к понижению прочности после его оттаивания по сравнению с незамороженным бетоном, выдержанным в нормально-влажностных условиях. Это происходит в результате разрушения еще недостаточно прочных связей между цементным камнем и заполнителями. Причем, как это видно на рисунке 4.5, чем позже был заморожен бетон, тем прочность его выше. Бетон до замораживания должен приобрести минимальную прочность согласно требованиям, приведенным в таблице 4.15. Тогда при последующем оттаивании свойства бетона изменятся незначительно.
При бетонировании зимой следует учитывать, что стоимость транспортировки, укладки бетонной смеси и ухода возрастает в 1,5–2 раза.
Бетонирование конструкций при отрицательных температурах выполняется следующими способами: методом термоса, электротермообработкой, обогревом в тепляках, паропрогревом, с применением противоморозных добавок.
Метод термоса (безобогревного ухода за бетоном) рекомендуется применять при бетонировании массивных конструкций с МП<6. Положительная температура создается и поддерживается за счет тепловыделения цемента. Запас тепла сохраняется утеплением. Для сокращения сроков твердения применяют высокотермичные цементы, понижают в/ц, вводят ускорители твердения. Дополнительный запас тепла создают нагреванием воды до 90 °С, заполнителей до 40 °С, пароразогревом бетонной смеси в бетоносмесителях или электроразогревом в специальных бункерах до температуры 60–80 °С. При этом следует учитывать, что разогретая бетонная смесь быстро теряет удобоукладываемость. Метод термоса можно сочетать с применением противоморозных добавок.
Таблица 4.15 – Минимальная прочность бетона до замерзания
| Класс (марка) бетона | Минимальная прочность бетона | Время выдерживания бетона на портландцементе при 15–20 °С, сут. | Класс (марка) бетона | Минимальная прочность бетона | Время выдерживания бетона на портландцементе при 15–20 °С, сут. | ||
| от R28,% | МПа | от R28, % | МПа | ||||
| В7,5(М100 | 5-7 | В30(М400) | 1,5-2 | ||||
| В15(М200) | 3-5 | В40(М500) | 12,5 | 1-2 | |||
| В25(М300) | 2-2,5 |
Рисунок 4.5 – Влияние замораживания на прочность бетона (В/Ц = 0,6):
1 – бетон, не подвергавшийся замораживанию; 2– бетон, замороженный в возрасте 7 суток; 3 – то же в возрасте 3 суток; 4 – то же в возрасте 1 суток; 5 – то же в возрасте 6 часов
Для определения времени остывания бетона пользуются уравнениями теплового баланса Б.Г. Скрамтаева. Количество тепла, внесенного в бетон и выделенного в результате экзотермической реакции цемента при его остывании:
tMn (tbср – tн.в) a = (rс с tbн + ЦЭ) Rобщ ,
из которого можно определить продолжительность остывания бетона t, ч, которая в бетонах без противоморозных добавок принимается 0 °С.
где rс – средняя плотность бетона, кг/м3; c – удельная теплоемкость бетона, Дж/кг;
tб н – начальная температура бетона, °С; Ц – расход цемента, кг/м3 бетона; Э – тепловыделение 1 кг цемента за время t в часах, Дж; Mn – модуль поверхности; tб.ср – средняя температура бетона за время остывания, °С, для конструкций с Мп < 8 ориентировочно принимается tб.ср = tб.н/2, при Мп > 8 принимается tб.ср = tн.в /3; tн.в температура наружного воздуха, °С, Rобщ. – общее термическое сопротивление опалубки и теплоизоляционных слоев, м2 °C/Вт, определяется по формуле
где h1, h2,…, hn – толщина слоев опалубки и теплоизоляции, м; l1, l2, ln – тепловодность опалубки и теплоизоляции, Вт/(м °С); a – поправочный коэффициент продуваемости, зависящий от силы ветра.
Тепловыделение портландцемента марки 500 в возрасте 28 суток составляет 500 кДж/кг, марки 400 – 420 кДж/кг, марки 300 – 340 кДж/кг. Тепловыделение в другом возрасте принимается равным его относительной прочности. Например, для портландцемента марки 500 тепловыделение через 7 суток 0,6·500 = 300 кДж/кг. Тепловыделение шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента на 15–20 % меньше.
Одним из самых распространенных методов зимнего бетонирования является электротермообработка. При пропускании электрического тока через свежеуложенный бетон электрическая энергия превращается в тепловую. Источник электроэнергии подключают при помощи электродов, погруженных в бетон, через арматурные стержни, если они не связаны между собой, через электроды в виде стержней или полос, закрепленных возле опалубки. Электроподогрев осуществляется переменным током напряжением 50–110 В. Бетон нагревают до 70 °С.
Электрическая энергия может применяться для нагревания бетона в электромагнитном поле, электрообогрева с помощью инфракрасных излучателей, низкотемпературных нагревателей в виде греющихся матов, вмонтированных в опалубку нагревателей.
Бетонирование и выдерживание бетона в тепляках не отличается от летних условий. Над конструкцией устраиваются укрытия из брезента, фанеры, пневмонадувные пленочные конструкции. Положительная температура воздуха обеспечивается тепловыми печами или калориферами.
Паропрогрев выполняют паром низкого давления при температуре 70–80 °С, который подается в огражденное пространство с конструкцией. Этот способ рекомендуют для конструкций с Мп < 6.
Зимнее бетонирование может осуществляться при отрицательных температурах на холодных материалах. В бетонную смесь вводятся химические вещества, понижающие температуру замерзания воды. Это небольшое количество солей нитрита натрия NaNO2, хлорида кальция CaCl2 и хлорида натрия NaCl, поташа K2CO3, аммиачной воды NH4OH и др. Количество введенной соли зависит от ожидаемой средней температуры бетона и принимается по таблице 4.16, интенсивность твердения приведена в таблице 4.17.
Таблица 4.16 – Рекомендуемые количества противоморозных добавок
| Расчетная температура бетона, °С | Количество добавок, % от массы цемента | Концентрация аммиачной воды NH4OH, % | |||
| от | до | NaNO2 | CaCl2+NaCl, | K2CO3 | |
| –5 | 4–6 | 0+3–2+3 | 5–6 | ||
| –6 | –10 | 6–8 | 3,5+3,5–2,5+4 | 6–8 | 5–9 |
| –11 | –15 | 8–10 | 4,5+3–5+3,5 | 8–10 | 9–15 |
| –16 | –20 | – | 6+2,5–7+3 | 10–12 | 9–15 |
| –21 | –25 | – | – | 12–15 | 15–18 |
| –26 | –30 | – | – | – | 15–18 |
| –31 | –40 | – | – | – | 18–21 |
Бетонирование с противоморозными добавками – наиболее простой и экономичный способ. Однако он имеет ограничения. Хлористые соли могут вызвать коррозию арматурной стали, Образующиеся при твердении щелочи могут вступать во взаимодействие с активным кремнеземом некоторых заполнителей. Не рекомендуется применять бетоны с противоморозными добавками, подвергающимися динамическим воздействиям, при нагревании конструкций выше 60 °С, в агрессивных средах.
Таблица 4.17 – Нарастание прочности бетона с противоморозными добавками
На портландцементах
| Добавки | Расчетная температура твердения бетона | Прочность, % от R28 через сут. | ||||
| NaNO2 | –5 –10 –15 | – – – | ||||
| CaCl2+NaCl, | –5 –10 –15 –20 | – – – – | ||||
| K2CO3 | –5 –10 –15 –20 –25 | – – – – | ||||
| NH4OH | –10 –20 –35 | 25–30 15–20 10–15 | 50–60 40–50 25–30 | 90–100 70–80 | 100–120 115–125 90–110 |
Свойства бетонных смесей
Бетонные смеси являются незатвердевшими бетонами. Они бывают готовыми к употреблению и сухими. Сухие перед укладкой затворяются водой.
Составы бетонных смесей подбирают с учетом требований к смесям и затвердевшим бетонам. Их выражают в виде расхода материалов в килограммах на 1м3. Например: цемента – 271, воды – 168, крупного заполнителя щебня или гравия – 1332, мелкого заполнителя песка – 567 кг.
Твердые частицы бетонной смеси и воды связаны внутренними силами взаимодействия, где цементное тесто является основной структурообразующей составляющей.
Бетонная смесь занимает промежуточное положение между вязкой жидкостью и твердым телом. Она становится более подвижной при механических воздействиях, например при вибрировании, причем ведет, как тяжелая вязкая жидкость, и хорошо заполняет форму бетонируемого изделия. После прекращения вибрирования она вновь загустевает. Это свойство называется тиксотропией.
В результате физико-химических процессов между цементом и водой свойства бетонной смеси во времени изменяются. Связующая способность цементного теста увеличивается.
Качество бетонных смесей оценивается по связности, жизнеспособности, удобоукладываемости, прочности для изделий с немедленной распалубкой.
Связность бетонной смеси
.
Связностью называется способность бетонной смеси сохранять однородность и не расслаиваться при транспортировке, выгрузке и укладке. Она снижается с повышением расхода воды и уменьшением расхода цемента. Максимальное водосодержание цемента без отделения воды составляет 1,65 от нормальной густоты цементного теста, поэтому применение цементов с повышенной НГЦТ увеличивает связность, тонкомолотые добавки, заполнители с неровной поверхностью также повышают связность бетонной смеси.