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:

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.

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.

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.

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:

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].

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.