ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЗИМНЕГО ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ
Бетон и железобетон являются основными строительными материалами, используемыми в настоящее время. Железобетонные конструкции используются в жилищной, гражданской, промышленной, дорожно-транспортной отраслях строительства []. В производстве применяются как элементы заводского изготовления так и конструкции монолитного исполнения. Именно возможность создавать любые формы, возводить быстрыми темпами конструкции, обладающие высокой прочностью, надежность и долговечность делают бетон основным строительным материалом.
Как и любой материал, бетон имеет достоинства и недостатки. В данной диссертации рассматривается один из недостатков бетона в монолитном строительстве – сложность производства работ в зимнее время. Под «зимним бетонированием» понимается производство работ при температуре наружного воздуха ниже 5°С и минимальной суточной температуре ниже 0°С [].
В случае если свежеуложенная бетонная смесь замерзнет, то бетон не наберет проектной прочности, нарушится структура бетона, возможно обрушение конструкций. Бетонирование при отрицательной температуре окружающей среды осложняется необходимостью проведения организационно-технологических мероприятий по прогреву бетона и удорожанием строительства. Так же при производстве работ необходимо понимание процессов, происходящих в бетоне и комплексный подход к изучению современных бетонных технологий.
В рамках магистерской диссертации необходимо произвести обзор методов производства работ в зимний период года.
1.1 Особенности бетонирования железобетонных конструкций в условиях зимнего производства строительно-монтажных работ
При необходимости проведения зимнего бетонирования главной проблемой являются низкие температуры окружающей среды, которые приводят к замерзанию строительных материалов. Соответственно, технология бетонирования в зимних условиях направлена на предотвращение замерзания воды и других материалов.
Требования к зимнему бетонированию определяются СНиП 3.03.01, согласно которому зимними условиями считаются температуры ниже 5°С.
Существуют две важные причины, усложняющие процесс укладки бетона зимой:
Первой причиной является замедление процесса гидратации цемента из-за низких температур, что служит причиной увеличения сроков набора прочности бетоном. Полный набор прочности при применении противоморозной добавки наступает через 90 суток при расчетной температуре отвердения бетона 0 °С, согласно рекомендациям по применению противоморозных добавок в бетон в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1 - Рост прочности бетона с противоморозной добавкой по СНиП 3.03.01
Противоморозные
добавки Среднесуточная температура наружного воздуха, °С Количество противоморозной добавки, % массы
цемента Ожидаемая прочность раствора,
% от марки при твердении на морозе, сут
7 28 90
1. Нитрит натрия (НН) От 0 до - 2 2-3 15 50 70
" - 3 " - 5 4-5 10 40 55
" - 6 " - 15 8-10 5 30 40
2. Поташ (П) До -5 5 25 60 80
От - 6 до - 15 10 20 50 65
" - 16 " - 30 12 10 35 50
3. Нитрит натрия + поташ (НН + П) " 0 " -2 1,5+1,5 25 60 80
" - 3 " - 5 2,5+2,5 20 55 75
" - 6 " -15 5+5 15 40 60
" -16 " -30 6+6 5 35 45
4. Комплексная добавка (НКМ) " 0 " -2 2-3 15 50 70
" -3 " -5 4-5 10 30 50
" - 6 " -20 8-10 3 20 30
5. Комплексная пластифицированная " 0 " -5 2 15 50 70
добавка
(НК + ПАЩ-1),
(НН + ПАЩ-1) " - 6 " -15 5-6 10 30 50
6. Хлорид натрия + хлорид кальция " 0 " - 5 2+0,5 30 80 100
(ХН + ХК) " - 6 " - 15 4+2 15 35 50
7. ННХК + М (готовый продукт + мочевина) " - 3 " - 5 5 30 55 85
" - 6 " - 15 10 20 40 50
" -16 " - 30 12 5 20 30
При минусовых температурах ниже -15°С до -25°С наряду с противоморозными добавками применяются ускорители твердения бетонной смеси. Этот комплекс вводимых добавок позволяет экзотермической реакции цемента, добавок и воды выделить большее количество тепла, существенно ускорить гидратацию цемента (т.е. использовать для реакции максимальное количество воды и сохранить температуру за счет выделяемого тепла при реакции), что улучшает набор первоначальной прочности бетона при отрицательных температурах.
Второй нежелательной особенностью зимнего бетонирования является развитие сил внутреннего давления, которые возникают из-за расширения замерзшей воды. Это явление приводит к разупрочнению бетона. Помимо этого, из замерзшей воды вокруг заполнителей образуются ледяные пленки, нарушающие связь между компонентами смеси. Поэтому категорически запрещается добавление воды в бетонную смесь на строительной площадке, особенно в холодный период времени, т.к. подвижность бетонной смеси регулируется пластифицирующими химическими добавками для сохранения водоцементного соотношения в бетонной смеси.
При замерзании воды в порах твердеющей смеси развивается значительное давление, которое приводит к разрушению структуры неокрепшего бетона и снижению его прочностных характеристик. Снижение прочности тем значительнее, чем в более раннем возрасте бетона замерзла вода. Наиболее опасным является период схватывания бетонной смеси. Если смесь замерзнет сразу после ee укладки в опалубку, то ee прочность при отрицательных температурах будет обусловлена только силами замерзания. При повышении температуры процесс гидратации цемента возобновится, но прочность такого бетона будет значительно уступать аналогичной характеристике материала, который не подвергался замораживанию.
В современном строительстве наиболее распространен способ зимнего бетонирования, когда бетонная смесь предохраняется от замерзания во время ее схватывания и набора определенной прочности, которая называется критической. Под критической величиной прочности бетона принимают прочность, которая равна 50% от марочной. В конструкциях ответственного назначения бетон предохраняется от замерзания до достижения 70% от проектной прочности.
1.2 Оценка эффективности различных методов по уходу за бетоном в зимний период производства работ. Преимущества и недостатки каждого из методов.
Выбор основных методов производства бетонных работ зимой зависит от множества различных факторов. Среди них основными являются назначение конструкции, массивность, способ укладки и температура окружающей среды, время на набор прочности. Однако, в условиях крайнего севера часто приходится учитывать и другие факторы (вид опалубки, наличие утеплителя, возможности применения химических добавок и т. д.).
При выборе метода нельзя пренебрегать и такими показателями, как трудозатраты, сроки производства работ, затраты на оборудование и материалы.
Для зимнего бетонирования используют специальные смеси высокого класса с химическими противоморозными и пластифицирующими добавками, утепляют свежеуложенный бетон различными способами: с применением генераторов горячего воздуха, тепловых труб с парами теплоносителя или электроэнергии.
Выбор того или иного метода зимнего бетонирования обусловливается рядом факторов:
1) «термос» – массивностью конструкции, низкой температурой воздуха, упрощенной технологией работ, а также наличием достаточного времени для набора прочности;
2) бетонирование с химдобавками – отсутствием энергии, достаточным временем для набора прочности, скоростью ветра, небольшой отрицательной температурой воздуха;
3) электропрогрев – геометрическими размерами, необходимостью интенсивного набора прочности.
1.2.1 Метод «термоса»
Метод термоса получил широкое применение еще на стройках СССР в 1930-х годах при производстве бетонных изделий и конструкций. Наиболее экономически выгодной областью применения данного метода в соответствии с указаниями СНиП 3.03.01-87 являются массивные монолитные фундаменты, блоки, плиты, стены, колонны, рамные конструкции. А также при использовании быстротвердеющих портландцементов и эффективных теплоизоляционных материалов (особенно при умеренных морозах).
Технология выдерживания бетона, применяя метод термоса, состоит в следующем. Нагретую до температуры 25...45°С с помощью электродов бетонную смесь, доставляют на площадку и укладывают в опалубку. Сразу после окончания бетонных работ все открытые поверхности конструкции укрывают слоем теплоизоляционного материала, так как при большей температуре подогрева бетонная смесь во время транспортирования быстро загустевает. Бетон, изолированный от холодного воздуха, твердеет за счет тепла, полученного бетонной смесью при ее приготовлении, а также тепла, выделяемого в процессе экзотермической реакции твердения цементного теста.
Способ термоса целесообразно применять при бетонировании массивных конструкций. Для большей эффективности способа желательно использовать высокопрочные и быстро-твердеющие цементы, химические добавки и другие технологические мероприятия по ускорению твердения бетона.
Однако метод термоса не следует применять при бетонировании конструкций в условиях окружающей среды со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +5°С, а минимальной – ниже 0 °С. И хотя температурные границы использования данного метода можно расширить за счет ряда дополнительных мероприятий (например повышения начальной температуры смеси, введение химических добавок и поверхностно-активных веществ), в целом это увеличит экономические затраты на производство. В некоторых случаях целесообразно сочетать метод термоса с электрообогревом конструкции по ее периметру. Также необходимо дополнительно утеплять элементы конструкций, остывающие быстрее, чем основная часть (углы, выступы, закладные детали, ребра), создавая этим самым одинаковые условия остывания всей конструкции. Примеры утепления показаны на рисунке 1.
Таким образом, на время остывания изделий и конструкций, выдерживаемых методом термоса, оказывает влияние целый ряд всевозможных факторов, таких как: размеры и формы конструкции, теплофизические характеристики бетона, вид цемента, температура наружного воздуха, скорость ветра, тип опалубки и т.д.
Преимущества метода термоса:
• низкая себестоимость;
• простой технологический процесс.
Недостатки метода термоса:
• неэффективность при особо низких температурах;
• не подходит для сложных конструкций;
• подходит только для конструкций с относительно маленькой площадью охлаждения.
Рисунок 1 - Дополнительные мероприятия по утеплению блоков методом «термоса» 1 – теплая опалубка; 2 – утепление углов; 3 – укрытие; 4 – электрообогрев углов
1.2.2 Метод с использованием противоморозных добавок
Одним из методов производства бетонных работ в условиях с отрицательными температурами является применение бетонов с введением в них противоморозных добавок (ПМД). Так как при низких температурах вода, входящая в состав смеси начинает кристаллизоваться, бетон становится рыхлым и не может приобрести расчетную прочность. Добавки понижают температуру замерзания свободной жидкости и ускоряют твердение бетона при отрицательных температурах воздуха.
Бетоны с противоморозными добавками требуют меньшего расхода воды на единицу объема, чем обычные бетоны. Этим можно объяснить повышенную прочность и морозостойкость бетонов с добавками солей по сравнению с марочной прочностью. Соответственно и водоцементное отношение у бетонов с добавками солей меньше, чем у обычного (эталонного), изготовленного из равноконсистентных смесей.
Количество и вид противоморозной добавки назначается в зависимости от факторов окружающей среды, модуля поверхности, назначения бетонной смеси и с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей бетонируемых монолитных конструкций. Выбирая противоморозные добавки, следует учитывать ее специфические свойства и область применения. На данный момент в строительстве используются несколько сотен различных видов добавок.
Обычно добавки в бетон вводят в момент его замешивания, так как в этом случае есть возможность добиться равномерного распределение реактивов по всему объему. Однако допускается и домешивание добавок непосредственно на объекте. В этом случае должны быть соблюдены соответствующие предписания. Если интенсивность набора прочности не соответствует проектным требованиям, то рекомендуется увеличить расчетную температуру твердения за счет утепления бетонируемой конструкции.
Необходимо также пристально следить за количеством вводимой противоморозной добавки, так как ее оптимальность имеет важное значение. Недостаточное количество может привести к преждевременному замерзанию, которое в раннем возрасте бетона отрицательно сказывается на конечной прочности и, как правило, приводит к необратимым деструктивным процессам. А избыточное – к замедлению твердения. Поэтому при несоответствии темпа твердения бетона графику производства работ обычно применяют сочетание метода с добавлением противоморозных добавок с методом термоса за счет утепления конструкций, а также с электропрогревом смеси. Кроме того, необходимо исходить из расчетной температуры твердения, которая бы обеспечила набор прочности бетона, не менее критической до замерзания.
Преимущества противоморозных добавок:
• низкая стоимость материалов;
• отсутствие специального дорогостоящего оборудования;
• низкие трудозатраты;
• простота реализации;
Недостатки противоморозных добавок:
• увеличение времени достижения бетоном его расчетной прочности;
• понижение коррозийной стойкости арматуры (для хлоридных добавок).
1.2.3 Методы искусственного электрообогрева
Суть метода искусственного прогрева заключается в том, чтобы повысить температуру уложенного бетона до максимума с последующим поддержанием ее в течение некоторого времени. За это время уложенный бетон набирает критическую или расчетную прочность. Искусственный прогрев представляет собой группу методов, каждый из которых основан на использовании электрической энергии от некоторого источника, и переводе этой энергии в тепловую. За счет пропускания электрического тока через бетон или подвод тепла к бетону с помощью различных нагревательных устройств, за счет этого происходит повышение температуры. Разнообразие методов искусственного прогрева позволяет в каждом конкретном случае (в зависимости от массивности конструкции, условий окружающей среды, назначения конструкции и т. д.) выбирать наиболее эффективный.
Методы искусственного прогрева бетонных и железобетонных конструкций можно классифицировать следующим образом:
1) электродный прогрев;
2) обогрев различными электронагревательными устройствами;
3) нагрев в электромагнитном поле;
4) инфракрасный обогрев.
Применение искусственного прогрева помогает добиться заданных физико-механических свойств бетонов, существенно не отличающихся от свойств бетонов, твердеющих при положительных температурах. Одновременно он требует от инженерно-технических работников знаний электрофизических и теплофизических процессов, протекающих в бетоне. Только в этом случае искусственный прогрев может быть эффективен и экономичен по сравнению с другими методами.
Производство работ с искусственным прогревом бетона должно вестись в соответствии с разработанным проектом, в котором содержатся: указания по выбору электрооборудования, схемы установки электродов (стержневых, полосовых, пластинчатых, струнных, нашивных и т.д.), указания по установке электронагревательных элементов (инфракрасных и низкотемпературных), схемы подводки электропитания с подключением электродов или электронагревателей.
1.2.4 Электродный прогрев
Одним из методов зимнего бетонирования является электродный прогрев. Прогрев бетона с помощью электродов сохраняет необходимые параметры твердения раствора при заливке в зимний период. Этот способ подразумевает введение в бетон или размещение на его поверхности электродов (стержневых, полосовых, струнных, пластинчатых), которые затем подключают к трансформатору. В результате образуется электрическое поле, которое согревает бетон, а не окружающую среду. Подбирая и регулируя выходные параметры трансформатора, можно добиться необходимой температуры прогрева бетона.
Вяжущие и заполнители, входящие в состав бетона, в сухом состоянии обладают высоким сопротивлением. Вода же является составляющей, которая резко понижает сопротивление бетона. Поэтому свежеуложенный бетон является хорошим проводником, и электрический ток, проходя через него, быстро разогревает смесь.
Однако, несмотря на ряд положительных особенностей этого метода, большую сложность представляет управление электродным прогревом. Важно помнить, что удельное электрическое сопротивление бетона меняется по мере его выдерживания. Этот процесс не является линейным и экспериментальные исследования величины этого показателя для бетонов отсутствуют. Схемы размещения электродов представлены на рисунке 2.
Преимущества прогрева электродами:
• высокая тепловая эффективность метода;
• надежность и простота монтажа;
• прогрев конструкций любой толщины и любой формы.
Недостатки прогрева электродами:
• значительное время для подготовки (в том числе дополнительные электрохимические расчеты);
• дополнительное оборудование (трансформаторы);
• высокие энергозатраты (от 1000 кВт для 3—5 куб.м бетонной смеси);
• потребность в большем количестве квалифицированных рабочих кадров.
• Недостаточное количество эксперементальных исследований.
Рисунок 2 - Схемы размещения электродов: а) пластинчатых; б) при периферийном прогреве; в) при двухстороннем сквозном прогреве; г) при периферийном прогреве массивных конструкций полосовыми электродами; д) при прогреве при помощи плоских групп стержневых электродов; е) при прогреве стержневыми электродами; ж) при прогреве струнными электродами;
1.2.5 Обогрев греющими проводами
Особое положение среди известных методов обогрева бетона занимает метод греющего провода. Данный метод является универсальной технологией термоизоляции бетона при отрицательных температурах, нашедшей широкое применение при возведении монолитных многоэтажных жилых зданий, с прогревом стен, перекрытий, колон и фундамента. Прогрев греющими проводами происходит изнутри конструкции - кондуктивно, так как источник тепла (провод) укладывается непосредственно внутрь бетонируемой конструкции. После заливки бетона по проводу пускается электрический ток определенных параметров для нагрева смеси изнутри. Кабель не демонтируется и остается внутри конструкции навсегда. В этом состоит большое преимущество данного способа, поскольку, в отличие от всех подобных методов, когда тепло от источника подводится к конструкции извне и осуществляет нагрев с поверхности, используя греющий провод, все тепло передается непосредственно бетону.
Для прогрева бетона в конструкциях применяются специально выпускаемые для этой цели нагревательные провода с диаметром жилы (стальная проволока в пластиковой изоляции) от 1,2 до 3 мм. В качестве греющих изолированных проводов могут использоваться как металлические одножильные и двухжильные, так и неметаллические полимерные провода. Уникальность таких проводов состоит в их токопроводящей жиле на композиционной основе, которая обеспечивает более интенсивный нагрев провода в сравнении с металлическими аналогами.
Греющий провод подходит для прогрева любых бетонных конструкций, независимо от характера их армирования и конфигурации. Так как обычно такие провода нарезают на отрезки определенной длины и подключают через понижающий трансформатор, или используют провода расчетной длины, которые работают от сети 220В. Однако крайне важно при этом произвести правильные расчеты и контролировать регулировку подаваемого напряжения (силу тока), чтобы избежать перегрева или перегорания проводов. Также важно вовремя предотвращать любые механические повреждения изоляции при установке и креплении проводов, укладке бетона, устройства опалубки. Соблюдение этих требований является основой всего метода.
Обогрев греющими проводами монолитных конструкций и замоноличиваемых стыков и швов легко совмещается с прочими способами обеспечения твердения бетона: использование различных видов воздушного прогрева, термоактивной опалубки и т.д. Схема установки греющего провода представлена на рисунке 3.
Преимущества прогрева проводом:
• низкая стоимость;
• высокая тепловая эффективность метода;
• прогрев можно осуществлять сразу после укладки смеси;
• высокие темпы строительства (бетон набирает критическую прочность за несколько дней)
Недостатки прогрева проводом:
• невозможность повторного использования провода;
• потребность в большом количестве дополнительного оборудования (понижающий трансформатор, средства тепловой защиты, магистральные кабели и т.д.);
• трудоемкость укладки;
Рисунок 3 - Схема установки греющего провода в конструкции
1.2.6 Нагрев в электромагнитном поле
Метод индукционного нагрева применяется в основном для тепловой обработки длинномерных конструкций, таких как колонны, трубы, ЛЭП, сваи и прочие, обладающие небольшим переменным сечением. Для ускорения набора железобетоном необходимой прочности при отрицательных температурах применяют технологию индукционного прогрева. Кроме того, применение этой технологии возможно лишь для армированных конструкций, содержащих внутри себя металлические элементы, которые будут являться сердечником. Этот метод применяется в построечных и заводских условиях.
Технология основана на принципе электродинамики – магнитной индукции. Вокруг залитого бетонного элемента размещают петлями изолированный кабель, выполняющий роль катушки-индуктора, которая включена в цепь переменного электрического тока. В результате этого в конструкции образуется электромагнитное поле. тепловая энергия которого нагревает внутренние армирующие элементы конструкции, от которых тепло распространяется по всему бетону.
Интенсивность тепловыделения источников тепла определяется исключительно электрическими и магнитными свойствами источника и напряженностью магнитного поля, и никак не зависит от собственных свойств бетона. Для того, чтобы получить электромагнитные поля с большими периметрами, используют многовитковые индукторы из хорошо проводящего материала.
Расчет индукционного прогрева состоит в определении количества витков индуктора, требуемого для создания расчетного напряжения магнитного поля, причем такого, чтобы обеспечивалась мощность, необходимая для прогрева бетона конструкций по заданному режиму.
Преимущества индукционного прогрева:
• низкая стоимость;
• равномерность прогрева;
• отсутствие дополнительного оборудования.
Недостатки индукционного прогрева:
• проведение множества сложных расчетов для каждой конструкции;
• применения на ограниченном типе конструкций.
1.2.7 Инфракрасный обогрев
Одним из способов сохранить заданную температуру бетона является воздействие на него инфракрасным излучением, которое имеет свойство поглощаться телами и трансформироваться в тепловую энергию. Инфракрасные лучи являются составной частью спектра электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве с определенной частотой и длиной. Скорость их распределения в вакууме равна универсальной константе с = 2,988 108 м/с.
При использовании данного метода источники энергии (промышленные инфракрасные обогреватели) располагают в непосредственной близости от конструкции. Тепло от источника инфракрасных лучей к залитому элементу передается мгновенно. Затем тело прогревается за счет собственной теплопроводности. Важно правильно отрегулировать мощность установок, чтобы добиться необходимой температуры в бетоне. В этом случае свободная вода не будет кристаллизоваться. В противном же случае возможно разрушение всей конструкции.
Для электротермообработки бетона, в основном, используются ТЭНы мощностью до нескольких сотен кВт, с температурой излучающей поверхности от 600 до 2500 К. Они относятся к серым излучающим телам. Покрыв опалубку черным цветом, можно повысить эффективность прогрева за счет увеличения ее поглощающих возможностей. В настоящее время отечественная промышленность выпускает в основном три группы излучателей: металлические трубчатые (ТЭНы), кварцевые и карборундовые стержневые. Схемы инфракрасного обогрева представлены на рисунке 4.
Однако данный метод не подходит для конструкций, толщина бетона в которых превышает 50-70см. В этом случае в дополнение к инфракрасному обогреву необходимо использовать и другие методы зимнего бетонирования.
Преимущества инфракрасного прогрева:
• установки работают от сетей с небольшими напряжениями (малые энергозатраты);
• отсутствие дополнительного оборудования;
• высокая тепловая эффективность метода.
Недостатки инфракрасного прогрева:
• относительно небольшая рабочая площадь и глубина прогрева одного излучателя;
• необходимость размещения установок (дополнительное пространство).
Рисунок 4 - Схемы инфракрасного нагрева: а – обогрев арматуры плиты; б, в – термообработка бетона плиты (сверху и снизу); г – локальная термообработка бетона при возведении высотных сооружений в скользящей опалубке; д, е – термообработка бетона стен; ж – тепловая защита укладываемой бетонной смеси; 1 – инфракрасная установка; 2 – арматура плиты; 3 – синтетическая пленка; 4 – термообрабатываемый бетон; 5 -теплоизолирующий мат; 6 – укладываемая бетонная смесь.
1.3 Существующие способы управления параметрами электропрогрева железобетонных монолитных конструкций в условиях зимнего производства строительно-монтажных работ.
