Исследовано влияние параметров состава бетонной смеси на ее удобоукладываемость, прочность бетонов, уплотненных под действием собственного веса и при виброуплотнении в различные сроки испытания. Установлены математические модели, описывающие влияние исследованных факторов на свойства. Показано, что стоимость материалов для получения бетонной смеси, способной уплотняться без вибрационного воздействия, всего на 9 % выше стоимости самого дешевого из исследованных составов бетона.
Ключевые слова, самоуплотняющийся бетон, тонкий наполнитель, суперпластификатор, удобоукладываемость, прочность.
В заводском производстве сборных железобетонных конструкций применение высокоподвижных литых бетонов признается обоснованным в соответствии с отечественным опытом только для изделий, имеющих при формовании большую высоту, изготавливаемых по кассетной или стендовой технологии. Для плит, балок и других конструкций, формуемых в горизонтальном положении, применяются жесткие и малоподвижные бетонные смеси, которые уплотняются при помощи интенсивного вибровоздействия. Такая технология, позволяющая получать качественные бетоны при невысоких расходах цемента, имеет все же ряд недостатков, к числу которых относят высокую трудоемкость формования изделий и тяжелые условия труда рабочих при интенсивном вибровоздействии на бетонную смесь.
При возведении монолитных конструкций, когда интенсивное вибровоздействие на бетонную смесь невозможно, применяют более подвижные смеси, чем в заводской технологии, однако они не обладают свойствами самоуплотнения.
Применение добавок суперпластификаторов (СП), позволяющих значительно повысить удобоукладываемость бетонных смесей, в большинстве случаев считалось не оправданным из-за высокой стоимости таких добавок. К числу негативных эффектов их применения относят также необходимость увеличения времени выдержки бетона перед началом тепловлажностной обработки при заводском производстве железобетонных конструкций [1]. Корме того, отмечается также повышение склонности к водоотделению и расслоению бетонной смеси с добавками СП.
В мировой строительной практике в последние годы широкое распространение получила новая разновидность бетона — самоуплотняющийся бетон [2]. Такими бетонами называют смеси заполняющие форму и уплотняющиеся под действием собственного веса. Основными преимуществами применения этой разновидности бетона считаются снижение трудоемкости укладки бетонной смеси, устранение шума и вибрации, обеспечение надежного уплотнения, в том числе густоармированных конструкций сложной конфигурации, а также сокращение сроков строительства [2]. Наиболее эффективно применение самоуплотняющихся бетонов при возведении монолитных конструкций, однако и при заводском производстве эти бетоны находят все более широкое распространение.
Основополагающие исследования по самоуплотняющимся бетонам были выполнены в конце 80-х годов К. Ozawa и его сотрудниками [2] из Токийского университета. В соответствии с концепцией самоуплотняющегося бетона [3] он должен удовлетворять следующим требованиям: бетонная смесь способна уплотняться и течь через участки с высокой концентрацией арматуры без вибрации; в уложенном или твердеющем бетоне не возникает начальных дефектов; затвердевший бетон обладает высокой стойкостью к внешним факторам.
В промышленном масштабе самоуплотняющийся бетон впервые был применен в 1991 году при сооружении преднапряженных железобетонных пилонов вантового моста [2]. Положительный опыт использования самоуплотняющегося бетона способствовал увеличению объемов его применения.
В качестве основных причин применения этого бетона называют [3]:
- сокращение сроков строительства;
- обеспечение надежного уплотнения, в том числе в густоармированных конструкциях сложной конфигурации;
- высокое качество бетонной поверхности;
- снижение трудоемкости, устранение шума и вибрации при укладке бетонной смеси.
Технология самоуплотняющихся бетонов основана на обязательном применении в них двух компонентов — суперпластификатора и тонкого наполнителя [2, 3], который позволяет без повышения расхода цемента увеличить объемное содержание в бетоне цементного теста и снизить контактное взаимодействие зерен заполнителя, повысив при этом текучесть смеси.
Нами было исследовано влияние состава бетона на его свойства — осадку конуса, расслаиваемость и водоотделение бетонной смеси, прочность бетона в возрасте 28 суток при уплотнении смеси под действием собственного веса. Последние результаты сравнивались с прочностью составов уплотненных на стандартной лабораторной виброплощадке. Эксперимент был реализован в виде пятифакторного центрального композиционного ортогонального плана. В качестве переменных параметров состава бетонной смеси исследованы расход цемента, наполненного молотым отходом дробления доломитового щебня (Цн), водоцементное отношение смешанного цемента (В/Цн), коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя (α), доля замещения цемента молотым дисперсным отходом (Н), дозировка суперпластификатора С-3 (С). Были получены статистические зависимости свойств бетона от его состава:
- для осадки конуса бетонной смеси, см,
ОК = 18,34 + 2,372·Цн, + 2,616·В/Цн, + 0,695 α + 0,583·Н — 1,537·Цн·В/Цн +
+ 0,673·Цн·α + 0,8045·Цн·С — 1,694 Цн·Н — 0,704 В/Цн·α –
– 0,548·В/Цн·С — 0,679·α·С +1,518·α·Н — 3,455·Цн2;
- для прочности, МПа, через 28 суток бетона уплотненного под действием собственного веса
R = 41,44–3,43·С –1,31·Н –1,38·Цн В/Цн + 2,332 В/Цн С — 1,76 В/Цн·Н +
+ 1,924·С·Н –3,18·Цн2;
- для соотношения, %, прочности через 28 суток бетона уплотненного под действием собственного веса и под действием вибрации
Rн/Ry=117,81 + 6,362·Цн — 11,904 В/Цн+ 13,181·α + 24,834·С — 23,497·Н2 –
– 26,445 В/Цн·α — 17,067 В/Цн·С +12,2 В/Цн·Н + 12,288·α·С — 18,698 α·Н – 26,693 С·Н.
Анализ, приведенных выше зависимостей, показывает, что из исследованных факторов наибольшее влияние на удобоукладываемость бетонной смеси оказывают водоцементное отношение, расход смешанного вяжущего и суперпластификатора. Прочность в возрасте 28 суток в большей степени повышается за счет увеличения расхода суперпластификатора и вяжущего, а также снижения водоцементного отношения и доли наполнителя в вяжущем.
На рисунке показана зависимость от расхода вяжущего и В/Ц отношения прочности бетона, не уплотненного вибрацией, к прочности виброуплотненного бетона. Согласно данным на рисунке, повышение значений этих параметров приводит к увеличению этого отношения. Это можно объяснить тем, что виброуплотнение приводит к снижению прочности бетонов из-за значительного расслоения высокоподвижных бетонных смесей под действием вибрации.
Как видно из рисунка, способность бетонной смеси уплотняться под действием собственного веса в больней степени зависит от водоцементного отношения и может быть обеспечена при расходе Цн = 400 кг.
Рис. Зависимость отношения прочности (%) бетона уплотненного под действием собственного веса к прочности виброуплотненного бетона (а) и осадки конуса смеси, см (б), от параметров состава бетона при коэффициенте избытка растворной составляющей α = 2,5, расходе СП = 1 % и уровне наполнения цемента дисперсным отходом Н = 22 %
Исследованиями установлены основные параметры состава бетона, позволяющие получить смеси, способные уплотняться под действием собственного веса и не требующие виброуплотнения. Рассчитана стоимость сырьевых материалов для приготовления бетонной смеси.
Установлено, что положительная роль дисперсного наполнителя — отхода камнедробления заключается в снижении склонности к расслоению литых бетонных смесей.
Полученные зависимости позволяют оптимизировать составы бетона с учетом получения материала с необходимыми характеристиками. Так, состав с максимальной осадкой конуса — 26 см должен иметь следующий расход: цемент — 365 кг; доломитовая мука — 196 кг; щебень — 611 кг; песок — 720 кг; С-3–5,5 кг; вода — 263 л. Прочность этого состава по расчетам, выполненных с применением полученных математических моделей, составит 38,7 МПа. Повышение расхода цемента и суперпластификатора приводит к повышению стоимости бетона. Однако, как показывают расчеты, при стоимости цемента 4500 р/т, а С-3–60000 р/т стоимость материалов для приготовления литого бетона составит около 4,5 тыс. руб., что всего на 400 руб. или менее чем на 9 % превышает стоимость материалов для приготовления самого дешевого из 43 исследованных составов бетона. Повышение стоимости бетона может быть скомпенсировано за счет значительного снижения трудоемкости и повышения темпов укладки бетонной смеси. Кроме того, как показывают некоторые исследования, долговечность бетона с добавкой СП при повышении расхода вяжущего значительно повышается [4, 5].
Эффект от применения самоуплотняющихся бетонов при заводском производстве железобетона может быть получен за счет исключения вибрационного воздействия на рабочих, что значительно улучшает условия труда, а также снижения трудоемкости, времени укладки и уплотнения бетона, увеличения срока службы бортоснастки.
Производство самоуплотняющегося бетона в условиях современного уровня развития отечественной строительной отрасли сдерживается низкой стоимостью рабочей силы в России — в структуре себестоимости продукции доля оплаты труда намного ниже, чем в промышленно развитых странах. Очевидно, что по этой причине, а также из-за неразвитости рынка дисперсных материалов и высокой стоимости суперпластификаторов зарубежного производства, новый вид бетона не находит такого широкого применения, как в Европе, США и Японии. Тем не менее, в тех регионах, где ведется интенсивное строительство и наблюдается дефицит рабочей силы, в частности в Москве и Петербурге, имеется опыт применения самоуплотняющегося бетона. Очевидно, что при подобных изменениях в объемах строительства и на рынке труда и в других регионах России эта разновидность бетона будет востребована.
Литература:
1. Калашников, В. И. Влияние суперпластификатора на твердение цемента /В. И. Калашников, Ю. М. Баженов, В. С. Демьянова, М. О. Коровкин, Н. Г. Кочергина, Е. Г. Михеева // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. 2001. № 1. С. 28–29.
2. Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии / М. Оучи // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Материалы 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона,- М.: Готика, 2001 — С. 209–215.
3. Horst G., Joerg R. Self compacting concrete — another stage in the development of the 5-component system of concrete / Betontechnische Berichte, Verein Deutscher Zementwerke, Dusseldorf, 2001. p. 39–48.
4. Коровкин, М. О. Эффективность суперпластификаторов и методология ее оценки // М. О. Коровкин, В. И. Калашников, Н. А. Ерошкина; М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования «Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва». Пенза, 2012. 144 с.
5. Коровкин, М. О. Ресурсосберегающая эффективность суперпластификатора в бетоне / М. О. Коровкин, В. И. Калашников // Региональная архитектура и строительство. -2011. -№ 2. -С. 59–61.
