В работе рассмотрены основы получения бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью. Показано, что эффект самоуплотнения бетонной смеси достигается за счет совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов и минеральных добавок.
Ключевые слова:самоуплотняющийся бетон, суперпластификатор, минеральная добавка, тонкий заполнитель.
Самоуплотняющийся бетон (по международной терминологии — Self-Compacting Concrete [SCC]) является одной из современных разновидностей бетона, бурно развивающегося в последние десятилетия. Этот бетон способен уплотняться практически без внешнего воздействия под действием собственного веса, полностью заполняя форму и уплотняясь даже в густоармированных конструкциях. Самоуплотняющиеся бетоны имеют расплыв стандартного конуса 50…80 см, их применение обеспечивает качественное уплотнение бетонной смеси и высокие темпы набора прочности.
Концепция самоуплотняющегося бетона была разработана японскими специалистами [1] в конце 80 годов. Основным мотивом для создания этой разновидности бетона стало получение высококачественного материала, не требующего значительных трудозатрат для укладки бетонной смеси в опалубку [2]. Этот фактор сыграл основную роль для быстрого развития технологии самоуплотняющихся бетонов в начале 90 годов ХХ века не только в Японии, но и других промышленно развитых странах — США, Швеции, Германии, Франции, которые испытывали дефицит квалифицированной рабочей силы в строительной отрасли.
В последние годы и в России, в связи с подъемом строительной отрасли, проявляется интерес к самоуплотняющемуся бетону. Этот материал применяется на строительстве отдельных объектов. Очевидно, что широкое распространение передового опыта мировой строительной практики приведет в будущем к более широкому применению самоуплотняющихся бетонов и увеличению объемов их производства. В связи с этим актуальны исследования факторов определяющих свойства самоуплотняющихся бетонов.
Важнейшей предпосылкой создания самоуплотняющегося бетона является разработка и широкое внедрение в технологию бетона одной из наиболее эффективных групп химических добавок — суперпластификаторов (СП). Понимание того, что эти добавки смогут в значительной степени изменить технологию бетона и позволят создать новые разновидности бетона пришло к специалистам не сразу. Полное использование потенциала СП стало возможным только после системных исследований этих модификаторов бетона и анализа практического опыта их применения.
Принципиальным изменением в представлениях специалистов, занимающихся производством бетона, было осознание того, что «сэкономленный» цемент при введении в состав бетона высокоэффективных СП должен замещаться не крупным и мелким заполнителем, а активными или инертными минеральными добавками [3]. Понимание этой особенности бетонов с добавкой СП, наряду с созданием более совершенных добавок, стало основой создания самоуплотняющегося бетона.
Развитие технологии бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью происходило за счет использования различных факторов:
- применение полифракционного заполнителя с оптимальным гранулометрическим составом;
- использование микро- и ультрадисперсного минеральных добавок (микрокремнезема, золы ТЭС, тонкомолотых шлаков и др.) для повышения прочности и коррозионной стойкости материала;
- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;
- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.
В 1986 году проф. Окамура [4] при разработке высокоподвижного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложил концепцию новой разновидности бетона, который он предложил назвать «самоуплотняющийся бетон».
Важной отличительной чертой современных самоуплотняющихся бетонов в сравнении с литыми бетонными смесями прошлого является отсутствие водоотделения и расслоения при высокой текучести смеси. Низкое водоцементное отношение цементного теста при введении в состав смеси высокоэффективных гиперпластификаторов обеспечивает значительное повышение плотности цементно-водной суспензии. Однако плотность суспензии, даже в случае предельного снижения водоцементного отношения не достигает плотности заполнителя — 2500…2700 кг (рис. 1). Это обстоятельство свидетельствует в пользу того, что повышение плотности цементного теста является только дополнительным фактором, снижающим склонность бетонной смеси к расслоению.
Рис. 1. Влияние водоцементного отношения и доли замещения цемента с плотностью 3100 кг/м3 минеральной добавкой, имеющей плотность 2700 кг/м3 на плотность цементного теста
В качестве основного фактора, обеспечивающего нерасслаиваемость смеси, следует рассматривать высокую вязкость цементной суспензии, которая при этом имеет низкое предельное напряжением сдвига. Такое сочетание основных реологических характеристик цементного теста обеспечивает выход из бетонной смеси воздуха, который был в нее вовлечен при перемешивании. Для снижения седиментационных явлений в бетонную смесь могут вводиться загущающие добавки на основе модифицированной целлюлозы, гидролизованного крахмала, полиэтиленгликоля, природных биполимеров и др. [5].
Основная задача, которая должна быть решена при проектировании состава самоуплотняющегося бетона — обеспечение достаточно высокой раздвижки зерен крупного и мелкого заполнителя. В противном случае при введении в бетонную смесь высокоэффективных СП будет наблюдаться сегрегация смеси, которая при определении подвижности с помощью стандартного конуса проявится в виде «эффекта сомбреро» — вытекание из бетонной смеси растворной составляющей, а из растворной составляющей — «цементного молока». При этом бетонная смесь принимает форму, напоминающую сомбреро (рис. 2а).
Рис. 2. Определение удобоукладываемости высокоподвижной бетонной смеси с избыточным (а) и оптимальным (б) содержанием заполнителя. Обозначения: 1 — бетонная смесь с повышенным содержанием крупного заполнителя; 2 — бетонная смесь с повышенным содержанием растворной составляющей; 3 — «цементное молоко»; 4 — однородная бетонная смесь
Необходимая раздвижка зерен заполнителя достигается за счет введения в состав бетона тонкого наполнителя, сопоставимого по дисперсности с вяжущим. Количество этого компонента сопоставимо с расходом вяжущего цемента. Значительное разбавление цемента инертным материалом не приводит к значительной потери прочности в связи со значительно более низким, чем в традиционных бетонах, водоцементным отношением. Введение в состав бетона с высокой удобоукладываемостью значительных объемов инертных или активных минеральных добавок позволяет получить высокоподвижную, но стойкую к сегрегации бетонную смесь.
В настоящее время теория проектирования составов самоуплотняющихся бетонов еще не разработана. Реологические свойства этих бетонов очень чувствительны к соотношению компонентов и их свойствам. Поэтому подбор состава ведется опытным путем. На первом этапе подбирают вид и расход СП, а также минеральной добавки и водоцементного отношения для получения цементного теста с достаточной текучестью. На втором и третьем этапе последовательно подбирают расход крупного и мелкого заполнителя для получения бетонной смеси с расплавом смеси не ниже 50 см. При оценке реологических свойств самоуплотняющейся бетонной смеси необходимо в обязательном порядке определять ее стойкость к расслоению.
Самоуплотняющийся бетон — материал с уникальными технико-строительными свойствами. Его получение возможно благодаря синергизму совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов (гипрерпластификаторов) с активными или инертными минеральными добавками. Для широкого применения этих бетонов необходимо создание новой производственной базы, позволяющей на более высоком уровне осуществлять подготовку сырьевых материалов и точно выдерживать их рецептуру.
Литература:
1. Ozawa K, et. al. Development of high performance concrete based on the durability design of concrete structures: Proceedings of the second East-Asia and Pacific Conference on Structural Engineering and Construction (EASEC-2). 1989. Vol. 1. pp. 445–450.
2. Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Труды 1-ой Всероссийской конференции по бетону и железобетону. — М.: Готика, 2001. С.209–215.
3. Collepardi M. A Very Close Precursor of Self-Compacting Concrete (SCC) // Supplementary Volume of the Proceedings of Three-Day CANMET/ACI International Symposium on Sostainable Development and Concrete Technology. USA, S. Francisco, 2001. pp. 23–28.
4. Okamura H, et. al. Mix-design for self-compacting concrete // Concrete Library of JSCE. 1995. No. 25. pp.107–120.
5. Collepardi, M. Self-Compacting Concrete: What is New? // Proceedings of Seventh CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures In Concrete. Berlin, Germany. 2003. pp. 1–16.
