Создание и внедрение в мировую строительную практику самоуплотняющегося бетона – один из важнейших результатов развития науки о бетоне за два последних десятилетия. Применение этой разновидности бетона, которую называют новой стадией развития этого строительного материала [1], позволяет снизить трудоёмкость укладки бетонной смеси, устранив при этом шум и вибрацию, обеспечить надёжное уплотнение, в том числе густоармированных конструкций сложной конфигурации, а также сократить сроки строительства [2].

Эффект самоуплотнения бетонной смеси достигается за счёт обязательного применения двух дополнительных компонентов – новых высокоэффективных суперпластификаторов и тонкого наполнителя. В связи с этим самоуплотняющийся бетон называют пятикомпонентным бетоном [1] в отличие от обычного бетона, который включает в свой состав только три обязательных компонента – цемент, заполнитель и воду.

В качестве дисперсного компонента самоуплотняющегося бетона применяются как взаимодействующие с цементом материалы – микрокремнезём, золы, шлаки, так и инертные или малоактивные по отношению к цементу материалы – отходы камнедробления, неактивные шлаки.

Методы и материалы

В проведённых нами исследованиях самоуплотняющегося бетона применяли следующие материалы: портландцемент марки ПЦ 500 Д0, доломитовый щебень Саткинского месторождения фракций 5-10 и 10-20 мм (Челябинская область), песок Сурского месторождения (Пензенская область), доломитовую муку с удельной поверхностью 310 м²/кг, измельчённую в лабораторной шаровой мельнице, отсев дробления щебня. В качестве суперпластификатора использовалась добавка Sika ViscoCrete 20 HE производства Sika AG (Швейцария).

Удобоукладываемость бетонной смеси определялась по расплыву стандартного конуса, а также по расплыву стандартного конуса бетонной смеси с блокирующим кольцом [3] (рис.1), что позволяет оценить влияние блокирующего действия арматуры на заполнение формы бетоном [4]. Кроме того, определялся расплыв уменьшенного конуса с высотой 230 мм, диаметром нижней части 100 мм и диаметром верхней части 50 мм [5].

Рисунок – 1. Определение расплыва конуса бетонной смеси с блокирующим кольцом

Прочность бетона определялась на образцах с размерами 100×100×100 мм, которые испытывались через 3 и 28 суток. Образцы до испытаний хранились в плотных полиэтиленовых пакетах.

В качестве основного состава самоуплотняющегося бетона для исследования был принят состав, приведённый в таблице. Кроме основного состава, были изготовлены составы, в которых расход воды отличался от основного в большую и меньшую строну на 4 %. Бетонная смесь при её укладке в форму не подвергалась вибрации или другим механическим воздействиям, то есть уплотнялась под действием собственного веса.

Таблица. Состав бетона, принятый для исследований

Результаты и обсуждение результатов

Зависимость расплыва бетонной смеси от расхода воды для стандартного и уменьшенного конуса приводится на рис. 2. На графиках видно, что небольшое изменение расхода воды приводит к значительному увеличению или уменьшению расплыва смеси. Определение расплыва стандартного конуса бетонной смеси с блокирующим кольцом показало, что снижение этого показателя в исследованных составах не превышает 5 см. При повышении подвижности смеси влияние блокирующего кольца на расплыв бетонной смеси значительно снижается (рис. 2).

Рисунок – 2. Зависимости расплывов конуса бетонной смеси, определенных различными методами, от расхода воды

Экспериментальным путём нами было установлено, что между расплывами бетонной смеси, определённых на уменьшенном и стандартном конусе, существует линейная зависимость, которая достаточно точно описывается уравнением

,

где D и d – диаметр расплыва стандартного и уменьшенного конуса, соответственно, см.

Применение для исследований подвижности самоуплотняющихся бетонов уменьшенного конуса позволяет сократить объём пробы приблизительно в 5 раз, что особенно важно для предварительного лабораторного подбора состава таких бетонов. Это связано с тем, что не все закономерности реологии самоуплотняющихся бетонов исследованы и для подбора их состава часто приходится проводить большое количество опытов [2].

Исследованные составы очень медленно твердели в начальные сроки. Через 2 суток прочность бетона не позволяла произвести распалубку образцов без риска их повреждения. Очевидно, что замедленное твердение связано с повышенной дозировкой суперпластификатора на поликарбоксилатной основе, который блокирует твердение цемента при более низкой дозировке, чем добавки на нафталинформальдегидной и меламинформальдегидной основе. Через 3 суток составы имели прочность 22,3-23,5 МПа, а через 28 суток – 45,3-48,4 МПа.

Выводы

Исследованные составы могут быть использованы для бетонирования конструкций без виброуплотнения. Необходимо учитывать низкие темпы набора прочности бетона, что особенно важно для бетонирования конструкций в осенне-зимний период. Для устранения этого недостатка необходимо применение добавок ускоряющей группы.

Ключевыми элементами технологии самоуплотняющихся бетонов являются применение высокоэффективных суперпластификаторов и тонкодисперсных наполнителей [1]. Первые обеспечивают высокую текучесть бетонной смеси, а вторые – её стойкость к расслоению. Совместное использование дисперсного наполнителя и суперпластификатора повышает структурную однородность бетона и его долговечность [2].

При проектировании состава самоуплотняющегося бетона большое значение имеет выбор дисперсного наполнителя и суперпластификатора, который во многом определяет реологические свойства бетонной смеси. В качестве такого компонента могут использоваться дисперсные промышленные отходы – пыль газоочистки, тонкие фракции отходов камнедробления и другие материалы [1, 3, 4]. Природа этих материалов может быть различной, поэтому они могут, как повышать водопотребность смеси, так и снижать ее. Кроме того, дисперсные наполнители будут оказывать влияние на эффективность суперпластификаторов в бетонных смесях [5, 6].

Целью настоящей работы является исследование водоредуцирующей эффективности различных суперпластификаторов в системе «вода-наполнитель», а также в растворной смеси состава 1:1 при замещении 40 % цемента дисперсным наполнителем.

Методы и материалы

В работе были исследованы 6 суперпластификаторов различных производителей. Три исследованные добавки – Sika ViscoCrete 20HE, Sika ViscoCrete 800 3 New и ViscoCrete 800 5 New производятся фирмой Sika AG (Швецария), ещё две – Diamon SP-1 и Diamon SP-3 – фирмой Mapei (Италия) и одна добавка – «Полипласт СП СУБ» производства российской фирмы ЗАО «Полипласт». Дозировка добавок во всех составах составляла 0,5 % от массы дисперсного наполнителя или вяжущего смешанного с этим наполнителем.

Все добавки зарубежного производства изготовлены на основе поликарбоксилатных соединений [7]. Они предназначены для производства самоуплотняющихся бетонов, а также для высокоподвижных бетонных смесей. Суперпластификатор российского производства СП-СУБ также предназначен для применения в самоуплотняющихся бетонах. Его химическая основа производителем не разглашается. Целью первой части исследования являлось определения наиболее эффективного суперпластификатора в минерально-водной суспензии.

Исследования добавок проводились на двух дисперсных наполнителях, которые измельчались до удельной поверхности 350 м²/кг – пылевидном отходе дробления гранитного щебня Павловского месторождения и тонких фракциях продуктов дроблённого бетонного лома. Тонкие фракции лома образуются при переработке бетонного лома во вторичный щебень и состоят в основном из частиц цементного камня [8].

Водопотребность суспензии на основе дисперсного наполнителя для бетона определялась по её расплыву на стеклянной поверхности [6]. Для определения текучести смеси использовался цилиндрический вискозиметр диаметром 16 и высотой 20 мм. В ходе эксперимента подбирался расход воды для получения расплыва суспензии 40 мм.

Результаты и обсуждение результатов

На рис. 1 приведены результаты определения водопотребности суспензий, приготовленных на измельчённых граните и ломе бетона, а также расчётные значения водоредуцирующего эффекта суперпластификаторов. Как видно из данных рис. 1а наполнитель из измельченного бетона имеет в 1,5 раза большую водопотребность, чем гранитный дисперсный наполнитель. Однако ведение в смесь суперпластификаторов позволяет в два раза снизить водопотребность суспензии на основе бетона (рис. 1б) и получить смесь с водосодержанием более низким, чем у гранитного наполнителя.

Все добавки имеют приблизительно равную эффективность. Исключение составляет только СП-СУБ, которая даёт несколько меньший эффект. Исследованные добавки более эффективны при использовании наполнителя на основе бетонной крошки, что позволяет получить смеси с более низким водосодержанием.

Исследования эффективности добавки в строительном растворе проводились на смеси с соотношением вяжущего и песка равным, 1:1. Во всех составах 40 % цемента замещалось дисперсными наполнителями. Консистенция растворной смеси определялась по её расплыву на стандартном встряхивающем столике. Подбирая расход воды, добивались получения расплыва смеси 200-210 мм.

Результаты определения водоредуцирующего эффекта для различных добавок при использовании тонкого заполнителя на основе бетона приводятся на рис. 2.

а)	б)

Рисунок 1 – Эффективность суперпластификаторов в наполнителях: водотвёрдое отношение минеральных суспензий на различных порошках с добавками суперпластификатора (а) и водоредуцирующие эффекты добавок (б)

Рисунок 2 – Водоредуцирующие эффекты суперпластификаторов в растворной смеси с тонким заполнителем на основе измельчённого бетона

Выводы

Исследования эффективности добавок в растворных смесях показали, что водоредуцирующие эффекты суперпластификаторов приблизительно равны и составляют в пластичных смесях около 56…64 %. Выбор суперпластификатора в производственных условиях будет определяться их стоимостью.

Использованная в исследовании методика может быть применена при выборе суперпластификатора и тонкого наполнителя для самоуплотняющихся бетонов, а также для предварительного определения их дозировки.

Новые технологические возможности, благодаря которым создаются бетонные смеси, соответствующие требованиям проекта, в результате применения в строительстве многоэтажных монолитных зданий позволяют создавать в монолите уникальные и современные сооружения с большим разнообразием объемно-планировочных и конструктивных решений.

Большинство недостатков, которые относятся к монолитному строительству, возможно устранить. Это решается путем соответствия требованиям строительных регламентов и применением современных строительных материалов при возведении строительного объекта.

В настоящее время существует богатое разнообразие видов бетонов с широким диапазоном свойств. Одним из современных видов бетона является самоуплотняющийся бетон.  К самоуплотняющимся бетонам можно отнести бетонные смеси, которые возможно укладывать в опалубку без применения виброуплотняющих приспособлений. Они равномерно распределяются по объему бетонируемой конструкции, при этом, не теряют свою однородность даже при густом армировании конструкции.

Особенной характеристикой самоуплотняющихся бетонов можно назвать отсутствие расслоения при высокой подвижности смеси. Снижение показателей водоцементного отношения при введении в состав самоуплотняющегося бетона высокоэффективных суперпластификаторов гарантирует существенное увеличение плотности смеси.

Преимущества применения самоуплотняющегося бетона при возведении многоэтажных монолитных зданий включает и экономическую эффективность, т.е. сокращение времени строительства, а также сокращения трудозатрат и необходимого оборудования на строительной площадке, что снижает стоимость строительства.

Преимущества применения самоуплотняющегося бетона по сравнению с классическим бетоном при возведении многоэтажных монолитных зданий представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Преимущества применения самоуплотняющегося бетона по сравнению с классическим бетоном при возведении многоэтажных монолитных зданий

В основном на возведение строительного объекта оказывает влияние комплекс объемно-планировочных и конструктивных решений, способствующих улучшению оптимальности сроков производства работ, уменьшению трудоемкости и достижению требуемого качества конструкций.

Качество бетона как конструктивного материала для монолитного строительства становятся особенно важным. Поэтому в современных технологиях модификации бетонных смесей, обеспечивающих необходимую морозостойкость и огнестойкость, ударостойкость, а также долговечность при агрессивных воздействиях, в высотном строительстве особенно нуждаются.

Подбор номинального состава самоуплотняющегося бетона производят при возведении новых видов конструкций и изменении потребительских качеств бетона, технологии производства и свойств исходных материалов.

Эффективность возведения строительного объекта применительно к конкретным условиям строительства достигается таким технически возможным способом производства работ, который обеспечивает требуемое качество при наименьших сроках и стоимости строительно-монтажных работ, что успешно обеспечивает применение самоуплотняющихся бетонов при возведении многоэтажных монолитных зданий.

Возведение строительного объекта с применением самоуплотняющихся бетонов определяется с учетом конкретных условий строительства, конструктивных особенностей объекта, характеристик используемого оборудования. Выбор в пользу эффективных методов возведения многоэтажных монолитных зданий и способов механизации осуществляется сравнительной оценкой нескольких вариантов по основным технико-экономическим показателям, таких как трудоемкость, продолжительность и стоимость работ, которые при применении самоуплотняющихся бетонных смесей дают требуемые заказчиком результаты и повышают эффективность проекта.

Анализируя результаты экспериментального исследования влияния зимних условий на физико-механические свойства и структуру самоуплотняющихся бетонов, приведенных в статье «Самоуплотняющиеся бетоны: возможности применения и свойства» Мозгалева К.М. и Головнева С.Г., были зафиксированы значения проектной и критической прочности самоуплотняющегося бетона к моменту застывания в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие В30, В35 и В40. Критическая прочность самоуплотняющегося бетона к моменту застывания представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Критическая прочность самоуплотняющегося бетона к моменту застывания

В зимних условиях критическая прочность к моменту замораживания становится заметно ниже, что позволяет сократить время термической обработки, осуществить экономию трудовых ресурсов, оборудования и сократить длительность выполнения бетонных работ.

Изменение показателей применения самоуплотняющихся бетонов по сравнению с обычным бетоном в зимних условиях представлено в таблице 1.

Таблица 1. Изменение показателей применения самоуплотняющихся бетонов по сравнению с обычным вибрированным бетоном в зимних условиях

Поскольку применение самоуплотняющихся бетонов при возведении монолитных конструкций в зимних условиях сопровождается увеличением стоимости бетонной смеси с одновременным уменьшением стоимости бетонных работ за счёт снижения трудоемкости бетонных работ из-за отсутствия необходимости применения виброуплотнения, следовательно эффект достигается за счет сокращения сроков строительства.

На основании результатов проведенных исследований о применении самоуплотняющихся бетонов при возведении монолитных зданий различных объемно-планировочных решений, функционального назначения, следует, что применение самоуплотняющихся бетонов при возведении многоэтажных монолитных зданий в зимних условиях позволяет существенно сократить время термообработки, значительно экономя материальные, трудовые, энергетические и финансовые ресурсы.