Крылов - Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях

РУКОВОДСТВО по ПРОГРЕВУ БЕТОНА в монолитных КОНСТРУКЦИЯХ

Под редакцией: Б. А. Крылова С.А. Амбарцумяна А.И. Звездова

Москва, 2005 г.

Предисловие

В современном отечественном строительстве интенсификация твердения бетона базируется в основном на применении теплого воздействия,  преимущественным источником которого является электрическая энергия.  Использование этого теплоносителя позволяет легко и удобно управлять процессом прогрева и со временем автоматизировать его, решать экологические проблемы - при электротермообработке бетона нет шума и никаких вредных для здоровья человека и окружающей среды выделений.

На протяжении нескольких десятилетий, начиная с 40-х годов 20-го  столетия, электротермообработка прекрасно себя зарекомендовала и получила всеобщее признание производственных организаций. Эта группа методов  интенсификации твердения бетона, наряду с другими методами продолжает  развиваться и совершенствоваться.

В настоящем "Руководстве" излагаются рекомендуемые для применения в строительстве различные методы термообработки бетона с указанием  рациональной области применения каждого, технические характеристики,  особенности расчета и другие необходимые данные.

В основу "Руководства" положены результаты исследований многих  специалистов научно-исследовательских организаций нашей страны во главе с НИИЖБом, материалы ранее разработанных инструктивных документов, а также накопленный опыт отечественного и зарубежного строительства.

"Руководство" предназначено для инженерного персонала строительных,  производственных, проектных и научно-исследовательских организаций, а также построечных лабораторий.

Финансовую поддержку разработки «Руководства» осуществляли НИИЖБ, РААСН и большой вклад в это внес УМИС Главмосстроя. Настоящее "Руководство" разработано специалистами различных научно- исследовательских, учебных и производственных организаций Москвы, Санкт-Петербурга, Владимира, Челябинска и Минска под руководством академика РААСН, Д.Т.Н., профессора Б.А. Крылова. В работе принимали участие: д.т.н. С.А.Амбарцумян; д.т.н., проф. А.С.Арбеньев; чл.-кор. РААСН, Д.Т.Н., проф. А.А.Афанасьев; к.т.н. Л.Н.Беккер; к.т.н. Б.Г.Веснин; к.т.н., с.н.с. В.Я.Гендин; чл.-кор. РААСН, д.т.н., проф. С.Г.Головнев; инж., с.н.с. С.Г.Зимин; д.т.н., проф. А.И.Звездов; д.т.н., проф. Л.М.Колчеданцев; к.т.н., проф. В.Д.Копылов; д.т.н., проф. Б.М.Красновский; д.т.н., гл.н.с. С.Б.Крылов; д.т.н., проф. В.П.Лысов; к.т.н. А.С.Мартиросян; к.т.н., гл.н.с. А.И.Сагайдак; д.т.н., проф. А.Р.Соловьянчик; к.т.н., с.н.с. С.М.Трембицкий; к.т.н., с.н.с. С.А.Шифрин.

Общая редакция "Руководства" осуществлена Б.А.Крыловым, С.А. Амбарцумяном и А.И. Звездовым.

Введение

Современное строительство значительный крен делает на возведении  зданий и сооружений из монолитного железобетона. Этому несколько причин. Во-первых, сооружения из монолитного железобетона более устойчивы при сейсмических и других динамических воздействиях. Во-вторых, поскольку бетон обладает прекрасными пластическими  свойствами, то из него можно формовать конструкции любой формы, что придаёт зданию или сооружению индивидуальный облик. Это открывает огромные возможности для архитекторов.

В-третьих, монолитный железобетон имеет ряд преимуществ по  сравнению со сборными железобетонными конструкциями, что в условиях рынка весьма важно. Так при монолитном строительстве на 40-45% уменьшаются  затраты на создание производственной базы, на 7-20% снижается расход металла, до 40% уменьшается расход бетона.

Разумеется, это не значит, что надо полностью переходить на монолитное строительство - это было бы большим заблуждением. Сборный и монолитный железобетон должны применяться только в той сфере строительства, где они наиболее выгодны. В зарубежной практике  сборный железобетон широко используется и его доля составляет в среднем от 20 до 40% от общего объема строительств. Не должны и мы закрывать дорогу сборному железобетону и не переставать заниматься его совершенствованием и развитием в нашем отечестве.

Развитие монолитного строительства выявило ряд трудностей, которые вызваны спецификой климатических условий и отсутствием большого опыта по применению современных технологий. Естественно, это приводит и к  низкому качеству возводимых объектов и даже к авариям, а также к повышенным затратам средств и труда. Достаточно напомнить, что на сегодня в нашем  монолитном строительстве трудозатраты в 1,5-2,5 раза выше по сравнению с  аналогичными работами в передовых строительных фирмах наиболее технически развитых стран.

В общем комплексе бетонных работ около 60% приходится на ручной труд практически на всех технологических переделах. Естественно, с  внедрением новых технологий, повышением механизации, приобретением должного опыта, разного рода приспособлений и инструментов ситуация будет меняться в лучшую сторону и это наглядно можно видеть на деятельности передовых производственных организаций Москвы, Санкт-Петербурга и др. Однако, в монолитном строительстве есть один технологический передел - твердение бетона, который в значительной степени влияет на сроки  производства не только бетонных работ, но и вообще на сроки возведения зданий и  инженерных сооружений.

Поскольку в современном строительстве сроки возведения объектов  имеют первостепенное значение, то без интенсификации твердения бетона  обойтись невозможно. Для нашей страны это особенно важно, поскольку холодное время года в разных районах составляет от 3 до 10 месяцев; при низких же  положительных температурах бетон твердеет крайне медленно, а при преждевременном его замораживании качество и долговечность возводимых конструкций резко падают.

Именно поэтому в отечественной и зарубежной практике прибегают к применению различных методов ускорения твердения бетона до достижения им требуемых структурных характеристик. Наиболее действенным из них  является термообработка бетона. Существенно, что ускорить твердение бетона становится весьма важным не только при возведении объектов в холодное  время года, но и в летний период.

В современной технологии монолитного строительства применяются  разные методы термообработки бетона, но только хорошее знание возможностей каждого метода позволяет грамотно и экономично выбирать наилучший для конкретных температурных условий среды, видов возводимых конструкций, возможностей производственной организации и др. факторов. Необходимо помнить, что универсальных методов нет и каждый метод может дать  наилучший эффект только при разумном его применении.

В настоящем "Руководстве" излагаются рекомендуемые для  использования в строительстве различные методы термообработки бетона с указанием  рациональной области применения каждого, технические характеристики,  особенности расчета и другие необходимые данные.

В основу "Руководства" положены результаты исследований научно-исследовательских организаций нашей страны во главе с НИИЖБом, а также накопленный опыт отечественного и зарубежного строительства. "Руководство" предназначено для инженерного персонала строительных  организаций, построечных лабораторий, проектных и научно-исследовательских организаций.

Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

§ 1-1. Тепловая обработка и ее назначение для интенсификации твердения бетона.

Тепловая обработка является наиболее эффективным способом  ускорения твердения бетона. Именно это качество явилось причиной ее широкого применения на заводах при производстве сборных бетонных и железобетонных изделий и на строительных площадках при возведении зданий и сооружений из монолитного железобетона.

Сущность воздействия температурного фактора на твердение бетона  заключается в изменении химической активности воды. С повышением  температуры она возрастает вследствие распада крупных ассоциатов из молекул воды на более мелкие. К тому же они становятся подвижнее и их взаимодействие с частицами цемента становятся интенсивнее, процесс гидратации вяжущего  ускоряется. Это приводит к появлению новообразований, формирующих  цементный камень и связывающих все компоненты в единый монолитный  конгломерат - бетон.

При тепловой обработке твердение бетона настолько  интенсифицируется, что представляется возможным обеспечить достижение проектной  прочности примерно в 20-30 раз быстрее, чем при температуре 20°С. При  температурах 80-90 С даже вводимые в цемент или в бетонную смесь добавки шлака проявляют химическую активность и в определенной степени приобретают свойства вяжущих.

Тепловая обработка бетона имеет довольно много разновидностей,  отличающихся видом теплоносителя, подводом тепла, применяемыми  генераторами выделения тепла.

§ 1-2. Критерии определения эффективности прогрева бетона.

Основными критериями эффективности профева бетона являются:  качество конструкции, расход энергии, сроки возведения объекта. Качество  конструкции включает в себя широкое понятие - от внешнего вида до прочностных показателей бетона и долговечности. В построечных условиях контролируются прочностные характеристики и может проверяться морозостойкость  стандартными методами.

Важным показателем является расход энергии на термообработку бетона. С целью снижения ее до технически обоснованного уровня выбираются  наиболее целесообразные методы прогрева бетона и сроки распалубки конструкций, а также укрытия их неопалубленной поверхности паро- и теплоизоляцией.  Автоматическое управление процессом прогрева в ближайшем будущем явится наиболее эффективным способом сокращения расходования электроэнергии на прогрев бетона.

Важное значение приобретают в современном строительстве сроки  возведения объекта. Поскольку твердение бетона до достижения требуемой  прочности занимает наибольшее время при производстве бетонных работ, то вполне естественно стремление к технически разумному его сокращению. Именно  поэтому распалубка конструкций в зависимости от их вида и сроков загрузки осуществляется при прочности бетона от 50 до 80% от проектной (в  соответствии с требованием СНиП). Бетон в конструкциях, распалубленный при  прочности ниже проектной, в дальнейшем будет продолжать твердеть при  положительной температуре и достаточной влажности и к моменту загрузки  проектную прочность обычно приобретает. В этом случае характер нарастания  прочности бетона после распалубки постоянно должен контролироваться. Если  возникают опасения, что ко времени сдачи конструкции в эксплуатацию бетон проектную прочность не наберет, необходимо принять дополнительный, прогрев конструкции с обязательным ее увлажнением.

К бетонам специальных конструкций, которые, например, во время  эксплуатации подвергаются постоянному замораживанию в водонасыщенном  состоянии и оттаиванию, истиранию или одностороннему напору жидкости  помимо прочностных показателей предъявляются и другие требования,  определяемые для них нормативными документами (морозостойкость, коэффициент фильтрации, водопроницаемость и др.).

§ 1-3. Материалы для бетона.

В качестве вяжущего для бетонов, подвергаемых электротермообработке, могут использоваться: портландцемент, шлакопортландцемент, быстротвердеющий портландцемент. Применение глиноземистых цементов не  желательно. Рекомендуется применять цемент с содержанием трехкальциевого силиката (CiS) не менее 50...60%, трехкальциевого алюмината (СзА) не более 9%,  активных кремнеземных добавок в портландцементе (трепела, шлака и др.) не более 10%. Применение пуццоланового портландцемента допускается в случае, когда это необходимо по условиям службы конструкции (например, в  агрессивных водах). Пластифицированные и гидрофобные цементы, а также  добавки пластификаторов для бетонов, подвергаемых прогреву при температурах выше 50 С, могут использоваться только после предварительной проверки прочности и морозостойкости бетонов после принятых режимов прогрева.

Для бетонов, подвергаемых предварительному электроразогреву или форсированному электроразофеву в опалубке с повторным уплотнением,  рекомендуется применять цементы с содержанием СзА не более 6%. При этом, независимо от содержания CjA в цементе следует обязательно производить предварительную лабораторную проверку потерь подвижности бетонных  смесей при достижении заданной температуры разогрева.

Для улучшения электропроводности бетонных смесей и получения  повышенной прочности, приобретаемой бетоном сразу после прогрева,  допускается применение химических добавок-электролитов: хлористого кальция,  хлористого натрия, нитрита натрия в количествах, не превышающих 0,5% от  массы цемента.

В бетоны, подвергаемые электротермообработке, допускается введение других видов добавок (воздухо-вовлекающих, пластифицирующих) в  количествах, разрешаемых действующими документами, если они обеспечивают  требуемую прочность прогретого бетона.

§ 1-4. Ускорение твердения бетона методами электротермообработки.

Электротермообработка является основным методом интенсификации твердения бетона при возведении монолитных конструкций зданий и  сооружений в зимнее время. Не менее эффективной она оказалась и в летнее время,  поскольку обеспечивает быстрюе твердение бетона при незначительных затратах электроэнергии. В районах с сухим и жарким климатом применение  электротермообработки позволяет благодаря интенсификации твердения связать  значительную часть воды затворения химически и физически и тем самым  избежать трещинообразования в конструкциях при высыхании бетона в раннем возрасте. Электротермообработка бетона объединяет группу методов, основанных на использовании тепла, получаемого от превращения электрической энергии в тепловую. Это может происходить или непосредственно в материале, когда электрический ток пропускается через бетон, или в различного рода электронафевательных устройствах, от которых тепло подводится к бетону радиационно, кондуктивно или конвективно.

Разнообразие методов электротермообработки позволяет в каждом  конкретном случае (в зависимости от вида конструкции, ее размеров,  конфигурации, характера армирования и т.д.) выбирать наиболее эффективный из них.

Выбор наиболее рационального метода электротермообработки бетона диктуется не только особенностями прогреваемой конструкции, но и  возможностями самого метода, которые следует хорошо знать. Для этого, крайне  необходима классификация методов электротермообработки, которая поможет грамотно выбрать такой из них, который будет для конкретных условий  наиболее выгоден и с технической и с экономической точек зрения. Существующие методы электротермообработки бетона можно разделить на три больщие фуппы, если в основу положить принцип превращения  электрической энергии в тепловую: непосредственно в бетоне или бетонной смеси (электродный прогрев), электрообогрев, индукционный прогрев.

Электродный профев бетона осуществляется непосредственно в  конструкции и относится к наиболее эффективным и экономичным видам  электротермообработки.

При этом методе представляется возможным поднимать температуру  материала до требуемого уровня за любой промежуток времени - от нескольких минут до нескольких часов. Электрообогрев с помощью электронагревательных устройств  осуществляется путем подачи тепла к поверхности бетона радиационно или  конвективно от источников превращения электрической энергии в тепловую - нагревателей инфракрасного излучения или низкотемпературных нагревателей  (сетчатых, коаксиальных, ТЭНов и др.). Во внутренние слои конструкции тепло  передается путем теплопроводности. При установке нагревателей  непосредственно в бетон, передача тепла осуществляется кондуктивно.

Прогрев бетона в элетромагнитном поле производится путем передачи тепла кондуктивно от разогревающихся вихревыми токами стальных  элементов опалубки, арматуры и закладных частей. Непосредственного воздействия на бетон электромагнитное поле с применяющимися на практике параметрами не оказывает и во внутренние слои материала тепло передается путем теплопроводности. Основные методы электротермообработки бетона и области их применения приведены в табл. 1.1.

Вследствие этого ускоренного протекания физико-химических процессов при повышении температуры (как и при других методах термообработки бетона). В этом случае образующиеся при твердении бетона фазовый состав  новообразований и структура при обеспечении соответствующих температурно-влажностных условий идентичны таковым у бетонов, твердеющих в  нормальных условиях.

Электротермообработка при оптимальных режимах прогрева,  обеспечивает получение бетонов с заданными физико-механическими свойствами (прочностью на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкостью,  сцеплением с арматурой и др.), существенно не отличающимися от свойств бетонов, твердевших в нормальных условиях.

§ 1-5. Режимы прогрева бетона.

Электротермообработку бетона осуществляют по определенным  режимам. Под режимом понимают совокупность параметров прогрева,  включающем скорость и температуру разогрева, продолжительность изотермического выдерживания, скорость остывания. Режим теплового воздействия должен обеспечить достижение бетоном заданной прочности и других показателей, указанных в технологической карте.