Строительное производство располагает обширным арсеналом эффективных и экономичных методов выдерживания бетона в зимних условиях, позволяющих обеспечить высокое качество конструкций. Эти методы можно разделить на три группы:
1. Метод «термоса» и его разновидности учитывают начальное теплосодержание бетонной смеси и тепловыделение цемента в процессе его гидратации; он применим для массивных конструкций с модулем поверхности Мп < 5. Степень массивности конструкций характеризуется модулем ее поверхности, представляющим собой отношение площади охлаждаемых поверхностей конструкции к ее объему
Мп = F / V (17.1)
где F – площадь поверхности охлаждения; V – объем конструкции.
Для колонн, балок и других линейных конструкций модуль поверхности Мп определяют отношением периметра к площади поперечного сечения.
2. Методы искусственного прогрева бетона применимы для менее массивных конструкций (Мп > 5). Для бетона, уложенного в конструкцию, используют электрообогрев, контактный, индукционный и инфракрасный нагрев, конвективный обогрев.
3. Применение химических добавок в бетонах снижает температуру замерзания воды (противоморозные добавки) и ускоряет твердение бетона (добавки-ускорители).
Указанные методы можно комбинировать. Выбор того или иного метода зависит от вида и массивности конструкции, вида, состава и требуемой прочности бетона, метеорологических условий производства работ, энергетической оснащенности строительной площадки и т. д.
Метод «термоса».Возведение монолитных конструкций без искусственного прогрева является наиболее экономичным способом зимнего бетонирования. Сущность его заключается в первоначальном нагревании бетонной смеси за счет подогрева заполнителей и воды, а также использовании теплоты, выделяющейся при твердении цемента, для приобретения бетоном заданной прочности в процессе его медленного остывания в утепленной опалубке.
Область применения метода «термоса» – бетонирование в практически любых теплоизолированных опалубках массивных монолитных конструкций (фундаменты, блоки, стены, плиты). Кроме этого целесообразно применять метод в тех случаях, когда к бетону предъявляют повышенные требования по морозостойкости, водонепроницаемости 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 и модуля ее поверхности Мп, активности и тепловыделения цемента, температур уложенного бетона и наружного воздуха, скорости ветра, а также возможности получения требуемой прочности бетона в заданный срок.
В зависимости от вида цемента, температуры бетонной смеси, средней температуры остывания и полученной по расчету продолжительности остывания по графикам определяют прочность, которую приобретет бетон через время Т, ч. Температура бетонной смеси, уложенной в опалубку, к началу выдерживания при методе «термоса» устанавливается расчетом, и не может быть ниже 5 °С.
Если определенная, таким образом, прочность окажется меньше требуемой, то уменьшают коэффициент теплопотерь за счет дополнительного утепления конструкции. Можно увеличить начальную температуру бетона за счет предварительного, непосредственно перед укладкой в конструкцию, кратковременного электроразогрева бетонной смеси в кузовах, бункерах и бадьях трехфазным током промышленной частоты, напряжением 220 и 380 В с помощью пластинчатых электродов.
В процессе твердения бетона выделяется экзотермическая теплота, количественно зависящая от вида применяемого цемента и температуры выдерживания. Наибольшим экзотермическим тепловыделением обладают высокомарочные и быстротвердеющие портландцементы. Поэтому при применении метода «термоса» рекомендуется применять бетонную смесь на высокоэкзотермичных портландцементах и быстротвердеющих цементах, укладывать с повышенной начальной температурой и тщательно утеплять.
Метод тем эффективней, чем массивнее бетонируемая конструкция.
Метод «термоса» применим: в обычных условиях при подогретой бетонной смеси (Мп ≤ 5); при использовании высокотермальных цементов с добавкой ускорителей твердения (Мп ≤ 8); при предварительном электроразогреве бетонной смеси до 80 °С перед самой укладкой в конструкцию (Мп ≤ 12).
Основная закономерность метода «термоса» заключается в том, что повышение начальной температуры бетонной смеси с применением более активной марки цемента пропорционально сокращению сроков выдерживания бетона до приобретения им проектной прочности.
Для ускорения твердения бетона в начальный период термосного выдерживания количество воды затворения должно быть минимальным.
Удобоукладываемость бетонной смеси необходимо повышать введением пластифицирующих добавок. Если метод «термоса» применяют для крупных массивов (например фундаментная плита), начальную температуру бетонной смеси следует занижать по сравнению с аналогами, имеющими меньший модуль поверхности. Это делается для избежания значительного саморазогрева бетона, возникающего за счет экзотермии, и предотвращения существенных температурных напряжений в конструкции.
При применении метода термоса невозможно активно регулировать процесс остывания выдерживаемой конструкции. Поэтому расчетом следует определять продолжительность этого остывания и строго соблюдать предусмотренные расчетом условия. Расчет должен показать, что выдерживаемая конструкция при принятых условиях (данном виде, марке и расходе цемента, утеплении опалубки и открытых поверхностей, начальной температуре бетона и температуре наружного воздуха) будет остывать до 0 °С в течение времени, необходимого для приобретения им заданной прочности.
Теплотехнический расчет режима выдерживания бетона должен подтвердить, что в течение времени, необходимого для достижения бетоном заданной прочности, ни в одной точке конструкции температура не опустится ниже 0 °С При этом количество тепла, внесенное в бетон и выделенное в результате экзотермической реакции, должно быть сбалансировано с его теплопотерями при остывании.
Продолжительность остывания бетона t до 0 °С (час) может быть определена по формуле Б.Г. Скрамтаева
, (17.2)
откуда
(17.3)
где – плотность бетона, кг/м3;
С – удельная теплоемкость бетона, Дж/ (кг °С);
– начальная температура бетона, °С;
Р – расход цемента на 1 м3 бетона, кг;
Т – тепловыделение 1 кг цемента за t час, Дж;
– общее термическое сопротивление опалубки и теплоизоляции;
a – коэффициент продуваемости, зависящий от силы ветра (1,5…2,5);
– модуль поверхности;
– средняя температура бетона за время остывания, °С;
– температура наружного воздyxa, °C.
Средняя температура бетона :
. (17.4)
Общее термическое сопротивление :
, (17.5)
где 
– толщина слоев опалубки, теплоизоляции, м (n = 1, 2, …);
– коэффициенты теплопроводности слоев опалубки, Вт/(м×оС).
Определив, таким образом, продолжительность остывания, по графикам набора прочности в зависимости от средней температуры твердения устанавливают прочность, которую должен получить бетон. Если эта прочность соответствует требуемой прочности к моменту остывания, то заложенные в расчет параметры выдерживания принимают для производства работ.
При термосном выдерживании массивных конструкций периферийные участки подвергают искусственному обогреву с целью обеспечения одинаковых температурно-влажностных условий твердения бетона.
Модификациями метода «термоса», позволяющими расширить область его применения на конструкции с большим Мп, являются «термос с добавками-ускорителями» и предварительный электроразогрев бетонной смеси («горячий термос»).
Термос с добавками-ускорителями. Некоторые химические вещества: хлористый кальций, углекислый калий, нитрат натрия, введенные в бетон в незначительных количествах (до 2 % от массы цемента), – ускоряют процесс твердения в начальный период выдерживания бетона. Так, бетон с добавкой 2 %-го хлористого кальция от массы цемента уже на третий день достигает прочности в 1,6 раза большей, чем бетон того же состава, но без добавки. Введение в бетон добавок-ускорителей, являющихся одновременно и противоморозными добавками, в указанных количествах понижает температуру замерзания до минус 3 °С, увеличивая тем самым продолжительность остывания бетона, что также способствует приобретению бетоном большей прочности.
Бетоны с добавками-ускорителями готовят на подогретых заполнителях и горячей воде. При этом температура бетонной смеси на выходе из смесителя колеблется в пределах 25...35 °С, снижаясь к моменту укладки до 20 °С. Такие бетоны применяют при температуре наружного воздуха минус 5...минус 20 °С. Укладывают их в утепленную опалубку и закрывают слоем теплоизоляции. Твердение бетона происходит в результате термосного выдерживания в сочетании с положительным воздействием химических добавок. Этот способ является простым и достаточно экономичным, позволяет применять метод «термоса» для конструкций с Мп < 8 (бетоны на обычных портландцементах).
Предварительный электроразогрев («горячий термос»). Сущность способа заключается в быстром разогреве бетонной смеси до температуры 60...80 °С вне опалубки путем пропускания через нее электрического тока, укладке разогретой бетонной смеси в утепленную опалубку и уплотнении. Бетон должен достигнуть заданной прочности при термосном выдерживании в процессе медленного остывания.
В условиях строительной площадки разогрев бетонной смеси осуществляют, как правило, электрическим током. Для этого порцию бетонной смеси с помощью электродов включают в электрическую цепь переменного тока в качестве сопротивления. Выделяемая в бетонной смеси энергия за некоторый промежуток времени повышает ее энтальпию (теплосодержание).
Предварительный электроразогрев бетонной смеси можно производить в кузове самосвала с помощью специального оборудованного поста по разогреву смеси. Если бетонная смесь доставляется на строительную площадку в автобетоносмесителях, они могут быть загружены на заводе бетонной смесью требуемой температуры. Если температура доставленной автобетоносмесителем смеси низка, ее можно перегрузить в поворотные бадьи и дополнительно разогреть на посту разогрева (рис. 17.1).
Рис. 17.1. Электроразогрев бетонной смеси:
а) общая схема бетонирования конструкций; б) схема поворотной бадьи;
в) схема электроразогрева в кузовах автосамосвалов; 1 – бетонный завод;
2 – бетоновоз; 3 – электробадья; 4 – пульт управления; 5 – кран; 6 – укладка смеси;
7 – токоподводящие устройства; 8 – вибратор; 9 – корпус бадьи; 10 – электроды;
11 – тельфер на портале; 12 – рама с электродами; 13 – кузов автосамосвала;
14 – ограждение; 15 – заземление
Во избежание чрезмерного загустения горячей бетонной смеси продолжительность ее разогрева не должна превышать 15 мин, а продолжительность транспортирования и укладки в конструкцию – 20 мин.
Для предварительного разогрева бетонной смеси может применяться алюминиевая пудра. При ее смешивании с бетонной смесью выделяется дополнительная экзотермическая теплота, значительно повышающая температуру уложенной бетонной смеси.
Если приготовленную на бетонном заводе смесь доставляют на строительную площадку в кузове автосамосвала, то автосамосвал въезжает на пост разогрева и останавливается под рамой с электродами.
При работающем вибраторе электроды опускают в бетонную смесь и подают напряжение. Разогрев ведут в течение 10...15 мин до температуры смеси на быстротвердеющих портландцементах 60 °С, портландцементах – 70 °С, шлакопортландцементах – 80 °С.
Разогретая таким образом бетонная смесь должна быть в течение 10...15 мин уложена в конструкцию и уплотнена. В противном случае она почти полностью потеряет свою подвижность. Уложенную в утепленную опалубку бетонную смесь покрывают со стороны неопалубленных поверхностей влагоизоляционным покрытием (толем, полиэтиленовой или полиамидной пленкой, прорезиненной тканью) и сверху слоем теплоизоляционного материала (шлак, шлаковата, опилки и т.д.) толщиной 10...15 см.
Контроль температуры бетона на внутренней поверхности опалубки осуществляют техническими термометрами в характерных для остывания местах через заранее оставленные отверстия глубиной 8...10 см.
«Горячий термос» применяют для конструкций с Мп до 12.
В случаях резкого изменения погоды (резкое похолодание, вьюга, пурга, метель), а значит и температурных условий выдерживания бетона, заложенных в расчет, необходимо принимать дополнительные оперативные меры для обеспечения получения уложенным бетоном критической прочности до его замерзания. К таким мерам можно отнести устройство дополнительной теплоизоляции бетона, продление сроков его выдерживания и при необходимости искусственный обогрев.
К достоинствам метода «термоса» необходимо отнести низкие трудоемкость и энергоемкость, обеспечивающие минимальную себестоимость зимних работ. Недостатки метода – большая продолжительность выдерживания бетона и ограничения по степени массивности бетонируемых конструкций. Перспектива применения всех разновидностей метода «термоса» состоит в разработке новых технологичных теплоизоляционных материалов, обеспечивающих простую по устройству и качественную изоляцию свежеуложенного бетона в конструкцию любой формы, а также изоляцию выпусков арматуры.
Искусственный прогрев и нагрев бетона. Сущность метода искусственного прогрева и нагрева заключается в повышении температуры уложенного бетона до максимально допустимой и поддержании ее в течение времени, за которое бетон набирает критическую или заданную прочность.
Искусственный прогрев и нагрев бетона применяют при бетонировании конструкций с Мп ³ 10, и более массивных, если в последних невозможно получить в установленные сроки заданную прочность при выдерживании только способом «термоса».
Выбор 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 в практике строительства являются следующие: электропрогрев, контактный, инфракрасный, индукционный, конвективный.
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. 17.2). Область использования – прогрев монолитных конструкций с модулем поверхности 5...20.
Рис. 17.2. 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; 1ф, 2ф, Зф – фазы понижающего трансформатора; 1 – арматура; 2 – струны
Применению метода должен предшествовать расчет и проектирование электродов, схемы их расположения и подключения к сети, а также режима прогрева. Схема расположения оборудования при электропрогреве бетона изображена на рис. 17.3.
Рис. 17.3. Схема расположения оборудования при электропрогреве бетона:
1 – сеть 380 В; 2 – щит высокой стороны; 3 – трансформатор; 4 – щит низкой стороны; 5 – блок управления; 6 – коммутационный блок; 7 – софит; 8 – отводы;
9 – бетонируемая конструкция; 10 – термодатчик
Основные способы электропрогрева бетонных конструкций подразделяются на периферийный, сквозной и внутренний.
При периферийном прогреве электроды располагают по наружному контуру конструкции и прогревают только наружные слои бетона. Ядро конструкции твердеет за счет начальной, экзотермической теплоты и в меньшей степени зависит от теплоты, переносимой из периферийных слоев. При конструкциях толщиной до 20 см прогрев осуществляют с одной стороны, при большей ширине – с двух сторон. Способ применим для термообработки плоских бетонных и железобетонных конструкций (стен, перегородок, плит перекрытий, ленточных фундаментов, подготовки под полы, цементных и бетонных полов) с Мп ³ 8. Применяют электроды из полосовой стали толщиной 1...3 мм, нашиваемые на внутренней стороне опалубки. Расход электроэнергии – 80...120 кВт/ч, скорость подъема температуры до 10 °С/ч.
При сквозном прогреве электроды располагают как внутри, так и на поверхности бетона, и осуществляют интенсивный и равномерный прогрев всей конструкции. Используют пластины, полосы, стержни и струны, нашиваемые на внутренней поверхности опалубки.
Ток пропускают через всю толщину забетонированной конструкции – ленточные фундаменты, стены, перегородки, блоки стен подвалов. Расход электроэнергии на 1 м3 бетона – 80...120 кВт/ч, средняя скорость подъема температуры – до 20 °С/ч.
Внутренний прогрев нашел применение для колонн, балок, прогонов, других аналогичных элементов. Основан прогрев на использовании в качестве электродов рабочей арматуры конструкции и дополнительных струнных электродов, располагаемых в центральной зоне конструкции. Расход электроэнергии – 80...120 кВт/ч, скорость подъема температуры – до 10 °С/ч.
Для подведения электрической энергии к бетону используют различные электроды: пластинчатые, полосовые, стержневые и струнные.
К конструкциям электродов и схемам их размещения предъявляются следующие основные требования:
- мощность, выделяемая в бетоне при электропрогреве, должна соответствовать мощности, требуемой по тепловому расчету;
- электрическое и, следовательно, температурное поля должны быть по возможности равномерными;
- электроды следует располагать по возможности снаружи прогреваемой конструкции для обеспечения минимального расхода металла;
- установку электродов и присоединение к ним проводов необходимо производить до начала укладки бетонной смеси (при использовании наружных электродов).
В наибольшей степени удовлетворяют изложенным требованиям пластинчатые электроды.
Пластинчатые электроды принадлежат к разряду поверхностных и представляют собой пластины из кровельного железа или стали, нашиваемые на внутреннюю, примыкающую к бетону поверхность опалубки и подключаемые к разноименным фазам питающей сети.
Электроды размером на всю плоскость стороны располагают по двум противоположным сторонам бетонной конструкции. В результате прохождения тока между противолежащими электродами весь объем конструкции нагревается. Пластинчатые электроды обеспечивают сквозной прогрев конструкций. С помощью пластинчатых электродов прогревают слабо армированные конструкции правильной формы небольших размеров (колонны, балки, стены и др.).
Полосовые электроды изготовляют из стальных полос шириной 20...50 мм и так же, как пластинчатые электроды, нашивают на внутреннюю поверхность опалубки.
Токообмен зависит от схемы присоединения полосовых электродов к фазам питающей сети. При присоединении противолежащих электродов к разноименным фазам питающей сети токообмен происходит между противоположными гранями конструкции и в тепловыделение вовлекается вся масса бетона. При присоединении к разноименным фазам соседних электродов токообмен происходит между ними. При этом 90 % всей подводимой энергии рассеивается в периферийных слоях толщиной, равной половине расстояния между электродами. В результате периферийные слои нагреваются за счет джоулевой теплоты. Центральные же слои (так называемое «ядро» бетона) твердеют за счет начального теплосодержания, экзотермии цемента и частично за счет притока теплоты от нагреваемых периферийных слоев. Первую схему применяют для прогрева слабоармированных конструкций толщиной не более 50 см. Периферийный электропрогрев применяют для конструкций любой массивности.
Одностороннее размещение полосовых электродов применяют при электропрогреве плит, стен, полов и других конструкций толщиной не более 20 см. При этом к разноименным фазам питающей сети присоединяют соседние электроды. В результате реализуется периферийный электропрогрев.
При сложной конфигурации бетонируемых конструкций применяют стержневые электроды (круглая сталь диаметром 6...12 мм), устанавливаемые в бетонную конструкцию или закрепляемые на опалубке. При внутреннем расположении стержней обычно устанавливают их в шахматном порядке через 20...40 см и подключают к электрической сети. Стержневые электроды обычно применяют при невозможности или нецелесообразности использования пластинчатых или полосовых электродов. Электропрогрев бетона с помощью стержневых электродов применяют для конструкций с Мп от 5 до 20.
Наиболее целесообразно использовать стержневые электроды в виде плоских электродных групп. В этом случае обеспечивается более равномерное температурное поле в бетоне. При электропрогреве бетонных элементов малого сечения и значительной протяженности (например, бетонных стыков шириной до 3...4 см) применяют одиночные стержневые электроды.
При бетонировании горизонтально расположенных бетонных или имеющих большой защитный слой железобетонных конструкций используют плавающие электроды – арматурные стержни диаметром 6...12 мм, утапливаемые в поверхность свежеуложенного бетона.
Струнные электроды применяют для прогрева конструкций, длина которых во много раз больше размеров их поперечного сечения (колонны, балки, прогоны и т. п.). В качестве струнных электродов применяют круглую сталь диаметром 6...12 мм, стержни устанавливают и закрепляют вдоль оси длинномерных конструкций. Стержни подключают к одной фазе, а металлическую опалубку (или деревянную с обшивкой палубы кровельной сталью) – к другой. В отдельных случаях в качестве другого электрода может быть использована рабочая арматура.
Количество энергии, выделяемой в бетоне в единицу времени, а, следовательно, и температурный режим электропрогрева зависят от вида и размеров электродов, схемы их размещения в конструкции, расстояний между ними и схемы подключения к питающей сети. При этом параметром, допускающим произвольное варьирование, чаще всего является подводимое напряжение. Ток на электроды oт источника питания подается через трансформаторы и распределительные устройства. Графики режимов прогрева бетона представлены на рис. 17.4.
Рис. 17.4. Графики режимов прогрева бетона: а) электротермос;
б) изотермический режим; в) изотермический режим с остыванием, ступенчатый
Перед включением напряжения проверяют правильность установки электродов, качество контактов на электродах и отсутствие их замыкания на арматуру. Электродный прогрев ведут на пониженных напряжениях 36...127 В. В среднем, удельный расход электроэнергии составляет 60...80 кВт/ч на 1 м3 железобетона.
Преимущества метода: в качестве электродов используют подручные материалы – арматуру или листовой металл, потери тепловой энергии минимальны. Недостатки: безвозвратные потери металла (стержневые электроды, остающиеся в теле забетонированной конструкции), значительная трудоемкость при реализации метода (особенно при использовании арматурных стержней), необходимость регулирования электрической мощности посредством понижающего трансформатора при уменьшении удельного электрического сопротивления бетона, вероятность появления температурных напряжений в зонах примыкания бетона к электродам.
Контактный способ обеспечивает передачу тепловой энергии от искусственно нагретых тел (материалов) прогреваемому бетону путем непосредственного контакта между ними. Разновидностями этого способа являются: обогрев бетона в термоактивной опалубке, а также прогрев с применением различных технических средств (греющие провода, кабель, термоактивные гибкие покрытия и пр.), непосредственно контактирующих с обогреваемой средой – бетоном (рис. 17.5). Способ применяется, в основном, для прогрева тонкостенных конструкций с модулем поверхности 8...20.
Рис.17.5. Технические средства для кондуктивного нагрева бетона:
а) термоактивная опалубка с греющим кабелем, б) то же, с сетчатыми нагревателями,
в) термоактивное гибкое покрытие с греющими проводами; 1 – греющий кабель,
2 – асбестовый лист, 3 – минеральная вата, 4 – защитный стальной лист, 5 – клемма,
6 – палуба из фанеры, 7 – разводящие шины, 8 – сетчатые нагреватели, 9 – защитный чехол, 10 – алюминиевая фольга, 11 – отверстия для крепления покрытия, 12 – утеплитель,
13 – листовая резина, 14 – греющий провод, 15 – коммутационные выводы
Греющая опалубка имеет палубу из металлического листа или водостойкой фанеры, с тыльной стороны которой расположены электрические нагревательные элементы. В современных опалубках в качестве нагревателей используют греющие провода и кабели, сетчатые нагреватели, углеродные ленточные нагреватели, токопроводящие покрытия и др. Наиболее эффективно применение кабелей, которые состоят из константановой проволоки диаметром 0,7...0,8 мм, помещенной в термостойкую изоляцию. Поверхность изоляции защищена от механических повреждений металлическим защитным чулком. Для обеспечения равномерного теплового потока кабель размещают на расстоянии 10...15 см ветвь от ветви.
Способ обогрева бетона в термоактивной опалубке целесообразен при бетонировании разнообразных конструкций, включая фундаменты, стены, перекрытия. Особенно эффективен способ при возведении конструкций и сооружений, бетонирование которых должно вестись без перерывов, а также конструкций, насыщенных арматурой. Метод обогрева экономически выгоден и технологически целесообразен при использовании разборно-переставной, блочной, объемно-переставной, катучей и скользящих опалубок.
Применение термоактивной опалубки не вызывает дополнительных требований к составу бетонной смеси и не ограничивает применение пластифицирующих добавок. Обогрев бетона в греющей опалубке может быть совмещен с электроразогревом бетонной смеси, с использованием противоморозных добавок или ускорителей твердения бетона.
Обогрев бетона конструкции производят после сборки опалубочной формы для бетонирования. Те части конструкции, которые оказываются не перекрытыми термоактивной опалубкой, утепляют гибкими покрытиями (одеялами) из стеклоткани или стекловаты.
Технология бетонирования в термоактивной опалубке практически не отличается от технологии аналогичных работ в летний период.
Технические решения, применяемые при реализации этого способа, можно разбить на две группы. Первая основывается на использовании электрических термоэлементов, которыми можно оборудовать опалубку, в основном с наружной стороны, сделав ее термоактивной. В качестве эффективных термоэлементов нашли применение трубчатые электронагреватели (тэны), греющий кабель, листовые графитовые, слюдяные пластинчатые, трубчатые и полосовые нагреватели из нержавеющей стали.
Во вторую группу технических решений включены закрепляемые в бетонируемой конструкции и оставляемые в ней нагреватели. Наиболее распространенным решением являются греющие провода с одной жилой диаметром 1,1 и 1,2 мм, заключенные в оболочку (часто полиэтиленовую). Провода крепятся с определенным расчетным шагом на арматуре бетонируемой конструкции. Нагреваясь при прохождении электрического тока до 50 °С, провода передают контактным путем тепловую энергию окружающему массиву бетона. Данный способ недостаточно эффективен. Не решен вопрос отогрева арматуры и опалубки при укладке в нее бетонной смеси, часты обрывы проводов на всех этапах подготовительных операций.
Областью применения электрообогрева нагревательными проводами являются монолитные конструкции с модулем поверхности Мп 6...10, бетонирование которых может производиться при минимальной температуре воздуха до минус 40 °С.
Подготовку конструкции к бетонированию и укладку бетонной смеси при отрицательных температурах наружного воздуха можно производить с учетом следующих требований: арматура диаметром 25 мм и более, прокатные профили и крупные закладные детали конструкции должны быть отогреты до положительной температуры, выступающие части укрыты теплоизоляционным материалом; укладку бетонной смеси следует вести непрерывно, без перевалок, обеспечивая минимальное охлаждение смеси при ее подаче и укладке; температура уложенной в опалубку смеси не должна быть ниже + 5 °С.
После укладки бетонной смеси горизонтальную поверхность конструкции укрывают гидроизоляционным материалом (полиэтиленовая пленка, пергамин, толь и др.) и слоем теплоизоляции (минераловатные маты, пенополистирол, изовер и др.).
После выполнения всего комплекса процессов (проверка правильности подключения всех проводов электроцепи, окончания бетонирования, укладки гидро- и теплоизоляции, ухода людей за пределы ограждения) подают напряжение на нагревательные провода. Электрообогрев рекомендуется проводить при пониженном напряжении 36...100 В.
Для контактного нагрева бетона преимущественно применяют термоактивные (греющие) опалубки и термоактивные гибкие покрытия (ТРАП).
Сетчатые нагреватели (полоса сетки из металла) изолируют от палубы прокладкой асбестового листа, а с тыльной стороны опалубочного щита также асбестовым листом и покрывают теплоизоляцией. Для создания электрической цепи отдельные полосы сетчатого нагревателя соединяют между собой разводящими шинами.
Углеродные ленточные нагреватели наклеивают специальными клеями на палубу щита. Для обеспечения прочного контакта с коммутирующими проводами концы лент подвергают меднению.
Термоактивное покрытие – легкое гибкое устройство с углеродными ленточными нагревателями или греющими проводами, которые обеспечивают нагрев забетонированной конструкции до 50 °С. Основой покрытия является стеклохолст, к которому крепят нагреватели. Для теплоизоляции применяют штапельное стекловолокно со слоем фольги для экранирования. В качестве гидроизоляции используют прорезиненную ткань.
Гибкое покрытие можно изготовлять различных размеров. Для крепления отдельных ТРАП между собой предусмотрены отверстия для пропуска тесьмы или зажимов. Покрытие можно располагать на вертикальных, горизонтальных и наклонных поверхностях конструкций. По окончании работы с покрытием на одном месте его снимают, очищают и для удобства транспортировки сворачивают в рулон. Наиболее эффективно применять ТРАП при возведении плит перекрытий и покрытий, устройстве подготовок под полы и др. Термоактивное покрытие изготовляют с удельной электрической мощностью 0,25...1 кВт/м2.
Инфракрасный нагрев основан на передаче лучистой энергии от генератора инфракрасного излучения нагреваемым поверхностям через воздушную среду (рис. 17.6). На облучаемой поверхности поглощенная энергия инфракрасного спектра преобразуется в тепловую и благодаря теплопроводности распространяется в глубь нагреваемой конструкции. Метод реализуется посредством автономных (от забетонированной конструкции и опалубки) инфракрасных прожекторных установок (ИПУ), работающих в основном на электроэнергии.
Рис. 17.6. 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
Для бетонных работ в качестве генераторов инфракрасного излучения применяют трубчатые металлические и кварцевые излучатели. В зависимости от температуры на поверхности нагревателей их подразделяют на две группы:
1. Высокотемпературные нагреватели с температурой на поверхности выше 250 °С – лампы трубчатые, спиральные, проволочные, кварцевые и др. Карборундовые излучатели имеют мощность до 10 кВт/ч, а их рабочая температура достигает 1300...1500 °С. Расход электроэнергии 120...200 кВт/ч, максимальная температура разогрева бетона 80...90 °С.
2. Низкотемпературные нагреватели с температурой на поверхности ниже 250 °С – плоские, трубчатые и струнные. Расход электроэнергии 100...160 кВт/ч, максимальная температура разогрева бетона 60...70 °С.
Для создания направленного лучистого потока излучатели устанавливают в плоские или параболические рефлекторы, отражатели используют из алюминия или оцинкованной стали, позволяющие до 80 % излучаемой энергии передавать на обогреваемую конструкцию.
Оптимальное расстояние между инфракрасной установкой и обогреваемой поверхностью 1,0...1,2 м.
Инфракрасный прогрев обеспечивает хорошее качество термообработки бетона, не требует дополнительно металла на электроды. Прогрев бетона инфракрасными лучами обычно делят на три периода: выдержка уложенного бетона и его разогрев до оптимальной температуры, изотермический прогрев при этой температуре и остывание.
Бетон обрабатывают инфракрасными лучами при наличии автоматических устройств, обеспечивающих заданные температурные и временные параметры путем периодического включения-выключения инфракрасных установок.
Преимущества метода: отсутствие необходимости в переоборудовании опалубки, возможность выполнять вспомогательные операции (отогрев промороженного основания или стыков ранее уложенного бетона, удаление наледи на арматуре и в заопалубленном пространстве), возможность прогревать конструкцию параллельно с бетонированием, сохраняя ранее внесённую тепловую энергию, и за суточный цикл термообработки получать до 70 % проектной прочности бетона.
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.
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 (рис. 17.7). Реализуется метод посредством инвентарного индуктора, рассчитанного и изготовленного для определенного узла (например, стыка железобетонных колонн) или объема железобетонной конструкции.
| Рис. 17.7. Схема индукционного нагрева: 1 – индуктор; 2 – стержневая арматура; 3 – жесткая арматура; 4 – металлическая опалубка; 5 – деревянная опалубка; а – шаг между витками индуктора; h – высота индуктора | 
|
Преимущества метода: простота и качество прогрева конструкций с большой насыщенностью арматурой, обеспечение равномерного по сечению и протяженности конструкции температурного поля.
Конвективный нагрев, при котором передача тепла от искусственных источников нагреваемым объектам (опалубке или бетону) происходит через воздушную среду путем конвекции (рис. 17.8). Технология реализуется в замкнутых контурах с применением технических средств (электрокалориферов, газовых конвекторов и пр.), преобразующих различные энергоносители (электроэнергия, газ, жидкое или сухое топливо, пар и пр.) в тепловую энергию. Метод применим для прогрева тонкостенных стеновых конструкций и перекрытий.
Достоинство метода состоит в незначительной трудоемкости подготовительного периода – устройстве замкнутого объема вокруг прогреваемой конструкции посредством инвентарных ограждений или пологов, например из брезента. К недостаткам относятся значительные тепловые потери на нагрев сторонних предметов и воздуха, большая продолжительность цикла обогрева (от 3 до 7 сут), высокий показатель удельного расхода энергии – свыше 150 кВт×ч/м3 прогретого бетона.
| Рис. 17.8. Схема конвективного нагрева монолитных конструкций: 1 – забетонированная стена; 2 – электропушка (электрокалорифер); 3 – опалубка; 4 – теплоизоляция; 5 – направление теплового потока вдоль стены; 6 – инвентарный полог из брезента; 7 – нагретая воздушная среда; 8 – принудительная конвекция |
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.
