Р.Л. СЕРЫХ, д-р техн. наук, проф. (МАДИ); Н.Ф.БАШЛЫКОВ, канд. техн. наук (Поли Релакс), Практические способы управления усадочными процессами в цементных системах при монолитном строительстве
Одним из направлений развития и совершенствования бетона и железобетона является разработка новых подходов и их промышленная реализация при получении вяжущих и бетонов нового поколения, обеспечивающих надежность и долговечность конструкций и сооружений. В частности, требуется снижение деформаций усадки бетона, что связано с необходимостью ее регулирования в процессе твердения бетона в монолитной конструкции здания.
Деформация усадки бетона конструкции в целом или в отдельных ее зонах опасна не столько нарушением геометрии элемента, сколько возникающими при этом растягивающими напряжениями в бетоне, которые часто приводят к образованию сквозных или поверхностных трещин. Таким образом, усадочные деформации в сочетании с низкой прочностью бетона на растяжение вызывают трещины в железобетонных конструкциях, особенно в поверхностном слое, повышают их деформативность, снижают долговечность.
В проекте специального технического регламента «О требованиях к безопасности зданий и других строительных сооружений гражданского и промышленного назначения», в разделе обязательных требований безопасности зданий и других строительных сооружений, влажностные и усадочные воздействия отнесены к временным длительным и особым временным нагрузкам и тем самым должны учитываться не только при проектировании конструкций, но и при их эксплуатации. При этом необходимо, чтобы как в процессе строительства, так и в течение всего периода нормальной эксплуатации была исключена возможность недопустимого ухудшения эксплуатационных свойств конструкции или строительного сооружения в целом вследствие деформаций или образования и раскрытия трещин лимитированных размеров.
Испопьзуемые в современной строительной практике методы снижения усадочных деформаций являются традиционными и известны уже не одно десятилетие. Прежде всего, речь идет об уменьшении отрицательных последствий усадки за счет сокращения количества воды затворения, что достигается применением пластифицирующих добавок, использованием специальных методов уплотнения жестких смесей, снижением расхода вяжущего, соответствующим подбором фракционного состава заполнителей. Существенное значение имеет также минералогия и тонкость помола цемента. Повышение количества алюминатов в его составе, а также удельной поверхности порошка приводят к увеличению усадочных деформаций.
Следует отметить такие различные факторы, влияющие на усадку бетона при твердении, как влажность окружающей среды, форма и размеры конструкционных элементов, состав бетона и характеристики его компонентов. В связи с этим среди основных способов снижения усадки можно назвать минимизацию водовяжущего отношения бетона, выбор цементов с низким содержанием С3А и щелочей, высоким содержанием C3S, оптимальную дозировку гипса и ограниченную удельную поверхность, применение заполнителей с высоким модулем упругости, низким водопоглощением и не имеющих примесей глины. Кроме того, большое влияние на деформации усадки оказывает общее содержание щелочей, с которым связана упругость паров в поровом пространстве.
Наименее затратными и достаточно эффективными до сих пор остаются пассивные способы снижения усадочных деформаций, заключающиеся в предотвращении влагообмена бетона с окружающей средой за счет применения влагонепроницаемых и увлажняемых влагоемких покрытий. Недостатком пассивных способов является необходимость их длительного применения, техническая невозможность распространения влажностного ухода на массивные гидротехнические, высотные и тому подобные сооружения, а также невозможность прогнозирования снижения величины усадочных деформаций, характер развития и интенсивность которых зачастую изменяются незначительно.
Очевидно, что проблема усадочных деформаций бетона не может быть кардинально решена без оптимизации соответствующих параметров цемента и заполнителей. Такая оптимизация, в свою очередь, вызывает усложнение технологических процессов, удорожание производства бетона, сокращение сырьевой базы и т.д.
Реально допустимым на практике способом воздействия на величину усадочных деформаций остается снижение водопотребности бетонных смесей за счет применения суперпластификаторов (СП). Однако достигаемый при этом эффект снижения усадочных деформаций сравнительно невелик, что не в последнюю очередь связано с уменьшением крупности гидратных новообразований в присутствии СП.
Одним из радикальных путей снижения или устранения отрицательных последствий усадки является использование в качестве вяжущего расширяющихся цементов (РЦ). В большинстве случаев эффект расширения этих вяжущих основан на образовании в процессе гидратации трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (далее условно называемой, как и природный минерал того же состава, эттрингитом). Применение расширяющихся добавок на основе сульфоалюмината кальция для компенсации усадки позволяет практически полностью избежать образования трещин в бетоне.
Введение в бетон расширяющихся добавок указанного типа, в присутствии которых в портландцементе при твердении происходит увеличение линейных размеров новых образований, позволяет обеспечить высокую водонепроницаемость, трещиностойкость и долговечность конструкции. При этом новый бетон с использованием расширяющей добавки не только обладает всеми положительными свойствами бетона на портландцементе, но и нивелирует негативные его стороны: низкие показатели непроницаемости, растяжения при изгибе, большие усадочные деформации.
Однако указанный метод компенсации усадочных деформаций бетона характеризуется серьезными недостатками, из которых можно отметить следующие. Во-первых, значительное образование эттрингита на ранних стадиях гидратации при твердении высокопрочного бетона сопровождается быстрой потерей подвижности бетонной смеси, что вызывает ряд проблем. Во-вторых, для запуска реакций расширения в твердеющем высокопрочном бетоне с низким значением В/Ц не хватает в полной мере воды, что требует одновременного увлажнения бетона указанным выше образом. Далее, реально на практике в процессах расширения, связанных с полезной работой самонапряжения, может быть использована только часть введенных алюмосульфатных материалов кальция. Причины такого поведения расширяющих добавок, обусловленные недостаточной скоростью перекристаллизации низкосульфатной формы гидрата сульфоалюмината кальция в высокосульфатную форму этого гидрата при уменьшении количества воды затворения, рассматриваются подробно в специальной литературе.
Наконец, оптимизация химического состава расширяющих добавок алюминатосульфатного и алюмооксидного типов, воспроизведение их компенсирующих свойств на практике представляют серьезную проблему, усложняемую и противоречивой информацией относительно механизма их действия в бетоне.
Таким образом, используемые в современной строительной практике методы снижения усадочных деформаций ведут к замедлению темпов строительства, росту энергозатрат (увеличению продолжительности” влажностного ухода, тепловлажностной обработки), использованию специальных цементов или минеральных добавок; производство последних требует высококачественного сырья, значительных производственных мощностей и энергозатрат.
В этой связи в качестве наиболее плодотворного альтернативного решения проблемы деформации усадки бетона представляют алифатические расширяющие добавки на основе гидроксилсодержащих соединений, в частности многоатомных спиртов и алигоамси- ленгликолей. Эти добавки за рубежом известны уже 20-25 лет, причем ряд таких модификаторов появился на рынке строительных материалов. Так, в 1983 г. описаны алифатические добавки, понижающие усадку при твердении, на основе продуктов общей формулы СпН2п+10(СтН2тО)рН,гдеп=1-4, т = 2 и 3, р= 1-10. Указанные добавки выпущены на рынок Японии под маркой Jetraguard S3. Добавку рекомендуют использовать при дозировке 2-8% от массы портландцемента. Аналогичное расширяющее действие при твердении бетона оказывают производные пропиленгликоля, выпускаемые в промышленном масштабе с 1998 г. в США фирмой Grace Construction Products. Подобную добавку вводили в количестве 1,5% от массы цемента.
Гидроксилсодержащие алифатические расширяющие добавки целесообразно использовать в составе комплексных добавок наряду с такими компонентами, как стандартные сульфированные СП и микрокремнезем, что объясняется наличием синергитических эффектов. Указанные комплексные добавки не только в значительной степени ингибируют усадочные деформации бетона, но и повышают его прочностные показатели по сравнению с бездобавочным бетоном. Следует отметить, что такую алифатическую добавку в диапазоне значений В/Ц = 0,3-0,5 вводят в бетонную смесь при дозировке 7- 9% от массы цемента, что более чем вдвое меньше по сравнению со стандартной неорганической расширяющей добавкой алюминатного типа.
Механизм действия алифатических расширяющих добавок рассмотренного типа в основном связан с изменениями процессов мас- сопереноса в бетоне и лишь в небольшой степени — с фазовыми превращениями гидратных новообразований. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на повышение эффективности таких добавок и в перспективе обусловливает универсальность их применения. Кроме того, эти добавки являются синтетическими продуктами химической технологии, что позволяет стабилизировать их свойства и, следовательно, обеспечивает стабильное воспроизведение строительно-технических параметров модифицированных бетонов.
Вместе с тем, анализ патентнотехнической литературы свидетельствуют о преобладании эмпирического подхода в вопросах назначения химического состава органических добавок, понижающих деформации усадки, так как до сих пор не раскрыт механизм их действия и отсутствуют данные об их влиянии на процессы гидратации и фазовый состав гидратных новообразований, на поровую структуру цементных систем и основные строительно-технические свойства бетонов. Не исследованы вопросы использования органических добавок в составе комплексных модификаторов или в сочетании с другими химическими добавками. До сих пор не нашли объяснения выявленные в ряде экспериментов эффекты снижения прочности бетона, сопровождающие введение добавок на основе полиалкиленгликоля в повышенных дозировках.
Существенное снижение усадочных деформаций и предотвращение усадочных трещин наблюдается при введении в цементно-бетонную смесь тонкодисперсных волокон размером 45-50 цк в количестве 0,6 - 2 кг/м3, объемной массой 0,7 - 0,9 г/см3. Такими свойствами обладают трубчатые полипропиленовые волокна с отверстиями до 10 цк, длиной 6-12 мм, которые легко распушаются в процессе приготовления бетонной смеси и равномерно распределяются в ее объеме. К ним, в частности, можно отнести волокна типа «Asota» (Австрия) и ряд других, вышедших на строительный рынок и имеющих соответствующие сертификаты соответствия по всем медико-биологическим показателям.
Таким образом, имеющаяся совокупность данных позволяет принять решение о методах и способах регулирования усадочных деформаций, а также рассчитать возможность получения на основе органических соединений эффективной химической добавки, введение которой непосредственно в бетонную смесь и в сравнительно небольших дозировках (до 5-6%) обеспечит возможность уменьшения в значительных пределах деформаций усадки бетона и, соответственно, существенно улучшит строительно-технические свойства железобетонных конструкций.
Бетон и железобетон, 2006 №5