CC BY
855
УДК 693.5
МОЗГАЛЕВ К. М., ГОЛОВНЕВ С. Г
Самоуплотняющиеся бетоны: возможности применения и свойства
Статья посвящена возможностям применения и исследованию свойств самоуплотняющихся бетонов. Для оценки влияния пластифицирующих и стабилизирующих добавок на показатели удобоукладываемости и прочностные характеристики самоуплотняющихся бетонов предложен коэффициент оптимального соотношения дозировок этих добавок.
Мозгалев
Кирилл Михайлович
аспирант кафедры «Технология строительного производства» ЮУрГУ
e-mail: mozgalev@74.ru
Головнев
Станислав Георгиевич
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН, заведующий кафедрой «Технология строительного производства» ЮУрГУ
e-mail: tsp@susu.ac.ru
Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, монолитные конструкции, пластифицирующие и стабилизирующие добавки, показатели удобоукладываемости, прочностные характерис-
MOZGALEV K. M., GOLOVNEV S. G.
SELF-COMPACTING CONCRETE: POSSIBILITIES OF APPLICATION AND PROPERTIES
The article is devoted to possibilities of application and research of properties self-compacting concrete. For an influence estimation plasticizing and stabilizing admix to workability rates and strength characteristics of self-compacting concrete was offered the factor of optimum ratio of dosages of these admixes.
Keywords: self-compacting concrete, monolithic construction, plasticizing and stabilizing admix, workability rates, strength characteristics.
Около 10 лет на строительных объектах развитых зарубежных стран успешно применяются самоуплотняющиеся бетоны, которые если не сегодня, то завтра появятся и в России. В литературе можно найти множество определений самоуплотняющегося бетона, но все они характеризуют его одинаково: это бетон, способный без воздействия на него дополнительной внешней энергии самостоятельно под собственным весом растекаться, сохраняя свою однородность, а также гарантируя полное уплотнение, заполнение опалубочной формы и инкапсуляцию всех арматурных стержней и закладных деталей.
Для всестороннего и полного понимания целесообразности применения самоуплотняющегося бетона необходимо обозначить его преимущества для каждого из участников строительного процесса, предусмотренных Градостроительным кодексом РФ [1].
Для застройщика (заказчика):
• высокие параметры качества и надежности монолитных железобетонных конструкций каркаса здания за счет оптимального соот-
ношения показателей удобоукладываемости бетонной смеси и прочностных характеристик бетона;
• улучшенные показатели экономической эффективности инвестиционного строительного проекта за счет уменьшения стоимости бетонных работ и сокращения сроков строительства.
Для лица, осуществляющего подготовку проектной документации:
• возможность проектирования монолитных железобетонных конструкций, имеющих разнообразные геометрические формы за счет улучшения показателей удобоукладываемос-ти бетонной смеси;
• уменьшение массивности монолитных железобетонных конструкций за счет увеличения прочностных характеристик бетона.
Для лица, осуществляющего строительство:
• снижение трудоемкости процесса укладки бетонной смеси в опалубку за счет упрощения технологического процесса бетонных работ;
• значительное снижение уровня шума и вибрации, негативно воздействующих на организм
человека, при производстве бетонных работ за счет исключения процесса принудительного уплотнения бетонной смеси.
Впервые самоуплотняющийся бетон разработан в Японии в конце 1980-х гг. с целью предотвращения технологических дефектов строительных конструкций в результате недостаточного уплотнения бетонной смеси. В это время профессором Х. Окамурой было создано и внедрено в практику новое поколение высокоэффективных суперпластифицирующих добавок к бетону на основе полиакрилата и поликарбоксилата для улучшения текучести бетонной смеси [2]. Ему удалось создать бетон, имеющий высокую подвижность и низкое содержание воды. С начала 1990-х гг. самоуплотняющийся бетон стал объектом интенсивных научных исследований во многих странах Западной Европы. В немецком языке самоуплотняющийся бетон получил сокращенное название SVB (selbstverdichtender beton), в английском — SCC (self-compacting concrete), во французском — BAP (beton autoplacant). Не исключено, что с распространением самоуплотняющегося бетона у нас он также получит в русском языке сокращенное обозначение СУБ [3].
На данный момент в России пока нет нормативов, в которых имеется классификация и описаны методы диагностики самоуплотняющихся бетонных смесей, что приводит к необходимости использования соответствующих документов, разработанных в Европе [4].
Для оценки удобоукладываемости и текучести материалов на базе це-
мента, таких как раствор и бетон, может быть использован реологический инструментарий. В идеале эти материалы можно рассматривать как суспензии, которые имеют определенное содержание твердых частиц, диспергированных в жидкой среде. Реологическое поведение такой суспензии зависит от свойств текучести жидкости, содержания, распределения частиц по крупности, а также от поверхностных свойств диспергированных частиц. Самым надежным способом для проверки реологических свойств самоуплотняющихся бетонных смесей мог бы быть реометр, который непосредственно давал бы значения параметров вязкости и предельного напряжения сдвига. Но этот метод дорогостоящ, сложен и поэтому непригоден для условий стройплощадки. По этой причине было разработано множество косвенных методов проверки текучести. При этом самое большое значение имеют метод по расплыву конуса и определение времени истечения через воронку, так как расплыв конуса коррелирует с предельным напряжением сдвига, а время истечения — с вязкостью. Вместо опыта по определению времени истечения через воронку в различных нормах и литературе принимается метод определения так называемого времени t 500, т. е. времени, за которое бетон растекается до диаметра 500 мм.
Классификация самоуплотняющихся бетонных смесей, принятая на сегодняшний день в Европе, приведена в Таблице 1.
В зависимости от способа обеспечения стойкости к расслаиванию и водоотделению выделяют два основных типа самоуплотняющихся бетонных смесей:
• мелкодисперсный тип (значительное увеличение содержания мелкодисперсной фракции по сравнению с обычным бетоном);
• стабилизаторный тип (использование стабилизирующих добавок). Мелкодисперсные заполнители
увеличивают стойкость самоуплотняющегося бетона к расслаиванию и снижают блокирование движения бетонной смеси при ее протекании в густоармированных конструкциях. Это известняковые порошки, молотый доменный шлак, зола-унос или кремнистые уносы.
Стабилизирующие добавки или модификаторы вязкости бетонной смеси позволяют достичь оптимальной вязкости, обеспечивая правильный баланс между подвижностью и стойкостью к расслаиванию — противоположными свойствами, проявляющимися при добавлении воды. При добавлении стабилизирующей добавки на поверхности цементных частиц образуется устойчивый микрогель, что обеспечивает создание «несущего скелета» в цементном тесте и предотвращает расслаивание бетонной смеси. При этом образующийся «несущий скелет» позволяет заполнителю (песок и щебень) свободно перемещаться и тем самым удобо-укладываемость бетонной смеси не изменяется [5].
На кафедре «Технология строительного производства» ЮжноУральского государственного университета длительное время проводятся научные исследования, результаты которых позволяют разрабатывать и применять интенсивные технологии монолитного строительства [6]. Начиная с 2010 г. на кафедре выполняются экспериментальные исследо-
Таблица 1. Классификация самоуплотняющихся бетонных смесей
Наименование показателя Обозначение класса Назначение и области применения самоуплотняющихся бетонов
Подвижность (Slump-flow) 8Б1 Расплыв конуса: 550 ... 650 мм Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции — плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаменты
8Б2 Расплыв конуса: 660 ... 750 мм Большинство обычных сооружений — колонны, стены, пилоны
8Б3 Расплыв конуса: 760 ... 850 мм Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм, торкретирование
Вязкость (Viscosity) У51/УБ1 Время t 500: менее 2 с Конструкции и изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и не требующие дополнительной обработки
У82/УБ2 Время t 500: более 2 с Конструкции и изделия, к которым не предъявляются высокие требования по качеству поверхности
Таблица 2. Состав бетонной смеси
Наименование материалов Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси
Цемент ПЦ400 Д20, кг 480
Щебень гранитный фракции 5 ... 20 мм, кг 1000
Песок кварцевый, кг 820
Вода, кг 205
Пластифицирующая добавка 01епшт 115, % от массы цемента 0.8, 1.0, 1.3
Стабилизирующая добавка КЬеоМАТМХ 100, % от массы цемента 0.05, 0.1, 0.15, 0.3
Таблица 3. Показатели удобоукладываемости бетонной смеси
№ п/п Дозировки добавок, % от массы цемента Отношение дозировок добавок пластификатора и стабилизатора Диаметр расплыва конуса, мм Время, с
Пласти- фикатора Стабили- затора г 500 Общее
1 0,8 0,05 16 Расслаивание и водоотде-ление бетонной смеси
2 0,8 0,1 8 560 5 10
3 0,8 0,15 5,3 554 5,5 9
4 0,8 0,3 2,7 550 6 8
5 1,0 0,05 20 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
6 1,0 0,1 10 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
7 1,0 0,15 6,7 577 5 11
8 1,0 0,3 3,3 576 5,5 10
9 1,3 0,05 26 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
10 1,3 0,1 13 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
11 1,3 0,15 8,7 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
12 1,3 0,3 4,3 607 5 12
вания, необходимые для разработки современных научно обоснованных и экономически эффективных организационно-технологических решений, основанных на использовании самоуплотняющихся бетонных смесей при возведении сборно-монолитных зданий, в том числе в зимних условиях. Объектом первоначального этапа данных исследований принят самоуплотняющийся бетон стабилизаторно-го типа с различными дозировками пластифицирующих и стабилизирующих добавок, а предметом — показатели удобоукладываемости и прч-ностные характеристики.
С целью получения математических зависимостей изучаемых параметров и их статистического анализа использовалось математическое планирование эксперимента. Значимыми факторами были приняты:
• дозировка пластифицирующей добавки в бетонной смеси, % от массы цемента: 0.8, 1.0, 1.3;
• дозировка стабилизирующей добавки в бетонной смеси, % от массы цемента: 0.05, 0.1, 0.15, 0.3.
В качестве пластифицирующей была выбрана добавка в1епшт 115 на основе поликарбоксилатного эфира, а в качестве стабилизирующей — ИЬео-МАТШХ 100. Обе добавки разработаны концерном БА8Б, являющимся крупнейшим в мире производителем химических продуктов и систем для строительства.
Исследования проводились на образцах размером 100 х 100 х 100 мм, изготовленных из бетонной смеси состав, которой приведен в Таблице 2.
После приготовления бетонной смеси для каждой серии определялись показатели удобоукладываемости смеси, далее образцы формовались без виброуплотнения и выдерживались в камере нормального хранения при требуемых температурно-влажностных условиях.
В ходе эксперимента контролировались (послужили откликами) следующие параметры: диаметр расплыва конуса (характеризует предельное напряжение сдвига), время t 500 (характеризует вязкость), общее время расплыва бетонной смеси, а также абсолютная и относительная (скорость набора) прочности бетона на сжатие в различном возрасте: 1 сутки, 3 суток, 7 суток, 14 суток, 28 суток. Результаты эксперимента представлены в Таблицах 3 и 4.
Проанализировав данные Таблицы 3, можно сделать вывод, что при некоторых сочетаниях дозировок пластифицирующей и стабилизирующей добавок наблюдается расслаивание и водоотделение бетонной смеси.
Это объясняется тем, что для достижения оптимальной вязкости необходимо обеспечивать правильный баланс между подвижностью и стойкостью к расслаиванию бетонной смеси. Повышение дозировки пластифицирующей добавки при неизменном количестве стабилизатора и нормальной стойкости к расслаиванию самоуплотняющейся бетонной смеси приводит к значительному увеличению расплыва конуса от 550 до 607 мм. Напротив, повышение дозировки стабилизирующей добавки при неизменном количестве пластификатора и нормальной стойкости к расслаиванию самоуплотняющейся бетонной смеси приводит к незначительному
уменьшению расплыва конуса от 560 до 550 мм. Изменение дозировок пластифицирующей и стабилизирующей добавок в самоуплотняющихся бетонных смесях практически не влияет на время t 500, характеризующее вязкость. Таким образом, полученные в ходе экспериментов самоуплотняющиеся бетонные смеси в соответствии с классификацией, представленной в Таблице 1, можно использовать при устройстве неармированных или низ-коармированных бетонных конструкций, таких как плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаменты.
Из Таблицы 4 видно, что пластифицирующие и стабилизирующие
№ п/п Дозировки добавок, % от массы цемента Отношение дозировок добавок пластификатора и стабилизатора Прочность образцов на сжатие в различном возрасте, МПа/% от Я28
Пласти- фикатора Стабили- затора 1 сут. 3 сут. 7 сут. 14 сут. 28 сут.
1 0,8 0,05 16 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
2 0,8 0,1 8 8,8/21,0 24,0/57,0 33,3/79,0 37,8/90,0 42,1/100
3 0,8 0,15 5,3 8,4/20,3 23,4/56,5 32,6/78,6 37,3/89,8 41,5/100
4 0,8 0,3 2,7 7,8/19,0 22,8/55,5 32,0/78,0 36,7/89,5 41,0/100
5 1,0 0,05 20 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
6 1,0 0,1 10 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
7 1,0 0,15 6,7 9,0/19,5 26,0/55,8 36,3/78,0 41,5/89,0 46,6/100
8 1,0 0,3 3,3 8,1/17,5 25,1/54,4 35,6/77,0 40,9/88,5 46,2/100
9 1,3 0,05 26 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
10 1,3 0,1 13 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
11 1,3 0,15 8,7 Расслаивание и водоотделение бетонной смеси
12 1,3 0,3 4,3 9,3/17,0 29,3/53,5 41,7/76,0 48,3/88,0 54,9/100
добавки оказывают значительное влияние на прочностные характеристики бетона. Повышение дозировки пластифицирующей добавки при неизменном количестве стабилизатора и нормальной стойкости к расслаиванию самоуплотняющейся бетонной смеси приводит к значительному увеличению абсолютной прочности и незначительному уменьшению относительной прочности бетона на сжатие. Напротив, повышение дозировки стабилизирующей добавки при неизменном количестве пластификатора и нормальной стойкости к расслаиванию самоуплотняющейся бетонной смеси приводит к незначительному уменьшению прочностных характеристик бетона.
Исходя из анализа показателей удобоукладываемости бетонной смеси и соответствующих прочностных характеристик бетона, можно констатировать, что существует определенное соотношение дозировок пластифицирующей и стабилизирующей добавок, при котором достигаются оптимальные параметры удобоукладываемости самоуплотняющейся бетонной смеси и прочностные характеристики бетона. Так, оптимальные составы самоуплотняющихся бетонных смесей приведены в строках 2 (класс бетона по прочности на сжатие В30), 7 (класс бетона по прочности на сжатие В35), 12 (класс бетона по прочности на сжатие В40) Таблиц 3 и 4. На Иллю-
страции 1 приведена полученная экспериментальным путем зависимость дозировок добавки стабилизатора от пластификатора, обеспечивающая оптимальные параметры самоуплотняющихся бетонных смесей.
С целью получения более полной картины влияния пластифицирующих и стабилизирующих добавок для самоуплотняющихся бетонных смесей на показатели удобоукладываемости и прочностные характеристики бетона предложен коэффициент оптимального соотношения дозировок добавки стабилизатора и пластификатора (Копт), который определяется по формуле:
К = Д /Д б, (1)
опт ~ пласт ~ стаб. ' '
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3
Дозировка добавки пластификатора, % от массы цемента
Иллюстрация 1. Оптимальная зависимость дозировок добавки стабилизатора от пластификатора в самоуплотняющихся бетонных смесях
610
550-1-----------------------------------------------------
4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Коэффициент оптимального соотношения дозировок добавки пластификатора и стабилизатора
Иллюстрация 2. Влияние пластифицирующих и стабилизирующих добавок на диаметр расплыва конуса самоуплотняющихся бетонных смесей
Иллюстрация 3. Влияние пластифицирующих и стабилизирующих добавок на абсолютную прочность на сжатие самоуплотняющегося бетона
Иллюстрация 4. Влияние пластифицирующих и стабилизирующих добавок на относительную прочность на сжатие самоуплотняющегося бетона
Иллюстрация 5. Графики набора прочности самоуплотняющимися бетонами в зависимости от класса по прочности на сжатие
где Д пласт — дозировка пластифицирующей добавки, % от массы цемента;
ДсЫ. — дозировка стабилизирующей добавки, % от массы цемента, определяемая по зависимости, изображенной на Иллюстрации l.
Полученная в ходе эксперимента зависимость диаметра расплыва конуса, характеризующего величину предельного напряжения сдвига бетонной смеси, от коэффициента оптимального соотношения дозировок добавки стабилизатора и пластификатора, представлена на Иллюстрации 2.
Полученные в ходе эксперимента зависимости, определяющие влияние пластифицирующих и стабилизирующих добавок на прочностные характеристики бетона, представлены на Иллюстрациях 3-4.
Сопоставление графиков набора прочности бетонами, изготовленными из оптимальных составов самоуплотняющихся бетонных смесей, позволяет определить количественный характер изменения прочностных характеристик в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие (Иллюстрация 5).
Анализируя изображенные на Иллюстрациях 3-5 зависимости, можно сделать вывод, что пластифицирующие и стабилизирующие добавки при оптимальном соотношении дозировок в самоуплотняющихся бетонных смесях незначительно влияют на относительную прочность (скорость набора прочности) бетона. Напротив, пластифицирующие и стабилизирующие добавки при оптимальном соотношении дозировок в самоуплотняющихся бетонных смесях значительно влияют на абсолютную прочность бетона на сжатие, тем самым увеличивая прочностные характеристики.
Заключение
Таким образом, применение предложенного коэффициента оптимального соотношения дозировок пластифицирующих и стабилизирующих добавок (Копт.) позволяет получить достаточно полную картину влияния данных добавок на показатели удобоукладываемости и прочностные характеристики самоуплотняющихся бетонов. За счет варьирования показателя Копт можно получить самоуплотняющиеся бетоны классов ВЗ0-В40, которые имеют более высокие прочностные характеристики по сравнению с другими традиционными видами бетонов.
Список использованной литературы
1 Градостроительный кодекс РФ.
2 Okamura H., Ouchi M. Self-compacting concrete. Proceedings of the first international RILEM symposium. Stockholm, l999.
3 Болотских О. Н. Самоуплотняющийся бетон и его диагностика // Предотвращение аварий зданий и сооружений. 2010.
4 The European guidelines for self-compacting concrete: specification, production and use. UK, 2005.
5 Технический каталог по добавкам в бетон концерна BASF. М., 2009.
6 Современные строительные технологии // монография/под ред. С. Г. Головнева. Челябинск, 2010.
