Технология бетонирования колонн в зимних условиях

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

1. Развитие железобетонных конструкций в России

Развитие строительных конструкций, в том числе и железобетонных, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества. Появление железобетона во второй половине XIX в. совпало по времени с периодом ускоренного развития промышленности, торговли и транспорта. В этот период возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений, вследствие этого увеличилась потребность в строительных материалах. С одной стороны, это привело к подорожанию уже известных материалов, а с другой – послужило толчком к появлению новых. При строительстве мостов и многих промышленных зданий с дорогим и сложным оборудованием стала ощущаться острая потребность в новых огнестойких, дешевых и надежных в эксплуатации строительных конструкциях. Все это привело к появлению нового строительного материала – железобетона, в котором удачно сочетались лучшие качества каменных материалов и стали.

В 2013г. исполнилось 164 года со времени изобретения железобетона. Родиной этого материала по праву считается Франция. Появление железобетона вызвало революционные преобразования в строительстве. В XX в. железобетон получил широкое распространение как материал, имеющий обширную сырьевую базу, экологически безопасный, наиболее подходящий для изготовления различных строительных изделий, конструкций и систем.

Историю развития железобетонных конструкций можно условно разделить  на четыре периода.

1. Период возникновения железобетона (1849 – 1885 гг.). Характеризуется появлением первых конструкций из армированного бетона. В этот период железобетонные конструкции появились практически одновременно в нескольких высокоразвитых странах (Франции, Великобритании, США и Германии). Первым документально зафиксированным изделием из железобетона явилась лодка, построенная в 1849 г. Жаном Луи Ламбо (Франция), адвокатом по профессии.

В России впервые железобетон был использован в 1879г. инженером Д.Ф.Жаринцевым при возведении стен зданий в Батуми. Однако исследования покрытий Екатерининского дворца в Царском Селе показали, что русские мастера еще в 1802г. применяли армированный бетон, но не считали, что получили новый строительный материал, и не запатентовали его.

2. Период освоения железобетона в строительстве (1886 – 1917 гг.). В России с 1886г. железобетон стал применяться для устройства междуэтажных перекрытий по стальным балкам. Развитие железобетонных конструкций шло под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики. Начало широкому использованию железобетона в России положили проведенные в Санкт-Петербурге в 1891г. под руководством профессора Института путей сообщения Н.А.Белелюбского публичные испытания различных железобетонных. Эти испытания выявили большие преимущества железобетона перед другими строительными материалами. В 1904г. при участии профессора Н.А.Белелюбского в Николаеве был построен первый в мире железобетонный морской маяк высотой 40,2м со стенами толщиной 10см вверху и до 20см внизу. С 1898г. железобетонные конструкции нередко применялись в России при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и гражданском строительстве. В России в 1908г. впервые в мире были утверждены технические условия на железнодорожные сооружения из железобетона.
3. Первый период широкого применения железобетона в нашей стране (1918 – 1945 гг.). После революции в октябре 1917 г. произошли коренные изменения в экономике страны. Сразу после окончания гражданской войны перед руководством страны встали задачи восстановления разрушенного хозяйства и выполнения все возрастающих планов капитального строительства. Решение этих проблем в то время было бы невозможно без широкого применения железобетона.

В 1928г. в России появились первые сборные железобетонные конструкции, которые затем стали все шире применяться в промышленном и гражданском строительстве. Первый дом из сборного железобетона был построен в 1930г. в Москве. У истоков инженерного решения этого дома стояли выдающиеся российские инженеры А.Ф.Лолейт, Е.В.Костырко, А.А.Гвоздев.

4. Второй период широкого применения железобетона в нашей стране начался в 1946г. и продолжается по настоящее время. После окончания Второй мировой войны весьма резко возросла потребность в новом строительстве, и положение железобетона среди других строительных материалов стало доминирующим.

Началом бурного развития сборного железобетона в СССР послужило постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР «О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства», принятое 19 августа 1954г. Появились заводские технологии изготовления железобетонных конструкций. Претерпели большие изменения конструктивные формы зданий и сооружений в связи с переходом на полносборное строительство. Была создана обширная номенклатура типовых сборных железобетонных изделий для массового применения (балки, фермы, панели, фундаментные блоки, дорожные и аэродромные плиты покрытия и др.). Использование сборного железобетона позволило вести строительство круглогодично и в огромных масштабах.

Производство сборного железобетона по Российской Федерации в настоящее  время составляет примерно 30 млн м³ в год, железобетон является основным конструктивным материалом в строительстве, так как он обладает высокой прочностью, долговечностью, стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных сред, способностью твердеть и наращивать прочность под водой, допускает изготовление конструкций самой разнообразной формы и не требует практически никаких эксплуатационных расходов.

Обеспечение российского населения жильем, создание безопасной среды обитания в городах, зависит от развития производства основного строительного материала современности – железобетона.

2. Особенности бетонирования колонн в зимних условиях

2.1 Колонна и ее виды

В архитектуре колонна  – вертикальная опора, которая имеет  вид цилиндрического или многогранного  столба и состоит из базы, ствола и капители, а также всякая подобная колонне опора из любого материала.

Энциклопедический словарь  Брокгауза и Эфрона дает следующее определение: Коло́нна (греч. κιων, στύλος, лат. columna) в архитектуре – конструктивный элемент, употребляемый в качестве звена между основанием сооружения и его частями.

В зданиях и сооружениях  колонны служат для передачи нагрузок от опирающихся на них конструкций на фундаменты (Рис.1).

Рис.1 Колонны первого этажа

Колонна также может не поддерживать какой-либо массивный  строительный элемент, а служить  декоративным или триумфальным украшением, например, со статуей на вершине (Рис.2).

Рис.2 Александровская колонна – композиционный центр Дворцовой площади

По виду нагрузок различают  центрально сжатые колонны, где возникает только продольная сила и внецентренно-сжатые колонны (здесь возникает продольная сила и изгибающий момент).

По расположению в плане  делят на колонны средних и  крайних рядов. Также для крановых и бескрановых зданий.

Если расстояние между  колоннами большое, как в плоскостях продольных, так и торцевых стен, то устанавливают фахверковые колонны. Последние применяются в случае, если длина стеновой панели не соответствует шагу колонн.

По материалу различают  металлические и железобетонные колонны. Последние применяют в качестве каркасов производственных зданий. Их выпускают согласно ГОСТ 25628-90 «Колонны железобетонные для одноэтажных зданий предприятий», ГОСТ 18979-90 «Колонны железобетонные для многоэтажных зданий».

Для многоэтажных зданий железобетонные колонны подразделяются на виды:

А) в зависимости от количества этажей – одно-, двух-, трехэтажные;

Б) от расположения колонны в каркасе – верхние, нижние, средние, на всю высоту здания;

В) от количества консолей – одно-, двухконсольные.

Все они имеют размеры 400х400см и 400х600см.

Для одноэтажных зданий подразделяют следующие виды железобетонных колонн:

А) сплошного поперечного сечения, которые в свою очередь подразделяются на типы:

• К – для каркасов зданий без мостовых опорных и подвесных кранов и зданий, оборудованных подвесными кранами, при стропильных конструкциях покрытий с прямолинейным нижним поясом;
• КС – то же, при стропильных конструкциях покрытий с провисающим нижним поясом;
• КК – для каркасов зданий, оборудованных мостовыми электрическими опорными кранами, при стропильных конструкциях покрытий с прямолинейным нижним поясом;
• ККС – то же, при стропильных конструкциях покрытий с провисающим нижним поясом;
• ККП – для каркасов зданий, оборудованных мостовыми электрическими опорными кранами, с проходами в уровне крановых путей, при стропильных конструкциях покрытий с прямолинейным нижним поясом;
• КР – для каркасов зданий, оборудованных мостовыми ручными опорными кранами, при стропильных конструкциях покрытий с прямолинейным нижним поясом.

Б) двухветвевые колонны, которые также делятся на несколько типов:

• КД – для каркасов зданий, оборудованных электрическими опорными и подвесными кранами и зданий без кранов;
• КДП – для каркасов зданий, оборудованных мостовыми электрическими опорными кранами, с проходами в уровне крановых путей;
• КДФ – для фахверков стеновых ограждений зданий (фахверковые колонны).

Размеры поперечного сечения  имеют значения 300х300см, 300х400см, 400х400см, 400х500см, 500х500см, и зависят от вида здания, его высоты. В особых случаях железобетонные колонны также могут быть и монолитными и изготавливаться на месте.

2.2 Бетонирование колонн в обычных условиях

Наиболее массовыми конструкциями, возводимыми в монолитном железобетоне, являются колонны сечением 0,4×0,4м – 0,6×0,8м. 
В зависимости от требуемой несущей способности они могут быть слабо 
и сильно армированы. Конструкции с густым армированием бетонируют смесью с осадкой конуса 6-8см и крупностью заполнителя до 20мм,  
со слабым армированием – смесью с осадкой конуса 4-6см и крупностью заполнителя до 40 мм.

Рис.3 Технологические схемы бетонирования колонн: высотой до 5 м (а) и более (б), с густой арматурой балок (в), схема опалубки со съемным щитом (г): 1 – опалубка, 2 – хомут,  
3 – бадья, 4 – вибратор с гибким валом, 5 – приемная воронка, 6 – звеньевой хобот, 7 – навесной вибратор, 9 – карманы, 10 – съемный щит.

Колонны высотой до 5м бетонируют непрерывно на всю высоту. Бетонную смесь загружают сверху с помощью бадьи или гибкого хобота манипулятора бетоновода и уплотняют глубинными вибраторами. Если высота колонн более 5м, смесь подают через воронки по хоботам, а уплотняют навесными или глубинными вибраторами. При использовании глубинных вибраторов в опалубке уплотняют и подают бетонную смесь. Иногда для подачи бетонной смеси опалубку колонн выполняют со съемными щитами, которые устанавливают после бетонирования первого яруса.

Балки и плиты, монолитно  связанные с колоннами, бетонируют не ранее чем через 1-2ч по окончании бетонирования колонн. Такой перерыв необходим для осадки бетона, уложенного в колонны (Рис.3).

2.3 Бетонирование колонн  в зимних условиях

Понятие «зимние условия» в технологии монолитного бетона и железобетона несколько отличается от общепринятого – календарного. Зимние условия начинаются, когда среднесуточная температура наружного воздуха снижается до +5°С, а в течение суток имеет место падение температуры ниже 0°С.

При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода переходит в лед и не вступает в химическое соединение с цементом. 
В результате этого прекращается реакция гидратации и, следовательно, бетон не твердеет. Одновременно в бетоне развиваются значительные силы внутреннего давления, вызванные увеличением (примерно на 9%) объема воды при переходе ее в лед. При раннем замораживании бетона его неокрепшая структура не может противостоять этим силам и нарушается. При последующем оттаивании замерзшая вода вновь превращается в жидкость и процесс гидратации цемента возобновляется, однако разрушенные структурные связи в бетоне полностью не восстанавливаются.

Замораживание свежеуложенного  бетона сопровождается также образованием вокруг арматуры и зерен заполнителя  ледяных пленок, которые благодаря  притоку воды из менее охлажденных  зон бетона увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры 
и заполнителя.

Все эти процессы значительно  снижают прочность бетона и его  сцепление с арматурой, а также  уменьшает его плотность, стойкость  и долговечность.

Если бетон до замерзания приобретает определенную начальную  прочность, то все упомянутые выше процессы не оказывают на него неблагоприятного воздействия. Минимальную прочность, при которой замораживание для  бетона не опасно, называют критической.

Величина нормируемой  критической прочности зависит  от класса бетона, вида и условий  эксплуатации конструкции и составляет: для бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой – 50% проектной прочности для В7,5-В10, 40% для В12,5-В25 и 30% для В 30  
и выше, для конструкций с предварительно напрягаемой арматурой – 80% проектной прочности, для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или расположенных в зоне сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов – 70% проектной прочности, для конструкций, нагружаемых расчетной нагрузкой – 100% проектной прочности.

Продолжительность твердения  бетона и его конечные свойства 
в значительной степени зависят от температурных условий, в которых выдерживают бетон. По мере повышения температуры увеличивается активность воды, содержащейся в бетонной смеси, ускоряется процесс 
ее взаимодействия с минералами цементного клинкера, интенсифицируются процессы формирования коагуляционной и кристаллической структуры бетона. При снижении температуры, наоборот, все эти процессы затормаживаются, и твердение бетона замедляется.

При бетонировании колонн в зимних условиях необходимо создать  
и поддерживать такие температурно-влажностные условия, при которых бетон твердеет до приобретения или критической, или заданной прочности 
в минимальные сроки с наименьшими трудовыми затратами. Для этого применяют специальные способы приготовления, подачи, укладки  
и выдерживания бетона.

При приготовлении бетонной смеси в зимних условиях ее температуру  повышают до 35-40°С путем подогрева заполнителей и воды. Заполнители подогревают до 60°С паровыми регистрами, во вращающихся барабанах, 
в установках с продувкой дымовых газов через слой заполнителя, горячей водой. Воду подогревают в бойлерах или водогрейных котлах до 90°С. Подогрев цемента запрещается.

При приготовлении подогретой бетонной смеси применяют иной порядок  загрузки составляющих в бетоносмеситель. В летних условиях  
в барабан смесителя, предварительно заполненного водой, все сухие компоненты загружают одновременно. Зимой во избежание «заваривания» цемента в барабан смесителя вначале заливают воду и загружают крупный заполнитель, а затем после нескольких оборотов барабана - песок и цемент. Общую продолжительность перемешивания в зимних условиях увеличивают в 1,2-1,5 раза. Бетонную смесь транспортируют в закрытой утепленной  
и прогретой перед началом работы таре (бадьи, кузова машин). Автомашины имеют двойное днище, в полость которого поступают отработанные газы мотора, что предотвращает теплопотери. Бетонную смесь следует транспортировать от места приготовления до места укладки по возможности быстрее и без перегрузок. Места погрузки и выгрузки должны быть защищены от ветра, а средства подачи бетонной смеси в конструкции (хоботы, виброхоботы и др.) утеплены.

Опалубку и арматуру до бетонирования очищают от снега  и наледи, арматуру диаметром более 25мм, а также арматуру из жестких прокатных профилей и крупные металлические закладные детали при температуре ниже - 10°С отогревают до положительной температуры.

Бетонирование следует вести  непрерывно и высокими темпами, при  этом ранее уложенный слой бетона должен быть перекрыт до того, как в  нем температура будет ниже предусмотренной.

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:

• метод, предусматривающий использование начального теплосодержания, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении или перед укладкой в конструкцию, и тепловыделение цемента, сопровождающее твердение бетона - так называемый метод «термоса»,
• методы, основанные на искусственном прогреве бетона, уложенного в конструкцию - электропрогрев, контактный, индукционный  
  и инфракрасный нагрев, конвективный обогрев,
• методы, использующие эффект понижения эвтектической точки воды в бетоне с помощью специальных противоморозных химических добавок.

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»

Технологическая сущность метода «термоса» заключается в том, 
что имеющая положительную температуру (обычно в пределах 15-30°С) бетонная смесь укладывается в утепленную опалубку. В результате этого бетон конструкции набирает заданную прочность за счет начального теплосодержания и экзотермического тепловыделения цемента за время остывания до 0°С (Рис.4).

Рис.4 Схема выдерживания бетона методом термоса:

1 – опалубка; 2 – бетон; 3 – пароизоляция; 4 – теплоизоляция; 5 – температурная кривая разогрева бетона.

В процессе твердений бетона выделяется экзотермическая теплота, количественно зависящая от вида применяемого цемента и температуры  выдерживания.

Наибольшим экзотермическим  тепловыделением обладают высокомарочные и быстротвердеющие портландцементы. Экзотермия бетона обеспечивает существенный вклад в теплосодержание конструкции, выдерживаемой методом «термоса». Поэтому при применении метода «термоса» рекомендуется применять бетонную смесь на высокоэкзотермичных портландских и быстротвердеющих цементах, укладывать с повышенной начальной температурой и тщательно утеплять.

Бетонирование методом  «Термос с добавками-ускорителями»

Некоторые химические вещества (хлористый кальций СаСl, углекислый калий-поташ К2СО3, нитрат натрия NaNO3 и др.), введенные 
в бетон в незначительных количествах (до 2% от массы цемента), оказывают следующее действие на процесс твердения: эти добавки ускоряют процесс твердения в начальный период выдерживания бетона. Так, бетон с добавкой 2%-ного 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 -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 -15-20°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.

Бетонирование «Горячий термос»

Заключается в кратковременном  разогреве бетонной смеси 
до температуры 60-80°С, уплотнении ее в горячем состоянии и термосном выдерживании или с дополнительным обогревом.

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.

Таким образом, как выделяемая мощность, так и количество выделяемой за промежуток времени теплоты зависят  от подводимого 
к электродам напряжения (прямая пропорциональность) и омического сопротивления прогреваемой бетонной смеси (обратная пропорциональность).

В свою очередь, омическое  сопротивление является функцией геометрических параметров плоских электродов, расстояния между электродами и удельного  омического сопротивления бетонной смеси.

Электроразогрев бетонной смеси осуществляют при напряжении тока 380 и реже – 220 В. Для организации электроразорева на строительной площадке оборудуют пост с трансформатором (напряжение на низкой стороне 380 или 220 В), пультом управления и распределительным щитом.

Электроразогрев бетонной смеси  осуществляют в основном в бадьях или в кузовах автосамосвалов.

В первом случае приготовленную смесь (на бетонном заводе), имеющую  температуру 5-15°С, доставляют автосамосвалами 
на строительную площадку, выгружают в электробадьи, разогревают 
до 70- 80°С и укладывают в конструкцию. Чаще всего применяют обычные бадьи («туфельки») с тремя электродами из стали толщиной 5мм, к которым с помощью кабельных разъемов подключают провода (или жилы кабелей) питающей сети. Для равномерного распределения бетонной смеси между электродами при загрузке бадьи и лучшей выгрузке разогретой смеси  
в конструкцию на корпусе бадьи установлен вибратор.

Во втором случае приготовленную на бетонном заводе смесь доставляют на строительную площадку в кузове автосамосвала. 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 10-15мин 
до температуры смеси на быстротвердеющих портландцементах 60°С,  
на портландцементах – 70°С, на шлакопортландцементах – 80°С.

Для разогрева смеси до столь высоких температур за короткий промежуток времени требуются большие  электрические мощности. Так, для разогрева 1м смеси до 60°С за 15 мин требуется 240 кВт, а за 10 мин – 360 кВт установленной мощности.

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.

Физическая сущность электропрогрева (электродного прогрева) идентична рассмотренному выше способу электроразогрева бетонной смеси, то есть используется теплота, выделяемая в уложенном бетоне при пропуске через него электрического тока.

Образующаяся теплота  расходуется на нагрев бетона и опалубки 
до заданной температуры и возмещение теплопотерь в окружающую среду, происходящих в процессе выдерживания. Температура бетона при электропрогреве определяется величиной выделяемой в бетоне электрической мощности, которая должна назначаться в зависимости 
от выбранного режима термообработки и величины теплопотерь, имеющих место при электропрогреве на морозе.

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:

1. мощность, выделяемая в бетоне при электропрогреве, должна соответствовать мощности, требуемой по тепловому расчету;
2. электрическое и, следовательно, температурное поля должны быть по возможности равномерными;
3. электроды следует располагать по возможности снаружи прогреваемой конструкции для обеспечения минимального расхода металла;
4. 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. Они 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. В результате токообмена между противолежащими электродами весь объем конструкции нагревается. С помощью пластинчатых электродов прогревают слабоармированные конструкции правильной формы небольших размеров (колонны, балки, стены и др.).

Полосовые электроды изготовляют  из стальных полос шириной  
20-50мм 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 50см. Периферийный электропрогрев применяют для конструкций любой массивности.

При сложной конфигурации бетонируемых конструкций при меняют стержневые электроды – арматурные прутки диаметром 6-12мм, устанавливаемые в тело бетона.

Наиболее целесообразно  использовать стержневые электроды  в виде плоских электродных групп. В этом случае обеспечивается более равномерное температурное поле в бетоне.