Бетонировать при отрицательных температурах – дело сложное, затратное и трудоемкое. И риск заморозить бетон – реален, ведь в условиях индивидуального строительства форс-мажорные ситуации нередки. Но зимнее бетонирование приходится выполнять во многих случаях, например, связанных с дороговизной летней доставки материалов водным путем, со сроками строительства или с особенностями грунтов участка.
Два главных компонента любого бетона – вода и вяжущее. Цементное вяжущее в процессе гидратации соединяется с молекулами воды, и реакция эта сложная. В конечном результате должна получиться бетонная конструкция, надежная, прочная и долговечная, как камень. Об этой реакции написаны тома учебников, технической и прочей литературы. Но один из главных факторов очень прост – цемент реагирует с водой, а не со льдом.
Кристаллизованная на морозе вода в бетонируемой конструкции – это практически полное прекращение всех химических реакций в бетоне. Итог необратимый, после оттаивания набор прочности не возобновляется. В ситуации, когда бетон начинает твердеть, а затем замерзает, но кристаллы замерзающей воды не успевают повредить его структуру, то после изменения условий – повышения температуры естественным образом или при прогреве – будет происходить дальнейшее твердение и нарастать прочность, но с отставанием. И не факт, что бетон после оттаивания наберет марочную прочность к 28-суточному возрасту.
Модифицирующие добавки, понижающие точку замерзания воды, спасают при небольшом «минусе» температуры – до 10 град, при условии правильного ухода за бетоном. Способы зимнего бетонирования с противоморозными добавками экономичны и просты, но даже комплексные добавки на практике не всегда «безвредны» для структуры, будущей долговечности и особых свойств бетонов. Хлористые соли в составе добавок дают риски коррозии армокаркаса, если бетонный фундамент будет эксплуатироваться во влажной среде (такого риска нет при использовании поташа и нитрита натрия в добавках). Кроме того, при схватывании бетонной смеси с модификаторами усиливается щелочная реакция и возможна коррозия бетона, когда начинает реагировать активный кремнезем, входящий в состав некоторых наполнителей. Превышать количество противоморозных добавок недопустимо.
Прогревать бетон необходимо в случаях, когда требуется обеспечить набор его прочности до значений, когда можно нагружать фундамент. Часто зимой возводят кирпичные, блочные и деревянные стены зданий, перекрытия, крышу. Требуется прочность как минимум 50% - 75% от марочной для начала работ (точное значение рассчитывается из марки бетона, его вида и веса конструкций здания). Без прогрева зимний бетон в условиях средней полосы таких значений не даст. Качественное твердение в неблагоприятной среде можно обеспечить прогревом, и вести работы круглый год с приемлемым качеством. В районах, где зима продолжается больше полугода, прогрев – единственный вариант строить при отрицательных температурах. Конечно, при возможности в районах средней полосы следует бетонировать в конце августа – сентябре, это лучшее время для бетона, который после зимы покажет все огрехи и недостатки бетонирования – сколы, трещины и пр. – и можно будет исправить ошибки без негативных последствий для прочности конструкции.
При бетонировании зимой сохранение структуры бетона и обеспечение его твердения до требуемой прочности достигают двумя основными методами:
- Электропрогревом – применяя электроды разных видов (полосовые, поверхностные, стержни и струны) или нагревательные провода
- Использовать запас внутреннего тепла бетонной смеси и экзотермию (реакция гидратации идет с некоторым выделением тепла).
Второй метод: для этого применяют высокопрочные и быстротвердеющие портландцементы, добавляют модификаторы-ускорители твердения цементов (с хлористым кальцием – самый простой вариант), уменьшают водоцементное отношение смеси, чтобы меньше было воды. При этом бетон приходится пластифицировать и вводить воздухововлекающие добавки. Эти меры нужны для того, чтобы обеспечить бетону ускорение твердения и набор минимальной прочности перед замерзанием, с упрочнением структуры настолько, что кристаллы замерзшей воды уже не могут эту структуру повредить. Этот вариант – для зимнего бетонирования без нагружения конструкций. Когда бетон «согреется» и продолжит набирать прочность, на максимальные показатели он уже не выйдет, но проектную прочность даст. Для страховки в этом варианте повышают марку бетона на одну-три позиции.
Чтобы использовать экзотермию бетона, нужно, чтобы конструкция была достаточно массивна – фундаментные ленты, столбы или плита. В тонкостенных конструкциях или колоннах тепло реакции бетона не поможет, и это можно просчитать, зная габариты конструкций и модуль поверхности (отношение площади бетонируемой конструкции к ее объему, измеряемое в м2/м3). Иногда этот параметр еще называют – степень массивности.
Еще одно мероприятие для сохранения внутреннего запаса тепла в бетонируемой конструкции – это подогреть воду и заполнители. Воду можно греть до 90⁰С и даже выше, но при условии правильной загрузки компонентов в бетономешалку. Опасность «запарить» цемент при этом имеется, хотя технология производства цементов и предполагает огромные температуры – в сотнях градусов, и даже около тысячи. Но непосредственно соединять вяжущее рационально только с водой не горячее 70⁰С. Заполнители тоже подогревают – до 60⁰С - 80⁰С, соединяют их с водой, а затем добавляют цемент.
Подогрев выполняют, если готовят бетонную смесь в построечных условиях – на участке, используя бетономешалку. При этом температуру бетонной смеси на выходе возможно получить около 50⁰С. Но значения температуры смеси выше 40⁰С – это быстрое твердение бетона, а значит, технологический процесс нужно организовать так, чтобы заливать порции смеси быстро и так же укладывать и вибрировать.
Минимум температуры бетонной смеси для укладки в массивную конструкцию (фундамент) – это +5⁰С, при условии, что далее бетону будут созданы условия для набора прочности – прогрев или термос. Но в тонкие конструкции – стены, стойки и др. нельзя при отрицательных температурах воздуха заливать смесь, имеющую температуру ниже +20⁰С. Бетонирование тонкостенных конструкций на частном участке зимой – это сложный и рискованный процесс, и без организации инфракрасного и воздушного прогрева (термоматы, тепловые пушки и т.д.), индукционного – для стоек, или электропрогрева для перекрытий эти работы не стоит и начинать.
Чтобы сохранить тепло в забетонированной конструкции, ее теплоизолируют – минераловатными плитами и матами, пенопластом, применяют засыпные теплоизоляторы – шлак, опилки, стружки и т.д. Этот способ – термос применяют, если есть возможность сохранить запас тепла для твердения бетона первые семь суток. Это реально только при тщательной теплоизоляции конструкции, не экстремальных морозах и в случаях, когда сама конструкция достаточно массивна. Значение модуля поверхности должно быть не больше 6, это легко посчитать, зная габариты бетонного элемента (площадь поверхности, которая будет охлаждаться, делят на объем данной конструкции).
Методы электропрогрева, применение греющих опалубок, а в некоторых случая и обогрев воздуха, который окружает бетон – намного более эффективны по сравнению с методом термоса и дают возможность бетонировать даже при очень низких температурах воздуха. Выбор метода прогрева делают с учетом специфики местных условий – в основном температуры и силы ветра, а также от габаритов конструкций и модуля поверхности, или площади и толщин заливок.
Прогрев бетона применяют не только зимой, но и летом – при значительном колебании среднесуточных температур.