Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства. Бетоны самоуплотняющиеся


Самоуплотняющийся бетон: особенности состава, фото

В этой статье мы расскажем о том, что собой представляет самоуплотняющийся бетон, какова история появления этого материала, и каковы его отличия от обычных строительных растворов, приготовленных на основе портландцементов.

Бетон в процессе набора прочности

Бетон в процессе набора прочности

Основные особенности

Виброрейка, от применения которой теперь можно отказаться

Виброрейка, от применения которой теперь можно отказаться

Материал, о котором пойдет речь в этой статье, уникален, так как имеет возможность уплотняться под действием собственного веса. Проще говоря, когда обычные растворы, заливаются в опалубку, необходим уплотнитель для бетона. Рассматриваемый нами тип растворов сам способен полностью заполнить любые формы даже при изготовлении густоармированных конструкций.

Технология нова, но, несмотря на это, находит все большее применение. Наиболее перспективной сферой использования таких бетонов становится промышленное производство ЖБИ и устройство монолитных сооружений, таких, например, как высокопрочные бесшовные бетонные полы. Не меньшей востребованностью технология пользуется при проведении торкрет бетонирования, усиления и реставрации уже эксплуатируемых конструкций.

Немного истории

На фото - заливка опор с применением самоподъемных опалубок

На фото — заливка опор с применением самоподъемных опалубок

В 70-х годах прошлого века был разработан ряд высокопрочных бетонов модифицированных рядом добавок-суперпластификаторов. Например, такие составы в 1970 году были применены при возведении монолитных сооружений на нефтедобывающих платформах, эксплуатируемых в особо сложных климатических условиях.

На фото - консистенция растворов с функцией самоуплотнения

На фото — консистенция растворов с функцией самоуплотнения

В ходе строительства и последующей эксплуатации данных сооружений были сформулированы рекомендации и ограничения применительно к введению суперпластификаторов:

  • Введение суперпластификаторов при определённой дозировке способно обернуться замедлением схватывания смеси.
  • При транспортировке смеси в течение 1 часа и более эффективность действие введенной добавки уменьшается, в результате снижается степень подвижности раствора.
  • Применение суперпластификаторов провоцирует расслоение плотной смеси при транспортировке по трубопроводу на расстояние более 200 метров. В итоге, качество готовых изделий существенно снижается. Это обстоятельство необходимо особо учитывать при промышленном проведении строительства с использованием специальных бензонасосов.

Повсеместное ведение грандиозных строительных проектов диктовало необходимость в изготовлении принципиально новых бетонов, отвечающих самым высоким эксплуатационным требованиям. Среди этих требований особого упоминания заслуживают сжатые сроки, необходимые как для проведения бетонирования, так и для набора марочной прочности готовым изделием.

Решение было найдено за счет проведения целого ряда теоретических исследований и практических внедрений, реализованных в целях:

  • эффективного использования мультифракционных заполнителей;
  • введения ультрадисперсных и микродисперсных наполнителей, предназначенных для увеличения коррозионной устойчивости и прочности материалов, армированных металлоконструкциями;
  • контроля реологии высокоподвижных смесей;
  • производства принципиально новых типов модификаторов и прочих регуляторов эксплуатационных свойств бетона.

В 1986 году японскими учеными был разработан особо прочный состав самоуплотняющегося бетона с рядом уникальных качеств. Новый материал получил название Self-Compacting Concrete.

Уникальным свойством раствора стала возможность уплотнения вследствие механической нагрузки собственного веса. В итоге, разработка материала нового типа позволила не использовать уплотнитель бетона.

Промышленное применение раствора было начато в 1996 году прошлого века, несколько позже были проведены полноценные испытания материала в естественных условиях. И только в 2004 году окончательно были определены особенности эксплуатации самоуплотняющихся бетонов, и была проведена их классификация:

Классификация смесей, используемых при изготовлении самоуплотняющегося бетона

На фото - заполнение самоуплотняющимся бетоном опалубки с армирующим каркасом

На фото — заполнение самоуплотняющимся бетоном опалубки с армирующим каркасом

  • Для неармированных или низкоармированных бетонных конструкций (трубопроводы, плиты перекрытий, фундаменты, облицовка туннелей и т.д.) применяются высокоподвижные смеси SF1. Смеси SF2 и SF3 используются для устройства обычных сооружений, включая вертикальные конструкции и сложные архитектурные формы.
  • Для изготовления конструкций и изделий с высоким качеством обработки поверхности и для конструкций низкого класса прочности применяется вязкие смеси типа VS1, VF1 или VS2, VF2.

Важно: По причине высокой расслаиваемости, транспортировка таких материалов на большие расстояния не рекомендована.

  • При строительстве вертикальных сооружений и конструкций, армированных с шагом не более 100 мм, применяются легко формуемые смеси PA 1 и PA 2.
  • Для строительства высотных элементов (кроме тонких балок) и вертикальных сооружений с шагом армирования не более 80 мм применяются устойчивые к расслоению смеси SR1 и SR2.

Эксплуатационные характеристики и преимущества

На схеме пример использования высокотехнологичной смеси

На схеме пример использования высокотехнологичной смеси

В соответствии с ГОСТ 7473-2010, самоуплотняющийся бетон отличается пониженным водоцементным отношением (не больше 0,4), в то же время достигаются высокие показатели удобоукладываемости материала в среднем — 70 см. Параметры прочности готовых конструкций составляют не менее 100 МПа.

Важно: Конструкции, отлитые из этого материала, отличает плотная структура с полным отсутствием крупных пор.В итоге, вода не проникает вглубь ЖБИ и процент коррозии арматуры крайне мал.

Важным компонентом в составе самоуплотняющегося бетона является поликарбоксилат – полимер, выполняющий функцию высокоэффективного комплексного химического модификатора.

Принцип действия компонента заключается в адсорбции на поверхности цементного зерна и сообщении ему отрицательного заряда. В итоге, цементные зерна отталкиваются друг от друга, что, в свою очередь, приводят в движение раствор и способствует его уплотнению.

Важным моментом является длина цепи, которая создаётся молекулами суперпластификатора. Чем длина цепи больше, тем более интенсивно происходит отталкивание зерен. В итоге, эффективность пластификации повышается, и продлить ее действие можно посредством постоянного перемешивания.

Важно Длительность эффекта пластификации при использовании поликарбоксилатов в 3 раза продолжительнее, чем при использовании традиционных суперпластификаторов.Это качество обеспечивается вследствие большего размера молекул поликарбоксилата.

Среди преимуществ таких растворов отметим следующее:

  • Более продолжительное время, в течение которой может проводиться транспортировка смеси;
  • Возможность транспортировать смести на большие расстояния от завода до строительной площадки;
  • Оптимальное качество готовых ЖБИ, а именно идеально ровная поверхность без необходимости в дополнительной обработке;
  • Сжатые сроки реализации строительства и, как следствие, ускоренная сдача объекта в эксплуатацию;
  • Не нужен виброуплотнитель бетона;
  • Меньшее число квалифицированных рабочих, занятых на стройплощадке и как следствие меньшая цена всего строительства;
  • Меньший уровень шума, в сравнении с обычным строительством, что особо актуально, если бетонирование проводится в центре населённого пункта.

Требования к условиям изготовления

На фото - отгрузка товарного бетона

На фото — отгрузка товарного бетона

ГОСТ на самоуплотняющийся бетон предполагает производство с применением высококачественного оборудования и квалифицированного персонала. Именно поэтому такие материалы производятся не своими руками, а преимущественно в заводских условиях.

Из-за чувствительности материала в плане водопотребления, производство должно отвечать следующим требованиям:

  • Обеспечение высокой точности дозирования компонентов до их подачи в смесительную установку.
  • Обязательное предупреждение наличия скоплений влаги под зернистым заполнителем в бункере до начала производственного процесса.
  • Обеспечение непрерывного контроля влажности используемого песка.
  • Обеспечение непрерывного контроля влажности в крупнозернистом заполнителе.
  • Своевременное проведение чистки барабана смесителя и обязательная проверка его внутреннего объёма до загрузки ингредиентов, входящих в смесь.

Особенности транспортировки

Миксер для перевозки раствора на колесном шасси

Миксер для перевозки раствора на колесном шасси

Время и условия транспортировки сказываются на качестве всех бетонов и самоуплотняющийся бетон не исключение. Процесс сегрегации (расслоения) бетона оборачивается снижением качества строительного материала и изделий, изготовленных с его применением.

Так называемый «эффект осадка», при использовании различных разжижителей, характерен для строительных растворов, если они транспортируются свыше 1 часа без перемешивания. Именно поэтому, транспортировка строительного раствора осуществляется посредством специальных автомиксеров – смесителей на колёсном шасси.

Ещё одним важным моментом, который в обязательном порядке следует учесть, планируя транспортировку, это негативное воздействие погодных условий. К примеру, долговременное попадание солнечных лучей на поверхность транспортировочной емкости наверняка приведет к повышению температуры, как самой емкости, так и бетонной смеси. Повышение температура, в свою очередь, может привести к изменению консистенции материала.

Для того чтобы предотвратить подобное развитие событий для транспортировки должны применяться специальные транспортные средства. Кроме того, производитель должен снабдить заказчика подробной и достоверной информацией о свойствах материала.

Самоуплотняющийся бетон подается бетононасосом

Самоуплотняющийся бетон подается бетононасосом

Для того чтобы смесь на строительной площадке приобрела оптимальную рабочую консистенцию в ее состав подмешивается разжижитель. Количество разжижителя подбирается в соответствии с рекомендациями производителя и исходя из содержания технологических предписаний.

По факту поставки бетона на объект необходимо обеспечить непрерывную перекачку смеси с тем расчетом, чтобы материал был применен по назначению без существенных промедлений.

Важно: При перекачке и последующем использовании смеси необходимо располагать точными сведениями о том, сколько времени материал провел в дороге и сколько времени отводится под его разгрузку и применение до момента предполагаемой утраты эксплуатационных качеств.

Особенности укладки бетонной смеси

На фото - заливка самоуплотняющегося бетона в опалубку

На фото — заливка самоуплотняющегося бетона в опалубку

По большему счету самоуплотняющийся бетон укладывается примерно также как и большинство других строительных растворов.

Но есть некоторые особенности, о которых следует помнить:

  • До того как приступить к укладке, следует убедиться в том, что в опалубке для бетонного изделия нет воды. Если вода есть, ее необходимо полностью удалить, так как даже небольшое ее содержание может стать причиной расслоения смеси.
Подача материала в рамную опалубку

Подача материала в рамную опалубку

  • До того как использоваться при укладке, раствор должен пройти расстояние, которого будет достаточно для вывода содержащегося в нем воздуха. Как правило, этим расстоянием является протяжённость рукавов от бетононасоса до опалубки.Если заливка производится без применения насоса, это расстояние следует создать искусственно.
  • Инструкция укладки готового раствора не предусматривает простоев. Если технологический перерыв по тем или иным причинам необходим, он не должен превышать получаса.Дело в том, что вследствие долговременного контакта с открытым воздухом поверхность материала уплотняется. Образовавшееся уплотнение будет препятствовать смешению двух слоёв поочерёдно укладываемого раствора.По статистике, даже незначительные простои при проведении укладки могут поспособствовать утрате способности бетона к самоуплотнению.
Подача раствора в опалубку с небольшой высоты

Подача раствора в опалубку с небольшой высоты

  • Если укладка смеси производится в опалубки, из которых затруднено естественное отведение воздуха, бетонирование требует особого подхода.

Например, заполняя форму узких колонн, не следует сбрасывать смесь свысока. Лучше будет опустить рукав внутрь опалубки и по мере заполнения формы постепенно его поднимать. Чем меньше высота, с которой бетон подаётся в опалубку, тем меньше воздуха будет растворено в его толще, и тем эффективнее он будет выводиться из формы.

Вывод

Итак, мы рассмотрели и особенности материала, благодаря которому вам не потребуется ручной виброуплотнитель для бетона. В итоге, строительные работы, запланированные вами, можно будет реализовать в сжатые сроки без ущерба для качества готового результата.

Заказать и приобрести самоуплотняющийся бетон несложно. Но куда важнее обеспечить соответствие требованиям транспортировки и применения материала. Остались какие-либо вопросы? Больше полезной информации вы сможете найти, посмотрев видео в этой статье.

masterabetona.ru

Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства

Посмотреть все статьи

 

Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства

Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?…

Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60–90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200–250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.

Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.

Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на

— применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;

— введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;

— управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

— создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал “самоуплотняющийся бетон”.

Самоуплотняющийся бетон — Self-Compacting Concrete (SCC) — способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC “Долговечность самоуплотняющегося бетона”, председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.

Таблица 1

Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов

Наименование бетонной смеси

Обозначение

Назначение и области применения самоуплотняющихся бетонов

Высокоподвижная

(Flowability Slump-flow)

SF1

(550…650 мм)

Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции – плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаментов.

SF2

(660…750 мм)

Большинство обычных сооружений – колонны, стены.

SF3

(760…850 мм)

Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм, торкретирование.

Вязкая

(Viscosity)

VS1/VF1

(вязкость менее

8 секунд)

Конструкции и изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и не требующие дополнительной обработки.

VS2/VF2

(вязкость

9…25 секунд)

Конструкции невысокого класса прочности. Ввиду повышенной расслаиваемости тиксотропные свойства быстро изменяются за небольшой промежуток времени, что ограничивает расстояние транспортировки.

Легкоформуемая (Passing ability)

PA 1

Вертикальные сооружения, домостроение, конструкции, армированные с шагом от 80 до 100 мм.

PA 2

Инженерные сооружения, армированные с шагом от 60 до 80 мм.

Устойчивая к расслоению (Segregation resistance)

SR1

(расслаиваемость не более 20%)

Высотные элементы, за исключением тонких балок, вертикальные сооружения, армированные с шагом до 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки менее 5 метров.

SR2

(расслаиваемость не более 15%)

Стены и тонкостенные профили, армированные с шагом свыше 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки более 5 метров.

В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.

Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.

В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.

Таблица 2

Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов

Компоненты бетонной смеси

Расход составляющих на 1 м3 бетонной смеси

Япония

Вода, кг

175

Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг

530

Зола, кг

70

Мелкий заполнитель, кг

751

Крупный заполнитель, кг

789

Добавка суперпластификатор, кг

9

Европейский Союз

Вода, кг

190

Портландцемент, кг

280

Известковый наполнитель, кг

245

Мелкий заполнитель, кг

865

Крупный заполнитель, кг

750

Добавка суперпластификатор, кг

4,2

США

Вода, кг

180

Портландцемент, кг

357

Гранулированный шлак, кг

119

Мелкий заполнитель, кг

936

Крупный заполнитель, кг

684

Добавка суперпластификатор, мл

2500

Индия

Вода, кг

163

Цемент, кг

330

Зола высококальциевая, кг

150

Крупный заполнитель 10 мм, кг

309

Крупный заполнитель 20 мм, кг

455

Мелкий заполнитель, кг

917

Добавка суперпластификатор, мл

2400

Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India – Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10–16 мм и 16–20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. – 5-7 July 2005].

Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона

в начальные сроки твердения

Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения — поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.

За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3–4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.

Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.

Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.

 Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6–8 С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента

Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.

Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.

В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.

С. М. Базанов,М. В. Торопова,Ивановская государственная академия архитектуры и строительства

www.ibeton.ru

Самоуплотняющиеся бетоны. Реальность и перспективы

Самоуплотняющийся бетон (СУБ) – это бетон, который без воздействия дополнительной внешней уплотняющей энергии самостоятельно, под действием собственной тяжести и за счёт высокой подвижности течёт, освобождается от содержащегося в нём воздуха и полностью заполняет пространство опалубки, в том числе между арматурными стержнями.

При этом объём пор в СУБ не больше, чем в обычном бетоне. История СУБ началась в Японии в 1990 г. Там профессором Хайимой Окамурой было создано и внедрено в практику новое поколение добавок к бетону – высокоэффективные добавки (гиперпластификаторы) на базе полиакрилата и поликарбоксилата.

Использование этих добавок совместно с повышенным количеством (по сравнению с традиционным цементобетоном) мелких пылевидных частиц микронаполнителей (микрокремнезём, различные золы, молотые граншлак или известняк и др.) дало возможность получить СУБ [1]. С использованием СУБ в Японии был построен ряд уникальных сооруже-ний, среди которых, например, открытый в 1998 г. мост Акаши-Кайкё (центральный пролёт 1991 м и две секции по 960 м).

Благодаря своим свойствам и преимуществам СУБ получил широкое распространение в Западной Европе. Дальнейшее активное развитие и изучение этих бетонов происходило, главным образом, в Германии. После тщательного изучения свойств СУБ в Институте строительных исследований в г. Аахен в 2000-2001 гг под руководством профессора Вольфганга Брамесхубера, были созданы предпосылки для официального допуска и распространения этого материала по всей Европе.

 Исследования в Аахене показали, что прочность при сжатии СУБ, как правило выше, чем обычного «вибрируемого» бетона (с одинаковым расходом цемента), а прочность на раскалывание, усадка и ползучесть – такие же. Модуль упругости этих бетонов на 10-15 % ниже – вследствие повышенного содержания мелких частиц и пониженного крупного заполнителя. Последним аргументом в пользу широкого распространения СУБ в Западной Европе было создание в Берлине Немецким комитетом по железобетону в ноябре 2003 г. нормативного документа [2].

В этом документе подробно изложены термины и связи с другими европейскими нормативными документами по строительству, а также методы диагностики СУБ. В 2004 г. организован Технический комитет 205-DSC «Долговечность самоуплотняющегося бетона», председателем которого является профессор Шуттер.

Рецептура самоуплотняющейся бетонной смеси весьма существенно отличается от состава обычной смеси. Первым отличием является принципиально другой подход к соотношению и гранулометрии заполнителей. Второе отличие заключается в обязательном присутствии в смеси микронаполнителей.

Диаметр расплыва конуса при истечении бетонной смеси (подвиж-ность) из стандартного конуса Абрамса – более 50 см. Для удобства наполнения конус переворачивают. При такой высокой подвижности смесей порошкообразный минеральный наполнитель уменьшает вероятность расслоения. При этом повышению водопотребности смеси из-за высокой удельной поверхности микронаполнителя препятствует высокий пластифицирующий эффект гиперпластификатора.

СУБ позволяет повысить производительность бетонных работ, при этом ускорить укладку бетона (сокращая численность рабочих на укладке) и обеспечить лёгкое протекание бетонной смеси через густоармированные участки. Высокая подвижность и стойкость к расслоению таких смесей гарантирует однородность, минимальный объём пор, хорошее качество по-верхности.

 В России СУБы начали производиться сравнительно недавно. Данный тип бетонов был успешно применён при сооружении ростверка пилона моста (около 20 000 м3) на острове Русский; при производстве мостовых балок на заводах и полигонах Мостотреста; при изготовлении буронабивных свай в г. Санкт-Перербург и др. Однако, широкого применения в нашей стране СУБ пока не нашёл. П

о мнению авторов, факторами, препятствующими распространению СУБ на стройках России, являются:

1. Снижение себестоимости производства бетонных работ за счет отказа от вибрирования конструкций – в условиях России, как показывает практика, на сегодняшний момент довольно спорный вопрос. Изготовление данной бетонной смеси, транспортировка и приемка на объекте достаточно ответственный процесс и требует присутствия дополнительного количества сотрудников лаборатории, руководителей среднего, а иногда и высшего звена.

2. При производстве на БСУ необходимо иметь отдельные силоса для тон-комолотых материалов (зола-уноса, шлак, каменная мука и др. ), бункера для щебня более мелкой фракции и меньшей лещадности, а также песка.

 3. СУБ отличаются низким В/Ц, поэтому влажность заполнителей имеет большое значение.

 4. Особую роль играет качество опалубки. Поверхность должна быть иде-альной (иначе образуются значительные каверны на боковых поверхностях изделий), необходимо применение соответствующей смазки.

 5. Качество применяемых материалов (цемента, минеральных добавок, щебня, песка, хим. добавок) для данных бетонных смесей имеет особое значение. Самоуплотняющаяся смесь более, чем традиционная, чувствительна к характеристикам составляющих, при их отклонении от заданных она может превратиться в расслоенную субстанцию.

Перечисленные выше замечания вытекают из опыта работы производственных предприятий, находящихся под контролем Мостовой инспекции. Для демонстрации возможностей СУБ приводим некоторые составы и основные строительно-технические свойства бетонных смесей и полученных из них бетонов.

 Смеси изготовлялись в лабораторных условиях с использованием имеющихся заполнителей.

В работе были использованы:

 1. Портландцемент ПЦ 500-Д0-Н производства Мальцовского цементного завода – ГОСТ 10178. Активность 47,3 МПа.

2. Песок кварцево-полевошпатовый Мкр. = 2,3 – ГОСТ 8736.

3. Щебень гранитный фр. =5…20 мм (максимальный размер зёрен -25 мм), содержание лещадных частиц 21 % ГОСТ 8267.

4. Микронаполнитель – мука известняковая доломитовая – ГОСТ 14050. Удельная поверхность исходной муки – 245 м2/кг , истинная плотность – 2500 кг/м3. Мука активировалась в дезинтеграторе для лабораторных исследований типа М-АВР. После домола удельная поверхность возросла до 295 м2/кг.

5. Добавка-гиперпластификатор – Sika Viscocreate – 20 Gold – в виде товарного раствора. Из указанных выше материалов в лабораторном бетоносмесителе принудительного перемешивания объёмом 50 л приготавливались бетонные смеси.

 После перемешивания смеси разливались в формы-кубы размером 10х10х10 см. Твердение образцов происходило в нормальных условиях (температура (20±3)оС и относительная влажность воздуха (97±3)%). Составы бетонных смесей и прочностные характеристики полученных бетонов представлены в табл.1.

Из данных табл.1 следует:

1. Расход известняковой муки в бетонных смесях не должен превышать 200 кг/м3 (во избежание увеличения водопотребности).

2. В присутствии гиперпластификатора образуется иная, менее дефектная структура цементного камня. Представленные результаты говорят о значительном превышении прочности бетонов при сжатии по сравнению с прочностью, ожидаемой в соответствии с известной формулой Боломея-Скрамтаева.

По мнению авторов, согласующемуся с мнением специалистов РХТУ им. Д.И. Менделеева, в данном случае происходит изменение морфологии кристаллогидратов в сторону образования большего количества мелкодисперсных фаз, уплотняющих структуру цементного камня и бетона.

 3. Несмотря на некоторое несоответствие характеристик использованного в данном эксперименте крупного заполнителя требованиям, обычно предъявляемым к щебню для СУБ (лещадность, максимальная крупность зёрен), * в данном замесе была использована неактивированная доломитовая мука. удалось получить самоуплотняющиеся бетоны хорошего качества. Бетонные смеси всех представленных составов не имели водоотделения. Серии образцов состава №1 были испытаны на морозостойкость.

Испытания проведены по третьему ускоренному методу ГОСТ 10060. В результате установлено, что марка бетона по морозостойкости, приведённая ко второму базовому методу – F150(II). Испытания дилатометрическим методом привели к аналогичному результату. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения СУБ не только в бетонах общестроительного назначения, но и в транспортном строительстве (при оптимизации составов бетонов и содержания вовлечённого воздуха).

 В заключение следует отметить: Самоуплотняющиеся бетоны являются новым, весьма перспективным видом цементных бетонов.

Однако, для адаптации данной технологии к условиям Российской Федерации, необходима серьёзная работа по изучению различных минеральных наполнителей (золы, молотые шлаки и известняк, микрокремнезём и др.) в качестве микронаполнителей в СУБ с исследованием комплекса основных строительно-технических свойств бетонов прочности при различных видах нагружения; деформаций усадки и ползучести; модулей упругости; морозостойкости; выносливости (для транспортных сооружений). Одновременно необходимо разработать (или найти поставщиков) подходящую для СУБ опалубку и смазки.

В настоящее время в РФ среди большинства предприятий, производящих СУБ, наблюдается тенденция – засекречивать всё, что связано с данным производством.

Для всестороннего изучения и широкого внедрения СУБ в строительное производство в нашей стране необходима соответствующая программа с достаточным финансированием.

 Список использованной литературы

  1. Okamura H., Ouchi M. SelfCompacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, vol.1, No1. 2. Dafstb-Richtlinie Selbstverdich tender beton (SVBRichtlinie).

Ефимов С.Н., Суханов М.А. – МАДИ; Глубоков Е.В., Тарасова А.Ю. – Мостовая инспекция

www.stroyorbita.ru

Принципы создания и применения самоуплотняющегося бетона

Рассмотрены основные принципы создания и применения новой высокой технологической разновидности бетонов. Показаны основные преимущества этих материалов.

Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, суперпластификатор, тонкий наполнитель, дисперсные отходы промышленности.

 

Концепция самоуплотняющегося бетона была предложена японскими специалистами в конце 80-х годов XX века [1]. Основной целью при разработке этой высокотехнологичной разновидности бетона было получение высококачественного материала, не требующего значительных трудозатрат для укладки и уплотнения бетонной смеси [2]. Этот фактор сыграл основную роль быстрого развития технологии самоуплотняющихся бетонов в начале 90-х годов не только в Японии, но и других промышленно развитых стран мира США, Швеции, Германии, Франции, которые испытывали дефицит квалифицированной рабочей силы в строительной отрасли.

Основополагающие исследования по самоуплотняющимся бетонам были выполнены в конце 80-х годов К. Ozawa и сотрудниками Токийского университета [3]. В соответствии с концепцией самоуплотняющегося бетона [2] он должен удовлетворять следующим требованиям: бетонная смесь способна уплотняться и течь через участки с высокой концентрацией арматуры без вибрации; в уложенном или твердеющем бетоне не должны появляться начальные дефекты; затвердевший бетон должен обладать высокой стойкостью к внешним факторам.

Создание таких бетонов стало возможным благодаря внедрению в технологии бетонов суперпластификаторов и микрокремнезема. Однако в полной мере идея самоуплотняющегося бетона была воплощена после создания японскими учеными нового поколения суперпластификаторов на основе поликарбоксилатных соединений [2].

Механизм действия этих суперпластификаторов основан не только на электростатическом отталкивании, но и на стерическом эффекте [4]. В структуре молекул суперпластификаторов имеются длинные боковые ответвления [4], которые обеспечивают диспергирование частиц цемента. Такие суперпластификаторы характеризуются более продолжительным пластифицирующим эффектом при более низких дозировках.

Кроме применения новых, более эффективных суперпластификаторов, для обеспечения самоуплотнения используются [5] следующие технологические приемы: снижается расход крупного заполнителя и водовяжущее отношение, при этом максимально повышается дозировка суперпластификатора.

Эффект самоуплотнения достигается за счет снижения контактных взаимодействий между зернами крупного и мелкого заполнителя, что обеспечивается высоким объемным содержанием цементного теста. Однако повышение расхода цемента нежелательно не только по экономическим причинам. Бетоны с высоким содержанием вяжущего характеризуются высокими значениями деформаций усадки и ползучести, кроме того, повышенным тепловыделением при твердении, что может вызвать возникновение дефектов структуры бетона.

Получение бетонных смесей с большим содержанием цементного теста при умеренном расходе цемента возможно при замещении части вяжущего высокодисперсными минеральными материалами — микрокремнеземом, золой-уносом, метакаолином, каменной мукой [6, 7, 8] или другими дисперсными минеральными промышленными отходами [9–11]. Замена части цемента позволяет получить текучее цементное тесто без седиментации, водоотделения и расслоения литой бетонной смеси.

Обычные бетоны включают в свой состав минимально три необходимых компонента — цемент, воду и заполнитель. Совместное применение суперпластификатора и тонкого наполнителя (микрокремнезема и др.) позволило получить новые разновидности бетонов, которые в мировой строительной практике получили название высокопрочные бетоны (High Strength Concrete — HSC) и высококачественные бетоны (High-Performance Concrete — НРС). С учетом того, что для получения таких бетонов количество обязательных компонентов должно быть увеличено, такие бетоны считаются пятикомпонентными [6]. В связи с тем, что самоуплотняющиеся бетоны можно считать усовершенствованными высококачественными бетонами, принято говорить о них как о новой стадии развития пятикомпонентных бетонов [6].

По мнению [12] при производстве самоуплотняющихся бетонов необходимо преодолеть три противоречивых фактора: обеспечить высокую текучесть бетонной смеси, исключить ее расслаиваемость и достичь высокой прочности.

Для повышения характеристик самоуплотняющихся бетонов в их состав вводятся, кроме обязательных компонентов — суперпластификаторов и дисперсных материалов, различные высокоэффективные химические добавки, в частности модификаторы вязкости, замедлители схватывания, ускорители твердения. С целью предотвращения водоотделения и расслоения, кроме тонкого наполнителя, при необходимости в состав бетонной смеси вводятся добавки, повышающие вязкость цементного теста. Эти добавки производятся на основе модифицированной целлюлозы, гидролизованного крахмала, полиэтиленгликоля, природных биополимеров и др.

Реологические свойства самоуплотняющихся бетонных смесей значительно отличаются от свойств обычных бетонов. В связи с этим для проектирования состава бетона и контроля его свойств в лабораторных и производственных условиях необходимы специальные методы определения удобоукладываемости бетонной смеси. За сравнительно непродолжительный период исследования самоуплотняющихся бетонных смесей были созданы различные методы определения их свойств. К числу таких методов относят U-испытания (U-Test) [2], V-испытания (V-Funnel Test) [6], метод Оримета (Orimet test), L-испытания (L-box test), испытания с использованием стандартного конуса Адамса с блокирующим кольцом.

Использование исследователями, производителями и потребителями самоуплотняющихся бетонов различных методов привело к тому, что результаты определения удобоукладываемости, полученные такими методами, трудно сопоставить. В связи с этим созрела необходимость принятия гармонизированных стандартов, регламентирующих методики определения способности бетонной смеси к самоуплотнению. В качестве основной, вероятно, будет принята наиболее простая методика — стандартный конуса Адамса с блокирующим кольцом.

После создания методологии проектирования самоуплотняющихся бетонов в начале 90-х годов [1–3] и разработки методик определения их свойств стало возможным широкое применение этой разновидности бетона в строительной практике. В начале 90-х годов самоуплотняющийся бетон в Японии применялся только крупными строительными компаниями. Эго было связано с большими затратами на разработку технологии, текущий контроль качества. Доля самоуплотняющегося бетона в общем объеме бетона не превышала 1 %. Эта разновидность бетона рассматривалась как специальный бетон, применение которого оправданно на крупных объектах [2].

В промышленном масштабе самоуплотняющийся бетон впервые был применен в 1991 г. при сооружении преднапряженных железобетонных пилонов вантового моста [2]. Положительный опыт использования самоуплотняющегося бетона способствовал увеличению объемов его применения.

В качестве основных причин применения этого бетона называют [2]:

-          сокращение сроков строительства;

-          обеспечение надежного уплотнения, в том числе в густоармированных конструкциях сложной конфигурации;

-          высокое качество бетонной поверхности;

-          снижение трудоемкости, устранение шума и вибрации при укладке бетонной смеси.

Немаловажным фактором для расширения объемов производства самоуплотняющегося бетона следует считать применение в его составе дисперсных промышленных отходов, таких, как зола-унос, дисперсные отходов камнедробления, микрокремнезем и др.

Объемы производства самоуплотняющихся бетонов в мировой строительной практике постоянно возрастают. Самая высокая доля этих материалов в объеме производства бетонов приходится на страны с высокой производительностью труда. К примеру, в Дании объем производства самоуплотняющегося бетона составляет около 50 % от общего объема бетона в этой стране.

Самоуплотняющийся бетон — высокотехнологичный материал, его свойства в большей степени, чем для обычного бетона зависят от характеристик сырьевых материалов и точности их дозировки. Для получения материала с гарантированными свойствами необходим четко налаженный лабораторный контроль характеристик исходных материалов и готовой продукции.

Для эффективного применения самоуплотняющегося бетона необходимо учитывать, что его стоимость выше стоимости обычного бетона, и его использование оправданно там, где необходимы высокие темпы бетонирования, гарантированное уплотнение в густоармированных конструкциях, высокое качество поверхности.

Производство самоуплотняющегося бетона в условиях современного уровня развития отечественной строительной отрасли сдерживается низкой стоимостью рабочей силы в России; в структуре себестоимости продукции доля оплаты труда намного ниже, чем в промышленно развитых странах. Очевидно, что по этой причине, а также из-за неразвитости рынка дисперсных материалов и высокой стоимости суперпластификаторов зарубежного производства новый вид бетона не находит такого широкого применения, как в Европе, США и Японии. Тем не менее, в тех регионах, где ведется интенсивное строительство и наблюдается дефицит рабочей силы, в частности в Москве и Петербурге, имеется опыт применения самоуплотняющегося бетона. Вероятно, при подобных изменениях в объемах строительства и на рынке труда и в других регионах России эта разновидность бетона будет востребована.

 

Литература:

 

1.         Kodama, Y. Current condition of self-compacting concrete. Cement Shimbun, No. 2304, Dec. 1997.

2.         Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: труды 1-й Всерос. конф. по бетону и железобетону. — Москва, 2001.- С. 209–215.

3.         Ozawa, К. Development of high performance concrete based on the durability design of concrete structures / К.Ozawa, et. al. // Proceedings of the second East-Asia and Pacific Conference on Structural Engineering and Construction. -1999. — Vol. 1. — P.445–450.

4.         Sakai, E. Molecular Structure and Dispersion-Adsorption Mechanism of Comb-Type Superplasticizers Used in Japan / E. Sakai, K. Yamada, A. Ohta // Journal of Advanced Concrete Technology. 2003. 1(1). 16–25.

5.         Оkamura H, et al. Mix-design for self-compacting concrete / H. Оkamura, et al. // Concrete Library of JSCE. -June 1995. — No. 25. -P.107–120.

6.         Horst G. and Joerg R. Self compacting concrete — another stage in the development of the 5-component system of concrete // Betontechnische Berichte (Concrete Technology Reports), Verein Deutscher Zementwerke. — Dusseldorf, 2001. P. 39–48.

7.         Калашников, В. И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 20–23.

8.         Суздальцев, О. В. Новые высокоэффективные бетоны / О. В. Суздальцев, В. И. Калашников, М. Н. Мороз, Г. П. Сехпосян // Новый университет. Серия: Технические науки. 2014. № 7–8 (29–30). С. 44–47.

9.         Тарасеева, Н. И. Роль безотходных технологий в расширении сырьевой базы для получения эффективных модифицирующих добавок и активных наполнителей в цементные растворы и бетоны / Н. И. Тарасеева, А. В. Воскресенский, А. С. Тарасеева // Новый университет. Серия: Технические науки. 2014. № 10 (32). С. 90–93.

10.     Шестернин А. И., Козюра О. А., Коровкин М. О. Свойства тонкого наполнителя для бетона из лома железобетонный конструкций Актуальные вопросы строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф.: Ч. 1 — Саранск: Изд-во Мордовского гос. ун-та, 2008. — С. 238–242.

11.     Замчалин М. Н., Коровкин М. О., Ерошкина Н. А. Выбор суперпластификаторов для самоуплотняющихся бетонов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/46335 (дата обращения: 02.02.2015).

12.     Калашников, В. И. Расчет составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов / В. И. Калашников / Строительные материалы. 2008. № 10. С. 4–6.

moluch.ru

Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства

Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?...

Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60–90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200–250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.

Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.

Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на

- применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;

- введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;

- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал «самоуплотняющийся бетон».

Самоуплотняющийся бетон — Self-Compacting Concrete (SCC) — способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC «Долговечность самоуплотняющегося бетона», председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.

Таблица 1

Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов

Наименование бетонной смеси

Обозначение

Назначение и области применения самоуплотняющихся бетонов

Высокоподвижная

(Flowability Slump-flow)

SF1

(550…650 мм)

Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции – плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаментов.

SF2

(660…750 мм)

Большинство обычных сооружений – колонны, стены.

SF3

(760…850 мм)

Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм, торкретирование.

Вязкая

(Viscosity)

VS1/VF1

(вязкость менее

8 секунд)

Конструкции и изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и не требующие дополнительной обработки.

VS2/VF2

(вязкость

9…25 секунд)

Конструкции невысокого класса прочности. Ввиду повышенной расслаиваемости тиксотропные свойства быстро изменяются за небольшой промежуток времени, что ограничивает расстояние транспортировки.

Легкоформуемая (Passing ability)

PA 1

Вертикальные сооружения, домостроение, конструкции, армированные с шагом от 80 до 100 мм.

PA 2

Инженерные сооружения, армированные с шагом от 60 до 80 мм.

Устойчивая к расслоению (Segregation resistance)

SR1

(расслаиваемость не более 20%)

Высотные элементы, за исключением тонких балок, вертикальные сооружения, армированные с шагом до 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки менее 5 метров.

SR2

(расслаиваемость не более 15%)

Стены и тонкостенные профили, армированные с шагом свыше 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки более 5 метров.

В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.

Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.

В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.

Таблица 2

Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов

Компоненты бетонной смеси

Расход составляющих на 1 м3 бетонной смеси

Япония

Вода, кг

175

Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг

530

Зола, кг

70

Мелкий заполнитель, кг

751

Крупный заполнитель, кг

789

Добавка суперпластификатор, кг

9

Европейский Союз

Вода, кг

190

Портландцемент, кг

280

Известковый наполнитель, кг

245

Мелкий заполнитель, кг

865

Крупный заполнитель, кг

750

Добавка суперпластификатор, кг

4,2

США

Вода, кг

180

Портландцемент, кг

357

Гранулированный шлак, кг

119

Мелкий заполнитель, кг

936

Крупный заполнитель, кг

684

Добавка суперпластификатор, мл

2500

Индия

Вода, кг

163

Цемент, кг

330

Зола высококальциевая, кг

150

Крупный заполнитель 10 мм, кг

309

Крупный заполнитель 20 мм, кг

455

Мелкий заполнитель, кг

917

Добавка суперпластификатор, мл

2400

Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India – Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10–16 мм и 16–20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. – 5-7 July 2005].

Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона в начальные сроки твердения

Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения — поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.

За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3–4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.

Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.

Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.

Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6–8 °С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента

Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.

Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.

В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.

www.allbeton.ru

Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства

Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций.Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?...

Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60–90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200–250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.

Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.

Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на

- применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;

- введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;

- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал “самоуплотняющийся бетон”.

Самоуплотняющийся бетон — Self-Compacting Concrete (SCC) — способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC “Долговечность самоуплотняющегося бетона”, председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.

Таблица 1

Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов

Наименование бетонной смеси

Обозначение

Назначение и области применения самоуплотняющихся бетонов

Высокоподвижная

(Flowability Slump-flow)

SF1

(550…650 мм)

Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции – плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаментов.

SF2

(660…750 мм)

Большинство обычных сооружений – колонны, стены.

SF3

(760…850 мм)

Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм, торкретирование.

Вязкая

(Viscosity)

VS1/VF1

(вязкость менее

8 секунд)

Конструкции и изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и не требующие дополнительной обработки.

VS2/VF2

(вязкость

9…25 секунд)

Конструкции невысокого класса прочности. Ввиду повышенной расслаиваемости тиксотропные свойства быстро изменяются за небольшой промежуток времени, что ограничивает расстояние транспортировки.

Легкоформуемая (Passing ability)

PA 1

Вертикальные сооружения, домостроение, конструкции, армированные с шагом от 80 до 100 мм.

PA 2

Инженерные сооружения, армированные с шагом от 60 до 80 мм.

Устойчивая к расслоению (Segregation resistance)

SR1

(расслаиваемость не более 20%)

Высотные элементы, за исключением тонких балок, вертикальные сооружения, армированные с шагом до 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки менее 5 метров.

SR2

(расслаиваемость не более 15%)

Стены и тонкостенные профили, армированные с шагом свыше 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки более 5 метров.

 

 

Хорошее начало 2007 года!

Журнал "Популярное бетоноведение" начинает и в течение года полностью опубликует очень интересную и полезную брошюру:

"Итальянские технологии производства пенобетона - материал от компании LASTON ITALIANA SPA"

Первая часть в первом номере 2007 года!

Подписаться!

Чертежи установки напольного прессования.

Журнал "Популярное бетоноведение" начал публикацию полных чертежей установки напольного прессования для производства стеновых блоков из бетона, керамзитобетона, опилкобетона и т.п.

Подписаться!

 

 

В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.

Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.

В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.

Таблица 2

Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов

Компоненты бетонной смеси

Расход составляющих на 1 м3 бетонной смеси

Япония

Вода, кг

175

Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг

530

Зола, кг

70

Мелкий заполнитель, кг

751

Крупный заполнитель, кг

789

Добавка суперпластификатор, кг

9

Европейский Союз

Вода, кг

190

Портландцемент, кг

280

Известковый наполнитель, кг

245

Мелкий заполнитель, кг

865

Крупный заполнитель, кг

750

Добавка суперпластификатор, кг

4,2

США

Вода, кг

180

Портландцемент, кг

357

Гранулированный шлак, кг

119

Мелкий заполнитель, кг

936

Крупный заполнитель, кг

684

Добавка суперпластификатор, мл

2500

Индия

Вода, кг

163

Цемент, кг

330

Зола высококальциевая, кг

150

Крупный заполнитель 10 мм, кг

309

Крупный заполнитель 20 мм, кг

455

Мелкий заполнитель, кг

917

Добавка суперпластификатор, мл

2400

Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India – Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10–16 мм и 16–20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. – 5-7 July 2005].

Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона

в начальные сроки твердения

Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения — поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.

За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3–4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.

Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.

Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.

 Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6–8 °С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента

Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.

Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.

В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.

www.allbeton.ru

Основы технологии самоуплотняющегося бетона | Статья в журнале «Молодой ученый»

В работе рассмотрены основы получения бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью. Показано, что эффект самоуплотнения бетонной смеси достигается за счет совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов и минеральных добавок.

Ключевые слова:самоуплотняющийся бетон, суперпластификатор, минеральная добавка, тонкий заполнитель.

 

Самоуплотняющийся бетон (по международной терминологии — Self-Compacting Concrete [SCC]) является одной из современных разновидностей бетона, бурно развивающегося в последние десятилетия. Этот бетон способен уплотняться практически без внешнего воздействия под действием собственного веса, полностью заполняя форму и уплотняясь даже в густоармированных конструкциях. Самоуплотняющиеся бетоны имеют расплыв стандартного конуса 50…80 см, их применение обеспечивает качественное уплотнение бетонной смеси и высокие темпы набора прочности.

Концепция самоуплотняющегося бетона была разработана японскими специалистами [1] в конце 80 годов. Основным мотивом для создания этой разновидности бетона стало получение высококачественного материала, не требующего значительных трудозатрат для укладки бетонной смеси в опалубку [2]. Этот фактор сыграл основную роль для быстрого развития технологии самоуплотняющихся бетонов в начале 90 годов ХХ века не только в Японии, но и других промышленно развитых странах — США, Швеции, Германии, Франции, которые испытывали дефицит квалифицированной рабочей силы в строительной отрасли.

В последние годы и в России, в связи с подъемом строительной отрасли, проявляется интерес к самоуплотняющемуся бетону. Этот материал применяется на строительстве отдельных объектов. Очевидно, что широкое распространение передового опыта мировой строительной практики приведет в будущем к более широкому применению самоуплотняющихся бетонов и увеличению объемов их производства. В связи с этим актуальны исследования факторов определяющих свойства самоуплотняющихся бетонов.

Важнейшей предпосылкой создания самоуплотняющегося бетона является разработка и широкое внедрение в технологию бетона одной из наиболее эффективных групп химических добавок — суперпластификаторов (СП). Понимание того, что эти добавки смогут в значительной степени изменить технологию бетона и позволят создать новые разновидности бетона пришло к специалистам не сразу. Полное использование потенциала СП стало возможным только после системных исследований этих модификаторов бетона и анализа практического опыта их применения.

Принципиальным изменением в представлениях специалистов, занимающихся производством бетона, было осознание того, что «сэкономленный» цемент при введении в состав бетона высокоэффективных СП должен замещаться не крупным и мелким заполнителем, а активными или инертными минеральными добавками [3]. Понимание этой особенности бетонов с добавкой СП, наряду с созданием более совершенных добавок, стало основой создания самоуплотняющегося бетона.

Развитие технологии бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью происходило за счет использования различных факторов:

-          применение полифракционного заполнителя с оптимальным гранулометрическим составом;

-          использование микро- и ультрадисперсного минеральных добавок (микрокремнезема, золы ТЭС, тонкомолотых шлаков и др.) для повышения прочности и коррозионной стойкости материала;

-          управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

-          создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [4] при разработке высокоподвижного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложил концепцию новой разновидности бетона, который он предложил назвать «самоуплотняющийся бетон».

Важной отличительной чертой современных самоуплотняющихся бетонов в сравнении с литыми бетонными смесями прошлого является отсутствие водоотделения и расслоения при высокой текучести смеси. Низкое водоцементное отношение цементного теста при введении в состав смеси высокоэффективных гиперпластификаторов обеспечивает значительное повышение плотности цементно-водной суспензии. Однако плотность суспензии, даже в случае предельного снижения водоцементного отношения не достигает плотности заполнителя — 2500…2700 кг (рис. 1). Это обстоятельство свидетельствует в пользу того, что повышение плотности цементного теста является только дополнительным фактором, снижающим склонность бетонной смеси к расслоению.

Рис. 1. Влияние водоцементного отношения и доли замещения цемента с плотностью 3100 кг/м3 минеральной добавкой, имеющей плотность 2700 кг/м3 на плотность цементного теста

 

В качестве основного фактора, обеспечивающего нерасслаиваемость смеси, следует рассматривать высокую вязкость цементной суспензии, которая при этом имеет низкое предельное напряжением сдвига. Такое сочетание основных реологических характеристик цементного теста обеспечивает выход из бетонной смеси воздуха, который был в нее вовлечен при перемешивании. Для снижения седиментационных явлений в бетонную смесь могут вводиться загущающие добавки на основе модифицированной целлюлозы, гидролизованного крахмала, полиэтиленгликоля, природных биполимеров и др. [5].

Основная задача, которая должна быть решена при проектировании состава самоуплотняющегося бетона — обеспечение достаточно высокой раздвижки зерен крупного и мелкого заполнителя. В противном случае при введении в бетонную смесь высокоэффективных СП будет наблюдаться сегрегация смеси, которая при определении подвижности с помощью стандартного конуса проявится в виде «эффекта сомбреро» — вытекание из бетонной смеси растворной составляющей, а из растворной составляющей — «цементного молока». При этом бетонная смесь принимает форму, напоминающую сомбреро (рис. 2а).

Рис. 2. Определение удобоукладываемости высокоподвижной бетонной смеси с избыточным (а) и оптимальным (б) содержанием заполнителя. Обозначения: 1 — бетонная смесь с повышенным содержанием крупного заполнителя; 2 — бетонная смесь с повышенным содержанием растворной составляющей; 3 — «цементное молоко»; 4 — однородная бетонная смесь

 

Необходимая раздвижка зерен заполнителя достигается за счет введения в состав бетона тонкого наполнителя, сопоставимого по дисперсности с вяжущим. Количество этого компонента сопоставимо с расходом вяжущего цемента. Значительное разбавление цемента инертным материалом не приводит к значительной потери прочности в связи со значительно более низким, чем в традиционных бетонах, водоцементным отношением. Введение в состав бетона с высокой удобоукладываемостью значительных объемов инертных или активных минеральных добавок позволяет получить высокоподвижную, но стойкую к сегрегации бетонную смесь.

В настоящее время теория проектирования составов самоуплотняющихся бетонов еще не разработана. Реологические свойства этих бетонов очень чувствительны к соотношению компонентов и их свойствам. Поэтому подбор состава ведется опытным путем. На первом этапе подбирают вид и расход СП, а также минеральной добавки и водоцементного отношения для получения цементного теста с достаточной текучестью. На втором и третьем этапе последовательно подбирают расход крупного и мелкого заполнителя для получения бетонной смеси с расплавом смеси не ниже 50 см. При оценке реологических свойств самоуплотняющейся бетонной смеси необходимо в обязательном порядке определять ее стойкость к расслоению.

Самоуплотняющийся бетон — материал с уникальными технико-строительными свойствами. Его получение возможно благодаря синергизму совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов (гипрерпластификаторов) с активными или инертными минеральными добавками. Для широкого применения этих бетонов необходимо создание новой производственной базы, позволяющей на более высоком уровне осуществлять подготовку сырьевых материалов и точно выдерживать их рецептуру.

 

Литература:

 

1.         Ozawa K, et. al. Development of high performance concrete based on the durability design of concrete structures: Proceedings of the second East-Asia and Pacific Conference on Structural Engineering and Construction (EASEC-2). 1989. Vol. 1. pp. 445–450.

2.         Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Труды 1-ой Всероссийской конференции по бетону и железобетону. — М.: Готика, 2001. С.209–215.

3.         Collepardi M. A Very Close Precursor of Self-Compacting Concrete (SCC) // Supplementary Volume of the Proceedings of Three-Day CANMET/ACI International Symposium on Sostainable Development and Concrete Technology. USA, S. Francisco, 2001. pp. 23–28.

4.         Okamura H, et. al. Mix-design for self-compacting concrete // Concrete Library of JSCE. 1995. No. 25. pp.107–120.

5.         Collepardi, M. Self-Compacting Concrete: What is New? // Proceedings of Seventh CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures In Concrete. Berlin, Germany. 2003. pp. 1–16.

moluch.ru


Смотрите также