А.И.ЗВЕЗДОВ, д-р техн. наук, М.Ю.ТИТОВ, инж. (НИИЖБ)

Бетон с компенсированной усадкой для возведения трещиностойких конструкций большой протяженности

Одним из направлений развития и совершенствования бетона и железобетона является разработка новых подходов и их реализация в промышленности при получении вяжущих и бетонов нового поколения, обеспечивающих надежность и долговечность конструкций и сооружений, в частности ликвидацию усадки бетона.

Проблеме усадки и ее влиянию на свойства бетона посвящено много исследований в нашей стране и за рубежом, поскольку усадочные деформации в сочетании с низкой прочностью бетона на растяжение приводят к появлению трещин в железобетонных конструкциях, особенно в поверхностном слое, повышают их деформативность, снижают долговечность.

Одним из способов устранения отрицательных последствий усадки является применение в качестве вяжущего напрягающего цемента (НЦ), состоящего из портландцемента, алюмосодержащего компонента и гипса [1].

Напрягающий цемент, имеющий в своей основе портландцемент, обладает всеми его свойствами, но вместе с тем характеризуется рядом отличительных особенностей, а именно, расширением, нормированием величины самонапряжения, высокой водо- и газонепроницаемостью и экранирующей способностью против радионуклидов, сульфатостойкостью, прочностью на растяжение (осевое и при изгибе), быстрым набором прочности как в нормальных условиях при положительных и отрицательных температурах, так и при тепловлажностной обработке.

Бетоны на напрягающих цементах подразделяются на напрягающие (с расчетной величиной самонапряжения) и бетоны с компенсированной усадкой (требования по самонапряжению не предъявляются).

Для повышения эксплуатационных характеристик бетонов в настоящее время широко используются минеральные добавки, среди которых особое место занимают расширяющие, при введении которых в

портландцементе при твердении происходит увеличение линейных размеров. Введение таких добавок в бетон на портландцементе позволяет так же, как и при использовании НЦ, 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 проницаемости, растяжения при изгибе, большие усадочные деформации.

В настоящее время в НИИЖБе разработано несколько видов расширяющих добавок [2], особенностью которых является возможность их производства как по обжиговой, так и по безобжиговой технологиям. В качестве сырья для получения таких добавок могут быть использованы природные материалы и промышленные отходы. Особый интерес представляет утилизация крупнотоннажных отходов, которая позволяет решать проблемы ресурсосбережения в строительстве, охраны окружающей среды и экологические задачи.

Добавки эти вводят или в мельницу при производстве цементов, или в бетоносмеситель непосредственно при приготовлении бетонной смеси.

Введение расширяющей добавки непосредственно в процессе приготовления бетонной смеси регулирует энергию расширения вяжущего, что позволяет получать бетоны для сборного и монолитного строительства как с компенсированной усадкой, так и напрягающие с различной энергией самонапряжения, обеспечивая при этом высокое качество изделий.

Анализ зарубежной и российской информации позволяет условно подразделить расширяющие добавки на следующие группы:

1 — алюминатно-сульфатные;
2 — алюминатно-оксидные;
3 — оксидные.

Расширение цементов, содержащих алюминатно-сульфатные добавки, происходит в результате взаимодействия алюмо- и сульфосодержащих фаз с образованием эттрингита (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31Н2О).

В добавках второй группы наряду с компонентами, несущими оксиды алюминатов и сульфатов, обязательно присутствие свободного оксида кальция, т.е. расширение цементов с расширяющей добавкой этой группы происходит как из-за образования эттрингита, так и в результате гидратации СаОсв.

В цементах с добавками третьей группы расширение происходит в результате гидратации оксидов кальция, магния и др. (СаО, MgOсв).

Введение расширяющих добавок в бетонную смесь на портландцементе вызывает расширение цементного камня, увеличение объема твердой фазы, образующейся при гидратации цемента. При ограничении деформаций расширения развивается самонапряжение, т.е. усилие, отнесенное к единице площади поперечного сечения. Изучение процесса гидратации цементов на расширяющих добавках и бетонов на их основе показало, что скорость образования продуктов гидратации, вызывающих расширение в системе и рост прочности, во многом зависит от вида, активности и количества расширяющей добавки. Таким образом, свойства бетона можно регулировать путем изменения количества последней.

Для оценки возможности получения бетонов с различными свойствами были проведены исследования при введении расширяющих добавок разных типов. В качестве контрольного был выбран бетон класса В25 (М350), при приготовлении которого в бетонную смесь на портландцементе вводили различные расширяющие добавки с варьируемым количественным и качественным составом. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Таблица 1

Примечания: ε — расширение (ТУ 5743-023-46854090-98); W — водонепроницаемость (ГОСТ 12730-5-84); σ — самонапряжение (ТУ 5734-072-46854090); Rсж — прочность на сжатие (ГОСТ 310.4); Rизг — прочность на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4).

Анализ данных табл.1 показывает, что, изменяя количество добавки даже в пределах одной группы, можно получить бетоны с различными характеристиками. Величина расширения и самонапряжения прямо пропорциональна количеству вводимой добавки. В то же время чрезмерное увеличение ее содержания может привести к снижению показателей прочности бетона на сжатие и растяжение при изгибе и даже кего разрушению (при отсутствии ограничений деформации).

Оценка результатов испытания показала, что с использованием добавок 1-й группы (добавок сульфоалюминатного типа) можно получать бетоны с прогнозируемыми свойствами. Эти свойства бетонов были успешно использованы при возведении ряда сооружений в Москве.

При устройстве бетонных покрытий в конструкции большой протяженности в большинстве случаев необходимо выполнять деформационные температурно-усадочные швы, что обусловлено невысокой предельной растяжимостью бетона. В то же время наличие швов снижает такие эксплуатационные качества покрытий, как ровность, в спортивных сооружениях и водонепроницаемость и долговечность — в покрытиях полов.

С использованием расширяющих добавок были разработаны бетоны с прогнозируемыми свойствами для конструкций большой протяженности, в частности, для устройства технологической плиты на Малой спортивной арене спорткомплекса "Лужники". Уместно отметить, что в 2000 г. была проведена реконструкция покрытия ледового поля, которое ранее (в 1979 г.) [3] было забетонировано именно бетоном на напрягающем цементе, при этом эксплуатация показала удовлетворительное его качество. При возведении железобетонной охлаждающей плиты перед проектировщиками и строителями опять возникла проблема обеспечения ее трещиностойкости, поэтому при реконструкции приняли решение вновь использовать напрягающий бетон.

В этой конструкции было использовано сочетание таких свойств бетонов, как повышенная прочность на растяжение, самонапряжение, повышенная деформативность, что позволило с использованием пластичных бетонов при насыщенности арматурой и трубопроводами системы охлаждения избежать усадочных трещин и отказаться от деформационных швов. Особую сложность при возведении спортивных сооружений составили высокие требования к ровности поверхности (±1,5 мм), положению труб системы замораживания в плите и к ее трещиностойкости. Большое насыщение плиты металлом (трубы и арматура составляют около 5% площади сечения плиты) при использовании обычного бетона неизбежно привело бы к образованию трещин и поставило под вопрос долговечность даже толстостенных труб системы замораживания, не говоря уже о резком снижении морозостойкости самой плиты. Поэтому наиболее эффективным средством повышения трещиностойкости является предварительное напряжение плиты. Однако напряжение относительно тонкой (14 см) пластинки большой площади (1800 м2) обычными способами весьма сложно и не всегда возможно.

Для создания такой технологической плиты с размещенными в ней трубами системы замораживания наиболее целесообразным является применение бетона с регулируемой величиной расширения. Только за счет происходящих химических реакций при твердении бетона возможно устройство данной конструкции. Разработка последней в качестве охлаждающей плиты при применении бетона с компенсированной усадкой дало возможность исключить температурные швы на всей площади. Одновременно благодаря высокой плотности цементного камня с РД и бетона на его основе была достигнута непроницаемость плиты, что обеспечило сохранность и работоспособность нижележащих скользящих и теплоизоляционных слоев.

Охлаждающая плита стадиона в Лужниках опирается на сохраненную часть "пирога" ледового поля. Такая несущая конструкция позволила, помимо исключения опалубки под плитой, значительно уменьшить температурные напряжения в охлаждающй плите. Благодаря этому резко упростилось устройство скользящих слоев, состоящих из пластиковых пленок толщиной 200 мкр, пластифицированного поливинилхлорида и слоя порошка (талька). Для снижения хладопотерь применен второй слой плит"Пеноплекс" толщиной 100 мм. Защитой от механических повреждений и проникания воды являются слои из асбестоцементного листа и изопласта ЭПП-4 (разрез охлаждающей плиты представлен на рисунке).

Охлаждающая плита (разрез) ледового поля стадиона в Лужниках

В связи с тем, что к бетону покрытия предъявлялись повышенные требования по прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и трещиностойкости, бетонная смесь требовалась марки БСГ В30П3F300W12 (ГОСТ 7473-94).

Прочность бетона по контрольным образцам в соответствии с ГОСТ 10180-60 представлена в табл.2.

Таблица 2

Испытания показали, что величина самонапряжения бетона колеблется от 0,6 до 0,9 МПа, а прочность превышает 50 МПа. Как видно из анализа результатов испытаний, марка по водонепроницаемости бетона покрытия ледового поля Малой спортивной арены в Лужниках, определяемая в соответствии с ГОСТ 132730.5-84, колебалось от W12 до W16. Морозостойкость бетона была более F600 (ГОСТ 10060-95). Таким образом, все показатели бетона оказались выше проектных требований.

Другая наиболее интересная область применения бетонов с компенсированной усадкой — покрытия полов производственных зданий, в частности, полов предприятий мясомолочной промышленности [4]. В процессе эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции подобных зданий постоянно подвергаются воздействию производственных агрессивных сред в виде жирных кислот, водных растворов различных солей, а также температурно-влажностных факторов, вызывающих интенсивную коррозию материалов. Повышение долговечности таких конструкций достигается за счет увеличения плотности бетонов, их прочности, морозостойкости, непроницаемости и коррозионной стойкости, а также путем введения в бетон добавок, обладающих бактерицидными и ингибирующими свойствами.

Анализ различных конструктивных решений полов на таких предприятиях, обзор литературных источников и результаты натурных наблюдений показали недолговечность бетонов под воздействием жидких агрессивных сред в переменных температурно-влажностных условиях.

Конструкции пола обычно выполняют многослойными, в некоторых помещениях предусматривают покрытия из керамической мелкоштучной кислотоупорной плитки при разделке швов полимерными материалами. При этом используется недолговечная, трудоемкая в работе гидроизоляция, срок службы которой при воздействии жиросодержащих сред не превышает трех лет.

Монолитные покрытия полов в основном возводят с использованием гидроизоляционных мастик, малопроницаемых бетонов с уплотняющими добавками на основе жидкого стекла. Эти покрытия выполняют бесшовными, однако они не рассчитаны на механические воздействия от транспортных средств и динамические нагрузки.

Такие свойства цемента с РД, как плотная структура и непроницаемость бетонов на его основе, а также трещиностойкость бетона с компенсированной усадкой в сочетании с его высокими прочностными показателями, особенно при воздействии изгибающих и растягивающих усилий, обусловливают эффективность применения этого материала в бесшовных монолитных полах.

При разработке монолитных полов из бетона с компенсированной усадкой для предприятий мясомолочной промышленности предварительно были решены следующие вопросы:

создана конструкция однослойного покрытия пола, совмещающего функции несущего покрытия и гидроизоляционного ковра;
подобран состав бетона класса В30...В35, подвижностью П-3, имеющего морозостойкость выше F300, водонепроницаемость более W12;
предложены составы декоративного бетона;
получены бетоны, стойкие к агрессивным средам.

Для бетонов с компенсированной усадкой характерны повышенная, по сравнению с обычным бетоном, деформативность при сжатии (на 12...13%) и при растяжении (на 18...20%), большая плотность и, как следствие этого, более длительный срок службы конструкций на их основе.

Анализ ранее проведенных исследований [5] показал, что повышенное содержание алюминатов в бетонах с расширяющей добавкой, по сравнению с обычными, не должно отрицательно влиять на их биостойкость. Тем не менее были проведены исследования бетонов с введением в его состав расширяющей добавки сульфоалюминатного типа, а также биоцидной. Биоцидные свойства оценивались как по изменению прочностных показателей, так и по величине задержки роста культуры бактерий. Бетонные образцы хранились 28 сут в водной среде, затем помещались в среду с присутствием жирных кислот и мочевины на Клинском мясокомбинате (около варочных котлов).

Таблица 3

Результаты, представленные в табл.3, свидетельствуют, что прочность бетона на портландцементе снижается в агрессивной среде на 21 %, и в возрасте 90 сут уже заметно происходило шелушение поверхности. При введении биоцидной добавки прочность бетона на сжатие в этой среде снизилась на 11%. На первом и третьем образцах наблюдались моховидные образования. В то же время при введении расширяющей добавки в бетон того же состава прочность на сжатие и растяжение при изгибе увеличилась на 11... 12%, следов разрушения и отложения бактерицидных образований не наблюдалось.

Эти эксперименты нашли подтверждение в практике эксплуатации бетонных декоративных полов на мясокомбинате "Кампомос" в течение 7 лет. При этом прочность покрытия пола в цехе разделки мясопродуктов (ГОСТ 22690-88) увеличилась за этот период от 16 до 24%.

Использование бетонов с компенсированной усадкой для полов позволило получить покрытие более высокой плотности и долговечности. При строительстве и реконструкции действующих предприятий удалось значительно увеличить межремонтный период и снизить расходы, связанные с простоем во время ремонта покрытий полов на ряде московских мясоперерабатывающих комбинатов: "Микомс", "Кампомос", "Велком", Таганский, Лионозовский.

Таким образом, введение разного количества расширяющей добавки при приготовлении бетонной смеси и получение различных бетонов (от напрягающих до компенсирующих усадку) позволяет отнести эти добавки к разряду тех, что обеспечивают получение трещиностойких, водонепроницаемых, долговечных конструкций большой протяженности.

Библиографический список

1. Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции, М., Стройиздат, 1974.

2. Патент № 2149844. Расширяющая добавка к цементу, Опубл. 27.05.98 БИ № 15.

3. Сборник научных трудов под ред. В.В.Михайлова, С.Л.Литвера. Исследование и применение напрягающего бетона самонапряженных железобетонных конструкций, 1976.

4. Патент № 2137730. Бесшовный монолитный бетонный пол. Опубл. 20.09.99 БИ № 26.

5. Гончаров В.В. Биоцидные строительные растворы и бетоны//Бетон и железобетон. — № 3. — 1984.