Температурные разломы бетона

Что такое температурные разломы?

Температурные разломы возникают из-за разности температур у бетонной структуры и окружающей среды.
Это вынуждает более холодную часть сжиматься больше, чем более теплую, у которой сжатие сдерживается.
Когда нагрузка на растяжение становится больше, чем растяжимость бетона, возникают разломы.

Почему это происходит?

В результате гидратации цементирующих материалов в течение нескольких дней после заливки образуется тепло. Это тепло быстро рассасывается в тонкие части и не создает проблем. В более толстых секциях, температура внутри слоя возрастает быстро, а падает - медленно, поверхностный слой - быстро охлаждается до температуры окружающей среды. Сжатие поверхности из-за охлаждения сдерживается бетоном из более теплого внутреннего слоя, который сжимается не так быстро. Эта разница вызывает нагрузку на растяжение, из-за которой бетон на поверхности разламывается.  В большинстве случаев разломы возникают скоро после заливки, температурные разломы из-за размещения поверхностного слоя в экстремальные температуры возникает редко.
Бетон будет расширяться при горячей температуре окружающей среды и сжиматься при холодной. Разломы будут возникать, если объем сжатия/растяжения будет ограничиваться. Иногда это называется температурным разломом на поздних стадиях.

Массивный бетон
Главный фактор, определяющий массивность бетона (толстая плита или тонкая) - это минимальный размер. Согласно спецификации ACI 301, массивными считаются бетонные элементы толщиной от 1,3 метра. В других спецификациях используется соотношение объема к поверхности. Факторы, из-за которых меры по предотвращению растрескивания массивного бетона нужно принимать и для плит меньшего размера - это выделение смесью относительно большого количества тепла при бетонировании: высокое содержание цемента (высокомарочные смеси - прим. «М350») и более быстрая гидратация.
Главную озабоченность в массивном бетоне вызывают высокий разброс температур и сдерживание сжатия, как было описано выше. Эти условия могут вносить свое влияние как при изначальном бетонировании (из-за выделения тепла при гидратации), так на более поздних стадиях при изменении окружающей температуры.
Другой фактор - это разница температур между составной частью массивной плиты и элементов у поверхностного слоя. Это также уже рассматривалось выше.

Другие структуры
Температурные разломы могут возникать и не в массивных структурах. Поверхностный слой плит и полов подвергается воздействию самых разных температур, в то время как нижний слой относительно защищен. Существенная разница в температуре может послужить причиной разломов. Бетон имеет температурный коэффициент расширения - 0,00055% до 0,00145% на каждый градус Цельсия. Так, бетонный пол, залитый при температуре 35 градусов в штате Аризона с резко континентальном климатом, летом может испытывать воздействие температуры 70 градусов, зимой - до минус 7 градусов, что дает итоговую разницу температур в 75 градусов (что дает изменение размеров в 1 мм на каждый метр толщины). При таких амплитудах температур должны быть проработаны стыки и промежутки между стыками.

Как определить температурный разлом?

Температурные разломы, вызванные разницей температур, проявляют себя как случайные разломы структуры на поверхности конструкции. Лоскутные или шахматные разломы начинаются через несколько дней после снятия опалубки. Температурно-обусловленные разломы на полах и в плитах выглядят очень похоже на разломы из-за задержки высушивания. Обычно они возникают перпендикулярно самой длинной оси конструкции, появляются в любое время после заливки, но чаще возникают в течение первого года жизни конструкции.

Как минимизировать температурные разломы?

Способ избежать температурных разломов - это распознать ситуации, в которых они могут возникнуть, и предпринять шаги по их минимизации. Рекомендуется иметь план контроля температуры, привязанный к требованиям спецификации конкретного проекта, см. ссылку 2 ("Mass Concrete for Buildings and Brides», John Gajda, EB547, Portland Cement Association).
Типовая спецификация содержит разницу между минимальной и максимальной температурой. Максимальная температура показывает время, за которое составная часть смеси достигает стабильной температуры, и показывает период, необходимый для защитных процедур.  Слишком высокая температура внутреннего слоя бетона влияет на срок службы. Предел разницы температур предназначен для минимизации избыточных разломов из-за изменений объемов. Часть используется предел в 20 градусов Цельсия. Однако, бетон может разламываться как при меньших, так и при больших разницах температур. Разница температур измеряется с помощью электронных датчиков, размещенных на поверхности и внутри конструкции.
Пик температуры может быть посчитан исходя из идеальных условий изоляции (см. ссылки 1 (ACI207.2R) и 2). Можно использовать моделирование температуры, чтобы предсказать температуру и потенциал появления разломов на основе температурного контроля. Две имеющиеся модели - это HIPERPAV для полов и Concret Works для других бетонных структур. Консультанты также могут помочь с данным анализом.
Большая часть ответственности за предотвращение разломов лежит на проектировщике и подрядчике. Необходимые шаги включают в себя: ограничение температуры при доставке и после заливки, изоляция конструкции, и, в критических случаях, охлаждение частей структуры.
Отдельные шаги по минимизации разломов следующие:

• для бетонной смеси - уменьшить нагрев при гидратации путем использования дополнительных материалов, как шлаки и зола уноса, или использовать портландцемента, выделяющего меньше тепла при гидратации. Избегайте излишне низкого водоцементного соотношения. Использование химических добавок может отложить, но не снизит пик температуры бетона. Более холодные исходные температуры позволят снизить итоговые температуры, но потребуют технико-экономического обоснования и согласования с расходами на проект.
• для массивных структур - убедитесь, что меры по контролю температуры согласованы на встрече перед началом строительства. В повестку встречи стоит включить метод и подробности укладки, выработку требований к температуре бетона при доставке, мониторинг температуры бетона на месте укладки, методы выдерживания (которые бы не увеличивали разницы максимальной и минимальной температур), использование изоляции (включая описание, как и когда изоляция будет убрана) и использование охладительных труб при необходимости. Размещение бетона в подъемниках и последовательное распределение подъемников по времени может минимизировать общий пик температур, но потребуется согласование с подготовкой конструкционных швов и требованиями проекта. Выдерживание воды будет охлаждать бетонную поверхность, методы выдерживания с сохранением воды могут быть более подходящими. Деревянные формы являются изоляцией, металлические - нет. Может потребоваться накрыть формы изолирующим материалом. Снятие опалубки или изоляции должно быть спланировано по времени исходя из результатов температурного мониторинга, температурный шок поверхности должен быть исключен. Выпирание напряженной арматуры из массивной балки может служить способом отвода тепла из центра балки. При необходимости, охладительные трубы (обычно пластиковые), могут быть внедрены в бетон (на расстоянии в 1 м) в поддержку мер по снижению температур.
• для полов и плит - уменьшите воздействие солнечного тепла затуманиванием плит и полов или укрытием бетонируемых поверхностей в тень. Заливка ранним утром может может вызвать более критическую ситуацию, если пиковая температура от гидратации совпадет с пиковой температурой воздуха. Ветер может увеличить приход тепла, если он подавляет охлаждение поверхности от испарения. При холодных температурах теплопотерю плит и полов могут уменьшить покрытия для выдерживания.

Главный ключ к уменьшение термальных разломов - это хорошая коммуникация между проектировщиком, подрядчиком и производителем бетона.

Как отремонтировать температурные разломы?

Ремонт бетонных поверхностей должен производиться с согласия и с консультациями с проектировщиком. Неправильные способы ремонта могут вылиться в дальнейшие проблемы впоследствии. Полы и плиты можно отремонтировать с использованием приемлемых и совместимых материалов или удалением сломанных поверхностей и замену их наполнительными полосами. Ремонт массивных бетонных структур будет зависеть от ширины разлома и условий обслуживания структуры. Тонкие разломы лишь неприятны эстетически, но могут не потребовать ремонта. Однако, такие разломы могут негативно сказаться на сроке службы плиты в зависимости от условий обслуживания. Более широкие разломы могут потребовать сшивания эпоксидными инъекциями и грунтованием швов. Рекомендации к ремонту разломов приведены на ACI224.1R и в Международном Институте Ремонта Бетона (International Concrete Repair Institute, www.icri.org)