УДК 693.547.3

Сравнение эффективности различных методов бетонирования в зимнее время

Хвостова Анастасия Григорьевна – магистрант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Аннотация: В настоящее время существует множество различных методов создания монолитных железобетонных конструкций в зимний период, которые позволяют обеспечить высокое качество и кратчайшие сроки исполнения работы. Так как выбор метода производства бетонных работ в зимнее время зависит от множества факторов, то для каждого конкретного случая необходимо подбирать тот или иной метод индивидуально. Таким образом, целью данной работы является обзор методов бетонирования в зимний период времени и оценка их эффективности. Значительное внимание уделяется вопросам, связанным с особенностями организационных процессов каждого метода.

Ключевые слова: зимнее бетонирование, методы прогрева бетона, метод термоса, электропрогрев бетона, противоморозные добавки.

Введение

Монолитное строительство занимает ведущее место в строительной индустрии. В настоящее время при отрицательных и положительных температурах наружного воздуха строительная отрасль активно использует те виды работ и технологии, которые являются универсальными, наиболее разработанными и проработанными как теоретически, так и практически. Бетонные работы в зимнее время имеют ряд особенностей и нюансов, которые необходимо учитывать при проведении работ. Для того чтобы бетонные конструкции получились прочными и надежными, следует особое внимание уделить технологии бетонирования.

Для решения технологических задач необходимо выбирать соответствующие методы выдерживания бетона, основываясь на технико-экономическом анализе.

Выбор основных методов производства бетонных работ зимой зависит от множества различных факторов. Среди них основными являются назначение конструкции, массивность, способ укладки и температура окружающей среды, время, необходимое на набор прочности. Однако дополнительно часто приходится учитывать и другие факторы (вид опалубки, наличие утеплителя, возможности применения химдобавок и т. д.).

Проблема выбора метода технологии зимнего бетонирования заключается в необходимости экономического подхода к данному вопросу. Рациональный выбор технологии зимнего бетонирования повышает эффективность строительства, появляется возможность разнообразия архитектурной выразительности и объемно-планировочных решений, при минимальных расходах ресурсов.

Методы производства работ в зимний период, используемые в современном строительстве, можно разделить на две категории: безобогревные и обогревные. К категории безобогревных методов относят метод термоса и применение бетонов с противоморозными добавками. Обогревные методы включают в себя различные технологии, такие как электродный прогрев, прогрев термоактивной опалубкой, прогрев греющими проводами, инфракрасный прогрев, индукционный прогрев, обогрев в тепляках. То есть сущностью обогревного метода является внесение тепла в твердеющий бетон.

Метод термоса

Метод термоса для зимнего бетонирования – это один из самых популярных и эффективных способов бетонирования при низких температурах. Суть данного метода заключается в использовании термоизолированного укрытия для создания нужной температуры в зоне бетонирования.

Данный метод широко применяется в зимний период для обеспечения качественного формирования и затвердевания бетонной конструкции, ускорения процесса затвердевания, снижения количества тепловых потерь и, следовательно, экономии электроэнергии.

Метод термоса обладает рядом преимуществ, таких как низкая себестоимость и простота технологического процесса. Однако, у этого метода есть и недостатки. Он неэффективен при особо низких температурах, не применим для сложных и нетиповых конструкций, и подходит только для конструкций, у которых площадь охлаждения невелика.

Бетонирование с использованием противоморозных (химических) добавок

Данные добавки понижают температуру замерзания свободной жидкости и ускоряют твердение бетона при отрицательных температурах воздуха [1]. То есть бетоны с противоморозными добавками обладают способностью твердеть при отрицательных температурах.

Оптимальный выбор противоморозных добавок и их количество зависят от типа конструкции, уровня армирования, наличия агрессивных веществ, температурных условий окружающей среды и других факторов.

Применение противоморозных добавок имеет одно из главных преимуществ – отсутствие необходимости в использовании дополнительного оборудования и легкость в реализации. Однако, использование данного метода зимнего бетонирования ограничено при использовании в некоторых типах конструкций. Например, бетоны, содержащие противоморозные добавки, не могут использоваться в предварительно напряженных и подверженных динамическим нагрузкам конструкциях, а также в железобетонных конструкциях, находящихся рядом с источниками постоянного тока высокой напряженности.

Электродный прогрев

Является наиболее эффективным методом зимнего бетонирования в категории искусственного электрообогрева. Этот способ подразумевает введение в бетон или размещение на его поверхности электродов (стержневых, полосовых, струнных, пластинчатых), которые затем подключают к трансформатору. В результате образуется электрическое поле, которое согревает бетон, а не окружающую среду.

Данный метод зимнего бетонирования может быть использован для создания конструкций любых размеров и форм. Однако его применение потребует наличия большого количества опытных рабочих и значительное время для проведения подготовительных работ. Также данный метод требует надлежащего контроля, чтобы предотвратить перегрев и слишком быстрое затвердевание бетона, что может повлиять на его качество и прочность.

Обогрев греющими проводами

Данный метод широко применяется при возведении монолитных многоэтажных жилых зданий. Основным преимуществом такого метода является осуществление прогрева конструкции изнутри при помощи греющих проводов, которые укладываются непосредственно внутрь бетонируемой конструкции. После заливки бетона по проводу пускается электрический ток определенной мощности для нагрева смеси изнутри. В отличие от других методов, когда тепло подводится к конструкции извне и осуществляет нагрев с поверхности, использование данного метода позволяет обеспечить равномерное распределение тепла по всему объему бетона. Кроме того, данный метод может быть использован для прогрева стен, перекрытий, колон и фундамента [2].

Один из значительных недостатков этого способа заключается в том, что провода нельзя повторно использовать, так как они остаются в конструкции, и сам процесс укладки проводов является трудоемким. Тем не менее, как и при использовании электродного прогрева, технология обогрева греющими проводами подходит для обогрева любых бетонных конструкций независимо от характеристик их армирования и формы.

Метод индукционного прогрева (нагрев в электромагнитном поле)

Данный метод основан на магнитной индукции. Вокруг залитой железобетонной конструкции располагают петлями кабель, служащий катушкой (индуктором) переменного тока, а армирование – сердечником [3].

Индукционный метод нагрева применяется в основном для тепловой обработки длинномерных конструкций, включая колонны, трубы, ЛЭП, сваи и другие элементы, которые имеют небольшое переменное сечение [4].

Этот метод электрообогрева имеет преимущество перед другими в том, что не требует дополнительного оборудования. Однако он может быть применен только для определенного вида конструкций, и использование такого метода требует проведения множества сложных расчетов.

Инфракрасный обогрев

Метод инфракрасного прогрева в зимнем бетонировании основан на использовании инфракрасного излучения для прогрева бетона. При этом прогрев происходит за счет теплообмена между инфракрасным излучением и поверхностью бетона.

Принцип работы инфракрасного прогрева заключается в использовании специальных ламп, которые излучают инфракрасное излучение на поверхность бетона. Это излучение обладает высокой энергетической мощностью и способно быстро прогреть поверхность бетона, но при этом оно не проникает глубоко внутрь бетонной конструкции (максимально на 50-70 см).

При инфракрасном прогреве дополнительных инструментов нет, что позволяет проводить работы на стройплощадке без большой эксплуатационной сложности. Также этот метод позволяет регулировать температуру бетона на разных стадиях зимнего бетонирования и производить работы в тех местах, где другие методы прогрева могут оказаться затруднительными.

Прогрев термоактивной (греющей) опалубкой

Данный метод является эффективным способом поддержания температуры бетона в зимних условиях. Стандартные элементы опалубки могут быть оборудованы термоактивными вкладышами по стороне, которые находится в контакте с бетоном, и утеплителем по противоположной стороне. Эти модификации могут использоваться на любом типе опалубки (металлической, деревянной), используемой в строительстве [5, 6].

Однако, следует учитывать, что для использования термоактивной опалубки необходима определенная подготовка места строительства. Например, нужно убедиться в возможности подключения системы к электросети и обеспечении необходимой мощности для ее работы. Также необходимо учесть, что в случае использования термоактивной опалубки придется планировать место ее хранения на объекте.

Кроме того, стоит отметить, что прогрев бетона термоактивной опалубкой может быть более дорогим, чем другие методы прогрева, такие как индукционный прогрев или метод инфракрасного прогрева. Но при этом он может обеспечить более эффективный прогрев бетонной конструкции в зимних условиях и снизить риск возникновения дефектов в конструкции.

Обогрев в тепляках

Обогрев в тепляках представляет собой создание пространства вокруг конструкции, которое термоизолировано с помощью специальных материалов, например, брезента или других воздухонепроницаемых материалов. Внутри этого пространства устанавливаются обогреватели или тепловые пушки, чтобы поддерживать необходимую температуру, которая позволяет набрать бетону необходимую прочность.

Тепляком, как правило, укрывают лишь отдельную часть всей конструкции, которая устраивается в настоящий момент. Потом шатер перемещают к следующей части. При бетонировании с использованием скользящей опалубки тепляк перемещают вместе с опалубкой [7].

Один из основных преимуществ обогрева в тепляках заключается в том, что это простой и легко устанавливаемый метод прогрева бетона. Тепляки могут быть установлены где угодно на объекте строительства и могут применяться для прогрева как крупных, так и мелких конструкций.

Система тепляков способна поддерживать необходимую температуру бетона в течение всего периода зимнего бетонирования, что позволяет получить высококачественный бетон. При этом данный метод может быть неэффективен при использовании для более крупных конструкций. Некоторые конструкции, например, большие мосты, требуют использования более мощных и специализированных систем обогрева. Также стоит отметить, что использование данного метода прогрева может быть ограничено наличием различных препятствий на строительной площадке. Например, наличие водопровода, канализации, коммуникаций, зарытых в грунт, может затруднить установку тепляков на поверхности бетонной конструкции.

Сравнение методов

Рассматривая тот или иной метод бетонирования в зимний период с точки зрения области его применения, можно сделать вывод, что у каждого метода есть свои плюсы и минусы. На основании этого составлена таблица (таблица 1), в которой представлены сравнения методов зимнего бетонирования по таким критериям как: простота использования (отсутствие сложных расчетов), универсальность применения для любого вида конструкций, отсутствие необходимости в использовании трансформаторов.

Таблица 1. Сравнение методов зимнего бетонирования.

Наименование метода	Просто­та	Эффективность (универсальность) для любого вида конструкций	Отсутствует необходимость использования дополнительного оборудования (трансформаторы)
Метод термоса	+	-	+
Использование противоморозных добавок	+	+	+
Электродный прогрев	-	+	-
Электрообогрев нагревательными проводами	-	+	-
Индукционный прогрев	+	-	-
Инфракрасный обогрев	+	- (маленькая глубина прогрева конструкций)	+
Использование греющей опалуб­ки	+	-	+
Обогрев в тепляках	+	+	-

Каждый из методов обладает преимуществами, но при детальном рассмотрении становится ясно, что для выбора лучшего варианта необходимо принимать во внимание особенности производства бетонирования на отдельных объектах: его объемы, климатические условия района строительства и др.

Для окончательного выбора наиболее эффективного метода производства бетонных работ в зимнее время необходимо рассмотреть технико-экономические показатели каждого метода.

Исходя из значений технико-экономических параметров на 1 м³ бетона принятых на основании технологических карт [8-15] на производство монолитных бетонных работ при отрицательных температурах воздуха приведена сводная таблица (табл. 2) различных методов зимнего бетонирования. В качестве показателей выбраны трудозатраты (чел.час) и расход электроэнергии (кВт*ч), определяющие энергоемкость того или иного метода. Также в таблице приведено общее количество человек, входящих в комплексный состав бригады.

Таблица 2. Технико-экономические показатели.

Наименование метода	Затраты труда, чел.час	Расход электроэнергии, кВт*ч	Кол-во человек
Метод термоса	0,9	54 (при разогреве смеси в бункере)	8
Использование противоморозных добавок	0,13	-	8
Электродный прогрев	3,03	76,5	4
Электрообогрев нагревательными проводами	4,07	76	4
Индукционный прогрев	22,5	263	4
Инфракрасный обогрев	8,52	228,2	4
Использование греющей опалубки	7,9	64,6	3
Обогрев в тепляках	32,0	49,7	6

Анализируя технико-экономические показатели и сравнивая достоинства и недостатки каждого метода зимнего бетонирования, можно прийти к выводу о том, что наиболее оптимальным является метод "термоса". Этот метод отличается простой технологией и экономичностью использования, и поэтому широко распространен в регионах, где температуры не критически низкие. Однако, в условиях крайнего севера, где температуры могут быть особенно низкими, часто используются альтернативные методы, либо комбинированный метод "термоса" с добавками противоморозного действия, который является вторым по экономичности способом.

Однако, следует отметить, что метод «термоса» может быть ограничен в области применения из-за массивности конструкции. С другой стороны, электропрогрев и электрообогрев бетона в условиях отрицательных температур потребляют высокие объемы электроэнергии, что приводит к снижению эффективности таких методов, но при этом некоторые из этих методов, такие как электродный прогрев и электрообогрев нагревательными проводами, позволяют бетонировать в зимнее время конструкции различной конфигурации.

Некоторые методы зимнего бетонирования могут также требовать дополнительных мер по контролю и безопасности, таких как мониторинг температуры бетона и оборудования, задействованного в процессе бетонирования.

Еще один фактор, который необходимо учитывать при расчете экономической целесообразности зимнего бетонирования, является затраты на обслуживание и ремонт оборудования, которое используется для зимнего бетонирования. Эти расходы могут быть значительными, особенно если оборудование необходимо арендовать или покупать.

Кроме того, важно учитывать влияние погодных условий, таких как ветер и осадки, на процесс бетонирования и принимать соответствующие меры для минимизации их влияния.

Вывод

Таким образом, для выбора оптимального метода зимнего бетонирования, следует учитывать не только стоимость и время, но и условия труда, а также особенности конкретного строительного проекта.

Один из возможных подходов к выбору наиболее оптимального метода зимнего бетонирования заключается в анализе стоимости и времени, требующихся для каждого метода. Например, при сравнении бетонирования с использованием электропрогрева и других методов, таких как метод термоса и использование противоморозных добавок, которые не требуют дополнительного оборудования, приоритет может быть отдан использованию электропрогрева в случае, если необходимы более быстрые сроки выполнения работ. Такой выбор может быть экономически обоснованным, но также может предъявлять дополнительные требования к контролю технологических процессов и управлению энергетическими ресурсами. Кроме того, следует учитывать особенности каждого объекта и осуществлять выбор метода зимнего бетонирования на основе комплексного анализа технических и экономических факторов.

В целом, выбор наиболее оптимального метода зимнего бетонирования требует комплексного анализа технико-экономических и технологических показателей, а также учета региональных особенностей и климатических условий.

Список литературы

1. Круглый стол. Зимнее бетонирование: современный рынок противоморозных добавок – состояние и перспективы // Технологии бетонов. 2011. № 11-12. С. 10-20.
2. Баженов, Ю. М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ. 2011.
3. Кобылина, М. А. Технологии зимнего бетонирования / М. А. Кобылина, С. В. Калошина // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. – 2017. – Т. 2. – С. 214-223.
4. Шипкова А. Е. Морозостойкость бетона // E-Scio. 2020. № 7 (46).
5. Вытчиков Ю. С., Беляков И .Г., Нохрина Е. Н. Исследование теплового режима обогрева бетонных конструкций при зимнем бетонировании / В сборнике: Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Естественные науки и техносферная безопасность Сборник статей по материалам 72-й Всероссийской научно-технической конференции. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2015. С. 171-177.
6. Мартынов М. М., Ибрагимов Р. А., Изотов В. С. Термоактивная опалубка и ее конструкция // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2013. № 3. С. 142-146.
7. Прасолов В. С. Преимущества и недостатки различных технологий прогрева бетона в зимних условиях / В. С. Прасолов. – Текст: непосредственный // Исследования молодых ученых: материалы X Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2020 г.). – Казань: Молодой ученый, 2020. — С. 14-24.
8. Технологическая карта на выдерживание бетона методом «термоса» и использование разогретых бетонных смесей. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2008.
9. Технологическая карта на индукционный прогрев монолитных конструкций. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 1997.
10. Технологическая карта по инфракрасному обогреву монолитных конструкций. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2005.
11. Технологическая карта на электродный прогрев конструкций из монолитного бетона и железобетона. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2007.
12. Технологическая карта на электрообогрев монолитных конструкций греющей опалубкой с трубчатыми электронагревателями. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2003.
13. Технологическая карта на электрообогрев нагревательными проводами монолитных конструкций. – М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2008.
14. Технологическая карта на бетонирование и выдерживание бетона в тепляках. М.: ОАО ПКТИпромстрой, 2008.
15. Технологическая карта на бетонирование монолитных конструкций с использованием противоморозных добавок. М.: ОАО ПКТИпромстрой, 1998.