Бетонирование при отрицательных температурах

Проектная прочность изделия из бетонной смеси достигается при соблюдении режима заливки. Для бетонных работ при отрицательных температурах воздуха разработаны специальные рекомендации, соблюдение которых исключит отрицательные последствия эксплуатации готовой конструкции.

Содержание

• 1 Влияние температуры на твердение бетона
• 2 Методики бетонирования в зимних условиях
  • 2.1 Повышение температуры в процессе замеса
  • 2.2 Подогрев и утепление раствора
  • 2.3 Введение добавок
• 3 Общие рекомендации при заливке

Влияние температуры на твердение бетона

После добавления воды в песчано-цементную смесь компоненты взаимодействуют между собой. Гидратация с образованием алюминатов происходит на начальной стадии. В результате образуются кристаллы, которые спустя 6-10 часов приобретают каркасную структуру. На стадии твердения состава в реакцию с водой вступают клинкерные компоненты, которые формируют силикатную структуру из мелких кристаллов.

Укладка бетона при низких температурах требует учета скорости застывания состава. При +17ºC процесс замедляется, а +5,2ºC — прекращается, а 0ºC — образуется лед.

Физический процесс образования льда приводит к разрыхлению внутренней структуры бетона, потере плотности. Целостность заливки поддерживается визуально за счет смерзшейся влаги. Если до этого момента набрана критическая прочность бетона, то после потепления он достигнет проектного показателя.

Для нормального протекания реакции требуется поддержание температурного режима около +20ºC в течение 28 суток. Предотвратить интенсивное испарение воды после укладки можно с помощью гидроизоляционного слоя. Для каждой марки бетонной смеси установлены допустимые пределы.

Методики бетонирования в зимних условиях

После заливки бетона при низком температурном градиенте рекомендуется принять комплекс эффективных мер, препятствующих замерзанию воды.

Для этого используют:

• электрический подогрев уложенной смеси;
• утепление опалубки;
• холодное бетонирование без прогрева с использованием химических присадок;
• изготовление состава из заранее подогретых компонентов.

Каждый способ характеризуется преимуществами, имеет рациональное применение, которое определяется наличием энергоресурсов, объемом возводимой конструкции. Определяющим фактором бетонирования при отрицательных температурах являются климатические условия.

Повышение температуры в процессе замеса

Укладывать подогретый бетон при отрицательных температурах можно с соблюдением технологии укладки. Она предусматривает заливку нагретого состава в утепленную опалубку. Этот тип бетонирования требует правильного выбора марки цемента.

Замес, в который вводятся наполнители, прогретые потоком горячего воздуха, доводят до температуры не ниже +85ºC. Технология приготовления предусматривает соблюдение алгоритма действий, которые обеспечат качество заливки.

Чтобы бетон набрал проектную прочность, следует сохранять температурный режим. Для этого залитый раствор накрывают матами, пленкой. Эффективным способом длительного сохранения тепла является использование опалубки из прессованного пенополистирола. Экструзионный материал после застывания не снимают, он становится частью конструкции и дополнительной теплоизоляцией.

Подогрев и утепление раствора

Создать условия для кристаллизации бетона при отрицательной температуре внешней среды помогает электрический ток. Уложенный раствор греют с использованием специальных металлических пластин или стержней, погруженных в смесь. Техническими нормами предусмотрены периферийные и сквозные способы электрического нагрева. По окончании нагрева электроды становятся частью конструкции.

Вода, находящаяся в бетоне, замыкает цепь, и за счет сопротивления энергия преобразуется в тепло. При подогреве этим способом рассчитывают, сколько времени потребуется для достижения критической прочности состава. Методика ускоряет кристаллизацию бетона, применяется для конструкций без армирования.

В частном строительстве рекомендуется прокладка по внутренней стороне опалубки согревающих кабелей. Периферийный нагрев осуществляется с помощью греющей опалубки. Одновременно устанавливают термоизоляционный слой для сохранения тепла.

Минусом пассивного нагрева является высокая вероятность пересушить бетон. Подогрев бетонной массы требует круглосуточного контроля, чтобы исключить повышение температуры свыше +30ºC. Применение греющих технологий требует расчетов.

В зимнем строительстве применяются греющие инфракрасные маты. Они состоят из водоустойчивой оболочки, нагревательного элемента и изоляционного слоя. Согревающие маты равномерно распределяют температурное поле внутри конструкции и на расстоянии до 19,5 см. Их можно применять при заливке бетона зимой с внешней температурой до -20ºC.

Благоприятные условия для набора проектной прочности состава создают путем постройки временных тепляков. Такая конструкция состоит из прочного каркаса, обшитого фанерой или обтянутого пленкой.

Внутреннее пространство нагревается с помощью калориферов, портативных горелок, инфракрасных приборов. Микроклимат в сооружении следует постоянно контролировать. Разогретые воздушные потоки интенсивно забирают влагу из раствора, поэтому поверхность периодически увлажняют теплой водой и накрывают полиэтиленовой пленкой.

Введение добавок

Бетонирование при отрицательных температурах может выполняться без подогрева. Для лучшего застывания в состав смеси вводятся добавки. Этот метод сочетается с внешней и внутренней тепловой обработкой.

Насыщение раствора химическими присадками сочетают с сооружением теплоизоляционной оболочки на выступающих частях конструкции.

В состав бетонных смесей, заливаемых при низкой температуре, добавляют вещества, которые обладают такими свойствами:

• понижают точку замерзания;
• ускоряют твердение.

Соединения составляют 2-10% массы цементного порошка. Количество добавок рассчитывают с учетом ожидаемой температуры кристаллизации бетонной смеси. Применение химических соединений позволяет бетонировать при температуре до -25ºC.

Этот способ применяется при появлении одиночных заморозков, если отсутствуют альтернативные варианты.

Для зимнего бетонирования используют:

• углекислый калий;
• нитрит натрия;
• формиат натрия;
• хлористый натрий;
• хлорид кальция.

При отрицательных температурах внешней среды в бетон вводят присадки, снижающие расход воды. Это регулирует образование льда в твердеющих составах, сохраняет условия, необходимые для гидратации. В присутствии добавок вода не замерзает и взаимодействует с цементом.

Смеси приготовляются с соблюдением технологии. Сначала присадка перемешивается с частью воды, а затем вводятся цемент и вода с добавками. Для каждой добавки существуют нормы расхода, установленные экспериментально.

При недостаточном количестве присадки бетон может замерзнуть, а при избытке замедляется твердение, и повышается стоимость.

Бетон, залитый с применением методики холодной укладки, обладает сниженным параметром морозостойкости, водопроницаемости, склонен к усадке.

Общие рекомендации при заливке

Бетонные работы своими руками рекомендуется выполнять при благоприятных условиях. Перед тем как залить бетон при минусовой температуре, следует ознакомиться с метеорологическим прогнозом. Комплекс мероприятий следует начинать при +9,5ºC при условии отсутствия понижения в ближайшие 27 суток.

Разработанные технологии позволяют бетонировать при отрицательных температурах, но это влечет дополнительные финансовые затраты. Качественная заливка требует учета рекомендаций специалистов.

Опалубку следует очистить от наледи и утеплить, а укладку смеси проводить с непрерывной подачей. Перед приготовлением состава следует прогреть щебень и песок. Оптимальная температура приготовленной массы не должна превышать +39,5…+42ºC.

Металлический каркас котлована прогревается, а готовые части бетонной конструкции закрываются слоем изоляции. В процессе формирования критической прочности рекомендуется поддерживать температурный режим во внешней и внутренней частях.

Бетонирование при отрицательных температурах

Строительный сезон короток и, чем севернее располагается стройка, тем меньше времени у застройщика, чтобы в тёплое время года успеть выполнить все предусмотренные проектом бетонные работы. Уже в конце лета начинаются ночные заморозки, что приводит к дополнительным сложностям в процессе бетонирования.

Мороз губителен для бетона. Вода вступает в реакцию с цементом в течение долгого времени (марочная прочность набирается в течение 28 дней). Если в любой из этих дней бетон замёрзнет, то марочную прочность он в последствии уже не наберёт. Происходит это от того, что замерзающая вода, ещё не успевшая вступить в реакцию с цементом, расширяется. В бетоне нарастает внутреннее давление и он буквально разрывается изнутри. В интернете легко можно найти фотографии фундаментов, залитых осенью и замёрзших. Такие фундаменты на следующий год выглядят как набор отслаивающихся друг от друга камней.

И единственный способ продолжения строительства — это демонтаж такого замёрзшего фундамента и постройка нового.

Чем раньше замёрзнет твердеющий бетон, тем больше он потеряет в прочности. Абсолютно недопустимо замерзание бетона в период схватывания. Но и в последующие несколько дней заморозка конструкции приведёт к потере более половины прочности.

Поэтому прежде всего застройщик должен таким образом спланировать свою стройку, чтобы постараться вообще не попадать в зону отрицательных температур. Бетонирование в период возможных заморозков — это крайняя мера, вынужденная и не идущая на пользу прочности строения. А бетонирование зимой, когда точно известно, что температура долгое время будет ниже нуля в условиях самостоятельного приготовления бетона абсолютно неразумно.

И всё же, что можно предпринять, чтобы максимально снизить отрицательный эффект холодных температур?

В первую очередь, нужно тщательно следить за прогнозом погоды. Причём не только на ближайшие дни, но на месяц вперёд. Конечно, прогноз часто ошибается в деталях. Но с долгосрочной температурной тенденцией работать можно. Вполне может сложиться такая ситуация, что на ближайшую неделю-две прогнозируют заморозки. А через 2 недели наступит оттепель. Тогда бетонные работы лучше всего перенести на это время.

Прогноз следует узнавать для ближайшего населённого пункта, но не для крупного города. Крупные города сглаживают колебания температуры. А за городом в ясную ночь температура может упасть больше, чем на 10 градусов.

Следить за прогнозом ночных температур нужно и в первые и последние дни лета, не говоря уже о мае и сентябре. В эти дни ночные заморозки кратковременны и несильны, но и они могут привести к замерзанию верхних слоёв бетона и последующему их отслоению. Особенно это критично для стяжек и перекрытий.

Если по прогнозу ожидаются кратковременные заморозки, то основная работа по предотвращению замерзания бетона сводится к утеплению залитой конструкции. Дело в том, что реакция гидратации происходит с выделением тепла. Поэтому чем массивнее конструкция, тем больше у неё шансов остаться в положительной зоне температур. В любом случае нужно использовать не только выделение тепла, но и то тепло, что накопилось в бетоне за день — во время бетонирования. Для этого следует утеплить опалубку, накрыть поверхность бетона теплоизолирующими материалами. Если на улице ветренно, следует оградить бетон от ветра, чтобы исключить ускоренный теплообмен. Но всё это сработает только если температура упадёт не ниже -2 — -3 градусов не более, чем на 2-3 часа.

Во всех остальных случаях следует применять более дорогие и трудоёмкие меры защиты.

Во-первых, в качестве пластификатора следует использовать тот, что несколько снижает температуру замерзания бетона.

Во-вторых, на рынке существует множество противоморозных добавок в бетон. Но важно понимать, что основное предназначение подобных добавок — это сохранить бетон незамёрзшим во время замешивания, доставки до опалубки, укладки и вибрирования. В дальнейшем эффективность этих добавок невысока. Самые лучшие из них обеспечивают набор лишь 30% от марочной прочности бетона на 28-ые сутки. Это означает, что если через месяц Вам нужен бетон с маркой М150, то Вы можете замесить бетон М350 и добавить в смесь противоморозную добавку. Если же через месяц Вам нужен М300, то с одними противоморозными добавками добиться этого будет нереально.

Большим соблазном является использование обычной поваренной соли или устаревших дешёвых добавок. Не допускайте такую ошибку — подобные добавки вызывают ускоренную коррозию арматуры.

Единственный способ обеспечить набор 100% прочности бетона — это греть его во время созревания. Начинать подогрев нужно ещё до замеса бетона. Во-первых, нужно переместить песок, щебень и цемент в отапливаемое помещение (если оно, конечно, есть). Во-вторых, воду, используемую для приготовления бетона, нужно подогревать до 40-70 градусов. Точное значение температуры, до которой следует подогревать воду, лучше уточнить в инструкции к противоморозной добавке. Во избежание заваривания цемента, его следует насыпать в бетономешалку только после щебня, когда общая температура смеси упадёт до 30-40 градусов.

После укладки бетона необходимо обеспечить его дальнейший прогрев. Чем выше будет температура бетона, тем быстрее он наберёт большую часть своей прочности.

Один из способов — строительство тепляка над бетонной конструкцией. В этом случае помимо утеплённой опалубки вокруг твердеющей бетонной конструкцией строят замкнутый контур из стен и крыши. Внутрь устанавливают нагревательный аппарат, чаще всего — тепловую пушку. И продолжают прогрев в течение как минимум недели (в зависимости о того, сколько процентов прочности Вы можете позволить себе потерять от марочной прочности, на которую были рассчитаны компоненты замеса). Строительство тепляка — это лишние трудовые и временные затраты. К тому же придётся покупать или брать в аренду тепловую пушку и круглосуточно следить за тем, чтобы она работала. Ведь если оставить тепляк на ночь без присмотра, а у пушки, к примеру, кончится топливо, за ночь температура легко опустится ниже нуля и все затраты будут напрасными.

В настоящее время индивидуальным застройщикам выделяется максимум 15 кВт электрической мощности, чего может и не хватить для обогрева тепляка электрическим нагревательным аппаратом. А, значит, скорее всего Вам понадобится дизельное топливо или газ в большом количестве. Следует предусмотреть место для его хранения.

Другой способ — нагрев бетона изнутри. В этом случае во время подготовки конструкции к бетонированию наряду с арматурой внутрь укладывается специальный греющий кабель. На больших стройках применяется обычно кабель марки ПНСВ совместно с прогревающим трансформатором. К сожалению, индивидуальному застройщику это оборудование использовать затруднительно, поскольку трансформатор подключается к трёхфазной сети. И покупка, и аренда такого трансформатора обойдётся довольно дорого.

Поэтому можно предложить другой способ прогрева бетона. Только вместо промышленного кабеля лучше применить кабель от электрического тёплого пола или обогревающий кабель для труб водоснабжения. Это тоже довольно дорогой вариант, но он, по крайней мере, реализуем в двухфазной сети и не требует столь большой электрической мощности. Из инструкции к кабелю можно определить, сколько Ватт тепловой мощности выделяет 1 погонный метр. С другой стороны можно определить теплопотери бетонной конструкции при заданной температуре твердения бетона, температуре окружающей среды и материалах опалубки. Суммарная мощность кабеля должна быть равна теплопотерям. Исходя из этого можно определить длину кабеля и способ его укладки.

Отдельно стоит упомянуть о подготовке конструкции к заливке. На поверхности опалубки и на арматуре не должно быть ни снега, ни наледи. Их нужно счистить механическим способом, либо разогреть газовой горелкой или сроительным феном. Во время снегопада бетонирование не производится. А от возможных осадков в будущем бетон сразу же укрывается.

Пример: Требуется залить армопояс в газобетонном доме. Высота армопояса — 250 мм, ширина — 200 мм. Армопояс совмещён с оконными перемычками, поэтому через 2 недели его прочность должна соответствовать марке М200, чтобы выдержать нагрузку от монтируемой стропильной системы и кровли. Самые большие теплопотери прогнозируются в местах перемычек, где снизу бетон будет отделён от внешней среды слоем газобетона толщиной 100 мм. С внешней стороны от улицы его будет отделять слой газобетона 50 мм и слой пенопласта 50 мм. С внутренней стороны — газобетон 100 мм. Сверху в первые 2 недели твердения армопояс будет накрыт пенопластом толщиной 100 мм. Средняя ночная температура воздуха в течение двух недель прогнозируется в районе -5.

Для начала определим, какой марки требуется замесить бетон, если греющий кабель будет обеспечивать температуру бетона +15. Из графика набора прочности бетона определяем, что при такой температуре бетон за 14 дней наберёт около 70% от своей прочности. Поскольку нам нужно к этому моменту иметь прочность, характеризующуюся маркой М200, смесь нужно приготовить в расчёте на марку М300 (200 кгс/см² / 0,7 = 286 кгс/см²).

Посчитаем теплопотери 1 погонного метра армопояса при внутренней температуре +15 градусов и внешней -5 градусов.

Теплопроводность газобетонной кладки = 0,14 вт/(м*оС)
Теплопроводность пенопласта = 0,035 вт/(м*оС)

Теплопотери вниз = 1 х 0,2 х (15 — -5) / (0,1 / 0,14) = 5,6 Вт.
Теплопотери наружу = 1 х 0,25 х (15 — -5) / (0,05 / 0,14 + 0,05 / 0,035) = 2,8 Вт.
Теплопотери внутрь = 1 х 0,25 х (15 — -5) / (0,1 / 0,14) = 7 Вт.
Теплопотери вверх = 1 х 0,2 х (15 — -5) / (0,1 / 0,035) = 1,4 Вт.

Всего: 5,6 + 2,8 + 7 + 1,4 = 16,8 Ватт

Следовательно, нужно купить такой кабель, который на 1 погонный метр выделял бы 16,8 Ватт.

Принимая во внимание цены, сложившиеся в Ленинградской области в 2014 году, посчитаем, насколько меры по предотвращению замерзания бетона увеличивают его стоимость.

Себестоимость бетона М300 — около 3500 р./м³, значит, армопояс сечением 200х250 обойдётся в 175 р.
1 п.м. кабеля мощностью 16 Вт стоит 190 р.
Пенопласт толщиной 100 мм, закрывающий 1 п.м. армопояса будет стоить 60 р.
1 кВт*час электроэнергии стоит 2,37 р.

Значит, дополнительные затраты: 190 + 60 + 16 /1000 х 2,37 х 24 х 14 = 263 рубля.

Отсюда вывод: бетонирование в условиях отрицательных температур дороже в 2,5 раза!

Температурное поле бетона, отвержденного в зимних условиях с применением мер терморегуляции зимой в этом исследовании изучалось температурное поле и характеристики сжатия образцов бетона, отвержденных в лаборатории при температуре -10 ° C с использованием различных мер терморегулирования.

Затем была создана конечно-элементная модель наблюдаемого температурного поля, и было показано, что она хорошо согласуется с результатами испытаний. Эта модель была применена для анализа факторов, влияющих на твердение терморегулируемого низкотемпературного бетона зимой. Результаты показали, что бетон, залитый при температуре -10°C с использованием изоляционного покрытия из минеральной ваты и обогреваемой опалубки для теплового контроля, отвечает соответствующим требованиям к характеристикам. Наконец, предложенная модель температурного поля и меры терморегулирования были успешно применены к конструкции бетонной балки коробчатого сечения в зимних условиях.

1. Введение

Если среднесуточная температура наружного воздуха ниже 5°C в течение пяти дней подряд, бетонирование классифицируется как зимняя строительная деятельность [1]. Из-за требований жесткого графика строительства, необходимо было отлить коробчатые балки для проекта моста зимой в северном Китае, которая может быть довольно холодной со средней температурой ниже 0°C [2].

Когда температура окружающей среды падает ниже 0°C, свободная вода внутри свежего бетона замерзает, что приводит к объемному расширению около 9%. Напряжения, вызванные образованием крупных кристаллов льда, могут легко расширяться и давать трещины в бетоне, что приводит к внутреннему износу бетона. Кроме того, в низкотемпературной среде значительно снижается гидратация вяжущих материалов внутри бетона; при понижении температуры ниже нуля процесс гидратации вяжущих материалов замедляется или даже прекращается, что приводит к непоправимому повреждению бетона.

При температурах отверждения ниже 5°C было замечено, что прочность бетона на сжатие увеличивается особенно медленно со временем отверждения. Действительно, после отверждения при 3°С в течение 7 дней прочность на сжатие достигает только около 80% от прочности, достигаемой при стандартном отверждении при 20°С в течение 7 дней [3]. При температуре окружающего воздуха 0 °С конечная прочность массивного бетона, нагретого только за счет процесса гидратации, через 28 d составит лишь около 70 % от прочности, достигаемой при стандартном твердении [4]. Таким образом, низкотемпературная среда не способствует набору прочности и быстрому изготовлению бетонных конструкций [5]. В результате было проведено большое количество исследований для изучения специфического воздействия условий низкотемпературного отверждения на характеристики бетона и определения методов смягчения этого воздействия.

Мельник [6] использовал трехмерную математическую модель нестационарного температурного поля для расчета прочности бетона при твердении в зимнее время. Marzouk и Hussein [7] обнаружили, что прочность на сжатие высокопрочного бетона прямо пропорциональна применяемой температуре отверждения. Хатиб [8] изучал влияние низкотемпературного отверждения на прочность метакаолинового бетона на сжатие и обнаружил, что оптимальное количество метакаолина не только повышает прочность бетона, но и снижает усадку. Барна и др. [9] и Карагол и др. [10] обнаружили, что бетон, содержащий антифриз, может отверждаться при низких температурах и при этом соответствовать проектным требованиям. Эль-Хасан и др. [11] изучали характеристики щелочношлакового бетона с использованием различных систем отверждения и обнаружили, что непрямое отверждение водой повышает прочность на сжатие. Консоли и др. [12] сообщили, что повышение температуры отверждения может улучшить прочность на сжатие и прочность на растяжение при раскалывании смеси песок/уголь/зольная пыль/известь, а Zhang et al. [13] установили, что повышение температуры твердения с 5°С до 50°С ускоряет гидратацию цемента. Корхонен [14] пришел к выводу, что следует широко применять стандарт низкотемпературных добавок, предложенный Американским обществом гражданского строительства. Ши и др. [15] смоделировали изменение теплоты гидратации компонентов бетона с течением времени при отверждении при низких температурах с использованием метода конечных элементов для получения эффективной модели прогнозирования. Яо и др. [16] исследовали температурное поле и температурные напряжения в однокамерной коробчатой ​​балке, обогреваемой теплым воздухом внутри балки при заливке зимой, и пришли к выводу, что рассмотренные меры могут быть применены для эффективной реализации зимнего бетонного строительства. Чой и др. [17] и Zhang et al. [18–20] получили хорошие результаты, применяя новые материалы для бетонных конструкций на основе изучения свойств бетона при низких температурах.

В предыдущих исследованиях изучалось температурное поле и прочность бетона при заливке при низких температурах 5–10°С. Однако заливка бетона при температуре ниже 0°С рассматривалась реже. Метод, оцененный Yao et al. [16] может быть эффективным при температурах ниже точки замерзания, но использование горячего воздуха внутри коробчатого балочного короба неизбежно ограничивается литьем коробчатых балочных конструкций. В настоящее время опубликовано мало исследований, посвященных влиянию комплексных мер терморегулирования, таких как опалубка с подогревом, залитая лента электрообогрева и изоляционное покрытие из минеральной ваты, на бетонные конструкции в зимнее время. Поэтому в этой статье температурные поля в бетонных конструкциях, защищенных этими комплексными мерами терморегулирования, были исследованы при литье при постоянной температуре -10 ° C, а полученные механические свойства были проанализированы для количественной оценки их влияния и использования для моделирования методом конечных элементов. температурного поля для использования при проектировании процессов зимнего литья.

2. Материалы и методы

Расчетная прочность бетона, использованного в образцах, оцениваемых в этом исследовании, была C55, а состав смеси и их пропорции приведены в таблице 1. Вяжущие материалы были p.o52,5 обычный портландцемент. цемент от Laishui Jinyu Jidong Environmental Protection Technology Co. Ltd. и минеральный порошок марки S95 гранулированный доменный шлак от Hebei Qianjin Metallurgical Technology Co. Ltd. Мелким заполнителем был средний песок из зоны II песчаного карьера производства Zhangjiakou Futai Mining Co. Ltd. ., а крупным заполнителем был гравий производства Laishui Shunhe Building Materials Co. Ltd. Наконец, суперпластификатор представлял собой суперпластификатор на основе поликарбоновой кислоты от Subot Co. Ltd.

Образцы для испытаний представляли собой бетонные призмы размером 70 см × 70 см × 50 см. Температуру окружающей среды устанавливали равной -10°C, а температуру литья составляли около 8°C. Меры теплового контроля, оцененные в этом исследовании, включали ① теплоизоляцию из минеральной ваты, ② обогреваемую стальную опалубку и ③ залитую электронагревательную ленту, рассматриваемые по отдельности и в нескольких комбинациях, как показано на экспериментальной схеме, приведенной в таблице 2. образцы с мерами термоконтроля показаны на рис. 1.

Меры терморегулирования, примененные в этом исследовании, показаны на рисунке 2 и описаны ниже. ① Изоляция из минеральной ваты: снаружи образец был обернут слоем теплоизоляционного материала из минеральной ваты, чтобы уменьшить потери тепла. ② Стальная опалубка с подогревом: к стальной опалубке была прикреплена непрерывная проволока сопротивления по спиральной траектории с расстоянием между проходами 10  см для нагрева стали и, следовательно, бетона внутри с помощью электроэнергии. ③ Влитая электрическая нагревательная лента: термоэлектрическая лента была сформирована в виде спирали диаметром 2 см и шагом 5 см и залита в бетон для выработки внутреннего тепла при подаче питания. Обратите внимание, что в этом исследовании нагретая стальная опалубка и лента электрического нагрева включались по завершении заливки и выключались через 5 дней непрерывного нагрева для обеспечения тепла во время пика гидратации.

Расположение точек измерения температуры каждого образца для испытаний показано на рис. 3. Температура измерялась в каждой точке с помощью резистивного датчика температуры с диапазоном от −40°C до 200°C и точностью измерения 0,1. °С. Для сбора данных каждые 30 мин применялась автоматическая система сбора данных.

Для проверки эффекта каждой меры термоконтроля были проведены испытания прочности на сжатие образцов отбойного молотка и керна для каждого образца после 28 дней отверждения. Последние были проведены с использованием образцов цилиндрического бурового керна длиной 100 мм и диаметром 100 мм, отобранных в местах расположения образцов, показанных на рис. 4.

Для сравнения, партия стандартных испытательных кубиков была также отлита с использованием тех же пропорций смеси, что и в Таблице 1, и отверждена в стандартных условиях 20°C и влажности 95% для испытаний на прочность на сжатие через 28 d.

3. Результаты

Измерения температурного поля, собранные для образцов 1–4, показаны на рисунке 5.

Можно наблюдать, что температура в каждой точке измерения в образце 1 первоначально увеличилась до пиковой температуры гидратации 30,4 °C. в месте расположения активной зоны (T3) через 37 ч перед снижением и, наконец, приближением к температуре окружающей среды. В образцах 2, 3 и 4 температура в каждой точке измерения увеличивалась намного быстрее до гораздо более высоких уровней, достигая пиковых температур гидратации 66,3°C, 53,5°C и 68,0°C соответственно при Т3 через 35 ч. Затем наличие мер терморегулирования явно замедляло снижение температуры образцов до тех пор, пока они не были прекращены через 5 дней, когда температура образцов начала быстро снижаться.

Для анализа изменений и характеристик температурного поля гидратации каждого образца ключевые данные результатов испытаний при Т3 сравниваются в таблице 3.

Данные в таблице 3 показывают, что пиковая теплота гидратации при Т3 в образце 1 всего 30,3°С, а его средняя скорость нагревания составила 0,82°С/ч, что является самым низким значением среди четырех образцов. Соответствующие 5 d и 7 d температуры также были самыми низкими. Это произошло потому, что температура образца 1 контролировалась только внешним покрытием с изоляцией из минеральной ваты; таким образом, единственное предоставленное тепло было получено за счет гидратации, а затем потеряно из-за низкой температуры окружающей среды, что привело к недостаточной степени реакции гидратации, что отражено в общем температурном поле образца.

Температуры образца 2 были значительно выше, чем у образца 3, за исключением максимальной разницы температур, указывающей на то, что эффект нагретой стальной опалубки был выше, чем эффект залитой ленты электрического нагрева.

Различия между температурами образцов 2 и 4 были небольшими, что указывает на то, что изоляция из минеральной ваты и нагретая стальная опалубка были достаточными для обеспечения теплового контроля; таким образом, нет необходимости в дополнительных мерах, таких как залитый электронагревательный пояс.

Результаты испытаний образцов с поверхностным отскоком и колонкового бурения показаны для каждого образца на Рисунке 6, на котором видно, что прочность на сжатие, измеренная при испытании с отскоком, соответствовала полученной при испытании образцов керна. Прочность на сжатие в течение 28 сут стандартных образцов для испытаний на отверждение достигла 65,1 МПа, в то время как прочность на сжатие в течение 28 сут образцов керна образцов 1 и 3 не достигла проектной прочности 55 МПа со значениями 50,2 МПа и 52,2 МПа соответственно. Тем не менее, прочность на сжатие 28 d образцов 2 и 4 образцов керна была одинаковой и составляла 58,6 МПа и 60,1 МПа, соответственно, превышая расчетную прочность, но оставаясь ниже 28d прочности стандартных испытательных кубов на отверждение. Эти результаты показывают, что комбинированное применение изоляции из минеральной ваты и нагреваемой стальной опалубки может гарантировать, что прочность бетонной конструкции, залитой при температуре -10°C, будет соответствовать проектным требованиям.

4. Моделирование методом конечных элементов

4.1. Построение и проверка конечно-элементной модели

Конечно-элементная модель температурного поля при отверждении бетона была создана с использованием программного пакета ANSYS для изучения факторов, влияющих на отверждение бетона в зимних условиях при применении мер терморегулирования. Эта модель включала образец бетона, стальную опалубку и изоляцию из минеральной ваты, все они были смоделированы с использованием элемента solid70. Термодинамические параметры каждого материала были определены, как показано в таблице 4. Завершенная модель содержала 374880 узлов и 359 узлов.110 единиц и показано на рисунке 7.

Температура литого бетона в модели была установлена ​​на 8°C, а температура окружающей среды была установлена ​​на -10°C, чтобы соответствовать условиям испытаний. Применяемые меры теплового контроля были такими же, как и для образца 2: теплоизоляция из минеральной ваты, смоделированная, как обсуждалось ранее, и нагретая стальная опалубка. Для анализа были выбраны изменения температуры во времени в репрезентативном местоположении ядра (T3) и на краю (T7), и результаты моделирования методом конечных элементов сравнивались с результатами теста на рисунке 8. Результаты показывают, что конечное результаты моделирования элементов в основном соответствовали результатам эксперимента, подтверждая точность модели температурного поля, установленной в этом исследовании.

5. Анализ влияющих факторов

Модель конечных элементов использовалась для изучения влияния различных температур окружающей среды, температур заливки и размеров образцов на распределение температурного поля и изменение температуры бетона во времени благодаря изоляции из минеральной ваты и мероприятия по терморегулированию обогреваемой опалубки. В этих моделях подогрев опалубки применялся в течение 5  дней при параметрах, показанных в таблице 5.

Для анализа были выбраны изменения температуры бетона во времени в точках T3 и T7 при различных рабочих условиях, и результаты показаны на рисунках. 9–11.

На рис. 9 показано, что при применении изоляции из минеральной ваты и обогреваемой опалубки температура в точках T3 и T7 меньше зависит от температуры окружающей среды на стадиях нагрева и стабилизации, но значительно зависит от температуры окружающей среды на стадии охлаждения. Это свидетельствует о том, что на стадии нагрева и стабилизации на температуру бетона сильно влияла нагретая опалубка, которая преодолевала влияние температуры окружающей среды. Однако на этапе охлаждения нагретая опалубка отключалась, в результате чего температура бетона медленно снижалась до тех пор, пока она не соответствовала температуре окружающей среды. Чем ниже температура окружающей среды, тем выше скорость охлаждения.

Таким образом, использование изоляции из минеральной ваты и опалубки с подогревом в зимних условиях может обеспечить лучшие условия для раннего отверждения бетона, помогая сформировать соответствующую начальную прочность даже при низких температурах.

На рис. 10 показано, что при использовании изоляции из минеральной ваты и обогреваемой опалубки температура заливки мало влияла на температуру бетона при Т3 или Т7, поскольку температура заливки в первую очередь влияет на скорость тепловыделения и пиковую теплоту гидратации бетона. Однако применяемые меры терморегулирования быстро привели к тому, что бетон, залитый при разных температурах, быстро достиг одной и той же температуры отверждения. В результате влияние температуры литья было очень небольшим и им можно было пренебречь.

Таким образом, применение изоляции из минеральной ваты и обогреваемой опалубки при отверждении бетонной конструкции может устранить необходимость предварительного нагрева смеси и опалубки до необходимой степени, упрощая процесс строительства.

Рисунок 11 показывает, что использование изоляции из минеральной ваты и нагреваемой опалубки на образцах разного размера оказало гораздо большее влияние на температуру бетона при Т3, чем при Т7. Действительно, когда бетонный образец был маленьким, на температуру в ядре значительно влияла нагретая опалубка, демонстрируя очевидный участок температурной стабильности. Когда образец бетона был большим, Т3 находился далеко от нагретой опалубки и, следовательно, меньше подвергался ее влиянию; таким образом, внутренняя температура демонстрировала типичные характеристики начального повышения из-за тепла гидратации с последующим медленным снижением. Чем больше размер образца, тем больше пиковое значение теплоты гидратации при Т3 и медленнее скорость последующего охлаждения. Однако на краю образца бетона на температуру бетона в первую очередь влияла соседняя нагретая опалубка. В результате температура при Т7 постоянно была выше температуры окружающей среды на ранней стадии и, таким образом, была ближе к теплоте гидратации в ядре при Т3, независимо от размера образца.

Таким образом, использование изоляции из минеральной ваты и опалубки с подогревом для теплового контроля залитого бетона в зимних условиях может эффективно уменьшить разницу между внутренней и внешней температурами.

Таким образом, использование изоляции из минеральной ваты и опалубки с подогревом для контроля температуры бетона может помочь избежать неблагоприятного воздействия низких температур окружающей среды и обеспечить качество бетонных конструкций зимой.

6. Инженерное приложение

Чтобы продемонстрировать инженерное применение оцениваемых мер контроля температуры, в этом разделе рассматривается заливка балок коробчатого сечения для проекта моста зимой. Средняя температура окружающей среды при литье составляла -5°С, минимальная температура -13°С. Размер коробчатой ​​балки и расположение точек измерения показаны на рисунке 12. Во-первых, температурное поле в коробчатой ​​балке было спрогнозировано с использованием проверенного подхода к моделированию методом конечных элементов с предложенными мерами терморегулирования. Конечно-элементная модель коробчатой ​​балки показана на рис. 13, а смоделированное поле температуры после 40  часов отверждения показано на рис. 14. Изменения температуры во времени в репрезентативных точках измерения при моделировании методом конечных элементов сравниваются на рис. 15. с данными, собранными во время испытаний на отверждение на месте.

На рис. 15 показано, что изменение температуры с течением времени, определенное с использованием модели конечных элементов, хорошо согласуется с результатами измерений, что указывает на то, что модель температурного поля, предложенная в этой статье, может эффективно прогнозировать температурное поле бетона, отвержденного в зимних условиях, с использованием меры терморегуляции.

Наконец, было проведено испытание на отскок для определения прочности коробчатой ​​балки на 28 d, которая соответствовала проектным требованиям. Таким образом, еще раз было подтверждено, что использование теплоизоляции из минеральной ваты и мер терморегулирования нагретой стальной опалубки может помочь обеспечить надлежащее качество строительства из бетона, отвержденного в условиях низких температур.

7. Выводы

(1) Использование изоляции из минеральной ваты и нагреваемой стальной опалубки может гарантировать, что бетон, затвердевший при температуре -10 °C, будет соответствовать проектным и техническим требованиям по прочности конструкции и перепаду температур внутри и снаружи бетонное тело. (2) Использование изоляции из минеральной ваты и нагреваемой стальной опалубки может быть легко применено к бетонным конструкциям зимой, что приводит к относительно стабильному температурному полю независимо от температуры заливки бетона, температуры окружающей среды или размера образца. (3) Модель конечного элемента температурного поля, предложенная и примененная в этом исследовании, точно предсказала температурное поле бетона, отвержденного при низкой температуре, с использованием мер терморегулирования и, следовательно, может служить основой для анализа температурных проблем, связанных с бетонным строительством в зимних условиях.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить China Communications Construction Fourth Harbour Second Engineering Co. Ltd. за материалы, использованные для экспериментов, и Editage (http://www.editage.cn) за редактирование на английском языке. Это исследование финансировалось ключевыми проектами фундаментальных исследований и разработок CCCC Fourth Harbour Engineering Co. Ltd. (2021-A-06-I-07).

Ссылки

1. GB 50666-2011, Кодекс строительства бетонных конструкций , China Construction Industry Press, Пекин, Китай, 2011.

2. Ю. Чен, С. Ма, и Дж. Сюй, « Анализ изменения климата и факторов его корреляции в Северном Китае за последние 65 лет», Journal of Hebei Normal University (Philosophy and Social Sciences Edition) , vol. 45, нет. 3, стр. 314–324, 2021.

   Посмотреть по адресу:
   Google Scholar

3. С. Чжан, О. Ван и Р. Чжан, «Экспериментальное исследование прочности и проницаемости бетона для ионов хлорида при различных температурах отверждения», Silicate Bulletin , vol. 35, нет. 8, pp. 2486–2491, 2016.

   Просмотр по адресу:
   Google Scholar

4. T. Shi, N.C. Deng, X. Guo, W. Xu, and S. Wang, прочность на сжатие бетона, залитого в стальные трубчатые своды, в низкотемпературных условиях» Достижения в области материаловедения и инженерии , vol. 2020 г. , идентификатор статьи 8016282, 10 страниц, 2020 г.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

5. JGJ/T104-2011, Code For Winter Construction Of Building Engineering , China Construction Industry Press, Пекин, Китай, 2011.

6. А. А. Мельник, «Расчет прочности бетона в зимних условиях на основе моделирование процессов теплообмена», Procedia Engineering , том. 206, стр. 831–835, 2017.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

7. Х. Марзук и А. Хусейн, «Влияние возраста отверждения на высокопрочный бетон при низких температурах», Journal of Materials in Civil Engineering , vol. 7, нет. 3, стр. 161–167, 1995.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

8. Дж. М. Хатиб, «Низкотемпературное отверждение метакаолинового бетона», Journal of Materials in Civil Engineering , том. 21, нет. 8, стр. 362–367, 2009 г.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

9. Л. А. Барна, П. М. Семан и К. Дж. Корхонен, «Энергоэффективный подход к бетонированию в холодную погоду», Journal of Materials in Civil Engineering , vol. 23, нет. 11, стр. 1544–1551, 2011.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

10. Карагол Ф., Демирбога Р., Хушефати У. Х. Поведение свежих и затвердевших бетонов с антифризными добавками при низких температурах глубокой заморозки и внешних зимних условиях, стр. 9.0107 Строительство и строительные материалы , вып. 76, стр. 388–395, 2015.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

11. Х. Эль-Хассан, Э. Шехаб и А. Аль-Салламин, «Влияние различных режимов отверждения на характеристики и микроструктуру бетона, активированного щелочным шлаком», Journal of Materials in Civil Engineering , том. 30, нет. 9, ID статьи 04018230, 2018.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Академия Google

12. N.C. Consoli, CG da Rocha и C. Silvani, «Влияние температуры отверждения на прочность смесей песка, угольной золы и извести», Journal of Materials in Civil Engineering , vol. 26, нет. 8, ID статьи 06014015, 2014.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

13. D. Zhang, X. Cai и L. Hu, «Влияние температуры отверждения на гидратацию системы алюминат кальция цемент — сульфат кальция — известняк», Journal of Materials in Civil Engineering , том. 30, нет. 9, ID статьи 06018011, 2018.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

14. C. Korhonen, «Новые разработки в области бетонирования в холодную погоду», в Proceedings of the 11th International Conference On Cold Regions Engineering , Anchorage, AK, USA, May 2002.

    View at:
    9000 4 Сайт издателя | Google Scholar

15. T. Shi, N. C. Deng, D. Pan, and S. Wang, «Теплота гидратации безусадочного бетона в арочных ребрах CFST большого диаметра, отвержденных при низких температурах», Достижения в области гражданского строительства , том. 2020 г., идентификатор статьи 8858702, 11 страниц, 2020 г.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

16. Г. Яо, З. Ю и Г. Ян, «Температурное поле и анализ температурных напряжений однокамерного электронагревателя с коробчатой ​​балкой», Journal of Civil Engineering , vol. 51, нет. 3, стр. 109–114, 2018.

    Посмотреть по адресу:
    Google Scholar

17. С.-Х. Чой, Х.-С. Ли, Х.-К. Choi, K. Hyeong-chul, M. Tae-Beom и M.A. Ismail, «Экспериментальные исследования по разработке нагретой формы, содержащей порошок экзотермической реакции, для защиты бетона в холодную погоду», Строительство и строительные материалы , вып. 135, нет. 15, стр. 30–36, 2017 г.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

18. Г. Чжан, Х. Л. Ян, К. Джу и Ю. Ян, «Новый выбор экологически чистых вяжущих материалов для зимнего строительства: активированный щелочью шлак/портландцемент», Журнал чистого производства , том. 258, ID статьи 120592, 2020.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Академия Google

19. Г. Чжан, Ю. З. Ян и Х. М. Ли, «Семяны гидрата силиката кальция как ускоритель энергосбережения при бетонировании в холодную погоду — Sciencedirect», Construction And Building Materials , vol. 264, ID статьи 120191, 2020.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

20. Г. Чжан, Х. Ю. Ю, Х. М. Ли и Ю. Инзи, «Экспериментальное исследование деформации раннего бетона, пострадавшего от мороза», Строительство и строительные материалы , том. 215, стр. 410–421, 2019.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2022 Tuo Shi et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Бетон в холодную погоду Руководство

Бетон в холодную погоду Руководство

17. 01.2023

В экстремально холодную погоду бетон (особенно свежий и ранний бетон) может быть серьезно поврежден морозом и льдом. Когда свежий бетон остывает ниже 0ºC, вода в смеси замерзает и расширяется, что вызывает внутреннее растрескивание и образование пузырей на поверхности. Созревший насыщенный бетон также может серьезно пострадать от низких температур.

Можно принять определенные меры предосторожности, чтобы свести к минимуму и, возможно, предотвратить повреждение бетона морозом, и следующие рекомендации, хотя и не исчерпывающие, помогут защитить бетон от повреждения морозом.
Дополнительные указания также можно получить в публикации Ирландской федерации бетона «Руководство по бетонированию в холодную погоду», доступной на сайте www.irishconcrete.ie

Воздействие холода на незащищенный бетон
• Если ночью существует риск заморозков необходимо защитить свежий бетон от замерзания.
• Прочность свежего бетона должна достигать 5 Н/мм², чтобы избежать повреждений от мороза.
• Для достижения этого температура бетона должна поддерживаться на уровне 5ºC или выше в течение первых 48 часов.
• Низкие температуры замедляют набор прочности бетона на несколько недель.
• Развитие прочности дополнительно снижается в холодную погоду при использовании GGBS или PFA.
• В холодную погоду время распалубки должно быть увеличено.
• Внешние плиты, дворы и проезды особенно уязвимы, поскольку они имеют большую площадь поверхности и тонкое сечение, что позволяет быстро отводить тепло. Особые меры предосторожности должны быть приняты для предотвращения повреждения этих участков морозом.
• Несмотря на то, что применение противогололедных реагентов, таких как соль, на бетонных поверхностях для очистки ото льда и снега зимой является обычной практикой, они сами по себе могут повредить бетонную поверхность, на которую они наносятся. Противообледенительные средства на основе аммиака особенно агрессивны, и их не следует использовать, поскольку они могут серьезно повредить бетонные поверхности.