В.Р.ФАЛИКМАН, чл.-корр. РИА, Ю.В.СОРОКИН, канд.техн.наук (НИИЖБ); О.М.ГОРЯЧЕВ, канд.техн.наук (НПП “ТЕМА), Высокопрочный легкий бетон: технология и свойства
Снижение материалоемкости и уменьшение массы строительных конструкций без потери их несущей способности и других эксплуатационных свойств является одним из важнейших факторов повышения эффективности строительства [1,3,4,5]. Среди практических путей достижения этой цели основным можно считать применение легких бетонов с повышенными показателями конструктивного качества, т.е. с большим, по сравнению с традиционными легкими бетонами, относительным показателем прочности на единицу средней плотности.
Задачей экспериментальных исследований, результаты которых приведены ниже, явилась разработка составов и технологии монолитного керамзитобетона с плотностью в сухом состоянии 1,4 кг/дм3 и прочностью в возрасте 28 сут 40 Н/мм2 (класс В25). Исходя из потребности строительного производства, подвижность бетонной смеси назначалась равной 21 -25 см осадки конуса Абрамса при обеспечении возможности длительного (до 2 ч) транспортирования и выдерживания смесей до момента укладки.
Эксперименты проводились с применением портландцемента Старооскольского цементного завода марки М500 ДО (Cem 142,5), в качестве заполнителей использовались кварцевый песок средней крупности (Мф=2,5) и керамзит фракции 0-10 мм с прочностью М150 и насыпной плотностью 0,7 кг/дм3 производства ОПС «Шилово». Для улучшения технологических свойств бетонных смесей и повышения прочности бетона вводилась добавка микрокремнезема (МК) в количестве 10% массы цемента, а также добавка суперпластификатора С-3 на нафталиновой основе в дозировке 1 % массы цемента (в пересчете на сухое вещество).
В ходе экспериментов изготовлялись и испытывались образцы керамзитобетонов с расходом цемента от 350 до 600 кг/м3. Установлено, что при варьировании расхода керамзита в пределах от 0,6 м3 до 0,9 м3 на 1 м3 бетона это обеспечивает получение бетонов с широким диапазоном плотности и прочности.
Как следует из данных, приведенных на рис.1, при постоянном расходе цемента 350 кг/м3 можно получить бетоны с плотностью в сухом состоянии от 1,15 до 1,4 кг/дм3 в зависимости от расхода керамзита (кривые 1 и 2), при расходе цемента 500 кг/м3 - от 1,2 до 1,55 кг/дм3 (кривые 3 и 4).
В возрасте 28 сут естественного твердения прочность бетонов с расходом цемента 350 кг/м3 в зависимости от плотности изменяется в пределах от 20 до 33 Н/мм2, при расходе цемента 500 кг/м3 - от 30 до 47 Н/мм2. Отмечаются высокие темпы твердения бетонов: в возрасте 3 сут прочность бетонов с минимальным расходом цемента составляет от 12,5 до 27,5 Н/мм2, при максимальном расходе - от 30 до 47 Н/мм2. Обращает на себя внимание также нелинейный характер полученных зависимостей, обусловленный, по-видимому, особенностями физико-механических свойств бетона, сочетающего высокопрочную растворную составляющую и пористый заполнитель сравнительно низкой прочности. Для бетонов с расходом цемента 350 кг/м3 сопровождающий рост плотности интенсивный набор прочности сменяется выравниванием ее показателей, что обусловлено отрицательным влияние пористого заполнителя на прочность при повышенных разрушающих нагрузках. В бетонах с расходом цемента 500 кг/м3 вследствие высокой прочности растворной составляющей указанное отрицательное влияние пористого заполнителя в значительной степени нивелируется, в результате чего значения ранней прочности стабилизируются на уровне 30 Н/мм2, а в возрасте 28 сут обеспечивается стабильный рост прочности с увеличением плотности бетона, хотя и в меньшей степени, чем это характерно для обычных тяжелых бетонов на плотных заполнителях [1].
Согласно современным представлениям [4], легкие бетоны могут быть отнесены к высокопрочным в том случае, если выполняются условия уравнения
Указанным условиям удовлетворяют практически все составы с расходом цемента 500 кг/м3, причем испытания бетонов с повышенным расходом цемента (550-600 кг/м3) и при использовании керамзита большей прочности выявили возможность получения бетонов с прочностью 50 Н/мм2 и более.
Влияние на керамзитобетон качества пористого заполнителя отражают приведенные в таблице результаты определения физико-меха- нических и деформативных свойств бетонов на двух видах заполнителя - использованном в описанных выше экспериментах керамзите фракции 0-10 мм с насыпной плотностью 0,7 кг/дм3 и керамзите Алексинского завода фракции 0-20 мм с насыпной плотностью 0,57 кг/дм3 и меньшей в 1,5 раза прочностью.
Данные таблицы показывают, что следствием более низкой плотности и прочности керамзита фракции 0-20 мм явилось некоторое снижение прочности и других показателей качества керамэитобетона на его основе. Для бетона на керамзите фракции 0-10 мм, несмотря на повышенную водопотребность бетонной смеси, обеспечивается достижение кубиковой прочности более 40 Н/мм2 и начального модуля упругости на уровне 15,7x103 Н/мм2, при этом плотность бетона в сухом состоянии соответствует заданному значению 1,4 кг/дм3. Морозостойкость бетонов составляет не менее 200-250 циклов, что соответствует требованиям для конструкций, эксплуатирующихся в нормальных условиях. Усадочные деформации ке- рамзитобетонов в возрасте 28 сут изменяются от 54,4 х 105 до 57,3 х 105 мм/мм, что не превышает уровня усадки керамзитобетонов, приготовленных при водоцементном отношении (В/Ц), равном 0,4-0,5: от 66x105 до 115x1 О5 мм/мм в зависимости от усадки и упругих свойств растворной составляющей и упругих свойств керамзита [2].
В процессе отработки технологии приготовления и транспортирования керамзитобетонных смесей варьировались способ введения микрокремнезема (в сухом виде и в виде пульпы), влажность применяемого керамзита (в состоянии естественной влажности и в состоянии водонасыщения), исследовалось влияние этих факторов на плотность и прочность керамэитобетона, а также на сохраняемость бетонных смесей при длительном транспортировании.
Представленные на рис.2 данные показывают, что для бетонной смеси на сухом керамзите с введением МК в виде пульпы характерна интенсивная потеря подвижности в течение первых 0,5-1 ч после приготовления (кривая 1), обусловленная уменьшением объема жидкой фазы вследствие поглощения керамзитом части водозатворения. При введении микрокремнезема в сухом виде (кривая 2) наблюдается уменьшение интенсивности потери подвижности - в течение первых 0,5 ч осадка конуса стабилизируется, а при последующем выдерживании уменьшается, однако даже через 1 ч ее значение составляет 15 см. При использовании увлажненного керамзита (кривые 3 и 4) темпы потери подвижности существенно уменьшаются: в случае введения МК в виде пульпы осадка конуса в пределах 21-25 см сохраняется в течение 1-1,5 ч, а при введении МК в сухом виде она составляет не менее 24 см даже после 2 ч выдерживания.
Так как предварительное увлажнение керамзита существенно усложняет производство, была исследована возможность восстановления подвижности за счет введения дополнительного количества воды затворения непосредственно перед укладкой. Введение воды в бетонные смеси на сухом керамзите (вертикальные участки кривых 1 и 2) осуществлялось через 2 ч выдерживания в количестве 30 л/м3 и сопровождалось незначительным повышением подвижности смеси 1 (введение МК в виде пульпы) и ее практически полным восстановлением до исходного значения для смеси 2 (введение МК в сухом виде).
При последующем выдерживании достигнутая подвижность сохраняется не менее 0,5 ч, обеспечивая тем самым суммарную жизнеспособность бетонной смеси на уровне 2,5ч.
Влияние времени предварительного выдерживания бетонных смесей до момента формования, а также способа введения МК и влажности керамзита на прочность бетона в возрасте 28 сут отражают данные, представленные на рис.З.
Полученные результаты показывают (см. рис. 3), что потеря подвижности бетонных смесей сопровождается повышением их плотности и увеличением прочности бетона, что обусловлено уменьшением свободной воды затворения вследствие поглощения части ее заполнителем и соответственно уменьшением истинного значения В/Ц. Это особенно характерно для составов с введением МК в виде пульпы (кривые 1 и 3). При введении МК в виде пульпы как темпы потери подвижности, так и связанная с этим степень повышения прочности несколько уменьшаются. Можно предположить, что ультрадисперсные частицы введенного в сухом виде МК при перемешивании оседают на поверхности и кольматиру- ют открытые поры зерен заполнителя, следствием чего является замедление темпов и величины водопоглощения керамзита, а также степень связанного с этим изменения истинного В/Ц.
Введение дополнительного количества воды для восстановления подвижности бетонных смесей сопровождается снижением прочности (вертикальные участки кривых 1 и 2 на рис.З), которая в ходе последующего выдерживания в течение 0,5-1 ч достигает первоначального значения.
Установлено также, что при использовании сухого керамзита для обеспечения сохраняемости бетонных смесей может быть использован метод введения избыточного количества воды затворения с превышением исходной подвижности по отношению к заданной. В этом случае поглощаемая пористым заполнителем избыточная часть воды затворения не сказывается на величине истинного В/Ц и не снижает прочность бетона.
Разработанные составы высокопрочного керамзитобетона использовались при бетонировании внутренних стен и ограждающих конструкций 25-этажных жилых домов в Москве (ноябрь 2003 г. - июнь 2004 г.). Введение микрокремнезема на бетонном заводе производилось в сухом виде непосредственно в бетоносмеситель. Транспортирование бетонных смесей на стройплощадку осуществлялось автобетоносмесителями. Продолжительность их транспортирования и выдерживания до момента бетонирования составляла 1,5-3 ч. В ряде случаев для восстановления подвижности в смеси вводилось дополнительное количество воды. Контроль качества при проведении бетонных работ выявил высокие технологические свойства бетонных смесей: способность к самовыравниванию, стойкость против растворо- и водоотделения. Укладка и уплотнение производились при небольшой побудительной вибрации. Испытания контрольных образцов подтвердили приведенные выше результаты лабораторных экспериментов и показали, что разработанные составы характеризуются высокими темпами естественного твердения - прочность бетона в конструкциях в возрасте 5-7 сут даже при среднесуточной температуре воздуха 7-10°С составляла около 30 МПа.
Таким образом, проведенные исследования выявили возможность получения высокопрочного керамзитобетона с прочностью на уровне 40 Н/мм2 и плотностью в сухом состоянии 1,4 кг/дм3. Разработаны методы обеспечения сохраняемости бетонных смесей, в том числе при восстановлении подвижности за счет введения дополнительного количества воды затворения, а также при использовании составов с избыточным расходом воды и завышенным показателем исходной подвижности. Показана эффективность применения добавки мирокремнезема в сухом виде при его введении непосредственно в бетоносмеситель.
Авторы выражают глубокую признательность инж. О.О. Калашникову, В.Ю. Сорокину, Г.Л. Кузнецову за помощь в постановке и проведении экспериментальных работ и обсуждении результатов.
Бетон и железобетон, 2005 №2