Преодоляване на предизвикателствата при бетониране в зимни условия

Ниските температури носят редица значителни предизвикателства, които пряко влияят на химичните и физичните процеси по време на втвърдяването на бетона. Пренебрегването на тези фактори може да доведе до сериозни компромиси в качеството и дълготрайността на изпълнението.

За щастие, с правилно планиране, правилен избор на компонентни материали и прилагането на подходяща технология, тези предизвикателства могат да бъдат успешно преодолени. Целта е ясна: да се изградят висококачествени и издръжливи бетонни конструкции, чиито характеристики няма да изостават от тези, изпълнени в идеални условия.

Защо ниските температури са критични за бетона?

Двата световни стандарта за бетон, европейската норма EN 206 и американският стандарт ACI 306R-16, имат сходни определения за това какво представляват „зимни условия“. Според тях „зимни условия“ се определя като период от повече от три последователни дни, в който средната дневна температура на въздуха е под 4°C, а температурата не надвишава 10°C за повече от половината от всеки 24-часов период. При такива условия са възможни няколко основни механизма за повреждане на бетона:

Забавена хидратация: Ниските температури значително забавят химическата реакция между цимента и водата, известна като хидратация. Този процес, който е отговорен за свързването и втвърдяването на бетона, на практика спира, когато температурата на бетона падне под 5°C.

Щети от ранно замръзване: Най-голямата опасност за пресния бетон е замръзването на водата в бетона, преди да се достигне минималната якост на натиск от 3,5 MPa. Когато водата в порите на бетона замръзне, тя се разширява и образува ледени кристали. Това разширение причинява вътрешни напрежения, които водят до появата на микропукнатини и трайно намаляване на крайната якост на бетона.

Термичен шок и напукване: Големите температурни разлики между вътрешността на бетонния елемент (който се нагрява поради хидратация) и студения околен въздух могат да причинят термични напрежения. Това е особено изразено, когато защитните покривала или кофражът се свалят твърде рано, което води до бързо охлаждане на повърхността и поява на пукнатини.

Основни принципи за бетониране при зимни условия

С цел да се елиминират гореспоменатите рискове, обикновено се прилагат четири основни принципа за бетониране в зимни условия.

Предотвратяване на замръзване на бетона в ранен етап

Основната цел е да се предпази пресният бетон от замръзване, докато той не развие достатъчна якост на натиск, за да устои на вътрешните напрежения, причинени от образуването на лед.

Осигуряване на подходящо развитие на якостните характеристики

Тъй като ниските температури забавят хидратацията, е необходимо да се поддържа подходяща среда, която ще позволи набирането на якостните характеристики. Препоръката на ACI е температурата на бетона да се поддържа на или над 10°C през първите 48 часа след полагането.

Минимизиране на термичния шок и напукването  

Контролиране на скоростта на температурните промени е ключово за предотвратяване на появата на пукнатини, причинени от термични напрежения. Тази мярка е насочена директно към появата на „термичен шок и напукване“ по време на прехода от загрята среда към студен околен въздух, когато температурата трябва да се понижава постепенно.

Поддържане на равномерна температура на бетона

Постоянството на температурата в целия обем на бетонния елемент е от ключово значение, за да се избегнат вътрешни напрежения, свиване и неравномерно втвърдяване. Външните части на напречното сечение се охлаждат по-бързо от вътрешните, което може да доведе до напукване. Затова са необходими мерки като изолация на кофража, за да се осигури равномерна грижа.

Стратегическо планиране и проектиране на бетонната смес

Планирането и внимателният подбор на материали са най-важните инструменти за правилно бетониране в зимни условия.

Оптимизиране на бетонната смес за бетониране в зимни условия

Вид и количество цимент: Използват се цименти с по-бързо набиране на начална якост, като например CEM I 52.5R или CEM II 42.5R (или ASTM Type III). Тези цименти позволяват по-бърза реакция с водата и по-интензивно освобождаване на топлина от хидратацията, създавайки вътрешен източник на топлина, който защитава бетона. Увеличаването на количеството цимент допълнително засилва този ефект.

Водо-циментно съотношение (W/C): Водо-циментното съотношение трябва да бъде възможно най-ниското ниво. Това е от решаващо значение, защото намалява количеството вода, което може да замръзне и да повреди конструкцията, като същевременно ускорява развитието на якост. За да се поддържа необходимата обработваемост, използването на добавки от групата на суперпластификаторите (напр. Суперфлуид 21M1M) е задължително.

Ролята на добавките за зимно бетониране: Добавяне на Хидрозим Т

Прилагането на химически добавки, особено ускорители на втвърдяване, играе важна роля при зимното бетониране.

Хидрозим Т е добавка за ускоряване на втвърдяването и предотвратяване на замръзване на бетона, в съответствие със стандарт EN 934-2: T6. В комбинация с други защитни мерки, той позволява правилно полагане на бетон дори при температури под -10°C.

За постигане на оптимални резултати се препоръчва използването на Хидрозим T в комбинация с пластификатори или суперпластификатори.

Подготовка на бетоновите възли за зимски услови

Ключов етап след проектирането на бетонната смес е нейното производство във бетоновият възел. Тук се прилага една от най-основните стратегии: да се гарантира, че прясната бетонна смес има необходимата начална температура в момента на смесването и транспортирането до обекта.

Стандартът EN 206 изисква тази температура да бъде поне +5°C, защото под тази граница процесът на хидратация се забавя драстично, почти спира. За тази цел в бетоновият възел е необходимо активно да се контролират и често да се нагряват определени компоненти преди смесването им.

Загряване на добавяната вода

Загряването на вода за приготвяне на бетон е най-ефективният и икономичен метод за повишаване на температурата на пресния бетон. Има обаче едно ключово ограничение: температурата на водата не трябва да бъде твърде висока (обикновено не над 60-70°C). Ако вряща вода влезе в директен контакт с цимента, възпрепятства правилното смесване и полагане.

Затопляне на добавъчния материал

В случаите, когато температурите на околната среда са много ниски и когато добавъчните материали се съхраняват на открито и са замръзнали, загряването на добавяната вода не е достатъчно, за да се достигне необходимата температура на бетонната смес. Добавъчният материал (фин и едър) съставлява по-голямата част от масата на бетона (около 70-80%). Ако той замръзне, ще „поема“ цялата топлина от водата и крайната температура на бетона отново ще бъде по-ниска от необходимата.

Практики за полагане и защита на пресния бетон при зимни условия

Подготовка на кофража

Преди да започне бетонирането, всички повърхности, които ще бъдат в контакт с бетона – включително основата, кофража и армировката – трябва да бъдат напълно почистени от сняг и лед.

Правилно полагане

Бетонът трябва да се излее и вибрира възможно най-бързо след доставянето на обекта, за да се сведат до минимум загубите на топлина. Бързото полагане гарантира запазване на вътрешната топлина в бетонната смес, което спомага за поддържането на необходимата температура за втвърдяване, т.е. за да се осъществи процесът на хидратация.

Методи за защита и грижа за пресния бетон

Веднага след полагането и обработването, всички нови бетонни повърхности трябва да бъдат защитени и да бъдат осигурени подходящи грижи. Това е критична стъпка за предотвратяване на замръзване и осигуряване на правилни грижи. Мерките за защита и грижа включват използването на топлоизолационни покривала, създаването на временни затворени пространства с индиректно отопление и използването на изолиран кофраж.

Мониторинг и контрол на температурата на пресния бетон

По време на втвърдяването на бетона е необходимо редовно да се следи температурата на околния въздух и вътрешната температура на бетона. Това позволява да се провери дали бетонът остава в препоръчителните температурни граници по време на критичния период на втвърдяване. За тази цел е желателно да се използват инструменти като температурни сензори, вградени в бетона, устройства регистратори на данни (data loggers)  или методи за наблюдение на якостта на бетона в реално време (maturity methods).

Сваляне на кофража

Времето за сваляне на кофража трябва да бъде удължено в сравнение с нормалните условия. Кофражът трябва да се премахне само след като се потвърди, че бетонът е достигнал необходимата якост. Това трябва да се основава на методи като изчисления на якостта на бетона за точно определена температура или изпитване на проби, втвърдени на място, при същите условия като конструкцията. Разчитането на стандартни лабораторно втвърдени проби е често срещана, но критична грешка, тъй като те не отразяват реалните условия на строителната площадка през зимата.

Заключение

Успешното бетониране в зимни условия не е случайно. С правилно планиране и изпълнение е възможно да се изградят висококачествени бетонни конструкции дори при най-неблагоприятни метеорологични условия.