Преимущества и недостатки различных технологий прогрева бетона в зимних условиях



В статье рассмотрены основные технологии обогрева бетона в зимний период.

Ключевые слова: бетон, прогрев, дополнительное оборудование, греющая опалубка, конструкция, температура.

Термоактивная опалубка

Термоактивную опалубку используют при бетонировании в холодное время для получения требуемых прочностных характеристик, а также в теплое — для уменьшения времени застывания. Для этого стандартные элементы опалубки оборудуют электрическими нагревательными элементами (термоаткивными вкладышами) со стороны соприкосновения с бетоном и утеплителем с противоположной стороны. Такой модификации могут быть подвергнут любой тип опалубки (металлические, деревянные), использующийся в строительстве. Конструкция термоактивного щита представлена на рисунке 1:

Рис.1. Конструкция термоактивного щита

При использовании греющей опалубки передача тепла осуществляется контактным способом. В качестве нагревательных элементов могут быть использованы:

 кабели или провода;

 ленточные нагреватели;

 токопроводящие покрытия (пленки);

 трубчатые электронагреватели (ТЭНы).

Рис.2. Греющая опалубка

Таблица 1

Технические характеристики греющей опалубки

Параметр	Значение
Срок эксплуатации	50...60 тыс. ч
Температура поверхности	70–100°С
Глубина прогрева	50–60 см
Мощность	300–700 Вт/м²

Для получения 70 % прочности бетона достаточно эксплуатации установки в течение 24...56 ч (в зависимости от температуры наружного воздуха) при рваном режиме прогрева.

Преимущества греющей опалубки

 равномерный прогрев;

 простота монтажа;

 эффективность при температурах до -30°C;

 возможность использования при замоноличивании стыков и швов;

 многоразовое использование.

Недостатки греющей опалубки

 средний КПД;

 высокая стоимость;

 применимость лишь к типовым элементам;

Есть еще такой момент, который сложно отнести к плюсам или минусам технологии. Он заключается в том, что для поддержания высокого темпа строительства необходимо большое количества термощитов и элементов опалубки. Если все элементы уже заняты в работе, то продолжать работу можно будет только после набора монолитом минимальной расчетной прочности.

Бетонирование втепляках (шатрах)

В холодные дни при появлении вероятности падения температуры в отрицательную зону на строительных площадках применяют различные способы обогрева бетонного раствора. Одной из самых старых технологий является прогрев бетона в тепляках или шатрах.

Рис.3. Выдерживание бетона в тепляке

Суть ее заключается в том, чтобы вокруг заливаемой конструкции создать термоизолированное пространство и нагреть его до требуемой температуры при помощи обогревателей или тепловых пушек. Пушки можно использовать с прямым нагревом. Шатер делается из брезента, древесины или других полимерных материалов с требуемыми характеристиками.

Тепляком, как правило, укрывают лишь отдельную часть всей конструкции, которая заливается в настоящий момент. Потом шатер перемещают к следующей части. Но если возможности позволяют, то накрыть можно сразу всю конструкцию.

Обычно данный метод применяется при бетонировании с использованием скользящей опалубки. Тепляк в этом случае перемещается вместе с опалубкой.

Преимущества бетонирования в тепляках

 простота технологического процесса;

 доступность материалов и техники;

 низкая стоимость оборудования.

Недостатки бетонирования в тепляках

 низкий КПД;

 трудность контроля режима прогрева.

Требуемое оборудование

 Тепляк (шатер);

 Воздухонагреватель строительный (электрический, газовый)

Противоморозные добавки вбетон

Полное и качественное затвердевание бетона возможно лишь в определенном диапазоне температур. Критичным является падение температуры ниже 0°С. При таких температурах вода, входящая в состав любого раствора начинает кристаллизоваться, иными словами — замерзать. Из-за этого бетон становится рыхлым и уже не сможет приобрести расчетную прочность. Именно поэтому для возможности вести бетонирование при отрицательных температурах применяют противоморозные добавки (ПМД). Они выполняют сразу несколько функций. Во-первых, понижают температуру замерзания свободной жидкости, а во-вторых ускоряют процессы твердения.

Также достаточно востребованы в зимнее время добавки-пластификаторы, придающие бетону большую пластичность и подвижность, ведь при снижении температуры бетонный раствор постепенно теряет эти свойства.

В среднем допускаемый размер присадок может составлять до 6 % от всего объема цемента в растворе. Некоторые морозостойкие добавки эффективны при температуре воздуха до -25°С.

ПМД обеспечили себе широкое применение в современном строительстве как самостоятельно, так и совместно с технологиями прогрева. На сегодняшний день в мире существует несколько сотен добавок.

Как правило, любые добавки в бетон добавляют в момент его замешивания. В этом случае возможно добиться равномерного распределение реактивов по всему объему раствору. Также допускается домешивание добавок непосредственно на объекте перед заливкой. В этом случае должны быть соблюдены соответствующие предписания.

Рис. 4. Добавление в бетон противоморозной добавки

Типы противоморозных добавок

Одними из самых популярных противоморозных бетонных добавок на отечественном рынке являются:

 нитрит натрия NaNO2;

 нитрит кальция Ca(NO2)2;

 карбонат калия или поташ K2CO3;

 хлористый натрий NaCl;

 формиат натрия или натрий муравьинокислый HCOONa.

Также существует множество продуктов на их основе.

В таблице 2 представлены самые распространенные противоморозные добавки и температура замерзания их 30 %-ного раствора в бетоне: показатели предельно допустимых температур для различных добавок в бетон.

Таблица 2

Противоморозные добавки итемпература замерзания

Противоморозная добавка	Температура замерзания, °С
хлорид натрия (ХН)	-21.1
нитрит-нитрат кальция (ННК)	-21.5
нитрит натрия (НН)	-19.6
поташ (П)	-18.7
нитрат кальция (НК)	-14.6
нитрат кальция + мочевина (НКМ)	-9.1
мочевина (М)	-8.3

Преимущества противоморозных добавок

 низкая стоимость;

 простота реализации;

Недостатки противоморозных добавок

 увеличение времени обретения расчетной прочности бетоном;

 понижение коррозийной стойкости арматуры (для хлоридных добавок).

Прогрев бетона трансформатором

Прогрев бетона трансформатором хорошо зарекомендовал себя при бетонировании в зимнее время. Этот способ относится к категории электропрогрева, из чего становится понятно, что тепло вырабатывается при помощи электрического тока.

Совместно с трансформаторами можно использовать либо провода, либо электроды. В первом случае провода погружаются в опалубку и крепятся к арматуре, затем в нее заливается раствор. Во втором случае в уже замоноличенную конструкцию вставляются или размещаются на поверхности электроды. Затем в обоих случаях провода или электроды подключают к сети 200/380 В через трансформатор и производят обогрев.

Рис.5. Прогрев бетона трансформатором

Трансформатор нужен для уменьшения слишком высокого напряжения. С одной стороны, оно опасно для жизни, с другой потребует слишком большую нагрузку (в виде очень длинных проводов, например). Да и риск возникновения локального перегрева слишком высок. Поэтому для осуществления правильного с технологической точки зрения процесса прогрева необходимо понизить это напряжение. Именно для этого и применяются специальные понижающие трансформаторы.

Расчет мощности трансформатора и длины провода

Для расчета необходимой мощности принимают следующие значения: для прогрева одного кубометра бетона требуется примерно 1,3 кВт мощности. Если температура воздуха слишком низкая, то значение увеличивается, если высокая — уменьшается. Длина ПНСВ провода на 1 м³ раствора составляет примерно 30–50 м. Хотя в каждом случае необходимо проводить индивидуальные расчеты, руководствуясь тем фактом, чтобы в каждом отрезке провода сила тока была в районе 15А для схемы «звезда» и 18А для «треугольника» (для ПНСВ–1.2).

Рис.6. Монтаж ПНСВ-провода

Как правило, для бетонирования в холодных условиях используют трехфазные трансформаторы. Соответственно и нагружать эти фазы надо равномерно. При этом очень важно соблюдать одинаковую и верно рассчитанную длину петель провода во избежание перекоса фаз и выгорания кабеля.

Процесс прогрева трансформатором

Когда все расчеты, укладка и подключения завершены, можно приступать непосредственно к прогреву, включив питание. Некоторые трансформаторы имеют несколько ступеней напряжения, переключая которые можно менять температуру нагрева провода. Начинать необходимо с минимального напряжения. При существенном падении тока в петлях можно повышать ступени. При достижении оптимальной температуры продолжать ее поддержание до набора бетоном заданной прочности.

При использовании в качестве греющего элемента электродов, которыми служит обыкновенная арматура, их подключают в шахматном порядке к трем фазам для равномерной нагрузки. В этом случае фазы не замыкаются, а проводником тока служит сам раствор.

Инфракрасный прогрев бетона

При падении температуры окружающей среды ниже нуля для обеспечения требуемых стандартами условий затвердевания бетона применяется его прогревание. Одним из способов сохранить в бетоне необходимую температуру является воздействие на него инфракрасным излучением, которое преобразуется в тепловую энергию.

Технология инфракрасного прогрева

В непосредственной близости от залитой опалубки (1–3 метра) размещают промышленные инфракрасные обогреватели, направленные на поверхность раствора или опалубку. Отрегулировав их мощность, можно добиться поддержание необходимой температуры в бетоне. В этом случае вода, не будет кристаллизоваться и затвердевшая стена или плита будет иметь необходимую прочность. В противном случае их структура будет нарушена, что может повлечь за собой разрушение конструкции.

Источником излучения служат ТЭНы мощностью до нескольких сотен кВт. При прохождении тока их поверхность излучает энергию в инфракрасном диапазоне, которая и осуществляет нагрев плотной среды (бетона).

Покрыв опалубку черным цветом, можно улучшить ее поглощающие возможности и, как следствие, эффективность нагрева. Для исключения чрезмерного испарения влаги из бетона, его поверхность покрывают полиэтиленом. Мощность излучения подбирают таким образом, чтобы температура на поверхности не поднималась выше 80–93°C.

Рис.7. Инфракрасная установка

Состав инфракрасной установки

 инфракрасный излучатель;

 отражатель (сферический, параболические или трапецеидальный);

 держатель или подвес.

Прогрев инфракрасным излучением нельзя использовать в тех случаях, когда толщина бетона превышает 50–70 см. Если надо прогреть большую глубину, то в дополнение к инфракрасному прогреву необходимо использовать другие технологии.

Преимущества инфракрасного прогрева

 Работа от сетей 220–380 В;

 Не требуется дополнительное оборудование в виде трансформатора, проводов, электродов и т. д.;

 Малые энергозатраты;

 Высокий КПД.

Недостатки инфракрасного прогрева

 Небольшая глубина прогрева;

 Потребность в значительном пространстве для размещения установок;

 Небольшая площадь воздействия одного излучателя.

Прогрев бетона проводом

Электрический прогрев проводом является универсальной технологией термоизоляции бетона в зимнее время, подходящей для стен, перекрытий, колон и фундамента. Для этого используется различные типы проводов с диаметром жилы от 1,2 до 3 мм.

Такой провод укладывается непосредственно внутрь заливаемой (бетонируемой) конструкции, и после заливки бетона по нему пускается электрический ток определенных параметров для нагрева смеси изнутри. Кабель не подлежит демонтажу и остается внутри конструкции навсегда.

Типы используемых проводов

Для прогрева бетона используются следующие типы проводов:

 ПНСВ (одножильный провод нагревательный со стальной жилой, с изоляцией из виниловой оболочки);

 ПТПЖ (двухжильный провод токопроводящий с параллельными оцинкованными стальными жилами. Эти провода предназначены для монтажа сетей проводного вещания (радио, телефон));

 BET (двухжильный — финский кабель заранее определенной длины для работы от бытовой сети без трансформатора).

Рис.8. Конструкция нагревательного провода

Как правило, греющие провода нарезают на отрезки определенной длины и подключают через понижающий трансформатор, но есть и кабели, которое изначально имеют определенную длину и работают от сети 220В.

При этом очень важно сделать правильные расчеты и регулировать со временем подаваемое напряжение (силу тока), чтобы избежать перегрева или даже перегорания проводов. При соблюдении всех технических предписаний монолитная конструкция набирает до 70 % прочности в течение нескольких дней. Для прогрева одного кубометра бетона необходимо примерно 50–60 метров ПНСВ или 20–25 метров BET провода.

Схемы укладки греющего провода

Схемы укладки греющего провода в независимости от его типа для колонны, стены и перекрытия показаны на картинке ниже. При этом расстояние между петлями подбирается в зависимости от характеристик используемого провода, а также температуры окружающей среды.

Преимущества прогрева проводом

 Дешевизна;

 Высокий КПД;

Недостатки прогрева проводом

 Невозможность повторного использования провода;

 Потребность в дополнительном оборудовании;

 Трудоемкость укладки.

Дополнительное оборудование

 понижающий трансформатор для прогрева;

 магистральные кабели;

 провода холодных концов;

 средства тепловой защиты.

Прогрев бетона термоматами

Низкие температуры негативно сказываются на застывании бетона, замедляя его гидратацию и делая будущую конструкцию хрупкой. Для того чтобы иметь возможность вести строительные работы и в зимнее время, применяют различные технологии прогрева бетона.

Термоматы обеспечивают контактный периферический прогрев. Они состоят из теплоизлучающей ИК пленки и теплоотражающим слоем с одной стороны. Другой стороной термоэлектроматы (ТЭМ) располагают на залитом бетоне, предварительно укрыв его полиэтиленовой пленкой для предотвращения чрезмерного испарения влаги. Затем возможно дополнительное укрывание конструкции.

В ТЭМ встроены термодатчики, позволяющие поддерживать необходимый температурный режим.

Рис.9. Прогрев бетона термоматами

Технология прогрева термоматами

Забетонированную подогретым раствором конструкцию накрывают полиэтиленом, а сверху на него кладут термоматы или термоактивные кассеты с интервалом не более 10 см. Необходимо максимально плотно покрыть всю поверхность формы. Затем систему подключают к электропитанию и, практически мгновенно, начинается прогрев, так как система малоинерционная. Для достижения большей эффективности и сокращения энергозатрат термоматы можно накрыть теплоизоляционными материалами.

Время прогрева напрямую зависит от марки и толщины бетона, и составляет от 10 часов до нескольких суток. Запрещается сгибать маты не по специальным линиям сгиба, отмеченным на изделии.

Температурный график прогрева плиты термоматами

Пример прогрева плиты 110х330х25 см из бетона класса B15. Результат 36-часового прогрева можно видеть на графике:

Рис.10. Температурный график прогрева плиты термоматами

Как видно, в течение 22 часа в плите установилась средняя температура в 39°C при колебаниях окружающего воздуха от -5 до -12°C. За суммарное время прогрева в 36 часов бетон достиг прочности в 70 %. Расход энергии составил 43 кВт.

Преимущества прогрева термоматами

 не требуется дополнительное оборудование;

 можно использовать для согревания грунта, труб, кладки и прочих конструкций;

 автоматическое поддержание нужной температуры;

 равномерность прогрева;

 небольшие энергозатраты (потребление на 20–25 % меньше чем при прогреве проводами);

 многоразовость;

 защита от перегрева.

Недостатки прогрева термоматами

 небольшая глубина прогрева;

 максимальная температура всего 70°C;

 низкий КПД;

 низкая применимость для вертикальных и сложных конструкций.

Электродный прогрев бетона

Прогрев бетона электродами помогает сохранить необходимые параметры твердения раствора при заливке в холодное время. Этот способ подразумевает вживление в бетон или расположение на его поверхности электродов, которые затем подключают к трансформатору. В результате между ними образуется электрическое поле, согревающее бетон. Подбирая и регулируя выходные параметры трансформатора, можно добиться необходимой температуры прогрева бетона.

Важно помнить, что электрическое сопротивление бетона меняется по мере его твердения, причем проиходит это далеко не линейно.

Рис.11. Электродный прогрев бетона

Таблица 3

Изменение удельного сопротивления впроцессе электропрогрева бетонов различных марок

Завод-изготовитель цемента	Начальное удельное электросопротивления,Ом	Минимальное удельное электросопротивления,Ом
Белгородский	18,8	12,2
Жигулевский	9,6	7,4
Подольский	11,5	9,7
Ростовский	8,5	7,2
Спасский	8,0	4,9
Теплоозерский	9,2	6,8

Поверхность раствора по окончании бетонирования и установки электродов укрывают утепляющими материалами. Прогревать бетон с не укрытыми поверхностями не допускается.

Электродный прогрев хорошо сочетаем с выдерживанием бетона методом термоса. Электродами прогревают только внешние слои во избежание потери тепла, полученного раствором перед заливкой.

В качестве электродов в некоторых случаях могут быть использованы армирующие элементы самой конструкции. При этом значительно возрастают энергозатраты.

Таблица 4

Схемы установки электродов

Тип электрода	Схема установки подключения
Пластинчатые
Полосовые
Стержневые
Струнные

В таблице 4 фазы обозначены цифрами ф1, ф2, ф3.

Преимущества прогрева электродами

 достаточно высокий КПД;

 прогрев конструкций любой толщины в независимости от формы.

Недостатки прогрева электродами

 значительное время для подготовки;

 проведение предварительных расчетов;

 дополнительное оборудование (трансформаторы);

 высокие энергозатраты от 1000 кВт для 3–5 куб.м бетонной смеси;

 слабая применимость при заливке плит.

При поверхностном расположении электродов полностью можно прогреть только конструкции небольшой толщины. В противном случае будет осуществляться только периферийный прогрев.

Бетонирование методом термоса

В зимнее время года, когда среднесуточная температура воздуха на строительной площадке опускается ниже 3-х градусов по Цельсию, по СНиПу положено прогревать бетон для обеспечения правильного режима его твердения.

В монолитном строительстве часто используют метод термоса для поддержания оптимальной температуры раствора. Суть этой технологии сводится к изотермии не за счет прогрева, а за счет сохранения внутреннего тепла бетона, а также тепла, выделяемого при твердении бетона. Соответственно, для этого необходимо сначала нагреть раствор до допустимых температур, а затем уже залить его в максимально термоизолированную двойную опалубку.

Рис.12. Бетонирование методом «Термоса»

Так называемый термос может создаваться из различных материалов, главное требование к ним — это хорошее удержание тепла. Температуру и утеплитель подбирают таким образом, чтобы залитый бетон набрал необходимый процент от проектной прочности (в районе 60 %) до того момента, когда его температура опуститься ниже 0°C. Таким образом, вода из раствора не будет замерзать, и реакция гидролиза пройдет полностью.

По предварительно проведенным расчетам и прогнозам температуры окружающего воздуха, подбирают материал для утепления и толщину слоя укладки. Метод термоса применим для конструкций с модулем поверхности до 8 для портландцементов средней активности, и до 10–16 для бетонов с химическими добавками ускорителями твредения.

В качестве утеплителей применяют доски и фанеру с прокладкой из пенопласта, картон, опилки, шлаковату, а также многие другие современные утеплители с необходимыми параметрами.

Преимущества метода термоса

 низкая себестоимость;

 простой технологический процесс.

Недостатки метода термоса

 неэффективность при особо низких температурах;

 невозможность использования для сложных и нетиповых конструкций;

 подходит лишь для конструкций с небольшой площадью охлаждения.

Индукционный прогрев бетона

Для ускорения набора железобетоном необходимой прочности при отрицательных температурах применяют технологию индукционного прогрева. Ее применение возможно лишь в случае армированных конструкций, то есть содержащих внутри себя металлические элементы, которые будут являться сердечником.

Рис.13. Индукционный прогрев бетона

Технология основана на известном принципе электродинамики — магнитной индукции. Вокруг залитого элемента (как правило, колонны) размещают петлями изолированный кабель, выполняющего роль индуктора. Сечение провода и количество мотков определяют расчетным методом. По кабелю пускается переменный ток. В результате этого в конструкции образуется электромагнитное поле, которое нагревает внутренние армирующие элементы конструкции, от которых тепло распространяется по всему бетону.

В качестве сердечника может быть использована и металлическая опалубка. В таком случае нагревание будет происходить снаружи. Подобный метод используется редко, так как греющая опалубка будет более эффективна в данном случае.

Открытые части бетона укрывают теплоизолирующими материалами для снижения теплопотерь в атмосферу. После достижения смесью расчетной температуры переходят на метод термоса или на изометрическое выдерживание путем периодического отключения питания.

Расход электроэнергии 120–150 кВт-ч/м³ бетона.

Преимущества индукционного прогрева

 низкая стоимость;

 независимость от электропроводящих свойств бетон;

 равномерность прогрева;

 возможность производить предварительный обогрев арматуры и опалубки без применения дополнительного оборудования.

Недостатки индукционного прогрева

 проведение множества индивидуальных расчетов;

 возможность применения на очень ограниченном типе конструкций (колонны, балки, трубы и т. д.).

Требуемое оборудование

1. Трансформатор КТПТО-80
2. Кабель:

 КРПТ — 3x25 + 1x16

 КРПТ — 3x50

 КРПТ — 1x25

Оценив варианты обогрева бетона при отрицательных температурах, составим сравнительную таблицу.

Таблица 5

Сравнительная таблица вариантов прогрева бетона в зимних условиях

Параметр	Метод
	Противоморозные добавки в бетон	Бетонирование в тепляках (шатрах)	Прогрев трансформатором	Прогрев бетона термоматами	Инфракрасный прогрев бетона	Прогрев бетона проводом	Электродный прогрев бетона	Метод термоса	Индукционный прогрев бетона	Термоактивная опалубка
Глубина прогрева, м	-	0,5	-	0,5	0,7	-	-	0,5	0,2	0,6
Предельная температура работы метода	до —21,1°	до —20°	до —30°	до —22°	до —500	до —250	до —500	до —50	до —50	до —30°
Стоимость прогрева 1м3 бетона, руб	76,81	1420,4	1104,2	982,6	741,8	2320,1	830,3	122,7	750,1	4200
Время прогрева для схватывания 1м3 бетона до 70 % при -400, час	146	110	60	72	44	96	32	131	73	56

По таблице 5, видно, что экономически самый выгодным методом, является метод с использованием противоморозной добавки (Стоимость прогрева 1м³ бетона составляет 76,81 руб. Но данный метод подходит только для температур до -21,1⁰С, что может не соответствовать условиям возведения бетонных конструкций в зимний период. Подобную задачу возможно решить путем комбинированного воздействия на бетон при отрицательных температурах. Противоморозные добавки в бетон комбинируем с инфракрасным прогревом бетона в моменты, когда температура окружающей среды опускается ниже 21,1⁰С. В моменты времени, когда температура окружающей среды не опускается ниже 21,1⁰С инфракрасный прогрев бетона отключается, что позволяет существенно экономить на электричестве.

Литература:

1. Баженов, Ю. М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ. — 2011. — С. 524.
2. Головнев С. Г. Современные строительные технологии — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. — 2010. — С. 268.
3. Новиков С. О. Основные направления повышения эффективности возведения зданий из монолитного железобетона // Актуальные вопросы современной техники и технологии. Сборник докладов XXI-й международной научной конференции. — 2015. — С. 63–66.
4. Шелудяков Н. В. Инфракрасный прогрев бетона // Инновационные процессы в науке и образовании. Международная научно-практическая конференция| МЦНС «Наука и просвещение» УДК 693.547.32.