Разработка составов и исследование свойств самоуплотняющихся бетонов на рядовых материалах Челябинской области

На протяжении последнего десятилетия в российской строительной индустрии резко возрос интерес к относительно новой разновидности ос-новногоконструкционного материала, а именно к самоуплотняющимся бетонам (в международной терминологии – Self-Compacting Concrete). Самоуплотняющийся бетон (СУБ) – это композиционный материал, который в свежеприготовленном состоянии способен самостоятельно уплотняться под собственным весом без воздействия на него дополнительной внешней уплотняющей энергии и полностью заполняет пространство между арматурными стержнями и опалубкой конструкции.

Использование данного вида бетона позволяет обеспечить:

• •    надежное уплотнение, в том числе и гус-тоармированных конструкций сложной конфигурации;

• •    высокое качество бетонной поверхности;

• •    сокращение сроков строительства;

• •    снижение трудоемкости, устранение шума и вибрации при укладке бетонной смеси [1].

История создания самоуплотняющегося бетона берет свое начало с конца 1980-х годов, когда в Японии профессором Хайимой Окамурой была разработана высокоэффективная добавка – суперпластификатор нового поколения на базе эфиров полиакрилатов и поликарбоксилатов, значительно повышающая реологические свойства бетонной смести, таких как подвижность, сохраняемость и удобоукладываемость. Ему удалось создать бетон с высокой подвижностью при низком содержании воды. Совместно с Окамурой в создании и развитии самоуплотняющегося бетона принимали участие профессоры К. Маекава и К. Озава [2]. Даль- нейшее развитие и изучение СУБ происходило в Германии. В 2000–2001 годах в Институте строительных исследований в городе Аахен под руководством профессора В. Брамесхубера по заказу фирмы «Dyckerhoff Beton GmbH» были проведены глубокие исследования свойств самоуплотняющегося бетона, целью которых являлось дать оценку этому материалу и внедрить его по всей Европе [3]. В итоге, в ноябре 2003 года «Немецким комитетом по железобетону» в Берлине публикуется нормативный документ «DAfStb – Richtlinie Selbstverdichtender Beton (SVB-Richtlinie)», согласно которому самоуплотняющийся бетон был официально допущен и разрешен к использованию в Европе. В данном документе были подробно изложены термины и связи самоуплотняющегося бетона с другими европейскими нормативными документами и материалами, а также методы их диагностики.

Эффект самоуплотнения бетонной смеси достигается за счет введения двух дополнительных компонентов: первый – это высокоэффективный суперпластификатор; второй – тонкомолотый наполнитель. По этой причине СУБ называют пятикомпонентным бетоном в отличии от обычного – трехкомпонентного [4]. В качестве высокодисперсного минерального материала можно применять: микрокремнезем, золу-уноса, доменный гранулированный шлак и другие активные шлаки черной и цветной металлургии, а также инертные наполнители – каменную муку, неактивные отходы промышленности и специально приготовленные тонкодисперсные карбонатные порошки (микрокальцит).

В настоящее время теория проектирования составов самоуплотняющихся бетонов еще не раз- работана [5]. Реологические характеристики этих бетонов очень чувствительны к соотношению компонентов, составу и свойствам используемых материалов. Поэтому подбор ведется опытным путем.Однако при разработке состава самоуплотняющегося бетона часто пользуются основными концепциями методики Окамуры, которая базируется на принципе «от цементного молока к бетону» и представлена в табл. 1 [6].

Согласно методике Окамуры, первоначально подбирается пластифицирующая добавка, микронаполнитель и водоцементное отношение для получения цементного теста с определенной текучестью. Затем подбирается расход крупного и мелкого заполнителя, оценивается показатель текучести бетонной смеси и оптимизируется состав до получения необходимого результата.

По мнению В.И. Калашникова [7] при производстве самоуплотняющихся бетонов необходимо преодолеть ряд противоречивых факторов: обеспечить высокую текучесть бетонной смеси, исключить ее расслаиваемость, достичь высокой прочности. Одним из способов решения данной задачи является обеспечение достаточно высокой раздвижки зерен крупного и мелкого заполнителя. Решить эту задачу дополнительным введением пластификатора нельзя, так как будет наблюдаться расслоение смеси, а введение тонкодисперсного наполнителя дает положительный результат, тем более, что оптимальное разбавление цемента инертным материалом не приводит к серьезной потере прочности, по сравнению с обычным бетоном, вследствие снижения водоцементного отношения [5].

Еще одной проблемой при создании самоуплотняющихся бетонов в России является использование загрязненных мелких заполнителей (песков), которые в зависимости от региона могут содержать в себе глинистые и (или) илистые частицы в том или ином количестве. Наличие примесей негативно сказывается на эффективности действия суперпластификатора, который осаждаясь на частицах глин, теряет свою эффективность [8, 9]. Это приводит к значительному перерасходу добавки и, как следствие, удорожанию бетонной смеси.

Поэтому в настоящий момент стоит задача в получении самоуплотняющегося бетона не только с определенными функциональными характери- стиками, но и в получении устойчивой, стабильной структуры материала, независимой от колебаний свойств исходных компонентов и их состава.

Цель и задачи исследования

Цель работы – создание на рядовых материалах Челябинской области стабильных по свойствам самоуплотняющихся бетонов классов В30–В40.

Задачи:

• •    создание бетонной смеси с высокой степенью подвижности;

• •    обеспечение ее сохраняемости более 2 часов;

• •    подбор наиболее оптимального и эффективного микронаполнителя для СУБ;

• •    создание бетонной смеси с постоянными стабильными свойствами.

Материалы и методы исследования

Для разработки составов самоуплотняющихся бетонов использовали следующие материалы:

Вяжущее – портландцемент ЦЕМ I 42,5 производства ООО «Дюккерхофф Коркино Цемент» г. Коркино Челябинская область, соответствующий требованиям ГОСТ 31108.

Крупный заполнитель – щебень фракции 5– 20 мм из гранодиоритовой изверженной интрузивной горной породы, с маркой по морозостойкости F 2 300 и с содержанием пылеватых и глинистых частиц – 0,65 %, производства ОАО «Первая нерудная компания» п. Федоровка Челябинская область, соответствующий ГОСТ 8267.

Мелкий заполнитель – песок из отсева дробления II класса с модулем крупности 2,76 мм производства ООО «Спецтехпроект» г. Коркино Челябинская область, соответствующий требованиям ГОСТ 31424.

Наполнитель – зола-уноса производства «Рефтинская ГРЭС» (п. Рефтинский, Свердловская область), соответствующая ТУ 5717-004-79935691.

Наполнитель – доменный гранулированный кислый шлак, размолотый до удельной поверхности Sу=3700 см2/г производства ОАО «ЧМК» г. Челябинск, соответствующий ГОСТ 3476.

Наполнитель – микрокремнезем конденсированный неуплотненный марки МК-85 производства ОАО «ЧЭМК», соответствующий ТУ 5743-04802495332.

Пластифицирующая добавка – суперпласти-

Таблица 1

Основные этапы подбора состава самоуплотняющегося бетона по методу Окамуры

Оценка содержания воздуха в бетонной смеси 2–4 % в общем объеме Определение содержания крупного заполнителя в бетоне (Ø>4 мм) < 50 % в общем объеме Определение содержания мелкого заполнителя в растворе (0,125 мм < Ø < 4 мм) < 40 % в общем объеме Отношения количества воды к мелкодисперсным составляющим вода /(вяжущее+ наполнитель) = 0,8 - 0,9 Оптимизация свойств цементного теста и раствора Расплыв конуса, определение текучести воронкой расплыв конуса 25 ± 1 см время истечения 9–11 с Оптимизация свойств бетона Расплыв конуса, определение текучести воронкой расплыв конуса 65 ± 5 см время истечения 5–20 с фикатор MasterGlenium SKY 591 производства ООО «БАСФ Строительные системы» д. Б. Толби-но Московская область, соответствующая СТО 70386662-310.

Подвижность бетонной смеси оценивали методами, изложенными в [10]. Испытания бетонов на прочность проводили согласно [11].

При разработке составов самоуплотняющегося бетона первоначально был выбран наиболее эффективный суперпластификатор –- MasterGle-nium SKY 591, согласно рекомендациям, изложенным в СТО 70386662-306-2013. Затем были подобраны наиболее распространенные в нашем регионе микронаполнители, такие как: микрокремнезем, зола-уноса, доменный гранулированный шлак. Далее цемент вместе с пластификатором и микронаполнителем в разных дозировках затворяли водой с различным водоцементным отношением. Затем с помощью конуса (высота – 60 мм, нижнее основание – 75 мм, верхнее основание – 100 мм) оценивали показатели расплыва и текучести цементного теста. По результатам данного эксперимента были отобраны наиболее подходящие составы, сочетающие в себе высокую подвижность и не имеющие водоотделения. Далее на основании полученных данных разрабатывали самоуплотняющийся бетон. Количество мелкого и крупного заполнителя выбирали исходя из рекомендаций методики Окамуры: насыпной объем заполнителя крупной фракции должен быть не более 50%, а объемная часть песка - не более 40 % от объема бетона (табл. 1). В качестве мелкого заполнителя было решено использовать песок из отсева дробления, так как в обычных природных песках возможно присутствие илистых и (или) глинистых частиц, которые отрицательно влияют на эффективность суперпластификатора [8, 9, 12]. Частицы глины адсорбируют на себе поликарбоксилаты и блокируют их воздействие на цемент, в результате необходимо увеличение дозировки дорогостоящей добавки, из-за снижения ее эффективности, что приводит к увеличениюстоимости самого бетона. Кроме того, количество глинистых частиц может варьироваться в песке в зависимости от партии, тем самым это усложняет работу операторам, которым необходимо добиваться постоянства и стабильности свойств выпускаемой ими продукции, корректируя уже имеющуюся технологию производства СУБ. Поэтому применение искусственного песка из отсева дробления может быть оптимальным вариантом для получения в конкретных условиях самоуплотняющегося бетона, к тому же, являясь побочным продуктом дробления щебня, он имеет сравнительно низкую стоимость.

Экспериментальные данные и их результаты

Согласно рекомендациям Окамуры, были подобраны предварительные составы СУБ и проведена оценка свойств бетонных смесей и бетонов, полученные результаты помещены в табл. 2.

По результатам исследования можно сделать следующие выводы: введение в бетон в качестве наполнителя микрокремнезема способствует значительному увеличению его прочности в поздние сроки твердения, однако он негативно влияет на реологические свойства СУБ, увеличивая водопотребность смеси и незначительно увеличивая подвижность. Введение золы-уноса положительно сказывается на свойствах бетонной смеси, улучшается текучесть, подвижность и удобоуклады-ваемость, но воздействие золы-уноса на повышение прочности бетона незначительно. Использование доменного гранулированного шлака наиболее эффективно проявляет свои свойства в самоуплотняющихся бетонах. С одной стороны, он выступает как хороший тонкодисперсный наполнитель, обеспечивая повышение реологических свойств смеси, с другой стороны, проявляет себя в качестве активной составляющей вяжущего и позволяет бетону набирать дополнительную прочность в поздние сроки твердения.

По результатам исследования можно выде-

Таблица 2

Предварительные составы самоуплотняющегося бетона (кг/м3)

Состав/ № эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Цемент 470 450 470 450 350 450 450 300 400 450 Песок 1100 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Щебень 850 750 750 750 750 750 750 750 750 750 Зола-уноса 90 80 80 80 70 100 50 30 70 50 Шлак – – – – – 100 50 150 100 50 Микрокремнезем – 10 37 20 52 – – – – 36 Суперпластификатор 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 Вода 242 227 245 235 229 256 242 211 230 260 Отклики Расплыв конуса, см 55–60 60–65 47–50 55–60 50 65–70 60 60 60 60 Расплыв конуса через 120 мин, см 45 55–60 40–45 45 50 65–70 60–65 60 60 60 Прочность на 3 сут., МПа 36 35 35 35 22 28 31 23 29 26 Прочность на 7 сут., МПа 42 40 40 46 32 36 36 29 33 29 Прочность на 28 сут., МПа 46 48 58 56 36 46 44 39 49 37 лить несколько наиболее оптимальных составов с хорошими функциональными свойствами, которые представлены в табл. 3.

Таблица 3

Разработанные составы самоуплотняющегося бетона класса В30, В35, В40 (кг/м3)

Состав/ Класс бетона	В30	В35	В40
Цемент	300	450	430
Песок	1000	1000	1000
Щебень	750	750	750
Зола-уноса	30	100	70
Шлак	150	100	100
Микрокремнезем	–	–	–
Суперпластификатор	3,5	3,5	3,5
Вода	211	256	230
Отклики
Расплыв конуса, см	60	65–70	60
Расплыв конуса через 120 мин, см	60	65–70	60
Прочность на 3 сут, МПа	23	28	29
Прочность на 7 сут, МПа	29	36	33
Прочность на 28 сут, МПа	38	46	49

Из полученных результатов проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

• •    На рядовых материалах были разработаны и апробированы составы самоуплотняющихся бетонов классов: В30, В35, В40.

• •    Благодаря использованию в качестве наполнителя в СУБ доменного гранулированного шлака была получена высокая подвижность и сохраняемость бетонной смеси, а также обеспечено дополнительное повышение прочности бетона в поздние сроки твердения за счет пуццолановой активности шлака.

• •    Для стабилизации эффективности действия суперпластификатора было предложено использование в качестве мелкого заполнителя искусственного песка из отсева дробления щебня, исключающего присутствие в их составе примесей глины.