Влияние отрицательной температуры на прочность бетона и методы его оптимизации

При низкой температуре наблюдается замедление схватывания и нарастания прочности бетона. При среднесуточной температуре +5°C требуется в два раза больше времени, чтобы бетон достиг такой же прочности, как при температуре +20°C. При температуре, близкой к температуре замерзания, набор прочности бетона практически прекращается. Если свежий бетон замерзает, то его структура может разрушиться. Неиспользованная при гидратации цемента избыточная вода образует в твердеющем бетоне систему капиллярных пор. Под воздействием низких (отрицательных) температур вода, находящаяся в порах, полностью или частично замерзает, а образуемый в результате замерзания лед оказывает давление на стенки пор, которые могут привести к разрушению их структуры. Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение его прочности после оттаивания и в процессе дальнейшего твердения по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Это происходит из-за разрыва кристаллами льда связей между поверхностью зернистого заполнителя цементным камнем. При оттаивании воды процесс твердения возобновляется, но уже при деформированной структуре бетона. Что может привести не только к отслоению арматуры и больших элементов заполнителя бетонной смеси, но и к трещинам. Естественно, прочность такой бетонной конструкции будет гораздо меньше расчетной.

Устойчивости свежеуложенного бетона к замерзанию можно добиться специальным составом бетонной смеси и/или технологиями, при которых соблюдаются требуемые сроки твердения бетона при положительной температуре.

Специальные составы бетонных смесей могут быть:

• с использованием цемента с быстрым набором прочности (литера “R” в классе прочности);
  
  
• с повышенным содержанием цемента в бетонной смеси;
  
  
• со снижением водоцементного отношения;
  
  
• с предварительным подогревом заполнителей (до +35°C) и воды (до +70°C) для бетонной смеси;
  
  
• с использованием противоморозных и воздухововлекающих добавок.
  
  

Специальные составы имеют целый ряд ограничений, поэтому их использование требует высококвалифицированного технологического контроля (в ряде случаев их вообще нельзя использовать). Например, изменение содержания цемента в бетонной смеси или снижение водоцементного соотношения могут не привести к желаемому эффекту при резком изменении температуры среды. Или использование противоморозных добавок может привести к ускоренной коррозии арматуры.

Под специальными технологиями при низких температурах подразумеваются:

• метод «термоса»;
  
  
• электронагрев бетонной смеси;
  
  
• прогрев бетона паром.
  
  

Метод «термоса» используется при массивных конструкциях. Он не требует дополнительного обогрева, но температура укладываемой смеси должна быть более +10°С. Суть данного метода состоит в том, чтобы уложенная смесь, остывая, успела набрать критическую прочность. Химическая реакция твердения бетона является экзотермической, т.е. с выделением тепла. Поэтому, бетонная смесь подогревает сама себя. При отсутствии теплопотерь бетон может разогреться до температуры более +70°С. Если опалубку и открытые поверхности защитить теплоизолирующим материалом, снизив таким образом теплопотери твердеющего бетона, вода не замерзнет и бетонная конструкция будет набирать прочность. Для реализации метода термоса не требуется дополнительного оборудования, поэтому он является экономичным и простым.

Имеется три основных способа электронагрева:

• прогрев электродами;
  
  
• индукционный нагрев;
  
  
• использование электронагревательных приборов.
  
  

Способ прогрева электродами заключается в следующем: в свежеуложенную смесь вводят электроды и подают на них ток. При протекании электрического тока электроды нагреваются и обогревают бетон. Следует отметить, что ток должен быть переменным, т.к. при постоянном токе происходит электролиз воды с выделением газа. Этот газ экранирует поверхность электродов, сопротивление тока возрастает и нагрев существенно снижается. Если в конструкции используется железная арматура, то её можно использовать в качестве одного из электродов. Важно обеспечить равномерность прогрева бетона, и осуществлять контроль температуры. Она не должна превышать +60°С. Расход электроэнергии при данном способе варьируется в пределах 80–100 кВт*ч на 1 м³ бетона.

Индукционный прогрев используется редко, в силу сложности реализации. Он основан на принципе бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты. Вокруг стальной арматуры обматывают изолированный провод и пропускают через него ток. В результате появляется индукция и происходит нагрев арматуры. Расход энергии при индукционном прогреве составляет 120–150 кВт*ч на 1 м³ бетона.

Ещё один из способов электронагрева бетона – это применение электронагревательных приборов. Существуют греющие маты, которые раскладываются на поверхности бетона и включаются в сеть. Так же можно соорудить над бетоном подобие палатки и уже внутри поставить электронагревательные приборы, например тепловую пушку. Но в данном случае необходимо позаботиться об удержании влаги в бетоне, не допустить преждевременного высыхания. При температуре окружающего воздуха –20°С расход электроэнергии, при данном методе, будет составлять 100-120 кВт*ч на 1 м³ бетона.

Прогрев бетона паром является весьма эффективным и рекомендуется для тонкостенных конструкций. С внутренней стороны опалубки создаются каналы, через которые пропускают пар. Можно сделать двойную опалубку и пропускать пар между её стенками. Так же можно проложить трубы внутри бетона, и пропускать пар по ним. Бетон этим способом нагревают до +50 – +80°С. Такая температура и благоприятная влажность ускоряет твердение бетона в несколько раз. Например, за двое суток, при данном методе, бетон набирает такую же прочность как при недельном твердении в нормальных условиях. Но у этого метода есть существенный недостаток. Требуются внушительные затраты на его организацию.

В статье использована информация с сайтов dacha-dom.ru и stroy-invest52.ru.