Мерзлый грунт и способы его разработки. Особенности оттаивания грунта при строительных работах в зимний период Прогрев грунта в зимнее время

18.10.2019

В строительстве из общего объема земляных работ от 20 до 25% выполняется в зимних условиях, при этом доля грунта, разрабатываемого в мерзлом состоянии, остается постоянной - 10-15% с возрастанием из года в год абсолютного значения этого объема.

В практике строительства возникает необходимость разрабатывать грунты, находящиеся в мерзлом состоянии только в зимний период года, т.е. грунты сезонного промерзания, или в течение всего года, т.е. вечномерзлые грунты.

Разработка вечномерзлых грунтов может производиться теми же способами, что и мерзлых грунтов сезонного промерзания. Однако при возведении земляных сооружений в условиях вечной мерзлоты необходимо учитывать специфические особенности геотермического режима вечномерзлых грунтов и изменение свойств грунтов при его нарушении.

При отрицательных температурах замерзание воды, содержащейся в порах грунта, существенно изменяет строительно-технологические свойства нескальных грунтов. В мерзлых грунтах значительно увеличивается механическая прочность, в связи с чем, разработка их землеройными машинами затрудняется или вообще невозможна без подготовки.

Глубина промерзания зависит от температуры воздуха, длительности воздействия отрицательных температур, рода грунта и др.

Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя методами. При первом методе предусматривают предварительную подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными методами; при втором - мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предварительной подготовки. Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заключается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерзлого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.

Предохранение грунта от промерзания . Известно, что наличие на дневной по-

верхности термоизоляционного слоя уменьшает как период, так и глубину промерзания. После отвода поверхностных вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих способов.

Рыхление грунта . При вспахивании и бороновании грунта на участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слои приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15...20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18...30%.. Снеговой покров на утепляемой площади можно искусственно увеличить, сгребая снег бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов. Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления значительных по площади участков, Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами. Утепляющий слой может быть также выполнен из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфа, соломенных матов, шлака, стружек и опилок. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.

Пропитку грунта солевыми растворами ведут следующим образом. На поверхно-

сти песчаного и супесчаного грунта рассыпают заданное количество соли (хлористого кальция 0,5 кг/м2 , хлористого натрия 1 кг/м2 ), после чего грунт вспахивают. В грунтах с низкой фильтрующей способностью (глины, тяжелые суглинки) пробуривают скважины, в которые под давлением нагнетают раствор соли. Из-за высокой трудоемкости и стоимости таких работ они являются, как правило, недостаточно эффективными.

Способы оттаивания мерзлого грунта можно классифицировать как по направлению распространения тепла в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя. По первому признаку можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.

Оттаивание грунта сверху вниз . Этот способ - наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем, часто применяется на практике.

Оттаивание грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой земляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.

При оттаивании грунта по радиальному направлению тепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.

По виду теплоносителя различают следующие способы оттаивания мерзлых грун-

Огневой способ . Для отрывки зимой небольших траншей применяют установку (рис. 1а), состоящую из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.

Рисунок 1. Схемы оттаивания грунта огневым способом и паровыми иглами: а

Огневым способом; б - паровыми иглами; 1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсыпка талым грунтом: 4 - паропровод; 5 - паровой вентиль; 6 - паровая игла; 7 - пробуренная скважина; 8 - колпак.

Оттаивание в тепляках и отражательными печами. Тепляки - это открытые снизу короба с утепленными стенками и крышей, внутри которых размещают спирали накаливания, водяные или паровые батареи, подвешенные к крышке короба. Отражательные печи имеют сверху криволинейную поверхность, в фокусе которой располагается спираль накаливания или излучатель инфракрасных лучей, при этом энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно. Тепляки и отражательные печи питаются от электросети 220 или 380 В. Расход энергии на 1 м 3 оттаянного грунта (в зависимости от его вида, влажности и температуры) колеблется в пределах 100...300 МДж, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50...60°С.

При оттаивании грунта горизонтальными электродами по поверхности грун-

та укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам (рис. 2а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, который смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы

опилок. Вначале смоченные опилки представляют собой токопроводящие элементы, так как замерзающий грунт не является проводником. Под воздействием тепла, генерируемого в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием тепла начинает оттаивать верхний слой грунта, а затем - нижние слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают полиэтиленовой пленкой или щитами.

Рисунок 2. Схема оттаивания грунта электропрогревом: а - горизонтальными электродами; б - вертикальными электродами; 1 - трехфазная электрическая сеть; 2 - горизонтальные полосовые электроды; 3

Слой опилок, смоченных соленой водой; 4 - слой толя или рубероида; 5 - стержневой электрод.

Этот способ используют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж, температура в опилках не превышает 80... 90 °С.

Оттаивание грунта вертикальными электродами. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20 ...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует дополнительно заглублять на 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1 ... 2 сут глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированного в грунте тепла под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины в шахматном порядке на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается (50... 150 МДж на 1 м3 ), применять слой опилок не требуется. При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунтуй одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ, только когда необходимо экстренно оттаять грунт.

Оттаивание грунта сверху вниз с помощью паровых или водяных регистров. Реги-

стры укладывают непосредственно на расчищенную от снега поверхность отогреваемого участка и закрывают теплоизоляционным слоем из опилок, песка или талого грунта для уменьшения теплопотерь в пространстве. Регистрами оттаивают грунт при толщине мерзлой корки до 0,8 м. Этот способ целесообразен при наличии источников пара или горячей воды, так как монтаж для этой цели специальной котельной установки обычно оказывается слишком дорогим.

Оттаивание грунта паровыми иглами является одним из эффективных средств, но вызывает излишнее увлажнение грунта и повышенный расход тепла. Паровая игла - это металлическая труба длиной 1,5... 2 м, диаметром 25...50мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом

гибкими резиновыми рукавами с кранами (рис. 1б). Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуренные на глубину 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, снабженным сальником для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06... 0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Для экономии пара режим прогрева иглами должен быть прерывистым (например, 1 ч - подача пара, 1 ч - перерыв) с поочередной подачей пара в параллельные группы игл. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между их центрами 1 ... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта 50... 100 кг. Этот способ требует большего расхода тепла, чем способ глубинных электродов, примерно в 2 раза.

При оттаивании грунта водяными циркуляционными иглами в качестве теплоно-

сителя используют воду, нагретую до 50...60°С и циркулирующую по замкнутой системе «котел - разводящие трубы - водяные иглы - обратные трубы - котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии. Иглы устанавливают в пробуренные для них скважины. Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная - заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами. Оттаивание грунта иглами, в которых циркулирует горячая вода, происходит значительно медленнее, чем вокруг паровых игл. После беспрерывной работы водяных игл в течение 1,5... 2,5 сут их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1 ...

1,5 сут происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75... 1,25 м между собой и применяют при глубинах промерзания от 1 метра и более.

Оттаивание грунта ТЭНами (электроиглами). ТЭНы представляют собой сталь-

ные трубы длиной около 1 м диаметром до 50 ... 60 мм, которые вставляют в предварительно пробуренные в шахматном порядке скважины.

Внутри игл монтируют нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами, которые являются диэлектриками, но в то же время хорошо передают и сохраняют тепло. Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60...80°С, но расход тепла при этом по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6...

1,8 раза.

При оттаивании грунта солевыми растворами на поверхности предварительно пробуривают скважины на глубину, подлежащую оттаиванию. Скважины диаметром 0,3...0,4 м располагают в шахматном порядке с шагом около 1 м. В них наливают подогретый до 80...100°С солевой раствор, которым скважины пополняют в течение 3...5 дней. В песчаных грунтах достаточна скважина глубиной 15...20 см, так как раствор проникает вглубь за счет дисперсности грунта. Оттаявшие таким образом грунты после их разработки вторично не смерзаются.

Способ послойного оттаивания вечномерзлых грунтов наиболее целесообразен в весенний период, когда для этих целей можно использовать теплый воздух окружающей атмосферы, теплые дождевые воды, солнечную радиацию. Верхний оттаивающий слой грунта можно удалять любыми землеройно-транспортными или планировочными машинами, обнажая лежащий под ним мерзлый слой, который в свою очередь оттаивает под действием перечисленных выше факторов. Грунт срезают на границе между мерзлым и талым слоями, где грунт имеет ослабленную структуру, что создает благоприятные условия для работы машин. В районах вечной мерзлоты этот способ - один из самых эконо-

мичных и распространенных для разработки грунта при планировке выемок, траншей и т. п.

Способ послойного вымораживания водоносных грунтов предусматривает разра-

ботку до наступления морозов верхнего слоя грунта, лежащего выше горизонта грунтовых вод. Когда под действием холодного атмосферного воздуха расчетная глубина промерзания достигает 40...50 см, приступают к разработке грунта в выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными участками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 50 % толщины промерзшего грунта. Перемычки предназначены для изоляции отдельных участков от соседних в случае прорыва грунтовой воды. Фронт разработки перемещается от одной секции к другой, в то время как на уже разработанных секциях глубина промерзания возрастает, после чего разработку их повторяют. Попеременные вымораживание и разработку участков повторяют до достижения проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают. Такой способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (без крепления и водоотлива) выемки, значительно превосходящие по своей глубине толщину сезонного промерзания грунта.

Предварительное рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации при-

меняют при незначительных объемах работ. При больших объемах работ целесообразно использовать механические и мерзлоторезные машины.

Взрывной способ рыхления грунта наиболее экономичен при больших объемах работ, значительной глубине промерзания, в особенности если энергию взрыва используют не только для рыхления, но и для выброса земляных масс в отвал. Но этот способ можно применять только на участках, расположенных вдали от жилых домов и промышленных зданий. При использовании локализаторов взрывной способ рыхления грунтов можно применять и вблизи зданий.

Рисунок 3. Схемы рыхления и резания мерзлого грунта: а - рыхление клином-молотом; б - рыхление дизель-молотом; в - резка в мерзлом грунте щелей многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями - барами; 1 - клин-молот; 2 - экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4- направляющая штанга; 5 - дизель-молот; 6 - режущие цепи (бары); 7 - многоковшовый экскаватор; 8 - щели в мерзлом грунте.

Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при отрывке небольших по объему котлованов и траншей. В этих случаях мерзлый грунт на глубину 0,5...0,7 м рыхлят клином-молотом (рис. 3a), подвешенным к стреле экскаватора (драглайна), - так называемое рыхление раскалыванием. При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60°, что обеспечивает достаточную высоту падения молота. При использовании молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашиваются стальной канат, тележка и отдельные узлы машины; кроме того, от удара по грунту колебания его могут вредно действовать на близко расположенные сооружения. Механическими рыхлителями рыхлят грунт при глубине промерзания более 0,4 м. В этом случае грунты рыхлят путем скола или нарезки блоков, причем трудоемкость разрушения грунта сколом в несколько раз меньше, чем при рыхлении грунтов резанием. Число уда-

ров по одному следу зависит от глубины промерзания, группы грунта, массы молота (2250…3000 кг), высоты подъема, определяют его ударником конструкции ДорНИИ.

Дизель-молоты (рис. 3б) могут рыхлить грунт при глубине промерзания до 1,3 м и наравне с клиньями являются навесным оборудованием к экскаватору, тракторупогрузчику и трактору. Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой, двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м. При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки. Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором, после чего ди- зель-молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта. Затем дизель-молот перемещают вдоль бровки, повторяя эту операцию.

Ударные мерзлоторыхлители (рис. 4б) хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара.

Рыхление грунта тракторными рыхлителями. К этой группе относится оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового, усилия трактора-тягача. Машины этого типа послойно проходят мерзлый грунт, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления 0,3...0,4 м: Поэтому разрабатывают мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, как бульдозеры. В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда он имеет значительные пластические деформации, а механическая прочность его понижена. Статические рыхлители могут быть прицепными и навесными (на заднем мосту трактора). Очень часто их используют совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт. Прицепной рыхлитель при этом отцепляют, а навесной поднимают. В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубьев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель имел достаточную мощность (100...180 кВт). Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим.

Рисунок 4. Схемы разработки мерзлых грунтов с предварительным рыхлением: а - рыхление клин-молотом; б - тракторным виброклиновым рыхлителем; 1 - автосамосвал; 2 - экскаватор; 3 - клин-молот; 4 – виброклин.

Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером, причем этот способ считается весьма экономичным и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.

При разработке мерзлых грунтов с предварительной нарезкой блоками в мерзлом слое нарезают щели (рис. 5), разделяющие грунт на отдельные блоки, которые затем удаляют экскаватором или строительными кранами. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8 глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для разработки экскаватором. В районах с вечно-мерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют.

Рисунок 5. Схемы разработки мерзлых грунтов блочным способом: а, б - мелкоблочным способом; в, г - крупноблочным; 1 - удаление снежного покрова; 2, 3 - нарезка блоков мерзлого грунта баровой машиной; 4 - разработка мелких блоков экскаватором или бульдозером; 5 - разработка талого грунта; 6 - разработка крупных блоков мерзлого грунта трактором; 7 - то же, краном.

Расстояния между нарезанными щелями зависят от размеров ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Блоки отгружают экскаваторами с ковшами вместимостью от 0,5 м и выше, оборудованными преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой очень затруднена. Для нарезки щелей в грунте применяют различное оборудование, устанавливаемое на экскаваторах и тракторах.

Нарезать щели в мерзлом грунте можно с помощью роторных экскаваторов, у которых ковшовый ротор заменен фрезерующими дисками, снабженными зубьями. Для этой же цели применяют дискофрезерные машины (рис. 6), являющиеся навесным оборудованием к трактору.

Рисунок 6. Дискофрезерная землеройная машина: 1 - трактор; 2 - система передачи и управления рабочим органом; 3 - рабочий орган машины (фреза).

Наиболее эффективно нарезать щели в мерзлом грунте баровыми машинами (рис. 5), рабочий орган которых состоит из врубовой цепи, смонтированной на базе трактора или траншейного экскаватора. Баровые машины прорезают щели глубиной 1,3 ... 1,7 м. Достоинством цепных машин по сравнению с дисковыми является относительная легкость замены наиболее быстро изнашивающихся частей рабочего органа - сменных, вставляемых во врубовую цепь зубьев.

Непрерывность монолитного строительства позволяет соблюдать обогрев бетона в зимнее время. Регламентация работ приводится в СНиП 3-03-01-87 (актуализировано СП 70.13330.2012). Там предписываются меры, не допускающие замерзания воды в растворе, образования льда на арматурном каркасе при среднесуточной температуре ниже +5°С, минимальной – меньше 0. Способы отличаются оборудованием, затратами средств и энергии.

Главное требование для получения гарантированного качества сооружения – это проведение работ в установленном темпе и четкой последовательности, без отступлений от проекта. При перевозке раствор не должен охлаждаться ниже расчетной температуры. Допускается увеличить время перемешивания на 25 %.

На вечномерзлых грунтах заливка конструкций происходит по СНиП II-18-76. Метод выбирают не столько по затратной части, сколько по качественным показателям изделия, получаемого в результате.

Во время застывания прогревание бетона осуществляется следующими основными способами:

1. Термос. В раствор на заводе добавляют горячую воду (40-70°С) и укладывают его в утепленную опалубку. При схватывании в процессе гидратации выделяется около 80 ккал тепла, которые складываются с имеющейся температурой смеси. Теплоизоляция удерживает массу от замерзания до набора нужного показателя прочности. Экзотермический эффект часто сочетают с другими методами.

2. Противоморозные добавки. Технология их использования и свойства, придаваемые бетону, указываются производителем в паспорте продукта. Опалубка должна предотвращать быструю потерю тепла. Этот показатель предусматривается проектным расчетом, в максимальном значении не превышает 10°С/ч. Фрагменты, которые могут остывать быстрее (выступы, сужения сечения), покрывают от ускоренного испарения гидроизоляцией, утеплителем или организуют их обогрев. Ведется постоянный контроль окружающей температуры, чтобы в случае ее снижения меньше разрешенной принять дополнительные меры.

3. Подогрев воздухом. В закрытом пространстве организовывается прогрев конвективным движением нагреваемого воздуха. Из брезентового полотна можно соорудить тепляк над заливаемой формой и поддерживать нужную температуру с помощью теплогенератора (дизель или электрокалорифер). Для равномерного распределения горячего воздушного потока, нагнетаемого вентилятором, применяют специальный рукав с перфорацией.

4. Пропаривание. Учитывая сложность оборудования и энергозатраты, массово его используют в заводских условиях для создания элементов сборных конструкций. Технология предполагает заливку бетона в опалубку с двойными стенками, по которым подают горячий пар. Он создает «паровую рубашку» вокруг раствора, обеспечивающую равномерную гидратацию. Применяется в комплексе с пластифицирующими добавками.

5. Греющая опалубка. Метод распространен при быстром возведении сооружений (монолитных зданий). Для этого бетон должен быть с высокой скоростью застывания. Электропрогрев происходит от границы контакта с опалубкой вглубь застывающего массива. Располагается греющий кабель по наружной поверхности формы. Чтобы не образовывалось прослоек воздуха, его удаляют вибратором. Способ используют для заливки зимой тонких и средних стен (с армированием или без него). Отличается требованиями к температуре – смесь и грунт на глубину 0,3-05 м предварительно нагреваются до +15°С.

К наиболее экономным методам относят технологии электропрогрева, которые охватывают весь объем смеси (электрод, трансформатор, кабель, собранные в определенную схему).

Электродный обогрев бетона

Принцип основан на выделении тепла при прохождении тока через жидкий раствор между стержнями, на которые подается напряжение от трансформатора. Способ не применяется в густо армированных конструкциях. Хорошо показал себя при возведении ростверков и ленточных фундаментов в зимнее время.

В качестве питания берут трансформатор переменного тока с напряжением от 60 до 127 В. Для изделий со стальным арматурным каркасом нужен точный проектный расчет схемы и параметров электрической цепи.

Электрод может быть разного вида:

стержневого, размером Ø6-12 мм;
струнного (проволока Ø6-10 мм);
поверхностного (пластины шириной 40-80 мм).

Стержневые электроды применяют на удаленных фрагментах крупных и сложной формы конструкций. Их устанавливают не ближе 3 см к опалубке. Струнные варианты предназначаются для протяженных участков. Эта схема предпочтительна при контакте бетона с замерзшим основанием. Поверхностные ленты крепят непосредственно на опалубку, прокладываются рубероидом и не контактируют с раствором.

Глубина электропрогрева электродами составляет 1/2 расстояния между стержнями или полосами. Теплая масса у поверхности укрывает внутренние слои, где процессы протекают менее интенсивно. Увеличить выделение энергии в бетоне можно, подавая на электроды через трансформатор разные фазы.

После застывания монолита погруженные электроды остаются внутри, выступающие их части обрезают. Основное преимущество использования электродов – это способность длительного поддержания температуры, определенной технологией проекта, в конструкциях любой формы и толщины.

Прогрев трансформатором

Основывается на погружении греющего кабеля, подключенного к понижающему трансформатору. Для этого берут проводник марки ПНСВ от 1,2 до 3 мм. Его укладывают с шагом не менее 15 мм так, чтобы он полностью погружался в раствор. Выводные концы для подключения от трансформатора делают из алюминиевых АПВ-2,5; АПВ-4.

Расчет схемы производят исходя из того, что на обогрев 1м³ нужно около 1,3 кВт мощности. Величина зависит от температуры воздуха – чем холоднее зимой, тем больше нужно энергии.

На прогрев проводом ПНСВ каждого 1м³ бетона нужно 30-50 м кабеля. Более точно покажет расчет, так как при схеме подключения «звезда» в каждом куске провода требуется ток 15 А, «треугольник» (ПНСВ 1,2) – 18 А.

Выбор кабеля ВЕТ или КДБС позволит исключить трансформатор с электродами из технологии. К этому методу прибегают, если отсутствует возможность применить нужное количество аппаратов на удаленном объекте или нет питающей сети. ВЕТ-провод подключается к бытовой электросети, в комплект входят соединительные муфты. Для него берут схему подключения, аналогичную ПНСВ.

Поддерживать температуру нужно, используя трансформатор с плавной регулировкой силы тока. Для небольшого индивидуального строительства подходит привычный сварочный аппарат. Промышленные станции КТПТО-80/86, ТСДЗ-63, трансформаторы СПБ дают нагрев порядка 30 м³ бетона.

Новейшие методы прогрева

Совершенствование технологии дало возможность для обогрева колонн, балок перекрытий и других относительно тонких элементов применять инфракрасные устройства. Они выполнены в виде термоматов, которыми оборачивают снаружи застывающую форму. Прогрев происходит равномерно, по всей контактной поверхности. Для стандартных изделий используют цельные нагреватели, изготовленные по размеру.

Марочный бетон в естественных условиях набирает прочность за 28 суток, благодаря инфракрасному воздействию процесс гидратации проходит за 11 часов. Значительно упрощается монтаж и сложность конструкций, повышается скорость этой части строительства при работе зимой.

Следующей ступенью технологии прогрева трансформатором при изготовлении изделий относительно небольшого сечения (колонн, свай) стал индукционный метод. Рост температуры внутри формы происходит под влиянием электромагнитного поля, созданного опоясывающими витками кабеля. Такая индукционная обмотка разогревает металл опалубки и арматуры, выделяющееся тепло переходит в застывающий раствор. Характеризуется равномерностью, способностью предварительно поднять температуру опалубки и армирующего каркаса до начала заливки.

Сроки обогрева монолита до набора им заданной крепости устанавливаются в зависимости от класса: В10 набирает 50%, В25 – почти 30%.

Качество изделий из бетона, произведенных в зимний период, контролируется независимо от способов прогрева (погружение электрода или поверхностное воздействие) согласно СНиП 152-01-2003.

Статьи

При включений с помощью катодов участка грунта в электрическую цепь через него может быть пропущен нагревающий его ток напряжением 120, 220 и 380 в.

Электропроводность грунта зависит от его влажности (рис.3, а), состояния и температуры влаги, концентрации находятся в грунте растворов солей и кислот (рис. 3, б), строения и температуры грунта (рис. 3, в) и т. п.

Сложность строения грунта происходящих в нем физических явлений и изменений, связанных силовыми процессами, значительно усложняет теоретическую сторонy электропрогрева грунта, которая находится пока еще в стадии проработки.

Рис. 1. Установка горизонтальных (струнных) электродов на мерзлый грунт с засыпкой опилками
1 - мерзлой грунт; 2 - горизонтальные (струйные) электроды диаметром 12-16 мм; 3 - провода, подводящие ток; 4 - опилки, смоченные раствором соли; 5 - верхнее утепление (толь, деревянные щиты, маты и т. п.)

Рис. 2. Установка вертикальных (стержневых) электродов в мерзлый грунт с засыпкой опилками
1 - вертикальные электроды; 2 - провода, подводящие ток; 3 - опилки, смоченные раствором соли, 4-верхнее утепление (толь, деревянные шиты, маты и т. п.)

Оттаивание грунта выполняют при помощи горизонтальных (срунных) и вертикальных (стержневых и глубинных) электродов. При оттаивании горизонтальными электродами (рис. 1) поверхность отогреваемого участка грунта покрывают 15-25-см слоем, смоченных водным раствором соли (хлористого натрия,кальции, медного купороса и др.) имеющих назначение лишь приводить ток и отогреть верхний слой мерзлого грунта, так как последний даже при напряжении 380 в тока практически не пропускает.

При горизонтальных электродах тепло передается первоначально грунту лишь от нагревающегося слоя опилок. Только верхний незначительной толщины слой грунта, прилегающий к электродам, включается в электроцепь и является сопротивлением, в котором выделяется тепло.

Расстояние между рядами электродов, включенными в разные фазы, составляет 40-50 см при напряжении 220 в и 70-80 см при напряжении 380 в. Применение горизонтальных электродов целесообразно при отогревании промерзших оснований и небольшой (до 0,5-0,7 м) глубине промерзания, а также в случаях, когда вертикальные (стержневые) электроды не могут быть применены вследствие малой электропроводности грунта или невозможности забивки их в грунт.

При оттаивании вертикальными стержневыми электродами влажные опилки служат вначале побудителем к прогреву верхнего слоя грунта, который по мере оттаивания включается в электрическую цепь, после чего опилки только уменьшают теплопотери оттаиваемого грунта. Вместо опилок побудителем могут служить растворы солей, заливаемые в бороздки в грунте, пробитые зубилом между всеми электродами на глубину 6 см.

При укрытии поверхности отогреваемого грунта слоем сухих опилок, как показывает практика, устройство таких бороздок дает хорошие результаты.
Применение вертикальных электродов более эффективно при глубине мерзлого грунта более 0,7 м, а также при невозможности обеспечения должного контакта между горизонтальными электродами и грунтом. В твердые (глинистые и песчаные грунты с влажностью более 15-20%) электроды забивают на глубину 20-25 см, и затем погружают глубже по мере оттаивання грунта (примерно через каждые 4-5 час).

Расстояние между электродами назначается от 40 до 70 см в зависимости от напряжения тока, характера и температуры грунта. При оттаивании на глубину 1,5 м рекомендуется иметь два комплекта электродов - короткие и длинные; по оттаивании грунта на глубину коротких электродов они заменяются длинными. Отогрев грунта на глубину 2 м и более следует производить в несколько приемов, послойно с периодическим удалением оттаявших слоев при выключенном токе. В целях экономии электроэнергии и максимального использования мощности следует стремиться, чтобы к концу оттаивания средним температура грунта не превышала +5° и максимальная +20°, и прогрев следует вести участками, периодически выключая ток.

Рис. 3. Изменение удельного сопротивления грунта в зависимости
а - от влажности грунта из красной глины, б - от содержаний NaCi в глинистом грунте при 30% его влажности (по весу), 8 - от температуры грунта при влажности 18,6%

Установка для оттаивания грунта состоит из щитов и софитов (по 4-5 на каждый распределительный щит) для подключения электродов к сети.

При применении глубинных электродов оттаивание мерзлого грунта производят снизу вверх к дневной его поверхности. Для этого электроды из круглой стали диаметром 12-19 мм (в зависимости от их длины и твердости грунта) в шахматном порядке забивают сквозь всю толщу мерзлого слоя на 15-20 см в талый грунт. В начале оттаивания электрический ток, проходящий в талом грунте, нагревает его и оттаивает расположенную непосредственно лад ним часть мерзлого слоя. Таким образом, тепловой поток, постепенно увеличиваясь по толщине снизу вверх, последовательно отогревает мерзлый грунт, причем почти все выделяемое током тепло используется для отаивания мерзлого слоя.
Такой способ оттаивания, помимо уменьшении теплопотерь, дает ряд других выгод.

Как известно, экскаваторы могут разрабатывать без предварительнoгo рыхления мерзлую корку грунта толщиной до 25-40 см, Что позволяет соответственно уменьшить глубину оттаиваемого грунта. Так как верхние слои грунта обычно являются наиболее сложными и энергоемкими, то разработка их в неоттаявшем состоянии снижает расход электроэнергии и ускоряет производство работ.

Применение более высокого напряжения дает возможность увеличивать расстояние между электродами. Последнее при напряжении 220 в принимают в 0,5 м, а при 380 в уже 0,7 м.
Нижний конец электрода заостряют, а в верхнем просверливают сквозное отверстие диаметром 3-4 мм, через которое пропускают Медный голый провод длиной 25-30 см; один конец провода приваривают к электроду, а другой присоединяют к электросети с последующим чередованием фаз.

При затруднительности забивки электродов предварительно проходят скважины диаметром, который на 1-2 мм меньше принятого диаметра электрода.
По опытным данным суглинки с влажностью 18% при глубине промерзания 1,5 м и напряжении тока 220 в оттаивают в течение примерно 16 час.
Отогреваемую площадку выделяют переносным ограждением и умножают предупредительными сигналами с категорическим запрещением входа на нее.
При применении любого способа отогрева грунта необходимо строго соблюдать правила, изложенные в специальной «Инструкции по применению электропрогрева в строительстве».

Оттаивание токами высокой частоты. Мерзлый грунт проницаем для токов высокой частоты, и отогревание его Происходит за счет тепла, выделяемого в грунте при помещении его и переменное электрическое поле высокой частоты.
Генератор высокой частоты состоит из повышающего трансформатора, выпрямителя, генераторных ламп, конденсаторов и колебательного контура. Передвижная установка монтируется в автоприцепе и питается от сети напряжением 220-380 в или от передвижной электрической станции.
Означенный способ возможен при небольшом объеме работ, разработке траншей и особенно при аварийных работах, когда срок их выполнения является решающим фактором.

Земляные работы в зимний период осложняются необходимостью предварительной подготовки почвы. Применение отбойных молотков или иной вариант механического воздействия не всегда оправдан, а порой попросту невозможен. Существует вероятность повредить подземные коммуникации или нанести ущерб стоящим рядом зданиям. Поэтому широкое распространение получили термические способы воздействия.

Традиционные виды прогрева мерзлого грунта

Разработано множество технологий, основанных на различных принципах термического воздействия. Каждая из них имеет сои преимущества и недостатки.

Рефлекторная печь

Быстрый, удобный и мобильный метод хорошо подходит для работы в городской черте. В качестве генератора тепла служит нихромовая проволока толщиной 3,5 мм. Направление теплового излучения корректируется рефлектором из хромированного листа толщиной около 1 мм.

Сам отражатель защищен металлическим кожухом. Между стенками двух металлов существует воздушная подушка, которая исполняет роль термозащиты. Печь работает от сети 127/220/380В и способна отогреть 1,5 м2 грунта. Для отогрева кубического метра грунта необходимо порядка 50 кВт/час электрической энергии и 10 часов времени. Существенные изъяны метода:

высокая вероятность поражения электрическим током посторонних лиц. Требуется ограждения и охрана на время работы установки;
малая площадь охвата;
нужна система энергообеспечения мощностью порядка 20 кВт/час для работы комплекса из трех установок.

Электроды

Они изготавливаются из круглой или полосованной стали, загоняются в землю и подключаются к источнику энергоснабжения. Поверхность грунта устилается опилками и пропитывается соляным раствором. Этот слой служит и проводником и в качестве утеплителя.

Расход электричества на оттаивание кубического метра грунта составляет 40-60 кВт, а процесс занимает 24-30 часов. Среди недостатков метода нужно отметить:

высокая вероятность поражения электрическим током посторонних лиц;
нужна постоянная подача электричества;
размораживание грунта осуществляется очень долго;

Открытое пламя

Способ основывается на сжигании жидкого или твердого топлива в специальном устройстве, состоящем из открытых резервуаров. Конструкция предусматривает, что в первый короб служит камерой сгорания, а последний снабжен вытяжной трубой. Пользователи отмечают недостатки технологии:

существенные потери тепловой энергии;
предварительно нужно выполнить комплекс подготовительных работ;
вредные выбросы и необходимость постоянного контроля.

Химический способ

Для размораживания грунта при помощи химических реагентов в почве просверливаются шпуры. Затем в отверстия заливается хлористый натрий, который растворяет лед. Весь процесс длится от шести до восьми дней. Недостатки химического метода:

размораживание занимает много времени;
необходимость в обустройстве шурфов;
много вопросов вызывает экологичность процесса;
материалы не могут использоваться повторно.

Паровые иглы

Собственно, трубу длиной два метра и диаметром до 50 мм сложно назвать иглой. По ней в грунт подается водяной пар. Для установки игл предварительно нужно пробурить отверстия на глубину не менее 70% от высоты слоя оттаивания. Сами скважины после подключения к системе парообеспечения закрывают колпаками и засыпают слоем термоизолирующего материала.

Основными недостатками метода являются:

потребность в подготовке;
необходимость в генераторе пара;
образование и дальнейшее замерзание конденсата;
нужен щепетильный контроль над процессом.

Горячий теплоноситель

Почва отогревается от горячего минерала (100-200 градусов Цельсия), которым покрывается поверхность земли. Нередко применяются отходы дорожного производства – бракованный асфальт или бетонную крошку. Время размораживания составляет не менее 20-30 часов. Из недостатков данного способа необходимо отметить:

зависимость от субподрядчика;
потери тепла во время доставки теплоносителя;
необходимость уборки теплоносителя после отмораживания грунта;
длительный период оттаивания.

Трубчатые электрические нагреватели

Технология предусматривает передачу тепловой энергии контактным способом. В качестве рабочих элементов выступают электрические иглы. Они представляют собой метровые трубы диаметром 50-60 мм. Внутри установлены электрические нагревательные элементы.
ТЭНы располагаются в грунте горизонтально и подключаются к цепи последовательно. Недостатками данного метода являются:

необходимость постоянного контроля;
возможность поражения электрическим током;
небольшая площадь оттаивания;
потребность в подготовительных работах.

Прогрев грунта термоэлектроматами

Прекрасной альтернативой существующим методам прогрев грунта является его обогрев с использованием термоматов. Они обеспечивают равномерный прогрев грунта по всей глубине и поддерживают заданную температуру в автоматическом режиме.
Оборудование производится на основе теплоизлучающих пленок. Оно производятся различной площади и конфигурации. Толщина панели составляет около 10 мм. Она работает от однофазной сети и может генерировать температуру до 70 0С. Направленное действие инфракрасного излучения определяет высокую эффективность работы устройства.

Преимущества использования термоэлектроматов «ФлексиХит».

Наша страна находится в северных широтах. Зимний период с отрицательными температурами отнимает много времени у строителей. Однако можно и не останавливать капитальное строительство, если предпринять прогрев грунта. Такая процедура становится все более популярной. В данной статье мы расскажем об основных способах прогрева грунта.

Зачем нужен прогрев грунта зимой?

Когда строительство проводится в черте города, вынимать мерзлый грунт с помощью отбойного оборудования становится опасно. Можно легко повредить подземные коммуникации, которых так много в городе: кабельные линии, водопроводы, газопроводы. В таких местах, зачастую, вынимать грунт приходится вручную. Зимой мерзлую землю лопатами не выймешь из траншеи. Поэтому заказывают прогрев грунта непосредственно перед началом строительных работ. Одновременно заказывают и прогрев бетона после заливки фундамента для его гидратации и правильного набора твердости.

Какие бывают способы прогрева грунта?

Прогревать землю на месте стройки можно множеством способов. Они различаются не только затратами, но и эффективностью. Мы перечислим основные из них:

Прогрев горячей водой. Такой метод подходит для разморозки небольших участков земли. По площади укладывают лабиринты гибких рукавов, которые укрывают полиэтиленом или любым теплоизолятором. По рукавам пускают нагретую до 70-90 градусов по Цельсию воду. Для этого используют тепловой генератор или пиролизный котел. Скорость размораживания — не более 60 см за сутки. Недостатки — высокая стоимость оборудования и низкая скорость прогрева.
Прогрев паром и паровыми иглами. На участке пробуривают скважины глубиной от полутора до двух метров для специальных металлических труб диаметром до 50 мм. Эти так называемые иглы имеют на концах отверстия размером не более 3 мм. Трубы расставляют в шахматном порядке через каждые 1-1,5 метра. В иглы подают насыщенный водяной пар (температура — более 100 градусов по Цельсию, давление — 7 атмосфер). Этот метод применяется только для глубоких котлованов — более 1,5 метра. Недостатки — сложные подготовительные работы, выброс больших объемов конденсата и необходимость в постоянном контроле процесса.
Прогрев ТЭНами. Этот метод схож с паровыми иглами применяемым инструментом. Также используются трубы длиной 1 метр и диаметром до 60 мм. Их устанавливают в пробуренные скважины на таком же расстоянии. Внутри труб находится жидкий диэлектрик с высокой теплопроводностью. ТЭНы подключают к электросети. Расход электроэнергии на 1 куб. метр земли — 42 кВт*ч. Недостатки — высокие затраты.
Прогрев электрическими матами. Метод подразумевает использование инфракрасных матов, работающих по принципу подобных матов для “теплого пола”. Электроматы нагревают грунт до температуры в 70 градусов. Глубина прогрева — не более 80 см за 32 часа. Расход электроэнергии — 0,5 кВт*ч на 1 квадратный метр. Недостатки — хрупкий материал, потребность в постоянном контроле.
Прогрев этиленгликолем с помощью установки Waker Neuson. Оборудование работает на дизельном топливе. С этой точки зрения оно является автономным и не зависит от подводки коммуникаций (электричества). По площади участка змейкой раскладывается шланг, по которому будет циркулировать нагретый этиленгликоль. Эта жидкость отличается высочайшей теплопроводностью и большей, чем у воды, температурой кипения. Шланги накрывают матами из теплоизоляции. Одна установка позволяет разморозить 400 квадратных метров на глубину до 1,5 метра за 8 суток.

Наша компания предлагает услуги прогрева грунта и бетона именно с помощью установки Waker Neuson. Такой метод считается наиболее эффективным в пересчете затрат на площадь участка и на время разморозки.