Технология возведения конструкций каркасов высотных зданий из высокопрочных бетонов классов В60–В100

Введение

Возведение конструкций каркасов высотных зданий из бетонов классов В60–В100 имеет ряд особенностей, наиболее значимые из которых связаны со спецификой высокопрочных бетонов и климатическими условиями производства бетонных работ, что приводит к необходимости дополнительных требований к составам и свойствам бетонных смесей и бетонов, технологии возведения и выдерживания монолитных конструкций.

Во-первых, монолитные конструкции из высокопрочных бетонов имеют повышенную экзотермию и связанный с ней градиент температуры в массиве конструкций, которые в значительной степени влияют на их термонапряженное состояние, трещиностойкость и кинетику набора прочности [1–4].

Во-вторых, климатические условия на большей части территории России на протяжении 4–7 месяцев можно характеризовать как зимний период, когда среднесуточная температура наружного воздуха ниже +5 °C, а минимальная суточная температура ниже 0 °C, что приводит к особым условиям производства бетонных работ [5–7]. За последние 10–15 лет публикации по технологии зимнего бетонирования в основном связаны с исследованием влияния различных противоморозных добавок на процессы твердения бетонов при отрицательной температуре, способам прогрева бетона конструкций, моделирования процессов теплообмена и оценки напряженного состояния отдельных конструкций [8–10]. При этом работы по комплексу технологических решений, касающихся свойств бетонных смесей и бетонов, технологии бетонирования, методов прогрева и выдерживания бетона, обеспечивающих качество несущих железобетонных конструкций и высокие темпы строительства в зимний период, практически отсутствуют.

Целью данной работы являлось определение основных требований к технологии производства бетонных работ и параметрам выдерживания монолитных конструкций из высокопрочных бетонов классов В60–В100, в том числе и в зимний период, на различных стадиях их возведения, на основании 15-летнего опыта строительства десяти высотных комплексов ММДЦ «Москва-Сити».

Вид, основные характеристики и объем использования высокопрочных бетонов в конструкциях каркасов высотных зданий ММДЦ «Москва-Сити» представлены на рис. 1 и в табл. 1.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

• оптимизировать составы высокопрочных бетонов классов В60–В100 из высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей;
• разработать технологию бетонирования конструкций каркасов высотных зданий, расположенных на высоте до 370 м;
• исследовать влияние изменения температуры твердения на кинетику набора прочности бетонов классов В60–В100;
• разработать технологию ухода за конструкциями каркасов высотных зданий из высокопрочных бетонов, позволяющую обеспечить заданные сроки возведения сооружений и высокое качество строительства.

Составы высокопрочных бетонов классов В60–В100

Для возведения густоармированных конструкций каркасов высотных зданий (расход арматуры диаметром от 12 до 40 мм достигал до 850 кг/м ³) использовались высокоподвижные по ГОСТ 7473 (с осадкой нормального конуса ОК = (24 ± 2) см) и самоуплотняющихся по ГОСТ Р 59714 (с расплывом нормального конуса РК = (65 ± 5) см) бетонные смеси с расходом цемента от 350 до 500 кг/м ³ и комплексными органоминеральными модификаторами бетона серии МБ по ГОСТ Р 56178. Модификаторы бетона марок МБ 10-30С А-I-2 и МБ 10-50С А-II-2 в минеральной части содержали микрокремнезем и золу уноса в соотношении 70/30 и 50/50 соответственно, а их органическая часть в количестве 10 % по массе состояла из суперпластификатора на основе нафталинформальдегидных поликонденсатов [11]. Модификаторы вводились в бетонные смеси в количестве от 10 до 25 % массы цемента [12–17].

Составы бетонных смесей на основе комплексных органоминеральных модификаторов, используемые для бетонирования конструкций каркасов высотных зданий ММДЦ «Москва-Сити», приведены в табл. 2.

Уточнение методов и организация системы контроля качества, а также накопленный большой массив статистических данных о прочности бетона в конструкциях [17–19] позволили в процессе строительства оптимизировать составы высокопрочных бетонов и снизить расходы цемента, в отдельных случаях на 100–120 кг/м ³.

Температура бетонных смесей, доставленных на строительные площадки, в основном находилась в диапазоне от +10 до +20 °C. Однако в отдельные летние периоды достигала +28 °C, а в наиболее холодные зимние – опускалась до +5 °C. Положительная температура бетонных смесей, высокая экзотермия бетона и использование метода обогрева бетона с помощью нагревательных проводов позволили отказаться от применения противоморозных добавок в зимний период.

Технология бетонирования конструкций

Перед бетонированием конструкций выполнялся комплекс подготовительных работ, включающий в себя следующие основные мероприятия: подготовку поста для контроля качества бетонной смеси, опалубки, бетононасосов и вибраторов, влаготеплозащитных материалов для ухода за конструкциями; установку технологической арматуры для снижения вероятности образования термических трещин, бетонолитных труб для подачи смеси и хромель-копелевых термопар (трубок) для контроля температуры твердения бетона в конструкциях.

Бетонные работы при возведении конструкций каркасов высотных зданий в уровне одного этажа производились в следующей последовательности: первая очередь – бетонирование вертикальных конструкций (стен лифтового лестничного ядра, колонн и контурных стен); вторая очередь – бетонирование балок и перекрытий. Указанная последовательность бетонирования предполагала разбивку конструкций рабочими (технологическими) швами на захватки (блоки) бетонирования. В отдельных случаях бетонирование смежных очередей было совмещено, т. е. бетонирование отдельной захватки перекрытия осуществлялось после возведения не всех, а только ниже расположенных вертикальных конструкций колонн и стен.

Подача бетонной смеси в конструкции производилась на высоту до 370 м при помощи одного бетононасоса со скоростью не менее 20 м ³/час, а при штучном бетонировании колонн – с применением бадей. Укладка бетонной смеси в вертикальные конструкции осуществлялась с помощью бетонолитных труб или опущенного в опалубочное пространство гибкого шланга бетононасоса. Высота сбрасывания смеси (расстояние от конца бетонолитной трубы или шланга бетононасоса до основания конструкции) не превышала 1,0–1,5 м.

Уплотнение высокоподвижных бетонных смесей, уложенных в опалубку, производилось по всему фронту бетонирования с помощью глубинных вибраторов. Самоуплотняющиеся смеси укладывались в густоармированные железобетонные или сталебетонные конструкции без виброуплотнения или с кратковременным (не более 3 секунд) виброуплотнением (см. рис. 2–4). В случае непредвиденных перерывов в бетонировании для предотвращения образования «холодных» швов перед возобновлением укладки поверхностный слой уложенной в конструкцию бетонной смеси глубиной 10–20 см подвергался повторному кратковременному вибрированию.

Влияние температуры на кинетику твердения бетона

С целью ускорения производства работ по возведению монолитных конструкций и сокращению сроков строительства было исследовано влияние изменения температуры твердения на кинетику набора прочности высокопрочных бетонов классов В60, В80 и В100 из высокоподвижных смесей со средней плотностью 2397–2423 кг/м ³ и объемом вовлеченного воздуха 2,1–2,6 % [20].

В лабораторных условиях были изготовлены три серии контрольных образцов-кубов размером 100 × 100 × 100 мм в количестве 52 шт. каждая, которые твердели в климатических камерах при различной постоянной положительной температуре от +5 до +50 °C. По мере твердения в возрасте от 1 до 28 суток образцы испытывали на прочность при сжатии по ГОСТ 31914.

Кинетика набора прочности бетонов при различной температуре твердения приведена в табл. 3 и на рис. 5 а, б, в.

Низкая положительная температура +5–10 °C замедляет кинетику в начальной стадии твердения (на 11–25 % в возрасте 1 суток и 17–43 % в возрасте 3 суток), но менее существенно отражается на прочности бетона впоследствии и в возрасте 28 суток достигает 78–96 % от прочности бетона нормального твердения. В условиях естественной температуры твердения +20–30 °C достаточно высокая прочность 22–52 МПа может быть достигнута в суточном возрасте, что позволяет обеспечить раннюю распалубку конструкций и ускорить оборачиваемость опалубки. Повышенная до +40–50 °C температура, которая может достигаться за счет тепловыделения и саморазогрева массивных конструкций, значительно ускоряет твердение бетона. Так, в возрасте 3 суток бетон конструкций обладает более высокой ранней прочностью – на уровне 74–86 % от прочности бетона нормального твердения в возрасте 28 суток, что позволяет осуществлять ускоренное нагружение конструкций и повысить темпы строительства [20].

Обобщенные результаты кинетики твердения бетонов классов В60, В80 и В100, представленные на рис. 5 г, д, е, показывают, что прочность бетона (выраженная в процентах от прочности бетона нормального твердения в возрасте 28 суток) при различной положительной температуре является функцией температурно-временного параметра (ТВП), определенного в °C·час. Использование данных зависимостей позволило производить предварительную оценку ранних прочностных характеристик высокопрочных бетонов в конструкциях, находящихся в опалубке, по результатам измерения температуры и времени их твердения. Так, распалубочная прочность бетонов классов В60–В100 вертикальных конструкций колонн или стен на уровне 10 МПа (10–15 % от проектной) достигалась при ТВП равным 400–500 °C·час, а горизонтальных конструкций перекрытий на уровне 70 % от проектной при ТВП равным 1600–2000 °C·час.

Технология ухода за конструкциями в зимний период

Особенности производства бетонных работ и выдерживания конструкций каркасов высотных зданий в зимний период заключались в специальных мероприятиях, обеспечивающих в условиях отрицательных температур достижение бетоном проектных характеристик, детально представлены в работах [20][21], основные положения которых представлены ниже.

Главными условиями, определяющими выбор способов производства работ в зимний период, являлись:

а) предотвращение замерзания бетонной смеси в процессе ее доставки и укладки в конструкции;

б) обеспечение заданных темпов бетонных работ, т. е. сохранение времени набора бетоном распалубочной и проектной прочности;

в) обеспечение термической трещиностойкости конструкций, т. е. предотвращение термических трещин, связанных с экзотермией бетона и неравномерным разогревом-остыванием конструкций.

Задачи производства бетонных работ в зимний период решались комплексом методов:

– производством бетонной смеси с заданной положительной температурой;

– выполнением подготовительных мероприятий по утеплению опалубки, трубопроводов и предварительному прогреву примыкающих, ранее забетонированных конструкций, арматуры и опалубки;

– обеспечением оптимальной температуры твердения бетона в конструкциях путем сохранения тепла от экзотермии бетона и принудительной термообработкой бетона нагревательными проводами;

– оптимизацией режимов охлаждения конструкций.

Мероприятия по уходу за бетоном в зимний период заключались в создании соответствующего теплозащитного контура, обеспечивающего положительную температуру твердения бетона конструкций, а также возможность постепенного выравнивания температур твердеющего бетона и наружного воздуха. Условно высотное здание разбивалось по вертикали на четыре температурных зоны с разностью температур не более 20 °C (рис. 6).

Температура воздуха в вышеуказанных зонах поддерживалась в следующих диапазонах:

1. Зона производства работ – от +5 до +10 °С;
2. Зона выдерживания конструкций – от +10 до +15 °С;
3. Зона охлаждения конструкций – от 0 до +5 °С;
4. Зона готовых конструкций – менее 0 °С.

Обеспечение требуемого температурного режима в зоне производства работ осуществлялось за счет устройства шатра, теплозащитных штор и калориферов (см. рис. 6).

Обеспечение требуемого температурного режима в зонах выдерживания и охлаждения конструкций осуществлялось с помощью устройства теплозащитных межэтажных штор или специальной самоподъемной опалубки и калориферов. Шторы или специальная опалубка, которые в этом случае выполняли роль теплозащитного контура, устанавливались по мере необходимости между перекрытиями на высоту двух этажей ниже зоны производства работ.

Количество и режимы работы калориферов зависели от температуры наружного воздуха и определялись необходимостью поддерживать заданную температуру в зонах производства работ и выдерживания конструкций.

Время нахождения конструкций в каждой зоне работ равнялось сроку возведения одного этажа сооружения и ориентировочно составляло 5–7 дней.

Контроль температуры воздуха и обогреваемого бетона осуществлялся в период подъема – через каждые 2 часа, а в период выдерживания и остывания – 3 раза в смену. Результаты измерений записывались в температурных листах для каждой конструкции (захватки) отдельно.

Значения распалубочной и промежуточной прочности бетона в конструкциях стен, колонн и перекрытий ориентировочно определялись по температурно-временному параметру выдерживания бетона (см. рис. 5 г, д, е) и подтверждались комплексом неразрушающих методов контроля по ГОСТ 22690, ГОСТ 17624 и ГОСТ 31914. Значение прочности бетона в проектном возрасте в конструкциях стен, колонн и перекрытий высотных зданий определялось комплексом разрушающих и неразрушающих методов контроля [12–15][17–19] по ГОСТ 28570, ГОСТ 22690, ГОСТ 17624 и ГОСТ 31914. Оценка прочности бетона конструкций проектных классов В60–В100, выполненная на разных стадиях процесса возведения конструкций каркасов высотных зданий по ГОСТ 31914 и ГОСТ 18105, показала, что использование разработанной технологии обеспечивает соблюдения требований проектов с надежностью 97,6 % [18].

Выводы

Разработана технология возведения и ухода за конструкциями каркасов высотных зданий из высокопрочных бетонов, позволяющая обеспечить заданные сроки возведения сооружений и высокое качество строительства.

Оптимизированы составы высокопрочных бетонов классов В60–В100 из высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей с расходом цемента 350–480 кг/м ³ на основе органоминеральных модификаторов серии МБ.

Выявленная закономерность между прочностью и температурно-временным параметром выдерживания бетона (ТВП) позволила производить предварительную оценку прочностных характеристик высокопрочных бетонов в конструкциях по результатам измерения их температуры.

Наиболее эффективным путем решения проблемы, обеспечения оптимальной температуры твердения высокопрочного бетона в конструкциях высотных зданий в зимний период является совместное использование методов термоса и обогрева бетона нагревательными проводами.

Системный подход к выдерживанию бетона и уходу за конструкциями сооружения в целом, с вертикальным делением высотного здания на четыре температурные зоны, обеспечивает оптимальную временную взаимосвязь между достижением бетоном распалубочной и проектной прочности и возможностью постепенного выравнивания температур твердеющего бетона и наружного воздуха, что в свою очередь позволяет снизить вероятность появления термических трещин, связанных с экзотермией бетона и неравномерным разогревом-остыванием конструкций.