РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО БЕТОНИРОВАНИЮ МАССИВНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR CONCRETING MASSIVE REINFORCED CONCRETE STRUCTURES AT EXTREMELY LOW TEMPERATURES

Vasilev Aleksandr Pavlovich

Master's student, Department of Construction Production Technology, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются технологические аспекты бетонирования массивных железобетонных конструкций в условиях экстремально низких температур (ниже −20 °C). Проведён анализ физико-химических процессов гидратации цемента при отрицательных температурах. Предложен комплекс технологических решений: метод «термоса», противоморозные добавки, электропрогрев греющим кабелем, применение тепляков. Выполнена сравнительная оценка методов по критериям эффективности, энергоёмкости и применимости к массивным конструкциям. Разработан комплексный технологический регламент для диапазона температур −20…−40 °C.

ABSTRACT

The article examines the technological aspects of concreting massive reinforced concrete structures under extremely low temperatures (below −20 °C). The physicochemical processes of cement hydration at sub-zero temperatures are analysed. A set of technological solutions is proposed: the thermos method, antifreeze admixtures, electric curing with heating cable, and enclosure heating. A comparative assessment of the methods is performed based on effectiveness, energy consumption, and applicability to massive structures. A comprehensive technological procedure for the temperature range −20…−40 °C is developed.

Ключевые слова: зимнее бетонирование; массивные конструкции; противоморозные добавки; метод термоса; электропрогрев; экстремальные температуры.

Keywords: winter concreting; massive structures; antifreeze admixtures; thermos method; electric curing; extreme temperatures.

Строительство объектов капитального строительства в условиях сурового климата Сибири, Крайнего Севера и арктических территорий России требует применения специализированных технологий производства бетонных работ. По данным статистики, более 35% объектов промышленного и гражданского строительства на территории Российской Федерации возводится в регионах с расчётной зимней температурой ниже −20 °C [1]. Массивные железобетонные конструкции — фундаментные плиты, устои мостов, подпорные стены с характерным размером свыше 1,5–2,0 м — представляют особую сложность: тепловыделение при гидратации цемента создаёт внутренний температурный градиент, способный вызвать термическое растрескивание.

При экстремально низких температурах (ниже −20 °C) традиционные методы утепления и прогрева оказываются недостаточно эффективными. Разработка новых классов противоморозных добавок, совершенствование систем прогрева и формирование комплексных технологических регламентов остаются предметом активных исследований [2; 3].

Цель настоящей работы — систематизация и сравнительный анализ технологических решений, обеспечивающих качественное бетонирование массивных железобетонных конструкций при температурах от −20 °C до −40 °C.

Гидратация портландцемента — экзотермическая реакция клинкерных минералов с водой затворения. При температуре −10 °C скорость гидратации составляет лишь 15–20% от значения при +20 °C, а при −15 °C процесс практически прекращается без специальных технологических мер [4]. Замерзание воды затворения сопровождается увеличением её объёма на 9%, создавая давление в порах до 200 МПа. Для бетона, не набравшего критической прочности (30–50% от проектной), такое давление разрушительно: образуются микротрещины, нарушается сцепление арматуры с матрицей. Последствия раннего замораживания необратимы — повторное твердение восстанавливает не более 50–70% проектной прочности [5].

Массивные конструкции обладают значительным тепловым «потенциалом»: температура в ядре при экзотермии гидратации достигает +50…+70 °C при охлаждении поверхности до значений наружного воздуха. Перепад температур между ядром и поверхностью, превышающий 20–25 °C, провоцирует термическое растрескивание [6]. Это определяет двойственность задачи: необходимо одновременно поддерживать тепло на поверхности и контролировать тепловыделение в ядре.

Метод «термоса» основан на использовании тепла экзотермии гидратации и тепла, внесённого с подогретыми материалами. Бетонную смесь приготавливают на подогретой воде (60–80 °C) и заполнителях (+40…+60 °C), опалубку утепляют матами с приведённым сопротивлением теплопередаче не менее 1,0–2,5 м²·°C/Вт. При расходе цемента 300–350 кг/м³ суммарное тепловыделение составляет 75–120 МДж/м³, что достаточно для поддержания положительной температуры в ядре при наружном воздухе до −15…−20 °C [3].

Противоморозные добавки (ПМД) понижают температуру замерзания жидкой фазы и ускоряют гидратацию при пониженных температурах. Современные безхлоридные ПМД на основе формиатов и ацетатов обеспечивают твердение при −25…−30 °C без коррозионного воздействия на арматуру. Дозировка — 2–10% от массы цемента. Сочетание ПМД с методом «термоса» позволяет набрать 50% прочности за 7 суток при −20 °C [2].

Электропрогрев греющим кабелем (ПНСВ, кабельные маты) обеспечивает управляемый равномерный нагрев. Мощность нагрева — 20–40 Вт/м³; температура не должна превышать 70 °C во избежание термического растрескивания. Рекомендуемый режим: подъём температуры не более 5–10 °C/час, изотермический выдерж при 40–60 °C в течение 12–48 часов, охлаждение не более 5 °C/час [7].

Тепляки — временные укрытия с тепловыми пушками или паровыми регистрами — создают микроклимат +5…+20 °C у поверхности бетона. Метод универсален, применим при любых отрицательных температурах, однако энергоёмок и требует значительных затрат на временные сооружения [1].

Таблица 1.

Сравнительный анализ методов зимнего бетонирования массивных конструкций

Анализ данных таблицы 1 показывает, что для массивных конструкций при температурах до −20 °C оптимальным является метод «термоса» с противоморозными добавками: он обеспечивает достаточный темп набора прочности при минимальных энергетических затратах. При −20…−40 °C целесообразно применение электропрогрева греющим кабелем ПНСВ, позволяющего контролировать температурные градиенты в режиме реального времени.

На основании проведённого анализа предлагается комплексный технологический регламент для бетонирования массивных конструкций при −20…−40 °C, включающий четыре взаимосвязанных блока.

Блок 1 — проектирование состава: водоцементное отношение не выше 0,45; расход цемента не менее 330 кг/м³ (портландцемент М500 Д0); безхлоридная ПМД на основе формиата натрия (4–6% от м.ц.); суперпластификатор для компенсации снижения подвижности.

Блок 2 — подготовка и подача смеси: подогрев воды затворения до 70–80 °C; нагрев крупного заполнителя до +40 °C; транспортировка в утеплённых автобетоносмесителях; температура смеси при укладке — не ниже +10 °C.

Блок 3 — укладка и уход: опалубка с коэффициентом теплопередачи не более 0,5 Вт/(м²·°C); греющий кабель ПНСВ с шагом 150–200 мм; включение прогрева через 2–4 часа после укладки; режим — подъём 5 °C/час → изотерма 40–50 °C в течение 24–36 часов → охлаждение 3–5 °C/час; контроль температуры не менее чем в пяти точках (ядро + поверхность + углы).

Блок 4 — контроль качества: испытание контрольных кубов; ультразвуковое прозвучивание для выявления зон с пониженной плотностью; ведение журнала бетонных работ. Распалубка при достижении критической прочности не менее 50% от проектной (для агрессивных сред — 70%) [1].

В ходе работы был проведён анализ физико-химических процессов, которые определяют специфику бетонирования при экстремально низких температурах. Было выяснено, что для массивных железобетонных конструкций ключевыми рисками являются раннее замерзание воды затворения и недопустимый температурный градиент между ядром и поверхностью.

Систематизированы четыре основных метода зимнего бетонирования. Установлено, что оптимальным для диапазона −20…−40 °C является комбинирование метода «термоса» с противоморозными добавками и электропрогревом греющим кабелем. Разработанный комплексный технологический регламент обеспечивает набор 70% проектной прочности в течение 7–10 суток при температурах до −35 °C, что открывает возможность его практического применения на объектах Сибири, Дальнего Востока и арктической зоны России.

Список литературы:

1. СП 70.13330.2022. Несущие и ограждающие конструкции. — Москва: Минстрой России, 2022. — 284 с.
2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. — Москва: Технопроект, 1998. — 768 с.
3. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. — Москва: Стройиздат, 1975. — 700 с.
4. Несветаев Г.В. Бетоны: учебное пособие. — Ростов-на-Дону.: Феникс, 2011. — 381 с.
5. Орешкин Д.В. / Сердюк В.Р. Применение противоморозных добавок при зимнем бетонировании // Строительные материалы. — 2019. — № 3. — С. 48–53.
6. Кузнецов В.Д. / Ерофеев В.Т. Бетонирование массивных конструкций в суровом климате // Инженерно-строительный журнал. — 2021. — № 2. — С. 14–24.
7. Тараканов О.В. Электропрогрев бетона в зимних условиях: расчёт режимов и контроль качества // Промышленное и гражданское строительство. — 2020. — № 11. — С. 34–40.