Мелкозернистые бетоны для архитектурных деталей и малых форм Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Мелкозернистые бетоны

для архитектурных деталей и малых форм

о см о см

о ш т

X

<

т О X X

Баженова Ольга Юрьевна;

кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, [email protected]

Фетисова Анна Андреевна;

студент, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, [email protected]

Щербенёва Ольга Андреевна

студент, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, [email protected]

Мелкозернистые бетоны обладают рядом преимуществ перед другими типами бетонов, и в некоторых случаях являются самым эффективным вариантом применения как основной строительный материал для железобетонных конструкций. Последние научные разработки позволяют варьировать их свойства в широких диапазонах, создавать различные структуры бетонных смесей для самых разнообразных условий строительства. Особенно эффективно их применение при возможности использования недорогих местных мелких заполнителей, вторичных отходов промышленности и иных техногенных отходов. Бетоны мелкозернистой структуры могут использоваться в качестве материала для элементов малых архитектурных форм и изделий из них, эффективного декоративного слоя при работах по отделке и облицовке поверхностей, в дорожном строительстве.

Целью работы являлась создание и отработка составов мелкозернистого бетона для декоративных изделий и МАФ (малых архитектурных форм). Одним из критериев, предъявляемых к качеству получаемой поверхности такого бетона, являлось максимально полное соответствие признаков, предъявляемых к природному натуральному камню (мрамору, граниту), используемых как элемент отделки и облицовки. В работе был проведен обзор номенклатуры изделий на белых и цветных цементах, рассмотрены технологические и реологические дефекты поверхности мелкозернистых бетонов. Установлены основные характеристики декоративного мелкозернистого бетона. Доказано, что использование гиперпластификатора приводит не только к повышению плотности и прочности бетона, но и кроме того, улучшается качество поверхности бетона, так как повышенная тиксотропия исключает защемление воздуха на поверхности бетона.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, белый цемент, фракционированный песок, качество поверхности

Мелкозернистые бетоны обладают рядом преимуществ перед другими типами бетонов, и в ряде случае являются самым эффективным вариантом применения как основной строительный материал для железобетонных конструкций. Последние научные разработки позволяют варьировать их свойства в широких диапазонах, создавать различные структуры бетонных смесей для самых разнообразных условий строительства [1].

Для данного типа бетона весьма актуальным вопросом является влияние широкого спектра химических добавок, которые позволяют максимально полно реализовать спектр возможностей такого типа бетонов. При подборе составов мелкозернистого бетона на основе одной линейки сырья (крупный и мелкий заполнитель, цемент) возможно получать бетоны самых разных функциональных возможностей. Наиболее перспективными разработками по этой тематике являются высокопрочные мелкозернистые бетоны и поризованные бетоны мелкозернистой структуры [1, 2].

На кафедре ТВВиБ НИЦ МГСУ был проведен широкий спектр исследований по мелкозернистым бетонам [1, 3, 4], полученные технологические приемы дают возможность создавать бетоны мелкозернистой структуры [5] с расходами вяжущего, даже не превышающими стандартных норм расхода для тяжелых бетонов В20-В40 на крупном заполнителе, что дает однозначный экономический эффект при строительстве железобетонных конструкций разнообразной номенклатуры [1, 3, 6].

Необходимость использования мелкозернистого бетона вместо обычных бетонов диктуется различными задачами и условиями строительного производства: при использовании крупного заполнителя необходимо в ряде случаев его дополнительное дробление, что подразумевает необходимость наличия дробильно-сорти-ровочного оборудования, ряд регионов (особенно в северной части РФ) имеет ряд затруднений в связи с дефицитом качественного щебня, для ряда густоармиро-ванных конструкций существует спектр ограничений по крупности заполнителей и т.п. Также практически невозможно обойтись без мелкозернистого бетона при создании тонкостенных железобетонных оболочек [7] и конструкций (в т.ч. создаваемых методом набрызга) [8, 9]. Из мелкозернистого бетона возможно получать эффективные декоративные материалы для производства отделочных работ (используемых как основной элемент облицовки), МАФ (малых архитектурных форм), в дорожном строительстве - как изделия для тротуарных работ и дорожных покрытий [10, 11, 12].

Сейчас с появлением гиперпластификаторов, пигментов можно изготовить составы цветного и белого мелкозернистого бетона [13], которые имитируют натуральные материалы [14], позволяют повторить малые архитектурные формы и, в общем, дают возможность достичь архитектурной выразительности того или иного стиля. Исходя из выше упомянутого, можно привести

широкий ряд номенклатуры изделий на белых и цветных цементах (табл. 1) [15].

Таблица 1

Применение Выпускаемая продукция

Сухие строительные смеси Фасадные штукатурки, шпатлевки

Архитектурные элементы фасада Парапеты, перила, балясины, фронтоны, наличники, карнизы, пилястры, молдинги, кронштейны, розетки, лепнина

Облицовка фасада Искусственный камень, плитка, облицовочные панели

Конструктивные элементы Несъемная опалубка колонн: база, ствол, капитель

Элементы парковой архитектуры Вазоны, скамейки, скульптуры, элементы декора

Современные архитектурные решения требуют высокого качества материалов, используемых как элементы отделки и декорации. Больше всего таким требованиям соответствую материалы на основе горных пород (мрамор, гранит), но они имеют высокую стоимость и из-за этого в ряде случаев их применение ограниченно [16].

К сожалению, часто изделия из мелкозернистого бетона имеет дефекты поверхности [10]. Большую часть таких дефектов изделий и конструкций условно можно разграничить на технологические и связанные с подбором бетонной смеси (иногда их еще называют реологическими дефектами). К технологическим относятся дефекты устройства опалубки, недостаточная распалу-бочная прочность. Для изделий из бетонов с качеством поверхностей А1 и А2 и особенно сложной геометрической формой, наиболее характерны реологические дефекты поверхности (рис. 1).

Рис. 1. Дефекты на поверхности изделия из бетона по технологии вибролитья

В основном они происходят из-за создания пузырьков воздуха в бетонном массиве у поверхности за счет эффекта защемления воздуха бетонной смесью с появлением пор и каверн. Причем причина образуемых пор с условным диаметром более 3...4 мм связана в основном с недостаточной подвижностью используемой бетонной смеси, а причиной образования более мелких пор (с условным диаметром менее 3 мм.) является неправильно назначенный гранулометрическим составом и неподходящие режимы виброуплотнения. При высоких частотах колебания в бетонную смесь вовлекается воздух в виде мелких пузырьков, распространяемых по

всему объему. Для получения глянцевой поверхности изделий или поверхности под улучшенную окраску необходимы формы из стеклопластика, силикона или полиуретана и качественные эмульсионные смазки. Для поверхностей изделия главными дефекты «реологического» типа являются усадочные трещины и низкие показатели поверхностной прочностью. Данные дефекты связаны с усадочными деформациями и низкой стабильностью смеси, которая приводит к седиментации смеси и вымыванию дисперсной составляющей.

Исходя из вышесказанного, основной целью для минимизации и исключения поверхностных дефектов является разработка высококачественного мелкозернистого бетона, который мог бы использоваться при создании элементов декора и облицовки, деталей МАФ, по критериям качества соответствующего натуральному камню природной структуры.

В качестве основных базовых материалов для создания бетона мелкозернистой структуры использовался портландцемент М 500 Щуровского завода (белый), кварцевый песок фракций 0,2-0,4 мм (белый) и фракций 0,4-0,8 мм (белый), а также водоредуцирующая добавка на основе эфира полиарила MasterPolyHeed 3043. Для необходимости повышения большей плотности бетона комбинировались смеси песков. Параметры мелкого заполнителя приведены в табл.2.

Для бетонной смеси реологические свойства, в частности подвижность, определялись на встряхивающем столике по расплыву стандартного конуса, затем изготавливались образцы-балочки 40х40х1б0 мм нормального твердения из раствора 1:2 с определением плотности и прочности при изгибе и сжатии. Качество поверхности оценивалось визуально с помощью лупы с фиксацией дефектов.

Таблица 2

№ Гран. состав, % Мк рн, кг/м3

фр.0,2-0,4 мм фр.0,4-0,8 мм

1 100 - 1,5 1350

2 - 100 2,84 1480

3 30 70 2,46 1565

4 50 50 2,3 1560

5 70 30 1,84 1510

Таблица 3

№ состава Вид песка Содержание во-доредуцирую-щей добавки, % В/Вяж Расплыв конуса, мм Прочность в возрасте 28 сут, МПа

изгиб сжатие

1 1 - 0,6 177 7,1 29,5

2 4 - 0,5 178 8,0 31,5

3 5 - 0,55 180 8,0 27,6

4 1 1,0 0,45 165 7,6 36,2

5 4 1,0 0,35 215 9,3 44,6

6 5 1,0 0,35 228 7,8 43,8

7 1 1,5 0,4 195 8,5 42,5

8 4 1,5 0,3 235 11,1 62,0

9 5 1,5 0,3 240 11,0 56,6

Для изготовления бетонных смесей применялись пески, имеющие Мк менее 2,4 (см. табл. 3). Было отмечено что мелкозернистые бетонные смеси, в которых не использовалась водоредуцирующая добавка, имели высокие показатели водопотребности и пористости, но

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м о

о

CN О

сч

О Ш

m

X

<

m о х

X

низкие показатели подвижности; полученный бетон имел низкие прочностные параметры.

При анализе полученных результатов рассматривался эффект от введения добавки на основе полиа-рила в бетонную смесь. Данный прием позволяет уменьшить назначаемое количество воды затворения, вводимое в бетонную смесь заданного объема, одновременно повышая показатель подвижности смеси. Снижения расхода воды при назначении составов при одновременном увеличении подвижности бетонной смеси позволяет увеличить показатели плотности и прочности получаемого мелкозернистого бетона (табл. 3). При этом улучшаются показатели качества поверхности бетона и удобоукладывамости бетонной смеси, т.к. за счет повышенной тиксотропии исключается защемление воздушных пор в поверхностных слоях бетона.

Согласно ГОСТ 13015-2012 «Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения (Переиздание)» визуальный вид и качество поверхности изделий из бетона (в т.ч. мелкозернистого) должны соответствовать техническому регламенту. Качество поверхности бетона при этом делится на категории от А1 до А7. Для изготовления декоративных архитектурных деталей и малых архитектурных форм подходит только категория А1 - глянцевая, не требующая отделочного покрытия, получаемая при формовании изделий в формах со стеклопла-стиковой, силиконовой или другой глянцевой поверхностью.

Рис. 2. Панно-медальон (состав 5) до и после декорирования

Данным требованиям полностью соответствуют составы 5 и 7, дающие качество поверхности А1. Полученные составы 5 и 7 имеют высокую степень подвижности и прочностные показатели, следовательно, могут без дефектов заполнять формы сложной конфигурации, и имеют достаточную прочность чтобы соответствовать ГОСТ 13015-2012 (рис. 2).

Обобщая всё вышесказанное можно сделать следующие выводы:

- оптимальный расход гиперпластификатора для получения декоративного бетона при данном расходе песка и цемента составит 1,0 %;

- лучшее качество поверхности было получено на песке с модулем крупности Мк = 2,3;

- желательно провести дальнейшие исследования составов бетона для уменьшения расхода белого цемента в мелкозернистом бетоне без снижения качества поверхности.

Литература

1. Харченко А.И., Алексеев В.А., Харченко И.Я., Баженов Д.А. Структура и свойства мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих// Вестник МГСУ. 2019. Т.14. № 3 (126). С. 322-331.

2. Урханова Л.А., Розина В.Е. Высокопрочный бетон с использованием золы-уноса и микрокремнезема // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 19. (57). С. 97-100.

3. Баженова О.Ю., Баженова С.И. Особенности структуры декоративных бетонов. // Успехи современной науки. 2016. № 6. Т.3. С. 21-23.

4. Pilipenko A., Bazhenova S., Kryukova A., Khapov M. Decorative light transmitting concrete based on crushed concrete fines // Сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Construction - The Formation of Living Environment. 2018. С. 032046.

5. Баженова О.Ю., Баженова С.И. Исследование процесса формирования структуры в декоративных бетонах // Сборник: Современные строительные материалы, технологи и конструкции. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО "ГПНТУ им. акад. М.Д. Миллион-щикова". Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова» (ФГБОУ ВПО «ГПНТУ»), г. Грозный. 2015. С. 310-316.

6. Лошак В.В, Черкасов С.В., Власов В.В. Влияние гранулометрического состава заполнителя на эстетические и эксплуатационные свойства декоративного бетона // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы строительного материаловедения и высокие технологии. 2011. № 3-4. С. 61-65.

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. Алексеев В.А., Баженова С.И. Оптимизация бетонных составов для набрызгбетонирования при сооружении подземных конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2020. № 1. С. 8-17.

9. Алексеев В.А., Баженов Ю.М., Баженова С.И., Баженова О.Ю., Головащенко Н.А., Мирончук Н.С. Модифицированное вяжущее для набрызгбетона // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. № 5 (1005). С. 1819.

10. Гончарова М.А. Ивашкин А.Н. Оценка качества лицевой поверхности изделий из многокомпонентных декоративных бетонов// Жилищной строительство -2014., №12, С.19-22.

11. Церковников В.М. Руководство по технологии получения искусственных каменных материалов для произведений монументального и декоративного искусства. Тула.: ПКС, 1987. 186 с.

12. Pilipenko A., Bazhenova S. Usage of crushed concrete fines in decorative concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (см. в книгах). 2017. Т. 245.

13. Баженова О.Ю., Баженова С.И., Архангельский Е.А. Исследование свойств декоративных бетонов // Вестник МГСУ. 2009. № S1. С. 330-332.

14. Bazhenova O.Yu., Bazhenova S.I., Kotelnikov M.Al. Functional features of decorative concrete // BST: Byulleten' stroitel'noj tehniki. 2018. № 4 (1004). С. 32-33.

15. Bazhenova S., Pilipenko A. The concrete-based high performance decorative material for severe climatic conditions // сборник: MATEC Web of Conferences. 2017. С. 03004.

16. Баженова О.Ю., Баженова С.И. Технологические особенности декоративных бетонов // сборник: Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании. Международная заочная научно-техническая конференция: сборник материалов. Тверской государственный технический университет. 2013. С. 17-20.

Fine-grained concrete for architectural details and small forms Bazhenova O.Yu., Fetisova A.A., Derbeneva O.A.

National Research Moscow State University of Civil Engineering Fine-grained concrete has a number of advantages over other types of concrete, and in some cases is the most effective option for use as the main building material for reinforced concrete structures. Recent scientific developments allow us to vary their properties in wide ranges, create different structures of concrete mixes for a wide variety of construction conditions. Their application is particularly effective when it is possible to use inexpensive local small aggregates, secondary industrial waste and other man-made waste. Concrete of fine-grained structure can be used as a material for elements of small architectural forms and products made from them, as an effective decorative layer for finishing and facing surfaces, in road construction. The purpose of the work was to create and develop fine-grained concrete compositions for decorative products and mafs (small architectural forms). One of the criteria for the quality of the resulting surface of such concrete was the most complete compliance of the characteristics required for natural natural stone (marble, granite), used as an element of finishing and facing.

The paper reviewed the range of products on white and non-ferrous cements, considered technological and rheological defects of the surface of fine-grained concrete. The main characteristics of decorative fine-grained concrete are established. It is proved that the use of hyperplasticizer leads not only to an increase in the density and strength of concrete, but also to an improvement in the quality of the concrete surface, since the increased thixotropy eliminates the pinching of air on the concrete surface. Keywords: fine-grained concrete, white cement, fractionated sand,

surface quality. References

1. Kharchenko A. I., Alekseev V. A., Kharchenko I. Ya., Bazhenov

D. A. Structure and properties of fine-grained concrete based on composite binders// MGSU Bulletin. 2019. Vol. 14. No. 3 (126). Pp. 322-331.

2. Urkhanova L. A., Rozina V. E. high-Strength concrete using fly

ash and micro-silica // Bulletin of Irkutsk state technical University. 2011. no. 19. (57). Pp. 97-100

3. Bazhenova O. Yu., Bazhenova S. I. Features of the structure of

decorative concrete. // Success of modern science. 2016. No. 6. Vol. 3. Pp. 21-23.

4. Pilipenko A., Bazhenova S., Kryukova A., Khapov M. Decorative

light transmitting concrete based on crushed concrete fines //

IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Construction - The Formation of Living Environment. 2018. С. 032046.

5. Bazhenova O. Yu., Bazhenova S. I. Investigation of the process

of structure formation in decorative concrete // Collection: Modern building materials, technologies and structures. Materials of the International scientific and practical conference dedicated to the 95th anniversary of the ggntu named after M. D. Millionshchikov. Federal state budgetary educational institution of higher professional education "Grozny state oil technical University named academician M. D. millionshtchikov" (FGBOU VPO "GGNU"), the city of Grozny. 2015. Pp. 310-316.

6. Loshak V. V., Cherkasov S. V., Vlasov V. V. Influence of granulometric composition of aggregate on aesthetic and operational properties of decorative concrete // Scientific Bulletin of the Voronezh state architectural and construction University. Series: Physical and chemical problems of structural materials science and high technologies. 2011. no. 3-4. Pp. 6165.

7. Alekseev V. A., Bazhenov Yu. M., Bazhenova S. I., Bazhenova

0. Yu., Bi-sembaev R. S., mironchuk N. S. Additives with independent hydraulic activity for sprayed concrete. BST: Bulletin of construction equipment. 2018. no. 8 (1008). Pp. 6163.

8. Alekseev V. A., Bazhenova S. I. Optimization of concrete compositions for spraying concrete during construction of underground structures / / Vestnik Bel-Gorod state technological University named after V. G. Shukhov. 2020. no.

1. Pp. 8-17.

9. Alekseev V. A., Bazhenov Yu. M., Bazhenova S. I., Bazhenova

O. Yu., Go-lovashchenko N. A., mironchuk N. S. Modified binder for nabryzgbe-ton // BST: Bulletin of construction equipment. 2018. No. 5 (1005). Pp. 18-19.

10. Goncharova M. A. Ivashkin A. N. Evaluation of the quality of the front surface of products made of multicomponent decorative concrete// Housing construction-2014., no. 12, P. 19-22.

11. Tserkovnikov V. M. Guide to the technology of obtaining artificial stone materials for works of monumental and decorative art. Tula.: PKS, 1987. 186 p.

12. Pilipenko A., Bazhenova S. Usage of crushed concrete fines in decorative concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (см. в книгах). 2017. Т. 245.

13. Bazhenova O. Yu., Bazhenova S. I., Arkhangelsk E. A. Research of properties of decorative concrete // MGSU Bulletin. 2009. No. S1. Pp. 330-332.

14. Bazhenova O. Yu., Bazhenova S. I., Kotelnikov M.Al. Functional features of decorative concrete / / BST: Byulleten ' Stroitel'noj tehniki. 2018. no. 4 (1004). Pp. 32-33.

15. Bazhenova S., Pilipenko A. The concrete-based high performance deco-rative material for severe climatic conditions / / collection: MATEC Web of Conference-ences. 2017. P. 03004.

16. Bazhenova O. Yu., Bazhenova S. I. Technological features of decorative concrete / / collection: Innovations and modeling in construction materials science and education. International correspondence scientific and technical conference: collection of materials. Tver state technical University. 2013. Pp. 17-20.

X X О го А С.

X

го m

о

м о м о