CC BY
8Использование расширяющихся вяжущих в технологии набрызгбетонирования
Баженова Ольга Юрьевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Bagenova54@mail.ru
При сооружении тонкостенных объемных конструкций, при креплении горных выработок, восстановительных работах широко используется формирование бетонных конструкций методом набрызга. Набрызгбетонирование позволяет менять форму и толщину конструкций при горных работах и реконструкции сооружение, позволяя исключать опалубочные (а в ряде случаев и арматурные) монтажные работы. Целью работы являлось рассмотрение существующих методов набрызгбетонирования, повышение несущей способности бетонных элементов, снижение усадки и трещинообразования. В работе был проведен обзор создания набрызгбетонных конструкций с повышенными технологическими и физико-механическими параметрами. Рассмотрен механизм трещинообразования и усадочных деформаций. Для устранения снижения негативного эффекта усадки на структуру и свойства конструкций из набрызгбетона было предложено использовать различные виды расширяющихся вяжущих.
Анализ применения расширяющихся вяжущих позволяет создать эффект преднапряжения, что позволяет повысить трещи-ностойкость и общую несущую способность набырзгбетонной конструкции.
Ключевые слова: набрызгбетон, расширяющиеся вяжущие, трещинообразование, самонапряжение.
Одной из прогрессивных эффективных технологий при сооружении объёмных (особенно тонкостенных) конструкций является набрызгбетонирование. Данная технология широко применяется используется при строительстве оболочек, восстановительных мероприятиях, как элемент крепления горных выработок [1, 2]. При набрызгбетонировании используются метод «мокрого» или «сухого» набрызга которые имеют принципиальные отличия.
«Сухой» способ регулируется характеризуется подачей сухого вяжущего в воздушной струе по двум трубкам и смешением с водой в выходном сопле, полученная смесь наносится на поверхность. При сухом набрызге проявляются усиленное пылеобразование, повышенный отскок, высокая квалификации занятых инженеров и рабочих [3].
«Мокрый» способ состоит из переделов подачи компонентов на пост, приготовления бетонной смеси заданного качества, подачи в сопло через насосные системы под высоким давлением с формированием слоя К недостаткам данной технологии относится использование специального оборудования, необходимость в больших габаритах для его размещения. «Мокрый» способ эффективен при формировании большого объема конструкций, необходимости интенсификации рабочего процесса.
При нанесении набрызгбетона на подложку наносимая смесь теряется в виде отскока - до 40%. Показатель отскока при «сухом» способе критически коррелирует с квалификацией рабочего персонала ввиду большого количества ручных операций и изменяемых в процессе набрызга параметров ввиду особенностей технологии. При «мокром» способе процент отскока ниже, однако данный метод требует более высокого качества бетонной смеси и регулируемости параметров [4].
Ввиду высоких требований к интенсификации строительных производств, необходимости выдерживания графика строительства все большее распространение получает «мокрый» способ, что соответственно приводит к необходимости оптимизации свойств бетонных смесей, наносимых методом набрызга [5].
При проектировании обделок из набрызгбетона следует учитывать сложность определения действующих усилий в условиях горного давления (см. рис 1), которые определяются типом вмещающего грунта [6].
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о см
0 см
сч
01
о ш т
X
<
т о х
X
Рис 1. Распределение усилий в своде из набрызгбетона.
Как и для всех типов бетонных и железобетонных конструкций разрушение набрызгбетона начинается в первую очередь по растянутой зоне с образованием трещин в этой области (рис. 2).
зг «0 м 40 30
Ь «г 1 /
н _> с
■ м 10 -О
г
м
Рис 2. Механизм трещинообразования для стандартного линейного бетонного элемента.
Повышение несущей способности бетонных элементов возможно за счет армирования конструкции, дисперсного армирования, оптимизации состава набрызгбетона [7, 8].
Однако армирование повышает трудоёмкость работ, а дисперсное армирование включает в себя сложности гомогенного распределения фибры в объеме смеси. Поэтому перспективной задачей является повышение технических свойств бетонной смеси, используемой в технологии набрызга [9, 10].
Одной особенностью бетонной смеси является проявление усадки при твердении [11], которая способствует также повышенному трещинообразованию бетонных элементов и повышенному восприятию к разрушению при растягивающих напряжения [12, 13]. Для устранения снижения негативного эффекта усадки на структуру и свойства конструкций из набрызгбетона предлагается использовать различные виды расширяющихся вяжущих, эффективность применения которых в значительной степени определяется условиями ограничения деформаций, проявляющихся при их твердении [14, 15]. В общем виде, все расширяющиеся композиты и бетоны на их основе, независимо от механизма расширения [16], состава и способа производства дифференцируются в соответствии с условиями ограничения деформаций расширения, проявляющихся при твердении [17].
Однако при дозировке расширяющего компонента следует иметь в виду что при этом меняется общая пористость (см. рис 3).
Рис 3. Влияние дозировки расширяющегося компонента на расширение отформованных образцов бетонной смеси
В процессе лабораторных исследований было зафиксированы зависимости увеличения параметра расширения в зависимости от дозировки расширяющего компонента вяжущего. В качестве вяжущего использовался базовый портландцемент СЕМ 32,5 с В/Ц=0,30, количество расширяющегося компонента - 5-45%. Расширяющийся компонент подготавливался путём смешивания компонентов, содержащих алюминаты и сульфаты кальция, в стехиометрическом соотношении, необходимом для образования эттрингита. Зафиксировано также что при расширении объема цементной матрицы прочность снижается с увеличением величина расширения свыше 3-5 мм/м. Это является следствием разрушения структуры при развитии двух противоположно действующих процессов - упрочнение ПЦ-части и увеличение объема при гидратации расширяющейся добавки.
Анализируя работ других авторов [10, 12, 16], следует отметить, что все отмечают положительный эффект от расширяющегося компонента при эффективно подобранных соотношениях. Очевидно, что создание эффекта самонапряжения в растянутой зоне бетона позволяет повысить прочность набрызгбетонной обделки особенно в зонах с усложнённой геологической ситуацией [11].
Обобщая всё вышесказанное можно сделать следующие выводы:
- в условиях интенсификации строительного производства экономически оправдано применение «мокрого» способа набрызгбетонирования;
- применение расширяющихся вяжущих позволяет по аналогии с предварительно напряженным железобетоном создать эффект преднапряжения, что позволяет повысить трещиностойкость и общую несущую способность набырзгбетонной конструкции;
- при назначении оптимальной дозировки следует руководствоваться показателем общей пористости набрызгбетона, влияющий на прочностные показатели и коррелировать параметр «общая пористость - линейное расширение».
Литература
1. Алексеев В.А., Баженова С.И., Харченко И.Я. и др. Совершенствование качества набрызгбетона для строительства тоннельных и притоннельных сооружений // Жилищное строительство, 2016. № 9. С. 33-36
2. Алексеев В.А., Харченко И.Я., Харченко А.И. и др. Модифицированные бетонные смеси для пространственных конструкций, наносимые методом набрызга //
Вестник МГСУ. 2016. № 11. С. 48-58. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.11.48-58.
3. Bloodworth A., Su J. Numerical analysis and capacity evaluation of composite sprayed concrete lined tunnels // Underground Space. 2018. Vol. 3. Issue 2. Pp. 87108. DOI: 10.1016/j.undsp.2017.12.001.
4. Galobardes I., Cavalaro S.H., Goodier C.I., Austin S., Rueda A. Maturity method to predict the evolution of the properties of sprayed concrete // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 79. Pp. 357- 369. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.12.038.
5. Gang Pan, Pengcheng Li, Lianjun Chen, Guoming Liu. Study of the effect of rheological properties of fresh concrete on shotcrete-rebound based on different additive components // Construction and Building Materials, Volume 224, 10 November, 2019, Pages 1069-1080. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.060.
6. Qiangqiang Zheng, Yunhai Cheng, Qi Zong, Ying Xu, Peiyuan Chen. Failure mechanism of different types of shotcrete based on modified Weibull distribution model // Construction and Building Materials, Volume 224, 10 November, 2019, Pages 306-316. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.071.
7. Алексеев В.А., Баженов Ю.М., Баженова С.И., Баженова О.Ю., Бисембаев Р.С., Мирончук Н.С. Добавки с самостоятельной гидравлической активностью для набрызгбетона // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. № 8 (1008). С. 61-63.
8. Marcella Ruschi Mendes Saade, Alexander Passer, Florian Mittermayr. A Preliminary Systematic Investigation onto Sprayed Concrete's Environmental Performance // Procedia CIRP, Volume 69, 2018, Pages 212-217.
9. Алексеев В.А., Харченко А.И., Соловьев В.Г., Никоноров Р.Н. Набрызгбетон в шахтном строительстве // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 7 (106). С. 780-787. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.7.780-787
10. Yu H., Wu L., Liu W.V., Pourrahimian Y. Effects of fibers on expansive shotcrete mixtures consisting of calcium sulfoaluminate cement, ordinary Portland cement, and calcium sulfate // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 10. Issue 2. Pp. 212221. DOI: 10.1016/j.jrmge.2017.12.001
11. Харченко И.Я., Харченко А.И., Алексеев В.А., Баженов Д.А. Применение расширяющихся цементов для фибронабрызгбетона при строительстве подземных сооружений // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 3 (102). С. 334-340. DOI: 10.22227/19970935.2017.3.334-340.
12. Alekseev V., Harchenko I., Harchenko A., Bazhenova S. About the influence of hardening conditions on the structure and properties of expansive concretes // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 193. P. 03025. DOI: 10.1051/matecconf/201819303025.
13. Choi H., Lim M., Kitagaki R., Noguchi T., Kim G. Restrained shrinkage behavior of expansive mortar at early ages // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 84. Pp. 468-476. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.03.075.
14. Carballosa P., García Calvo J.L., Revuelta D., Sánchez J.J., Gutiérrez J.P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 93. Pp. 223-229. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.05.113.
15. Wyrzykowski M., Terrasi G., Lura P. Expansive high-performance concrete for chemical-prestress
applications // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 107. Pp. 275-283. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.02.018.
16. Kharchenko I., Panchenko A., Kharchenko A., Alekseev V. Modeling of structuring processes at hardening of expanding cements and concretes on their basis // MATEC Web of Conferences 2018. C. 04035. DOI: 10.1051/matecconf/201819604035.
17. Semianiuk V., Tur V., Herrador M.F., Paredes M.G. Early age strains and self-stresses of expansive concrete members under uniaxial restraint conditions // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 131. Pp. 39-49. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.008.
Use of expanding binders in spray concrete technology Bazhenova O.Yu.
National Research Moscow State University of Civil Engineering During the construction of thin-walled bulk structures, during the fastening of mine workings, and restoration works, the formation of concrete structures by the spray method is widely used. Spraying allows you to change the shape and thickness of structures during mining and reconstruction of the structure, allowing you to exclude formwork (and in some cases, reinforcement) installation work. The purpose of the work was to review existing methods of spraying concrete, increase the load-bearing capacity of concrete elements, reduce shrinkage and crack formation. The paper reviewed the creation of spray concrete structures with increased technological and physical and mechanical parameters. The mechanism of crack formation and shrinkage deformations is considered. To eliminate the reduction of the negative effect of shrinkage on the structure and properties of structures made of sprayed concrete, it was proposed to use various types of expanding binders. Analysis of the use of expanding binders allows you to create a pre-stress effect, which allows you to increase the crack resistance and the overall load-bearing capacity of the concrete structure. Keywords: sprayed concrete, expanding binders, cracking, self-
stress. References
1. Alekseev V.A., Bazhenova S.I., Kharchenko I.Ya. et al. Improving
the quality of spray concrete for the construction of tunnel and tunnels // Housing Construction, 2016. No. 9. P. 33-36
2. Alekseev V.A., Kharchenko I.Ya., Kharchenko A.I. et al. Modified
concrete mixes for spatial structures applied by spraying // Vestnik MGSU. 2016. No. 11. P. 48-58. DOI: 10.22227 / 19970935.2016.11.48-58.
3. Bloodworth A., Su J. Numerical analysis and capacity evaluation
of composite sprayed concrete lined tunnels // Underground Space. 2018. Vol. 3. Issue 2. Pp. 87-108. DOI: 10.1016 / j.undsp.2017.12.00.001.
4. Galobardes I., Cavalaro S.H., Goodier C.I., Austin S., Rueda A.
Maturity method to predict the evolution of the properties of sprayed concrete // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 79. Pp. 357-369. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2014.12.0.038.
5. Gang Pan, Pengcheng Li, Lianjun Chen, Guoming Liu. Study of
the effect of rheological properties of fresh concrete on shotcrete-rebound based on different additive components // Construction and Building Materials, Volume 224, 10 November, 2019, Pages 1069-1080. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.07.07.060.
6. Qiangqiang Zheng, Yunhai Cheng, Qi Zong, Ying Xu, Peiyuan
Chen. Failure mechanism of different types of shotcrete based on modified Weibull distribution model // Construction and Building Materials, Volume 224, 10 November, 2019, Pages 306-316. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.07.07.071.
7. Alekseev V.A., Bazhenov Yu.M., Bazhenova S.I., Bazhenova
O.Yu., Bisebayev R.S., Mironchuk N.S. Additives with independent hydraulic activity for spray concrete // BST: Bulletin of construction equipment. 2018.No 8 (1008). S. 61-63.
8. Marcella Ruschi Mendes Saade, Alexander Passer, Florian Mittermayr. A Preliminary Systematic Investigation onto
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
Sprayed Concrete's Environmental Performance // Procedia CIRP, Volume 69, 2018, Pages 212-217.
9. Alekseev V.A., Kharchenko A.I., Soloviev V.G., Nikonorov R.N.
Nabryzgbeton in mine construction // Bulletin of MGSU. 2017.V. 12. Issue. 7 (106). S. 780-787. DOI: 10.22227 / 1997-0935 2017.7.780-787
10. Yu H., Wu L., Liu W.V., Pourrahimian Y. Effects of fibers on expansive shotcrete mixtures consisting of calcium sulfoaluminate cement, ordinary Portland cement, and calcium sulfate // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 10. Issue 2. Pp. 212-221. DOI: 10.1016 / j.jrmge.2017.12.001
11. Kharchenko I.Ya., Kharchenko A.I., Alekseev V.A., Bazhenov D.A. The use of expanding cements for fiber-reinforced concrete in the construction of underground structures // Vestnik MGSU. 2017.V. 12. No. 3 (102). S. 334-340. DOI: 10.22227 / 19970935.2017.3.334-340.
12. Alekseev V., Harchenko I., Harchenko A., Bazhenova S. About the influence of hardening conditions on the structure and properties of expansive concretes // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 193. P. 03025. DOI: 10.1051 / matecconf / 201819303025.
13. Choi H., Lim M., Kitagaki R., Noguchi T., Kim G. Restrained shrinkage behavior of expansive mortar at early ages // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 84. Pp. 468476. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2015.03.03.075.
14. Carballosa P., García Calvo J.L., Revuelta D., Sánchez J.J., Gutiérrez J.P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 93. Pp. 223-229. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2015.05.05.113.
15. Wyrzykowski M., Terrasi G., Lura P. Expansive highperformance concrete for chemical-prestress applications // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 107. Pp. 275-283. DOI: 10.1016 / j.cemconres.2018.02.018.
16. Kharchenko I., Panchenko A., Kharchenko A., Alekseev V. Modeling of structuring processes at hardening of expanding cements and concretes on their basis // MATEC Web of Conferences 2018.S. 04035. DOI: 10.1051 / matecconf / 201819604035 .
17. Semianiuk V., Tur V., Herrador M.F., Paredes M.G. Early age strains and self-stresses of expansive concrete members under uniaxial restraint conditions // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 131. Pp. 39-49. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.11.11.008.
o
CN O CN
CN
O HI
m
X
<
m o x
X
