Как известно, после бетонирования происходит сперва схватывание, когда менее чем за сутки бетонная смесь переходит из жидкой в твердую фазу, а затем более продолжительное твердение, при котором бетон постепенно обретает свои эксплуатационные характеристики. Насколько именно продолжительное — зависит от многих условий, включая температуру окружающей среды. Принято считать, что полноценное схватывание и твердение бетонной смеси достижимы уже при температуре в +5 градусов по Цельсию. Этого достаточно для того, чтобы содержащиеся в бетоне цементные зерна поглощали воду, связывая все компоненты смеси друг с другом, а вода испарялась, делая массив — от поверхностных слоев к нижним — все более прочным. Если же термометр показывает более низкие значения, придется воспользоваться одной или сразу несколькими из доступных технологий заливки бетона.
Что, собственно, неприемлемо в низких температурах при бетонировании? Дело в том, что содержащаяся в бетонной смеси вода служит для всех ее компонентов склеивающей фракцией. При ее замерзании — переходе в твердое состояние — процессы в бетонной смеси останавливаются. Но это еще не все. Как известно, вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме. Соответственно, внутри бетона возникает повышенное давление. Если частицы цемента до этого не набрали достаточного уровня прочности, они под его воздействием разрушаются. Даже если спустя какое-то время температура станет выше нулевой отметки, присущих им свойств они уже не обретут.
С армированными конструкциями дела обстоят еще сложнее. Сталь, имея высокие теплопроводные свойства, отводит тепло из толщи бетона, а вокруг арматуры вода замерзает наиболее быстро. В итоге лед отталкивает частицы бетона и привлекает частицы воды из бетонной смеси. Результат — конструкция, в которой каркас не связан с искусственным камнем, обладающая в несколько раз меньшей прочностью, чем железобетонный монолит, который изначально предполагалось получить.
Но и при работе с обычным бетоном зимой необходимо следовать много раз проверенным рецептам, позволяющим добиться качественного результата работы. Все они нацелены на одно — на повышение температуры бетонной смеси. Ведь чем выше эта температура, тем активнее входящая в ее состав вода и быстрее процесс набора прочности бетона. Говоря коротко, способов добиться этого несколько: производство подогретой бетонной смеси, утепление опалубки, использование специальных присадок и добавок, ускоряющих твердение и понижающих точку заморозки воды, подогрев уже залитого бетона. Наконец, принципиальное значение имеет правильный выбор цемента. Во время отвердевания бетона выделяется тепло — в наибольшей степени это свойственно быстроотвердевающим портландцементам и составам высоких марок — М400 и выше, — поэтому именно они предпочтительны для бетонирования зимой. Уточним: при бетонировании повышение температуры смеси требуется не только при отрицательных температурах на улице, но и когда столбик термометра опускается ниже отметки +5°С. Работы с бетонированием зимой ведутся при температуре воздуха не ниже –15°С. При более низких значениях добиться оптимальной для вызревания бетона температуры смеси +20…+30 градусов Цельсия затруднительно. Идеальным вариантом для бетонирования зимой представляется ситуация с положительными дневными температурами и незначительными заморозками по ночам — что, в частности, характерно для некоторых южных регионов России и Украины.
Итак, первое, что необходимо сделать накануне предстоящих в зимнее время бетонных работ, — увеличить температуру бетонной смеси в процессе ее приготовления. Для этого воду разогревают до температуры 90—95 градусов по Цельсию. Инертные материалы — щебень и песок — прогревают до температуры +60°С в специальных печах, обдувая их потоком горячего воздуха. А вот цемент греть ни в коем случае нельзя, иначе он потеряет свои рабочие качества. Лучше всего, чтобы до начала приготовления смеси он какое-то время находился в отапливаемом помещении и приобрел комнатную температуру. Кстати, порядок закладки компонентов при приготовлении бетонной смеси зимой тоже особый: сперва заливается вода, затем добавляются инертные материалы, все это слегка перемешивается — и только потом помещается цемент. Время замеса в холодное время года увеличивается на 20—50% сравнительно со стандартным. Это помогает активировать в приготовляемой смеси химические реакции и повышает температуру смеси при ее твердении после укладки.
Если бетонная смесь приготавливается не рядом с местом укладки, а на удалении от него — скажем, на асфальтобетонном заводе, — необходимо принять меры для того, чтобы она не остыла при транспортировке. По этой причине доставка готовой смеси к месту работ выполняется в утепленной машине, емкость которой, предназначенная для бетона, подогревается отработанными газами либо иным способом. Места погрузки бетонной смеси в транспортное средство и ее выгрузки должны быть защищены от охлаждающего действия ветра, а средства подачи смеси — утеплены, насколько это возможно.
Чтобы увеличить время остывания уже уложенной бетонной смеси и добиться таким образом ее полноценного твердения, выполняется утепление или подогрев стенок опалубки. Чаще всего для этого вокруг опалубки сооружается теплоизолирующая обшивка, которая выполняет функцию термоса. Иногда применяется несъемная опалубка с низкими характеристиками теплопроводности, изготовленная из пенополистирола или других, аналогичных по своим свойствам материалов. В последнем случае готовый фундамент будет тепло- и влагоизолированным.
Существуют более сложные и затратные способы. К ним относится укладка по периметру стенок опалубки нагревающего кабеля — последний соединен с трансформатором и прогревает уложенный массив бетона. Еще один метод предусматривает введение в уложенный бетон либо в помещение на его поверхность или на стенки опалубки электродов, на которые подается напряжение. Возможен также индукционный разогрев уложенного бетона, при котором магнитное поле преобразуется в тепловую энергию. Наконец, совсем не часто встречающийся вариант — прогрев уложенного бетона инфракрасными обогревателями направленного действия. Нужно отметить, что все эти технически довольно сложные методы требуют круглосуточного контроля температуры уложенной смеси каждые 1—2 часа: при достижении ею отметки +30°С прогрев приостанавливают, а через некоторое время возобновляют. Довольно удачным и бюджетным решением для сохранения температуры уложенной смеси (при условии, что ее площадь не слишком велика) являются специальные греющие маты, которые раскладываются на поверхности и подключаются к электросети.
В мировой практике строительства при зимнем бетонировании уложенная смесь предохраняется от замерзания во время схватывания и набора прочности до величины, которая именуется критической. Под ней подразумевают показатель, который равен половине от марочной прочности бетона. В конструкциях ответственного назначения меры по предохранению бетона от замерзания проводятся вплоть до достижения им 70% от его проектной прочности.
Как уже было сказано, для укладки бетона зимой применяется большое число противоморозных присадок и добавок, главным образом — на этапе приготовления смеси. Как правило, их доля в общем объеме бетона не превышает 2%. Одни из них ускоряют твердение на начальной стадии процесса, другие, обладая антифризными свойствами, позволяют остановить процесс замерзания воды.
Одной из традиционно применяемых при зимнем бетонировании присадок, позволяющих бетону твердеть быстрее и снижающей температуру замерзания до –3°С, является хлористый кальций. Также для этих целей применяют поташ, натриевый нитрат и хлорид натрия. Однако здесь есть одно «но»: при работе с армированными бетонами использование любых хлоридов исключается — такие вещества способствуют быстрому разрушению стали. Крайне нежелательно — даже в случае укладки цельнобетонных фундаментов — и использование хлорида натрия — соли: незначительно снижая порог замерзания, в дальнейшем она может негативно повлиять на сохранение свойств бетона.
Отметим, что использование присадок и добавок не исключает, а дополняет вышеописанные методы — приготовление «горячей» бетонной смеси, теплоизоляция и подогрев поверхности уложенного бетона и стенок опалубки.
Еще до заливки бетонной смеси необходимо удалить с опалубки и дна фундамента снег и наледь, а при наличии армированных конструкций — прогреть арматуру до пусть невысоких, но плюсовых температур. Для последнего используются специальные тепловые пушки и другое переносное оборудование. В случае укладки плитных фундаментов обогрев дна, периметра и арматуры представляют собой довольно дорогостоящую, но необходимую предварительную процедуру. При укладке фундаментов ленточного типа процедура прогрева займет меньше времени и обойдется дешевле.
С зимним бетонированием связан один важный нюанс: заливать бетонную смесь при отрицательных температурах частями нельзя — процесс должен быть непрерывным. В противном случае между слоями бетона может образоваться пленка из натриевого гидросиликата — или, что хуже, выступившая влага может превратиться в наледь. При образовании так называемых холодных швов ни о какой цельности бетонной конструкции речи уже идти не может. По этой причине залитый слой бетона до заливки следующей порции должен тут же покрываться теплоизолирующими матами.
Разумеется, месяцы года с отрицательными температурными значениями трудно назвать идеально подходящими для проведения интересующих нас работ, будь то заливка фундамента, бетонирование монолитных конструкций или формирование буронабивных опор. Объем затрат при зимнем бетонировании выше, чем в тех случаях, когда оно выполняется в строительный сезон. Это связано с приобретением противоморозных добавок, разогревом инертных материалов и воды, более продолжительным периодом приготовления смеси и созданием особых условий для ее укладки. Кроме того, не исключен риск понижения температуры окружающей среды — в таком случае уложенный бетон будет более хрупким относительно его расчетной эксплуатационной прочности.
Тем не менее выполнение работ с бетоном зимой имеет, как это ни странно, и некоторые достоинства. Минусовые температуры позволяют выполнять заливку на сыпучих почвах, где в теплые месяцы грунт осыпается. В зимние месяцы скидки на строительные материалы достигают максимально возможных значений, что позволяет приобрести необходимый набор ингредиентов — от портландцемента до инертных материалов — по максимально низкой цене. Наконец, при отрицательных температурах работающий на объекте персонал старается решить поставленные перед ним задачи максимально быстро, что оптимизирует время выполнения работ. Нужно также отметить, что значительная часть территории России находится в климатической зоне, где зимнее бетонирование является единственно приемлемым методом — в этом случае характерные для него производственные операции будут актуальны круглый год.