СУХАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
DRY BUILDING MIXTURE FOR MAINTENANCE AND REPAIR WORK

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к многокомпонентным сухим строительным смесям, и может быть использовано при проведении ремонтно-восстановительных работ несущих конструкций, в частности для ремонта бетонных и железобетонных покрытий аэродромов, автомобильных дорог, парковочных зон, а также элементов конструкций мостов, тоннелей и т.п.
Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что известна сухая смесь «Прогресс-II», включающая портландцемент, песок, минеральную расширяющую добавку, ускоритель твердения (патент РФ на изобретение №2144908, МПК С04В 28/02, публ. 27.01.2000, бюл. №3).
Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемой смесью, обуславливается тем, что у бетона, изготовленного из указанной цементно-песчаной смеси аналога, низкая прочность при сжатии и растяжении при изгибе за счет отсутствия в ней щебня.
Известна сухая смесь, включающая минеральное вяжущее на основе портландцемента, песок, суперпластификатор С-3, ускоритель твердения (Патент РФ на изобретение №2259964, МПК С04В 28/02// С04В 111:20, публ. 10.09.2005, бюл. №25).
Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемой смесью, обуславливается тем, что бетон, изготовленный из указанной сухой смеси, обладает недостаточным пределом прочности при сжатии и растяжении при изгибе в раннем возрасте (1 сутки).
Из известных технических решений наиболее близкой к заявленной является смесь, на основе которой используется раствор для восстановления расшивки дорожного покрытия, включающая щебень, песок, минеральное вяжущее, добавку, ускоритель твердения на основе цемента (Патент DE №19848437, МПК Е01С 23/09, публ. 04.05.2000 г., бюл. « Изобретения стран мира» вып.57 №5/2001, стр.3).
Невозможность достижения указанным техническим решением прототипа технического результата, достигаемого заявляемой смесью, обуславливается недостаточным пределом прочности при сжатии и при растяжении при изгибе в раннем возрасте. Использование в составе прототипа ультратонко измельченного цемента обеспечивает скоростной набор прочности в возрасте твердения бетона 1-3 суток, что приводит к удлинению сроков начала эксплуатации ремонтируемых изделий.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание сухой строительной смеси, которая может быть использована в условиях ограниченного времени работ, например, при ремонте цементобетонных покрытий аэродромов при жестком расписании движения самолетов, и содержащей в своем составе широкодоступные составляющие компоненты, позволяющие обеспечить повышение прочностных характеристик при сжатии и растяжении при изгибе в более короткие сроки, что позволяет ускорить сроки начала эксплуатации ремонтируемых изделий в зависимости от требований заказчиков.
При решении указанной задачи был достигнут технический результат, обусловленный применением в сухой смеси вяжущего в качестве ускорителя твердения на основе сверхбыстротвердеющего цемента, выполненного на основе сульфоалюмината кальция, в комплексе с нормированным портландцементом марки не менее 500, наличие которых в совокупности с другими компонентами повлияло на сокращение сроков набора прочности и на возможность управления кинетикой набора прочности путем варьирования сроками кристаллизации структурной решетки за счет изменения пропорций вводимых составляющих в смесь в интервалах нижеуказанных пропорций, которые связаны с соответствующим расширением цементного камня, компенсирующего усадочные деформации в указанных пределах.
Введение фибры и суперпластификатора С-3 также позволило увеличить прочность материала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что указанная сухая ремонтно-восстановительная смесь включает щебень, песок, минеральное вяжущее, добавку, ускоритель твердения на основе цемента.
Новым в составе сухой смеси является то, что она дополнительно содержит фибру, в качестве минерального вяжущего используется нормированный портландцемент марки не менее 500, в качестве добавки - суперпластификатор С-3, а в качестве ускорителя твердения используется сверхбыстротвердеющий цемент на основе сульфоалюмината кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный портландцемент
8,75-13,75
Указанный сверхбыстротвердеющий цемент
16,25-11,25
Щебень
25,9
Песок
44,85
Суперпластификатор С-3
0,25
Фибра
4,0
кр
Кроме того, в смеси может быть использован щебень фракции 3-10, песок М=2,4, а в качестве фибры могут быть использованы стальные волокна.
Кроме того, сухая смесь может быть затворена водой в соотношении воды 74 г на 1 кг сухой смеси.
Для приготовления сухой строительной смеси для ремонтно-восстановительных работ указанного состава марки «РМ-26Ф-Б» используются:
кр
- природный кварцевый песок с М=2,4 Петровского карьера ГОСТ 8736-93;
- нормированный портландцемент ПЦ 500, ПЦ 600 Старооскольского цементного завода ГОСТ 10178-85;
- гранитный щебень фракции 3-10 мм Павловского карьера ГОСТ 8267-93;
- стальная фибра, изготавливаемая ЗАО « ВОЛВЕК» г.Челябинск;
- суперпластификатор С-3 на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом (ТУ 6-36-0204229-625-90), изготавливаемый ООО «Урал-Пласт» г.Первоуральск ГОСТ 24211-91;
- сверхбыстротвердеющий цемент на основе сульфоалюмината кальция.
В сухой смеси используется нормированный портландцемент, то есть портландцемент, не содержащий активных минеральных добавок, с содержанием трехкальциевого алюмината в количестве не более 8% по массе. Применение нормированного портландцемента в указанной дозировке 8,75-13,75 мас.% позволяет обеспечить заявленную прочность при сжатии и растяжении при изгибе в раннем возрасте твердения (2-6 час), а использование указанного нормированного портландцемента марки не менее 500 увеличивает прочность материала. При марке менее 500 падает активность портландцемента, что соответственно снижает его прочность.
Использование гранитного щебня в мас.% 25,9 в качестве крупного заполнителя позволяет создать «скелет» бетона, что позволяет повысить прочность при сжатии.
кр
Применение песка в мас.% 44,85 с М=2,4 в качестве мелкого заполнителя обеспечивает оптимальную плотность упаковки бетона.
Использование суперпластификатора С-3 в качестве добавки в указанной пропорции 0,25 мас.% способствует уменьшению соотношения вода/цемент (В/Ц) при заданных расходах портландцемента и ускорителя твердения при сохранении необходимой подвижности. При этом механизм действия суперпластификатора С-3 основан на адсорбации своими полярными группами на поверхности гидратирующихся цементных частиц с образованием мономолекулярного слоя, снижающего внутреннее трение в системе «цемент - вода», что повышает пластичность бетонной смеси при одновременном снижении расхода воды.
Вместе с тем установлено, что, адсорбируясь на поверхности минералов цемента и продуктов их гидратации, добавка суперпластификатора С-3 замедляет процесс гидратации в ранние сроки твердения, причем это изменение относится в основном к силикатной составляющей цементного клинкера. В дальнейшем процесс гидратации цементного камня с добавкой С-3 нормального твердения равен контрольным бездобавочным составам. Наблюдаемый эффект прироста прочности цементного камня при одновременном замедлении процесса гидратации цемента объясняется получением более плотного камня в присутствии добавки.
Добавка С-3, обладая диспергирующими свойствами, способствует формированию более однородной микроструктуры цементного камня, в то же время обладает воздухововлекающей способностью, способствует формированию крупнопористой структуры цементного камня при постоянном водоцементном отношении, а также повышению пластичности ремонтного материала с одновременным урезанием водопотребности ремонтной цементо-бетонной смеси.
Использование в качестве ускорителя твердения на основе цемента сверхбыстротвердеющего цемента на основе сульфоалюмината кальция в пределах 16,25-11,25 позволяет существенно увеличивать сроки набора прочности. Причем увеличение заданной дозировки в пределах заданного интервала позволит набирать прочность еще более эффективно (30 МПа менее чем за 2 часа), а уменьшение заданной дозировки в том же интервале будет способствовать увеличению темпов набора прочности.
3
4
3
2
Сверхбыстротвердеющий цемент на основе сульфоалюмината кальция с низким содержанием трехкальциевого алюмината СА, основными компонентами которого являются сульфоалюминат кальция СА и двухкальциевый силикат CS, характеризуется низкими усадочными деформациями, высокой ранней (2-6 час) прочностью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, т.е. отвечает основным требованиям сверхбыстротвердеющего вяжущего.
4
3
3
4
3
2
3
2
2
3
Ускорение твердения данного вяжущего на ранних стадиях основывается на гидратации сульфоалюмината кальция СА, получаемого путем обжига при температуре 1370°С смеси известкового, глиноземистого компонента и гипса, в результате которого первоначально образуются алюминаты кальция, при взаимодействии которых с гипсом получается сульфоалюминат кальция. Было обнаружено, что присутствие ограниченного количества извести необходимо для быстрого нарастания прочности и что требуется создать условия, чтобы весь СO был связан в виде СА, во избежание атмосферного загрязнения. В качестве глиноземистого компонента применяются высокоалюминатные глины, золы, шлаки вторичной переплавки алюминия, бокситы, причем содержание в данных компонентах АlO должно быть не менее 30%, а количество SiO устанавливается в зависимости от количества в сырье АlO.
Наличие сульфоалюмината кальция, полученного путем обжига смеси известкового, глиноземистого компонентов и гипса, приводит к образованию многоводных гидратов и высокой экзотермии процессов их гидратации, то есть к условиям, способствующим удалению воды из зоны реакции, ускорению формирования и увеличению количества контактов кристаллического типа с переплетенной сеткой посредством игл 1-2 мкм в длину эттрингита, то есть новообразований при гидратации цемента, обеспечивающих сверхбыстрый набор прочности, что приводит к особо быстрому набору прочности цементов.
Основной вклад в формирование прочности в ранние сроки вносит алюминатная составляющая, а в более поздние - силикатная составляющая сверхбыстротвердеющего цемента.
Также заслуживает внимания не менее важное качество сульфоалюмината кальция - сульфоалюминатное расширение цементного камня при гидратации. Главным соединением, образование которого вызывает расширение, является эттрингит, то есть процесс увеличения линейных и объемных размеров, происходящих под действием образования гидросульфоалюминатов кальция. Сульфоалюминатное расширение цементного камня происходит в течение первых двух суток твердения и может обеспечить изменение линейных размеров в пределах до 4-5%.
Таким образом, низкие усадочные деформации сверхбыстротвердеющего цемента на основе сульфоалюмината кальция достигаются путем компенсации управляемого линейного расширения цементного камня, происходящего в течение первых двух суток гидратации при образовании эттрингита, усадочными деформациями, происходящими при дальнейшем формировании прочности силикатной составляющей.
Экспериментально установлено, что указанные выше свойства ремонтного участка покрытия из предложенной смеси проявляются при сочетании указанных компонентов и в предложенных пропорциях.
Введение в состав сухой строительной смеси указанных выше веществ в предложенных диапазонах соотношений компонентов смеси, мас.% позволяет обеспечить следующие свойства смеси, приведенные в табл.2 для соотношений композиций составов, указанных в табл.1.
Технология производства сухой смеси, названной РМ-26Ф-Б, включает дозировку готовых компонентов. Перемешивание и упаковка во влагонепроницаемые мешки компонентов сухой строительной смеси производится на установке сухих смесей по стандартной технологической схеме или на аналогичных установках.
Сухая строительная смесь используется следующим способом.
На подготовительном этапе проводятся разметка дефектного участка, например, аэродромного покрытия, удаление из швов старого герметика и уплотнительного шнура, нарезка пазов.
Разметку линий дефектного участка покрытия производят краской с соблюдением следующего условия: размечаемые линии должны быть параллельны существующим швам покрытия.
Удаление герметика и уплотнительного шнура производят специальными машинами или стальными крючками, с последующей продувкой паза шва сжатым воздухом.
Удаление бетона из дефектных участков при ремонте поверхностных разрушений осуществляется фрезерованием или с использованием ударного инструмента. В соответствии с существующими нормативными требованиями для предотвращения образования микротрещин в ремонтируемом покрытии и соблюдения глубины вырубки при работе ударного инструмента требуется выполнять оконтуривание дефектного участка и нарезку дополнительных пазов.
Нарезку пазов производят алмазными дисками продольными полосами на глубину удаляемого дефектного слоя бетона (но не менее 50 мм).
При ремонтных работах по частичной или полной замене бетона плит, например, аэродромного или дорожного покрытия нарезка пазов в дефектных плитах осуществляется на всю глубину покрытия.
Размеры блоков, на которые должны быть распилены дефектные плиты, устанавливаются в каждом конкретном случае расчетом в зависимости от толщины плит и характеристик имеющихся грузоподъемных механизмов.
После завершения подготовительного этапа приступают непосредственно к ремонтным работам: удаляют бетон из дефектного участка. Вырубку бетона из дефектного участка во избежание образования трещин в бетоне отремонтированного покрытия производят с использованием маломощного ударного электроинструмента.
Стенки вырубки должны быть вертикальными, а дно вырубки выполняется горизонтальным. Глубина вырубки должна быть не менее глубины скола.
Далее очищают и обеспыливают поверхность освобожденной от бетона полости участка. Очистку поверхности от шлама выполняют металлическими щетками с последующей промывкой поверхности водой под напором и продувкой сжатым воздухом.
2
После очистки устанавливают прокладку (мягкую опалубку) толщиной, равной ширине существующего шва, если производится удаление сколов шва, увлажняют поверхность участка и обрабатывают с помощью кистей или щеток цементным клеем с расходом 0,8-1,2 л/м. При этом поверхность бетона должна быть влажной, но на ней не должно быть свободной воды. Цементный клей следует приготавливать в емкости объемом 10…15 л. Требуемый расход воды для приготовления клея составляет 3…3,5 л на 10 кг сухой смеси. При наличии арматуры в месте скола ее, как правило, сохраняют, очищая от остатков бетона.
После очистки, промывки водой и нанесения клея разрезают мешки с сухой смесью, приготавливают ремонтный материал путем его затворения водой из расчета, например, 74 г воды на 1 кг сухой смеси, перемешивают и полученный раствор укладывают в образовавшуюся полость. Приготовление бетонной смеси вследствие короткой сохраняемости ее удобоукладываемости (см. табл.2) следует начинать непосредственно перед укладкой, т.е. не позднее, чем через 15 минут после нанесения на поверхность бетона ремонтируемого участка цементного клея.
Ремонтный материал приготавливают вручную, перемешивая в поддоне лопатами сухую ремонтную смесь с необходимым количеством воды. При этом в зависимости от установленных заказчиком сроков начала эксплуатации отремонтированного участка варьируется сверхбытротвердеющий цемент с различными значениями мас.% в заданных интервалах.
После укладки ремонтный материал уплотняют путем использования площадочного вибратора или виброрейки за 1-2 прохода по одному следу. При небольших объемах работ производится ручная трамбовка.
Далее осуществляют уход за уложенным ремонтным материалом путем нанесения на его поверхность шероховатости и пленкообразующего материала, а также, если это необходимо, тепловую обработку свежеуложенной бетонной смеси, удаляют прокладку (мягкую опалубку) из шва и выполняют герметизацию шва.
Тепловую обработку проводят при температуре окружающего
воздуха менее 15°С, при этом ремонтируемый участок покрытия до нанесения на подготовленную поверхность бетона цементного клея должен быть подвергнут предварительному подогреву.
Тепловая обработка свежеуложенной бетонной смеси должна осуществляться сразу после окончательной отделки поверхности покрытия посредством накрытия уложенной бетонной смеси минераловатными теплоизоляционными матами.
Выгрузку бетонной смеси на ремонтируемый участок, ее распределение по площади участка, уплотнение и отделку поверхности следует осуществлять в максимально укороченные сроки.
При ремонте сколов кромок бетонных плит, если ширина скола меньше, чем в 1,5 раза его высоты, в горизонтальную и вертикальную полки следует установить анкеры из арматурной стали периодического профиля диаметром 10…12 мм.
Установку анкеров следует производить в заранее высверленные перфоратором отверстия диаметром на 1…2 мм больше, чем диаметр анкера. Анкеры должны быть склеены с внутренней поверхностью отверстий по всей их глубине.
Для испытания изготавливаются контрольные образцы-балочки.
Определение плотности бетона из ремонтного материала проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1-78 методом гидростатического взвешивания на электронных весах GP 6100-G. Взвешивание образцов проводится с точностью до 0,1 г.
Испытание по прочности на растяжение при изгибе для образцов-балочек 40×40×160 мм проводится по ГОСТ 310.4-81 на испытательной машине ИМ-4а, а для образцов-балок 70×70×280 мм по ГОСТ 10180-90 - на гидравлическом прессе ИП 100-1.
Испытания по определению прочности на сжатие образцов проводятся в соответствии с ГОСТ 10180-90 на гидравлическом прессе ИП 1000.0.
Усадочные деформации ремонтного материала определяются на образцах-балочках размером 40×40×160 мм с использованием оптического измерителя деформаций ИЗВ-1 (цена деления - 0,001 мм). Испытания проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 24544-81.
Определение морозостойкости образцов производится в соответствии с требованиями ГОСТ 10060.0-95 и ГОСТ 10060.2-95.
Адгезионные свойства (прочность сцепление ремонтного материала со старым бетоном) определяются по ГОСТ 10180-90.
Подвижность ремонтной смеси оценивали по расплыву конуса на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81.
Сохраняемость удобоукладываемости ремонтной смеси оценивали путем сравнительных испытаний по определению расплыва конуса по ГОСТ 310.4-81 сразу после приготовления ремонтного состава и затем через 5, 10, 15…30 минут после начального определения. Оценка сохраняемости удобоукладываемости характеризовалась временем, при котором расплыв конуса затворенной водой ремонтной смеси уменьшается на 10% по сравнению с начальным определением.
Возможность осуществления заявляемой сухой смеси для ремонтно-восстановительных работ подтверждается использованием в ней недорогих строительных материалов, обладающих оптимальными эксплуатационными характеристиками со свойствами, обеспечивающими качественное восстановление цементобетонных покрытий, существующих и применяемых в области строительных ремонтно-восстановительных работ, в том числе на уровне функционального обобщения, с достижением технического результата, заключающегося в ускорении твердения материала в ранние сроки твердения.
Таблица 1
Наименование компонентов
Составы, мас.%
1
2
3
Портландцемент
8,75
12,5
13,75
Сверхбыстротвердеющий цемент
16,25
12,5
11,25
Песок
44,85
44,85
44,85
Щебень
25,9
25,9
25,9
Суперпластификатор С-3
0,25
0,25
0,25
Фибра
4
4
4
Таблица 2
Характеристики
Составы
1
2
3
Консистенция смеси (расплыв конуса), мм при расходе воды: -74 г на 1 кг сухой смеси
120-130
120-130
120-130
Сохраняемость удобоукладываемости, мин не менее
10
15
20
Прочность на растяжение при изгибе, МПа не менее:
в возрасте 2 ч
4,5
-
-
4 ч
5,0
4,5
-
6 ч
6,0
5,0
4,5
1 сут
7,5
7,5
7,5
28 сут
10,5
10,5
10,5
Прочность на сжатие, МПа не менее:
в возрасте 2 ч
30
-
-
4 ч
45
30
-
6 ч
50
45
30
1 сут
55
55
50
28 сут
60
60
60
Прочность сцепления с бетоном, МПа не менее:
в возрасте 6 ч
1,2
1,2
1,2
1 сут
1,8
1,8
1,8
28 сут
2,5
2,5
2,5
Относительные усадочные деформации, мм/м не более:
в возрасте 28 сут.
0,25
0,32
0,35
Морозостойкость, циклы не менее
200
200
200