Бетониране при ниски температури

Отдавна вече не може да се говори за сезонен характер в строителството. Кратките срокове притискат инвеститори и строители и се налага строителството да се извършва целогодишно, независимо от температурите на околната среда и дали са подходящи условията за строителство, и в частност – за бетонови работи. Строителните дейности се изпълняват интензивно както при летни, така и при зимни условия. Бетонирането през зимата вече не е рядкост. Въпреки това, когато се налага извършването на бетонови работи при ниски температури, е необходимо да се вземат конкретни мерки и да се приложат определени технологични методи, които да осигурят качественото извършване на процеса и обезпечаване на носещата способност на конструкцията.

При изграждането на бетонни и стоманобетонни конструкции важна част от целия комплексен технологичен процес заемат бетоновите работи. Тяхното изпълнение се състои от няколко етапа: приготвяне на бетонната смес, транспортирането й, полагане в кофражните форми, уплътняването й, и втърдяване на бетона. Бетонната смес започва да се превръща във втвърден бетон след хидратацията на цимента, при която циментното тесто се превръща в циментов камък. Когато, обаче, този процес се извършва при ниски температури на околната среда, хидратацията на цимента е възпрепятствана, което води след себе си допълнителни усложнения и неприятни последствия за бетона и конструктивните елементи. Нека разгледаме какви са особеностите на зимното бетониране и начините за предотвратяване на неприятните последици.

Бетониране при зимни условия
Зимно бетониране е това, при което бетонната смес се обработва при температури под +5°С или при минимална дневна стойност под 0°С. Един от основните проблеми, когато се бетонира при такива условия, е замръзването на бетонната смес – или при транспортирането й, или при полагането й.
Ниските температури са критични, тъй като предотвратяват свързването на цимента. При отрицателни температури циментът почти не взаимодейства с водата, така че да се получи нова структура, която обуславя якостта на циментовия камък, оттам и якостта на бетона. Дори при температура -7°С химичната реакцията напълно спира. Тоест, при бетониране при ниски температури последващата обработка на бетона, както и достигането на проектната якост, ще отнеме много повече време, а при отрицателни температури дори няма да набере якост. В случай, че бетонната смес замръзне, структурата на бъдещия бетон се нарушава, тъй като няма връзка между циментовия камък и зърната на добавъчния материал. Обвиващата бетона вода увеличава обема си като се превръща в лед, което води до разрушаване. Колкото по-рано е замръзнал бетонът, толкова по-ниски са якостните му показатели. Съществуват два основни момента: критична възраст – преди нея бетонната смес не може да се подложи на отрицателни температури, тъй като няма да набере достатъчна якост.; критична якост – гарантира, че при последващо замръзване то няма да се отрази силно върху качествата на бетона, или бетонът е набрал достатъчна якост.
Когато бетонът замръзне преди да е набрал минимална критична якост на натиск от 10MPa в структурата му възникват пукнатини, предизвикани от разширяването на превърналата се в лед вода. Това води до значително намаляване на якостните показатели, а понякога и до пълна загуба на носимоспособност. Също така, замръзването на бетона веднага след полагането му води до рязко намаляване на сцеплението му с армировката. Именно затова бетонирането при ниски температури крие редица рискове. Но ако бъдат предприети всички необходими мерки при направа на бетонната смес, впоследствие нейното транспортиране, полагането й и грижите за бетона до набиране на критична якост, е напълно възможно да се извърши бетониране при ниски температури. Основната цел на всички мероприятията, които се предприемат при зимно бетониране, е да се достигне минималната критична якост на бетона във възможно най-кратки срокове.
Качествата на бетонната смес също са предпоставка за увеличаване на рисковете, особено при зимното бетониране. За да се намалят тези рискове, преди още да са предприети конкретни мероприятия, касаещи бетонирането при зимни условия, е много важно да е гарантирано първо качеството на бетонната смес. Всички входни компоненти – бетон, добавъчни материали и химически добавки, трябва да са с гарантирано качество. Следващият момент, на който също трябва да се обърне специално внимание, са технологичните операции при полагане на бетонната смес и след това до набиране на необходимата якост.

Препоръки, мерки и технологични решения при зимно бетониране
Когато се налага да се бетонира през зимата, два са основните момента, които трябва да бъдат съблюдавани, а изпълнението им е от решаващо значение за качествени бетонови работи, независимо от климатичните условия.

От една страна трябва да се ускори времето за втърдяване на бетона, което най-често се постига чрез влагане на бързовтвърдяващи и висококачествени цименти и с влагането на ускоряващи химически добавки в бетонната смес. От друга страна – трябва да се осигурят условия за по-бавното изстиване на бетонната смес, било то чрез употреба на топлоизолирани кофражни форми или покриване на бетонната повърхност с топлоизолационни покривала.

Когато средната денонощна температура на въздуха е по-ниска от 5°С, трябва да се предприемат специални мероприятия и грижи, за да се гарантират качествени бетонови работи, необходими условия за набиране на якост на бетона. Ако се наложи бетониране при ниски температури, е удачно използването на топли бетонови смеси, а тяхното транспортиране трябва да се извърши възможно най-бързо, за да има минимални топлинни загуби. Полагането на бетонната смес трябва да е върху незамръзнала почвена основа или върху предварително загрети кофражни форми. Отлежаването на бетона в зимни условия се извършва по метода „Термос“ или чрез допълнително нагряване.

Приготвяне на топли бетонови смеси
При тази технология се загряват водата и пълнителите, в зависимост от марката на цимента, свойствата на бетоновата смес, условията за полагане. Водата се загрява максимално до 80-90оС, а пълнителят (пясък и чакъл) – до 60оС. Водата се загрява с пара или електрически ток.

Най-високата допустима температура на сместа при изливането й, трябва да е 35-45°С, а транспортирането и полагането в кофража трябва да се изпълни максимално бързо, в рамките на 30 минути.

Друг начин за постигане на топли бетонови смеси е нагряване на готовата смес, която предварително се приготвя с незагряти материали. Електронагряването на готовата смес се извършва в специален за целта бункер, в рамките на 5 до 15 минути, чрез потопени в сместа електроди с променлив ток. Загрятата бетонова смес се полага бързо за не повече от 20-30 минути. След полагането горната повърхност на бетонираните елементи се покрива с паро- и топлоизолационни покрития.

Нагряване с инфрачервени лъчи
Процесът се базира на свойството на материалите да поглъщат част от спектъра на инфрачервените лъчи, при което лъчистата енергия се превръща в топлинна. За нагряване на бетони се използват излъчващи тела (инфрачервени нагреватели) със спектър на вълните от 0,76 до 6μm.

Пропарване и топловъздушно нагряване
Топлинната обработка чрез пропарване или топловъздушно нагряване се осъществява, като около монолитната бетонна или стоманобетонна конструкция се създава специално затворено пространство, в което се подава водна пара или топъл въздух по определен температурно-нагревен режим. Топлоносителят при пропарването е наситена пара или паровъздушна смес, а при въздушно нагряване – топъл въздух от калорифери или други отоплителни тела.

Метод „Термос“
Методът „Термос” се състои в отлежаване и втвърдяване на положения в кофражните форми бетон под действието на съдържащите се в бетонната смес топлина при полагането, и на вътрешна топлина, отделяна при екзотермалния процес на втвърдяване. При този метод се провеждат технически и технологически мероприятия, с които се постига: по висока начална температура на бетонната смес след полагането й, ускорено втвърдяване на бетона в ранна възраст, по-бавно изстиване на положения бетон.

Бетонната смес се забърква с гореща вода – около 80оC, а за инертните материали вода с температура до 60оС. Отлетият бетон се покрива с изолиращ материал. Топлоизолационните пластове на топлоизлацията на кофражната форма и на откритата бетонна повърхност се подбират от подходящи материали с нисък коефицент на топлопроводимост и от плътни материали: покривна мушама, полиетиленово платно, шперплат и др. Използването на изолиращо покривало не позволява влагата и топлината да напуснат и така се поддържа минималната необходима температура от 10-12°С.

Метод „Термос“ се основава на температурния баланс в бетонираната конструкция в процеса на изстиването й, изразено с Q=Q1+Q2, където Q е топлината, излъчена от конструкцията по време на изстиването, Q1 е топлината, акумулирана в бетонната смес, Q2 е топлината, получена от екзотермията на цимента по време на изстиването на бетона.

В обобщение може да кажем, че същността на метод „Термос“ се състои в това да запази топлината, получена при производството на сместа и топлината, отделена при хидратацията на цимента. За да се осъществи това, прясно положеният бетон трябва да бъде топлоизолиран. Използваната топлоизолация предпазва бетона от прекомерно охлаждане. Всичко това трябва да бъде осигурено, докато бетонът набере необходимата критична якост.

Използване на химически добавки
Добавките са материали, под формата на прах/люспи/гранули или течност, които се добавят в състава на бетонната смес с цел постигане на желани характеристики на бетона, които не могат да бъдат постигнати при обичайни технологии на полагане на бетоновите смеси.

Добавките, използвани при зимното бетониране, са добавки, които при нормални температурни условия стимулират процеса на взаимодействие на водата с цимента и ускоряват процеса на втърдяване и набиране на якост. Посредством тяхната употреба се постига ускоряване на хидратацията на цимента и редуциране на направната вода, а от там и по-бързото достигане на минималната изисквана якост от 10Mpa. Добавките, използвани с цел предотвратяване на замръзването, са водоразтворими соли, които понижават температурата на замръзване на водата, съответно на бетонната смес. По своята същност тези добавки са ускорители - намаляват температурата на замръзване на водата в бетонната смес, от друга – ускоряват химичните реакции в цимента. По-добър ефект върху темпа на набиране на якост на бетона се постига, когато добавките ускорители се комбинират със силно водонамаляващи химични добавки (суперпластификатори), чието действие се изразява в ускорена водна редукция, при запазена обработваемост на бетонната смес, вследствие на което е налице ранно набиране на якост на бетонната смес и повишена устойчивост при замръзване. Така се постига допълнително ускоряване на хидратационните процеси и намаляване на количеството на вода в бетонната смес.

Калциевият хлорид (CaCl2) е един от най-старите и най-често прилагани ускорители. Използва се в две агрегатни състояния. В единия случай може да се влага като твърд материал – под формата на люспи или гранули, в другия случай – като течност (воден разтвор на калциев хлорид, където количеството на калциевия хлорид е по преценка на инвеститора/проектанта). Без значение от формата, под която е вложен в бетонната смес, количеството на калциевия хлорид не бива да надвишава 2% от това на вложения цимент. Като цяло, без значение от вида на вложената добавка, концентрацията й в бетонната смес трябва да е от 1 до 3% от масата на цимента, което не води до промяна в температурата на замръзване на бетонната смес.

Калциевият хлорид (CaCl2) и Натриевият хлорид (NaCl) са соли, които понижават температурата на замръзване на водата и имат ролята на „антифриз“. Действието на хлорните соли се изразява в увеличаването на разтворимостта на калциевата основа, образувана при хидратацията на цимента и в интензифициране на хидролизата на клинкерните минерали, в резултат се оформят нови слаборазтворими във вода съединения. Вложени в по-голямо количество, тези добавки имат корозионно действие върху армировката. Затова не се препоръчва използването им при стоманобетонни конструкции, освен ако не е осигурено бетоново покритие на армировката над 5cm. Освен тези две добре познати съединения, като добавки при зимно бетониране може да се влагат и други съединения - NaNO3, NaNO2, Na2SO4, K2CO3, Ca(NO2)2. Тези съединения могат да се използват и при армирани конструкции, тъй като не са агресивни по отношение на вложената конструктивна армировка. Не се допуска употребата им, обаче, при предварително напрегнати конструкции, при бетони, работещи в условията на променливо водно ниво или в зони на блуждаещи токове.

Разбира се, използването на химически добавки не е панацея за решаване на проблема с бетонирането при зимни условия. Ефективни са, но използването им трябва да е в разумни граници. Не може да се разчита изцяло само на тяхното действие, и употребата им не освобождава инвеститора и строителя от задължението да осигурят необходимите условия за втвърдяване на бетона и да го предпазят от замръзване в първите дни след бетониране.