Инновационные материалы для строительства и ремонта мостов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 624.21/.8

И.М. БАРАНОВ, канд. техн. наук, ООО «НТЦ ЭМИТ» (Москва)

Инновационные материалы

для строительства и ремонта мостов*

В работе [1] был поднят вопрос о проблеме расширения роли реологии в технологии производства специальных бетонов. Данной статьей автор надеется продолжить дискуссию.

Появившиеся в последние десятилетия новые композиционные строительные материалы, в том числе высококачественные, особо прочные, не расслаивающиеся и самоуплотняющиеся бетоны с высокими физико-механическими свойствами, трещиностойко-стью и долговечностью, находят все более широкое применение в возведении высотных монолитных зданий, большепролетных сооружений, строительстве мостов, нефтяных платформ.

Безусловно, появлению этих эффективных материалов способствовали не только революционные достижения в области пластифицирования бетонных смесей и применения высокоактивных кремнеземистых добавок с тонкоизмельченными минеральными наполнителя-

ми, но и новейшие исследования, развивающие теорию системно-структурного материаловедения, а также исследования, расширяющие использование высокой реологии в технологии приготовления бетонов. Однако все это сопровождается новыми требованиями к специалистам, работающим в данной области, выражающимися в том, что сегодня при наличии эффективных гиперпластификаторов, стабилизаторов, новых полимерных связующих и высокоактивных тонкомолотых минеральных компонентов, усложняющих составы бетонов, уже нельзя заниматься проектированием составов бетонов без определения и учета реологических параметров формовочных смесей.

Из приведенной на рисунке номограммы изменения вязкопластических свойств бетонных смесей при их деформировании видно, что приготовить, например, пластичную смесь для получения высокопрочного бетона, текучую, нерасслаивающуюся смесь для самоуплотняю-

РаСсяайваВДЩиеся

Вязкость, пуаз Текучесть, см/мин

ст Ст Ст

с ст ст

Напряжение сдвига, кг/см2

р

т

т

т

--По

— пж

Х////////^^ - самоуплотняющийся бетон

]] - бетон для подводного бетонирования

ь,

т с

ож

и П

П 'о

я В

■ особо-прочный бетон

■ жесткий виброуплотняемый бетон

Номограмма изменения вязко-пластических свойств бетонных смесей в зависимости от напряжения сдвига:

(1х - градиент скорости деформаций сдвига, смс; тТж - предел текучести жесткой смеси, кг/см2; тТр - предел текучести расслаивающейся смеси, кг/см2; ттж - предельное напряжение сдвигу жесткой смеси, кг/см2; ттр - предельное напряжение сдвигу расслаивающейся смеси, кг/см2; п0ж - начальная структурная вязкость жесткой смеси, Пас; п0р - начальная структурная вязкость расслаивающейся смеси, Пас; птж - пластическая вязкость предельно разрушенной структуры жесткой смеси, Пас; птр - пластическая вязкость предельно разрушенной структуры расслаивающейся смеси, Пас

* Работа выполняется совместно с ООО ПКП «Трауф»

по

по

82

март 2013

/Л ®

Таблица 1

Наименование показателей характеризующих Оценивающие Значения показателей при осадке стандартного конуса, см

формовочные свойства реологические свойства факторы

Подвижность смеси -- Осадка смеси ст. конуса, см 4 9 15 20 23 24 25 26 26,5 27 28

Расплыв смеси -- Диаметр расплыва смеси ст. конуса, см -- -- -- 35,6 44 47,8 52,6 59 63 68,2 83,6

-- Предел текучести Высота столба оставшейся в трубе смеси, ^ -- 60 120 48 96 36 72 28 56 17 34 10 20 7 14 5 10 3 6 --

-- Текучесть Диаметр расплыва смеси, ветакающей из трубы -- 105 116 131 150 185 210 195 205 320 --

-- Вязкость Время вытекания смеси из трубы,с -- 97 81 68 53 45 40 55 50 26 --

-- Внутренняя связность Размываемость смеси в текущей воде до затвердевания, мас. % -- -- -- -- -- -- -- 5-7 5-7 -- --

Оценка подвижности смеси по ее удобоукладываемости Осадка смеси стандартного конуса, см Умеренно подвижная смесь Подвижная смесь Высокоподвижная смесь

Оценка пластичности смеси по ее текучести По реологическим свойствам Полупластичная смесь для получения особо-прочного бетона Пластичная смесь для получения высокопрочного бетона Текучая самоуплотняющаяся смесь с повышенной вязкостью для подводного бетонирования Текучая самоуплотняющаяся смесь

Примечание. □ - значения показателей результатов исследований реологических свойств мелкозернистого бетона с использованием прибора, изготовленного в виде трубы объемом 0,4 л

щегося бетона или не размываемую в текущей воде смесь с высокой внутренней связностью для подводного бетонирования возможно только путем определения и регулирования реологических свойств этих смесей. Для этого нужны новые приборы, методики и стандарты. А пока этого всего нет, приходится пользоваться имеющимися возможностями и выполнять обозначенные работы по временной методике, приведенной в табл. 1. По этой методике при разработке составов особо прочного бетона и бетона для ведения подводных работ использовали методику определения косвенных показателей реологических характеристик разрабатываемых бетонных смесей, где на специально сконструированном стенде при вытекании бетонной смеси из вертикально расположенной трубы определяли показатели, указанные в табл. 1. В соответствии с данными табл. 1 предел текучести определяется при работе с самоуплотняющейся смесью, которая растекается и уплотняется под действием собственного веса, а напряжение сдвига определяется при работе со смесью, к которой для уплотнения необходимо прикладывать механические воздействия.

Далее приводится информация о разрабатываемых новых строительных материалах.

Особо прочный бетон для монолитного строительства

Из зарубежного опыта по разработке и применению особо прочных бетонов и результатов отечественных исследований в этой области известно, что создание этих бетонов стало возможным после появления эффективных суперпластификаторов и гиперпластификаторов, обеспечивающих значительное водопонижение супер-пластифицированных бетонных смесей до В/Ц <0,3. Однако следует добавить, что кроме гиперпластифика-

торов использовались еще и другие принципы их получения, это:

— применение высокореактивных пуццолановых добавок;

— применение тонкомолотых наполнителей с высокой прочностью (мука гранита, диабаза и др.);

— применение малой крупности зерен заполнителей для минимизации дефектов структуры (песка фр. 0,1—0,6 мм и щебня фр. до 8 мм);

— повышение плотности за счет снижения объема воздушных пор и улучшения однородности структуры бетона;

— снижение усадки бетона;

— снижение хрупкости путем введения в состав бетона стальных волокон;

— обеспечение высокой точности дозировки компонентов;

— применение эффективных методов перемешивания и укладки бетонной смеси;

— применение давления с одновременной теплообра-боткой.

В работе, соблюдая названные общие принципы получения особо прочных бетонов, по рецептуре, включающей: портландцемент, микрокремнезем, диабазовую муку, кварцевый песок, гиперпластификатор и воду, мы получили базовый состав особо прочного мелкозернистого бетона со следующими прочностными показателями, приведенными в табл. 2.

В последующей работе для улучшения свойств разработанного бетона и повышения его прочности до 200 МПа и выше планируется применять следующие дополнительные технологические факторы:

— введение в состав бетона водостойкого полимерного связующего для снижения хрупкости;

¡■Л ®

март 2013

83

Таблица 2

В/Ц Пластичность, расплыв, см, ОК, СтройЦНИЛа Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа, в возрасте: Коэффициент конструктивного качества, Rсж/плотность

7 сут 28 сут

0,21 7 2360 132 162 0,686

0,22 9,1 2300 113 146 0,635

0,23 10,8 2270 107 135 0,595

Таблица 3

Наименование показателей Значения показателей

Высокопрочный легкий бетон ООО «НТЦ ЭМИТ» Нанобетон «Петроконсалт-сервис» Энергоэффективный высокопрочный бетон МГСУ

Подвижность формовочной смеси, см, ОК СтройЦНИЛа 8-10 10 -

Плотность, кг/м3 1600-1650 1450-1600 1300-1500

Прочность при сжатии, МПа 70-85 45-60 40-65

Прочность на растяжение при изгибе, МПа 13,3 6-8 -

Снижение прочности при водонасыщении, % 3-5 - -

Водопоглощение, % 1-2 - 2,5

Коэффициент конструктивного качества, Rсж/плотность 0,51 0,375 0,433

— использование специально разработанной практической методики определения рациональных составов бетонной смеси;

— применение установленной рациональной последовательности загрузки компонентов в смеситель;

— применение специально разработанных смесителей с интенсивными режимами работы: смесителя-дезинтегратора для активации цементно-песчаной смеси с минеральными добавками и смесителя-активатора для интенсивного перемешивания и равномерного распределения по объему смеси дисперсно-армирующих волокон;

— применение подогрева и вауумирования бетонной смеси в процессе ее приготовления на разработанных нами смесителях.

Высокопрочный легкий бетон для строительства мостов

Разработку состава и технологии получения композиционного облегченного бетона с высокими показателями физико-механических свойств, трещиностойко-сти и водостойкости для применения в мостостроении осуществляли путем решения комплекса задач, обеспечивающих:

— приготовление удобоукладываемой формовочной смеси с ограниченным количеством воды (до В/Ц=0,22) за счет введения в состав цементного бетона гиперпластификатора, акрилового полимерного связующего, обладающего пластифицирующими свойствами, и использования практической методики по подбору рациональных составов бетона;

— получение материала с пониженной плотностью за счет воздухововлекающего действия акрилового сополимера, применения в составе бетона тонкомолотого компонента, повышенного содержания рубленого базальтового волокна (до 3% и более) и возможного применения микросферы;

— повышение прочности композитного бетона за счет активации цемента и песка с помощью помольного вихревого комплекса, возможного использования

коллоидного кремнегеля и применения специально разработанных смесителей: смесителя-дезинтегратора для дополнительной активации цементно-песчаной смеси с минеральными добавками и смесителя-активатора для интенсивного перемешивания и равномерного распределения по объему смеси дисперсно-армирующих волокон; — получение требуемых показателей разрабатываемого композита по водопоглощению, водостойкости и морозостойкости за счет применения в качестве полимерного связующего водостойкого акрилового сополимера и формирования структуры материала с закрытой пористостью.

Разрабатываемый высокопрочный легкий бетон (ВПБ) для строительства мостов с технологическими и физико-механическими свойствами, приведенными в табл.3, позволит минимум на треть уменьшить нагрузку на пролетные строения мостов при сохранении их несущих характеристик.

Таблица 4

Средняя плотность, кг/м3 2100-2300

Прочность при сжатии, МПа, через: 3 сут 7 сут 28 сут 16-20 25-29 36-41

Прочность при изгибе, МПа, через 28 сут 14-17

Прочность сцепления с бетонным основанием, МПа, через 28 сут 3,5-6

Водопоглощение, % 1,5-2

Коэффициент размягчения 0,9-0,92

Морозостойкость, цикл F 300 (в солях)

Водонепроницаемость W 14

Усадка, мм/м 0,3-0,7

Истираемость, г/см2 0,19

84

март 2013

Таблица 5

В/Ц Пластичность, расплыв на встряхивающем столике, мм Плотность смеси, кг/м3 Реологические свойства смеси Время затвердевания, ч Начало/ окончание Прочность при сжатии, МПа, в возрасте:

Время истечения, с(вязкость) Высота оставшегося столба смеси в трубе, мм (напряжение сдвига) Расплыв смеси, мм (текучесть)

1 сут 7 сут 28 сут

0,24 >> 280 2240 50 5 230 1,15/3,5 27 31,4 48,8

Прочность образцов при их формовании через толщу воды 30 см имела следующие показатели при твердении образцов в воде: 7 сут - 43 МПа; 28 сут - 64 МПа

Таблица 6

Наименование показателей Значения показателей

нормативные фактические

Плотность, кг/м3 - 950-1300

Предел прочности при сжатии, характеризующий наступление упругопластических деформаций, кг/см2 2,5 30-40

Водонасыщение, % по массе, не более 1 1-2

Снижение прочности при водонасыщении, % - 8-15

Композиционный полимерминеральный материал для ремонта портовых и гидротехнических сооружений в зоне переменного уровня воды

Опыт применения составов для ведения ремонтных работ на портовых и гидротехнических сооружениях в зоне переменного уровня воды показывает несовершенство их рецептур, отсутствие специального оборудования и эффективных технологических приемов выполнения этих работ. Все это предопределяло необходимость проведения исследований по разработке материала, отвечающего современным требованиям. Наши исследования в этом направлении проводятся в порядке продолжения ранее выполненны, где были разработаны полимерминеральные ремонтные составы песчаного бетона для ремонта мостов [2—5].

Поставленную цель — разработать материал с повышенной стойкостью, высокой адгезией и физико-механическими свойствами для ремонта портовых и гидротехнических сооружений в зоне переменного уровня воды достигали путем решения комплекса задач, включающих:

1. Применение компонентов:

• повышающих липкость и удобоукладываемость формовочной смеси при ограниченном количестве воды в ее составе;

• повышающих плотность затвердевшего материала;

• долговечность;

• адгезию к ремонтируемой поверхности разрушающегося бетона;

• снижающих усадочные деформации;

2. Разработку технологических приемов очистки, монта и укрепления ремонтируемой поверхности разрушающегося бетона.

Разработанный ремонтный материал может готовиться непосредственно на месте применения в виде полупластичной смеси требуемой консистенции по рецептуре, включающей: портландцемент, ускоритель твердения цемента, противоусадочную добавку, дисперсно-армирующее волокно, полимерное связую-

щее, отвердитель полимера, пластификатор, пенога-ситель, кварцевый песок. В качестве полимерного связующего используется акриловый сополимер, который обладает пластифицирующими свойствами, а в затвердевшем камне высокой прочностью, эластичностью и водостойкостью. Основные физико-механические свойства ремонтного материала при пластичности смеси 5—10 см ОК СтройЦНИЛа представлены в табл. 4.

Бетон для ведения подводных работ

Объектом исследований по данной работе являлась разработка составов высокоподвижных неразмывае-мых бетонных смесей с высокой внутренней связностью для подводного бетонирования в текущей воде по методу вертикально перемешивающихся труб и через толщу воды.

Поставленную цель достигали путем решения следующего комплекса задач, включающих:

— разработку комплексной полимерной добавки, состоящей из гиперпластификатора, стабилизатора и водорастворимого полимерного связующего, обеспечивающей требуемые показатели по расплыву смеси, вязкости и липкости;

— установление оптимального состава комплексной полимерной добавки в смесях с цементной пастой путем изучения текучести смеси, предельного напряжения сдвига, вязкости и сроков затвердевания при различном В/Ц;

— предварительную разработку базового состава песчаного бетона для подводного бетонирования путем изучения на модельном устройстве, имитирующем метод вертикально перемещающейся трубы, следующих показателей:

• время течения смеси из трубы (косвенно характеризует вязкость смеси);

• высота столба смеси, оставшейся в трубе (характеризует напряжение сдвига);

• диаметр расплыва смеси (характеризует текучесть смеси) или отношение диаметра расплыва смеси к объему вытекающей из трубы смеси (при меняющимся объеме смеси в трубе);

— уточнение оптимального базового состава песчаного бетона на опытном стенде подводного бетонирования путем изучения текучести смеси, реологических характеристик, размываемости смеси, времени затвердевания и прочности бетона;

— отработку технологии бетонирования через толщу воды с использованием выбранного состава бетона, путем изготовления образцов и их испытания. Предварительный базовый состав мелкозернистого

бетона для подводного бетонирования, изготавливаемый по рецептуре, включающей: портландцемент, микрокремнезем, песок кварцевый, гиперпластификатор, стабилизатор, акриловый сополимер и воду, имеет физико-механические свойства, приведенные в табл. 5.

март 2013

85

Эластичный полимерминеральный материал на водной основе для покрытия проезжей части мостов

Разрабатываемый полимерминеральный композит изготавливается на основе акриловых сополимеров с наполнением тонкомолотыми и дисперсно-армирующими компонентами; по основным своим показателям прочностных, упругоэластичных и гидроизолирующих свойств соответствует требованиям ГОСТ Р 53627—2009 (табл. 6) и предназначен для устройства покрытий проезжей части мостов.

Материал эластичен, имеет высокую адгезию к бетону (более 35 кг/см). В состав для повышения износостойкости и водостойкости покрытия могут вводиться полиэфирные или эпоксидные смолы, а для снижения водонасыщения — 1—2 % битумной эмульсии.

Список литературы

1. Баранов И.М. Практическая методика определения рациональных составов специальных бетонов // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 87—93.

2. Ферронская А.В., Баранов И.М., Олейников В.В. Преимущества модифицированного бетона повышенной долговечности для ремонта и восстановления конструкций мостов, тоннелей и путепроводов // Строитель. 2003. № 5. С. 37-38.

3. Ферронская А.В., Олейников В.В., Баранов И.М. Модифицированный бетон для ремонта железобетонных конструкций транспортных сооружений // Строительные материалы. 2004. № 4. С. 50-51.

4. Баранов И.М. Композиционные гипсополимерные материалы // Строительные материалы. 2008. № 7. С. 25-28.

5. Баранов И.М. Композиционные минералполимер-ные строительные материалы на основе акриловых сополимеров // Строительные материалы. 2012. № 2. С. 68-71.

ООО «НТЦ ЭМИТ»

Разработка новых композиционных строительных материалов

Разработка технологий и оборудования

Авторский надзор при создании производств

Генеральный директор Баранов Иван Митрофанович

(495) 351-96-73 E-mail: emitpb@mail.ru

научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 86 март 2013 Ы *