Твердение и технология зимнего бетона
Успешное выполнение железобетонных работ в зимних условиях в нашей стране основывается на многолетних фундаментальных исследованиях по разработке новых и совершенствованию существующих методов производства работ, а также на обобщении опыта передовых строительных организаций в зарубежного опыта. В последние годы значительно больше уделяется внимания углублению в физику бетона, в сущность тех процессов, которые протекают в бетоне при замерзании его при различных температурах.
Твердение бетона при нулевых н отрицательных температурах связано с криологическими процессами, (кинетика твердения воды и опаивания льда), протекающими при замерзании и оттаивании. Скорость и температура замерзания жидкой фазы в бетоне, так же как и оттаивания, влияют на величину образующихся кристаллов льда, на деформативность и изменение структуры уложенного бетона. При этом существенное влияние оказывает не только вид н активность применяемых цементов, по и качество, особенно Пористость заполнителей, которые употребляются для приготовления бетонных смесей.
Фактическое отношение благодаря пористости природных или искусственных заполнителей уменьшается, начало замерзания легкого бетона в конструкциях отодвигается, а на поверхности раздела между цементным тестом и заполнителями не образуется тех оболочек или очагов замерзающих водных пленок и линз, которые оказывают вредное влияние при употреблении плотных заполнителей.
Вследствие отсоса воды капиллярами пористых заполнителей из цементного теста и уменьшения объема защемленного в них воздуха с понижением температуры вместо явления внутреннего кристаллизационного давления часто наблюдается явление вакуума. В зависимости от водосодержаиия, содержания растворимых веществ, объемных деформаций, возникающих в процессе замерзания бетона, твердение его при отрицательных температурах происходит по разному. В связи с этим в различных бетонах в процессе замерзания складывается структура, с различной интенсивностью происходит твердение их при отрицательных температурах, а также после оттаивания.
Криологические процессы, протекающие в бетоне в зимний период времени, существенно влияют на его прочность и на процессы твердения бегопа как при отрицательных, так и при положительных температурах. В последнем случае временно прерванные реакции взаимодействии цементных минералов с полой при замерзании жилкой фазы, при отсутствии нарушений внутренней плотной структуры бетона, возобновляясь по уменьшении фазы, могут не снижать физико-механических показали затвердевших бетонов.
Криоскопические измерения температуры начала замеры жидкой фазы и кинетики изменения, а также наблюдения за изменением структуры цементного камня и бетона дают ключ к научному бетона на морозе.
С целью раскрытия сложного механизма бетона влияния раннего замерзания на твердение бетона проведены исследования но гидратации цементов при личных положительных и отрицательных температурах, превращениям поды, деформативным изменениям замерзании, а также по нарастанию его прочности в от технологических факторов. Выявлены условия формирования плотной н прочной структуры она и достижения нм необходимых физико-механических свойств при различных температурно-влажностных условиях.
В НИИЖБ изучалась кинетика изменения фазового со- яння воды в бетоне состава 1 : 2,9 : 4 при В/Д = 0,72, с разной прочностью (0; 15; 50; 70 н 100% Ris) при шературе ст 0 до —45°С {1]. Исследования проведены колометрическим методом. Полученные данные позволяют научно обоснованно к выбору времени выдерживания бетона в конструкциях до замерзания я сформулировать основы теории твердения бетона па морозе.
Кинетика изменения показывает, что наличие значительного количества БОДЫ В ЖИДКОЙ фазе бетонов % при температуре —5СС), замороженных сразу после приготовлення, может обеспечить лишь ограниченное п замедлен- ю нарастание их прочности на морозе. У бетона, замороженного при —5°С, с прочностью 15% от Д28 содержится уже око- ) 40% воды в жидкой фазе. Это подтверждено также нссле- процессов гидратации цемента при отрицательных теммпературах и фазовым составом новообразований. Количество образующегося льда в бетоне зависит от температуры вмерзания, его «зрелости» к моменту замораживания, водоудержапня и водоцементного отношения. По мере температуры количество льда в нем увеличивается и прочности затухает. При температурах ниже —10°С —15°С у легких бетонов на пористых заполнителях без противоморозных добавок практически прекращается.
Одним из способов установления структурных изменений етона является измерение его деформаций в процессе замерзания, оттаивания и последующего твердения. Расширение свежеприготовленного бетона в процессе замерзания является следствием перехода воды в лед, так как малопрочная коагуляионная структура его не способна противостоять давление расширяющейся воды (рис. 1).
Наибольшее влияние на уменьшение деформаций образцов при замерзании оказывает предварительное выдерживание бетона при положительных температурах. По мере увеличения выдержки до намораживания укорочение в расширение уменьшается в в 12—24-часовом возрасте нормального твердения расширения часто и вовсе не происходит, а начинается уменьшение размера (обычная усадка).
Расширение бетона при замерзании, хотя п свидетельствует о подверженности сто структуры температурным воздействиям, однако еще не может служить закономерной характеристикой потери прочности бетоном вследствие замораживания.
Исследования, проведенные с использованием калориметрического, дилатометрического, ультразвукового методов и измерения электропроводности, показали, что с понижением температуры за нуль вода в бетоне не сразу переходит полностью п лсд. Часть ес сохраняется в жидкой фазе и тем больше, чем продолжительнее бетон до замораживания находился при положительных температурах. По мере охлаждения молекулы воды агрегируются в вода представляет собой жидкость, в которой содержатся частнны льда.
Процессы гидратации цемента после затворепня бетона еще продолжают развиваться, но скорость их замедляется по мере охлаждения поды, что связано со снижением химической активности ее. Движение молекул воды при этом замедляется н наконец полностью прекращается по мере превращения воды в лед в переохлаждения се с тонких капиллярах и пленках.
Та часть воды, которая находятся еще в жидкой фазе, способна вступать в химическое взаимодействие с минералами цементного клинкера. Результаты исследований по теории твердения бетона на морозе имеют большое практическое значение для учета твердения бетона в осенних и весенних условиях, а также в вечномерзлых грунтах с температурой близкой к пулю.
В результате гидратации при низких положительных и отрицательных температурах на поверхности цементных зерен образуются более дисперсные новообразования и гель удерживает значительно большее количество воды, а поэтому набухает и является более проницаемым. С понижением температуры вода замерзает вначале в порах, затем в более тонких капиллярах н, наконец, в гелях гидросиликата кальция. Вода, содержащаяся в прослойках между кристалликами геля (в кристаллической решетке) и в контракционных порах геля замерзает при температуре —30°С и ниже. Вода, окружающая гелевые оболочки при замерзании, увеличиваясь в объеме, оказывает давление на них и вызывает микродеформации. Тем самым открывается доступ воде вглубь цементных частиц.
В результате экзотермической реакции взаимодействия воды с цементом и растворения СаО происходит тепловыделение. Выделяемое в микроочасах тепло вызывает таяние льда, воспроизводя некоторое содержание жидкой фазы. Это происходит до тех пор, пока химическая энергия своим превращением в тепло в состоянии поддерживать жидкую фазу. При полном замерзании воды в порах и капиллярах химические реакции полностью прекращаются, твердение бетона прерывается. Не прориагировавшая часть цемента при наступлении благоприятных температурно-влажностных условий сохраняет способность возобновить временно прерванный процесс взаимодействия с водой. Поэтому очень важно обеспечить плотность структуры, избежать разрыхления ее при замерзании и за счет потери влаги.
В настоящее время строители располагают достаточным арсеналом технических средств, позволяющих независимо от температурных условий успешно возводить не только сборные, но и монолитные конструкции. В районах Крайнего Севера и вообще при низких отрицательных температурах наиболее рациональным является применение сборного железобетона.
При возведении монолитных конструкций наибольшее распространение получили методы термоса (при возведении массивных н различных подземных конструкций) и электропрогрева с использованном электродов (при возведении каркасных, по преимуществу наземных конструкций). Для выбора того пли иного способа бетонирования конструкций па морозе строители имеют инструктивные документы и соответствующую техническую литературу, а также собственный опыт.
В последние годы при монолитных умеренных морозах широкое распространение получил для термоса с предварительным электроразогревом отличающийся методами термообработки [2]. Начальная температура уложенной в конструкцию бетонной смеси. Высокая начальная температура бетона опалубки эффективными изоляционным» материалами увеличивают продолжительность остывания до Это позволяет при любых температурах наружного а обеспечить набор требуемой прочности бетона за время остывания.
Для электроразогрева используется обычный бункер или ья емкостью 0,7—1,5 и/3 с вмонтированными в нее = из листовой стали толщиной 4—5 мм (рис. 2). Электро- крепятся посредством диэлектрических прокладок выводы для подключения токоподводящих подов. Разогрев смеси осуществляется при напряжении то- 220—380 в, с соблюдением правил техники безопасности. Расход электроэнергии на I м3 бетона зависит от температуры наружного воздуха и в районах Крайнего Севера ра- I 80—100 кпт-ч. После окончания разогрева смеси до температуры напряжение отключают н бункер крапом к месту укладки.
Поскольку условия строительства в районах Крайнего Се- ia отличаются значительными с поверхности, части конструкций, выступающие над поверхностью 1-111 следует защищать от или пользоваться которыми периферийным прогревом. Как показал опыт в монолитных фундаментов па строительстве объектов -. Воркуте зимой 19C8/G9 гг. метод термоса с предварительным электроразогревом бетонных смесей может быть в суровых зимних условиях при температуре —30-У —40°С н скорости ветра до 10 м/сек. В ряде случаев успешного сочетается применение метода термоса с добавками — ускорителями твердения.
Работы НИИЖБ но внедрению способа предварительного разогрева бетонных смесей в районах вечномерзлых унтов показали, что его целесообразно применять почти в юнце круглого года. Дальнейшее совершенствование в зимнего бетонирования должно проводиться на основе применения быстротвердеющих цементов, введения химических добавок, предварительного электроразогрева тонных смесей до температуры С0-г-80°С с последующим выдерживанием конструкций, утепленных эффективными легкими материалами.
Проведены многочисленные эксперименты по изучению ниння раннего замораживания бетонов па их свойства. Загруживание проводилось при температуре —5, —10, —20, 50°С. Изучена кинетика твердения бетона, его прочность дуги упругости и другие свойства после замораживания и различными методами. Проведенные исследования критически оценить действующие требования по бетона до замораживания (бетон должен к моменту замерзания приобрести прочность, равную 50% менее 50 кг/см2). Полученные данные и анализ работ советах и зарубежных специалистов, а также анализ нормативах документов позволили разработать дифференцированные требования к прочности бетона к моменту замерзания, в зависимости от его марки [4, 5]. Минимальной (критической) прочностью бетона до замерзания следует считать такую, которая обеспечивает и последующем при положительных температурах способность к твердению без ухудшения его основных физико-механических свойств. Она зависят от марки бетона и должна быть не менее величин, приведенных в табл. 1.
При предъявлении особых требований по морозостойкости и водо- или газонепроницаемости, бетон к моменту допустимого замерзания должен приобрести полную марочную прочность. Для снятия несущей опалубки ц частичной или полной загрузки конструкций критическая прочность может быть недостаточной. Поэтому рекомендуется установить определенные нормативные требования к прочности бетона к моменту загружении конструкций в зимних условиях. Требуемая прочность бетона при распалубке (в % от проектной) в зависимости от степени загружения конструкций в период строительства представлена в табл. 2.
Учитывая некоторую специфику поведения отдельных видов арматуры при отрицательных температурах следует внести известные ограничения и с этой точки зрения. При специальном обосновании расчетом прочности, жесткости и трещиностойкости допускается распалубка при меньшей прочности бетона, но не ниже 50% от проектной прочности и не ниже 100 кг/см2 при применении арматуры классов А-1 и A-И и 150 кг/см2 при применении арматуры класса A-III.
Несмотря на актуальность научной разработки вопросов зимнего бетонирования, надо признать что они решаются еще в недостаточно широком размере. Мало внимания уделяется обеспечению зимних строек цементами, химическими добавками, эффективными теплоизоляционными материалами и специализированным оборудованием. Эти проблемы особенно остро встают в связи с развитием строительства в районах Крайнего Севера и на вечно мерзлых грунтах.
Учитывая непрерывный рост объема строительства в нашей стране, необходимо расширить научные исследования и обобщить богатый опыт производства для совершенствования и разработки новых разделов Строительных норм п правил. В развитие Строительных норм и правил должны непрерывно пересматриваться и переиздаваться с учетом новых требований и опытных данных такие инструктивные документы, как бетонирование по методу термоса с применением противоморозных добавок, электротообработки бетона, весьма разнообразными способами, в том числе предложенными в последние годы. Для иллюстрации влияния пластических деформации несущую способность каркаса был произведен расчет железобетонной рамы, схема которой показана на рис. 4. Это- поперечных сил, действующих на раму при определении нагрузки по действующим нормам проэктирования как для упругой системы, показана на рис. 4 срочных сил от успешной сейсмической нагрузки, на которых должна быть рассчитана рама, показана па . 4,а. Сопоставление эпюр поперечных сил показывает, учет пластических деформаций позволяет снизить разную сейсмическую нагрузку для да пион рамы в среднем 20%.
Выводы
Для железобетонных конструкции максимально допустимая величина относительных пластических деформации одни цикл загружения при сейсмических нагрузках не должна превышать значение 0,1. При этом сейсмическая паузка на упругую н упруго-пластическую системы практически одинакова и се можно определять по упругой стадии работы конструкции.
Несущую способность упруго-пластических систем целесообразно определять с учетом их неупругой энергоемкости.
Оценку энергоемкости железобетонных конструктивных элементов рекомендуется проводить но величине предельного угла поворота в пластическом шарнире.
Расчет железобетонных каркасных зданий на сейсмические нагрузки с учетом пластических деформаций позволяет проектировать более экономичные сечения.