Всесезонный универсальный бетон России

В статье представлена отечественная технология всесезонного строительства от - 70 °C до + 55 °C и при относительной влажности от 90% до менее 20%. Комплексная технология научно-технического всепогодного производства работ основана на многолетних лабораторных и производственных испытаниях, и длительного производственного мониторинга за построенными уникальными сооружениями. Применение химических добавок и термо-активных покрытий успешно выдержало безаварийную непрерывную 40-летнюю проверку Временем в кислотной среде и резко-континентальном климате.

Всепогодное строительство одна из проблем нашей страны, не имеющей равных в мире по различию климатических зон и продолжительности критических температур.

Круглогодичное строительство ставит перед учёными и инженерами задачи, для решения которых требуются дополнительные материальные затраты на: привлечение специалистов, закупку оборудования, материалов, приборов, снаряжения, организацию специального ухода за твердеющим бетоном и контроля качества работ, ведение технической более сложной документации.

Необходимо отметить, что полное отсутствие иностранного опыта строительства при сверхнизких отрицательных температурахв Сибири и на Дальнем Востоке, не помешало развитию отечественной науки в 1940-годы, а наоборот способствовало развитию и успехов нашей Науки.

Например, железобетонная телебашня (Рис. 1) в немецком Штуттгарте (земля Baden-Württemberg) была построена (1956 год, наращивание антенны 1965 год) исключительно при положительных температурах наружного воздуха (таблица – Климат Штуттгарта).

bb6fe89f99ee2bfb385e736aa80a765d.jpg

Рисунок 1. Телебашня в Штуттгарте (Stuttgart) высотой 216 метров, высота железобетонного ствола 160 метров.
Климат Штуттгарта
Показатель Янв Фев Мар Апр Май Июн Июл
Средний максимум, °C 3 4 9 12 17 20,5 23
Средний минимум, °C −3 −3 0,5 3 7 10,5 13
Норма осадков, мм 48 46 43 61 86 86 74
Источник: Weatherbase

В отличие от мягкого, тёплого, влажного, то есть пригодного для монолитного строительства климата в Западной Европе, в Москве, в период возведения Останкинской телебашни высотой 540 метров с высотой железобетонного ствола 390 метров были огромные проблемы. С октября по март включительно строительство велось при наружных температурах воздуха до минус 45 °C и штормовом ветре с обледенениями на космической высоте. Приведенная климатограмма Москвы резко отличается от Штуттгарта.

Кроме того, необходимо учесть важный фактор риска : в течении одного (!) осеннее-зимнего сезона в Москве происходит как минимум 500 (!) циклов переходов температуры через 0 градусов Цельсия, в результате после насыщения водой Бетона происходит очередное его замораживание и лёд разрывает Бетон, затем следует оттепель и цикл повторяется вновь…… Подобный климат, разрушающий бетон отсутствует в Западной Европе, в США и Японии. Соответственно, на Западе нет необходимости применять дорогостоящие методы зимнего бетонирования. Повышенные требования в России к бетону по морозостойкости, долговечности и водонепроницаемости жизненно необходимы, а для Западных стран необязательны, что значительно снижает затраты на строительство.

Климат Москвы: рекорды за весь период наблюдений (1879 - 2010 - объединенные данные ТСХА + ВВЦ), предварительный расчет нормы 1981 - 2010
Показатель Янв Фев Мар Апр Май Июн Июл Авг Сен Окт Ноя Дек Год
Максимум, °C 8,6 8,3 17,5 28,0 33,2 34,7 38,2 37,3 32,3 24,0 14,5 9,6 38,2
Средний минимум, °C −9,1 −9,9 −4,3 2,7 7,9 12,1 14,7 12,6 7,6 2,6 −3,3 −6,8 2,1
Минимум, °C −42,2 −38,2 −32,4 −21 −7,5 −2,3 1,3 −1,2 −8,5 −16,1 −32,8 −38,8 −42,2
Норма осадков, мм 52 41 35 37 51 80 85 82 68 71 54 51 713
Источник: Файловый архив. Москва 1820 - 2010 Термограф.ру

Разнообразный и несоизмеримый с Западной Европой и Северной Америкой опыт производства бетонных работ при критических отрицательных температурах наружного воздуха, был получен в массовом масштабе зимой 1941-1942 годов на Урале и в Сибири, при строительстве заводов эвакуированных из Европейской части страны. Потребовалось срочно организовать зимнее бетонирование фундаментов, возведение колонн, стен, перекрытий и т.д. с чем успешно справились отечественные учёные, инженеры, рабочие, строившие затем города и порты за Полярным Кругом на Вечной Мерзлоте.

Заместитель министра Минмонтажспецстроя СССР, основатель ВНИПИ Теплопроекта и Главтепломонтажа Леонид Дмитриевич Солоденников, получив в период войны огромный опыт строительства в суровых северных условиях успешно претворил и развил полученные знания, он основал знаменитый Главтепломонтаж и ВНИПИ Теплопроект.

Многочисленные научно-технические разработки ВНИПИ Теплопроект с большим экономическим эффектом применялись не только в СССР и странах СЭВ но также и на всех континентах, где работали советские инженеры и рабочие.

Спасительными оказались технологии, использующие экзотермию при твердении цементного камня. Основным наиболее эффективным, экономичным, простейшим и надёжным способом выдерживания бетона показал себя метод «Термоса». Правильно рассчитав толщину теплоизоляции и технологию укладки бетона блоками можно производить бетонные работы при любой отрицательной температуре наружного воздуха, практически до - 70 °C. Метод «Термоса» не требует значительных дополнительных затрат электроэнергии и топлива.

Многолетний успешный опыт бетонных работ в суровых зимних климатических условиях предоставил возможность коллективам учёных ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР, НИИЖБ Госстроя, ЦНИИС Минтрансстроя, разработать «Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса», Стройиздат, Москва, 1975.

Сочетание метода «Термоса» с другими способами интенсификации твердения бетона позволяет расширить границы его применения в построечных условиях для возведения сооружений и конструкций при температуре наружного воздуха до минус 70 °C

Одним из универсальных технологических методов зимнего бетонирования служит Комбинированное Электро Воздействие КЭВ применяемое для получения высоких темпов возведения, при низких отрицательных температурах наружного воздуха. Бетонирование в термоактивной опалубке – один из компонентов КЭВ. Термоактивная (греющая) опалубка применяется в виде многослойных щитов, которые оснащены нагревательными элементами и утеплены (Рис.2). Тепломассоперенос осуществляется через палубу щита в поверхностный слой бетона, а затем распространяется по всей его толщине. Обогрев бетона таким способом не зависит от температуры наружного воздуха. Греющую опалубку применяют при возведении тонкостенных и среднемассивных конструкций, а также при замоноличивании стыков и швов.

Конструкции греющей опалубки многообразны. Основное требование, предъявляемое к ним – равномерность распределения температуры по опалубке. В качестве нагревательных элементов применяют: трубчатые электронагреватели (ТЭНы), греющие провода и кабели, гибкие тканевые ленты, а также нагреватели, изготовленные из нихромовой проволоки, композиции полимерных материалов с графитом (углеродные ленточные нагреватели) и токопроводящими элементами и другие. Трубчатые электронагреватели состоят из трубок (стальных, медных, латунных) диаметром 9- 18 мм, внутри которых находится нихромовая спираль. Пространство между спиралью и стенками трубки заполнено кристаллическим оксидом магния (периклаз MgO). Температура разогрева ТЭНов 300-600 градусов С, поэтому они не должны контактировать с поверхностью опалубки, прилегающей к бетону, а располагаться от нее на расстоянии 15…20 мм. Проволочные нагревательные элементы выполняют из нихромовой проволоки диаметром 0,8…3 мм, которую наматывают на каркас из изоляционного материала и изолируют. Такие нагреватели менее надежны, так как подвержены деформациям при погрузочно-разгрузочных работах. 

d4059331e6b6b25d11c4d51e8504e469.jpg

Рисунок 2 Технологии зимнего бетонирования.

В качестве универсального средства обогрева монолитного бетона покрытий и оснований дорог, стыков между сборными конструкциями, стен домов, стволов дымовых труб, оболочек градирен, грануляционных башен и других сооружений и конструкций эффективно применяли Термоактивные Подвесные Покрытия ТАПП – легкие, гибкие устройства с углеродными ленточными нагревателями и проводами, которые обеспечивали плавный нагрев до 500 °C. ТАПП – разработка лаборатории теплофизических исследований ВНИПИ Теплопроект (заведующий лабораторией д.т.н. Игорь Борисович Заседателев).

Изготовляют покрытие путем горячего прессования пакета, состоящего из слоя листовой невулканизированной резины, армирующих стеклотканевых прокладок, углеродных тканевых электронагревателей. Термоактивные гибкие покрытия изготавливают различных размеров, что позволяет их использовать для любых геометрических фигурных конструкций, покрытие ТАПП можно располагать на вертикальных, горизонтальных и наклонных поверхностях. Электропитание ТАПП осуществляется от понижающих трансформаторов напряжением 36…120 В, при оперативном контроле режима прогрева.

Термоактивное покрытие удобно в эксплуатации, транспортировке, компактно и надежно в работе. По окончании производства работ его сворачивают в рулон и укладывают в двухсекционный шкаф. В одной секции расположен трансформатор с щитом управления, в другой – отсеки для хранения покрытия. Обычно применяют передвижные пункты, оснащенные трансформаторами, отсеками для хранения кабельной разводки и комплекта ТАПП.

Перед началом работ проверяют состояние и работоспособность греющей оснастки и автоматики температурного регулирования. Общая схема укладки покрытия на бетонируемую конструкцию, его коммутация и режимы прогрева должны быть приведены в Проекте Производства Работ ППР. Для соблюдения технологического режима прогрева бетона следует каждый час измерять температуру бетона и не менее одного раза в смену измерять температуру наружного воздуха.

Применение ТАППов с конца 1970-х годов обеспечило круглогодичность производства работ при возведении зимой в скользящей опалубке железобетонных стволов дымовых труб Московских ТЭЦ-26 (высотой 150 м), ТЭЦ-23 (высотой 250 м), Экибастузских ГРЭС № 1 (две трубы высотой по 330 м) и ГРЭС № 2 (высотой 420 м), Зуевской ГРЭС (высотой 330 м) и других сооружений.

Можно привести пример комплексного применения Единой Скоростной Технологии возведения дымовой трубы Экибастузской ГРЭС № 1 состоящей из следующих компонентов:

  1. Скользящая опалубка ОКТ разработанная институтом Гидроспецпроект (главный конструктор Марина Тринкер) для конической дымовой трубы наружным диаметром на отметке 0,00 м – 32 м при толщине стенки 800 мм; наружным диаметром на отметке 330,00 м = 12,5 м при толщине стенки = 300 мм, армирование двухрядное А3 диаметром 38 мм с содержанием арматуры 250 кг/м3.
  2.  Химические добавки на основе комплекса из поверхностно-активных веществ ПАВ (СДБ) и электролитов (сульфат натрия).
  3.  Возведение наружного железобетонного ствола трубы в суровых условиях резко-континентального климата было закончено в конце декабря 1979 года при температуре наружного воздуха минус 50 °C и штормовом ветре. Применение при отрицательных температурах (с сентября) ТАППов позволило гарантированно получить проектные марки бетона: B30 (М400), F300, W8 и сдать сооружение заказчику.

В январе 1980 года был начат монтаж внутреннего ствола дымовой трубы из 6-метровых сборных кислотостойких кремнебетонных панелей, и с 1980 года практически бесперебойно, в течении 40 лет, дымовая труба обеспечивает рабочую мощность станции 2500 МВт для Казахстана.

До внедрения технологии ТАПП все работы с примением скользящей опалубки вынуждены были производить только при положительных круглосуточных температурах наружного воздуха. Переходя от традиционной переставной опалубки с темпами возведения не более 1 метр/сутки на скользящую со скоростью от 3 до 9 метр/сутки при более высоком качестве бетона ввиду отсутствия рабочих швов и лучшей геометрии сооружения, используя ТАППы осуществляем круглогодичное возведение в любых климатических условиях!

На рисунке 2 представлены различные методы зимнего бетонирования. Применение ТАПП (Рис 2, п.16 «д») при возведении монолитных железобетонных сооружений любой конфигурации и высоты полностью решает вопросы обеспечения техники безопастности и противопожарной безопастности

b072ba3bf55c4b7a76a742efd01bc5cd.jpg

Рисунок 3. Заведующий лабораторией теплофизических исследований ВНИПИ Теплопроект д.т.н.И.Б. Заседателев докладывает на международном совещании СЭВ о успешном применении ТАПП в 1979 году в Экибастузе. В президиуме директор института к.т.н. И. А. Шишков и заведующий лабораторией высотных и специальных сооружений к.т.н. Б. Д. Тринкер.

Защищать свежеуложенный бетон в условиях сухого и жаркого климата, то есть при температуре +  35-55 °C в тени и относительной влажности окружающего воздуха меньше 25% так же необходимо как и при минусовых температурах. При больших открытых поверхностях конструкций и сооружений категорически необходимо немедленно после распалубки защитить твердеющий бетон от воздействия солнечной радиации и ветра которые приводят к форсированному испарению влаги. Испаряющаяся из бетона влага вызывает внутренний массо- и теплоперенос и, как следствие, возникают переменные термические напряжения, в результате появляются усадочные деформации, образуются трещины и быстро разрушается вся конструкция.

При строительстве монолитных железобетонных сооружений с повышенной объёмной поверхностью ( жилые дома, градирни, гранбашни, дымовые трубы и т.д.) необходимость получения подвижных бетонных смесей от 9 – 12 см до 24 см осадки стандартного конуса при укладке в опалубку вызывает повышенный расход цемента 460- 500 кг на м3 бетона и более. Поэтому особо неблагоприятное воздействие на бетон оказывает начальная пластическая усадка при переменном по периметру этих сооружений нагреве под воздействием солнечной радиации. Трещины в бетоне сооружений возникают как в начальный период твердения бетона под влиянием пластической усадки, так и в процессе эксплуатации. Причинами появления и развития трещин являются: температурные и усадочные напряжения, возникающие в бетоне в процессе тепло- и массообмена с окружающей средой; собственные напряжения (в результате фазовых превращений в твердеющем цементном камне, а также за счёт кристаллизационного и осмотического давлений); напряжения при твердении жидкой фазы, заполняющей поровое пространство бетона; напряжения от действия внешних механических сил.

Одной из возможных причин поверхностного локального разрушения бетона (образования поверхностных трещин) является стеснённая (непроявившаяся) усадка под действием капиллярных сил. Эти силы являются внешними по отношению к твёрдому скелету материала и создают в нём сложное напряжённое состояние.

Величина непроявившейся капиллярной усадки зависит от градиента влагосодержания на поверхности бетона, значение которого определяется начальным влагосодержанием и термодинамическими условиями взаимодействия влажного бетона с окружающей средой, а также от строения порового пространства бетона, определяющего механизм влагопереноса внутри его тела.

Возникающие в поверхностном слое напряжения в процессе становления гигрометрического равновесия с окружающей средой прежде всего отражаются на прочности и морозостойкости бетона.

Испарение влаги уменьшает степень гидратации цемента и приводит к образованию направленных капилляров, что ухудшает микро- и макроструктуру цементного камня и бетона. Это приводит к резкому понижению качества бетона, уменьшает его плотность, прочность, морозостойкость, водонепроницаемость.

Образование трещин и ухудшение структуры бетона под воздействием переменной по величине солнечной радиации по периметру сооружения становятся причиной необратимых изменений в бетоне и понижению качества и долговечности всего сооружения. Поэтому главной заботой технологов-строителей является необходимость уменьшить величину и интенсивность испарения влаги из бетона и создать благоприятные условия для полной гидратации цемента и образования оптимальной поровой структуры цементного камня и бетона благодаря выравниванию градиентов влажности и температуры по сечению стенок сооружения. Это можно обеспечить путём влагозащиты и теплозащиты бетона, способствующих выравниванию температуры по сечению и периметру конструкции.

e582bae434691badd260e728b318f237.jpg

При проектировании и подборе составов бетона, а так же технологии ухода за твердеющим бетоном в условиях повышенных температур наружного воздуха требуется учитывать суточные перепады температур достигающие иногда 20 – 35 градусов, а также относительную влажность воздуха и силу ветра. Например если температура воздуха с 35-55 °C в 13 часов дня снижается до 10-15 градусов ночью, составы бетонных смесей требуют круглосуточной корректировки, так как водопотребность смеси в дневное время на 10-25% больше, чем в ночное. В результате колебаний подвижности бетонных смесей и потери влаги во времени, значительно изменяются в течении рабочих суток : плотность и прочность бетона сооружения.

Опыт бетонирования в сухом жарком климате показал, что необходимо варьировать в течении суток содержанием химических добавок : поверностно-активных веществ ПАВ и суперпластификаторов.

Так же категорическим является требование защиты свежеуложенного бетона от высыхания, что было многократно доказано, а в лабораториях подобраны оптимальные составы временных плёнкообразующих композиций, выполняющих защитные функции в течение периода набора бетоном проектных характеристик.

Впервые в практике строительства возведение высотной дымовой трубы на Экибастузской ГРЭС-1 осуществлялось в условиях сухого и жаркого климата и впервые в отечественной истории : с использованием скользящей опалубки.

Применение скользящей опалубки (с высотой стальных щитов 1 метр) эффективно, но скольжение происходит только по свежему бетону, который должен выходить из-под опалубки оптимальной прочностью 0,2-0,4 МПа и до набора прочности 70% от проектной должен быть надёжно защищён от испарения влаги.

Если прочность выходящего из-под щитов скользящей опалубки бетона будет больше 0,6-0,8 МПА : произойдёт налипание бетона на опалубку с пространственными выровами бетона и деформацией домкратных стержней; если прочность бетона будет меньше 0,2 МПА (то есть он не будет сохранять свою форму) = произойдёт вываливание-оползание бетонной смеси из-под щитов опалубки что так же приведёт к аварии.

Одним словом: должен быть обеспечен постоянный и квалифицированный контроль качества на всех технических постах в соответствии с технологией!

Бетонную смесь на Экибастузской ГРЭС-1 приготовляли на заводе, находящемся в 1,5 км от строительной площадки. Стабилизатор-пластификатор СДБ по разработанной автором статьи технологии вводили в бетонную смесь варьируя содержание при изменении температуры окружающего воздуха:

при 10 – 20 градусах С ………………0,10 – 0,15 %,

при 20 – 30 градусах С ………………0,15 – 0,30 %,

при 35 – 55 градусах С ………………0,30 – 0,50 %,

что гарантированно обеспечило:

1. Соблюдение постоянной подвижности на месте укладки в скользящую опалубку; 2. Получение постоянной прочности бетона при выходе из-под щитов опалубки; 3. Все проектные требования по всем заданным показателям.

При средней скорости подъёма опалубки 2,5 – 4 метра в сутки, бетон стабильно выходил из-под щитов через 4 – 6 часов после уплотнения, принцип «скольжения по свежеуложенному бетону» и получение сооружения монолитного (без рабочих швов) полностью осуществился даже при температуре плюс 55 °C.

После выхода бетона из-под щитов опалубки его покрывали надёжным, простым, дешёвым и широко-распространённым временным плёнкообразующим составом: карбамидной смолой типа УКС (МФ-17) для защиты бетона от высыхания.

Строительство в условиях критических зимних и летних температур предоставило возможность получить значительный научно-производственный опыт [1-5]который можно успешно применять на огромных просторах России.                                                                         

     ВЫВОДЫ

  1. Защищать свежеуложенный бетон от замораживая при отрицательных температурах также необходимо как от солнечной радиации и ветра при высоких летних температурах – гарантия высокой Долговечности всего сооружения.
  2. Применение ТАПП экономически и технически выгодно и решает
  3. Проблемы Техники Безопасности.
  4. Для монолитных сооружений и конструкций с большим модулем поверхности необходимо применять временные полимерные покрытия защищающие бетон от высыхания, особенно в условиях высоких наружных температур. Весьма эффективна теплозащита бетона, способствующая выравниванию температуры по сечению и периметру конструкции.
  5. Количество ПАВ и суперпластификаторов при приготовлении бетона зависит от температуры наружного воздуха и варьируется строительной лабораторией 3 – 4 раза в течении суток.
  6. Сооружения возведённые в СССР при широком диапазоне температур от минус 50 до плюс 55 градусов Цельсия (Рис. 4.): уникальные достижения отечественной науки и технологи

3ade2960cfe42c3062e99a724295d33b.jpg

Рисунок 4. Всесезонное круглогодичное строительство 330-метровой трубы и 150-метровых градирен это доказательство Советских высших научно-технических достижений ХХ века: Ново-Ангренская ГРЭС, Узбекистан, главный технолог А.Б. Тринкер, 1980.

Библиография:

  1. Тринкер Б.Д. Бетонирование крепи шахтных стволов, пройденных по замороженным породам, журнал «Шахтное строительство», № 3, 1962, стр. 7-10.
  2. Тринкер Б.Д. Опыт подводного бетонирования свай методом ВПТ в условиях Крайнего Севера, журнал «Транспортное строительство»,№ 2, 1971, стр. 17-18.
  3. 3. Тринкер Б.Д., Заседателев И.Б. Принципы круглогодичного возведения монолитных промышленных сооружений, «Конструкции и строительство специальных сооружений», сборник трудов ВНИПИ Теплопроект, вып. 47, Москва, 1979.
  4. Тринкер Б.Д. Влияние раннего замораживания на прочность и долговечность бетона, Второй международный симпозиум по зимнему бетонироваию „RILEM – 1975 – Москва“, Генеральные доклады, Москва, Стройиздат, 1976, стр. 239 – 241.
  5. Тринкер А.Б. Опыт производства бетонных работ при возведении специальных высотных сооружений в условиях сухого жаркого климата и отрицательных температур, Минмонтажспецстрой СССР, журнал «Специальные строительные работы» № 11, 1979, стр. 1 – 4. 

Комментарии