CC BY
9Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
УДК 624.131:624.19
В.А. АЛЕКСЕЕВ1, инженер (634586@mail.ru), С.И. БАЖЕНОВА1, канд. техн. наук, И.Я. ХАРЧЕНКО1, д-р техн. наук; А.И. ХАРЧЕНКО2, канд. техн. наук; С.А. КРИВЧУН1, инженер
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26) 2 ЗАО «Ингеострой» (109147, Москва, ул. Малая Калитниковская, д. 7)
Совершенствование качества набрызгбетона для строительства тоннельных и притоннельных сооружений
Применение набрызгбетона в подземном строительстве позволяет интенсифицировать процесс работ, исключает применение опалубки с арматурой и работы по их монтажу. Одним из способов повышения качественных показателей набрызгбетона является использование в качестве вяжущего модифицированной композиции с оптимально подобранным гранулометрическим и минералогическим составом и введение фибры в бетонную смесь.
Ключевые слова: подземное строительство, набрызгбетон, композиционное вяжущее, микронаполнитель, наночастицы, фибра.
V.A. ALEKSEEV1, Engineer (634586@mail.ru), S.I. BAZHENOVA1, Candidate of Sciences (Engineering), I.Ya. KHARCHENKO1, Doctor of Sciences (Engineering); A.I. KHARCHENKO2, Candidate of Sciences (Engineering); S.A. KRIVCHUN1, Engineer 1 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Hwy, 129337, Moscow, Russian Federation) 2 ZAO "Ingeostroy" (7, Malaya Kalitnikovskaya Street, 109147, Moscow, Russian Federation)
Improvement of Shotcrete Quality for Construction of Tunnel and Tunnel-Related Facilities
The use of shotcrete in the course of underground construction makes it possible to intensify the process of works, excludes the use of formwork with reinforcement and their assembling. One of the methods of improving qualitative characteristics of shotcrete is the use of a modified composition with optimally selected granulometric and mineralogical content as a binder and introduction of fiber in the concrete mix.
Keywords: underground construction, shotcrete, composite binder, micro-filler, nano-particles, fiber.
Расширение современных мегаполисов происходит за счет освоения новых территорий, высотного и подземного строительства. Крупнейшие города, столкнувшись с проблемой доступного присоединения новых территорий, растут за счет активного строительства подземных сооружений. Увеличивающаяся транспортная нагрузка на существующую инфраструктуру также вынуждает сооружать новые транспортные артерии под землей.
Необходимость возведения подземных конструкций (тоннелей, шахт, наклонных ходов, межтоннельных и притоннельных сооружений) в короткие сроки вызывает необходимость использования эффективных технологий и материалов, оптимизации технологических и конструктивных решений. Строительство в подземном пространстве является трудоемким и затратным процессом ввиду ограниченности рабочего пространства, сложной логистики и необходимости повышенных мер безопасности [1].
Одним из эффективных методов при строительстве подземных сооружений является сооружение конструкций из набрызгбетона, позволяющее исключить арматурные и опалубочные работы и реализовать принцип восприятия нагрузок конструкции совместно с грунтовым массивом.
Используемые в настоящее время методы проектирования составов бетонов в технологии набрызга не позволяют в полном объеме решать задачи по созданию эффективных конструкций с максимальной степенью использования
92016 ^^^^^^^^^^^^^
свойств материала. Также стоит проблема повышения качества набрызгбетона в каждом конкретном случае с учетом технологичности процесса и логистики в подземном строительстве. Получение набрызгбетона с заданными свойствами невозможно без использования широкого спектра химических и органоминеральных добавок, подобранной рецептуры бетонной смеси, оптимизации технологии набрызгбетонирования [2, 3].
Важнейшим фактором, влияющим на свойства на-брызгбетона, являются характеристики используемого вяжущего вещества. В большинстве случаев это портландцемент, широко представленный на рынке строительных материалов. Однако достижение требуемых свойств для высококачественного набрызгбетона требует повышенных расходов цемента, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок.
Авторами на базе кафедры «Технология вяжущих веществ и бетонов» Национального исследовательского Московского государственного строительного университета в целях повышения качественных показателей набрызгбе-тона было разработано композиционное вяжущее (КВ) для использования в технологии набрызга. Составы набрызг-бетона на основе КВ комплексно исследовались с целью адаптации технологии и возможности применения разработанной модификации. Использование на строительных объектах набрызгбетона с композиционным вяжущим пока- 33
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
зало высокую технологичность и повышенные количественно-качественные показатели материала.
Разработанное композиционное вяжущее имеет оптимизированный гранулометрический и минералогический состав и по сравнению с портландцементом имеет сниженный объем межзерновых пустот. Обычный цемент имеет случайный зерновой состав, в котором часть мелких зерен расположена в межзерновом пространстве более крупных, а объемные зоны между мелкими зернами соответственно ничем не заполнены. В композиционном вяжущем (КВ) имеется более широкий спектр мелких зерен, которые заполняют те зоны, которые в обычном цементе являются воздушной порой.
За счет введения в состав стандартного портландцемента М500 диспергированных микронаполнителей не только существенно повышается плотность упаковки частиц вяжущего и улучшаются его свойства, обеспечивается плотная и качественная контактная зона между растворной частью и подложкой. Особенностью предлагаемого микронаполнителя является воспроизводимый плавный гранулометрический состав, постоянство физико-химических свойств и способность к самостоятельному гидратационному твердению. Иные типы микронаполнителей являются отходами различных производств или добываются из природных материалов, характеризуются нестабильной гранулометрией, непостоянными физико-химическими свойствами, не обладают сколь-либо значимой самостоятельной способностью к гидратационному твердению. Используемый наполнитель двух модификаций «Экстра» и «Ультра» в составе КВ представляет собой гидравлически активный тонкозернистый порошок, изготавливаемый методом воздушного сепарирования предварительно размолотых до высокой удельной поверхности подобранных минеральных компонентов ^95=5,5 и 8,5 мкм и содержание частиц менее 0,1 мк до 10 и 5% соответственно) [4].
В качестве базового вяжущего применялся портландцемент М500Д0 Sуд= 3025 см2/г. Активный микронаполнитель имел удельную поверхность Sуд= 16500 и 22500 см2/г. В качестве мелкого заполнителя использовались кварцевые пески (Мкр= 2,4; 1,8; 0,9). Для повышения удобоукладыва-емости смеси, при заданных водовяжущих отношениях, использовалась пластифицирующая добавка на основе поликарбоксилатных эфиров. Испытания образцов производились в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».
Использование микронаполнителя с заданными гранулометрическими параметрами зерен позволяет заполнять межзерновое пространство гранул стандартной фракции портландцемента частицами с размерами, сравнимыми с объемом образованной поры. При подборе состава композиционного вяжущего также должно учитываться максимальное заполнение межзернового пространства микронаполнителем в заданном объеме без его превышения с исключением эффекта расклинивания крупных частиц. Содержащиеся в наполнителе наночастицы в свою очередь заполняют самые мелкие поры и способствуют уплотнению структуры на микроуровне [5].
Было отмечено, что пластичность смеси увеличивается и повышается ее связность, также улучшается сцепление свежего бетона с подложкой и соседними слоями при на-брызге, что позволяет существенно повысить качество конструкции. Составы на КВ отличались увеличенными прочностными показателями и сниженной проницаемостью. Также был выполнен комплекс исследований составов и свойств мелкозернистых (бесщебеночных) бетонов для условий набрызгбетонирования с учетом местной сырьевой базы кварцевых песков с различным модулем крупности.
На подвижность бетонных смесей оказывает влияние модуль крупности (Мкр) песка. Как показано в табл. 1, при понижении Мкр песка снижается прочность и пластичность бетонной смеси, что объясняется повышением необходимого количества воды затворения для полного смачивания всех зерен инертного заполнителя. При использовании композиционного вяжущего повышается прочность и снижается количество воды, необходимое для обеспечения требуемой удобоукладываемости смеси.
Подземные конструкции ввиду своих особенностей имеют разнонаправленно действующие нагрузки по всей внешней объемной поверхности, что в некоторых случаях заставляет материал конструкций работать не только на сжатие, но и на растяжение, изгиб, сдивг и т. д. Как известно, бетон хорошо работает на сжатие и плохо на изгиб и растяжение. Поэтому в подземных конструкциях необходимо повышать деформационные показатели набрызгбетона или предусматривать соответствующее армирование, что удорожает и осложняет работы в ограниченных подземных условиях. В этой связи эффективным способом повышения качества конструкций из набрызгбетона является комбинация использования не только композиционных вяжущих, но и расширяющихся компонентов, химических добавок и введение
Таблица 1
Зависимость увеличения подвижности бетонной смеси и прочности при сжатии от модуля крупности мелкого заполнителя, содержания и типа микроцемента
Вяжущее ПЦ-500, % «Экстра» ^95=5,5 мкм), % «Ультра» ^95=8,5 мкм), % М песка кр Диаметр расплыва, мм Прочность бетона при сжатии, МПа
ПЦ-500 100 - - 0,9 245 41,2
КВ-1 85 - 15 0,9 270 46,5
КВ-2 85 15 - 0,9 290 51,1
ПЦ-500 100 - - 1,9 255 49,5
КВ-1 85 - 15 1,9 275 53,5
КВ-2 85 15 - 1,9 300 57
ПЦ-500 100 - - 2,4 270 53,7
КВ-1 85 - 15 2,4 315 58,6
КВ-2 85 15 - 2,4 330 61,1
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
Таблица 2
Прочность на растяжение при изгибе мелкозернистого фибронабрызгбетона на основе композиционного вяжущего
Вяжущее ПЦ-500, % «Экстра» (d95=5,5 мкм), % «Ультра» (d95=8,5 мкм), % Фибра Прочность бетона при изгибе, МПа
ПЦ-500 100 - - Без фибры 6,8
КВ-1 85 - 15 Без фибры 8,5
КВ-2 85 15 - Без фибры 9,1
ПЦ-500 100 - - Полипропилен 8,9
КВ-1 85 - 15 Полипропилен 11,9
КВ-2 85 15 - Полипропилен 13,1
ПЦ-500 100 - - Сталь 12,7
КВ-1 85 - 15 Сталь 15,9
КВ-2 85 15 - Сталь 16,7
Контактная зона гидратированного композиционного вяжущего и стальной фибры
в состав бетонной смеси фибры различного состава. Это обеспечивает повышенную прочность набрызгбетона при растяжении и изгибе, повышенную трещиностойкость, а также увеличивает водонепроницаемость и долговечность [6].
С целью повышения качественных показателей на-брызгбетона в его состав вводили фибру: полипропиленовую фибру «ПолиАрм» (плотность 8 кг/м3, длина 50 мм, толщина 0,6 мм, ширина 1,2 мм) и стальную фибру «Югатлх 3D 45/50BL» (плотность 85 кг/м3, длина 50 мм, толщина 1,05 мм).
Введение фибры в состав бетона на композиционном вяжущем и ее распределение в системе позволяют повысить трещиностойкость, деформативные характеристики и долговечность бетона. Также были проведены испытания образцов бетона на мелком заполнителе Мкр=1,9 с отношением П/Ц=1,5; В/Ц=0,4; дозировка гиперпластификатора -0,3-1,5% от массы цемента (табл. 2).
В целях изучения микроструктуры выполнены комплексные исследования с применением электронного сканирующего микроскопа XL 30 ESEM-FEG. Были исследованы образцы гидратированного вяжущего и контактные зоны «заполнитель-фибра-вяжущее». В процессе исследований было отмечено достаточно равномерное распределение фибры в объеме цементного камня и бетона, в объеме композиционного вяжущего заметны тонкие новообразования и частично непрореагировавшие частицы мелкодисперсных частиц (см. рисунок). В процессе вовлечения в гидратацию более мелких составляющих вяжущего вещества создалась более плотная упаковка цементного камня и контактной зоны. В зоне «вяжущее-фибра» выделяются гидратирован-ные дисперсные частицы микрочастиц, обеспечивающие плотное прилегание фибры с вяжущим.
В результате обработки экспериментальных данных было установлено, что формирование структуры бетона, величина общей пористости, а также параметры капиллярно-пористой структуры на макро- и микроуровнях зависят не только от величины водовяжущего отношения и степени гидратации, но и от вида микронаполнителей. При этом
микронаполнитель оценивается не только по тонкости измельчения и величине удельной поверхности, но и по характеристике его гранулометрического и минерального состава. В результате опытов установлено, что оптимизация гранулометрического состава вяжущего повышает физико-технические свойства бетона на его основе, что согласуется с теоретическими представлениями о критериях регулирования свойств дисперсных систем [7,8].
На подвижность до определенного предела также оказывает влияние модуль крупности песка. В табл. 1 приведены результаты испытаний, из которых следует, что при повышении модуля крупности песка удобоукладываемость смеси возрастает. Однако следует учитывать, что при дальнейшем повышении М песка повышается межзерновая
кр ^
пустотность инертного заполнителя, что требует повышения расхода вяжущего или заполнения возникающих пустот фракциями более мелкого инертного заполнителя.
На основании результатов выполненных исследований следуют следующие выводы.
Получены составы мелкозернистого набрызгбетона с повышенной прочностью на растяжение при изгибе до 10 МПа.
Введение в состав базового портландцемента микронаполнителя с высокой степенью самостоятельной гидравлической активности ^95<5,5 мкм; d10<0,1 мкм) в количестве 15-21% позволяет повысить подвижность смеси и прочность набрызгбетона.
При совместном введении в состав композиционного вяжущего и фибры улучшаются физико-механические и технологические свойства фибронабрызгбетона: удобоукла-дываемость смеси, предел прочности при изгибе и сжатии.
Исследования микроструктуры бетона на основе композиционного вяжущего с микроцементами позволили установить качественную контактную зону как стальной, так и полипропиленовой фибры с цементным камнем, повышение плотности упаковки композиционного вяжущего, что является главной предпосылкой для получения конструкций с повышенной прочностью и долговечностью.
Список литературы
References
2.
Меркин В.Е. Тоннелестроение в Швеции и Норвегии (по материалам деловой поездки) // Метро и тоннели. 2015. № 6. С. 10-14.
Меркин В.Е. О комбинированных обделках транспортных тоннелей из набрызгбетона с напыляемой гидро-
2.
Merkin V.E. Tunneling in Sweden and Norway (on materials of a business trip). Metro i tonneli. 2015. No. 6, pp. 10-14. (In Russian).
Merkin V.E. About combined lining of transport tunnels from sprayed concrete with a evaporated waterproofing (on
9'2016
35
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
изоляцией (по материалам семинара в Норвегии) // Метро и тоннели. 2011. № 3. С. 16-17.
3. Бегалинов А.Б., Сердалиев Е.Т., Алменов Т.М. Пути повышения качества и эффективности применения на-брызгбетона в подземных условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 5. С. 5-9.
4. Баженов М.И., Харченко А.И. Исследование некоторых свойств цементов с тонкодисперсной добавкой // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 5. С. 83-85.
5. Алимов Л.А., Стенечкина К.С., Воронин В.В., Лар-сен О.А. Влияние температурно-влажностных условий на формирование структуры бетонов с наномодифика-торами // Научное обозрение. 2015. № 10-1. С. 122-125.
6. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Елсуфьева М.С. Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 18-21.
7. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б., Белов В.В., Бурьянов А.Ф. Гранулометрический состав как критерий регулирования свойств дисперсных систем // Строительные материалы. 2013. № 1. С. 64-65.
8. Белов В.В., Образцов И.В. Компьютерное оптимизирование зерновых составов строительных композитов на основе цементно-минеральных смесей // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 3. С. 172-178.
7.
seminar materials in Norway). Metro i tonneli. 2015. No. 6, pp. 10-14. (In Russian).
Begalinov A.B., Serdaliev E.T., Almenov T.M. Methods of improvement of quality and efficiency of application of a shotcrete in underground conditions. Gorniy informatcionno-analiticheskiy bulleten'. 2013. No. 5, pp. 5-9. (In Russian). Bazhenov M. I., Harchenko A.I. Research of some properties of cements with a fine additive. Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzhya. 2012. No. 5, pp. 83-85. (In Russian). Alimov L.A., Stenechkina K.S., Voronin V. V., Larsen O. A. Influence of temperature and moist conditions on formation of structure of concrete with nanomodifiers. Nauchnoe obozrenie. 2015. No. 10-1, pp. 122-125. (In Russian). Solovyev V.G., Buryanov A.F., Elsufyeva M.S. Features of production stalefibrobetonnykh of products and designs. Stroitefnye Materialy [Construction materials]. 2014. No. 3, pp. 18-21. (In Russian).
Petropavlovskaya V.B., Novichenkova T.B., Belov V.V., Buryanov A.F. Particle size distribution as criterion of regulation of properties of disperse systems. Stroitefnye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 1, pp. 64-65. (In Russian). Belov V.V., Obraztsov I.V. Computer optimization of grain structures of construction composites on the basis of cement and mineral mixes. Izvestiya Kaznskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitelnogo universiteta. 2014. No. 3, pp. 172-178. (In Russian).
