Массивные строительные элементы из бетона

Массивными строительными элементами из бетона называют детали и строительные элементы, минимальный размер которых составляет 0,80 м. Для определения размеров, конструкции, техники бетонирования и исполнения действуют стандарты DIN 1045 и DIN EN 206-1.

На раннем этапе процесса затвердевания ядро массивных элементов из бетона твердеет практически в адиабатических условиях, то есть почти без теплообмена, так как теплота гидратации, образующаяся в поперечном сечении элемента, явно превышает возможную отдачу тепла через его поверхность. Связанное с этим процессом изменение объема может быть причиной возникновения наружного и внутреннего давления, приводящего в свою очередь к бесконтрольному образованию трещин.
Для того чтобы гарантировать пригодность бетонных элементов к использованию и их долговечность в этих предельных условиях, необходимо предпринимать дополнительные меры. Директива Немецкого комитета по железобетону «Массивные строительные элементы из бетона» допускает для этих мер наличие отклонений от норм DIN 1045 и DIN EN 206-1 и дополнений к ним.

Таблица 1: Необходимое количество цемента и удельная теплота гидратации для адиабатического повышения температуры на 1 К

1. Температура бетона и давление

1.1 Теплота гидратации и температура строительного элемента
В процессе твердения бетона выделяется теплота гидратации. Средняя температура строительного элемента повышается до тех пор, пока тепло, образующееся в результате гидратации, будет выше тепла, выделяемого поверхностью бетона, за одинаковый промежуток времени.
Не учитываю теплоотдачу, благодаря выделяемой теплоте гидратации до момента времени t согласно следующему уравнению образуется адиабатическое повышение
температуры ΔTH(t):

где: z = количество цемента в бетоне [кг/м³]
ΔQH(t) =теплота гидратации в момент времени t [кДж/кг]
с = удельная теплота бетона [кДж/(кг•К)]
p = плотность бетона [кг/м³]

Если плотность обычного бетона составляет 2350 кг/м³, а удельная теплота равна 1 кДж/(кг • К), то в адиабатическом случае температура строительного элемента повышается на 1 К, если на количество цемента в соответствии с таблицей 2 выделяется соответствующее количество теплоты гидратации.

Рис. 1: Водохранилищная плотина на передовом этапе строительства

Измерение теплоты гидратации QH, представленной на рис. 2, для различных марок цемента проводилось в адиабатических условиях. На ординате указаны приблизительные значения изменения температуры ДТн для обычного бетона с содержанием цемента 300 кг/м³ в адиабатических условиях.

Рис. 2: Теплота гидратации при использовании различных марок цемента в адиабатических условиях (изменение температуры в отношении z = 300 кг/м3)

Для расчета начального изменения температуры в сооружении в соответствии с уравнением 1 необходимо использовать значение теплоты гидратации, измеренное в соответствующий момент времени. Значение теплоты гидратации, определенное в адиабатических условиях, согласно таблице 2 находятся ниже значений, полученных при постоянной температуре (20 °C). Для цемента с высокой начальной прочностью через 7 дней теплота гидратации, полученная в изотермических условиях, составляет ок. 90 % теплоты, полученной в адиабатических условиях. Для шлакопортландцемента с низкой теплотой гидратации соотношение составляет ок. 75 %.
В ядре строительного элемента из бетона, имеющего большие размеры, устанавливаются почти адиабатические условия. Как правило, выделение тепла происходит в частично адиабатических условиях.
Если не существует экспериментальных данных о выделении тепла и во внимание принимаются ориентировочные значения теплоты гидратации цемента, приведенные в таблице 2, то в адиабатическом случае можно быстро определить ориентировочное ожидаемое максимальное увеличение температуры строительного элемента в процессе гидратации.

Если, например, в бетоне используется цемент марки CEM III/B 32,5 N в количестве 240 кг/м³, то в ядре массивного строительного элемента при температуре свежеуложенной бетонной смеси 15 °С после первого дня ожидается повышение температуры от 6 до 18 К.

Таблица 2: Ориентировочные значения теплоты гидратации немецких марок цемента, определенные методом растворения согласно DIN EN 196-8

Решающим для повышения температуры строительного элемента в процессе гидратации в соответствии с уравнением (1) являются количество цемента и удельная теплота гидратации. Удельная теплота гидратации определяется маркой цемента и температурой свежеуложенной бетонной смеси. Чем выше температура бетонной смеси, тем выше будет теплота гидратации, выделяемая за единицу времени. Если в нормальных условиях (температура свежеуложенной бетонной смеси ок. 15 °С) температура свежего бетона повышается на 1 К, то теплота гидратации, дополнительно выделяемая через 3 дня, соответствует 6-14 кг/м3 цемента.

1.2 Изменения температуры в строительном элементе

Если температура строительного элемента превышает температуру окружающей среды, то в окружающую среду в соответствии с правилами теплопроводности выделяется тепло. Температура строительного элемента повышается до тех пор, пока теплота гидратации, выделяемая за единицу времени, превышает количество тепла, выделяемого в окружающую среду. Если количество тепла, выделяемое в окружающую среду, будет выше, то температура строительного элемента понизится.
Температуру строительного элемента можно рассчитать по временным интервалам с помощью уравнения (2).

где: Tb,i+1 = температура строительного элемента в конце временного интервала Δti
TbI = температура строительного элемента в начале временного интервала Δti
TL,I = температура воздуха в начале
временного интервала Ati
TL,i+1 = температура воздуха в конце временного интервала Δti
ΔТH,i = теплота гидратации, выделяемая за временной интервал
m = коэффициент охлаждения [1/ч]

где: U= коэффициент теплопередачи[кДж/(м2-h-K)]
A = поверхность строительного элемента [м2]
с = удельное тепло бетона [кДж/(кг-К)]
р = плотность бетона [кг/м ]
V = объем строительного элемента [м3]

Если известна средняя температура строительного элемента, то разность
температур между ядром элемента и покраями можно определить с помощью числа
Био Bi

где: d = толщина строительного элемента [м]
λ = коэффициент теплопроводности бетона [кДж/(м•h•К)]
Температура ядра и краев строительного элемента соотносятся в соответствии с уравнением (5)

где: TK = температура в ядре строительного элемента
TR = температура по краям строительного элемента [TL = температура воздуха Точность оценки температуры определяется, прежде всего, с помощью точного установления теплоты гидратации AT^i и коэффициента охлаждения m. Выделение теплоты, образуемой в результате гидратации цемента, можно узнать у соответствующего завода-поставщика или определить с помощью аппроксимации.

Коэффициент охлаждения m вычисляется, прежде всего, с помощью коэффициента теплопередачи U и может быть определен с помощью рис. 3 в зависимости от изоляции поверхности строительного элемента и возникающей на ней скорости ветра.
На изменение и высоту температуры, возникающей в строительном элементе из бетона на ранних стадиях оказывает влияние, прежде всего, марка цемента, его количество, опалубка, геометрия строительного элемента, температура свежеуложенной бетонной смеси и температура воздуха. На рис. 4 представлен обзор влияния данных параметров на температуру (среднюю температуру) бетонной стены.

Рис. 3: Теплопередача и коэффициент теплопередачи U в зависимости от изоляции поверхности строительного элемента и скорости ветра

Рис. 4: Влияние различных параметров на высоту и изменение температуры в массивных строительных элементах из бетона

1.3 Развитие механических свойств свежего бетона

При планировании несущих конструкций бетонных сооружений исходят из того, что параметры бетона, лежащие в основе определения размеров конструкции,
достигаются в течение 28 дней. В основном это зависит от состава бетонной смеси и от условий твердения.
Для массивных строительных элементов директива допускает определение развития механических свойств после 28 дней. Для этого удобно использовать цемент с низкой теплотой гидратации и бетон с низким нарастанием прочности и определять механические свойства через 56 или даже 91 день после укладки бетонной смеси.
Независимо от возраста бетона, в котором проводятся испытания, экспоненциально развивается прочность при сжатии, прочность при центральном растяжении и модуль упругости в зависимости от времени, даже при большом возрасте бетона. Если строительный элемент имеет температуру, явно отличающуюся от температуры в 20 °C, и это становится обычным случае, то развитие свойств бетона можно определить с помощью функции зрелости.
Кроме этого необходимо обратить внимание на тот факт, что в первые дни относительный статический модуль упругости развивается быстрее, чем относительная прочность при сжатии и растяжении.

Растяжение при разрыве

При кратковременном испытании растяжение при разрыве свежего бетона в начальной фазе составляет 0,04 % и достигает через три дня ок. 0,1 % (см. рис. 5). При долговременном испытании растяжение при разрыве из-за сравнительно высокой ползучести свежего бетона немного выше.

Деформация ползучести и релаксация напряжений

При нагрузке бетона вследствие ползучести непрерывно увеличивается деформация, вызванная напряжениями. С другой стороны напряжение, вызываемое деформацией, частично ослабляется путем релаксации. В свежем бетоне деформация, вызванная напряжением и напряжение, вызванное деформацией, могут быть практически полностью уменьшены. Чем моложе бетон, тем быстрее происходит снижение. Вследствие этого во время твердения бетона увеличиваются ползучесть и релаксация. Эти свойства жесткого бетона исследованы достаточно, в то время как для свежего бетона существует лишь несколько измерений. На сегодняшний день можно лишь примерно описать ползучесть и релаксация свежего бетона.

Рис. 5: Растяжение при разрыве свежего бетона при кратковременном испытании на центральное растяжение

1.4 Давление и опасность образования трещин

Если при изменении объема, зависящего от нагрузки, в свежем монолитном бетоне возникают ограничения, то вызванное этим растягивающее напряжение может превышать актуальную прочность при растяжении и привести к образованию трещин. Для того чтобы избежать возникновения трещин в свежем бетоне, необходимо:
• уменьшить ограничения при изменении объема,
• сократить изменения объема, зависящие от нагрузки и
• ускорить развитие центрального растяжения

Внешнее давление

Внешнее давление, зависящее от нагрузки, возникает в массивных строительных элементах из-за выделяющейся теплоты гидратации при образовании связанных с этим ограничений. Решающим параметром влияния является ограничение деформации (например, прочно заделанный строительный элемент, стена на каменной плите пола, стена на фундаменте, каменная плита пола на основании), которое только в редких случаях составляет 100 %. В целом ограничение значительно ниже (например, в стене на фундаменте ок. 50 %). Сквозная трещина образуется тогда, когда ограниченное растяжение составляет от 0,1 до 0,14 %.
Возникновение трещин из-за внешнего давления в строительном элементе является очень сложным процессом, так как увеличение давления и механические свойства бетона протекают одновременно, но, как правило, с различной скоростью. Эти сложные процессы хорошо представлены с помощью испытания на разрыв, при котором моделируется полностью деформированная стена (см. также рис. 6).
При полном ограничении растяжений с разницей температур ок. 10 К и выше в бетоне возникают трещины. Если деформация составляет 50 - 90 %, а в настоящее время при внешнем давлении исходят из этих значений, при разнице температур свыше 12 - 20 К неизбежно образуются первые трещины.

Внутреннее давление

Внутреннее давление, оказываемое выделяемой теплотой гидратации, образуется из-за разницы температур между ядром и краями строительного элемента из бетона, а также из-за трещин на поверхности элемента в результате высыхания. Чем выше теплота,
выделяемая в единицу времени, тем выше разница температур. При внутреннем давлении деформация всегда составляет 100 %.
Если в окружающих условиях (например, из- за снятия опалубки) не возникает изменений, то при максимальной температуре строительного элемента возникает большая разница между температурой его ядра и краев. Деформация и напряжения, образуемые в результате разности температур между ядром и краями, частично уменьшаются до достижения в строительном элементе максимальной температуры
вследствие релаксации. То есть следует проводить различия между измеримой и служащей причиной образования давления (эффективной) разницей температур между ядром и краями элемента.
При преждевременной распалубке и неожиданном охлаждении (например, ливень, вторжение холодного воздуха) или при наличии дефектов, возникших при изготовлении, (например, недостаточное выдерживание на ранней стадии твердения) образуются напряжение при растяжении и насечки на поверхности строительного элемента.

Рис. 6: Температурная характеристика и характеристика напряжения в свежем бетоне при полном ограничении деформации (толщина стены на каменной плите пола 50 см)

2. Меры по ограничению опасности возникновения трещин

2.1 Выбор цемента

Для производства массивного бетона необходимо использовать цемент класса прочности 22,5, 32,5 или 42,5. Для этого наиболее подходит низкотермичный цемент (обозначается буквами LH), при гидратации которого через 7 дней максимальное выделяемое количество тепла составляет 270 Дж/г, или цемент с очень низкой теплотой гидратации (обозначается буквами VLH), выделяющий через 7 дней тепло в количестве 220 Дж/г. Эти требования выполняют шлакопортландцементы (CEM III), использование которых при производстве массивного бетона подтверждается многочисленными эмпирическими данными. Основными составляющими шлакопортландцемента являются портландцементный клинкер (5 - 64 %) и гранулированный доменный шлак (36 - 95 %).
Чем ниже содержание в цементе портландцементного клинкера, тем меньше тепла выделяется при гидратации цемента и тем ниже его ранняя прочность. Соответственно необходимо увеличить сроки снятия опалубки и продолжительность выдерживания. При непрерывном продвижении строительных работ целесообразным будет использование
цемента CEM III/B 42,5 N (LH). Этот цемент объединяет в себе хорошую прочность с благоприятным выделением тепла при гидратации.
Во всех случаях, при выборе цемента для строительства массивных элементов из бетона в соответствии с классами экспозиции необходимо учитывать данные таблиц F3.1 - F3.3 стандарта DIN 1045-2.

2.2 Количество цемента

Чем ниже содержание цемента в бетоне, тем меньше тепла выделяется при его гидратации. Низкое содержание цемента достигается путем соответствующего состава бетонной смеси, в частности, путем оптимизации кривой гранулометрического состава (состав зернистого заполнителя) и ограниченного использования цемента при применении летучей золы.
Благодаря оптимизации кривой гранулометрического состава при неизменном содержании цемента достигается более высокая прочность и плотная структура бетона или при одинаковой прочности и плотности структуры соответственно снижается содержание цемента. При соответствующей густоте армирования необходимо выбирать максимально
возможные крупные фракции зерна. Выгодным является применение дифференцированных фракций зернового состава, допускающих образование кривой гранулометрического состава, приближенной к идеальной. Дополнительно для повышения плотности структуры может использоваться мелкий кварцевый песок и известняковая мука.
Частичная замена цемента летучей золой способствует снижению количество тепла, выделяемого при гидратации цемента в бетоне, или замедлению этого процесса. Так как количество тепла, выделяемое при гидратации цемента, и нарастание прочности в бетоне взаимосвязаны, то при частичной замене цемента летучей золой определение прочности должно проводиться не через 28 дней, а лишь через 56 или 91 день.
При определении количества цемента необходимо учитывать максимальные значения по содержанию цемента, представленные в таблицах F.2.1 и F.2.2 в директиве «Массивные строительные элементы из бетона» [1]. В таблицах представлены также требования к водоцементному отношению в зависимости от класса экспозиции.

2.3 Температура свежеприготовленной бетонной смеси

Так как повышающаяся температура свежеприготовленной бетонной смеси увеличивает количество теплоты, выделяемое при гидратации цемента за единицу времени, для массивного бетона действует следующее правило: чем ниже температура свежеприготовленной бетонной смеси, тем ниже температурный максимум бетона.
Рекомендуемая температура составляет 20 °C. Низкая температура свежеприготовленной бетонной смеси оказывает положительное влияние на удобоукладываемость, действие добавок и конечную прочность. Необходимо обратить внимание на минимальную температуру бетона при опасности повреждения морозами.

Достичь низкой температуры свежеприготовленной бетонной смеси при высокой температуре окружающей среды можно лишь с помощью специальных мер. Уже в тендерном предложении необходимо обратить внимание на дополнительные услуги такого характера.
Простым и эффективным способом является охлаждение воды затворения и защита зернистого заполнителя от воздействия солнечных лучей в процессе его хранения. При снижении температуры путем испарения крупный зернистый заполнитель может охлаждаться с помощью обрызгивания водой. При снижении температуры зернистого заполнителя на 10 К температура свежеприготовленной бетонной смеси уменьшается на 7 К, а при снижении температуры воды затворения на 10 К температура свежеприготовленной бетонной смеси уменьшается на 2 К, при условии, что температура остальных компонентов бетонной смеси остается постоянной. Значительно более трудоемким, но в то же время более эффективным является охлаждение бетона с помощью чешуйчатого льда (в качестве замены охлаждения воды затворения, является экономически выгодным при охлаждении бетонной смеси в количестве от 100 000 м) или с помощью жидкого азота.
Кроме этого, благоприятными являются небольшое время смешивания и короткие сроки транспортировки бетона, а также светлые бетоносмесители, поглощающие меньшее количество солнечного тепла.

2.4 Выдерживание бетона

В отношении выдерживания бетона, используемого для изготовления массивных строительных элементов, действуют технические характеристики согласно DIN 1045-3. Решающее значение при выдерживании бетона имеет набор прочности, выраженный соотношением предела прочности при сжатии после 2 дней и предела прочности при сжатии в момент определения прочности (через 28, 56 или 91 день).
В целом по возможности необходимо ограничить как максимальную температуру строительного элемента, так и эффективную разность температур на его поверхности. Если минимальный размер строительного элемента превышает 0,80 м, то избежать адиабатического повышения температуры в ядре строительного элемента практически не возможно, в особенности, если ограничение эффективной разности температур на поверхности элемента (пленка, теплоизолирующий материал и др.) препятствует общему выделению тепла через его поверхность. В данном случае может помочь только отвод тепла через внутреннее охлаждение трубы.
При использовании теплоизолирующих матов для ограничения эффективной разности температур на поверхности строительного элемента необходимо обратить внимание на то, что в фазе охлаждения маты нужно снимать, чтобы избежать неожиданного перепада температур в уже отвердевшем бетоне.3

3. Конструктивные меры по ограничению ширины трещин

3.1 Предотвращение образования трещин

Эффективные меры по предотвращению образования трещин заключаются в ограничении внешнего и внутреннего давления.

3.2 Ограничение ширины трещин

Для строительства прочных и пригодных к эксплуатации сооружений необходимо ограничить образование трещин в массивных строительных элементах. Согласно DIN 1045¬1, пункт 11.2.2 для восприятия давления и внутреннего напряжения необходимо расположить арматуру, ограничивающую ширину трещин. При этом определение размеров арматуры осуществляется для той комбинации внутренних усилий, которая приводит к первоначальному образованию трещин.

Рис. 7: Укладка бетона в фундамент для доменной печи	Рис. 8: Укладка бетона в районе верхней головы двойного шлюза

Для водонепроницаемых массивных строительных элементов необходимо учитывать требования директивы. В то время как в строительных элементах обычного размера при ограничении ширины трещин часто прибегают к упрощенной методике вычислений, для массивных элементов рекомендуется использовать более точные расчеты по содержанию арматуры, оправданному с экономической точки зрения. При этом необходимо очень точно придерживаться предельных условий, а именно:
• вид и величина ограничения деформации,
• точная интенсивность выделение тепла,
• временное и пространственное повышение температуры во время подогревания и охлаждения, а также
• характеристики бетона, отвечающие
современным требованиям (предел прочности при растяжении, модуль эластичности, ползучесть, релаксация, усадка, температурный коэффициент расширения).
Если, например, можно определить время образования первых трещин, а затем эффективный предел прочности при растяжении, то этот параметр может лежать в основе измерения ширины трещин ограничивающего армирования.
Необходимо удостовериться, что расчеты соответствуют свойствам используемых исходных веществ и бетона, а также условиям стройки.

3.3 Минимальное армирование

В концепции безопасности стандарта DIN 1045-1 в предельном состоянии несущей способности предусмотрено предварительное информирование о дефектах путем пластичной деформации строительного элемента. Это выполняется минимальным армированием в соответствии с DIN 1045-1.

Так как для массивных строительных элементов, используемых в качестве фундамента, и толстых стен из железобетона, подвергаемых давлению грунта, можно гарантировать пластичное поведение строительного элемента путем перемещения напряжения или давления грунта, то в этом случае можно отказаться от использования минимального армирования. Предпосылкой к этому является экспертиза по оценке свойств строительного грунта. Для строительных элементов, подвергаемых воздействию гидростатического давления, отказываться от минимального армирования нельзя.
По причине конструкционных особенностей для строительных элементов из железобетона рекомендуется использовать крестообразную арматуру с поперечным сечением бетона 0,06 %, для водонепроницаемых конструкций - 0,10 %.

4. Особенности производства, укладки и выдерживания бетона

4.1 Однородность исходных веществ

Исходные вещества могут иметь различные свойства, что зависит от особенностей производства. При проведении продолжительных строительных мероприятий следует обратить особое внимание на свойства исходных веществ.

4.2 Давление свежеуложенной бетонной смеси на опалубку

При неблагоприятных условиях (низкая температура свежеуложенной бетонной смеси, высокое содержание добавок, продолжительное время задержки, мягкая консистенция) давление свежеуложенной бетонной смеси на опалубку может быть значительно выше, чем указано в DIN 18218. Перед началом работ по бетонированию необходимо обратить внимание на эмпирические данные.

4.3 Укладка и уплотнение

Различные слои бетонной смеси необходимо укладывать друг на друга тогда, когда еще не произошло схватывания бетона. Слой бетона, на который производится укладка бетонной смеси, должен поддаваться уплотнению, чтобы обеспечить сцепление слоев бетона путем погружения внутреннего вибратора. В случае необходимости бетон должен схватываться медленнее.

Рис. 10: Вид северной камеры двойного шлюза Хоэнварте, высота стены камеры 24,45 м

2 Обеспечение качества

5.1 План обеспечения качества

При изготовлении массивных строительных элементов согласно директиве «Массивные строительные элементы из Рис. 9: Шлюз на стадии строительства бетона» следует обратить особое внимание на план обеспечения качества. В данном плане должны регулироваться и быть прописаны все важные мероприятия по обеспечению качества, а также ответственность при изготовлении бетона и выполнении работ по бетонированию.
Для каждого отдельного строительного элемента объем планирования может быть различным. В зависимости от каждого единичного случая имеют значение следующие положения:
• При производстве бетона и его поставке:
• координация заводов-постащиков
• расположение исходных веществ
• организация и контроль загрузки бункеров
• концепция контроля бетономешалки
• заявка на изготовление бетона, поставка бетона,
• расположение и указание по бетоновозам
• дозировка разжижителей, добавляемых в случае необходимости на строительной площадке
• документация
• При выполнении работ по бетонированию:
• разрешение на отдельные виды работ (опалубка, армирование, уплотнение швов и т.д.)
• концепция бетонирования (марка бетона, последовательность работ по бетонированию, подача бетона, укладка)
• инструкция по бетонированию отдельных участков
• концепция контроля строительной
площадки (приемка бетона, дополнительные испытания свежеуложенной бетонной смеси и - концепция выдерживания бетона, жесткого бетона, изменение регулирования теплового потока температуры в строительном элементе и т.д.)
• документация
Кроме этого следует определить действия при отклонении от заданных предписаний с указанием необходимых мероприятий.

5.2 Проверка соответствия

Для классификации прочности на сжатие могут использоваться характеристическая прочность цилиндрических образцов диаметром 150 мм и высотой 300 мм или характеристическая прочность кубиков с ребром 150 мм после 28, 56 или 61 дня выдерживания.
Для контроля соответствия на прочность при сжатии согласно DIN EN 206-1 при постоянном производстве ежедневно на каждые 600 м³ бетонной поверхности необходимо изготавливать один образец.
Согласно DIN EN 206-1 наряду с определением технических характеристик бетона заданного качества должны быть определены максимальная температура свежей бетонной смеси и допустимое тепловыделение.

5.3 Контроль

Для контроля изготовления массивных строительных элементов действует DIN 1045-3. При использовании товарного бетона заданного качества для проверки предела прочности при сжатии при согласовании с компетентным аккредитованным органом надзора для бетонов класса контроля 2 на каждые 200 м бетона может быть определена одна проба, или минимум 3 пробы на каждую партию бетона и каждый день бетонирования.