А.В.БАТУДАЕВА, Г.С.КАРДУМЯН, С.С.КАПРИЕЛОВ (НИИЖБ), Высокопрочные модифицированные бетоны из самовыравнивающихся смесей

Основными двигателями технического прогресса в технологии бетона всегда являлись две ключевые задачи: получение прочного и долговечного бетона и снижение трудовых и энергетических затрат при его производстве. Долгое время не удавалось найти совместного решения этих кажущихся противоречивыми задач. С одной стороны, производство прочных и долговечных бетонов было сопряжено с интенсивными механическими воздействиями на бетонную смесь, что неизбежно увеличивало затраты. С другой, получение высокоподвижных бетонных смесей происходило главным образом за счет увеличения расхода воды, что в свою очередь приводило к снижению прочности бетона.

С появлением суперпластификаторов (СП) в середине 70-х годов прошлого века в значительной степени были решены одновременно обе задачи. Оказалось возможным на обычных портландцементах и заполнителях достигать сравнительно высокой прочности (50 МПа) с применением высокоподвижных бетонных смесей (0к>20 см), которые сейчас можно назвать прототипом современных так называемых самоуплотняющихся бетонов.

Под самовыравнивающимися подразумеваются смеси, способные укладываться в опалубку без вибрации и равномерно распределяться во всем ее объеме при сохранении однородности даже при наличии густорасположенной арматуры. Определяющим свойством таких смесей является их высокая удобоукладываемость, сочетающая две противоположных по своей природе характеристики: низкое предельное сопротивление сдвигу (т0). которое предопределяет высокую текучесть смеси, и повышенную вязкость (Г|), которая обеспечивает стабильность и связность смеси. Существуют общепринятые критерии, по которым такие смеси идентифицируются: осадка конуса - не менее 27 см и расплыв - не менее 65 см [1].

Таким образом, естественная тенденция развития технологии в направлении повышения прочности и долговечности бетонов, с одной стороны. и повышения удобоукладывае- мости, с другой, выдвигают новую задачу: получение высокопрочных бетонов (R > 60 МПа) из самовыравнивающихся смесей. Эта задача представляется комплексной (многофакторной), поэтому для ее решения необходимо основываться на современных принципах получения как высокопрочного бетона, так и самовыравнивающихся смесей.

Как известно, формирование высокопрочной и плотной структуры цементного камня и бетона возможно путем введения в цементную систему дисперсных и ультрадисперсных материалов, содержащих преимущественно аморфный диоксид кремния, с одновременным снижением водопотребности за счет использования суперпластификаторов [2].

Что касается самовыравнивающихся смесей, то условиями их получения является сочетание таких параметров, как [3, 4, 5]:

- гранулометрический состав заполнителя, обеспечивающий равномерное объемное распределение частиц по фракциям;

- объем цементного теста, обеспечивающий необходимую раздвижку зерен заполнителя:

- содержание воды, обеспечивающее текучесть системы при сохранении седиментационной устойчивости.

Непрерывная гранулометрия дисперсной системы, каковой является бетонная смесь, создает структуру с плотной упаковкой, в которой крупные частицы окружены более мелкими, те, в свою очередь, - еще более мелкими, т.е. каждая частица находится в контакте с несколькими соседними частицами, пустоты между ними практически отсутствуют или минимальны. Это благоприятный фактор, если иметь в виду, что пустоты обычно заполняются водой, которая может быть избыточной, негативно влияя и на седиментационную устойчивость, и на структуру системы. С точки зрения механизма течения, можно сказать, что при деформации такой структуры ее частицы способны «перекатываться» друг по другу, не застревая в пустотах. Регулирование гранулометрии бетонной смеси производится путем использования фракционированного щебня и песка средней крупности.

В свою очередь, необходимый и достаточный для заполнения пространства между частицами заполнителя объем цементного теста обеспечивает оптимальную раздвижку и «смазку» поверхности заполнителя, снижая силы сцепления между его частицами. Соответствие данному критерию обеспечивается путем регулирования соотношения между объемом заполнителей и объемом цементного теста в смеси. Доля заполнителей в самовыравнивающихся смесях меньше, чем в обычных бетонах, и соответственно увеличен объем цементного теста за счет использования минеральных добавок. Поэтому общее количество последних в самовыравнивающихся смесях может достигать 50 % массы цемента [6].

Содержание воды в самовыравнивающихся смесях, как правило, на уровне обычных бетонов, а высокая подвижность обеспечивается повышенными в 1,5-2 раза дозировками суперпластификатора.

По основным физико-техничес- ким свойствам бетоны, полученные из самовыравнивающихся смесей, не отличаются от вибрированных бетонов. Однако из-за повышенного расхода вяжущего в самовыравнивающихся бетонах возрастает вероятность усадки, а из-за особенностей безвиб- рационной укладки таких бетонов возникает вопрос об их сцеплении с арматурой, морозостойкости и проницаемости.

Актуальной для этого вида бетонов, учитывая вероятность их использования для устройства полов и покрытий, является также проблема стойкости к истираемости.

Вышеизложенные соображения явились основанием для исследований, результаты которых приводятся ниже.

Бетонная смесь условно разделена на две составные части: на цементное тесто (матрицу), под которым подразумевается смесь цемента, дисперсных материалов - микронаполнителей, воды и суперпластификатора, а также на заполнители. Исследовали влияние компонентов матрицы на ее свойства, а затем свойства бетонов.

Для приготовления высокопрочной цементной матрицы использовали портландцемент марки ПЦ500 ДО. микронаполнители (МН) и два разных суперпластификатора: на основе сульфированных нафталин-формальде- гидных поликонденсатов (марка С-3) и на основе поликарбоксилатов (марка FM 435).

В качестве активных микронаполнителей были использованы микрокремнезем конденсированный (МК) марки МК-85 (ТУ 5743-048-02495332), кислая зола-уноса (3-У) Рефтинской ГРЭС, метакаолин (МКЛН) - термически обработанный каолин Глухо- вецкого месторождения, молотый гипсовый камень (гипс) по ГОСТ 4013 и три различных композиции (смеси) из перечисленных выше материалов, в частности:

- комплекс, содержащий микрокремнезем и золу-уноса в соотношении 50:50 (условное обозначение «50С»);

- комплекс, содержащий метакаолин и гипс, который представляет собой расширяющую композицию сульфоалюминатноготипа, представленную в работе [7, 8] для регулирования усадочных деформаций высокопрочных бетонов (условное обозначение «РК»);

- комплекс, составляющий сумму первых двух комбинаций в соотношении 50:50 (условное обозначение «50С+РК»).

Кроме того, в качестве инертного микронаполнителя использовали известняк молотый (Изв-к) по ГОСТ 52129. Физико-химические характеристики вышеперечисленных микронаполнителей приведены в табл.1.

В качестве заполнителей были использованы песок кварцевый с Мкр = 2,6 и щебень гранитный двух фракций: 5-10 мм и 10-20 мм.

На предварительном этапе проведена оценка эффективности каждого микронаполнителя, а также композиций (смесей) из разных микронаполнителей как компонентов высокопрочной цементной матрицы. В качестве критериев оценки были выбраны следующие параметры: водопотребность, водоудерживающая способность и прочность цементной матрицы.

Водопотребность МН оценивали на цементных пастах одинаковой консистенции по изменению нормальной густоты, которая определялась на приборе Вика по методике ГОСТ 310.3.

Водоудерживающую способность МН оценивали по водоотделению цементного теста, состоящего из вяжущего (90% цемента и 10% МН) и воды (В/Вяж = 1), при оседании частиц твердой фазы на градуированном цилиндре по ГОСТ 310.6.


Прочность цементной матрицы оценивали по показателю индекса активности, который определяли отношением прочности на сжатие в 28 сут нормального твердения растворных образцов-кубов состава 1:3 (вяж: песок), где 90% вяжущего представлено цементом, а 10% - МН, к прочности контрольного образца с вяжущим цементом при постоянном водотвердом отношении.

Свойства бетонных смесей оценивали двумя методами: по осадке и расплыву конуса, а также по прохождению смеси сквозь препятствия [1]. Сущность второго метода заключается в следующем: конус Абрамса ставили внутрь кольца со стержнями, имитирующими арматуру, заполняли его бетонной смесью и после снятия конуса замеряли разницу высот (Ah) непосредственно у стержней внутри кольца и снаружи. Этот параметр, зависящий от вязкости смеси, позволяет оценить способность смеси проходить сквозь арматуру и косвенно определить связность смеси.

Физико-технические свойства бетонов исследовали по стандартным методикам. Прочность на осевое сжатие определяли на образцах 10x10x10 см, которые хранились в нормальных температурно-влажностных условиях (t=20±3°C, W=95±5%). Деформации расширения-усадки определяли согласно ГОСТ 24544 и ТУ 5743-157- 46854090-2003 на образцах 5x5x20 см при комбинированных условиях хранения: первые сутки под пленкой, затем до 7 сут - водное хранение, затем в воздушно-сухих условиях (W=66%) до стабилизации деформаций. Водонепроницаемость бетонов определяли по показателю воздухопроницаемости с помощью прибора «Агама-2Р». Морозостойкость определяли в соответствии с ГОСТ 10060.4 по третьему методу с замораживанием (при температуре -50°С) и оттаиванием в 5%-ном водном растворе хлористого натрия. Истираемость определяли по ГОСТ 13087 на приборе ЛКИ-3 (круг истирания). Оценку качества и назначение категории бетонов по сопротивлению истираемости проводили по ГОСТ 13015.

Для сравнения прочности сцепления арматуры с равнопрочными бетонами из самовыравнивающихся и вибрированных (ОК=20 см) смесей были проведены испытания на выдергивание арматуры диаметром 10 и 25 мм класса А500С из бетонных кубов, размеры которых, согласно методике RILEM [9], составляли 100 и 250 мм соответственно.

Водопотребность, так же, как подвижность и водоудерживающая способность цементного теста (матрицы), изменяется в зависимости от вида микронаполнителя и интегральной удельной поверхности (SBfl)K) смешанного вяжущего, под которым подразумеваем смесь цемента и микронаполнителей. С увеличением удельной поверхности водопотребность и водоудерживающая способность, естественно, возрастают, а подвижность уменьшается (табл.2). Наименее подвижными и, напротив, более водопотребными и обладающими повышенной водоудерживающей способностью оказались образцы цементного теста с добавкой микрокремнезема (Эвяж =2.3 м2/г) и метакаолина, который характеризуется высокой гидро- фильностью (SBJWK=0,42). т.е. с микронаполнителями, отличающимися сравнительно высоким (более 1) индексом активности. Однако заметим, что смеси разных по влиянию на консистенцию цементного теста микронаполнителей (в частности, 50С, 50С+РК, РК) позволяют также повысить водоудерживающую способность. практически не изменяя водопотребность цементного теста. Очевидно, это объясняется более оптимальным гранулометрическим составом комплексных МН, которые включают в себя полидисперсные зерна различной формы.

Характерный для комплексных МН сравнительно высокий индекс активности во многом предопределен присутствием аморфных диоксида кремния и оксида алюминия, содержание которых в вышеуказанных композициях доходит до 75%.

Следует отметить также, что по показателю подвижности комплексные МН отличаются друг от друга. С увеличением количества расширяющей композиции в их составе подвижность цементного теста повышается, что объясняется, вероятно, ее гранулометрическим составом и пластичностью метакаолина как глинистого материала, входящего в состав расширяющей композиции.

Введение молотого известняка в цементную систему способствует повышению водоудерживающей способности системы и в то же время практически не влияет на ее водопотребность и подвижность (см.табл.2).

Далее на основе трех выбранных минеральных композиций по критерию обеспечения равной подвижности (расплыв мини-конуса = 240-260 мм) цементных паст с В/Т=0,35 оценивали эффективность двух видов СП. Она зависит от механизма их действия на цементную систему, что выражается в том, что для достижения требуемой подвижности дозировка СП FM435, действующего по стеричес- кому механизму, практически в 5 раз меньше дозировки СП С-3 с электростатическим механизмом действия. При этом оптимальная дозировка обоих СП зависит от состава комплексного МН. В частности, цементное тесто. содержащее комплекс из золы- уноса и микрокремнезема, характеризуется наибольшей дозировкой СП для обеспечения требуемой консистенции, а наименьшая дозировка СП характерна для цементного теста с расширяющей композицией. Цементное тесто, содержащее комплекс этих двух композиций, занимает промежуточное положение.


Так как повышение дозировок СП приводит к расслоению, были установлены критические («пороговые») дозировки СП при сочетаниях с МН, превышение которых нежелательно. Для СП С-3 она составила 10% массы МН, а для СП FM435 - 2%. Таким образом, оптимизированы составы поликомпонентных органоминеральных композиций комплексных добавок, включающих МН и СП.

Для сравнения свойств высокопрочных самовыравнивающихся бетонов с вибрированными бетонами были приготовлены несколько образцов, в том числе контрольный образец высокопрочного бетона с осадкой конуса 20 см. Ранее выполненные нами исследования позволили оптимизировать гранулометрический состав и расход заполнителей для самовыравнивающихся смесей. Оптимальное соотношение фракций в щебне составляет 60% фракции 5-10 и 40% фракции 10-20, а оптимальное содержание песка в смеси заполнителей равно 0,5.

Полученные самовыравнивающи- еся бетонные смеси по параметрам текучести и связности удовлетворяют требуемым критериям: диаметр рас- плыва для всех составов больше 65 см и разница высот Ah в методике менее 15 мм. Отметим также изменение свойств смеси в зависимости от состава минеральной части комплексной добавки: увеличение подвижности, характеризуемой рас- плывом конуса, и уменьшение показателя AhВ зависимости от количества расширяющей композиции в составе минеральной части комплексной добавки, которое прослеживалось и в предыдущих исследованиях на цементном тесте. Очевидно также влияние состава минеральной части комплексной добавки на объем вовлеченного воздуха и на удельный вес смеси независимо от вида суперпластификатора: наибольшее воздухововлечение и наименьшую плотность имеет бетонная смесь, содержащая в составе минеральной части комплексной добавки МН 50С, наименьшее воздухововлечение и максимальная плотность у бетонной смеси с РК, бетонная смесь с комплексным МН 50С+РК занимает промежуточное положение. По-видимому, такая зависимость объясняется увеличением плотности упаковки частиц цементного теста и снижением вероятности защемления воздуха между частицами, обусловленными формой, размерами частиц и гранулометрией.

Присутствие в смесях СП С-3 приводит к повышению объема вовлеченного воздуха и снижению прочности бетона в сравнении с СП FM 435. Это еще одно свойство, которое делает СП на поликарбоксилатной основе предпочтительным компонентом самовыравнивающихся бетонов. Все бетоны обладают высокой плотностью: марка по водонепроницаемости достигает W20 и выше. Испытания на морозостойкость показали, что бетоны, полученные из самовыравнивающихся смесей, не уступают вибриро- ванным бетонам.

Испытания на истираемость проводились совместно с лабораторией строительных материалов НИИЭС. По результатам этих испытаний, представленных в табл.З, можно сказать, что по сопротивлению истираемости бетоны из самовыравнивающихся смесей не уступают равнопрочным бетонам, полученным из пластичных смесей с осадкой конуса 20 см и могут быть использованы для устройства покрытий, работающих в условиях повышенной интенсивности.

Данные по кинетике развития деформаций расширения-усадки показывают, что при хранении в водных условиях происходит прирост деформаций расширения, явно связанный с увеличением доли расширяющей композиции в составе минеральной части комплексной добавки. Следует отметить, что составы с СП С-3 имеют большее расширение, чем составы с СП FM435. Вероятно, это объясняется более высокой прочностью бетонов с СП FM435, которая препятствует процессу расширения. Для образцов самовыравнивающегося бетона без расширяющей композиции наблюдали небольшое набухание.

При помещении образцов в воздушно-сухие условия наблюдали процессы развития усадочных деформаций, которые стабилизировались к 70 сут. Образцы, содержащие 100 % расширяющей композиции, характеризующиеся наибольшей величиной линейного расширения, к сроку стабилизации деформаций имели минимальную усадку 0,01 % - почти в 2 раза меньше, чем у образцов контрольного состава и образцов без расширяющей композиции. Деформации усадки бетонов из самовыравнивающихся смесей не превышают аналогичные показатели равнопрочного виб- рированного бетона. Введение в состав минеральной части комплексной добавки расширяющей композиции независимо от вида СП приводит к снижению усадочных деформаций самовыравнивающихся бетонов.

Для сопоставления результатов испытаний по сцеплению арматуры с бетоном необходимо принять во внимание различие в прочности бетона. Существует несколько подходов к приведению прочности сцепления к одной прочности бетона. Эти подходы предопределяются формулами для определения расчетного сопротивления сцепления арматуры с бетоном или формулами для определения длины зоны анкеровки, принятыми в нормах проектирования железобетонных конструкций.



Бетон и железобетон, 2005 №4