Режимы нагрева и остывания бетона

Бетонирование конструкций в тепляках

Бетонирование конструкций в тепляках применяют редко, так как эти работы весьма трудоемки и требуют значительного расхода материалов на устройство тепляков. В современном строительстве тепляки используют при возведении высотных сооружений в скользящей или подъемно-переставной опалубке. Их применяют также в тех случаях, когда необходимо поддерживать положительные температуры не только для бетонных, но и других работ, выполняемых в период строительства данного сооружения. В настоящее время в качестве тепляков используют надувные конструкции из синтетических материалов, которые представляют собой ограждение с воздушной прослойкой. Тепляки обогревают электрическими или паровыми калориферами и в исключительных случаях (например, при возведении отдельно стоящих фундаментов с применением объемных переносных тепляков) — паром. Реже применяют огневоздушное калориферное отопление.

Режимы нагрева и остывания бетона

Термообработка бетона имеет ряд технологических отличий от других методов зимнего бетонирования. Основная особенность — внешнее тепловое воздействие на замоноличенную конструкцию. Чтобы не навредить обогреваемой конструкции, необходимо соблюдать режимы термообработки. Основными исходными данными для расчета режима обогрева являются:

• температура наружного воздуха;

• начальная температура бетонной смеси при ее укладке в опалубку;

• необходимое время цикла термообработки для получения бетоном критической прочности;

• допустимая скорость разогрева (подъема температуры уложенного бетона);

• температура и необходимое время изотермического выдерживания;

• время остывания бетона после разогрева и допустимая скорость остывания;

• какая прочность к моменту замерзания должна быть по проекту у данной конструкции - критическая или проектная.

Начальная температура бетона может разниться в больших пределах. При максимальной температуре воды затворения до 70 °С и возможности укладки сразу в конструкцию свежеприготовленной бетонной смеси ее температура может достигать 45 °С, за счет транспортирования на строительную площадку и перегрузки температура может снизиться до 20...35 °С. При подаче к месту производства работ и укладке в опалубку, соприкосновении с охлажденной опалубкой и арматурой, температура

бетонной смеси падает до +5... 10 °С или ниже в зависимости от окружающей температуры. Чем ниже температура уложенного в опалубку бетона, с которой начинается цикл его термообработки, тем больше времени и затрат энергии, увеличения продолжительности цикла потребуется для выполнения расчетного режима тепловой обработки. Поэтому одна из основных задач заключается в сохранении начальной температуры свежеуложенного бетона при максимально возможных значениях.

Период подъема температуры зависит от начальной температуры уложенного бетона, скорости разогрева, толщины конструкции, направления передачи теплоты (односторонний или двусторонний прогрев) и меняется в пределах 4...8 ч. Указанная температура достигается только на поверхности или в зоне прогрева (со стороны источника теплоты). В срединной части конструкции разогрев до изотермической температуры (температуры прогрева) происходит значительно медленнее и в зависимости от теплопроводности бетона может наступить еще через 4...8 ч. На нагрев конструкции может негативно сказываться постоянный отток тепловой энергии к наружной (противоположной нагреву) поверхности при одностороннем прогреве. Скорость подъема температуры бетона составляет в среднем 5... 15 °С, увеличение скорости разогрева может привести к температурным напряжениям в бетоне и снижению его прочности.

Температура изотермического выдерживания является определяющей для термосного выдерживания, в значительной степени влияющей на время всего цикла прогрева и величины суммарных затрат энергии на прогрев бетона. Отмечено, что экзотермическая активность цементов возрастает с повышением температуры бетона, что позволяет использовать эти внутренние источники энергии бетона, сокращая расход вносимой тепловой энергии. Оптимальная изотермическая температура для бетонов на портландцементе составляет 80 °С, для бетонов на шлакопортландцементе — 90 °С. В итоге при средней температуре прогрева бетона 70 °С для достижения критической прочности в 50% от проектной для стен толщиной до 25 см достаточно 20 ч; в монолитных перекрытиях толщиной 20 см — для достижения прочности 70% от проектной достаточно 28-часового цикла прогрева.

Период остывания конструкции после прогрева зависит от внешних факторов -температуры наружного воздуха, скорости ветра, степени тепловой изоляции конструкции и в прямой связи с максимальной температурой прогрева, может продолжаться 2...4 ч. За этот период, вплоть до замерзания конструкции, будет продолжаться процесс набора бетоном прочности свыше расчетной критической. Разность температуры наружных слоев бетона и наружного воздуха в абсолютных значениях не должна превышать 20...50 °С в зависимости от конструкции сооружений. Важной особенностью всех применяемых методов термообработки бетона является необходимость выполнения подготовительных работ при зимнем бетонировании. До укладки бетонной смеси в опалубку необходимо удалить из нее снег, наледь с арматуры, отогреть промороженное основание и стыки до положительной температуры или иногда требуемой по расчету. Кроме этого желательно не только укладывать бетонную смесь в утепленную и разогретую опалубку, но и вести прогрев во время укладки в опалубку бетонной смеси, не делая никаких технологических перерывов, влекущих потерю бетоном аккумулированной начальной тепловой энергии. Отогретая опалубка и тепловая энергия бетона, имеющего положительную температуру, совместно с экзотермией цемента позволяют быстро, в кратчайшие сроки, разогреть бетонную смесь до изотермической температуры.

Качество конструкций, бетонируемых в зимних условиях с применением методов искусственного прогрева, в значительной степени зависит от режимов нагрева бетона. На выбор режимов оказывают влияние многочисленные факторы, характеризующие как состав бетона, так и всю конструкцию в целом, а также требования к конечной прочности бетона и температура окружающей среды. В зависимости от перечисленных факторов различают следующие типовые схемы прогрева.

Рис. 1. Графики режимов прогрева бетона: а — электротермос; 6 — изотермический прогрев с учетом остывания, в — изотермическое выдерживание; г — импульсный режим прогрева; д — саморегулирующийся режим; е — ступенчатый режим

Электротермос (рис. 1, а) применяют для довольно массивных конструкций с модулем поверхности 3 < Мп < 8, остывающих в течение длительного времени. Конструкцию разогревают до некоторой расчетной температуры, а затем ей позволяют остывать до конечной (часто нулевой) температуры, по достижению которой должна быть получена требуемая прочность.

Изотермический режим с остыванием (рис. 1, б) используют для прогрева конструкций с модулем поверхности 8 < Мп< 15. Этот режим представляет собой комбинацию из двух режимов (а и в). При таком режиме необходимую прочность бетон приобретает к моменту остывания, в тепловом балансе учитывают подъем температуры, изотермический прогрев и остывание.

Изотермический режим (рис. 1, в) применяют для немассивных конструкций с Мп > 12. Конструкцию разогревают до заданной температуры и изотермически выдерживают при этой температуре. Продолжительность изотермического режима и требуемая прочность бетона при таком режиме должна быть достигнута к моменту окончания изотермического прогрева, прирост прочности во время остывания не учитывается.

Импульсный режим (рис. 1, г) используют при модулях поверхности до 8. Осуществляют периодическое включение и отключение напряжения, подаваемого на электроды или нагревательные элементы. Режим позволяет экономить электроэнергию, так как в период пауз вследствие теплопроводности бетона происходит перераспределение теплоты по сечению конструкции, что обеспечивает более равномерное температурное поле. Продолжительность импульсов и пауз зависит от заданной скорости разогрева, температуры изотермического прогрева, модуля поверхности, подводимого напряжения и должна устанавливаться опытным путем.

Саморегулирующийся режим (рис. 1, д). Режим возможен при прогреве конструкций с Мп > 8. При этом режиме напряжение в цепи остается постоянным на протяжении всего режима термообработки, т.е. прогрев осуществляют на одной ступени напряжения трансформатора.

Ступенчатый режим (рис. 1, е) применяют для периферийного прогрева массивных монолитных конструкций с Мп < 5, а также немассивных предварительно напряженных конструкций. Нагрев производят сначала до промежуточной температуры, обычно порядка 50 °С, и поддерживают на этом уровне 1...3 ч, затем осуществляют быстрый подъем до максимально допустимой для данной конструкции температуры и выдерживание при ней до приобретения бетоном требуемой прочности. При ступенчатом режиме прогрева начальная скорость подъема температуры не должна превышать 20 °С, а последующая— не более 30 °С/ч.

Разогрев — один из наиболее ответственных периодов прогрева. При высоких скоростях разогрева вследствие внутреннего давления в бетоне происходят структурные разрушения за счет быстрого расширения защемленного воздуха и образующихся паров воды, собственных температурных расширений твердых частиц и интенсивного испарения влаги с поверхности бетона при повышенных температурах. С увеличением скорости подъема температуры вследствие различия температурных коэффициентов линейного и объемного расширения отдельных компонентов бетона могут значительно возрастать общие внутренние деформации, особенно расширения, что приводит к ухудшению его свойств и даже к частичному или полному разрушению конструкции.

Поэтому нормативными документами установлены следующие максимально допустимые скорости повышения температуры бетона: 5...8 °С/ч при модуле поверхности 2 < Мп < 6; не более 10 °С/ч при 6 < Мп < 20; 15 °С/ч для каркасных и тонкостенных конструкции малой протяженности (не более 6 м).

Максимально допустимые температуры электропрогрева бетона в монолитных конструкциях не должны превышать: для быстротвердеющего портландцемента — 60 °С; для портландцемента и шлакопортландцемента — 80 °С, а при прогреве конструкций с жесткой заделкой узлов сопряжений, а также при периферийном электропрогреве конструкций с Мп>6 температура прогрева не должна превьплать 40 °С.

При резком остывании бетона достаточной прочности и обладающего свойствами хрупкого тела температурные градиенты создают в конструкции дополнительные напряжения, которые могут вызвать образование необратимых микродефектов. Поэтому скорость остывания не должна превышать: 12 °С/ч для конструкций с модулем поверхности Мп > 10; 5 °С/ч с модулем поверхности 6 < Мп < 10; 2...3 °С/ч с Мп < 6; 15 °С/ч для густоармированных каркасных конструкций с Мп > 10.

Опалубку и теплозащиту прогретых конструкций можно снимать при остывании бетона до 0...5 °С. При этом разность температур открытых поверхностей бетона и наружного воздуха при распалубке не должна превышать: 20 °С для конструкций с Мп <6; 30 °С — с Мп >6.

Если условия не могут быть обеспечены, то поверхность бетона после распалубливания необходимо обязательно утеплить. Положительное влияние на качество бетона, подвергаемого термообработке, оказывает предварительное выдерживание его до начала прогрева в течение 2...6 ч при нормальной или низкой положительной температуре до + 5 °С.

Движение электрического тока возможно только при наличии жидкой фазы бетона. В процессе прогрева количество влаги уменьшается, электрическое сопротивление возрастает, падает сила тока и уменьшается количество выделяемой теплоты. Поэтому обычно увеличение силы тока осуществляют за счет регулирования напряжения при помощи трансформатора. Чтобы избежать такого регулирования, целесообразно подготавливать автоматический режим регулирования процесса или применять, по возможности, метод электротермоса.