Таблица 1- Изменения величины самонапряжения мелкозернистых бетонов во времени при различных условиях твердения
На основе большого количества экспериментальных данных, полученных по многофакторному плану, методами математического анализа и статистики выведены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать прочность, расширение и самонапряжение в зависимости от состава бетонной смеси. В качестве примера представлен график зависимости самонапряжения от основных компонентов: расходов расширяющей добавки, цемента, заполнителей и водоцементного отношения (рис. 2). Получены аналогичные графики зависимости прочности и расширения от состава бетона.
Анализируя изолинии параметров оптимизации, можно отметить, что оптимальным расходом портландцемента для бетонов с компенсированной усадкой класса В25, В30 и В35 является расход 390 – 425 кг/м3 при дозировке РД – 5-9% от массы вяжущего. В то же время, для получения напрягающего бетона с самонапряжением 1,0 – 1,4 МПа необходимо, не изменяя расход портландцемента, увеличить количество расширяющей добавки до 10-15% от массы вяжущего.
Таким образом, в результате математического планирования и опытной проверки свойств бетонов в соответствии с полученными графиками есть основания сделать вывод, что, варьируя количество вводимой расширяющей добавки при одном и том же расходе портландцемента, можно получать бетоны с компенсированной усадкой и напрягающие бетоны с заданными физико-механическими показателями.
Рис. 1- Изменения физико-механических показателей бетонов с различными добавками
Анализ, обработка и обобщение экспериментальных данных дали возможность определить оптимальные расходы РД в зависимости от массы вяжущего для получения следующих свойств бетонов:
- обеспечение компенсации усадки при требуемом классе по прочности на сжатие – 5-11%;
- обеспечение требуемой марки по самонапряжению – 6-14%;
- получение марки по водонепроницаемости W12-W20 – 6-10%;
- обеспечение марки по морозостойкости F300-F500 – 6-10%.
Одной из главных задач технологии является получение бетона с заданными свойствами методом регулирования его состава с использованием химических добавок.
Рис. 2 - Зависимость самонапряжения от расхода РД, цемента, заполнителя и В/Ц
Анализ результатов показал (таблица 2), что для бетонов с компенсированной
усадкой и напрягающих бетонов одного и того же состава положительный эффект достигается при применении не только традиционных добавок, таких как суперпластификатор С-3 и лигносульфонаты, но и новых добавок и комплексов, таких как Лигнопан, Алпласт, Супронафт, Экопласт П-10. Так, применение суперпластификатора С-3 для бетонов с компенсированной усадкой в количестве 0,2-0,7% массы вяжущего (ПЦ+РД) позволяет на 15-20% повысить прочность и самонапряжение за счет уменьшения количества воды, при этом водоредуцирующий эффект действия добавки позволяет отнести ее ко 2-ой группе. Введение в состав бетонной смеси добавки «Лигнопан Б-1» в количестве 0,2% от массы вяжущего редуцирует до 20% воды и при этом повышает на 15-17% прочность бетона. В то же
время, пластифицирующая добавка «Алпласт» в количестве 0,2% массы вяжущего позволяет редуцировать до 15% воды и на 10-12% повысить прочность.
Таблица 2 - Влияние пластифицирующих добавок на свойства бетонов с КУ
Установлено, что для бетонов с КУ (РД-7%) по сравнению с бетонами на портландцементе введение добавки Экопласт П-10 в возрасте 28 суток увеличивает прочность на сжатие на 10%, для напрягающего бетона (РД-12%) на 24%. Самонапряжение в бетоне с КУ и напрягающем, по сравнению с другими бетонами
повышается на 20-75%.
Для оценки возможности круглогодичного возведения конструкций из бетона с
компенсированной усадкой исследовались свойства бетонов при использовании
расширяющих – в комплексе с пластифицирующими и противоморозными добавками.
Оценка кинетики тепловыделения выявила различия (скорость, величина тепловыделения и температура) у базового портландцемента, комплексного вяжущего
(ПЦ + РД) и напрягающего бетона. Благодаря наличию повышенного количества алюминатов в комплексном вяжущем гидратация происходит с большей скоростью, повышением температуры смеси на 25оС более, чем у базового портландцемента и выделением дополнительного количества тепла. Повышенное тепловыделение комплексного вяжущего позволило отказаться от дополнительных мер по прогреву при воздействии отрицательных температур до -5 оС., как и у бетонов на НЦ. Благодаря эффекту повышенной экзотермии у бетона с расширяющей добавкой обеспечивается более быстрый набор прочности при отрицательной температуре.
Проведенные исследования показали, что при варьировании количества РД можно обеспечить морозостойкость бетона на КУ до 600 циклов (таблица 3). Коррозионную стойкость бетонов с компенсированной усадкой оценивали, в первую очередь, по его структуре. Плотность структуры бетона и особенно зоны контакта цементного камня и заполнителя зависит от внутренних напряжений, возникающих в бетоне при различных температурно-влажностных условиях твердения. При оценке структуры бетона с компенсированной усадкой необходимо учитывать, что этот бетон в конструкции всегда находится в условиях упругого ограничения деформации расширения, и постепенно приложенные нагрузки не приводят к образованию трещин в структуре, склонной к пластическим деформациям, а микротрещины кольматируются продуктами новообразований. При этом уменьшается показатель общей пористости, сокращается средний размер пор и количество открытых пор.
Оценка кинетики связывания гипса и количества образовавшегося гидросульфоалюмината кальция показала, что весь гипс связывается к 7 суткам, и основное количество ГСАК образуется также к 7 суткам, что характеризуется стабилизацией расширения. Стойкость такого бетона увеличивается благодаря мелкопористой структуре с небольшим объемом капиллярных пор. Образующийся ГСАК заполняет открытые поры бетона и переводит их в условно замкнутые. При этом образовавшийся ГСАК в качестве непроницаемой оболочки не позволяет влаге в бетоне интенсивно проникать из открытых пор в условно замкнутые поры, поэтому условно замкнутые поры долго остаются «резервом». Таким образом, деструктивные процессы, возникающие, например, при циклическом воздействии замораживания и оттаивания, компенсируются плотной структурой бетона в напряженном состоянии. Установлено, что при введении 10-15% РД в состав вяжущего морозостойкость и водонепроницаемость бетона увеличивается в 1,5–2 раза по сравнению с обычным бетоном на базовом портландцементе.
Таблица 3 - Результаты испытаний образцов бетона на морозостойкость
Иглообразные кристаллы эттрингита перекрывают сечение мелких пор и делают
их практически непроницаемыми (условно непроницаемыми), что подтверждается повышенной водонепроницаемостью бетона. С другой стороны, кольматация пор уменьшает усадку бетона, так как растущие кристаллы эттрингита повышают давление на стенки пор, уменьшая количество воды, удаляя ее из микропор.
Такие свойства бетонов с компенсированной усадкой, как плотная структура и
непроницаемость, трещиностойкость в сочетании с высокими прочностными показателями, особенно при воздействии изгибающих и растягивающих усилий, обусловливают эффективность применения бетона с КУ в различных конструкциях большой протяженности. В частности, для покрытия полов в производственных помещениях мясокомбинатов был применен декоративный бетон с компенсированной усадкой. В процессе эксплуатации такие конструкции, как правило, подвергаются воздействию различных агрессивных сред: солей, крови, желчи, бактерий, грибков и др. На диаграмме (рис.3) представлено изменение прочности бетонов при воздействии агрессивных сред (эксперимент проводится на Клинском мясокомбинате).
Рис 3 - Оценка изменения прочности бетонов с различными добавками
Приведенные исследования показали, что прочность образцов из бетона на портландцементе в возрасте 90 сут. снизилась на 52%, - и наблюдалось шелушение поверхности. При введении биоцидной добавки прочность бетона на сжатие в этой среде снизилась на 15%. На поверхности этих серий образцов наблюдались моховидные образования. В то же время в образцах из бетона с расширяющей добавкой того же состава прочность на сжатие и растяжение при изгибе увеличилась на 10-25%. Следов разрушения и отложения бактерицидных образований не наблюдалось при испытании в течение 100 суток. К покрытиям бетонных полов предъявляются такие специальные требования как стойкость к ударным воздействиям и истираемость. Результаты представлены в таблице 4. Установлено, что истираемость образцов из бетона с компенсированной усадкой 17 в 1,5 раза ниже, чем у образцов из обычного бетона на базовом портландцементе.
Таблица 4 - Результаты испытаний бетонов на истираемость
Эти экспериментальные данные нашли подтверждение при эксплуатации декоративных полов из бетона с компенсированной усадкой в цехе разделки мясопродуктов на мясокомбинатах «Кампомос», «Велком», «Микомс» площадью 16400м2. Опыт эксплуатации в течение 10 лет показал, что прочность покрытий за этот период увеличилась на 15-20%, следов разрушения не наблюдалось. Развитие деформаций усадки у бетонов на различных вяжущих оценивали в возрасте до 300 суток (рис.4).
Рис.4 - Изменение деформации усадки бетонов во времени
Экспериментально определено, что деформации усадки у образцов из бетона с РД снизились на 16%, на напрягающем цементе - на 25%, а на портландцементе увеличились в 2 раза.
Эти данные были использованы при расчете конструкций большой протяженности подземных частей сооружений, в частности, фундаментных плит. К таким конструкциям, помимо специальных требований по износостойкости и ударным воздействиям предъявляются повышенные требования по трещиностойкости и водонепроницаемости. Для конструкций, имеющих длину более 100м, была разработана специальная технология бетонирования, возведение которых должно производиться блоками из бетона с компенсированной усадкой со вставками из напрягающего бетона.
Для массового применения бетонов на КУ были разработаны различные варианты введения расширяющей добавки, как на бетонном заводе, так и на стройплощадке. Физико-механические показатели бетонов с КУ при различных схемах введения добавки не отличались по своим значениям.
Результаты исследований и накопленный опыт позволили применить бетоны с компенсированной усадкой и напрягающие бетоны для возведения ограждающих конструкций подземных частей жилых и общественных зданий в объеме более 100000(сто тысяч) м 3. Обеспечение водонепроницаемости и монолитности конструкций большой протяженности дало возможность отказаться от использования любой гидроизоляции ограждающих конструкций подземных сооружений, сократить сроки строительства, уменьшить трудозатраты и сроки межремонтных работ.
При участие автора разработана технология и возведены конструкции подземной части объектов: ТОК «Атриум», ЦВЗ»Манеж», офисных центров в г.Москве по адресу: шоссе Энтузиастов, вл.2-4, Лефортовский вал 15/3,стр.1, автоматизированного склада г.Одинцово Московской области.
Экономический эффект применения бетонов с компенсированной усадкой в фундаментных плитах составляет от 900 руб до 2432 руб на 1 кв метр поверхности за счет отмены гидроизоляции типа «Voltex», «Тефонд», «Рапифлекс», «Сармафил» и др. При этом сократились сроки строительства и трудозатраты.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫИ ВЫВОДЫ
1. На основе анализа результатов экспериментально-теоретических исследований определены оптимальные количества расширяющих добавок различных типов для получения бетонов с компенсированной усадкой. Для массового применения таких бетонов были рекомендованы добавки сульфоалюминатного типа..
2. Методом планирования эксперимента выполнен подбор состава бетона с компенсированной усадкой при введении различного количества расширяющей добавки. Определены граничные значения количества расширяющей добавки для получения бетонов с различной энергией самонапряжения. Разработана математическая модель подбора составов бетонов с компенсированной усадкой и напрягающих бетонов, позволяющая за счет варьирования количества вводимой расширяющей добавки при одном и том же расходе портландцемента получать бетоны с заданными физико-механическими показателями.
3. Проведенные исследования показали, что физико-механические показатели бетона с РД не уступают по своим характеристикам бетонам на напрягающем цементе. Определено оптимальное количество расширяющих добавок для бетонов различного назначения: - для получения бетонов с компенсированной усадкой – до 10% РД; - для напрягающих бетонов – до 15% РД.
4. Экспериментально доказано, что современные пластифицирующие и противоморозные химические добавки могут быть использованы для получения бетонной смеси с РД без снижения прочности, самонапряжения, водонепроницаемости бетонов. Установлено, что благодаря повышенной экзотермии бетонов с КУ возможно не применять противоморозные добавки при температуре до –5 оС, а при более низких температурах (до –15оС) количество противоморозной добавки может быть снижено на 10÷15%.
5. Выявлено, что с увеличением количества расширяющей добавки способствует изменению мелкопористой структуре бетона с КУ и позволяет повысить не только водонепроницаемость и морозостойкость бетона, но и стойкость при воздействии биологически активных сред по сравнению с бетонами на базовом портландцементе. Полученные данные были успешно подтверждены более чем 10-летней эксплуатацией монолитных конструкций полов мясокомбинатов на площади более 15 тыс.м 2 на заводах «Компомос», «Велком», «Микомс» и др. 20
6. Внедрены технологические схемы введения расширяющих добавок в бетонную смесь на заводе и в условиях стройплощадки при достижении равных показаний физико-технических характеристик бетонов с компенсированной усадкой для всех способов введения.
7. Предложена схема бетонирования ограждающих конструкций подземных частей зданий большой протяженности для обеспечения бесшовностии, трещиностойкости и водонепроницаемости конструкций. По разработанной технологии уложено около 100 тыс. м3 бетона в конструкциях подземных частей зданий без использования гидроизоляции.
Литература
Звездов А.И. Титов М.Ю. Бетон с компенсированной усадкой для возведения трещинностойких конструкций большой протяженности //Журнал "Бетон и железобетон" - №4(511) - 2001г
Титов М.Ю. Бетоны с повышенной прочностью на основе расширяющих добавок// Журнал «Строительные материалы» -№2-2012г.
Звездов А.И., Титов Ю.Н.,Бейлина М.И.Титов М.Ю. Бесшовный монолитный бетонный пол //Патент на изобретение №2137730 от 14октября 1992 года
Звездов А.И., Титова Л.А.,Бейлина М.И., Мартиросов Г.М., Лебедев А.О., Сиденко И.Л., Посысаев А.Н., Букреева Т.В. Титов М.Ю. Расширяющая добавка к цементу //Патент на изобретение №2137730 от 14октября 1992 года
Титова Л.А.,Бейлина М.И., Мартиросов Г.М. Титов М.Ю. Расширяющие добавки //ТУ 5743-023-46854090-98
Титова Л.А. Титов М.Ю. Повышение долговечности бетона применением расширяющих добавок //Сборник материалов конференции "Долговечность и защита конструкций от коррозии" 25-27 мая 1999 г.
Титова Л.А.,Бейлина М.И., Мартиросов Г.М., Сиденко И.Л., Букреева Т.В. Титов М.Ю. 21 //Смеси сухие бетонные специальные ТУ 5745-010-00284345-99
Титова Л.А.,Бейлина М.И., Мартиросов Г.М. Титов М.Ю. Смеси растворные сухие гидроизоляционные// ТУ 5745-117-46854090-2001
Титова Л.А.,Бейлина М.И. Титов М.Ю. Расширяющие добавки для повышения долговечности конструкций //Журнал "Монтажные и специальные работы в строительстве" - №1- 2004г.
Титов М.Ю. Расширяющие добавки к бетону //Журнал "Инвестиции & строительство" - №9-10(38-39) - 2006г.
Титов М.Ю. Отмена гидроизоляции в конструкциях из бетона с расширяющей добавкой //Журнал "Популярное бетоноведение" - №2- 2009г.