Бетоны с повышенной прочностью на основе расширяющих добавок

УДК 666.972.55

М.Ю.ТИТОВ, инженер, НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Бетоны с повышенной прочностью на основе расширяющих добавок

Одним из основных строительных материалов современности является бетон на основе портландцемента и есть все основания полагать, что и в будущем он сохранит лидирующие позиции. Поэтому совершенствование строительно-технических характеристик этого материала имеет важное значение для всей строительной отрасли.

Основные достоинства бетона как конструкционного строительного материала хорошо известны. Это относительная дешевизна, наличие больших запасов природного сырья для его изготовления, возможность утилизации громадных объемов промышленных отходов, высокая прочность и стойкость к различным видам воздействий — коррозионным, силовым, атмосферным, радиационным.

Недостатками обычного бетона являются сравнительно невысокая прочность при растяжении по сравнению с прочностью при сжатии, а также явление усадки цементного камня в процессе твердения бетона, связанное, в первую очередь, с отдачей влаги затворе-ния в окружающую среду.

Усадка бетонных конструкций в целом или отдельных ее зон опасна не столько нарушением геометрии элемента конструкции, сколько возникающими при этом растягивающими напряжениями в бетоне, которые часто приводят к образованию сквозных или поверхностных трещин.

Традиционным способом уменьшения отрицательных последствий усадки бетона является сокращение количества воды затворения, для этого применяют пластифицирующие добавки, используют специальные методы уплотнения жестких смесей, уменьшают расход вяжущего, осуществляют соответствующий подбор фракционного состава заполнителей. Существенное значение имеют также минералогический состав и тонкость помола цемента. Повышение количества алюминатов в составе цемента, а также увеличение удельной поверхности порошка приводят к увеличению усадочных деформаций.

Проблемам уменьшения усадочных деформаций и изучению их влияния на свойства бетона посвящено

множество исследований, проведенных учеными в нашей стране и за рубежом. Пристальное внимание к проблеме связано с тем, что усадочные деформации в сочетании с низкой прочностью бетона на растяжение приводят к появлению трещин в железобетонных конструкциях, особенно в поверхностном слое, повышают деформативность конструкций и снижают их долговечность.

Одним из способов уменьшения или устранения усадочных деформаций является создание специальных цементов, способных компенсировать усадку. В результате многолетних исследований отечественных и зарубежных ученых был создан новый вид вяжущих — расширяющиеся цементы, которые способны решить эту проблему [1].

Бетоны на этих вяжущих можно приготавливать не только на цементах промышленного изготовления, но и путем введения компонентов вяжущего — расширяющей добавки (РД) — в бетоносмеситель при приготовлении бетонной смеси на заводе, или непосредственно в автобетоносмеситель на стройплощадке. Опыт показал, что физико-механические характеристики бетона не зависят от способа введения добавки.

Бетоны на расширяющихся вяжущих условно разделяются на две основные группы: бетоны напрягающие и бетоны с компенсированной усадкой. Их отличие заключается в том, что составы напрягающих бетонов подбираются исходя из условия получения расчетной величины самонапряжения. Введение расширяющих добавок в бетонную смесь на портландцементе вызывает расширение цементного камня и увеличение объема твердой фазы, возникающей при гидратации цемента. При ограничении деформаций расширения в бетоне развивается самонапряжение, т. е. усилие, отнесенное к единице площади поперечного сечения. Изучение процесса гидратации цементов на расширяющих добавках и бетонов на их основе показало, что скорость образования продуктов гидратации, вызывающих расширение в системе и рост прочности, во многом зависит от вида, активности и количества расширяющей добавки. Таким

Таблица 1

Изменения свойств бетонов в зависимости от количества РД

№ п/п Состав вяжущего,% Самонапряжение в возрасте, сут, МПа Расширение в возрасте, сут, % Прочность при сжатии в возрасте, сут, МПа

ПЦ РД 3 14 28 100 3 14 28 100 3 14 28 100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1 100 - - - - - - - - - 22,4 34,1 49,4 48,6

2 95 5 0,2 0,4 0,7 0,4 0,04 0,08 0,06 0,02 23,1 34,1 52,2 56,4

3 90 10 0,6 0,9 1,2 0,8 0,07 0,11 0,2 0,08 28,1 37,8 56,4 56,7

4 85 15 0,7 1,4 1,6 1,2 0,1 0,2 0,3 0,21 27,1 39,2 56,4 58,3

5 80 20 0,9 1,6 2 1,4 0,12 0,24 0,36 0,24 24,1 39,8 56,6 58,6

6 НЦ ОАО «Цемдекор» 1,4 1,8 2,1 1,5 0,14 0,18 0,22 0,01 26,4 43,1 52,6 57,1

84

февраль 2012

jVJ

Таблица 2

№ п/п Вид расширяющей добавки и ее расход на 1 м3 б/с, кг Расход цемента, кг Проектный класс бетона В/Ц ОК, см Масса образца, кг Самонапряжение Sp , в возрасте 28 суток, МПа Среднее значение предела прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут Водоне-прони цаемость W, ати

3 7 28 Rтр28

11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1 Без РД 430 В40 0,4 19,5 2,43 -0,03 36,6 (70%) 53,9 (103%) 57,5 (110%) 52,2 12

2 РД-К - 35 кг 430 В40 0,37 19 2,4 0,7 38 (73%) 50,4 (96%) 62,9 (120%) 52,2 20

3 РД-К - 50 кг 430 В40 0,36 18,5 2,39 1,2 42,3 (81%) 51,8 (99%) 67,3 (129%) 52,2 20

4 РД-Н - 35 кг 430 В40 0,37 19,5 2,41 0,9 44,4 (85%) 58,7 (112%) 71,7 (137%) 52,2 20

5 РД-Н - 50 кг 430 В40 0,36 20 2,38 1,4 41,3 (79%) 63 (120%) 72,4 (139%) 52,2 20

образом, свойства бетона можно регулировать путем изменения вида, активности и количества расширяющей добавки [2].

Состав бетона с компенсированной усадкой подбирается по традиционной методике. Расход цемента в нем определяется требуемой прочностью и, как правило, ниже, чем в напрягающем бетоне.

Для оценки возможностей получения бетонов различной активности и регулирования их свойств были проведены опыты, в ходе которых в бетон на основе портландцемента вводили различное количество добавки.

Результаты испытаний (табл. 1) показали, что для получения бетонов с компенсированной усадкой достаточно ввести добавку в количестве 7—10% от массы вяжущего. При этом деформации расширения достигают величины 0,2% при твердении во влажных условиях и 0,08% в условиях последующего твердения (1=20°С и Ф=70%). Для получения напрягающего бетона вводили не менее 15% расширяющей добавки.

Применение композиционного вяжущего состава ПЦ:РД=85:15 обеспечивает бетонам свойства идентичные свойствам бетонов на напрягающем цементе заводского изготовления (производства ОАО «Цемдекор»), твердеющих в водных условиях в течение 28 суток, затем на воздухе до 100 суток. Введение расширяющей добавки в количестве 15% способствует увеличению показателей расширения и самонапряжения в 1,5 раза. Дальнейшее увеличение количества расширяющей добавки незначительно влияет на показатели самонапряжения, расширения и прочности. Из этого можно сделать вывод, что для получения напрягающего бетона достаточно ввести в состав вяжущего 15% расширяющей добавки.

Таким образом, установлено, что для получения бетонов с компенсированной усадкой необходимо ввести до 10% РД, для получения напрягающих бетонов требуется 15% РД.

На основе анализа и обобщения результатов экспериментально-теоретических исследований определены оптимальные количества расширяющих добавок различных типов для получения напрягающих бетонов и бетонов с компенсированной усадкой. Были определены оптимальные количества расширяющих добавок для получения следующих свойств бетонов: увеличение прочностных показателей требуемого класса 5—11%; компенсация усадочных деформаций 7—10%; обеспечение требуемой марки по самонапряжению 15— 19%; получение марки по водонепроницаемости W12—

W18—7—15%; получение марки по морозостойкости F300—500 - 7-15%.

Комплексные исследования бетонов показали, что с увеличением количества расширяющей добавки все показатели увеличиваются. Однако соотношение ПЦ:РД=80:20 в составе вяжущего является «порогом эффективности» для получения высоких значений прочности на сжатие и изгиб. В этом случае необходимо прибегнуть к другим способам повышения прочностных показателей, например, к использованию полимерных композиций [3].

Разработка бетонов с прогнозируемыми свойствами имеет большое значение для конструкций из высокопрочных бетонов класса В50-55 [4].В особенности, положительный эффект показывают композиции расширяющих добавок и пластификаторов на базе поликар-боксилатных эфиров. Новая молекулярная структура способствует тому, что для реакции гидратации цементных частиц обеспечивается большая поверхность. Дополнительно происходит очень быстрая адсорбция молекул с цементными частицами и исключительно действенный эффект диспергирования (электростатическая стабилизация). Сумма этих эффектов способствует более ранней реакции гидратации. Происходящее при этом выделение тепла положительно влияет на нарастание прочности бетона. Преимущества: новая молекулярная структура с очень хорошими разжижающими свойствами, улучшенные физико-механические свойства бетона, значительно более ранняя начальная прочность бетона, не требующая дополнительной тепло-влажностной обработки.

В лаборатории Головного завода ОАО «Мосинж-бетон» на их оборудовании были проведены испытания бетонов класса В40: контрольного, напрягающего и бетона с компенсированной усадкой на материалах завода : цемент М500-Д0 (ГОСТ10178-85), песок Мкр=2,4 (ГОСТ 8267-93), щебень гранитный 5-20 мм (ГОСТ 8739-93), экопласт П-10 (ТУ 2493001-75289709-2008). Для исследований был выбран заводской контрольный состав бетонной смеси марки БСГ В40П4F300W12, а также составы с расширяющими добавками РД-К и РД-Н (ТУ 5743-023-46954090-98).Все составы по ГОСТ 10181.1 были равноподвижны.

Прочность бетона оценивалась по контрольным образцам (ГОСТ 10180-90), самонапряжение оценивалось по ТУ 5743-023-46954090-98, водонепроницаемость определяли по ГОСТ 12730.5-84.

февраль 2012

85

Совместно с лабораторией ОАО «Мосинжбетон» были проведены исследования различных видов добавок и их влияние на физико-механические свойства бетонов (табл. 2).

Проведенные испытания показали, что прочность бетона на сжатие с компенсированной усадкой (составы №2 и №4) выше контрольного на 10—27%; напрягающего бетона (составы №3 и №5) выше контрольного на 19—29%;самонапряжение соответствует маркам Sp0,6; Sp0,9; Sp1,2; Sp1,4, в то время как у контрольного состава отмечена усадка. Водонепроницаемость бетона с компенсированной усадкой и напрягающего значительно выше контрольного ^20).

Таким образом, варьируя качественным и количественным составом расширяющей добавки, можно получать бетоны с прогнозируемыми высокими эксплуатационными характеристиками.

Разработка таких бетонов представляет особый интерес для конструкций большой протяженности, таких как ограждающие конструкции подземной части сооружений, в частности, фундаментные плиты и стены, к которым предъявляются повышенные требования по прочности на изгиб, морозостойкости и долговечности, тре-щиностойкости и водонепроницаемости [6]. Полученные результаты и накопленный опыт позволили применять эти бетоны для возведения ограждающих конструкций подземной части жилых и общественных зданий в объеме более 100 тыс. м3. Напрягающие бетоны и бетоны с компенсированной усадкой на основе расширяющей добавки нашли широкое применение в Московском строительстве, в частности, при возведении ограждающих конструкций подземной части центрального выставочного зала «Манеж», библиотеки МГУ, торгового комплекса «Атриум» на пл. Курского вокзала; жилых комплексов на Ленинском проспекте, Руновском пер., Бобровом пер., улицах Малыгина, Семеновской,

Гвардейской, Кожевнической, Тверской-Ямской, шоссе Энтузиастов, Лефортовский вал и др. в Москве, а также в г. Видное, Троицк, Голицыно (Московской обл.).

Конструкции и сооружения, к которым предъявляются требования по водонепроницаемости, выполняются из такого бетона без устройства дополнительной гидроизоляции. Экономический эффект от отказа применения гидроизоляции составляет от 500 до 1350 руб/м2. При этом достигается высокое качество и существенное сокращение сроков строительства и снижение эксплуатационных расходов.

Ключевые слова: расширяющие добавки, напрягающий бетон,усадка, расширяющийся цемент

Список литературы:

1. Кузнецова Т. В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. М.: Стройиздат. 1986, С. 208.

2. Панченко А.И., Айрапетов А.И. О возможности направленного структурообразования напрягающих и расширяющихбетонов.Сборник«Ресурсосберегающие технологии железобетонных конструкций на основе напрягающих цементов.» М. 1989, С. 13—19

3. Чулкова И.Л., Кузнецов С.М. Оценка эффективности использования золы при производстве железобетонных конструкций// Бетон и железобетон 2010. №6. С. 13-16

4. Каприелов С.С., Травуш В.И. и др. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружениях в сооружениях ММДЦ «Москва-Сити»// Строительные материалы, 2006. №10. С. 8-12

5. Кузнецова Т.В. Состояние и перспективы развития сульфоалюминатного цемента. Международный строительный форум «Цемент. Бетон. Сухие смеси-2011» Официальное издание форума. М. 2011 г.

86

февраль 2012