Непрерывное увеличение объема монолитного строительства в особенности на Севере и Дальнем Востоке России, где зимний период длится более 6 месяцев, а температура наружного воздуха снижается до –60 °С и ниже, вызывает необходимость обеспечения надлежащих условий для твердения бетона.

За последнее время количество новой информации, затрагивающей вопросы зимнего бетонирования, существенно уменьшилось. Качественное развитие опалубочных систем, теплоизоляционных материалов, способов формирования бетонной смеси и ее состава, а также приборов для измерения температуры, позволяют расширить имеющийся опыт в технологии зимнего бетонирования [1].

Одним из экономичных способов зимнего бетонирования является метод термоса. Метод термоса основан на использовании экзотермического тепла, выделяемого цементом в процессе твердения бетона [2–5].

В настоящее время при многообразии методов тепловой обработки перед производителем работ стоит вопрос рациональности применения одного из методов или их сочетания, например метод термоса с электропрогревом [6–8].

В рамках представленной работы рассматривается возможность применения материала ПЕНОПЛЭКС в опалубочных системах при зимнем бетонировании в различных условиях производства работ при отрицательной температуре для сохранения тепла вконструкции в период прогрева.

Целью настоящей работы являлось определение эффективности и целесообразности применения метода термоса с использованием экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС при зимнем бетонировании. Также исследование проводилось с целью разработки опалубочной системы с применением материала ПЕНОПЛЭКС, задача которой заключается в сокращении сроков твердения бетона и экономии электроэнергии при комбинировании метода термоса с электропрогревом в условиях зимнего бетонирования.

Для проведения исследований разработан стенд на основе универсальной опалубочной системы для бетонирования колонн, сечением 400 × 400 мм и стационарной морозильной камеры с возможностью поддерживать низкую отрицательную температуру воздуха до –20 °С с точностью ±0,5 °С.

Кроме стационарного термометра морозильная камера дополнительно оснащалась «термокосами» – системой высокоточных температурных датчиков, подключенных к компьютеру, с возможностью опроса данных с частотой 1 секунда. На каждую колонну приходилось по две термокосы, располагаемые по центру и ближе к углу колонны (см. рис. 1), каждая из которых оснащалась четырьмя датчиками. Подключенные к компьютеру, датчики позволяли в режиме реального времени следить и анализировать температуру формирования и твердения бетонной смеси.

Лабораторные исследования разделены на 2 этапа.

Этап 1

Для испытаний принят класс бетона В25, а также морозостойкая добавка Sika Antifreeze FS-1, состав бетона представлен в табл. 1.

Для этапа 1 принято два типа универсальных опалубочных систем (рис. 1):

Бетонирование колонн выполнялось ручным способом с формированием бетонной смеси в электрическом бетоносмесителе. Бетонирование колонн проводилось послойно с применением глубинного вибратора. По завершении формирования бетонной смеси фиксировались дата, время и исходная температура смеси, и опалубка закрывалась крышкой, через которую пропускались концы термокос для обеспечения минимальных теплопотерь.

Для этапа 1 выполнено бетонирование 4 колонн по 2 колонны каждого типа. Первые две колонны каждого типа выдерживались трое суток для последующего вскрытия опалубки и отбора образцов для определения прочности бетона. Вторая пара колонн вскрывалась на седьмые сутки для отбора образцов, далее колонны перемещали на стационарное хранение при той же температуре, что и при испытаниях и хранились до истечения 28 суток, после чего из колонн повторно отбирались образцы дляконтрольного определения прочности и получения прочности R28.

По завершении необходимой выдержки бетонной смеси производилось вскрытие и снятие опалубки для последующего отбора образцов бетона (рис. 2).

Образцы для определения прочности бетона отбирались из колонн электрическим сверлильным пробоотборником.

До проведения испытаний по определению прочности бетона из конструкции керны хранились при отрицательной температуре, в соответствии с температурой окружающего воздуха, принятой при испытаниях (–5 и –20 °C) с целью исключить размораживание образцов и их последующий набор прочности.

Далее керны обрабатывались и распиливались на цилиндры. Грани цилиндров шлифовались с целью передачи равномерного сжимающего усилия без эксцентриситета. Температура образцов при определении прочности бетона поддерживалась в соответствиис температурой окружающего воздуха принятой при испытаниях (–5 и –20 °C).

Этап 2

Состав бетона аналогичен этапу 1 (см. табл. 1).

Этап 2 выполнялся с учетом дополнительных требований, а именно с дальнейшим определением прочности бетона возрастом 2, 3 и 5 суток. С прогревом, фиксацией энергопотребления и армированием, а также, в соответствии с Руководством по прогреву бетона в монолитных конструкциях [9], температурный режим твердения бетона во время проведения всех экспериментов выбран и поддерживался в диапазоне +35–65 °С. Армирование необходимо для обеспечения прогрева бетонной смеси. Температура окружающего воздуха во время испытаний –20 °С.

Для этапа 2 принято два типа универсальных опалубочных систем (рис. 3):

Процесс подготовки системы электропрогрева осуществлялся следующим образом:

После непрерывной навивки провода (ПНСВ) с инвентарного барабана через расчетное количество петель (оборотов) делались выводы провода. Провод крепился к арматуре мягкой вязальной проволокой, чтобы сохранить электроизоляцию инесмещаемость. Перед установкой опалубки (бетонированием) провод проверялся мультиметром на отсутствие короткого замыкания.

Контроль за режимом электропрогрева бетона производился с помощью пирометров и датчиков температуры, устанавливаемых в бетонную смесь. Датчики температуры позволяли автоматически регулировать режим электропрогрева бетона.

В бетонную смесь между проводами монтировался пенал из тонкостенной трубки. Датчики температуры устанавливали в пенал и подключали к программному комплексу для фиксации температурного режима. Контроль за электропотреблением производился с помощью электрических ваттметров.

Бетонирование колонн на этапе 2 выполнялось аналогично этапу 1 – ручным способом.

Для этапа 2 выполнено бетонирование шести колонн по три колонны каждого типа. Первые две колонны, по одной каждого типа, выдерживались двое суток для последующего вскрытия опалубки и отбора образцов для определения прочности бетона. Вторая пара колонн вскрывалась на третьи сутки. Третья пара колонн вскрывалась на пятые сутки.

По завершении необходимой выдержки бетонной смеси производилось вскрытие и снятие опалубки для последующего отбора образцов (кернов).

До проведения испытаний по определению прочности бетона из конструкции керны, аналогично этапу 1, хранились при отрицательной температуре, в соответствии с температурой окружающего воздуха, принятой при испытаниях (–20 °C) с целью исключить размораживание образцов и их последующий набор прочности. Далее, аналогично этапу 1, образцы распиливались на цилиндры и определялась их прочность при температуре –20 °C.

Результаты определения прочности бетона показали, что при использовании опалубочной системы со сплошным слоем теплоизоляции (СО) из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС, бетон набрал достаточную прочность на сжатие для снятия опалубки, в отличие от бетона с опалубочной системой без теплоизоляции (БО). В обоих случаях бетон в опалубочной системе без теплоизоляции (БО) замерз и показал критически низкую прочность на сжатие. Результаты определения прочности бетона наэтапе 1 представлены в табл. 2.

После окончания лабораторных испытаний на этапе 1 производилась обработка и анализ данных термометрии, полученных при формировании и твердении бетонной смеси.

Результаты термометрии показывают, что использование в качестве материала теплоизоляции плит из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС в зимнем бетонировании методом термоса позволяют достичь температуры бетона до +40 °С уже навторые сутки при температуре окружающего воздуха –5 °С, после чего отмечено плавное снижение температуры тела бетона до +4 °С. При температуре окружающего воздуха –20 °С максимальная температура бетона, которой удалось достичь, составила +38°С на 1-е сутки, после чего отмечено снижение температуры до 22 °С на 3-и сутки и далее до –20 °С на 7-е сутки (рис. 4).

При отсутствии плит из экструзионного пенополистирола максимальная отметка температуры тела бетона составляла +17 °С при температуре окружающего воздуха –5 °С. При температуре окружающего воздуха –20 °С максимальная температура бетона, которой удалось достичь, составила +13 °С. В обоих испытаниях при отсутствии теплоизоляции тело бетона замерзло (рис. 5).

Результаты определения прочности бетона на этапе 2 показали, что при использовании опалубочной системы со сплошным слоем теплоизоляции (СО) плитами из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС бетон набрал прочность на 2,1 и 1,1 МПа больше, в отличие от бетона с опалубочной системой без теплоизоляции (БО) при выдержке 2 и 3 суток соответственно. При этом следует отметить, что энергопотребление опалубки без теплоизоляции против опалубки со сплошной теплоизоляцией имеет энергопотребление выше в 3,5 раза на вторых сутках, при этом уже на пятые сутки выдержки бетона это соотношение превышает 5,5 раза. Эта разница увеличивается в зависимости от времени выдержки бетона. Результаты определения прочности бетона и энергопотребления на этапе 2 представлены в табл. 3.

После окончания лабораторных испытаний на этапе 2 производилась обработка и анализ данных термометрии, полученных при формировании и твердении бетонной смеси. Результаты термометрии показывают, что использование в качестве материала теплоизоляции из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС в зимнем бетонировании методом термоса с использованием электропрогрева позволяют достичь отметки температуры тела бетона в +60 °С спустя 12 ч с начала бетонирования и ееподдержании при температуре окружающего воздуха.

При отсутствии плит теплоизоляции из экструзионного пенополистирола с использованием электропрогрева максимальная положительная отметка температуры тела бетона составила +41 °С. Результаты термометрии представлены на рис. 6–8.

Из рисунка 8 следует вывод, что при пятисуточной выдержке бетона в опалубочной системе без теплоизоляции (БО) химическая реакция твердения бетона завершается на 3-суточном интервале, мощности выбранной системы электропрогрева недостаточнодля поддержания заявленного температурного режима твердения бетона (+35–65 °С).

Установлено, что при бетонировании железобетонных конструкций в зимних условиях наибольшую эффективность имеет комбинированный метод, а именно метод термоса с применением сплошной теплоизоляции из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС и электропрогрева.

Опалубочная система с применением сплошной теплоизоляции из экструзионного пенополистирола позволяет достичь оптимального температурного режима для твердения бетона в отличие от других типов опалубочных систем.

Прочность бетона на сжатие при использовании в опалубочной системе с теплоизоляцией экструзионного пенополистирола на вторые сутки твердения соответствует прочности бетона, требуемой для снятия опалубки.

При этом следует отметить, что энергопотребление опалубки без теплоизоляции против опалубки со сплошной теплоизоляцией имеет энергопотребление выше в 3,5 раза на вторых сутках, при этом уже на пятые сутки выдержки бетона это соотношение превышает 5,5 раза. Эта разница увеличивается в зависимости от времени выдержки бетона.

Применение энергоэффективных опалубочных систем для бетонирования особенно актуально на объектах, расположенных в районах с дефицитной электроэнергией (например, в районах Крайнего Севера). При прогреве железобетонных строительных конструкций в зимний период особое внимание важно уделять расчетам необходимой нагрузки на сеть и наличию требуемого количества трансформаторов с учетом возможного аварийного выхода из строя некоторых из них. За счет сохранения тепла в теле бетона увеличивается время на ремонт или замену источников электроэнергии для систем обогрева.

Применение данной технологии позволяет сократить сроки бетонных работ в зимних условиях, уменьшить общие экономические издержки на объекте в целом, а также снизить риски, связанные с перегревом или замерзанием бетонной смеси.

Результаты исследования могут быть использованы в качестве рекомендаций при выполнении работ по бетонированию в зимних условиях методом термоса.

При дальнейших исследованиях по данной теме предполагается полномасштабное проведение эксперимента с применением опытного образца опалубочной системы при отрицательной температуре на открытом воздухе, возможно в суровых климатических условиях с экстремально низкими температурами воздуха до –60 °С.