Контроль параметров бетона, выдерживаемого в зимних условиях

В настоящее время в России, как и во многих развитых зарубежных странах, все большую актуальность приобретает строительство из монолитного бетона и железобетона. Учитывая необходимость круглогодичного производства работ, в том числе в экстремальных условиях, это, несомненно, приводит к резкому увеличению объемов зимнего бетонирования. Качество и безопасность монолитных бетонных и железобетонных конструкций, возводимых в зимних условиях, главным образом зависят от соблюдения в процессе производства работ требований нормативных документов в области зимнего бетонирования. При этом предусмотренная частью 5 статьи 42 Федерального закона Российской Федерации № 384-ФЗ от 30 декабря 2009 года «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» актуализация документов технического регулирования в строительстве должна осуществляться на основе современных теоретических и экспериментальных исследований, а также практического опыта.

Долгие годы в разделе, регламентирующем правила выполнения бетонных работ при отрицательных температурах СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции», было указано (п. 2.61), что контроль прочности бетона следует осуществлять, как правило, испытанием образцов, изготовленных у места укладки бетонной смеси. Однако данное требование не могло быть реализовано в зимнее время, так как массивность образца-куба с ребром 100 мм и, к примеру, колонны с размерами 400×400×3000 мм отличается почти в 5,5 раза, а значит и темп остывания бетона в них будет разным, что приведет к неправильной оценке его прочности. Более того, на стройплощадке может выполняться термообработка бетона в кон- струкции, которую невозможно повторить в образце-кубе. В то же время, в этом же пункте правил справедливо говорилось, что допускается контролировать прочность бетона по его температуре в процессе выдерживания.

В качестве замечания: следовало исключить слово «допускается», заменив его обязательным требованием. Многочисленные исследования показывают, что в зимних условиях именно контроль прочности бетона по его температуре является единственно возможным [1, 2, 9], за исключением небольшого ряда случаев, которые будут рассмотрены ниже.

Также действующий с 1 сентября 2012 года ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности» предусматривает произведение контроля прочности бетона по контрольным образцам (примечание к п. 4.3), изготовленным на строительной площадке и твердевшим в условиях, предусмотренных проектом производства работ или технологическим регламентом на производство монолитных бетонных и железобетонных конструкций данного объекта строительства (п. 5.4) [8]. Но в случае реализации большинства методов зимнего бетонирования выполнить данное требование невозможно.

В СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87» [3] вообще исключены все пункты, касающиеся методов контроля прочности бетона в зимнее время. Оставлены лишь ссылки на национальные стандарты [5–7], в которых отсутствует упоминание о контроле прочности бетона по его температуре. По сути, опять говорится о контроле прочности бетона по образцам-кубам [5] и указана возможность осуществления контроля прочности неразрушающими методами. Однако в п. 1.6 [6] и п. 1.4 [7] сказано, что испытания неразрушающими методами проводят при положительной температуре бетона. При этом допускается проведение испытаний при температуре не ниже – 10 ºС, но при условии, что относительная влажность воздуха при выдерживании бетона не превышала 70 %. Учитывая, что в зимнее время влажность воздуха всегда повышена (например, в Челябинской области относительная влажность воздуха зимой всегда выше 70%), в большинстве случаев применение неразрушающих методов контроля прочности бетона невозможно.

Нужно отметить, что в стандарте Национального объединения строителей СТО НОСТРОЙ 2.6.54-2011 «Конструкции монолитные бетонные и железобетонные. Технические требования к производству работ, правила и методы контроля» [4] вопросы контроля прочности бетона в зимних условиях также недостаточно освещены. Вновь нигде не сказано о необходимости и даже возможности контролировать прочность бетона по его температуре. Для развития в системе стандартизации Национального объединения строителей документов в области зимнего бетонирования в настоящий момент кафедра «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета разрабатывает в дополнение к СТО НОСТРОЙ 2.6.54-2011 рекомендации «Производство бетонных работ при отрицательных температурах наружного воздуха».

Сам по себе контроль прочности бетона не является исчерпывающим при оценке качества бетона. Следует обязательно учитывать и его термонапряженное состояние в процессе выдерживания. На температурные напряжения оказывают влияние следующие основные параметры:

– скорость нагрева и остывания бетона;

– разность температур наружного воздуха и бетона при распалубке;

– перепад температуры по сечению бетона.

Первые два параметра указаны в рассматриваемых нормативных документах, однако их жестко установленные предельные значения вызывают недоумение. Например, скорость остывания бетона в конструкции с модулем поверхности до 10 м–1 регламентируется не более 10 ºС/час. В то же время нужно понимать, чем обусловлены данные ограничения: при охлаждении происходит сжатие бетона, чему противодействует образовавшаяся структура бетона. Таким образом, предельные значения скорости остывания должны идти в зависимости от текущей прочности бетона.

Исследования и расчеты, проведенные на кафедре «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета, показывают, что эти значения справедливы, если бетон уже набрал свою проектную прочность. В более раннем возрасте предельное значение скорости остывания должно быть уменьшено. Так, при данной массивности конструкции и текущей прочности бетона 50 % от проектной скорость остывания не должна превышать 5 ºС/ч.

Аналогичное влияние текущая прочность бетона оказывает и на максимальные перепады температур между поверхностью бетона и окружающим воздухом при распалубке. Однако расчеты показывают, что в этом случае существующие нормы излишне жесткие и определяют максимальные перепады температур при текущей прочности бетона, составляющей около 20 % от проектной. Заметим, что распалубка конструкций не допускается до набора бетоном как минимум критической прочности, т. е. не менее 30 %. Таким образом, при распалубке в более поздние сроки возможно увеличивать максимальный перепад температур. Например, для железобетонных конструкций с модулем поверхности 5 м–1 и коэффициентом армирования до 1 % нормируемый максимальный перепад температур составляет 20 °С, а расчеты, выполненные при тех же условиях, свидетельствуют, что при 80%-ной текущей прочности этот перепад может быть увеличен до 50 °С.

Оценка термонапряженного состояния бетона на основе перепада температур по сечению конструкции вообще не рассматривается в существующих нормах. Здесь допустимый уровень температурных напряжений можно определить из условия [2]:

σ ^ti ≤ 1 ,

Rbti , где σti – температурные напряжения в бетоне в текущий момент времени; Rbti – расчетное сопротивление бетона на осевое растяжение по II группе предельных состояний в текущий момент времени.

Для упрощения расчетов на кафедре «Технология строительного производства» ЮжноУральского государственного университета построен график, позволяющий определить максимально допустимый перепад температуры по сечению бетона конструкции в зависимости от параметров армирования и текущей прочности бетона (см. рисунок).

Максимальный температурный перепад по сечению конструкции

Технология и организация строительного производства

Нормируемые значения прочности бетона

Нельзя не сказать и о табл. 5.7 в [3]. Эта таблица произошла из табл. 6 СНиП 3.03.01-87 и имеет существенные отличия от источника. Однако не все изменения пошли на пользу, оставив разночтения в параметрах прочности бетона к моменту замерзания. Например, значения так называемой «критической прочности» бетона оказались привязаны только к конструкциям, эксплуатирующимся внутри зданий, а значения критической прочности для конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям, в процессе эксплуатации вообще исчезли. Кроме того, бетоны с противоморозными добавками оказались не привязанными к конкретным конструкциям, а приведенные значения критической прочности для таких бетонов меньше, чем аналогичные значения, указанные с привязкой к конструкциям. Это делает невозможным применение нормируемых значений критической прочности бетонов с противоморозными добавками ни к одной конструкции. Переработанная нами в части значений нормируемой прочности таблица представлена выше.

Заключение. По результатам вышеизложенных исследований, выполненных на кафедре «Технология строительного производства» ЮжноУральского государственного университета, разработан стандарт некоммерческого партнерства «СРО Союз строительных компаний Урала и Сибири» СТ-НП СРО ССК-04-2013 «Температурнопрочностной контроль бетона при возведении монолитных конструкций в зимний период», а также рекомендации Национального объединения строителей «Производство бетонных работ в зимний период», в которых раскрыты положения темпера турно-прочностного контроля с учетом затронутых в данной статей особенностей зимнего бетонирования.