Нужен ви е продукт за ...

Бетониране при зимни условия с използване на химични добавки

Строителството, в частност бетоновите работи, отдавна са загубили своя сезонен характер и се изпълняват с нужната интензивност както при летни, така и при зимни условия. Бетонирането през зимата изправя производителите на бетонна смес и ръководителите на строителни обекти пред редица предизвикателства.

 

Обикновено, когато се говори за студено време и ниски температури се разбира период от 3 денонощия, през който средната температура не надхвърля 5ºС, а дневната температура за периода е по-ниска от 10ºС. За нашия климатичен пояс обикновено тази част от годината започва през есента и завършва през пролетта.

Ниските температури имат сериозно отражение върху свойствата на бетонната смес и втвърдения бетон, повечето от които са свързани със забавяне на физикохимичните процеси на хидратация на портландцимента:

1. Удължени времена на свързване.

По-ниските темпове на хидратация на цимента при ниски температури увеличава времето до начало на свързване на цимента, както е показано на фиг. 1. Съчетано с увеличеното време за водоотделяне и изсъхване на повърхността, това може да доведе до забавяне на финишните операции и допълнителни разходи. Ако повърхността на бетона се обработи преждевременно, може да се очакват проблеми с деламинация (отлюспване) на бетона и с отслабена повърхност, която отделя повишено количество прах. Познатата у нас практика да се добавя цимент или смес от цимент и пясък по повърхността на бетона, за да се използва отделеното количество вода за по-лесна обработка на повърхността не трябва да се допуска, тъй като това води до повишено износване и отделяне на прах.


фиг 1. Отражение на температурата на околния въздух върху времето за начало на свързване на цимента

2. По-ниски темпове на нарастване на якостта.

Както е показано на фиг. 2, темпът на нарастване на якостта на бетона при ниски температури се забавя значително. При 5ºС времето за разглобяване и отстраняване на кофражните форми (декофриране) трябва да бъде увеличени приблизително 2 пъти в сравнение с това при температура 20 ºС.

фиг 2. Ефект на температурата върху якостта на натиск на бетона

3. Образуване на пукнатини.

Пукнатините, причинени от съсъхване и/или температурни напрежения, може да се увеличат поради по-ниската якост на бетона. Това е особено опасно в случаите, когато ниските температури са съчетани с ветрово въздействие. Опасен температурен градиент може да възникне при масивни конструктивни елементи – фундаменти, хидротехнически съоръжения и др. При подобни случаи не трябва да се допуска температурна разлика между повърхността и вътрешността на бетоновия масив по-голяма от 20ºС – 25ºС.

4. Замръзване.

Установено е, че замръзването на бетонната смес преди началото на свързване на цимента не е опасно, тъй като тя е пластична и може свободно да се деформира, при което не възникват вътрешни напрежения. Получава се един вид "консервиране" на сместа. След размразяване на сместа е необходимо тя да се уплътни повторно, тъй като водата увеличава обема си при замръзване с около 9%, което води до увеличаване на порьозността на пресния бетон и оказва негативно влияние върху свойствата на втвърдения бетон. Замръзването е особено опасно в ранната възраст на бетона, когато якостта му е все още незначителна. То води до значително намаляване на якостните характеристики на втвърдения бетон, като причините за това могат да се разделят на две групи:

Първата група е свързана с растежа на ледени кристали (лещи), формирани в обема на бетона. Ледените лещи се образуват от водата, която се отделя при седиментационните процеси в бетона и се разполага по повърхността на добавъчните материали. Водата, която се отделя от циментовата паста, разположена в съседство, причинява по-нататъшен ръст на кристалите. Това от своя страна води до образуване на прослойки и фини пори в циментовата паста. Намаляването на якостта не може да бъде компенсирано, дори ако след това се осигурят нормални температурно-влажностни условия на втвърдяване на бетона, тъй като ледените лещи се разтопяват и на тяхно място остават кухини, които отделят добавъчните материали от разтворната компонента на бетона.

Втората група причини обхваща процесите на пукнатинообразуване и разрушаване на бетона, които се дължат на напреженията, предизвикани от растежа на ледените кристали. Ако якостта на замръзналия бетон е недостатъчна, за да поеме тези напрежения, резултатът е намаляване на якостта на бетона. Съвременни научни изследвания показват, че до 95% от водата в състава на бетонната смес замръзва при рязко понижаване на температурата като потенциалната загуба на якост стига до 50%. Колкото по-късно настъпи първото замразяване на бетона, толкова по-малки са отрицателните последствия за якостта на бетона. Това се дължи на обстоятелството, че количеството на свободната вода в бетона, която замръзва при понижаване на температурата, прогресивно намалява в ходя на хидратацията. Основният проблем, който възниква при бетониране при понижени температури е намаляването на загубите на якост на бетона, при замръзване – до около (10 ÷15)%, при положение, че след замръзването му се осигурят нормални условия на втвърдяване.


фиг 3. Отпечатъци от ледени кристали – сигурен признак, че пресният бетонът е замръзнал. Ако такива липсват, вероятно бетонът не е увреден от лед

На основата на подробна експериментална програма е формулиран т.нар. критерий за критична възраст, до достигането на която бетонът трябва да втвърдява при нормални условия. Най-често за критична възраст се приемат три дни. По-съвременните изследвания показват, че по-меродавен е критерият за критична якост – това е якостта, която бетонът трябва да притежава преди първото замразяване. Счита се, че при якост (30 ÷50)% от якостта на 28-ия ден (fcm) и не по-малко от 3,5 МРа, бетонът е в състояние да поеме напреженията, които възникват при преминаване на водата от течно в твърдо състояние, така че след осигуряване на нормални условия на втвръдяване загубата на якост да не надвишава 10-15%.

Основните цели, които се поставят при бетонирането при зимни условия, се свеждат до:

  1. Предотвратяване на повреди, породени от замръзване в ранна възраст;
  2. Осигуряване на възможност бетонът да добие достатъчна якост, която да позволи безопасно демонтиране на кофражните форми и натоварване на конструкцията по време и след завършване на строителството.
  3. Поддържане на условия, благоприятстващи нормалното нарастване на якостта на бетона, без прекомерно нагряване на бетона, което би могло да го увреди или да причини критично насищане с водни пари.
  4. Ограничаване на резките температурни промени и градиент на температурата, преди бетонът да е достигнал до определена минимална якост, която да му позволи да поема температурни напрежения.
  5. Осигуряване на защита, която е в синхрон с предназначението и функционалността на конструкцията. Обикновено бетоновите конструкции се проектират за многогодишен експлоатационен период. При това положение 28-дневната якост на бетона не е от съществено значение, ако повърхността и ръбовете на конструктивните елементи са повредени от замръзване; забелязват се дехидратирали зони; или напукване от прегряване, вследствие на неадекватно третиране или безотговорно отношение от страна на работната ръка. Краткотрайната защита на бетона по време на началните срокове на втвърдяване не трябва да е за сметка на неговата дълготрайност.

С течение на времето са възникнали редица методи за бетониране при ниски температури, по-известните от тях са:

  1. Метод "Термос";
  2. Загряване на бетонната смес с електричен ток;
  3. Загряване с пара;
  4. Електродно загряване;
  5. Индукционно загряване;
  6. Нагряване с инфрачервени лъчи.

Видно е, че изброените по-горе методи са свързани с изразходването на един или друг вид енергия, количеството на която е различно за всеки конкретен случай. Основната цел при тези методи е осигуряване на положителна температура на бетона в началните срокове на втвърдяване – т.е докато бетонът достигне необходимата минимална якост. Като алтернатива на тези методи се явява зимното бетониране с използване на химични добавки. В този случай съществуват два подхода за решаването на проблема с влиянието на ниските температури – влагане на противозамръзващи добавки и добавки, ускоряващи свързването и втвърдяването на портландцимента. 
Противозамръзващите добавки са водоразтворими соли, които понижават температурата на замръзване на водата, респективно на бетонната смес пропорционално на съдържанието им (до 12% от масата на цимента). Тук освен добре познатите NaCl, CaCl2 (или смес от двете) спадат и съединения като – NaNO3, NaNO2, Na2SO4, K2CO3, Ca(NO2)2. Прави впечатление, че това са относително евтини материали, което в определени случаи се явява важно предимство. Отдавна е известна ролята на хлоридите и като ускорители на втвърдяването. За съжаление те се явяват като агресивен агент по отношение на армировката, затова са приложими само за неармирани конструкции или такива с конструктивна армировка и бетонно покритие над 5 cm. NaNO3, NaNO2, K2CO3, Ca(NO2)2 могат да се използват и при армирани конструции. Този тип добавки не се допускат при предварително напрегнати конструкции, при бетони, работещи в условията на променливо водно ниво или в зони на блуждаещи токове. Противозамръзващите добавки се разтварят във вода и не следва да се използват при видими и декоративни бетони поради опасност от поява на петна по повърхността им (ефлуоресценция).

По-съвременният подход за бетониране при зимни температури с използване на химични добавки е влагането на мощни ускорители на свързването и втвърдяването. Чрез тяхната употреба се цели ускоряване на хидратацията на цимента и увеличаване на ранната якост на бетона, така че той да е способен да понесе опънните напрежения, дължащи се на замръзването на намиращата се в него вода.

Практически всички химични добавки, които се използват за бетониране при зимни условия в нашата строителна практика, спадат към втория тип – ускорители на свързването и втвърдяването. Много често те са наричани неправилно "противозамръзващи" или "антизамръзващи". 
У потребителите на химични добавки често се среща заблудата, че ако дадена химична добавка не замръзва при температура по-ниска от -20ºС, -30ºС или -40ºС, то същата добавка би предотвратила и замръзване на бетонната смес и бетона. Това разбиране е дълбоко погрешно, а в някои случаи и опасно, тъй като обикновено, след влагане на подобна добавка в бетонна смес, не се полагат никакви грижи за бетона в ранните срокове на втвърдяване. Трябва да се има предвид, че концентрацията на химичните добавки в бетонната смес е много ниска, а именно около 1 – 3% от масата на цимента, което не води до промяна в температурата на замръзване на бетонната смес. 
На производителя на бетонна смес и особено на строителя, който е негов клиент, трябва да е ясно, че употребата на химични добавки за зимно бетониране в никакъв случай не ги освобождава от задължението да осигурят подходящи условия за втвърдяване на бетона и да го предпазват от замръзване. Изцяло на действието на химичните добавки може да се разчита до температури не по ниски от 0ºС до -2ºС.

Още по-добър ефект върху темпа на нарастване на якостта на бетона се постига когато добавките за зимно бетониране се комбинират със силно водонамаляващи химични добавки (суперпластификатори), тъй като по този начин се постига допълнително ускоряване на хидратационните процеси и намаляване на количеството на водата в бетонната смес.

Температурата на бетонната смес в момента на полагане трябва да бъде близка до минималната, посочена в таблица 1:

  Минимален размер на напречното сечение, mm  
  < 300 300 – 900 900 – 1800
Температура на въздуха Минимална температура на бетона в началните срокове на втвърдяване  
- 13 10 7
Минимална температура на бетонната смес    
над -1ºС 16 13 10
-18ºС до -1ºС 18 16 13
под -18ºС 21 18 16
- Максимален температурен пад през първите 24 h след края на защитата  
28 22 17

Таблица 1

Не е желателно температурата на бетона да бъде с над 10ºС –  11ºС по-висока от посочената в таблицата. Многобройни научно-практически изследвания с доказали, че бетонът положен при температура между 5ºС и 13ºС, като е предпазен от замръзване, достига по-висока якост и дълготрайност в сравнение с бетоните положени при по-високи температури.

Веста Инд” ООД произвежда и предлага две химични добавки за бетониране при зимни условия – CRYOBET и CRYOBET SUPER, като при употребата на втората добавка се постига и значителен водонамаляващ ефект. Добавките се влагат самостоятелно в бетонната смес или в комбинация със SUPERCRETE A 20. Те спадат към групата на химичните добавки, ускоряващи втвърдяването, които не съдържат хлориди. С употребата на двете химични добавки се постига:

  • намаляване на количеството на направната вода за получаване на необходимата консистенция – 5-12%;
  • увеличаване на консистенцията на бетонната смес без влагане на допълнително количество вода;
  • понижаване на водоциментното отношение на бетона и увеличаване на якостта;
  • повишаване на водонепропускливостта и мразоустойчивостта на бетона;
  • повишаване на корозионната устойчивост и дълготрайността на бетона;
  • намаляване на съсъхването и пълзенето на бетона;
  • ускоряване на хидратацията на цимента и повишаване на якостта в началните срокове на втвърдяване;
  • производство на бетонни и стоманобетонни изделия;
  • бетонови работи при понижени температури;
  • икономия на цимент и др.

Допълнително ефектът от ниските температури може да се минимизира, ако се предприеме някоя/и от следните мерки:

  1.  Увеличаване на количеството на цимента в състава на бетона, употреба на цимент и/или бетон от по-висок клас по якост на натиск съгласно БДС EN 197-1 или БДС EN 206-1;
  2. Употреба на бързовтвърдяващ цимент – освен с ускорено нарастване на якостта бързовтвърдяващите цименти се отличават с по-интензивно отделяне на топлина в началните срокове на втвърдяване, което улеснява поддържането на безопасни нива на температурата на бетона;
  3.  По-нисък клас по консистенция – по-ниския клас по консистенция, респ. намаленото количество на направната вода водят до ускоряване на втвърдяването на бетона;
  4. Употреба на въздуховъвличащи добавки, които намаляват значително увреждането на пресния бетон при внезапно замръзване.

Мерки на строителната площадка:

  1. Защита от студ, вкл. студен вятър чрез създаване на временни заграждения;
  2. Използване на топлоизолирани кофражни форми – през първите 24 часа на втвърдяването бетонът генерира достатъчно топлина, която при наличие на топлоизолация може да го предпазва от замръзване. Използваните топлоизолационни материали трянва да са водоустойчиви и да не абсорбират вода;
  3. Забавено демонтиране на кофражните форми – кофражите трябва да бъдат оставяни около бетонните елементи за възможно най-продължителен период от време.

Освен по-ниската крайна цена на бетона, бетонирането при понижени температури чрез влагане CRYOBET и CRYOBET SUPER има друго важно предимство – независимост по отношение на източниците на енергия. Това ги прави особено подходящо при изпълнение на бетонови работи извън населени места, включително и при планински условия.

Литература:

  1. ACI 306R-10 Guide to Cold Weather Concreting;
  2. Cold-Weather Concreting, Cement, Concrete, Aggregate Australia, 2004;
  3. Suprenant B.A., Protecting Fresh Concrete from Freezing Weather, PUBLICATION# C920126, Copyright © 1992, The Aberdeen Group, All rights reserved;
  4. Construction and Building Materials 25 (2011) 1439–1449, Seong-Tae Yi , Sue-Won Pae, Jin-Keun Kim, Minimum curing time prediction of early-age concrete to prevent frost damage.

доц. д-р инж. Иван Ростовски
УАСГ, катедра „Строителни материали и изолации”
Институт по механика БАН, направление „Физико-химична механика”

Публикувана е в comfort.bg