СПОСОБ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВОЗВЕДЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
METHOD FOR HIGH-SPEED ERECTION OF MONOLITHIC STRUCTURES OF A BUILDING IN CONDITIONS OF LOW TEMPERATURES

Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано в производстве железобетонных и бетонных монолитных конструкций для сооружения зданий при ускоренных темпах их возведения и выполнении работ при пониженных температурах.
Как известно, скорость строительства зданий и сооружений напрямую зависит от времени набора конструкциями из бетона проектной прочности. На практике наибольшая скорость (за сутки) достигается бетоном в пропарочных камерах на заводах ЖБИ.
Пропарочная камера промышленного предприятия представляет собой, как правило, прямоугольное замкнутое пространство со съемной крышкой, где паром в укороченном режиме производится тепловая обработка изделий из бетона. Во избежание потерь тепла пол, стены и крышка камеры утеплены.
Пар является штатной продукцией котельной завода и изо всех тепловых ресурсов, имеющихся на заводе, является наиболее дешевым. В заводских условиях данная технология легко и успешно реализуема.
Однако сложность ее применения на строительной площадке заключается в отсутствии технических возможностей для этого. В частности, поскольку пар на стройплощадке не производится, то выбор теплоносителя сделан в пользу электрической энергии, так как по отпускной стоимости электрическая энергия - второй, после пара, товарный ресурс. Способ электротермообработки бетона, дает возможность управлять тепловой мощностью в широких пределах, что позволяет обеспечить однородность температурного поля, а, следовательно, обеспечить требуемый темп нарастания прочности бетона во всем объеме изделия.
Электротермообработка обеспечивает получение бетонов с заданными физико-механическими свойствами (прочностью на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкостью, сцеплением с арматурой и др.), существенно не отличающимися от свойств бетона, твердеющего в нормальных условиях: при температуре Т=+20°С и влажности 95%.
Нагрев бетона осуществляют теплотой, выделяемой электрическими проводами с высоким омическим сопротивлением при подключении их в сеть.
Требуемое качество и долговечность бетона в конструкциях, подвергаемых электротермообработке, в значительной степени обусловливается предотвращением больших влагопотерь, которые могут иметь место при неправильно выбранных режимах прогрева бетона и отсутствии изоляционных покрытий на неопалубленных поверхностях.
Для снижения расхода электроэнергии необходимо стремиться к получению требуемой прочности бетона в наиболее короткие сроки прогрева. С этой целью в настоящее время используют повышенные температуры, быстротвердеющие цементы, сокращают длительность активного прогрева с учетом нарастания прочности бетона при остывании.
Известно «Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, в районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера (ЦНИИОМТП Госстроя СССР. - М. Стройиздат 1982 - http://www.gostrf.com/normadata/1/4293835/4293835918.pdf)».
В нем приведена рекомендация, в которой для достижения бетоном на портландцементах прочности выше 70% от проектной, предлагается применение режима тепловой обработки при температуре 40°С. При этом тепловая обработка производится с помощью электродов, которые располагаются в три ряда по периметру конструкции (по одному ряду на каждую фазу).
В процессе электродного прогрева 70% воды участвуют в формировании цементного камня, остальные 30% - испаряются. В процессе нагрева бетона и уменьшения в его составе свободной воды, электрическое сопротивление бетона повышается и при достижении бетоном прочности 50% от проектной ток свою работу по набору прочности завершает. Для достижения проектной (100%) прочности бетона за один технологический цикл, дополнительно используют ряд технических приемов, например: вводят противоморозные добавки, которые удлиняют время набора прочности бетона, а также добавки, ускоряющие сам процесс набора прочности (сульфат натрия, поташ, хлористый кальций и т.п.) и т.д. В общей сложности достижение проектной прочности таким способом (как правило, методом «термоса») происходило за 7-14 дней, что достаточно большой срок. При методе «термоса» бетонную смесь с температурой 20…50°С укладывают в утепленную опалубку, а открытые поверхности защищают от охлаждения. Сущность метода «термоса» состоит в том, чтобы бетон, остывая до 0°С, смог за это время набрать критическую прочность.
Кроме того, недостатком данного технического решения является, то, что низкая температура прогрева (40-50°С) приводит к снижению прочности бетонов всех групп цементов при любом способе тепловой обработки.
Известен способ возведения монолитных железобетонных конструкций в зимних условиях, использующих в качестве нагревателя трубы с жидким теплоносителем (патент РФ №2487981, E04G 9/10, опубл. 20.07.2013). Но как было показано выше, оптимальным в условиях строительной площадки является способ электротермообработки.
Известен также способ достижения прочности бетона, изложенный в методическом документе МДС 12-48.2009 «ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРОВОДОВ» (http://www.gostrf.com/normadata/1/4293830/4293830296.pdf) разработанный сотрудниками ЗАО «ЦНИИОМТП» В.П. Володиным и Ю.А. Корытовым в 2009 году.
3
В нем также рекомендуется производить тепловую обработку бетона при температуре 40°С с помощью греющих проводов, что так же является недостатком данного способа и приводит к снижению прочности бетонов всех групп цементов при любом способе тепловой обработки. Как следствие, заданная низкая температура изотермического прогрева создает потребность в мощности в размере 1-1,5 кВт на 1 м бетона, что ведет к увеличению времени достижения проектной прочности до 7 суток.
Известно техническое решение «СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ» ПО ЗАЯВКЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ РФ №94039201, E04G 9/10, опубл. 10.09.1996. Описанный в ней способ может быть использован при возведении монолитных железобетонных конструкций с тепловой обработкой бетона. Способ включает укладку бетонной смеси, ее уплотнение и прогрев, причем укладку бетонной смеси производят на прогретую поверхность при предварительно нагретых наружной и внутренней, укрытой сверху изолирующей кровлей. Далее осуществляют прогрев бетонной смеси и поддержание ее температуры в течении 33-48 часов до достижения бетонной смесью 50% прочности, которая обеспечивается, в частности при температуре наружного воздуха - 25°С, - (-) 30°С за 48 часов. Для обогрева внутренней опалубки используют автономный источник теплоснабжения, а охлаждение производят путем отключения от источников теплоснабжения первоначально наружной, а затем внутренней опалубки и их соответствующего демонтажа. При этом наружную опалубку используют утепленной, дополнительно обогревая ее ТЭНами.
Основным недостатком данного способа является длительность процесса подогрева бетона и внутренней опалубки, что приводит к значительному расходу электроэнергии. Кроме того, этот способ описывает достижение только 50% прочности бетона, которая является критической и не позволяет нагружать строительную конструкцию для дальнейшего возведения объекта, так как для этого требуется полная проектная (100%) прочность бетона.
Известен источник информации, в котором описан конкретный пример прогрева бетона до достижения им проектной прочности при возведении монолитных зданий в зимних условиях, принятый за прототип (М.А. Садович «Методы зимнего бетонирования в условиях Севера» учебное пособие Братского государственного университета, Братск, 2009 - http://www.zimbeton.ru/info/103.pdf). В нем нагрев бетона осуществляют теплотой, выделяемой электрическими проводами с высоким омическим сопротивлением при подключении их в сеть.
В зависимости от ряда факторов и применяемых способов электротермообработки прогрев может производиться с помощью проводов по различным режимам.
Известны 3 фазы тепловой обработки: разогрев, изотермический прогрев и остывание.
1-й режим (Фиг. 1): требуемая прочность бетона при таком режиме должна быть достигнута к моменту окончания изотермического прогрева, а прирост прочности за время остывания не учитывается. Этот режим рекомендуется применять при электропрогреве конструкций с модулем поверхности Мп=12 и выше.
2-й режим (Фиг. 2): при таком режиме необходимую прочность бетон приобретает к концу остывания. Этот режим целесообразно применять для электропрогрева конструкций с Мп=8-11.
3-й режим (Фиг. 3): в данном случае заданная прочность обеспечивается к концу остывания. Этот режим рекомендуется применять для конструкций с Мп=3-7.
Разогрев производят при температуре 18-20°С.
Изотермический прогрев должен производиться при максимально допустимой температуре. В данной работе авторы в качестве расчетной для бетонов на высокоактивных портландцементах рекомендуют температуру изотермического прогрева 55-60°С.
С учетом темпов современного строительства режимы изотермического прогрева конструкций назначаются по возможности короткими. Наиболее приемлемым авторы считают следующий режим, ч:
разогрев 5°С/ч
10-12
изотермический прогрев при температуре 55-60°С
10-15
остывание (для массивных конструкций)
20-30
всего
40-60
Режим, указанный в этом учебном пособии, обеспечивает получение не менее 50% прочности от установленной марки бетона в возрасте 28 суток.
Недостатками рекомендованного технического решения являются:
Во-первых, во всех режимах прогрева должны работать все 3 фазы: разогрев, изотермический прогрев, остывание. В качестве фактора набора прочности в первом режиме не учитывается фаза «остывание», хотя фактически она происходит. В третьем режиме упущена из работы фаза «изотермический прогрев».
Во-вторых, задача достичь только 50% прочности бетона от проектной, говорит о недостатке энергетических мощностей на площадке, что не позволяет достичь проектную прочность бетона за один цикл тепловой обработки.
В-третьих, все три фазы занимают значительное время - 40-60 часов для достижения 50% прочности от установленной марки бетона (50 час/24 часа)=2 суток. При отключении прогрева прекращается и экзотермическая реакция. Оставшийся прирост 50% прочности можно достичь при Т+20°С за 14 дней.
Главным недостатком является большой период достижения 50% прочности от установленной марки бетона - 28 суток.
Повседневная практика показывает, что достигнутое на сегодняшний день в стране время набора бетоном 70% прочности составляет:
- на территории страны с Европейским климатом за 2-3 суток,
- в Сибири на Севере и на Дальнем Востоке - до 5 суток.
Для достижения 100% прочности требуется соответственно 4 суток и 7 суток, что существенным образом удлиняет срок возведения объектов.
Общим недостатком всех описанных технических решений является низкая мощность (от 1 до 1,5 кВт), заданная для нагрева бетона, что обеспечивает достижение только критической прочности бетона (30-50% проектной прочности).
Техническим результатом заявляемого технического решения является разработанный способ высокоскоростного набора 100% прочности бетона в монолитных конструкциях зданий за счет регулирования температурного режима нагрева бетона и мощности греющих проводов в процессе его твердения при возведении конструкции в условиях строительной площадки при низких температурах наружного воздуха.
3
3
Технический результат достигается тем, что способ высокоскоростного возведения монолитных конструкций здания в условиях пониженных температур включает предварительную подготовку бетона, укладку бетона в нагретую опалубку, выдерживание бетона при температуре +20°С, а тепловую обработку бетона производят при температуре 65-80°С греющих проводов мощностью 2,5-5 кВт на 1 м бетона, а изотермический прогрев бетона осуществляют в течение не менее шести часов при температуре 70-85°С при электрической мощности 1,2-2,5 кВт на 1 м бетона.
Для достижения заявленного технического результата на первом этапе необходима соответствующая подготовка бетона.
Бетонная смесь, отпускаемая заводом- изготовителем, должна иметь температуру +25°С. Для удержания такой температуры автобетоновозы имеют заводское утепление «бочки», при этом на строительном объекте должен быть создан тепловой контур (ограждающие конструкции, сохраняющие тепло и поддерживающие режим тепловой обработки, утепляющие маты, минерально-ватные плиты, брезент), а режимы электропрогрева должны иметь достаточную мощность и резервное питание на случай аварийного отключения штатного электропитания.
Известно, что для обеспечения удобоукладываемости, в составе бетона присутствует воды больше, чем требуется для формирования цементного камня. Уменьшение количества воды в бетоне приводит к снижению температуры тепловой обработки готовой бетонной смеси. Способностью уменьшить водоцементные отношения обладают пластифицирующие добавки I группы - это суперпластификаторы, например: С-3, 10-03,40-03.
Применение суперпластификаторов в бетоне решает одновременно три задачи:
- снижение объема воды при затворении цемента;
- создание подвижности готовой смеси до П5, что в 3-4 раза выше, чем у пластификаторов;
- снижение температуры тепловой обработки бетона.
Все это положительно отражается на качестве бетона, так как основные процессы, вызывающие деструктивные явления в нагреваемом бетоне, значительно интенсифицируются при температуре тепловой обработки выше 60°С.
При этом в качестве вяжущего применяем цемент I группы активности при пропаривании. Нагрев бетона осуществляют теплотой, выделяемой электрическими проводами с высоким омическим сопротивлением при подключении их в сеть.
На втором этапе на строительной площадке для сохранения тепла создают тепловой контур и нагревают опалубку до температуры +5°С, что позволяет обходиться без противоморозных добавок.
При этом существенным является выбор удельных энергетических мощностей, позволяющих обеспечить оптимальный график тепловой обработки. Необходимо учесть все факторы, от которых она зависит: разности температуры нагревания бетона и наружного воздуха ΔТ, °С, массивности нагреваемой конструкции, характеризуемой модулем охлаждаемой поверхности Мп, коэффициента теплопередачи K и содержания цемента в бетонной смеси Ц».
В опалубку конструкции укладывают бетон и предварительно выдерживают его при Т=+20°С в течение 1-5 часов в зависимости от активности цемента, В/Ц (соотношение воды и цемента), подвижности бетона и температуры окружающей среды. Такое техническое решение способствует развитию процессов гидратации бетона и формированию начальной структуры бетона без температурных напряжений.
3
На третьем этапе приступают к тепловой обработке бетонной смеси до 65-80°С. Для этой цели используют теплоту, выделяемую греющими проводами, которые предварительно монтируют непосредственно в массив монолитной железобетонной конструкции. Так как в греющих проводах ток проходит по стальному проводу, покрытому теплостойкой электроизоляцией из поливинилхлорида, а не по телу бетона, то его движения не связаны с влажностью, а значит и проводимостью бетона. Это позволяет не только обеспечивать технологический прогрев, но и в последующем подогревать, например, полы, в процессе их эксплуатации. Такие свойства греющих проводов позволяют обеспечить процесс тепловой обработки бетона любой продолжительности, вплоть до достижения бетоном проектной прочности, что невозможно при прогреве электродами. На греющие провода подают ток в пределах электрических мощностей из расчета 2, 5-5 кВт на м бетона.
Изотермический прогрев бетонной конструкции осуществляют при температуре 70-85°С в течение 6-8 часов. Скорость остывания бетонной конструкции соответствует скорости ее нагрева (°С/час) - до +5°С.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примерами.
График тепловой обработки бетона Мп≤10 представлен на Фиг. 4.
Пример 1.
3
1-я фаза: проектный бетон марки В30 в конструкции с модулем поверхности Мп=8 укладывают в предварительно нагретую опалубку и выдерживают его в течение 2-х часов при температуре Т=+20°С. При наружной температуре воздуха - 10°С на поддержание такой температуры требуется мощность 0,2 кВт на 1 м  бетона.
3
2-я фаза: нагревают бетонную конструкцию до 70°С в течение 5 часов током мощностью 2,5 кВт на 1 м бетона.
3
3-я фаза: изотермический прогрев в течение 6 часов током мощностью 1,5 кВт на 1 м бетона. Через 3 часа изотермического прогрева бетон достигает 70% от проектной прочности. Через следующие 3 часа изотермический прогрев прекращают, так как за это время бетон достигает 90% от проектной прочности фиг. 2).
4-фаза: в фазе охлаждения до температуры +5°С со скоростью в соответствии с модулем поверхности конструкции (от 5 до 15 С° в час), время которой составляет 6 часов, набирается дополнительная прочность бетона - 10% от проектной.
График нарастания прочности бетона кл. В 30 представлен на Фиг. 5.
Таким образом 100% проектная прочность достигнута за 19 часов, в отличие от аналогов, где только 70% проектная прочность достигается за 7 -14 дней.
Пример 2.
3
1-я фаза: проектный бетон марки В25 в конструкции с модулем поверхности Мп=10 укладывают в предварительно нагретую опалубку и выдерживают его в течение 2-х часов при температуре Т=+20°С. При наружной температуре воздуха - 20°С на поддержание такой температуры требуется мощность 0,3 кВт на 1 м бетона.
3
2-я фаза: бетонную конструкцию нагревают до 75°С в течение 5 часов током мощностью 4 кВт на 1 м бетона.
3
3-я фаза: изотермический прогрев в течение 6 часов током мощностью 2 кВт на 1 м бетона. Через 3 часа изотермического прогрева бетон достигает 70% от проектной прочности. Через следующие 3 часа изотермический прогрев прекращают, так как за это время бетон достигает 90% от проектной прочности.
4-фаза: в фазе охлаждения до температуры +5°С со скоростью в соответствии с модулем поверхности конструкции (от 5 до 15°С в час), время которой составляет 6 часов, набирается дополнительная прочность бетона - 10% от проектной.
Новизна технического решения, предлагаемого для сокращения времени электротермообработки монолитных конструкций, соответствует всем нормативным документам в области строительства: СП70.133330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции», ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия». ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Оригинальная методика и разработанные специальные мероприятия, используемые автором при высокоскоростном возведении монолитных зданий в условиях пониженных положительных и отрицательных или повышенных положительных температурах, позволили при строительстве жилого дома с монолитным несущим каркасом микрорайона «Радужный» в г. Чебоксары в 2012 году возвести коробку здания с кирпичными ограждающими конструкциями в темпе «40 этажей - за 40 рабочих дней».
Данная технология апробирована также на строительстве города Циолковский космодрома «Восточный». При строительстве жилых домов набор прочности конструкций из бетона был сокращен с 5 до 1,5 суток.
Таким образом достигнут заявленный технический результат: разработан способ высокоскоростного набора прочности бетона в монолитных конструкциях зданий за счет регулирования температурного режима нагрева бетона при его твердении при возведении конструкции в условиях строительной площадки при низких температурах наружного воздуха