Под зимним бетонированием понимают бетонирование при снижении среднесуточной температуры наружного воздуха до +5°С с падениями температуры в течение суток ниже 0°С.
От температурных условий, в которых выдерживают бетон, зависят продолжительность его твердения и конечные свойства. При температуре ниже нуля вода переходит в лед и, как твердое тело, не вступает в физико-химическое взаимодействие с цементом, в результате чего твердение бетона приостанавливается. Одновременно увеличение объема воды при замерзании вызывает в бетоне внутреннее давление, нарушающее структуру неокрепшего бетона. Кроме того, вокруг арматуры и зерен заполнителей образуются ледяные пленки, препятствующие сцеплению с цементным тестом.
Если до замерзания бетон успевает приобрести определенную начальную прочность, то в дальнейшем отрицательная температура наружного воздуха не оказывает существенного влияния на продолжающийся процесс твердения бетона. Минимальная прочность бетона, при которой замораживание для него не опасно, называется критической. Для бетонных и железобетонных ненапрягаемых конструкций критическая прочность составляет: 50% проектной прочности для бетонов марок до 150; 40% — для бетонов марок 200 и 300; 30% — для бетонов марок 400 и 500; для предварительно напряженных конструкций и ответственных железобетонных причальных конструкций верхнего строения — 70%; для конструкций, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию, к которым предъявляются требовании по морозостойкости и водопроницаемости, — 100%.
В зимних условиях приготовление, транспортировка, укладка и выдерживание бетона должны производиться в термовлажностных условиях, обеспечивающих твердение бетона до приобретения им критической или проектной прочности в кратчайшие сроки с наименьшей трудоемкостью.
Для приготовления бетонной смеси в зимних условиях заполнители подогревают до 60°С, а воду — не более чем до 90°С, с тем чтобы температура смеси составляла 35—40°С. Подогретую бетонную смесь перевозят в закрытой, утепленной и прогретой таре. Места перевалки смеси защищают от ветра, а средства подачи бетонной смеси в опалубку утепляют.
Перед укладкой бетона отогревают грунт основания, опалубку и арматуру очищают от снега и наледи, при отрицательной температуре ниже 10°С арматуру большого диаметра предварительно отогревают до положительной температуры. Укладывать бетон следует непрерывно, с интенсивностью, обеспечивающей перекрытие ранее уложенного слоя бетона до того, как его температура понизится ниже допускаемого предела.
Существует много методов выдерживания бетона в зимних условиях: безобогревный — с использованием начального теплосодержания бетонной смеси и тепловыделения цемента, сопровождающего твердение бетона (методы термоса, термоса с противоморозными добавками, предварительного электроподогрева смеси); искусственного подогрева бетона, уложенного в конструкцию (методы электроиндукционный, инфракрасным излучением, контактный, паро- и воздухопрогрев); применение тепляков.
Широко применяемый в строительстве метод термоса заключается в том, что все открытые поверхности укладываемой в утепленную опалубку бетонной смеси укрывают слоем теплоизоляционного материала. Изолированный от холодного воздуха бетон твердеет за счет тепла, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении и выделяемого высокоэкзотермичными портландцементами при реакции твердения цементного теста. Метод эффективен при бетонировании массивных конструкций.
Степень массивности конструкций определяется модулем поверхности Мп (м—1), характеризующимся отношением охлаждаемых наружных поверхностей F1(м2) к объему уложенного бетона V1(м3),
При использовании подогретой бетонной смеси метод термоса применяют для бетонирования конструкций с модулем Мп?5; наличие высокоэкзотермических цементов и добавок-ускорителей позволяет применять метод термоса для конструкций с Мп?8, а при электроразогреве бетонной смеси до температуры 70—80°С метод возможен для конструкций с Мп = 10—15.
В качестве утеплителей при выдерживании бетона методом термоса применяют тюфяки в непродуваемых водоотталкивающих чехлах, доски с прокладкой толя или пенопласта, картон, опилки, шлаковату и др. Распалубку и снятие утеплителей выполняют при остывании бетона в наружных слоях изделия до +3°С.
Бетоны с добавками некоторых химических веществ, называемых ускорителями твердения, очень быстро набирают прочность. Применение химических добавок, содержащих хлор-ион (Cl'), допускается только для подводной и надводной зон бетонных элементов и для железобетонных конструкций, находящихся постоянно полностью под водой.
Начальную температуру бетона в конструкции можно повысить также кратковременным электроразогревом бетонной смеси непосредственно перед ее укладкой в конструкцию. Разогревать бетонную смесь можно в бункерах, бадьях, кузовах автосамосвалов при помощи установленных в них изолированных пластинчатых электродов, через которые пропускается электрический ток промышленной частоты напряжением 220 или 380 В.
Электротермообработка бетона влияет на интенсификацию его твердения при обработке теплом, получаемым при превращении электрической энергии в тепловую. В практике существуют следующие способы электротермообработки конструкций: электропрогрев (электродный способ), при котором бетон нагревается переменным током промышленной частоты путем включения бетонной массы в цепь; электрообогрев наружными источниками тепла в виде обычных отражательных печей и термонагревателей со спиралями из сплавов металлов, имеющих высокое сопротивление; инфракрасными лучами, проходящими через воздух, опалубку и передающими тепловую энергию непосредственно облучаемой поверхности бетона; контактный подогрев, когда тепло передается от греющей опалубки с нагревателями непосредственно прогреваемому бетону; индукционный прогрев железобетонных изделий — стальная опалубка и арматура становятся как бы сердечником индукционной катушки, в которой возникают греющие бетон вихревые токи при пропуске переменного тока по уложенным вокруг формуемого изделия виткам изолированного провода.
Паро- и воздухопрогрев изделий заключается в подаче пара или теплого воздуха в полость между опалубкой и устраиваемой вокруг опалубки паровоздухонепроницаемой «рубашкой».
В последнее время вновь входит в практику строительства применение тепляков — временных шатров, полностью закрывающих места укладки и выдерживания бетона. Шатры изготовляют деревянными, фанерными, брезентовыми, из полимерной пленки; в них поддерживаются необходимые температура и влажность. В зарубежной практике применяют надувные тепляки из двух слоев синтетических материалов с воздушной прослойкой.