2. Требования к бетонам гидротехнических сооружений

Особенности бетона и бетонных работ в гидротехническом строительстве

К гидротехническим сооружениям относят сооружения, находящиеся в воде или постоянно, или временно (периодически). Эти сооружения возводятся в самых различных условиях и помимо силовых воздействий подвер­гаются воздействиям воды, мороза, агрессивных сред, кавитации, увлаж­нению-высушиванию и т.д. Вследствие этого бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать свойствами, отличающими их от обычных бето­нов, рассчитываемых в основном на силовые воздействия.

Так, эти бетоны должны обладать такими дополнительными свойства­ми, как водонепроницаемость, морозостойкость, кавитационная стойкость и трещиностойкость. Выполнение этих требований обеспечивается соответ­ствующим подбором состава бетона, специальной технологией его пригото­вления и технологией производства бетонных работ.

Гидротехническое строительство в нашей стране характеризуется ук­ладкой огромных объемов бетона. Особенно большие объемы бетонных ра­бот имеют место на гидроузлах с бетонными плотинами. Так, например, объем бетона на строительстве Братской ГЭС с бетонной гравитационной плотиной составил 4,9 млн. м³, а на строительстве Саяно-Шушенской ГЭС с арочно-гравитационной плотиной – более 9,0 млн. м³. Таким образом, одной из основных особенностей бетонных работ в гидротехническом стро­ительстве является большой объем этих работ вследствие массивности гидротехнических сооружений и их больших размеров.

Отсюда вытекает и вторая особенность бетонных работ в гидротехническом строительстве – необходимость предусматривать в комплексе бетонных работ технологические мероприятия по обеспечению трещиностойкости и монолитности массивных бетонных сооружений. Известно, что твердение бетона идет с выделением тепла гидратации цемента, т.е. бетон в период твердения разогревается. При массивных конструкциях бетон разогревается до 40 и даже 50-60°С. Затем этот бетон подверга­ется внешнему воздействию температур наружного воздуха и начинает ос­тывать до эксплуатационной температуры, причем остывание протекает неравномерно, вызывая температурные перепады и, как следствие, температурные напряжения. Технология производства бетонных работ должна обеспечить такой температурный режим в блоках бетонирования и в целом в сооружении, который не вызвал бы недопустимых температурных перепа­дов и трещинообразования в блоках и обеспечил монолитность этих кон­струкций. Поэтому в комплексе бетонных работ имеются технологические мероприятия по регулированию температуры бетонной смеси на бетонном заводе и бетона в блоках бетонирования.

Третьей особенностью производства бетонных работ в гидротехни­ческом строительстве является необходимость обеспечения однородности бетона с требуемыми его качествами, опять же с целью повышения трещиностойкости и монолитности. Поэтому комплекс бетонных работ должен включать технологические операции по обеспечению такой однородности. Это точное фракционирование заполнителей и точное дозирование состав­ляющих и др.

Существенной особенностью, вытекающей также из больших объемов работ, является необходимость комплексной механизации всех технологи­ческих операций и всей технологий бетонных работ, так как только комплексная механизация всех процессов с механизмами большой производительности может обеспечить укладку таких больших объемов работ с большой интенсивностью. Например, годовая укладка бетона на строительстве Саяно-Шушенской ГЭС составила 1200 тыс. м³/год, а месячная – 154 тыс. м³/мес.

Таким образом, как по требованиям к свойствам бетона, так и к технологии его приготовления и укладки, бетон для гидротехнических сооружений имеет значительные отличия от обычных бетонов.

Особое место в гидротехническом строительстве занимают сооружения из укатанных бетонов, позволяющих значительно повысить интенсивность работ при одновременном упрощении технологии и мер борьбы трещинообразованием.

В общем, технология бетонных работ включает в себя целый комплекс различных технологических операций и мероприятий, а именно: приготовление и хранение заполнителей, приготовление и транспортирование бетонной смеси, укладку и уплотнение бетонной смеси в блоках, уход за уложенным бетоном. Сюда же входят арматурные и опалубочные работы, подготовка блоков бетонирования и др. Каждая операция из этого ком­плекса имеет свое определенное влияние на качество бетона и его свой­ства, поэтому в целом качество и свойства бетона обеспечиваются со­блюдением определенных требований именно во всей цепочке технологии бетона, а не только в какой-то одной.

Требования, предъявляемые к бетону гидротехнических сооружений

Требования к бетонам гидротехнических сооружений устанавливают­ся на основе анализа условий службы сооружений в соответствии с указаниями нормативных документов.

Основным при установлении требований к бетону является правильное определение комплекса внешних факторов, воздействующих на бетон гидротехнических сооружений в пери­од строительства и последующей эксплуатации. В зависимости от харак­тера воздействующих факторов и их интенсивности устанавливают соответ­ствующие требования к бетону и назначают марки бетона.

Бетон подразделяют по следующим признакам:

а) в зависимости от расположения в конструкциях по отношению к уровню воды на подводный бетон, бетон зоны переменного уровня воды и бетон надводный;

б) по массивности конструкций на бетон массивный и немассивный;

в) по действию напора воды на бетон напорных и бетон безнапорных конструкций;

г) по расположению в массивных конструкциях на бетон наружной и бетон внутренней зоны.

Основными техническими требованиями к бетону гидротехнических сооружений являются: механическая прочность и предельная растяжимость (предельная относительная деформация), водонепроницаемость, морозостойкость, допустимая степень водопоглощения и линейных изменений при увлажнении и высыхании, стойкость против агрессивного воздействия воды данного состава, отсутствие вредного взаимодействия щелочей цемен­та с заполнителями, допустимая степень разогрева, специальные, уста­навливаемые в проекте (например, стойкость против кавитационного раз­рушения при больших скоростях воды, стойкость против истираемости потоком воды с донными и взвешенными наносами).

Прочность бетона характеризует сопротивляемость бетона сжимающим и растягивающим напряжениям, а также его деформативность. В зависимости от гарантированной прочности бетона при сжатии, измеряемой в мегапаскалях (МПа), ГОСТ устанавливает следующие классы: В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В25; В30; В35. Эти классы по прочности на сжатие отвечают гарантированной прочности бетона в МПа с обеспеченностью . Для массивных сооружений допускается . Классы бетона по прочности для речных гидротехнических сооружений, как правило, устанавливаются в возрасте 180 дней. В случае сокращенных сроков строительства и быстрого ввода сооружений в эксплуатацию допускается устанавливать их в возрасте 28 и 90 дней. Для бетона морских сооружений классы по прочности устанавливаются в возрасте 28 дней.

Классы по прочности на осевое растяжение устанавливаются в тех случаях, когда они имеют главенствующие значения и контролируются на производстве. Предусматриваются следующие классы: Вz0,8; Вz1,2; Вz1,6; Вz2; Вz2,4; Вz2,8; Вz3,2.

Кроме классов бетона по прочности ГОСТ допускает в особых случаях применять показатели прочности по маркам М, характеризующим сопротивляемость бетона сжимающим и растягивающим напряжениям в кг/см² (в соответствии с ранее существовавшей классификацией). По прочности на сжатие ранее предусматривались следующие марки: М 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700, 800; по прочности на растяжение: Рz 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45.

При этом между классами бетона по прочности В и марками М имеются примерно следующие соответствия: М100 соответствует В7,5; М150 соответствует В10, В12; М200 соответствует В15; М250 соответствует В20; М350 соответствует В25.

Предельная растяжимость бетона (предельная относительная деформация), характеризующая сопротивляемость бетона деформациям (например, температурным), должна быть не менее: 5·10^-5 – для бетонов внутренних зон, 7·10^-5 – для бетонов наружных зон.

Методы определения различных характеристик бетона по образцам в лабораторных условиях регламентируется соответствующими нормативными документами.

Водонепроницаемость бетона характеризует сопротивление бетона воздействию напоров воды. ГОСТом устанавливаются следующие марки по водонепроницаемости: W 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16. Марки устанавливаются в зависимости от напорного градиента J, определяемого как отношение максимального напора в метра к толщине конструкции в метрах, и от температуры воды tв:

W=φ(J, tв, агрессивности среды) (13.1) (табл.11).

Таблица 11. Марки по водонепорницаемости

Температура воды, ºС	Марки бетона по водонепроницаемости при градиентах напора
	До 5 включительно	Свыше 5 до 10	Свыше 10 до 20	Свыше 20 до 30 включительно
До 10º включительно	W 2	4	6	8
Свыше 10º до 30º включительно	4	6	8	10
Свыше 30º	6	8	10	12

Примечание: Для конструкций с градиентом напора свыше 30 следует назначить марку бетона по водонепроницаемости W 16 и выше.

Для речных гидротехнических сооружений марки бетона по водонепроницаемости устанавливают в возрасте 180 дней, для морских – в возрасте 28 дней. Для бетона внутренних зон может приниматься марка по водонепроницаемости W-2 (при соответствующем обосновании). Для конструкций морских гидротехнических сооружений марки бетона по водонепроницаемости устанавливают в зависимости от зоны расположения и типа конструкций, но не ниже W4.

Морозостойкость бетона – это сопротивляемость бетона воздействию попеременного замораживания и оттаивания. ГОСТ устанавливает следующие марки по морозостойкости: F 50, 75, 150, 200, 300, 400, 500. Марка по морозостойкости для речных гидротехнических сооружений устанавливается в зависимости от климатических условий района и числа расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания или перехода через нуль температуры воздуха в течение года, т.е.

F=φ (климатических условий, числа циклов замораживания и оттаивания) (13.2) (табл.12).

Таблица 12. Марки по морозостойкости

Климатическме условия	Марки бетона по морозостойкости при числе циклов попеременного замораживания и оттаивания в год
	До 50 включительно	Свыше 50 до 75	Свыше 75 до 100	Свыше 100 до 150	Свыше 150 до 200 включительно
Умеренные	F 50	F 100	F 150	F 200	F 300
Суровые	100	150	200	300	400
Особо суровые	200	300	400	500	600

Примечание: 1. Климатическме условия, характеризующиеся среднемесячной температурой наиболее холодного месяца: умеренные – выше минус 10ºС, суровые – от минус 10 до минус 20º, особо суровые – ниже минус 20 ºС.

2. Среднемесячная температура определяется по СНиП 2.01.01-82, а также по данным гидрометеорологической службы.

3. При числе циклов более 200 следует применять специальные виды бетонов или конструктивныю теплозащиту.

Срок твердения бетона по марке морозостойкости принимается равным 28 суткам, а для массивных сооружений в теплой опалубке – 60 суткам.

Стойкость бетона к агрессивной среде характеризует его сопротивляемость разрушению от действия подземных или иных вод, содержащих различные агрессивные включения. Агрессивность воды устанавливается в соответствии со специальными инструкциями. В зависимости от рода агрессивности выбирают соответствующий вид цемента, стойкий против этого воздействия, а также проводят другие мероприятия для повышения сопротивляемости воздействию агрессивной среды (повышают водонепроницаемость, плотность и др.) или в случае необходимости применяют гидроизоляцию конструкции.

Существенным требованием к бетону гидротехнических сооружений в массивных конструкциях является требование пониженного тепловыделе­ния при твердении бетона для снижения перепадов температур и вслед­ствие этого облегчения борьбы с трещинообразованием. Это требование обеспечивают применением соответствующего вида цемента с пониженной теплотой гидратации, тщательным подбором состава бетона с минимально необходимым расходом цемента при применении различных добавок, сни­жающих расход цемента. По этому показателю особенно ценным и являются укатанные бетоны с расходом цемента – 60-120кг/м³.