Энергоэффективность технологии бетонных работ

Энергоемкость процесса возведения здания зависит не только от уровня строительных технологий, но и в решающей мере от климатических условий региона, где ведется строительство. В регионах с низкими температурами наиболее энергоемким процессом при строительстве в зимний период являются бетонные работы.

Методы зимнего бетонирования разработаны и совершенствуются в направлении обеспечения твердения обычных цементных бетонов в условиях отрицательных температур наружного воздуха, при которых без специальных мероприятий замедляется или полностью прекращается процесс твердения бетона. Эти методы можно условно поделить на три группы.

• 1. Сохранение за счет теплоизоляции ограждающей конструкции тепла, введенного в бетон при приготовлении бетонной смеси или ее дополнительном подогреве до укладки в конструкцию, и экзотермического тепла, выделяемого цементом в процессе твердения бетона. При этом тепловой режим зависит от следующих основных факторов: размеров и формы (массивности) конструкции, тепловой изоляции, экзо- термии цемента, температуры бетона при его укладке, воздействий внешней среды (температуры наружного воздуха, скорости ветра). Метод, названный «методом термоса», рекомендуется к применению при бетонировании массивных конструкций в случаях, когда к бетону предъявляются повышенные требования по морозостойкости, водонепроницаемости, трещиностойкости. Это наиболее простой и экономичный метод получения требуемой прочности бетона.
• 2. Методы, основанные на введении противоморозных химических добавок, понижающих температуру замерзания жидкой фазы и обеспечивающих твердение бетона при отрицательных температурах (безобогревные методы).
• 3. Группа, объединяющая различные методы обогрева бетона.

В зависимости от параметров строительной площадки, возможностей производителя работ, требуемых темпов бетонирования и других условий могут применяться как отдельные, так и комбинированные методы. В аспекте энергосбережения и реализации потенциала энергосбережения наибольший интерес представляет совершенствование методов обогрева бетона как наиболее энергоемкого процесса.

Обязательным условием зимнего бетонирования и способом ускорения твердения бетона монолитных конструкций является его электротермическая обработка. В зависимости от способа прогрева бетона удельный расход электроэнергии составляет от 80-90 кВт ч/м³ (прогрев стальной изолированной греющей проволокой) до 200-250 кВтч/м³ (электродный прогрев). При этом время достижения распалубочной прочности бетона, например, 70 % от проектной прочности, составляет двое-трое суток. Важно иметь в виду, что все существующие методы ускорения твердения бетона, основанные на внесении в него тепла в процессе выдерживания, приводят к ухудшению его качества - снижению прочности примерно на 20 % по отношению к прочности бетона нормального твердения, а также к повышению водопроницаемости бетона, ухудшению его морозостойкости.

Выбор режима прогрева бетона приходится делать с учетом двух противоположных факторов: с одной стороны, сокращение длительности прогрева для обеспечения современных высоких темпов строительства и снижения энергоемкости процесса, с другой - обеспечения высокого качества конечного продукта - бетона.

Поскольку длительное твердение бетона при низких температурах стало несовместимым с современными темпами строительства, то сокращение времени набора бетоном нужной прочности стало актуальнейшей задачей. К тому же производство 1 м³ бетона в зимних условиях на 40-50 % дороже, чем в летних. «Обеспечение высоких темпов строительства, повышение качества и снижение себестоимости выполнения бетонных работ в зимних условиях потребовало от строителей совершенствования старых методов зимнего бетонирования и разработки новых, с более высокими экономическими показателями» [10].

Процесс изготовления сборных железобетонных изделий и бетонирования монолитных конструкций весьма длителен, трудоемок и дорог. В производстве сборного и монолитного бетона наиболее длительным технологическим процессом является выдерживание отформованных конструкций. Его продолжительность при нормальной температуре лежит в пределах 7-28 суток (в зависимости от требуемой прочности) и резко возрастает при снижении температуры (рис. 5.11) [10].

Рис. 5.11. Кинетика роста прочности свежеизготовленного бетона (R) в течение 28 суток твердения при температурах от +20 до - 20 °С (% от R.28): 1 - тяжелый бетон, 2 -легкий бетон

Для снижения энергоемкости процесса используют два пути:

• а) снижают требования к температуре смеси при сохранении высокой скорости отверждения и обеспечении необходимой прочности бетона;
• б) повышают эффективность процесса электронагрева. Основными приемами при движении по первому пути являются:
  • • активация воды затворения электрофизическими методами: омагничивание, обработка ионизирующим излучением, обработка ультразвуком;
  • • механическая активация цементного теста, цементного раствора и бетонной смеси с помощью вибродомола цемента, виброперемешивания смеси ит. п.;
  • • использование специальных добавок;
  • • комплексное воздействие на бетонную смесь непосредственно перед укладкой в форму или опалубку таких факторов, как электроразогрев в непрерывном режиме, вибрация, избыточное давление, обработка паром. Этот технологический прием назван «термовиброобработка бетонной смеси» (ТВОБС). Активированная таким образом смесь укладывается, уплотняется, укрывается пленкой, теплоизоляцией и выдерживается по методу термоса или активного термоса.

Активация бетонной смеси в установках ТВОБС позволяет обеспечить:

• • ускоренный набор прочности бетона;
• • улучшение качества бетона по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и сцеплению с арматурой;
• • исключение безвозвратной потери электродов, греющих проводов и т. и.;
• • сокращение трудозатрат;
• • повышение технологической надежности за счет сведения к минимуму негативного влияния случайных факторов (например, отключение электроэнергии) на процесс выдерживания бетона.

Для обеспечения энергосбережения важно, что технология ТВОБС требует минимума энергозатрат - до 50 кВт ч/м³, хотя требования по мощности источника электропитания и в этом случае остаются достаточно высокими. Например, на обработку 30-60 м³ бетона за смену требуется источник мощностью 250-500 кВт.

Для реализации второго пути сокращения энергозатрат также разработано несколько способов, к которым кроме энергоэффективности предъявляется общее требование - электротермическая обработка бетона (ЭТО) должна осуществляться так, чтобы исключить или свести к минимуму возможность развития в нем деструктивных процессов и обеспечить формирование благоприятного термонапряженного состояния конструкции. Режим ЭТО выбирают с учетом вида и активности цемента, состояния бетона, типа прогреваемой конструкции, тепла, выделяемого в бетоне при твердении цемента, и др.

В зависимости от ряда внешних факторов и примененного способа ЭТО прогрев производится в различных режимах. Наиболее приемлемым можно считать следующий (мягкий) режим прогрева бетона

• (цифры - длительность в часах):
• • разогрев....................................................................................10-12;
• • изотермический прогрев при температуре 55-60 °С..........10-15;
• • остывание (для массивных конструкций)............................20-30;
• • всего.........................................................................................40-60;

Указанный режим обеспечивает достижение не менее 50 % прочности от установленной марки бетона к концу срока в 28 суток. Рекомендуется применять его при прогреве монолитных конструкций.

Еще одним способом сокращения энергопотребления при выполнении бетонных работ и, соответственно, мощности источника электропитания, является внесение в него 50-80 % тепла от требуемого количества на заводе-поставщике товарного бетона. Остальное тепло вносится на строительной площадке при разогреве бетонной смеси перед ее укладкой в опалубку или в процессе термоактивного выдерживания бетона (метод активного термоса). Это позволяет примерно в два раза уменьшить электрическую мощность, требуемую для разогрева на строительной площадке. Этот вариант предусматривает раздельное приготовление бетонной смеси. На заводе до 70-80 °С разогревается бесцементная смесь с соответствующими добавками и доставляется на строительную площадку. Там в разогретую смесь вводится активированный цемент, после чего бетонная смесь проектного состава укладывается, уплотняется, укрывается и выдерживается по методу термоса (или активного термоса). Путем введения в бесцементную смесь электропроводных и водоудерживающих добавок обеспечивается ее удельное сопротивление в пределах 3-9 Ом-м, что позволяет осуществлять электроразогрев смеси пропусканием через нее электрического тока. Предлагаемая технология приготовления и разогрева бетонной смеси исключает необходимость существенного увеличения электрической мощности на строительной площадке. При этом сохраняются достоинства использования активированных смесей [88].

Наиболее освоенный метод прогрева - электрический - осуществляется пропусканием электрического тока непосредственно через бетон (электродный метод) или при помощи нагревательных устройств, от которых тепло подводится к бетону благодаря теплообмену - радиационному, кондуктивному или конвективному. В сравнении с другими методами термообработки этот метод характеризуется большей энергоэффективностью и более равномерным распределением температурного поля.

В последние годы началось освоение новых электрофизических методов обработки, выбор которых зависит от многих факторов, в том числе от конфигурации, характера армирования, назначения конструкции и др. К ним относятся:

• • инфракрасный нагрев в технологии бетонных работ;
• • индукционный прогрев монолитных железобетонных каркасных конструкций;
• • электроразогрев бетонной смеси за 10-15 мин до 70-90 °С перед ее укладкой и уплотнением. Тепло вносится электрическим током промышленной частоты при напряжении 380 В;
• • прогрев бетона греющими изолированными проводами.

Эти методы обеспечивают получение бетона с заданными физико- механическими свойствами, лишь немногим уступающим по свойствам бетонам, твердеющим в естественных условиях. Однако они требуют от инженерно-технических работников знаний электрофизических и теплофизических процессов, протекающих в бетоне, и высокой технической культуры обслуживания.

При строительстве каркасных зданий легкого типа энергозатраты и стоимость строительных работ в целом могут быть снижены за счет применения в качестве фундамента монолитной железобетонной плиты толщиной 15-20 см с утолщением по краям в виде контурных ребер. Экономия обеспечивается:

• • сокращением опалубочных, арматурных и земляных работ;
• • сокращением расхода бетона, трудоемкости и сроков производства работ нулевого цикла;
• • более полным использованием несущей способности грунтов.

Повышенные теплопотери при контакте плиты с верхними промерзающими слоями основания могут быть сокращены теплоизоляцией по периметру фундамента.

Вопросы и задания

• 1. Основные пути к энергосбережению в градостроительстве.
• 2. Состояние жилищного фонда России в аспекте энергоэффективности.
• 3. От каких факторов зависит удельный расход тепловой и электрической энергии в зданиях?

• 4. Принципы, которых следует придерживаться при проектировании и строительстве зданий для обеспечения комфорта и энергоэффективности.
• 5. Способы повышения энергоэффективности технологии бетонных работ.
• 6. Влияние архитектурно-планированных решений на энергоэффективность зданий.
• 7. Основные способы теплозащиты зданий на стадиях строительства.
• 8. Окна как элемент ограждающей конструкции здания.
• 9. Повышение теплозащиты зданий как результат их реконструкции.