Анализ изученности легкого самоуплотняющегося бетона

Откеев Родион Владимирович лаборант, ФГАУ ВО Сибирский Федеральный университет 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, Свободный проспект, 82а, каб. 506 Otkeev Rodion Vladimirovich Laboratory Technician, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, Svobodnyi prospekt, 82a, kab. 506 otkeev.r.v@mail.ru

Сазанакова Кристина Анатольевна лаборант, ФГАУ ВО Сибирский Федеральный Университет 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, Свободный проспект, 82а, каб. 506 Sazanakova Kristina Anatol'evna Laboratory Technician, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, Svobodnyi prospekt, 82a, kab. 506 s_kristi96@mail.ru

1 Введение

Тремя основными характеристиками бетона являются удобоукладываемость, прочность и долговечность. Считается, что прочность и долговечность связаны с затвердевшим бетоном, а удобоукладываемость связана со свежим бетоном, однако свойства бетона в затвердевшем состоянии могут быть напрямую связаны с составом смеси и свежими свойствами. Другими словами, состав смеси и свежие свойства бетона являются наиболее критическими точками для контроля в отношении механических характеристик затвердевшего бетона. Ранняя оценка свойств затвердевшего бетона очень важна. Проблема заключается в том, что после процесса закалки качество и механические свойства не улучшаются. Структурное поведение бетона зависит от пропорций смешивания и свойств материала композитной системы, и эти факторы не меняются после отверждения.

Достижения в области современных технологий производства бетона привели к внедрению легких бетонов (далее ЛБ) и самоуплотняющихся бетонов (далее СУБ) в качестве конструкционных материалов, уменьшающих массу и трудоемкость. Легкий бетон хорошо известен в строительной отрасли в отличие от самоуплотняющегося и является отличным решением для снижения собственной нагрузки на конструкцию, в то время как СУБ является современным материалом, основоположником которого считается японский профессор Окамура ^[1]. Появление его связано с естественным стремлением строителей снизить трудозатраты при бетонировании конструкций, облегчить заливку и устранить проблемы при строительстве ^[2].

В последние годы предприняты некоторые попытки объединить преимущества этих двух типов бетона названым легким самоуплотняющимся бетоном (далее ЛСУБ). Существует множество публикаций о легком бетоне, касающихся различных легких заполнителей и пропорций смесей. Тем не менее, самоуплотняющийся бетон - как совершенно новое направление в строительной отрасли, привлекает все больший интерес к исследованиям, особенно в последнее десятилетие.

Зарубежные и российские производители отмечают наличие комплексного экономического эффекта при применении данной технологии, независимо от высокой себестоимости СУБ (примерно в 1,5 раза выше, чем стоимость обычного бетона) ^[3]. Необходимость к применению бетонных смесей, не требующие принудительного уплотнения при укладке без потери качества (ЛСУБ) обоснована эффективностью применения монолитного легкого бетона в зданиях, а именно снижения массы конструкций до 2 раз, снижение нагрузки на фундамент, сокращение расхода арматуры, а так же снижение расходов на утепление ^[4].

Несмотря на различные ГОСТы по составу смеси легкого бетона и некоторые редкие публикации о самоуплотняющемся бетоне в литературе, нет нормативной базы и технического регламента о составе смеси легкого самоуплотняющегося бетона и его применении. Тем не менее, благодаря ожидаемым преимуществам с точки зрения экономической эффективности и сокращенного времени строительства, исследования, позволяющие понять сложный характер этого нового материала, все чаще развиваются в разных частях мира.

Появление самоуплотняющихся бетонов неразрывно связано с созданием профессором Х. Окамура нового типа добавок на базе полиакрилата и поликарбоксилата ^[5]. Кроме применения особого вида пластификаторов технология СУБ имеет ряд других особенностей, касающихся методик подбора составов, специфики испытаний реологических свойств смесей, особенностей приготовления, укладки и др. ^[2].

Соотношение между цементным тестом и заполнителями очень важно при замешивании смеси. Самоуплотняющийся бетон имеет более высокую подвижность, чем обычный бетон, чтобы улучшить текучесть для заполнения любых пустот внутри опалубки. Контроль соотношения воды и цемента приводит к получению более плотного и прочного бетона. В легком самоуплотняющемся бетоне эта проблема еще более очевидна из-за недостаточной начальной энергии легких заполнителей в связи с перемещением вместе с облегченными заполнителями в цементном тесте. Поэтому для поддержания баланса между пропорциями ЛСУБ важно достичь требуемой текучести в свежем состоянии и планируемой плотности и высокого качества в отвержденном состоянии.

Теория плотности упаковки - это метод расчета бетонной смеси, который был успешно использован в ЛСУБ ^[6] путем определения оптимального соотношения пустот уплотнения раствора и заполнителей. Основными шагами для достижения конструкции смеси ЛСУБ в этом методе являются: минимизация объемов пустот, связанных с крупным заполнителем; минимизация соотношения воды и цемента; максимизация плотности цементных материалов и оптимизация текучести и требований к свежему бетону.

2 Проблемы расслоения и требований к текучести

Хотя конструкция смеси ЛСУБ содержит пропорции как ЛБ, так и СУБ, ее специальная конструкция смеси точно не соответствует конструкции смеси для этих типов бетона. Однако технологические соображения и проблемы смешивания по-прежнему определяют состав смеси ЛСУБ. Свежий бетон состоит из мелких и крупных заполнителей, подвешенных в матрице связующих. Вязкость раствора и объемная доля заполнителей контролируют поведение смеси.

Общая проблема, о которой сообщалось почти во всех опубликованных исследованиях в связи с объединением ЛБ и СУБ, заключается в обеспечении текучести свежего состояния и низкой плотности затвердевшего бетона без расслоения. Агрегатная форма благотворно влияет на текучесть свежего бетона, однако при смешивании легких и нормальных заполнителей в ЛСУБ более тяжелые заполнители имеют тенденцию к значительному снижению качества ^[2].

Керамзит, вспученный гранулированный шлак, вспученный перлит или вермикулит и вспененные полимерные материалы часто используются в ЛБ в качестве легких заполнителей. Из-за закрытых полостей водопоглощение является высоким, и поэтому трудно оценить необходимый объем воды. Подъем воды на поверхность во время смешивания из-за всплывания легких заполнителей увеличивает риск расслоения ^[2].

В некоторых исследованиях при проектировании смеси ЛСУБ рекомендуется применять высокопроизводительный бетон, чтобы избежать проблемы расслоения и поддерживать высокую прочность бетона, несмотря на применение легких заполнителей.

3 Значение исследования

Крайне важно выяснить, действительно ли все предполагаемые гипотезы, использованные для проектирования обычных бетонных конструкций, конструкций СУБ и ЛБ, также применимы для конструкций ЛСУБ. В этом исследовании представлены почти все опубликованные тематические исследования, включая подробную информацию о выборе компонентов, пропорциях смеси, полученных в результате свежих и закаленных свойствах. Несмотря на ограниченное количество публикаций, собранные данные создают впечатление адекватности для обоснованной и полезной систематической оценки разнообразия параметров и свойств смеси в статистических выражениях. Прежде всего, это разовьет идею того, что можно ожидать от ЛСУБ для потенциальных пользователей и исследователей.

Основными задачами данного исследования являются:

1 - систематическая оценка экспериментов, проводимых исследователями в разных странах (поскольку ЛСУБ является новой темой в строительной отрасли), всеобъемлющий сбор актуальных данных, сопровождаемый аналитическими сравнениями, который станет ключевой отправной точкой для будущих исследований и применения ЛСУБ в реальных проектах;

2 - оценка и сравнение влияния различных компонентов конструкции смеси с точки зрения прочности на сжатие.

4 Первоначальные наблюдения

Основная часть этого исследования посвящена свойствам ЛСУБ пропорциям смесей и компонентам. Тем не менее, ассортимент материалов в различных смесях и общее распределение компонентов. На рис. 1 показано географическое распределение тематических исследований в разные годы. Несмотря на начало исследований СУБ и их применение в Японии, исследования ЛСУБов в европейских странах, особенно в последние годы, растут. Заметно, что никаких записей о ЛСУБ не найдено в Австралии, Африке и Южной Америке. Все представленные исследования были выполнены в лабораторных условиях, и нет никаких признаков применения ЛСУБов в реальных проектах.

Рисунок 1 – Тематические исследования в разные годы

5 Легкие заполнители

Легкие заполнители используются во всех тематических исследованиях с различными типами и различными диапазонами минимального и максимального размера. Во всех тематических исследованиях использовались не только мелкие заполнители и минеральные порошки нормального веса, но и грубые и легкие мелкие заполнители.

Максимальный размер крупных и мелких легких заполнителей варьируется в разных исследованиях. В 33% тематических исследований вместе с крупными легковесными заполнителями использовался тонкий легковесный заполнитель с максимальным размером 1, 2, 3, 4 и 4,8 мм. Напротив, максимальный размер крупного легкого заполнителя ограничен 8; 9,5; 10; 12,7; 13; 14; 15; 16; 19 и 20 мм в тематических исследованиях.

В исследованиях использовались как натуральные, так и изготовленные легкие химические заполнители. Пемза, Lytag, Leca, керамзит, Liapore, дробленый вулканический гранит, крупная летучая зола, искусственный заполнитель и некоторые местные заполнители, извлеченные из резервуаров и промышленных отходов, относятся к широкому ряду легковесных заполнителей, применяемых в исследованиях.

На рис. 2 показано относительное количество тематических исследований с использованием каждого типа вышеупомянутых легковесных заполнителей.

Рисунок 2 – Количество тематических исследований

6 Прочность на сжатие

Как правило, прочность на сжатие ЛСУБ является фундаментальным параметром для оценки его других механических свойств. Несмотря на имеющиеся исследования преимуществ, связанных с его высокими эксплуатационными характеристиками в свежем состоянии, существует мало доступных исследований относительно ожидаемых упрочненных свойств для таких механических характеристик, как прочность на сжатие. Такой бетон очень чувствителен к изменениям свойств компонентов смеси и их пропорций, поэтому требует повышенного контроля качества. Типичные характеристики пропорций смеси, которые необходимы для обеспечения хороших свежих свойств, могут оказывать существенное влияние на свойства отверждения, такие как прочность, стабильность размеров и долговечность. Например, прочность на сжатие зависит от типа заполнителя и от водоцементного отношения ^[9].

Результирующая прочность на сжатие в возрасте 28 дней сообщается для всех смесей LWSCC в тематических исследованиях. Согласно рис. 3, значения прочности на сжатие составляли от 14 до 58 МПа, причем около 34% смесей имели прочность, превышающую 40 МПа, и 53%, превышающую 32 МПа. Это подтверждает практичность производства LWSCC практически во всех диапазонах прочности на сжатие, как при обычном производстве бетона.

Рисунок 3 – Прочность на сжатие

7 Выводы

ЛСУБ - новый тип бетона, который сочетает в себе преимущества как ЛБ, так и СУБ. Однако новые сведения об исследованиях конструкции смеси, механических свойств, материалов компонентов и условий отверждения в научной литературе встречаются редко. Анализ опубликованных результатов современных исследованияй ЛСУБ позволяет сделать следующие выводы.

Различные диапазоны низкой и высокой прочности на сжатие достижимы в ЛСУБе. В этом исследовании 53 и 34% конструкций смеси дают прочность на сжатие, превышающую 32 МПа и 40 МПа соответственно.

Заполнители в смесях использовались как легкие, так и тяжелые, однако 70% смесей не применяют грубый заполнитель тяжелого веса для производства ЛСУБов.

Различные типы и диапазоны минеральных и химических примесей/добавок (суперпластификатор, воздухововлекающая добавка) использовались в смесях для достижения желаемой текучести и свежих, и затвердевших свойств.

Разнообразие типов наполнителей больше, чем количества типов цемента в конструкциях смесей ЛСУБ.

В целом, лабораторные исследования подтверждают целесообразность производства LWSCC с различными диапазонами текучести, прочности на сжатие и плотности без риска сегрегации или блокировки. Однако, следует понимать, применение LWSCC в реальных строительных проектах может привести к большему количеству проблем.