CC BY
27УДК 666.972.16
В.С. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, А.А. ГРИДЧИНА, инженер (alla-gridchina@yandex.ru)
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Монолитные бетоны на основе расширяющих добавок и химических модификаторов
Приведена информация об основных преимуществах технологии монолитного строительства. Рассмотрены вопросы повышения качественных и технологических показателей товарных бетонов, в том числе долговечность и трещиностойкость. С использованием расширяющей добавки и комплекса химических добавок разработаны составы цементных композитов с водонепроницаемостью W16 и морозостойкостью F300. Приведены результаты испытаний составов бетонных смесей на сохраняемость подвижности во времени и изменение воздухововлечения при перемешивании в автобетоносмесителях. Показано, что расширяющие добавки в цементных композитах создают плотную структуру, способствуют снижению проницаемости, в том числе и диффузионной, что препятствует развитию коррозии бетона и стальной арматуры.
Ключевые слова: монолитное строительство, безусадочный бетон, расширяющая добавка, трещиностойкость бетона, водонепроницаемость.
V.S. LESOVIK, Doctor of Sciences (Engineering), A.A. GRIDCHINA, Engineer (alla-gridchina@yandex.ru)
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
Monolithic Concretes on the Basis of Expanding Agents and Chemical Modifiers
The information on basic advantages of the monolithic construction technology is presented. Issues of improving qualitative and technological characteristics of ready-mixed concretes including durability and crack resistance are considered. Compositions of concrete composites with water tightness W16 and frost-resistance F300 have been developed with the use of expanding agents and complex of chemical additives. The results of tests of compositions of concrete mixes for slump retention vs. time and changing the air entrainment when agitating in the truck-mounted mixer are presented. Ii is shown that expanding agents in cement composites create the dense structure, reduce the permeability including diffusion, which prevents the corrosion of concrete and steel reinforcement.
Keywords: monolithic construction, non-shrink concrete, expanding agent, crack resistance of concrete, water tightness.
Согласно данным Федеральной службы государственной статистики общая площадь введенных в эксплуатацию зданий с 2000 по 2014 г. возросла почти в два раза. В рамках быстрых темпов строительства на первый план выходят вопросы разработки новейших технологий и материалов, обладающих высокими эксплуатационным характеристиками, позволяющими адаптироваться в условиях техногенного метасоматоза [1—3]. Перед разработчиками и производителями строительных материалов стоят задачи создания экономически эффективных высококачественных инновационных продуктов.
Монолитное строительство по праву занимает ведущее место в строительстве высотных зданий, мостов, аэродромов, метрополитена. Применение монолитного бетона позволит конструировать быстровозводимые большепролетные конструкции различных архитектурных форм [4, 5]. Соответственно качественным показателям, такому бетону предъявляют все больше требований. Кроме прочностных характеристик для монолитных бетонов важны специальные свойства, такие как регулируемая сохраняемость реологических показателей во времени, безусадочность, трещиностойкость, водонепроницаемость и, конечно, долговечность. По данным [6], на ремонт и обслуживание бетонных конструкций ежегодно затрачивается более 250 млрд евро.
Долговечность бетона определяется рядом свойств, таких как трещиностойкость, коррозионная стойкость, морозостойкость, водонепроницаемость и др. При проектировании цементных композитов с повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью одним из основных факторов является оценка условий эксплуатации конструкции: статические и динамические нагрузки, воздействие агрессивных сред, обводнение и выщелачивание, замораживание и оттаивание. В немецком стандарте DIN 1045 долговечность бетона определяется классами экспозиции, а в европейском стандарте EN 206-1 для каждого класса среды эксплуатации требования по обеспечению долговечности бетона
должны включать: минимальное содержание цемента в составе композита, минимальное воздухововлечение бетонной смеси, вид и класс применяемого цемента, максимальное водоцементное отношение и пр. В российских строительных нормативных документах (ГОСТ 27751, СНиП 35.13330.2011 и пр.) также установлены классы среды эксплуатации, требования к цементам и заполнителям для бетонов различного назначения, основные характеристики качественных показателей бетонных смесей и бетонов, технологические и конструкционные требования при возведении бетонных конструкций различного назначения.
Основными причинами разрушения бетонных и железобетонных конструкций являются: несоответствие качественных показателей материала условиям эксплуатации, несоблюдение конструкционных требований при монтаже, некорректный подбор состава бетонных смесей, несоответствие физико-механических показателей бетонов проектным требованиям и др. Срок службы композита определяется параметрами техногенного метасоматоза и зависит от проницаемости по отношению к газам и воде, а также к растворенным в воде агрессивным реагентам [1].
Разработка методов повышения стойкости бетонов к проникновению влаги проводились еще в 1940-1950-х гг. [7, 8]. Известными способами снижения проницаемости являются: введение специальных минеральных и химических добавок, снижающих во-допотребность бетонной смеси; оптимальный подбор соотношения крупного и мелкого заполнителей для создания более плотной упаковки; создание в теле бетона регулируемого объема воздушных замкнутых микропор определенного размера. Помимо внешних воздействий бетон испытывает нагрузки от внутренних напряжений, особенно на ранних сроках набора прочности. Усадочные напряжения и собственные деформации являются причинами образования микротрещин в теле свежеуложенного бетона. Проблемам возникнове-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
август 2015
81
Результаты научных исследований
30
60
90
120
150
30
60
90
120
150
Рис. 1. Изменение подвижности (см) бетонных смесей проектируемых составов во времени
14 12 10
8 6 4 2 0
Контрольный 5% РД состав
8% РД
10% РД
15% РД
ЗЕМ МАЙ: 15 0 кк МЖАЗ 1_ми 1 1 1 1 1 [|| МИШЗТЕЗСАН
V: с V. Г1с1с): 13.3 ит ЗЕМ НУ: 6 0 № 5ЮТ
5М. Н ЕБО 1_иТЮМ №1: '> БГТУ ни. В.Г. Шухои
Рис. 2. Изменение воздухосодержания (%) бетонных смесей проектируемых составов во времени
Рис. 3. Водонепроницаемость проектируемых составов бетонов в возрасте 7 сут
ния усадочных деформаций, внутренних напряжений и, как следствие, образованию микротрещин цементного камня посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов [9—13].
Апробация теоретических результатов осуществлялась на кафедре строительного материаловедения, изделий и конструкций БГТУ им. В.Г. Шухова и в лаборатории ООО «СтройБетон». Основная цель проведенной работы — проектирование состава цементного композита высокой водонепроницаемости и морозостойкости для применения в технологии монолитного строительства. Бетонные образцы изготавливались на основе портландцемента класса ЦЕМ I 42,5Н ООО «Тулацемент», стандартных заполнителей, расширяющей добавки и комплекса химических добавок Sika. Эксперимент проводили в два этапа. На первом этапе были разработаны и выбраны оптимальные составы бетонов: цемент—заполнители—вода-пластифи-цирующая добавка—воздухововлекающая добавка. На
втором этапе в состав с наиболее высокими прочностными показателями и морозостойкостью ^2=300) вводили расширяющую добавку (РД) в различных дозировках — 5, 8, 10 и 15% от массы цемента.
Так как товарная бетонная смесь должна сохранять свойства с момента ее приготовления до момента укладки на строительной площадке, особое внимание уделялось изменению реологических свойств во времени при постоянном перемешивании в автобетоно смесителе. Подвижность, воздухововлечение, расслоение, водоотделение измерялись каждые 30 мин в течение 2,5 ч при одинаковой температуре и влажности окружающей среды, причем для получения наиболее точных результатов объем каждого экспериментального замеса составлял 2,5 м3, а приготовление составов осуществлялось непосредственно на автоматизированной производственной линии Shtetter. Полученные показатели по изменению подвижности и воздухосодержа-нию бетонных смесей представлены на графиках (рис. 1, 2).
Как видно, увеличение дозировки расширяющей добавки сокращает жизнеспособность бетонной смеси, но не оказывает влияния на ее воздухосодержание. Некоторое увеличение объемной доли воздуха в течение времени можно объяснить вовлечением его в бетонную смесь при постоянном перемешивании.
В составах с расширяющими добавками показатели марки по водонепроницаемости были высокими уже на ранних сроках твердения (рис. 3), а к 28 сут минимальная марка по водонепроницаемости (РД 5%) составила
"У;
5ЁМ МАЙ 15.0 к! М1КАЗ ЬМи | I I I | | | | | МШАЗ ТЕ5СЛМ
VI™ ПеЮ 18.5 иго ЗЕМ МУг 5.0 Ы/ 5 рт
5м: ДЕЗОШТЮЫ М 5Е БГТУ им. В.Г. шухоы
Рис. 4. Структура цементного композита: а - без добавки; б - цементный композит с расширяющей добавкой (РД) 8%
научно-технический и производственный журнал ф'ГРО/ГГ'" J\ilг\i>\*
август 2015 Ы ®
0
0
мин
мин
W16. При этом было выявлено, что с увеличением дозировки расширяющей добавки от 10% и выше происходит некоторое снижение прочностных характеристик. Марка по морозостойкости составов с содержанием расширяющей добавки более 10% ниже: F2 = 200 для состава РД 10%, F2 = 150 для состава РД 15%. Однако при содержании РД 8% марка по морозостойкости составила F2 = 250, а при содержании РД 5% — F2 = 300.
Гидратированная часть цементного камня состоит из субмикрокристаллической гидросиликатной массы, пронизанной кристаллами гидросульфоалюмина-та кальция, гидроксида кальция и гидроалюмината кальция. Гидросиликатная масса обеспечивает прочность, непроницаемость и долговечность цементного камня. Расширяющие добавки в цементных композитах создают плотную структуру (рис. 4), понижающую проницаемость, в том числе и диффузионную, что
Список литературы
1. Лесовик В.С. Техногенный метасоматоз в строительном материаловедении. Международный сборник научных трудов. Строительные материалы. Новосибирск. 2015. С. 26-30.
2. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении: Монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 206 с.
3. Лесовик В.С. Интеллектуальные строительные композиты для 3D-аддитивных технологий. Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича, «Эффективные строительные композиты».». Белгород, 2015. 7 с.
4. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П. Оптимизация организации производственных процессов монолитного строительства // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С. 242-248.
5. Абрамян С.Г., Ахмедов А.М., Халилов В.С., Уман-цев Д.А. Развитие монолитного строительства и современные опалубочные системы // Вестник волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 36 (55). С. 231-239.
6. Li V.C., Lepech M. Durability and long-term performance of Engineered Cementations Composites. Proceedings of International Workshop on HPFRCC in Structural Applications. Honolulu. Hawaii. USA. 2005. May 23-26.
7. Мощанский Н.А. Плотность и стойкость бетонов. М.: Госстройиздат, 1951. 176 с.
8. Давидсон Н.Г. Водонепроницаемый бетон. Л.: Лен-издат. 1965. 96 с.
9. Nassif A.Y., Petrou M.F. Influence of cold weather during casting and curing on the stiffness and strength of concrete // Construction and Building Materials. 2013. No. 44, pp. 161-167.
10. G.P.A.G. van Zijl, Wittmann F.H. Durability of strain-hardening fibre-reinforced cement-based composites (SHCC) // RILEM. 2011, pp. 9-39.
11. Комохов П.Г., Харитонов А.М. Влияние внутренних и внешних факторов на влажностную усадку цементных систем // Архитектура и строительство. 2009. № 2. С. 77-80.
12. Lesovik V.S. Zagorodnuk L.H., Shkarin A.V., Beli-kov D.A., Kuprina A.A. Creating effective insulation solutions, taking into account the law of affinity structures in construction materials // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 24. No. 11, pp. 1496-1502.
13. Гридчина А.А., Титова Л.А. Перспективы применения бетонов на основе расширяющих добавок в современном монолитном строительстве // Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2014. № 2-1. С. 17-19.
препятствует развитию коррозии бетона и стальной арматуры.
Таким образом, проектирование и применение бетонных смесей с расширяющими добавками и комплексом химических добавок способствует снижению риска деформации конструкций, образования трещин в процессе изготовления бесшовных монолитных конструкций большой протяженности. Введение в составы химических модификаторов способствует оптимизации микроструктуры цементного камня. Как следствие, марка по водонепроницаемости существенно увеличивается даже на ранних сроках твердения, а морозостойкость композита может достигать F400 и выше в солях. Это приводит к сокращению затрат на строительство возводимых и реконструкцию существующих объектов, увеличивает срок службы, повышает эксплуатационные и качественные показатели готовых конструкций.
References
1. Lesovik V.S. Technogenic metasomatism in construction materials science. International collection of scientific papers. Construction Materials. Novosibirsk. 2015, pp. 26-30. (In Russian).
2. Lesovik V.S. Geonika (geomimetika). Primery realizatsii v stroitel'nom materialovedenii: monografiya [Geonick-name (Geomimetics) Examples of implementation in building materials]. Belgorod: BGTU. 2014. 206 p.
3. Lesovik V.S. Intelligent building composites for 3D additive technology [electronic resource]. Scientific-practical conference devoted to the 85th anniversary of the Honored Worker of Science, Academician RAASN, Doctor of Technical Sciences, Yuri Mikhailovich Bazhenov, "Effective construction composites". Belgorod. 2015. 7 p. (In Russian).
4. Adamtsevich A.O., Pustovgar A.P. Optimizing the organization of production processes of monolithic construction. Vestnik MGSU. 2013. No. 11, pp. 242-248. (In Russian).
5. Abramyan S.G., Akhmedov A.M., Khalilov V.S., Umantsev D.A. The development of monolithic construction and modern formwork systems. Vestnik volgo-gradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2014. No. 36 (55), pp. 231-239. (In Russian).
6. Li V.C., Lepech M. Durability and long-term performance of Engineered Cementations Composites. Proceedings of International Workshop on HPFRCC in Structural Applications. Honolulu. Hawaii. USA. 2005. May 23-26.
7. Moshchanskiy N.A. Plotnost' i stoykost' betonov [The density and durability of concrete]. Moscow: Gosstroyizdat. 1951. 176 p.
8. Davidson N.G. Vodonepronitsaemyi beton [Waterproof concrete]. Leningrad: Lenizdat. 1965. 96 p.
9. Nassif A.Y., Petrou M.F. Influence of cold weather during casting and curing on the stiffness and strength of concrete. Construction and Building Materials. 2013. No. 44, pp. 161-167.
10. G.P.A.G. van Zijl, F.H. Wittmann. Durability of strain-hardening fibre-reinforced cement-based composites (SHCC). RILEM. 2011, pp. 9-39.
11. Komokhov P.G., Kharitonov A.M. The influence of internal and external factors on shrinkage of humid cement systems. Arkhitektura istroitel'stvo. 2009. No. 2, pp. 77-80. (In Russian).
12. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Shkarin A.V., Beli-kov D.A., Kuprina A.A. Creating effective insulation solutions, taking into account the law of affinity structures in constraction materials. World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 24. No. 11, pp. 1496-1502.
13. Gridchina A.A., Titova L.A. Prospects for the use of concrete on the basis of expanding additives in modern monolithic construction. Teoreticheskie i prikladnye aspekty sovremennoinauki. 2014. No. 2-1, pp. 17-19. (In Russian).
©teD'AfZJlhrMS.
научно-технический и производственный журнал
август 2015
83
