Основные требования к бетону и бетонированию в зимних условиях

Бетон, укладываемый зимой, должен зимой же приобрести прочность, достаточную для распалубки, частичной нагрузки или даже для полной загрузки сооружения.
Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение его прочности после оттаивания и в дальнейшем по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Это объясняется тем, что свежий бетон насыщен водой, которая при замерзании расширяется, разрывает связи между поверхностью заполнителей и мало затвердевшим цементным камнем. Прочность бетона, как было, показано на рис. 7.8, тем ближе к нормальной, чем позднее он был заморожен. Кроме того, из-за раннего замораживания значительно уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в железобетоне.                   
При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранять от замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и в последующем при положительных температурах, способность к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона (табл. 7.5).

При применении быстротвердеющего высокопрочного цемента необходимое время выдерживания сокращается примерно в 1,5 раза. Если к бетону предъявляются высокие требования по динамическим свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной прочности, так как замораживание при минимальной прочности, не сказываясь заметно на прочности бетона при сжатии, может несколько нарушить структуру и ухудшить его особые свойства. При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде в течение срока, устанавливаемого в зависимости от заданной прочности. Это достигается двумя способами: первый - использованием внутреннего запаса теплоты бетона; второй - дополнительной подачей бетону теплоты извне, если внутренней недостаточно. Способы зимнего бетонирования разработаны и широко внедрены в практику строительства специалистами данной области С. А. Мироновым, В. Н. Сизовым, И. Г. Соваловым и др.
При первом способе необходимо применять высокопрочный и быстротвердеющий портландцемент. Кроме того рекомендуется использовать ускоритель твердения цемента - хлористый кальций, уменьшать количество воды в бетонной смеси, вводя в нее пластифицирующие и воздухововлекающие добавки, и уплотнять ее высокочастотными вибраторами. Все это дает возможность ускорить твердение бетона при возведении сооружений и добиться того, чтобы бетон набрал достаточную прочность перед замораживанием.
Внутренний запас теплоты в бетоне  создают   путем подогрева материалов, составляющих   бетонную смесь, кроме того, в твердеющем   бетоне теплота  выделяется при химической реакции, происходящей   между  цементом и водой (экзотермия цемента). В зависимости от массивности конструкций и температуры наружного воздуха подогревают только воду для бетона либо воду и заполнители (песок, гравий, щебень). Воду можно подогревать до 90°С, заполнители - до 40 °С цемент не подогревают. Требуется, чтобы темпера­тура бетонной смеси при выходе из бетоносмесителя была не выше 30°С, так как при более высокой температуре она быстро густеет. Загустевание, т.е. потеря подвижности бетонной смеси, затрудняет укладку, а добавлять воду нельзя, так как вода понижает прочность бетона. Минимальная температура бетонной смеси при укладке в массивы должна быть не ниже 5°С, а при укладке в тонкие конструкции - не ниже 20 °С.
В последнее время применяют новый способ - электроподогрев смеси в специальном бункере непосредственно перед укладкой в конструкцию. В этом случае электрический ток пропускают через смесь и разогревают ее до 50-70 °С. Разогретую смесь надо сразу же укладывать и уплотнять, так как она быстро густеет.
В процессе твердения бетона цемент выделяет значительное количество теплоты зависящее от состава и тонкости помола цемента, температуры бетона и срока твердения. Теплота выделяется, главным образом, в первые 3-7 дней твердения. Чтобы сохранить ее в бетоне на определенный срок, необходимо покрыть опалубку и все открытые части бетона хорошей изоляцией (минеральной ватой, шевелином, опилками и т. д.), толщина которой определяется теплотехническим расчетом.
Описанный выше способ зимнего бетонирования часто взывают способом термоса, так как подогретая бетонная смесь твердеет в условиях теплоизоляции. Применение данного способа рационально, если теплота, необходимая для его первоначального твердения, сохраняется в бетоне по крайней мере 5-7 сут. Это возможно только при массивных или тщательно изолированных средних по толщине конструкциях. У таких конструкций отношение охлаждающейся поверхности бетона к его объему, так называемый модуль поверхности, обычно бывает не более 6.                                                        .
Конструкции, более тонкие или со слабой теплоизоляцией, а также возводимые при очень сильных морозах, должны бетонироваться с подачей теплоты извне. Существуют следующие три разновидности этого способа.
Обогрев бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой, окружающей бетон, или по трубкам, находящимся внутри бетона, или по каналам, вырезанным с внутренней стороны опалубки. Обычная температура пара 50-80 °С. При этом бетон твердеет быстро, достигая в течение 2 сут. такой прочности, которую он набирает за 7 сут. нормального твердения.
Электропрогрев бетона, осуществляемый с помощью переменного тока. Для этого стальные пластинки-электроды, соединенные с электрическими проводами, укладывают сверху или с боковых сторон конструкции бетона в начале его схватывания или закладывают в бетон продольные электроды, или вбивают короткие стальные стержни для присоединения проводов. После затвердения бетона выступающие концы этих стержней срезают. Пластинчатые электроды применяют, главным образом, для подогрева плит и стен, продольные электроды и по­перечные короткие стержни - для балок и колонн.
В начале прогрева обычно подается ток низкого напряжения (50-60 В), получаемый путем трансформирования обычного тока напряжением 220 В. Свежеуложенный бетон при пропускании тока разогревается и затвердевает. По мере затвердевания бетона его электрическое сопротивление возрастает и напряжение приходится повышать. Нагревать бетон следует медленно, чтобы избежать его высушивания и появления в нем трещин; (температуру надо повышать не более чем на 5°0/ч) и доводить температуру бетона до 60 °С. При этих условиях бетон в течение 36-48 ч твердения наби­рает прочность не меньшую, чем за 7 дней нормального твердения. Для сокращения продолжительности прогреве бетона используют быстротвердеющие цементы и химические добавки - ускорители твердения.
При бетонировании массивных сооружений зимой целесообразно применять электропрогрев только поверхностного слоя бетона и углов сооружения (так называемый периферийный электропрогрев), чтобы предохранить его от преждевременного замерзания.
Обогрев воздуха, окружающего бетон, производится следующим образом: устраивают фанерный или брезентовый тепляк, в котором устанавливают временные печи, специальные газовые горелки (при этом нужно строго соблюдать противопожарные правила), воздушное отопление (калориферы) или электрические отражательные печи. В тепляках ставят сосуды с водой, чтобы создать влажную среду для твердения, или поливают бетон. Этот способ дороже предыдущего и применяется при очень низких температурах, при малых объемах бетонирования, а также при отделочных работах.
Кроме описанных выше способов зимнего бетонирования, требующих подогрева составляющих бетона или самого бетона, применяется холодный способ зимнего бетонирования, при котором материалы не подогреваются, но в воде для приготовления бетона растворяют большое количество солей: хлористого кальция СаСl, хлористого натрия NаСl, нитрита натрия NaNО₃, поташа К₂СО₃. Эти соли снижают точку замерзания воды и обеспечивают твердение бетона на морозе (хотя и очень медленное). Количество соли, добавляемое в бетон, зависит; от ожидаемой средней температуры твердения бетона (табл. 7.6)

Бетонная смесь с добавкой поташа быстро густеет и схватывается, в результате ее труднее укладывать в опалубку. Чтобы сохранить удобоукладываемость бетонной смеси с поташом, в нее добавляют сульфитно-дрожжевую бражку или мылонафт.
При приготовлении бетонной смеси с противоморозными добавками можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с температурой до -5°С. Прочность бетона на портландцементе с добавками, твердеющего на морозе, может быть определена ориентировочно по табл. 7.7.

Бетон с добавкой нитрита натрия при температуре -5°С твердеет медленнее, а при температуре ниже - 10°С почти так, как и бетон с хлористыми солями.
Зимнее бетонирование с применением противоморозных добавок - простой и экономичный способ. Однако большое количество соли, вводимой в бетон, может ухудшить структуру, долговечность и некоторые другие свойства. При эксплуатации конструкции во влажных условиях возможна коррозия арматуры под действием хлористых солей (нитрит натрия и поташ коррозии не вызывают). Кроме того, образующиеся в процессе твердения бетона с добавками едкие щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в некоторых заполнителях, и вызвать коррозию бетона.
Поэтому бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, в бетонных конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях при наличии реакционноспособного кремнезема в зернах заполнителя, а бетон с хлористыми солями - в железобетонных конструкциях.