Влияние замораживания на прочность сцепления в бетонных швах при зимнем бетонировании

Современные индустриальные технологии скоростного монтажа полносборных зданий высокой степени заводской готовности обеспечивают сокращение сроков строительства при заданном качестве [1–5]. Использование монолитных стыков сборных конструкций в таких зданиях позволяет обеспечить требования качества и надежности по важным конструктивно-технологическим параметрам, в том числе восприятию высокого уровня нагрузок при увеличении этажности и обеспечению высоких темпов монтажа сборных элементов [6–9].

Конструктивные особенности монолитных стыков определяют необходимость применения для их замоноличивания высокофункциональных бетонов [10, 11]. Для сохранения необходимых темпов монтажа сборных конструкций применяют всесезонные технологии бетонирования стыков с использованием высокофункциональных бетонов заданного качества за счет самоуплотняющихся свойств бетонных смесей, высокой ранней прочности и последующего интенсивного набора прочности бетона заделки стыков. В зимних условиях применяют «холодные» бетоны на основе сухих строительных смесей (ССС) на цементных вяжущих модифицированных добавками, обеспечивающими заданные параметры набора прочности бетона при низких положительных и отрицательных температурах [12, 13].

Отличительной особенностью узлов в сборномонолитных конструкциях является необходимость обеспечения однородности и сплошности на границе «старого» и «нового» бетона, обусловленная работой стыков на контактный срез или растяжение при изгибе.

При анализе литературных источников отмечается влияние на прочность сцепления в бетонных швах различных факторов, которые можно разделить на три категории.

• 1.    По виду и составу материалов: крупность заполнителя; водоцементное отношение; консистенция смеси; тип и уровень pH смеси; введение различных добавок, повышающих сцепление; тип и количество вяжущего [14–18].

• 2.    Технологические: климатические условия укладки бетонной смеси ‒ температура и влажность; величина градиента тепломассопереноса; а также качество, форма и технология подготовки поверхности швов; технология вибрирования бетонной смеси; продолжительность перерывов в бетонировании [9, 10, 17–23].

• 3.    Конструктивные: величина обжатия бетона в стыке, вид и направление силового воздействия в стыке (шве), усадка бетона, его модуль упругости и возраст, величина модуля поверхности стыков (особенно при отрицательных температурах) [14, 15, 19, 22, 24, 25], а также другие факторы.

В ряде исследований установлено, что наличие температурного градиента между «новым» и «старым» бетоном, повышающего тепломассопе-ренос на границе укладки, а также при перерывах в бетонировании (холодных швах) является основным фактором, влияющим на прочность швов. Указывается на несовершенство технологии устройства швов и, как следствие, «неравнопроч- ность» таких швов и стыков основному материалу, что может привести к образованию преждевременных трещин, снижению водопроницаемости и морозостойкости бетона, долговечности конструкций [14, 15, 26]. Поэтому исследования характера изменения сцепления швов, зависимости его от отрицательных температур, направленные на обеспечение монолитности швов «старого» и «нового» бетона, являются актуальной задачей.

Материалы и методы

Для оценки прочности сцепления бетонных швов применяются различные методики: испытание при сдвиге, раскалывании, растяжении и изгибе контрольных образцов цилиндров, кубов, призм, восьмерок и других форм различных размеров [14, 17, 18, 20, 22, 24, 26]. В данном исследовании в качестве критерия оценки прочности бетона в контактной зоне принималась прочность сцепления швов образцов-призм размерами 70×70×280 мм на растяжение при изгибе по методике ГОСТ 10180-2012 «Методы определения прочности по контрольным образцам». Дополнительно образцы-половинки призм испытывались по прочности на сжатие.

В качестве материалов для исследования использовались ССС на цементных вяжущих различных производителей для «холодных» самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей (СУМБС). Проектное количество воды затворения принималось по паспорту ССС в соответствии с рекомендованным значением водотвердого (В/Т) отношения согласно виду смеси и условиям ее укладки. Обозначение смесей выполнялось условно «Смесь №1.1 (–15)», где 1.1 – уникальный номер образца смеси (первая цифра указывает на производителя, вторая на вид смеси), (–15) – рекомендованная производителем минимальная отрицательная температура укладки смеси в градусах по Цельсию. Необходимо отметить, что все составы содержали противоморозные добавки, а состав № 2 дополнительно содержал армирующие полимерные микроволокна.

Из условий подобия проектной технологии приготовления бетонных смесей ССС и вода затворения предварительно выдерживались до на- чальных условий, заданных программой испытаний (см. таблицу).

Образцы изготавливались в два этапа. В первую половину формы укладывалась бетонная смесь для имитации «старого» бетона конструкции (рис. 1 а ). В качестве бетонной смеси принимался аналогичный состав для изготовления конструкций многопустотных преднапряженных плит безопалубочного формования из бетона В40 (М550) в соответствии с дозировкой завода-изготовителя на кубометр смеси: цемент ПЦ500Д0 – 480 кг; щебень фр. 5–10 – 960 кг; песок Мкр. 1,8 – 926 кг (Ц:Щ:П – 1:2:1,929), В/Ц – 0,39. В качестве разделителя формы использовался ламинированный щит из водостойкой фанеры. После укладки бетонной смеси в первой половине образца его уплотняли на виброплощадке и выдерживали в камере ТВО в течение 28 суток. Затем в форму попарно укладывалась СУМБС для имитации «нового» бетона в следующих условиях.

Серия № 1 – эталонные образцы. Образцы-половинки выдерживалась в нормальных условиях (н.у.). СУМБС готовилась в соответствии с таблицей и укладывалась в форму непосредственно после перемешивания без уплотнения. Затем серия № 1 образцов-призм выдерживалась в камере нормального твердения и испытывалась через 1, 7 и 28 суток на прессе (рис. 1 б ).

Серия № 2 – образцы для имитации отогрева железобетонных конструкций перед укладкой бетонной смеси в стык. Образцы-половинки отогревались до температуры 40 °С перед укладкой смеси во вторую половину формы, затем в форму укладывалась СУМБС. После укладки смеси во вторую половину формы серия № 2 выдерживалась в морозильной камере по следующему режиму: одни сутки при минимальной отрицательной температуре укладки, затем 6 суток при средней отрицательной температуре и далее 28 суток в камере нормального твердения (см. таблицу). Образцы испытывались в следующих условиях: первый образец серии испытывался сразу после завершения времени выдержки при минимальной отрицательной температуре укладки (прочность замороженных образцов). Следующие два образца испытывались при достижении их поверхности темпера-

Начальные условия, режимы приготовления и выдерживания бетонных смесей для контрольных образцов из ССС

Наименование образца	В/Т	Температура, °С					Время перемешивания, мин
		T cc	т в	T н.у	т в.мин	T в.ср
Смесь № 1.1 (–15)	0,10	+5	+5	+20	–15	–5	17
Смесь № 1.2 (–20)	0,10	+5	+5	+20	–25	–15	17
Смесь № 2.1 (–15)	0,11	+5	+5	+20	–15	–5	14

Примечание . В/Т – водотвердое отношение; T_cc – температура выдерживания ССС; T_в – температура воды; T_н.у – температура нормальных условий выдерживания образцов; T_{в. мин} – минимальная отрицательная температура выдерживания образцов; T_{в. ср} – средняя отрицательная температура выдерживания образцов.

a)

б)

Рис. 1. Схема испытаний контрольных образцов-призм на растяжение при изгибе (a) и проведение испытаний в прессе (б)

туры 5 °С (прочность размороженных образцов). Оставшиеся три образца из серии испытывались через двадцать восемь суток твердения в нормальных условиях.

Серия № 3 - образцы для имитации укладки «холодной» бетонной смеси в замороженный стык. Образцы-половинки выдерживались перед укладкой при минимальной отрицательной температуре укладки смеси в морозильной камере. Затем выполнялась укладка бетонной смеси во вторую половину формы и испытание образцов выполнялись по методике, аналогичной образцам серии № 2.

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний серии № 1 эталонных образцов-призм на растяжение при изгибе, эталонных образцов-половинок при сжатии, твердевших в нормальных условиях, представлены на рис. 2 и 3 соответственно.

Результаты испытаний серии № 2 и № 3 образцов-призм на растяжение при изгибе, твердевших при отрицательных температурах, представлены на рис. 4 и 5 соответственно.

Результаты испытаний серии № 2 и № 3 образцов-половинок при сжатии, твердевших при отрицательных температурах, представлены на рис. 6 и 7 соответственно.

Обобщая полученные экспериментальные результаты, можно сделать следующие выводы и выявить определенные закономерности.

• 1.    Прочность сцепления швов эталонных образцов, твердевших в нормальных условиях, при изгибе качественно и количественно зависит от возраста образцов и соответствующей прочности при сжатии. С увеличением возраста (и прочности при сжатии) эталонных образцов характер разру-

• шения изменяется с адгезионного, адгезионнокогезионного до выраженного когезионного с разрушением по «старому» бетону. Это свидетельствует о достаточной надежности стыкового соединения, так как его прочность в проектном возрасте превосходит прочность сборного элемента, обеспечивая неразрезность (монолитность) всего соединения. Средняя прочность сцепления стыка в проектном возрасте при изгибе составила 3,04…3,97 МПа, при этом не менее 63 % прочности достигается уже в первые сутки твердения. Средняя прочность бетона в проектном возрасте при сжатии составила 57,6…63,9 МПа, при этом не менее 51 % прочности достигается в первые сутки твердения.

• 2.    Как и в предыдущих исследованиях при замораживании [13], не смотря на наличие проти-воморозных добавок, в результате фазового перехода несвязанной воды в лед, происходит увеличение прочности образцов в раннем возрасте при сжатии (до 53 % – при предварительном прогреве стыка; до 31 % – без предварительного прогрева стыка) и прочности сцепления швов до 179 % – при предварительном прогреве стыка; до 146 % – без предварительного прогрева стыка с последующим их снижением, вплоть до полной потери прочности при размораживании.

• 3.    Предварительный прогрев «старого» бетона в стыке (образцы серии № 2) благоприятно влияет на динамику последующего набора прочности стыка. Замороженные образцы после оттаивания в раннем возрасте показали незначительное снижение прочности при сжатии 19…39 % и сцепления швов при изгибе 29…89 % с когезионным разрушением образцов по «новому» бетону. В результате последующего твердения образцов в нормальных условиях происходит добор прочно-

  

  Рис. 2. Прочность сцепления бетонного стыка на растяжение при изгибе эталонных образцов-призм, твердевших в н.у. (серия № 1): над чертой указана прочность в МПа; под чертой - прочность в процентах от прочности в возрасте 28 суток; значения в скобках указывают на характер разрушения образцов: 1 - когезионный по «старому» бетону; 2 - адгезионно-когезионный; 3 - преимущественно адгезионный

  
  
  

  Рис. 3. Прочность «нового» бетона при сжатии эталонных образцов-половинок, твердевших при н.у. (серия № 1)

  
  

сти бетона до проектных значений при сжатии 85…103 % и незначительный недобор проектной прочности сцепления швов при изгибе 93…95 % с когезионным характером разрушения образцов по «старому» бетону. Основной причиной благоприятного влияния предварительного прогрева «старого» бетона на прочность сцепления швов следует признать интенсивный массоперенос свободной влаги, насыщенной минералами цементного вяжущего и продуктами его гидратации, в стыке без образования ледяной корки на границе слоев бетона. Дополнительной причиной является достижение прочности бетона при сжатии не менее критической. Так, величина прочности бетона при сжа- тии после оттаивания составила 10,7…22,3 МПа, что превосходит значение критической прочности равной 8 МПа (20 % от R28), по данным [27], подтвержденным в [13].

• 4    «Холодное» бетонирование без предварительного прогрева «старого» бетона отрицательно влияет на прочность стыка. Замороженные образцы после оттаивания в раннем возрасте показали незначительное снижение прочности при сжатии 13…27 %, что в среднем меньше величины критической прочности и полную потерю сцепления швов при изгибе 0…1 % с адгезионным и смешенным (адгезионно-когезионным) характером разрушения образцов. В результате

  

  Рис. 4. Влияние замораживания на прочность сцепления бетонного стыка на растяжение при изгибе образцов в различных условиях (серия № 2):

  над чертой указана прочность в МПа; под чертой – прочность в процентах от соответствующей прочности эталонных образцов, твердевших при н.у. 28 суток; значения в скобках указывают на характер разрушения образцов: 1 – когезионный по «старому» бетону; 2 – адгезионно-когезионный;

  3 – преимущественно адгезионный; 4 – когезионный по «новому» бетону

  
  
  

  Рис. 5. Влияние замораживания на прочность сцепления бетонного стыка на растяжение при изгибе образцов в различных условиях (серия № 3): образцы со знаком «*» разрушились при минимальном приложении нагрузки; значения в скобках указывают на характер разрушения образцов: 1 – когезионный по «старому» бетону; 2 – адгезионно-когезионный; 3 – преимущественно адгезионный; 4 – когезионный по «новому» бетону

  
  

последующего твердения образцов в нормальных условиях происходит недобор прочности бетона при сжатии до 77…83 % проектной величины. Для состава № 1 характерен существенный недобор проектной прочности сцепления швов при изгибе до 4…20 % проектных значений с преимущественно адгезионным характером разрушения образцов. Для состава № 2 характерен набор прочности сцепления в стыке, превышающий проектное значение на 7 %, со смешенным адге зионно-когезионным характером разрушения образцов. Существенное различие в результатах прочности сцепления швов для составов № 1 и состава № 2 можно объяснить наличием в составе № 2 армирующего микроволокна полимерного состава, который существенно повышает прочность бетона на растяжение при изгибе, несмотря на дефицит прочности бетонной (растворной) матрицы при сжатии после оттаивания и последующего твердения в нормальных условиях.

Режим выдерживания образцов

Рис. 6. Влияние замораживания на прочность бетона заделки стыка («новый» бетон) образцов-половинок при сжатии (серия № 2)

Режим выдерживания образцов

Рис. 7. Влияние замораживания на прочность бетона заделки стыка («новый» бетон) образцов-половинок при сжатии (серия № 3)

Заключение

В результате экспериментального исследования были выявлены качественные и количественные зависимости влияния замораживания на прочность сцепления в швах при изгибе. Подтверждается существенное влияние градиента тепло- и массопереноса на границе «старого» и «нового» бетона в стыке на прочность сцепления стыка. Показана эффективность предварительного прогрева «старого» бетона для обеспечения однородности стыка при зимнем бетонировании. Раннее замораживание «холодного» бетона (при прочности ниже критической) ограничивает применение «холодных» бетонов в технологии зимнего беспрогревно-го бетонирования ответственных стыков, работающих на растяжение при изгибе и срез, а также в сборно-монолитных конструкциях. Для устранения этого ограничения предлагается применение дисперсно-армированных «холодных» бетонов, повышение начальной температуры укладки бетонной смеси при соответствующем обосновании и внедрение автоматизированных систем температурно-прочностного мониторинга бетона в стыках [28].