Допустим, требуется изготовить плоскую горизонтальную плиту в опалубке. В начале бетонной смесью с достаточным для легкой укладки количеством воды заполняют опалубку. На верхней свободной от опалубки поверхности свежеуложенного бетона устанавливают вакуум-щит, т. е. раму с укрепленной на ней прочной решеткой, металлической сеткой и хлопчато-бумажным фильтром. Верхняя грань рамы герметически закрыта листовым металлом. Образованную таким образом полость присоединяют к вакуум-насосу. Щит сделан воздухонепроницаемым по линии соприкосновения с поверхностью бетона. Для контроля разряжения к вакуум-проводке на некотором расстоянии от ввода у щита подключен манометр. К отводной трубе присоединен отстойный бак, в который поступает отсасываемая из бетона вода.

      При вакуумировании из бетонной смеси высасывается избыток воды. Смесь сжимается  и уменьшается в объеме. В результате быстро растет механическая прочность бетона – приращение прочности бетона благодаря вакуумированию равно 50 – 70%.

СКОЛЬКО  ДОЛЖЕН ТВЕРДЕТЬ БЕТОН?

      Итак. Бетон приготовлен, уложен в форму  и обезвожен.

Теперь  он должен затвердеть и набрать прочность. После того, как бетон схватился, он уже является твердым телом, но недостаточно прочным.

Поместим  его в воду или будем непрерывно увлажнять, и прочность бетона будет  расти! Как это можно объяснить? При увлажнении в нем будут  происходить химические процессы. Они  превратят минералы, из которых состоят цементные зерна в новые стабильные образования – гидросиликаты калия. Этот процесс преобразования очень длительный; он может совершаться годами. Но строителям столько ждать нельзя!

      Поэтому устанавливают контрольный срок твердения бетона, после которого бетон можно подвергать расчетной нагрузке. Для бетона, изготовленного в условиях стройки и твердеющего в естественных условиях, такой срок равен 28-30 суток.

В некоторых  случаях можно допустить более  долгий срок твердения бетона –  при  возведении морских сооружений, дамб, плотин, набережных, мостов и т. п. Они строятся очень медленно, а поэтому полная нагрузка к уложенному бетону может быть приложена через довольно долгое время. В этих случаях в расчетах можно учитывать 90-суточную прочность бетона; она примерно на 20% выше 28-суточной.

      Но  после установленного контрольного срока бетон продолжает твердеть и набирать прочность, правда, значительно  медленнее. Этот процесс медленного твердения бетона в расчетах не учитывается. Прирост прочности бетона во времени, превышающем установленные контрольные сроки твердения, оказывается как бы гарантией надежности бетонных и железобетонных конструкций.

Высокие температуры (порядка 80-90º С) ускоряют химические реакции в бетоне. Так, например, если бетон пропарить, т. е. прогреть во влажной среде при такой температуре 12-16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65-70% прочности 28-суточного бетона. Именно так и поступают при заводском изготовлении железобетонных изделий. А если еще больше повысить температуру? Ускорится ли твердение бетона? Да, и настолько, что при температуре 170-180º С за те же 12-16 часов прочность бетона так возрастет, что превысит годичный уровень прочности. Однако при таком сильном прогреве бетон очень быстро высыхает и перестает твердеть. Это объясняется интенсивным испарением заключенной в бетоне воды. Чтобы «затормозить» испарение воды, надо обеспечить в камере прогрева (автоклаве) высокое давление пара (порядка 0,8 – 1,2 МПа, или 8 – 12 атм.). Такой процесс термовлажностной обработки называется запаркой под давлением, или автоклавной обработкой бетона. При этом цемент можно заменить известью, а крупный заполнитель – песком без ущерба для качества изделий.

ВОПРЕКИ МОРОЗУ И ЖАРЕ 

         Рассказывая об укладке бетонной смеси в сооружение, мы всегда имели  в виду, что строительные работы ведутся в нормальных условиях, т. е. до наступления зимних холодов или же при температурах,  не превышающих +35º С. В этом случае никаких дополнительных условий ухода за твердеющим бетоном не требуется. Правда,  учитывая, что для твердения бетона требуется постоянная влажность,  во избежание раннего высыхания даже при этих температурах его укрывают от прямых солнечных лучей. В России температуры воздуха в разных районах очень разнообразны: от -70º С до +50º С. Раньше зимой строительные работы почти полностью прекращались,  а строительство в южных районах нашей страны требовало разработки особых условий твердения бетона. Однако размах строительства в нашей стране требовал ведения строительных работ круглый год и в любых климатических условиях.

БОИТСЯ ЛИ БЕТОН МОРОЗА?

       Да, свежеуложенному бетону мороз опасен. И, прежде всего из-за влияния низких температур на процессы схватывания и твердения цементов. Бетон очень чувствителен к холоду. Это сказывается прежде всего на времени схватывания и скорости твердения. Так,  например,  при снижении температуры с 20 до 5º С схватывание бетона замедляется в 2 – 5 раз. Но особенно резко проявляется это замедление при дальнейшем снижении температуры – до 0º С. Однако если восстановить нормальную температуру выдерживания,  то твердение вновь принимает обычные темпы. А если температура бетона опустится до 0º С? Твердение прекращается полностью. Это объясняется тем, что при замерзании бетона содержащаяся в нем свободная вода замерзает, а образование цементного камня замедляется. Следовательно, прекращается и твердение бетона. Замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме на 9%. В результате этого в порах бетона развивается большое давление, которое вызывает разрушение структуры еще не затвердевшего бетона. Скопившаяся на поверхности зерен крупного заполнителя вода при замерзании образует тонкую ледяную пленку, которая отделяет поверхность заполнителя от соприкосновения с цементным тестом. В результате ухудшается монолитность бетона. Если заморозить бетон в раннем возрасте, то лед разрушит многие кристаллики цементного клея. Если затворение бетона было проведено до замораживания, а твердение бетона еще не началось, то оно не начнется и после замерзания. Но если твердение началось, то оно приостанавливается, пока свободная вода в бетоне будет оставаться в виде льда. При оттаивании бетона замерзшая свободная вода превращается в жидкость, и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замерзания, но уже при изменившейся структуре. Эти изменения в структуре бетона уменьшают его прочность и сцепление бетона с арматурой. Конечная прочность бетона будет тем ниже, чем раньше бетон подвергся замораживанию.

       Наиболее опасное замерзание бетона в период схватывания цемента. Для бетона также вредно и многократное замерзание и оттаивание его в начальный период твердения (оттепели и заморозки).                

ВОЗМОЖНО ЛИ ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ?

      Да, и это доказывают работы российских ученых С. А. Миронова   В. П. Сизова и И. Г. Совалова, разработавших и внедривших в практику теорию и способы зимнего бетонирования.

Речь  идет о создании нормальных условий  твердения бетона зимой. Это значит,  что в течении срока, который  определяется достижением заданной прочности бетона, нужно поддерживать необходимую температуру и влажность, используя для этого внутреннее тепло бетона или дополнительно обогревать твердеющий бетон.

      Как всегда, все начинается с бетонной смеси, приготовление которой в  зимних условиях является очень ответственной операцией. В первую очередь нужно тщательно проверить качество и состояние сырьевых материалов. Так, например,  песок, щебень и гравий не должны быть загрязнены и смешаны со снегом и льдом. Поэтому их складируют на сухих возвышенных местах, под навесами или в закрытых помещениях. Конечно, нельзя допускать, чтобы при хранении цемента в него попадал снег.

      Готовить  бетонную смесь надо в обогреваемых помещениях. Внутренний запас тепла  в бетонной смеси создают, подогревая ее составляющие. Нагрев заполнителей может быть одноступенчатым, когда одновременно материалы оттаивают и подогревают, и двухступенчатым, когда на одних установках заполнители предварительно оттаивают, а на других – подогревают до расчетной температуры (40º С). Одновременно в резервуарах паром нагревают воду до заданной температуры – от 30 до 80º С. Цемент и тонкомолотые добавки подогревать запрещается.  Что касается арматуры, то она должна быть очищена от снега и льда и разогрета горячей водой или паром. Температура составляющих бетонной смеси в момент загрузки в бетономешалку должна быть такой, чтобы обеспечить заданную температуру бетонной смеси при выходе из бетономешалки и укладки в форму – не  менее 5º С.

      Итак, бетонная смесь готова. Но ее нужно  транспортировать до места укладки  с минимальными теплопотерями. Потери тепла при самой перевозке бетонной смеси меньше, чем при перегрузочных операциях. Поэтому в зимнее время ее доставляют на место укладки без перегрузки. При этом надо следить, чтобы транспортная тара была утеплена и обогревалась. Если бетонная смесь транспортируется в кузове автосамосвала, то кузов укрывают брезентом или обогревают отработанными газами. Это позволяет создать над бетонной смесью тепловую завесу. При транспортировании бетонной смеси в бадьях и бункерах их накрывают деревянными утепленными крышками; снаружи утепляют войлоком и затем обшивают фанерой. При насосном транспорте бетона утепляют как помещения, где установлены бетононасосы, так и бетоноотводы.

БЕТОН УКЛАДЫВАЮТ НА МЕСТО

      На  месте бетонную смесь укладывают в опалубку из деревянных и металлических щитов, в соответствующую форме будущей конструкции. В опалубку устанавливают стальной каркас – арматуру.

Укладывать  бетонную смесь на место желательно как можно быстрее и без  перерывов. Мы знаем, что твердение бетона зависит от химических реакций цемента с водой. А основную роль в этом будут играть тепло и вода! Поэтому в зимнее время при низких температурах опалубку утепляют, а сразу же после окончания бетонирования щитами и матами утепляют и верхнюю, открытую поверхность бетона. Мы уже говорили, что в России разработаны и внедрены в практику способы зимнего бетонирования. Наиболее эффективными из них являются способы термоса, электронагрева и паропрогрева.

По способу  термоса бетон твердеет под «шубой»  – слоем теплоизоляционных материалов (шлака, опилок, камышита и др.). Эти материалы плохо проводят тепло. Поэтому бетонная смесь почти не теряет тепла, которое оно получила при изготовлении. Кроме того, при твердении цемент так же выделяет тепло. Во многих случаях количество тепла оказывается достаточным, чтобы во время остывания бетон приобрел необходимую прочность. Эта прочность позволяет распалубливать, конструкцию, уже не боясь замораживания. В этом случае после оттаивания бетон не разрушится. Способ термоса является наиболее экономичным и простым. Для его реализации не требуется специального оборудования. Но этот способ применим только при бетонировании массивных конструкций, так как тонкостенные конструкции очень быстро остывают.

      Если  в установленные сроки способом термоса нельзя достичь требуемой прочности бетона, рекомендуется применять искусственный обогрев бетона электрическим током или паром. Электронагрев заключается в том, что свежеуложенный бетон вводят металлические электроды, через которые пропускают электрический ток. Электрическое сопротивление свежеприготовленного бетона, уложенного в опалубку, увеличивается по мере затвердевания бетона. Электрический ток, протекающий по бетону, будет вызывать его прогревание и твердение: чем больше будет сопротивление, тем выше будет напряжение тока. Температура бетона

должна  быть не выше 60º С. При изготовлении железобетонных конструкций в качестве электродов используют арматуру.

Способ  паропрогрева заключается в следующем. В опалубке с внутренней стороны  вырезают каналы и через них пропускают пар. Можно так же изготовить двойную опалубку и вводить пар в промежутке между ее стенками. Иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Нагревать бетон до 50 – 80º С. Благодаря высоким температурам, которые создаются при паропрогреве бетона, и при благоприятных влажностных условиях твердение бетона значительно ускоряется: например, через двое суток можно получить такую прочность, которая достигает бетон после семисуточного твердения в нормальных условиях. Паропрогрев бетона требует больших дополнительных затрат. Это его недостаток. Способ паропрогрева рекомендуется для тонкостенных конструкций.

«ХОЛОДНЫЙ»  БЕТОН

        Все описанные способы требуют дополнительных затрат и оборудования. А нельзя ли обойтись без них? Можно ли заставить бетон твердеть в зимнее время, не подогревая его? Оказывается можно, если ввести в бетонную смесь специальные добавки – химические ускорители твердения. Такими добавками являются хлористый кальций, хлористый аммоний, хлорированная вода, а так же водные растворы поваренной соли и соляной кислоты.

      Какова  роль этих добавок? Они понижают температуру  замерзания воды и ускоряют разложение минералов, которые входят в состав цемента. Благодаря действию этих добавок созревание бетона ускоряется. Пои использовании химических ускорителей твердения бетона не требуется подогревать ни воду, ни заполнители. Поэтому такай бетон назвали холодным бетоном. Такие бетоны твердеют и приобретают прочность при отрицательных температурах. Однако хлористые соединения вызывают коррозию арматуры. Поэтому холодные бетоны применяют только для бетонирования неармированных конструкций, дорожных покрытий, облицовки откосов и т. п. В конструкциях, работающих под динамическими нагрузками (фундаменты под молоты, копры и т. п.) применять холодный бетон запрещается!

      Так же как и бетон, изготовляемый  с подогревом, холодные бетоны распалубливают только после окончания заданного срока твердения. Пока бетон не достиг 50% проектной прочности, его надо предохранять от замерзания.

БЕТОН – САМОГРЕВ

      Но  бетон готовил еще одну загадку: иногда он способен обогревать самого себя! Чему же обязан бетон этим удивительным свойством? Оказывается, цементу. При химическом взаимодействии цемента с водой происходят такие реакции, в результате которых выделяется значительное количество теплоты. Повышение температуры при образовании бетона зависит от вида цемента и его количества в бетонной смеси. Наибольшее количество тепла при твердении бетона выделяет глиноземистый цемент, минимальное – шлакопортландццемент. И вот если бетонной смеси много, а поверхность его невелика, то бетон нагревается за счет этого тепла. Так бетон становится «самогревом»! Иногда этого тепла выделяется так много, что бетон может перегреться, он будет высыхать раньше, чем твердеть.

      Бетон - «самогрев» может быть использован  при зимнем бетонировании. Поэтому  когда строят массивные бетонные конструкции, то в зимнее время воду и заполнители не подогревают и бетон не укутывают. Ему и так будет жарко! Но...