Строительство на Вечной Мерзлоте

Влияние низких температур на нарастание прочности бетона и его качество является одним из принципиальных вопросов теории и практики зимнего бетонирования. Главный обобщающий вывод многочисленных работ, посвящённых этому вопросу, заключается в том, что замораживание бетонных смесей до возникновения капиллярно-пористой структуры определённой зрелости приводит к необратимому ухудшению конечных свойств материала. Степень зрелости бетона определяется комплексом факторов, влияющих на структурообразование в процессе твердения цемента, и условно определяется как «критический возраст», «критическая прочность». Результаты исследований этих процессов, полученных разными авторами, существенно отличаются.

Центральная лаборатория специальных высотных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект в течении нескольких лет проводила работы по исследованию влияния раннего замораживания на нарастание прочности бетона.

Исследования проводили на стандартных образцах бетона размерами 10х10х10 см в морозильной камере института при температурах : минус 20 градусов, минус 40 градусов и минус 60 градусов Цельсия, используя бетон марки 30 МПа изготовленный из портландцемента марки 40 МПа Старо-Оскольского завода с Нг-23%, минералогический состав клинкера : С3S – 55%, С2S – 19%, С3А – 7%, С4AF – 13% ; песок Академического карьера с модулем крупности 2,4 ; щебень гранитный фракции 5 – 10 и 10 – 20 мм по 50%. 

В качестве добавки применяли практически самый дешёвый, безвредный, распространённый по всей стране и не имеющий ограничений в применении универсальный комплекс : поверхностно-активное вещество ПАВ - технические лигносульфонаты ЛСТ и электролит - сульфат натрия Na2SO4 . Необходимо отметить, что другие исследованные электролиты : нитраты натрия и кальция пожароопастны так как выделяют кислород при нагревании, а все хлориды вызывают и интенсифицируют коррозию бетона и арматуры. Подвижность бетонной смеси составляла 9-10 см осадки стандартного конуса.

Состав бетона в кг/м3 :

• Без добавки : цемент – 480, песок – 700, щебень – 1030, вода – 192, объёмная масса 2390 кг/м3 ;
• С добавкой : цемент – 450, песок – 750, щебень – 995 , вода – 180, 0,15% ЛСТ+1,0% Na2SO4, объёмная масса – 2320 кг/м3.

Методика исследований - после бетонирования металлические формы с бетонной смесью герметически закрывали крышками и загружали в морозильные камеры с различной продолжительностью выдержки в нормальных условиях :

• без предварительной выдержки (сразу после изготовления) и
• в возрасте 8, 12, 24 час, 3 суток,

и выдерживали при отрицательной температуре ( минус 20, минус 40, минус 60 градусов Цельсия ) в течении 24 час. Прочность бетона определяли через 4 часа после распалубки форм и в возрасте 28 суток после последующей выдержки в нормально-влажностных условиях.

Полученные данные показывают :

• при температуре замораживания -20, -40, -60оС без предварительной выдержки перед замораживанием, прочность образцов бетона после замораживания находится в пределах от 6 до 12% от прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях в течении 28 суток;
• предварительное выдерживание образцов бетона в течении 8, 12, 24 час и замораживание при -20оС и -40оС и выдержка 8 и 12 час с замораживанием при -60оС повышает прочность бетона от 16 до 36 %;
• предварительное выдерживание при нормальной температуре образцов бетона в течении 3 суток с последующим замораживанием их при -40оС и -60оС прочность бетона достигает марочной или близка к ней, а при температуре замораживания -20оС прочность незначительно снижается.

Таким образом, увеличение времени предварительной выдержки до замораживания приводит к увеличению прочности бетона. При этом наибольшую прочность имеют образцы бетона, предварительно выдержанные при положительной температуре 3 суток, то есть имевшие перед замораживанием более высокую прочность и сформировавшуюся структуру. Анализ испытаний показывает, что однократное замораживание бетона с предварительной выдержкой в течении 24 час при -20, -40 и -60оС приводит к увеличению по сравнению с марочной, и только замораживание при -20оС без предварительной выдержки снижает прочность бетона : без добавки на 28%, с комплексной добавкой на 10% по сравнению с прочностью бетона твердевшего в нормальных условиях все 28 суток. Замораживание бетона с комплексной добавкой 0,15%ЛСТ + 1,0%Na2SO4 при -40 и -60оС без предварительной выдержки практически не снижает прочности бетона в 28-суточном возрасте.

Прочность образцов бетона при предварительной выдержке 8, 12, 24 часа и 3 суток и замораживании при -40 и -60оС с последующим выдерживанием в течении 28 суток в нормальных условиях, больше прочности бетона, твердевшего сразу после изготовления в нормальных условиях. При этом наибольшее увеличение прочности ( на 36 – 49% ) показали образцы, замороженные при -40оС, наименьшее увеличение ( на 9 – 16 % ) показали образцы, замороженные при -60оС. Итак, степень упрочения бетона при его замораживании зависит от температуры замораживания, продолжительности предварительной выдержки и состава бетона.

Для выяснения влияния условий замораживания образцов бетона на эффект упрочнения были поставлены дополнительные опыты. С этой целью образцы бетона без добавок предварительно выдерживали 12 час, затем подвергали однократному замораживанию при -20оС в течении 24 час. Прочность образцов бетона при сжатии после оттаивания в течении 8 час была следующая :

Условия замораживания образцов Прочность при сжатии, МПа:

1. Распалубленные на поддоне 15.
2. В металлической форме 20.

Результаты исследований показывают, что условия замораживания и хранения при -20оС оказывают влияние на последующий рост прочности бетона, причём прочность образцов хранившихся распалубленными на 20-25% ниже прочности образцов замороженных в металлических формах.

Все эти процессы можно объяснить замедленной гидратацией и стабилизацией гидростатического давления воды и её фазового перехода в лёд на относительно непрочную капиллярно-поровую структуру бетона. Однако микродеформации в структуре бетона не носят необратимого характера и при последующем выдерживании в условиях теплового воздействия и при нормальном твердении происходит не только восстановление, но и рост прочности бетона, подвергавшегося воздействию низких температур, по сравнению с бетоном, твердевшим сразу после изготовления в нормальных условиях 28 суток.

Возникновение и развитие при замораживании деструктивных процессов в бетоне связано с переходом свободной и связанной воды в лёд. Однако положительное влияние на нарастание прочности бетона оказывает замедленные гидратация и кристаллизация минералов цемента на начальных стадиях твердения после оттаивания, изменение состава и свойств жидкой фазы и пептизация новообразований в результате физико-химического обжатия структурных элементов.

Циклические замораживания и оттаивания при прочности бетона ниже критической приводят к его разрушению.

ВЫВОДЫ:

1. Расширение области строительства на нашем Крайнем Севере, в Сибири при длительной зиме и в условиях низких отрицательных температур на Вечной Мерзлоте занимающей 65% территории России, и в зоне переменного уровня воды предполагают необходимость точных инженерных Знаний и умение прогнозировать все характеристики и свойства бетонной смеси и бетона.

2. В результате исследований установлена общая тенденция для бетонов, подвергнутых однократному замораживанию после завершения периода схватывания, к превышению марочной прочности при хранении в нормальных условиях.

3. Степень проявления «эффекта упрочения при замораживании» зависит от состава бетона, условий выдерживания образцов при замораживании и температуры замораживания. При использовании в зимнем бетонировании технологии однократного замораживания оптимальным временем предварительной выдержки ( то есть в теплоизолирующей опалубке ) следует считать 8 – 12 час. Введение ПАВ ( ССБ, СДБ, ЛСТ, ЛТМ ) и электролитов ( СН ) значительно увеличивает прочность бетона.

4. Подтверждена перспективность направления разработки низко-температурных режимов выдерживания бетонов ( с использованием естественного охлаждения ) на ранних стадиях процесса твердения при зимнем бетонировании.

Фото 1. Бетонные работы при строительстве самой северной в мире Колымской ГЭС на Вечной Мерзлоте, 1976 год.

Фото 2. Самая северная в мире Колымская ГЭС была успешно построена и начала работать в ХХ веке на Вечной Мерзлоте и в зоне переменного уровня воды

Фото 3. Лауреат Государственной премии СССР 1969 года заведующий центральной лабораторией высотных и специальных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР к.т.н. Б.Д.Тринкер, 1946 – 1992 годы.

Библиография:

1. Тринкер, Б. Д. Морозостойкость бетона и методика его испытания, Сб. трудов «Бетоны и растворы», НИИЖБ, Госстройиздат, вып. 12, 1959.

2. Тринкер Б.Д. Инструкция по обогреву бетона паровыми калориферами при возведении железобетонных монолитных дымовых труб в зимних условиях, Министерство строительства РСФСР, Техн. упр. Науч.-исслед. ин-т по строительству, Москва, ЦБТИ, 1961, 23 стр.

3. Тринкер Б.Д. Бетонирование крепи шахтных стволов, пройденных по замороженным породам, журнал «Шахтное строительство», № 3, 1962, 7 – 10.

4. Тринкер, Б. Д. Вопросы морозоустойкости бетона высотных сооружений, журнал «Специальные работы в промышленном строительстве», ЦБТИ Госмонтажспецстроя, 1/13, 1963.

5. Скрамтаев, Б. Г., Тринкер Б. Д. О повышении долговечности железобетонных башенных градирен. Журнал «Бетон и железобетон», N 1, 1967.

6. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона, Москва, Стройиздат, 1967.

7. Тринкер, Б. Д. Исследование прочности сцепления, морозостойкости и водопроницаемости бетона с рабочими швами бетонирования. Журнал «Гидротехническое строительство», 9, 1967.

8. Мчедлов-Петросян О.П., Ушеров-Маршак А.В., Чернявский В.Л. Структурообразование цементных бетонов при замораживании, сборник «Совершенствование методов бетонирования монолитных конструкций зданий и сооружений, в том числе в зимний период», Красноярск, 1967.

9. Москвин В.М. Деформации цементного камня, раствора и крупного заполнителя при раннем замораживании бетона, журнал «Бетон и железобетон», № 12, 1969.

10. Шестоперов, С. В., Тринкер, Б. Д. Опыт применения пластификаторов и пластифицированных цементов при производстве сборных железобетонных изделий, «Пути снижения расхода цемента в промышленности сборного железобетона», МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1970.

11. Тринкер Б.Д. Опыт подводного бетонирования свай методом ВПТ в условиях Крайнего Севера, журнал «Транспортное строительство» № 2, 1971, стр. 17 – 118.

12. Тринкер Б. Д. Инструкция по выбору состава бетона и технологии бетонирования при креплении шахтных стволов, проходимых в сложных гидрогеологических условиях, ВСН 326-74, Минмонтажспецстрой СССР, Москва, 1972, стр. 1-32.

13. Тринкер Б. Д., Заседателев И. Б., Демина Г. Г. Исследование влияния однократного замораживания на нарастание прочности бетона, ВНИПИ Теплопроект, сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», № 41, 1976, стр. 14-21.

14. Тринкер Б. Д. Инструкция по бетонированию конструкций тяжёлых морских причалов, возводимых в условиях низкотемпературной среды, ВСН 336-76, Минмонзтажспецстрой СССР, Москва, 1977, стр. 1-60.

15. Тринкер Б.Д. Вопрос влияния раннего замораживания на последующее нарастание прочности бетона после оттаивания, RILEM, «Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. Генеральные доклады» Москва, Стройиздат, 1978, стр. 239 -241.

16. «Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса», Стройиздат, НИИЖБ, Москва, 1976, стр. 1 – 194.

17. Тринкер Б.Д., Лазутина Т.В. Безусадочные морозостойкие бетоны для замоноличивания стыков железобетонных конструкций сборных башенных градирен, Сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», Москва, ВНИПИ Теплопроект, 1986, cтр. 3 - 6.

18. Тринкер А.Б. От минус 40 до плюс 50 градусов Цельсия, журнал «Технологии бетонов», № 1 – 2, 2012, стр. 28 – 31.