Строительство зданий и сооружений в зимних и экстремальных условиях

По нормативным требованиям условия зимнего периода наступают при установлении среднесуточной температуры на­ружного воздуха ниже 5°С и при минимальной суточной тем­пературе ниже 0°С. Подобные климатические условия продол­жаются на территории России в среднем 6...7 месяцев в году. Зимний период в наибольшей степени оказывает влияние на возведение конструкций зданий и сооружений из монолитного бетона. Прекращение бетонных работ зимой привело бы к увеличению сроков строительства объектов, возрастанию на­кладных расходов и сроков оборачиваемости инвестиций.

К производству бетонных работ в зимний период предъяв­ляется ряд требований, основные из которых:

• выбор и технико-экономическое обоснование способа
зимнего бетонирования, разработка технологической карты
производства работ;

• необходимость подогрева бетонной смеси на стадии при­готовления до температуры не более 35°С;

• максимальное сохранение начальной тепловой энергии
бетонной смеси при ее доставке на объект и в период укладки
в конструкцию;

• удаление снега из заопалубленного пространства и нале­ди с арматурного каркаса;

• увеличение продолжительности уплотнения бетона на
25% при его укладке в конструкцию;

• обеспечение заданных температурно-влажностных усло­вий выдерживания бетона;

• достижение требуемой прочности бетона по морозостой­кости до его замораживания.

Основной проблемой является замерзание в бетоне в начальный период его структурообразования химически несвязанной воды затворения с по­следующим увеличением ее объема до 9% и сопутствующим разрушением связей в бетоне. При этом его конечная прочность на 15...20% ниже прочности бетона, выдержанного в нормальных условиях.

Замерзание воды в бетоне влияет и на другие процессы, снижающие его прочность. Так, ледяная пленка обволакивает арматуру и заполнитель в бетоне, препятствуя тем самым их необходимому сцеплению с цементным тестом и созданию плотной структуры бетона после оттаивания.

Основой формирования технологии зимнего бетонирования является обеспечение условий, при которых монолитные желе­зобетонные конструкции в короткие сроки с наименьшими затратами могли бы набрать критическую прочность по моро­зостойкости или требуемую для восприятия проектных нагру­зок с необходимым качеством.

Критическая прочность бетона, выраженная в процентах от R₂₈ есть прочность, при достижении которой бетон может быть заморожен без снижения его прочностных показателей при наступлении положительных температур.

Подготовка к производству работ начинается с анализа особенностей бетонирования и предполагаемых условий эксп­луатации монолитных конструкций. Основные факторы, влия­ющие на технологию бетонирования:

• модуль поверхности М_п, характеризующий массивность
конструкции и определяемый как отношение суммарной пло­щади наружных охлаждающихся поверхностей бетонируемой
конструкции к объему бетона этой конструкции;

• предварительный нагрев основания (промороженного
грунта, подстилающего слоя), на которое будет укладываться
бетонная смесь до температуры 4О...5О°С, и прогрев конструк­ции в глубину до 30 см;

• класс бетона, его начальная температура, степень арми­рования конструкции, тип и особенности опалубки, техниче­ские и химические средства воздействия на бетон в период
его выдерживания и т. д.

Технология бетонирования конструкций без искусственного обогрева

Возведение монолитных конструкций без искусственного обогрева является наиболее экономичным способом зимнего бетонирования. Экономическая эффективность при этом до­стигается за счет максимального использования внутренних источников тепловой энергии, полученной бетонной смесью при ее приготовлении путем применения, как правило, подо гретой (до 70°С) воды затворения, а также за счет энергии, выделяемой в твердеющем бетоне в процессе протекания ре­акции гидратации цемента с водой (экзотермия цемента).

Применение противоморозных добавок предотвращает за­мерзание жидкой фазы в бетоне в период его твердения при отрицательных температурах, продлевая период протекания ре­акции гидратации и набора бетоном прочности.

МЕТОД «ТЕРМОСА»

На использовании внутренних источников энергии основан самый распространенный метод выдерживания бетона — метод «термоса». Его сущность заключается в том, что за счет нача­льной энергии и последующей экзотермии цемента массивная теплоизолированная конструкция набирает требуемую проч­ность за расчетный период времени до замерзания.

Область применения метода «термоса» — бетонирование массивных монолитных конструкций (фундаменты, плиты, бло­ки, стены) с модулем поверхности М_п = 3...8 в любых теплоизо­лированных опалубках. Кроме того, целесообразно применять метод «термоса» в тех случаях, когда к бетону предъявляются повышенные требования по морозостойкости, водопроницае­мости и трещиностойкости, так как термосное выдерживание сопровождается минимальными напряжениями в бетоне от воз­действия температуры.

Целесообразность применения метода «термоса» устанавли­вается в результате технико-экономического расчета с учетом массивности конструкции, активности и тепловыделения це­мента, температуры уложенного бетона и наружного воздуха, скорости ветра, а также возможности получения заданной прочности бетона в установленный срок.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТИВОМОРОЗНЫХ ДОБАВОК

Сущность технологии зимнего бетонирования заключается в том, что растворы солей, введенные в бетонную смесь при ее приготовлении, в процессе выдерживания уложенного в конструкцию бетона, имеющего положительную начальную температуру, значительно продлевают состояние жидкой фазы, обеспечивая тем самым протекание реакции гидратации даже в условиях отрицательных температур. К числу используемых солей относятся нитрит натрия, нитритт кальция, поташ, хло­ристый натрий и др.

Область применения данной технологии — бетоны в конст­рукциях, армированных нерасчетной Арматурой с защитным слоем бетона не менее 50 мм. Количество противоморозных до­бавок определяют в процентном отношении к массе цемента. Подбор состава бетона с требуемыми добавками осуществляют с учетом типа и условий эксплуатации; монолитной конструк­ции, температуры наружного воздуха. Количество вносимых до­бавок увеличивается при возрастании значения отрицательной температуры относительно расчетной.

Существуют ограничения в применении некоторых проти­воморозных добавок для предварительно напряженных конст­рукций и конструкций, подвергаемых динамическим нагруз­кам. Растворы хлористых солей не допускается использовать при замоноличивании стыков сборных; железобетонных конст­рукций, имеющих выпуски арматуры или закладные детали без проведения их химзащиты. Определены предельные темпе­ратуры наружного воздуха для применения противоморозных добавок: —15°С — для хлористых солей, нитрата и нитрита на­трия; —25°С — для поташа.

Достоинства технологии с использованием противоморозных добавок заключаются в минимальных физических и материальных затратах на ее реализацию. Недостатками техно­логии являются самый длительный период приобретения бето­ном критической прочности, негативные последствия при нару­шении требований по применению противоморозных добавок (коррозия арматуры, высолы на поверхности).

Безобогревные методы зимнего бетонирования прогресс основывает­ся на разработке новых теплоизоляционных материалов, обес­печивающих надежную изоляцию свежеуложенного бетона в конструкцию любой формы, внедрении новых недорогих и эффективных добавок — ускорителей твердения бетона, одно­временно являющихся противоморозными, в обеспечении опе­ративных расчетов и автоматического контроля за условиями выдерживания бетона с применением ЭВМ непосредственно

на объекте.

Бетонирование конструкций с термообработкой

Термообработка бетона представляет собой искусственное внесение тепловой энергии в монолитную конструкцию в пери­од ее твердения с целью сокращения периода выдерживания бетона и приобретения им критической или проектной прочно­сти до замерзания.

Область применения способов теплового воздействия на выдерживаемый бетон распространяется на все разновидности монолитных конструкций с модулем поверхности М_п > 3. Вы­бор же оптимального способа термообработки осуществляют на основании технико-экономического расчета с привязкой к условиям определенного объекта строительства.

Технология термообработки бетона имеет свои особенно­сти. Основная из них — необходимость соблюдения расчетных режимов термообработки. Основными характеристиками тех­нологических режимов являются: начальная температура бето­на, продолжительность цикла термообработки до получения критической прочности, скорость подъема температуры (разо­грева) бетона, температура и продолжительность изотермиче­ского выдерживания, скорость и продолжительность остыва­ния, критическая или проектная прочность бетона.

Тепловое воздействие на прогреваемый бетон осуществля­ется несколькими методами, отличающимися способами пере­дачи тепловой энергии. Самыми распространенными из них в практике строительства являются следующие.

1. Контактный способ, обеспечивающий передачу тепловой энергии от искусственно нагретых тел (материалов) прогревае­мому бетону путем непосредственного контакта между ними (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Схемы контактного нагрева монолитных конструкций:

а — стены; б— перекрытия; 1—забетонированная конструкция; 2 — нагревательные эле­менты (греющие провода); 3 — опалубка; 4 — теплоизоляция; 5 — направление теплового потока

2. Конвективный способ, при котором передача тепла от искусственных источников нагреваемым объектам (опалубке или бетону) происходит через воздушную среду путем конвек­ции (рис. 28.2).

Достоинства конвективного метода — незначительная трудо­емкость работ и замкнутое пространство вокруг прогреваемой конструкции посредством инвентарных ограждений и пологов, например, из брезента. Недостатки: значительные потери тепловой энергии на нагрев посторонних предметов и воздуха, большая продолжительность цикла обогрева (3...7 сут) и, как следствие, высокий показатель удельного расхода энергии (свы­ше 150 кВт • ч на прогревание 1м³ бетона).

Р и с. 28.2. Схема конвективного нагрева монолитных конструкций:

1 — забетонированная стена; 2 — электропушка (электрокалорифер); 3 — опалубк 4 —теплоизоляция; 5 — направление теплового потока вдоль стены; 6 — инвентарный лог из брезента; 7 — нагреваемая воздушная среда; 8 — принудительная конвекция

3. Электропрогрев основан на выделении в твердеющем бе­тоне тепловой энергии, получаемой путем пропускания элект­рического тока через жидкую фазу бетона, используемую в ка­честве омического сопротивления. При этом пониженное напряжение к прогреваемой монолитной конструкции подво­дят посредством различных электродов (стержневых, полосо­вых и струнных), погружаемых в бетон или соприкасающихся с ним (рис. 28.3). Преимущества метода: в качестве электродов используют подручные материалы — арматуру или листовой металл, потери тепловой энергии минимальны. Недостатки: безвозвратные по­тери металла —стержневых электродов (остающихся в теле за­бетонированной конструкции), значительная трудоемкость при реализации метода (особенно при использовании арматурных стержней), необходимость регулирования (снижения) электри­ческой мощности посредством понижающего трансформатора при уменьшении удельного электрического сопротивления бе­тона, вероятность появления температурных напряжений в зо­нах примыкания бетона к электродам.

4. Инфракрасный нагрев основан на передаче лучистой энер­гии от генератора инфракрасного излучения нагреваемым по­верхностям через воздушную среду.

Недостаток технологии: значительная трудоемкость метода, связанная с переносом, расстановкой и подключением к элек­трической сети технических средств (ИПУ), необходимость обеспечения замкнутого объема для сокращения затрат тепло­вой энергии (особенно в ветреную погоду), а также высокий удельный расход электроэнергии: 80... 120 кВт • ч на прогрева­ние 1 м³ бетона.

Рис. 28.3. Схемы электропрогрева монолитных конструкций:

а — стены; б — ленточного фундамента; 1 — забетонированная конструкция; 2 — электро­ды полосовые и стержневые; 3 — опалубка; 4 — теплоизоляция; 5 — контактные выводы; 6 — выводы электроразводки.

5. Индукционный прогрев основан на использовании элект­ромагнитной индукции, при которой энергия переменного электромагнитного поля преобразуется в арматуре или в сталь­ной опалубке в тепловую и за счет теплопроводности переда­ется бетону. Реализуется метод посредством инвентарного ин­дуктора, рассчитанного и изготовленного для определенного узла (например, стыка железобетонных колонн) или объема железобетонной конструкции.

Преимущества метода: простота и качество прогрева конст­рукций с большой насыщенностью арматурой, обеспечение равномерного по сечению и протяженности конструкции тем­пературного поля.

6. Греющие провода. Для отдельных видов бетонируемых конструкций, в том числе и при несъемной опалубке из пенополистирола, рекомендуется применять нагревательные провода с металлической токонесущей изолированной жилой, подклю­чаемые в электрическую сеть и работающие, как нагреватели сопротивления.

Нагревательные провода размещают в конструкции перед бетонированием. В монолитных стенах применяют вертикаль­ную навивку нагревательного провода. Провод закрепляют сна­ружи на вертикальные сетки и каркасы, в наиболее защищен­ной зоне при бетонировании — между арматурой и опалубкой. В перекрытиях провод размещают в нижней части, закрепляя по сетке и арматурному каркасу. Греющий провод применяют в виде последовательно соединенных отрезков длиной 30...45 м. Провода к арматуре крепят вязальной проволокой.

ТЕРМООБРАБОТКА ФУНДАМЕНТОВ

При зимнем бетонировании ленточных фундаментов воз­можно применение метода «термоса», противоморозных доба­вок или контактного способа (электропрогрева с пластинчатыми нашивными электродами). Оптимальный способ (с минимальными затратами и нормативным сроком выдерживания) опре­деляется технико-экономическим расчетом при сравнении ре­комендуемых вариантов.

Бетонирование монолитного основания под полы или чис­того пола в зимних условиях возможно с использованием инф­ракрасных прожекторных установок (ИПУ), противоморозных добавок, а также электропрогрева посредством струнных или стержневых электродов. При этом отогреть промороженное основание возможно только с помощью ИПУ. Экономически выгодно заблаговременно утеплить основание различными теп­лоизоляционными материалами, не допустить его промерзания.

ТЕРМООБРАБОТКА СТЕНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Стеновые конструкции имеют высокий модуль поверхности, как правило, выше восьми. При их термообработке развитая опалубленная поверхность монолитных стен влечет большие потери тепла, требует применения специальных технических средств, обеспечивающих равномерный прогрев по всей площа­ди опалубки (с перепадом температуры не более 5°С), а при вы­сокой степени армированности (более 3%) ограничивает приме­нение эффективных способов термообработки. Кроме того, возведение стеновых конструкций на захватке создает фронт работ для устройства монолитных перекрытий, а также обеспе­чивает условия создания естественного замкнутого контура, не­обходимого для выдерживания (прогрева) перекрытий. В связи с этим возрастает необходимость в сокращении продолжитель­ности цикла термообработки стен.

Обязательным условием применения любого способа элект­ротермообработки является наличие в бетоне расчетного коли­чества противоморозных добавок, необходимых на случай ава­рийного отключения электроэнергии, поскольку потребитель (подрядная организация) относится к 3-й (низшей) категории пользователей, у которых, согласно нормативным требованиям, при необходимости допускается отключение электроэнергии.

Выбор оптимального способа термообработки стен на кон­кретном объекте основывается на технико-экономическом рас­чете рассматриваемых вариантов с учетом сравнения прямых и эксплуатационных затрат на реализацию каждого из них.

ТЕРМООБРАБОТКА ПЕРЕКРЫТИЙ И ДРУГИХ КОНСТРУКЦИЙ

Выбор способа для конкретных условий каж­дого объекта необходимо сделать на основании технико-эконо­мического расчета эффективности сравниваемых вариантов тер­мообработки.

При бетонировании в зимних условиях колонн, ригелей, балок, элементов рамных конструкций наиболее эффективным является индукционный способ прогрева бетона. При довольно низкой удельной установленной мощности до 4 кВт на 1 м³ прогреваемой конструкции продолжительность прогрева для достижения критической прочности не превысит 12 ч. В каче­стве альтернативных способов могут применяться контактный и инфракрасный, но с более дорогостоящими эксплуатацион­ными показателями.

Для бетонирования специальных конструкций (труб, ба­шен, силосов и др.) в условиях отрицательных температур способ термообработки определяется в ППР.

Для прогрева стыков сборных железобетонных конструкций наиболее эффективен инфракрасный нагрев, выполняемый спе­циальными установками. Основная проблема — предваритель­ный отогрев массива сборной железобетонной конструкции, имеющего температуру наружного воздуха и соприкасающегося с незначительным объемом цементно-песчаного раствора, укла­дываемого в прогреваемый стык. Менее эффективно стыки сборных конструкций можно прогревать посредством струнных электродов.

Особенности термообработки конструкций в различных опалубках

В настоящее время подрядные организации используют технологичные мелко- и крупнощитовые опалубки западных фирм, где палуба выполнена из ламинированной фанеры, иск­лючающей дальнейшую отделку бетонной поверхности. При­чем если щиты опалубки стен постоянно монтируют по опре­деленной схеме, то палубу перекрытий можно переставлять в каждом последующем цикле бетонирования на новое место. Кроме того, спустя 50... 100 циклов, опалубку стен и перекры­тий переворачивают другой стороной к бетону и срок аморти­зации продлевается почти на столько же циклов. Отмеченные обстоятельства, включая высокую стоимость подобной многопрофильной опалубки, исключают неиндустриальные подходы по ее переоборудованию для прогрева возводимых в зимних условиях монолитных конструкций.

К сожалению, индустриальных методов по переоснащению таких опалубок в термоактивные до настоящего времени не существует. Поэтому пока монолитные конструкции в подоб­ных опалубках прогревают в основном посредством греющих проводов.

Из существующих разновидностей опалубки с металличе­ской палубой при необходимости термообработки предпочти­тельнее объемно-переставная опалубка фирмы «Утинор». П-образные секции опалубки создают искусственный замкну­тый объем, сокращающий потери тепловой энергии и обеспе­чивающий с небольшим технологическим перерывом в 4...6 ч бетонирование перекрытий вслед за стенами. Оптимальным вариантом для термообработки стен и перекрытий могут слу­жить стационарно закрепленные на стойках опалубки инфрак­расные прожекторные установки, которые обеспечат суточный оборот опалубки, а также тепловые «пушки».

Варианты оптимальных способов и технических средств термообработки для иных опалубочных систем целесообразно рассматривать применительно к конкретным условиям объекта строительства.

Бетонирование в зимнее время при реконструкции зданий

Бетонные работы, осуществляемые при реконструкции зда­ний и сооружений в зимний период, имеют свою специфику. При этом необходимо решать, как правило, следующие зада­чи: усиление фундаментов, устройство монолитных полов или перекрытий, бетонирование уникальных конструкций, а также различных доборов из монолитного железобетона и др.

Для этих условий не всегда применимы индустриальные опалубки и крепежные устройства; характерны стесненность зоны выполнения работ, соприкосновение бетонируемых кон­струкций с существующими, имеющими отрицательную темпе­ратуру, повышенная влажность ограждающих конструкций (особенно в подвальных помещениях), отсутствие необходи­мой электрической мощности на объекте и др.

На производство работ в подобных условиях разрабатывает­ся ППР, включающий (при необходимости) регламент проведе­ния бетонных работ в зимних условиях. Из способов термообработки предпочтение отдается тем, которые применимы в большинстве критических ситуаций с бетонированием и имеют многоцелевые эффективные средства реализации технологии. К их числу относятся инфракрасные прожекторные установки, разновидности электропрогрева, а также противоморозные до­бавки. При необходимости устраивают искусственные «тепля­ки», обеспечивающие требуемые температурно-влажностные условия для выдерживания бетона и производства работ.

Названные проблемы решают путем применения преимуще­ственно безобогревных способов выдерживания бетона, локаль­ного отогрева промороженных участков конструкций инфрак­расными горелками на сжиженном газе и, при необходимости, с использованием передвижных электрических станций (ПЭС) на жидком топливе.

Отделочные работы в подобных условиях целесообразно выполнять при наступлении (или создании) устойчивых поло­жительных температур.

Бетонирование конструкций в экстремальных условиях

К экстремальным условиям можно отнести сухой и жаркий климат и территории с вечномерзлыми грунтами.

Условия сухого и жаркого климата характеризуются относи­тельной влажностью воздуха менее 50% и температурой свыше 25°С. Основная проблема при таких погодных условиях — рез­кое обезвоживание бетона (особенно его поверхностного слоя) в начальный период выдерживания, вызывающее нарушение плотности структуры. Кроме того, под воздействием прямых солнечных лучей велика вероятность появления в бетоне термо­напряженных зон, оказывающих деструктивное влияние на формирование прочностных характеристик конструкции.

Для получения качественного бетона в условиях сухого и жаркого климата необходимо соблюдать следующие требова­ния технологии:

• применять бетоны на быстротвердеющих цементах, марка которых должна превышать его класс не менее чем в 1,5 раза;

• температура бетонной смеси при бетонировании конст­рукций с модулем поверхности М„ < 3 не должна превышать20°С, а при М„ > 3 - ЗО...35*С;

• уход за свежеуложенным бетоном необходимо начинать сразу после его укладки в конструкцию и продолжать до приоб­ретения им не менее 50% проектной прочности. Уход должен предусматривать устройство над открытой (незаопалубленной) частью бетонной конструкции влагоемкого покрытия с систе­матическим его увлажнением;

• при появлении на поверхности конструкции трещин из-за пластической усадки допускается повторное поверхностное виб­рирование бетона не позднее чем через 0,5... 1 ч по окончания его укладки;

• от воздействия прямых солнечных лучей свежеуложенный бетон следует защищать пленочными теплоизоляционными ма­териалами с коэффициентом отражения лучей более 50%;

• для ускорения твердения бетона целесообразно использо­вать солнечную радиацию, укрывая поверхность бетонной кон­струкции светопрозрачным влагонепроницаемым материалом
(пленочным, рулонным или листовым).

Мероприятия по уходу за свежеуложенным бетоном в усло­виях жаркого и сухого климата должны фиксироваться в специ­альном журнале контроля за реализуемой технологией. К экстремальным условиям относится и производство бе­тонных работ на вечномерзлых грунтах. Специфические осо­бенности производства работ заключаются в следующем. Очень непродолжительный летний период и длительный зимний с низкими температурами (ниже —25°С) на территори­ях с вечномерзлыми грунтами заставляют предусматривать специальные меры по хранению инертных материалов и це­мента, приготовлению и доставке бетонной смеси на объект. Необходимо предусматривать специальные мероприятия и при проектировании технологии производства работ:

• к бетонным смесям необходимо предъявлять повышенные требования по прочности, морозостойкости и водонепроницае­мости конструкций, водоцементное отношение должно быть не более 0,4...0,5;

• для ускорения твердения бетона необходимо использовать химические добавки-ускорители. При бетонировании фунда­ментов необходимо предусматривать возможность миграции со­лей из бетона в грунт, что может снизить их несущую способ­ность;

• при использовании бетонной смеси без добавок-ускорите­лей класс бетона должен увеличиваться на технологический ко­эффициент, учитывающий условия выдерживания бетона в кон­струкции, с максимальным значением до 1,67;

•для ускорения твердения бетона необходимо применять метод «термоса» с предварительным разогревом бетонной смеси, при необходимости, с дополнительным электропрогревол забетонированной конструкции;

• для уменьшения оттаивания вечномерзлого грунта в осно­вании монолитного фундамента целесообразно устраивать теп­лоизоляционные прослойки путем отсыпки на основании су­хого песка с последующей укладкой деревянного брусчатого настила;

• бетонирование конструкций целесообразно проводить без перерывов с тщательным уплотнением бетонной смеси.

Требования по контролю качества аналогичны рассмотрен­ным ранее при проведении бетонных работ в зимнее время.