Самоуплотняющиеся бетонные смеси с раздельным введением суперпластификатора

В настоящее время в условиях возведения высоко-этажного монолитного строительства, да и при заводском производстве – элементов конструкций из высоких классов бетона, часто возникает необходимость экстренной корректировки или «повторного» модифицирования самоуплотняющихся смесей для высокопрочных бетонов.

В самом общем случае на практике - это вызвано отсутствием требуемого по технологической ситуации оборудования – точнее оптимальных бетононасосов для перекачивания однородной (нерасслаивающейся) бетонной смеси требуемого класса подвижности.

Главным дефектом при этом является - отсутствие в насосе постоянной скорости подачи для сохранения требуемой структурной вязкости бетонной смеси – до укладки в формуемую конструкцию. В этих условиях с локально – собирательным поличастотным режимом нагнетания автомобильным двигателем требуемого давления на бетонную смесь – происходит разделение и сближение крупных частиц (заполнителя) и почти одновременно – отжатие пластичной (водоцементной) среды. А периодическое загущение смеси крупными частицами с неизбежной тенденцией к «закупорке» тракта подачи бетона при наступлении избытка давления – приводит к высокодинамичному струйно-фонтанному эффекту. Расслоения смеси в виде линейно-направленного потока твёрдых частиц и струй пластичной массы, сопровождаемыми к тому же разрушительными кавитационными явлениями, связанными в данном процессе с измельчением частиц цемента и тем значительной потерей подвижности смесей.

За рубежом - автобетоносмесители обычно принадлежат строительной организации и рассчитаны на работу с расчётными объёмами поставки бетона строительной фирмы и с фиксированным диапазоном показателей осадки конуса, а также с регламентированным временем смешивания компонентов бетонной смеси. Причём перемешивание, осуществляется обычно в последовательности: добавка + вода, затем водный раствор с тщательно распределённой сухой или жидкой добавкой вводится в бетонную смесь непосредственно за 15мин. перед формованием или подачей смеси бетононасосом на требуемую высоту монтажа, то есть в течение периода времени, когда активная начальная скорость гидратации цемента достигает почти одного порядка по всему объему бетона.

К сожалению, у нас, за исключением случая приготовления сухих растворных смесей, бетонную смесь производят сразу полностью готовой к укладке на одном заводе или и даже на ряде заводов – изготовителей, в зависимости от стоимости смеси. И это – достаточно расточительный приём, приводящий – из-за постоянного безконтрольного вынужденного перемешивания бетонной смеси в автобетоносмесителе при перемещении его к месту строительства, к значительной потере запаса клинкерного фонда так, как в это время полностью гидратируются частицы портландцемента размером до 0,25 мкм, определяющие марочную прочность бетона, но к сожалению остающимися не отформованными в конструкцию. Последнее обстоятельство приводит к необходимости введения из цемента в процесс гидратации дополнительных более крупных ещё недостаточно реакционноспособных частиц. И это, как правило, осуществляется посредством дополнительного принудительного воздействия физическим полем - тепловым прогревом при 40-50 Сº (причём по интенсивности со значительным теплорассеивающим физическим эффектом), допуская этим ещё больший перерасход того ценнейшего инженерного запаса цемента, определяющего долговечность бетона.

Однако, другим достаточно противоречивым явлением - особенно для высокопластфицированных смесей и на что мало обращают внимание технологи является - введение с полным объемом воды затворения максимального, даже излишнего количества суперпластифицирующих добавок (причём – часто дорогостоящих, чему с лихвой помогают и сами фирменные производители, пополняя вещественный их состав разнообразными «облагораживающими» комплексами).

Оценку литого состояния бетонной смеси сегодня устанавливают по диаметру её расплыва, но ни как ни по углу величины естественного откоса стандартного конуса, как это имело место с истинным первым немецким суперпластификатором – мельментом, который вдруг стали у нас именовать «разжижителем». Но этот термин всё-таки подменил понятие пластификации не совсем правильно. При пластификации однородность коллоидного состояния бетонной смеси не теряется, но приобретается лишь способность перемещения смеси под действием внешних физических полей или от действия собственной массы.

Да и вообще достаточен или избыточен эффект самоуплотнения устанавливаемый по диаметру расплыва, в действительности на практике – производитель оценивает лишь визуально спустя некоторое время после испытания - непосредственно уже при укладке бетона.

Учитывая последнее, всё же главной причиной получения смеси с нестабильными требуемыми техническими показателями следует считать - отсутствие у производителей работ навыков оперативного модифицирования или вмешательства в бетонную смесь непосредственно перед формованием (в опалубку или форму). Последнее, порой крайне необходимо, поскольку смесь становится явно не удобоукладываемой.

Происходит это из-за малого количества воды в бетонной смеси и постоянно нарастающей адгезии добавки на компонентах смеси и стенках смесителя от детонации двигателя, который взбивает органические добавки в отдельные скопления подобно молочным сливкам, смесь теряет подвижность, а точнее самоуплотняемость.

Исправить такие смеси, а точнее полностью избежать этих явлений возможно. Требуемая технологическая операция по существу заложена уже в технологии бетоноприготовления (точнее в порядке модифицирования самого бетона, то есть в учёте последовательности влияния каждой вводимой в бетон составляющей на формирование его структуры).

Всем технологам – бетоноведам известно, что для получения наибольшей прочности цементного камня (да об этом свидетельствуют особенно работы с жёсткими бетонными смесями - наших учёных - Н.В. Михайлова, А.Е. Десова, Ю.М Баженова и, даже Д.И. Менделеева) бетону требуется обычная чистая вода. Поэтому ещё под руководством уважаемого д.т.н. Розенталя Н.К. и др. учёных на воду для бетонов и растворов (близкую по составу к водопроводной) разработан ГОСТ 23732-79. А сегодня получается, что большинство литых бетонов приготавливается не с чистой водой, а исключительно на жидкостях, наполненных сложными органическими включениями.

Возникающая непосредственно при смешивании цемента с чистой водой промежуточная структура, представляет собой структурированную суспензию (пасту), в которой частицы цемента разделены жидкими прослойками воды. Затем на поверхности цементных частиц возникает тонкий слой геля из окислов кальция и крем­ния с переменным содержанием воды. Постепенное увеличение толщины гелевых слоев приводит к склеиванию гидратированных зерен клинкера и возникновению цементного камня, в структуре которого цементные частицы разделяются прослойками геля.

Однако в процессах образования гелей цементного теста важное значение воды сводится не столько к возникнове­нию химической реакции гидратации, сколько к образованию прочных связей между цементными частицами за счет сил сцепления. Последнее – многими исследователями объясняется особым (льдообразным) состоянием воды - в виде пленки со значительным контракционным эффектом, сопровождающим твердение теста в бетонной смеси и растворах.

Более 50% поглощаемой цементом воды, находится на поверхности цементных зерен в виде толстых полимолекулярных слоев и не замерзает даже при охлаждении до -110 С°: и, наконец, вода, поглощённая цементными минералами находится в «особом» деформированном взаимодействием с твердой фазой, сжатом состоянии, для которого характерна повышенная структурная упорядо­ченность молекул, чем для обычной «объемной» воды.

Процесс упорядочения структуры воды в цементном тесте объясняется, во-первых, возникновением геля на поверхности частиц в усло­виях интенсивного протекания диффузионных потоков, которые способствуют ориентационной поляризации молекул воды.

Во-вторых, значительным поляризующим и упрочняющим действием на мо­лекулы воды окисей кремния и кальция, содержащихся в портландцементе.

И, наконец, к упорядочению структуры приводит гидратация ионов неорганических солей, в результате которой полярные молекулы воды ориентируются вокруг заряженных ионов противоположным по зна­ку полюсам. Последнее свидетельствует о том, что еще до смешивания с цементом повышается структурная связность воды и чем выше скорость её диффузии, тем сильнее поляризация воды и подвижнее бетонная смесь.

В смесях с низким В/Ц (жестких смесях) эффект поляризации от физико-химических процессов цементного теста значительно слабее, поскольку условия для растворения более ограничены. Однако, эффект дополнительной поляризации, даже, с небольшим количеством добавки - весьма высок (если, конечно концентрация раствора затворения тоже высока) и тогда необходимая упорядоченность (плотность) воды, способствующая повышению подвижности и прочности, достигается в основном за счет введения добавок

Высокопрочные бетоны, приготавливаемые с низким В/Ц из очень жёстких бетонных смесей при доставке автобетоносмесителем уплотнять не требуется, необходимая консервация сохраняется, поскольку для полной гидратации малодисперсных частиц цемента размером до 0,25мкм воды недостаточно.

При рассмотрении этого вопроса, появилось некоторое решение, которое заключалось в том, что необходимое количество добавки вводилось в бетонную смесь с последней долей воды затворения, составлявшей - 30% всей воды затворения бетона. Положительные результаты подкреплены практическими испытаниями, полученными в лаборатории ООО «ЖБИ-5» г.Рязань. Именно этот подход будет как можно подробно описан в этой работе.

2. Описание разработки и ее актуальность

При подборе состава бетона для возведения гидротехнических сооружений, одним из нормативных документов является СНиП 2.06.08-87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений» [1]. При эксплуатации строительных сооружений в высокогорных районах специалисты сталкиваются с проблемой высокого износа опор мостов. Высокая скорость течения реки и наличие в них крупных и мелких взвесей истачивают опоры. Доцент, к.т.н. РИ МГОУ В.А.Биленко [2], предлагает применять для строительства опор высокопрочный бетон.

Главной задачей при этом является подбор состава бетона с последующим испытанием натурных образцов в условиях их максимального абразивного износа при эксплуатации. Но огромную значимость при изготовлении такого бетона приобретает экономическая эффективность за счёт снижения расхода материалов, затрат электроэнергии и труда. Именно эти условия стали основными при написании данной работы.

Первоначальная операция технологического процесса бетонирования любых железобетонных конструкций всегда начинается с уплотнения бетонной смеси. Это успешно прорабатывается при возведении монолитного домостроении, но особенно надёжно вошло в практику заводов железобетонных изделий, где уже имеется масса способов формования сборного железобетона.

Однако наиболее рациональным решением, снижения затрат энергии и труда представляется – применение самоуплотняющихся бетонных смесей. Как правило это достигается подбором их состава, и рекламируется только за счёт сильных добавок- гиперпластификаторов. Но они достаточно дорогостоящие (из-за большого расхода), а некоторые из них теряют необходимый пластфицирующий эффект (осадку конуса), не достигнув строительной площадки, и требуют введения ещё большего количества добавки уже на месте строительства.

В связи с последним фактом нас заинтересовала технология раздельного введения добавки. Особенно её введение интересно на месте строительства в период проявления начального всегда самого интенсивного максимального эффекта пластификации и особенно при получении высокопрочных бетонов.

2.1 Методы исследований и результаты испытаний

Материалы:

Цемент (Ц) – ЦЕМ I 42.5н ЗАО «Мальцевский портландцемент»

Песок (П) – ОАО «Вяземское Карьероуправление» М_кр (модуль крупности) = 2,50; ГОСТ 8736-93; ρ_нас (насыпная плотность) = 1600 г/см³

Щебень (Щ) – ООО «Бонтышевский щебень», фракция 5-20мм, М1200

Лабораторные испытания были посвящены подбору состава бетонов с различным расходом цемент. Наиболее рациональным и экономичным, стал состав с расходом цемента – 500 кг/м³ и В/Ц = 0.4.

Расход материалов на 1м³ в составе №1 составлял:

Ц=500 кг, П=693 кг., Щ=957кг. и В=200 л.

Понижение В/Ц привело к повышению прочности и снижению осадки конуса (в данном случае О.К. = 5см). При В/Ц = 0,4 сохраняется нормальная густота цементного теста. Но при О.К. = 5см бетонная смесь не является самоуплотняющейся. Тем более, что марка по прочности этого состава из-за недостаточного уплотнения составила М390, хотя все материалы были промыты и высушены до постоянного веса.

Получение бетонов высокой прочности (свыше М600), достигалось увеличением расхода цемента (до 600– 650 кг/м³) и уменьшением В/Ц [3]. Так же другим приёмом повышения прочности (на сжатие, изгиб, растяжение), являлось применение фибры [4]. Опираясь на полученные нами ранее результаты с фиброй (пластиковой, волокнистой, ме-таллической), была при подборе состава использована металлическая фибра.

Три вида металлической фибры при подборе состава, условно были проименованы – «коромысло», «гвоздь», «волна» (см. рис.1.)

Рис. 1 Виды металлической фибры, применяемой при подборе состава.

При введении фибры в смесь возникла проблема ее равномерного распределения в объеме структуры бетона.. Поэтому при подборе её ввели в последнюю очередь и практически вручную распределили по всему телу бетона. Каждого вида фибры в состав 1 было введено по 30 кг/м³. Испытания образцов размером 10×10×10см, производились непосредственно после пропаривания, а также через 28 суток (выдерживания бетона в нормальных условиях). А так же призмы, для испытания на изгиб, размером 30×30×200 см. Смесь уплотнялась на лабораторном вибростоле.

Таким образом, были подобраны следующие расходы материалов на 1 м³:

Результаты испытаний, приведены в таблице 1.

Таблица 1

* Режим пропаривания составлял: 4+3+8+2 (предварительное выдерживание+ подъём температуры до 85 Сº+ изотермический прогрев при 89С^о+ остывание до 20С^о).

Результаты приведены на диаграмме:

Диаграмма №1. Прочность на изгиб и сжатие через 28 суток.

В составе №3 прочность на изгиб, незначительно отстает от других составов, но несмотря на это - именно в нём была достигнута наивысшая прочность на сжатие. Кроме того данный вид фибры (коромысло) лучше всех распределяется в бетоне(практически на собирается в «ежи»), то из всех трех составов был выбран состав №3 и на нём продолжена дальнейшая работа с этим видом фибры. Осадка конуса при добавлении фибры несколько понижается, благодаря адсобции водного раствора. В дальнейшем был осуществлён выбор наилучшей добавки (Д) из трёх хорошо рекламируемых видов:

1)Glenium ACE 430. («Basf»)

2)Реламикс Н («Полипласт»)

3)Полипласт СП-1 («Полипласт»)

Качество и описание добавок приведены в Приложении 1.

Расход материалов на 1м³ смеси :

Приготовление образцов бетона осуществлялось вручную. Испытания производились на пропаренном бетоне по режиму 4+3+8+2час (предварительное выдерживание + набор температуры до 85 Сº+ изотермическая выдержка + остывание) и через 28 суток на кубах с размерами 10 × 10×10 см. Сухая добавка вводилась вместе с водой (100 % добавки разбавленной в 100 % воды). Образцы уплотнялись на лабораторном вибростоле. Результаты испытаний, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Самая высокая осадка конуса- в составе 6. Но все равно, этого недостаточно, чтобы бетон смело можно было назвать – самоуплотняющимся.

Результаты представлены в диаграмме:

Диаграмма №2. Осадка конуса в составах 5; 6 и 7.

После этого добавка была введена «раздельно». То есть – сначала затворялась смесь 70% воды, а после в оставшуюся часть воды (30%) вводилась добавка, и смесь окончательно заливалась водой. Таким образом, представлялась возможность проверить эффективность способа раздельного введения добавок. Ведь в оставшейся части воды, концентрация очень сильно повышается. Затворенные частички цемента, «обволакиваются» более концентрированным раствором добавки (см. рис.2). Поэтому между частичками смеси, происходит увеличение силы скольжения. Исходя из этого, не увеличивая расхода добавки, представляется возможным, повысить удобоукладываемость смеси. Увеличение удобоукладываемости, без повышения расхода добавки дает ощутимую экономическую эффективность. Понижается энерго- и трудозатраты, сокращается расход добавки.

Рис. 2. Частица смеси после раздельного затворения.

Для подтверждения данного предположения, были испытаны те же три вида добавки:

1. Glenium ACE 430. («Basf»)

2. Реламикс Н («Полипласт»)

3. Полипласт СП-1 («Полипласт»)

На основе принципа «раздельного затворения», произведены замесы следующих составов с расходом материлов на 1 м³:

Замесы производились вручную. После затворения 70 % воды, состав тщательно перемешивался в течении 7-10 минут. После чего в состав добавлялась оставшаяся часть воды (30 %) с добавкой. Сравнение результатов испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3

По полученным результатам становится видно, что при раздельном введении добавки, мы получаем выигрыш в удобоукладываемости бетона. О.К. увеличивается в несколько раз. Состав 8 и состав 9 требовали небольшого уплотнения на вибростоле. Состав 9 не уплотнялся. Сравнение результатов прочности на сжатие, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Стоит заметить, что прочность практически не возросла. Возможно, для увеличения прочности, требуются другие дозировки добавок или их введение в сухом виде в бетонную смесь в последнюю очередь. Общий результат, можно представить в виде диаграммы:

Исходя из полученных результатов, представляется возможность рассчитать приблизительную экономическую эффективность при внедрении в производство данной технологии. (см. раздел 3)

2. Область применения и степень апробации

В современном строительстве, при производстве практически всех видов строительных работ, применяется бетон с различного рода добавками. Разнообразность и назначение их очень велики. Добавки применяются для увеличения прочности, подвижности и т.д. Технология раздельного введения добавки могла бы решить ряд проблем и упростить технологический режим. По такому пути, возможно, пытались идти технологи или ученые, но организационные затраты на устройство дополнительных ёмкостей часто сводились на нет существовавшими техническими решениями проектной документации, которую очень трудно было изменить.

Кроме монолитного домостроения, а так же при возведении сооружений различной сложности и назначения (опор мостов, плотин и т.д.), эта технология весьма полезна в технологическом процессе заводов железобетонных изделий. Данный эксперимент, и все испытания, производились на базе лаборатории завода железобетонных изделий ООО «ЖБИ-5» г.Рязань. На заводе организован поточно-агрегатный метод производства. Данная технология, заинтересовала технологов предприятия. На базе этих экспериментов, проводится работа, по внедрению раздельного введения добавки. Все изделия требуют уплотнения. Но после испытания технологии на предприятии в реальных условиях, она готова к полному внедрению и использованию.

Экономическая эффективность

Расчет производится на основании оборудования предприятия ООО «ЖБИ-5» г.Рязань. Расчет ориентировочный, для оценки приблизительной экономической выгоды. Применение технологии раздельного введения бетона позволяет сократить расход электроэнергии (т.к. сокращается время уплотнения бетона, а в некоторых случаях и вовсе не является необходимой) и трудозатрат.

На заводе используются два вибростола (посты на полигоне), мощностью по 10 кВт*ч. Каждый из них работает в среднем по 4 часа в день непрерывно. Следовательно за день два вибростола потребляют: 2 х 4 х 10 = 80 кВт. Стоимость 1 кВт на 2011 – 3 рубля 80 копеек. Стоимость электроэнергии за день следующая: 3.80 х 80 =304 р; за месяц: 304 х 22 рабочих дня = 6 688 р; за год: 6 688 х 12 = 80 256 – 00 р.

Также, для производства свай, индивидуальных изделий и фундаментных блоков, используют 5 вибраторов глубинного типа, с потреблением энергии – 1.6 кВт*ч. Ориентировочно принимаем – 4 часа непрерывной работы в день каждый. Следовательно в день вибраторы потребляют: 5 х 1.6 х 4 = 32 кВт. Стоимость электроэнергии в день: 3.80 х 32 = 121.6; в месяц: 121.6 х 22 = 2 675 – 20 р.; в год: 2 675 – 20 х 12 = 32 102 - 40р.

От уплотнения вибратором, которое используется при изготовлении блоков, свай и индивидуальных изделий, при хорошей герметизации швов, можно отказаться.

Время уплотнения на вибростоле сокращается вдвое.

Следовательно, экономичность, при использовании данной технологии в год составляет – (80 256 – 00 /2) + 32 102 – 40 = 72 230 – 40 р.

Подсчитать сокращение трудозатрат не представляется возможным, из за недоступности к сведениям экономического отдела завода.

Таким образом, явно видна экономическая эффективность, в результате сокращения трудозатрат и электроэнергии.

Применение добавок различной технологической направленности весьма эффективный метод повышения тех или иных показателей бетонной смеси. Но в современной промышленности не придается значению технологии введения. Исходя из проведенных экспериментов очевидно, что это немаловажный фактор, на который непременно должны обратить внимания технологи всех заводов России.

При использовании технологии раздельного введения добавки, открываются скрытый потенциал добавок. Например, добавки СП-1, при максимальной концентрации которой О.К. = 4.5см (при введении со 100% воды затворения), а при раздельной технологии введения добавки, О.К.=15см. Кроме того, на небольшое значение, повышается прочность образцов на сжатие (в среднем на 1%).

Исходя из этого, очевидно, что в этом направлении еще предстоит провести большое количество работы. Но уже на данном этапе, очевидно, что за раздельной технологией, стоит экономическая выгода и повышение производительности заводов, гидротехнического строительства и монолитного домостроения.

Литература:

1) Усов Б.А. Технология модифицированных бетонов. М.:МГОУ, 2010.

2) Усов Б.А. Методы подбора состава модифицированных бетонов. М.:МГОУ, 2010.

3) СНиП 2.06.08-87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»/ Госстрой СССР – М.:ЦИТП, 1978

4) Биленко В.А., Рудомин Е.Н., Григорьев Н.А., «Перспективы использования высокопрочного бетона для строительства и ремонта элементов гидротехнических сооружений, подверженных аброзивному износу»/ «Новые технологии», выпуск № 5, Москва 2010г.

5) Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н., «Высокопрочный бетон» - под редакцией Берга О.Я. / Издательство литературы по строительству, Москва 1971т.

6. Базанов С.М., Торопова М.В.. «Улучшение качества бетона на основе использования смешанных видов волокон». Журнал «Популярное Бетоноведение».