// //
Дом arrow Статьи и публикации arrow Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше
Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

Как сделать хороший бетон еще лучше?

 
Аннотация
В статье рассматриваются различные методы ухода за бетоном с целью обеспечения, как его прочности, так и других эксплуатационных характеристик, включая усадку и трещинообразование.
 

 

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучшеКейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

Номер издания:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше1/2005

 
Текст

Новые и традиционные технологии ухода за бетоном

В статье рассматриваются различные методы ухода за бетоном с целью обеспечения, как его прочности, так и других эксплуатационных характеристик, включая усадку и трещинообразование. Особое внимание уделено путям уменьшения аутогенной усадки бетонов с низкими водовяжущими отношениями. Описаны различия между традиционными методами внешнего ухода и новыми методами внутреннего ухода.

Аутогенная усадка - враг бетона высоких технологий

Развитие технологии за последние несколько лет привело к практическому использованию бетонов с низкими водоцементными отношениями. Высокая прочность и низкая проницаемость делают такие бетоны незаменимыми при изготовлении конструкций, применяемых в условиях, где ключевым вопросом является обеспечение долговечности. К сожалению, некоторые бетоны высоких технологий склонны к растрескиванию в раннем возрасте, если заранее не принять специальных мер. Поскольку такие смеси имеют относительно низкое водосодержание и, следовательно, меньшую усадку при высыхании, объяснение этому факту нужно искать в чем-то другом. Недавно внимание исследователей сосредоточилось на хорошо известном, но малоизученном явлении - аутогенной усадке.

Аутогенная усадка не вызывается внешними факторами, такими как потеря влаги или температурные изменения. В пластичном бетоне она происходит потому, что объем продуктов гидратации цемента меньше, чем объем цемента и воды до гидратации (процесс, называемый химической усадкой). После того как бетон затвердеет, аутогенная усадка вызывается «самовысыханием» бетона, поскольку цемент продолжает потреблять воду для гидратации из пор. Это происходит в течение нескольких дней или недель. Другими словами, аутогенная усадка - это макроскопическое внешнее уменьшение размеров цементных систем, которое имеет место в изотермических нестесненных замкнутых условиях. Аутогенная усадка обычно вызывается химической усадкой, здесь первая равна второй, когда система подобна жидкости. В тот момент, когда в цементной пасте возникает самоподдерживающий каркас из новообразований и система начинает вести себя, как твердое тело (ориентировочно это соответствует времени схватывания), аутогенная усадка становится заметно меньше химической.

Аутогенная усадка все еще недостаточно известна практикующим инженерам, поскольку считается незначительной в бетонах с водоцементными отношениями выше примерно 0,42, что характерно для большинства укладываемых бетонов. В таких бетонах изменение объема происходит, в основном за счет усадки при высыхании.

Однако по мере уменьшения водоцементного отношения аутогенная усадка становится более значимым и даже доминирующим фактором. В противоположность сухой усадке, аутогенная усадка увеличивается с уменьшением водоцементного отношения. В бетонах с водоцементным отношением 0,30 аутогенная усадка может составлять примерно половину от общей усадки. Высокопрочные бетоны с низкими водоцементными отношениями могут иметь аутогенную усадку до 1 мм/м. По разным оценкам исследователей, большая часть аутогенной усадки проявляется в интервале от нескольких часов до нескольких дней. Одна из причин такого значительного расхождения - трудность в измерении усадки в раннем возрасте. Раннее проявление аутогенной усадки создает опасность трещинообразования в бетоне в момент его наибольшей уязвимости - да того, как бетон наберет проектную прочность.

Низкие водоцементные отношения и высокое содержание цементного камня - главные, но не единственные факторы увеличения аутогенной усадки бетона. На нее могут влиять химический состав и тонкость помола цемента. Некоторые химические добавки, например, суперпластификаторы, также могут увеличивать аутогенную усадку.

Водоотделение на поверхности бетона, как правило, снижает аутогенную усадку, поскольку она не наблюдается в водонасыщенной среде.

Любые материалы или параметры строительства, такие как холодная погода или использование замедлителей, которые задерживают схватывание, увеличивают аутогенную усадку, продлевая период, в течение которого она может проявиться.

Надлежащий уход за бетоном - ключевой фактор обеспечения его долговечности

После того, как бетон уложен, для его твердения необходимо обеспечить удовлетворительную влажность и температуру - процесс, называемый уходом. Адекватный уход жизненно важен для бетона. Уход в значительной степени влияет на такие свойства затвердевшего бетона, как долговечность, прочность, водонепроницаемость, истираемость, стабильность изменения объема и морозостойкость. Внешние поверхности изделий особенно чувствительны к уходу. Развитие поверхностной прочности и непроницаемости может значительно снизиться при плохом уходе. Уход за бетоном помогает гидратации цемента. Большинство бетонных смесей содержит больше воды, чем требуется для полной гидратации цемента, однако любая значимая потеря воды за счет ее испарения или по иной причине будет задерживать или ограничивать гидратацию. Если температура благоприятна, гидратация относительно быстро протекает в течение нескольких дней после укладки бетона; сохранение воды в этот период особенно важно. Хороший уход означает, что испарение воды должно быть предотвращено или уменьшено до минимума.

Есть еще один очень важный аспект ухода, о котором иногда забывают. Уход за бетоном необходим не только для того, чтобы максимально обеспечить гидратацию, но и для того, чтобы минимизировать усадку. Методы, которые способствуют снижению усадки и трещинообразования в раннем возрасте, обычно включают модификацию цемента, применение минеральных и химических добавок, фибр и, наконец, надлежащий уход за бетоном. Современные методы уменьшения усадки, базирующиеся на специально разработанных принципах внутреннего ухода, интенсивно изучаются сегодня исследовательскими группами различных стран. Они находятся в центре внимания недавно созданного Технического комитета Международного союза по испытаниям строительных материалов, систем и конструкций (РИЛЕМ) - ТС-196 ICC «Internal Curing of Concrete», в работе которого участвуют 36 представителей из 17 стран, в том числе авторы статьи.

Внешний и внутренний уход за бетоном

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

Рис. 1. Классификация методов ухода за бетоном, основанных на контроле за его влажностью

Классификация методов ухода, согласно проекту Рекомендаций Технического комитета RILEM ТС-196 ICC, схематически представлена на рис. 1.

Большинство из традиционных приемов базируется на внешних методах ухода. Они используются как для обычных, так и для высокопрочных бетонов, бетонов высоких технологий (HSC/HPC). Эти методы включают применение водных запруд, распыление воды, водонасыщенные покрытия (влажная мешковина, опилки и т.п.), использование туманов, синтетических защитных покрытий, специальных средств для ухода и многое другое. Кроме того, применяется разнообразная техника ускоренного ухода, основанная на тепло-влажностной обработке, в том числе и с помощью повышенного давления в автоклавах. Методы внешнего ухода подразделяются на две группы: водный уход (что предполагает обеспечение дополнительной влагой и предотвращение ее потери) и закрытый (или безводный) уход, который предполагает только предотвращение влагопотерь.

Полагают, что водное выдерживание более эффективно для высокопрочных бетонов или бетонов высоких технологий, чем безводный уход. Для обычных бетонов твердение в воде (под водой) считается одним из наилучших методов, если это не вызывает повреждения поверхности бетона.

Необходимость ухода за HSC/HPC - все еще достаточно спорная проблема. Некоторые исследователи утверждают, что уход за HSC/HPC должен осуществляться как за любым обычным бетоном. Другие говорят, что HSC/HPC вовсе не требуют никакого ухода вследствие своей крайне плотной структуры. Признано, однако, что бетоны, склонные к значительной аутогенной усадке, должны быть выдержаны в водонасыщенном состоянии, по крайней мере, в течение семи дней, чтобы контролировать развитие трещин. Одним из наиболее популярных методов ухода является обработка туманом. Она должна быть обеспечена сразу после укладки бетона (до и во время финишной обработки). Увлажняющий уход с использованием тумана или влажной мешковины, как полагают, является наиболее эффективным методом для контроля трещинообразования, обусловленного аутогенной и сухой усадкой, на ранних стадиях твердения.

Внутренний уход - это другая концепция ухода за бетоном, она значительно отличается от концепции внешнего ухода. Этот термин подразумевает введение в бетонную смесь специальных компонентов, которые служат агентами для последующего ухода. Такие агенты могут быть либо обычными заполнителями, вводимыми в бетонную смесь в специфических условиях (например, в водонасыщенном состоянии), либо дополнительными компонентами (например, добавками или специальными заполнителями).

Внутренний уход

Внутренний уход (1С), также как и внешний, может быть классифицирован на две категории:

а) внутренний водный уход (иногда называемый «водным захватом»), когда агент действует как водный резервуар, который постепенно выпускает воду;
б) закрытый внутренний уход, когда агент предназначен для того, чтобы задержать или предотвратить потерю воды твердеющим бетоном.

Преимущества и эффекты методов 1С будут описаны ниже. Они могут рассматриваться с разных точек зрения. Во-первых, с точки зрения пользователя, который хочет получить экономичную бездефектную конструкцию. Кроме того, в строительный процесс вовлечены контрактор, поставщик бетона, исследователь, проектировщики, техники, рабочие и т.д. Для всех них, если исходить из конечной цели сделать хороший бетон еще лучше, было бы неплохо упростить процесс, сделать его технологичным, легко контролируемым и понятным. Поскольку технологии 1С все активнее занимают свое место на рынке, их освоение произойдет быстрее, если будут использоваться уже известные материалы и методы при минимальной их модификации.

Внутренний водный уход («водововлечение»)

Большинство бетонов типа HSC или НРС, имеющих низкое водовяжущее отношение (w/b), содержит недостаточное количество воды затворения для того, чтобы обеспечить заполнение крупных капилляров, необходимых для поддержания реакций гидратации и пуццолановой реакции. По этой причине общепринято, что методы, основанные на введение дополнительного количества воды (к тому количеству, что рассчитывается по водоцементному отношению, исходя из требуемой прочности), более эффективны для данного типа бетонов. Внутренний водный уход предпочтителен, потому что внутренний закрытый уход не способен предотвратить явление уменьшения относительной влажности твердеющей цементной пасты вследствие потребления капиллярной влаги в процессе гидратации цемента, которое называют самовысыханием (самоусушкой).

Самоусушка представляет собой уменьшение внутренней относительной влажности замкнутой системы, когда образуются пустые поры. Это наблюдается, в свою очередь, когда имеет место химическая усадка на стадии формирования самоподдерживающего скелета цементной матрицы, при этом химическая усадка (которая является внутренним явлением) больше, чем аутогенная усадка (которая является внешним, объемным явлением).

Химическая усадка - внутреннее микроскопическое уменьшение объема, которое является результатом того факта, что абсолютный объем продуктов гидратации меньше, чем объем реагирующих составляющих (цемента и воды). Это уменьшение примерно прямо пропорционально степени гидратации (если не принимать во внимание очень ранние стадии).

Поскольку агент 1С является частью системы и тонко в ней распределен, он может решить проблему низкой проницаемости цементных систем с низким w/b, которая кардинальным образом влияет на эффективность традиционного внешнего ухода. Это означает, что внутренняя поставка воды может быть наиболее эффективным методом снижения аутогенной усадки, так как это прямо воздействует на самоусушку.

Преимущества внутреннего водного ухода распространяются значительно дальше улучшения долговременных прочностных характеристик. По мнению практиков, которые уже поняли преимущества этого метода, основной вклад 1С дает в уменьшении проницаемости, которая развивается в результате значительного расширения во время ухода. Увеличенное время ухода увеличивает объем образовавшихся продуктов гидратации, которые кольматируют капилляры, заставляют их становиться прерывистыми.

Преимущества внутреннего водного ухода становятся еще более значимыми, когда при приготовлении бетонной смеси используются пуццолановые добавки (микрокремнезем, зола уноса, метакаолин, обожженные сланцы, глины и тонкомолотые легкие заполнители). Хорошо известно, что пуццолановая реакция мелкодисперсных алюмосиликатов с высвобождающимся при гидратации цемента гидроксидом кальция зависит от доступности влаги. Кроме того, внутренний водный уход, обеспеченный абсорбированной водой, миниминизирует пластическую усадку, возникающую вследствие быстрого высушивания бетонов, находящихся в неблагоприятных сухих условиях.

Внутренний водный уход с использованием водонасыщенных легких заполнителей

Концепция использования предварительно замоченных легких заполнителей (LWA) для внутреннего водного ухода за бетонами с обычной прочностью хорошо известна на протяжении многих лет. Тот факт, что адсорбированная в LWA с высокой степенью насыщения влага (она определяется процентом объема внутренних пор, занятых водой) доступна для внутреннего ухода, был хорошо известен в течение нескольких десятилетий и впервые задокументирован в 1967 [1]. Испытания подтвердили доступность адсорбированной в LWA влаги для приготовления большинства бетонов, которые были менее чувствительны к уходу при твердении в сложных полевых условиях.

Идея, по которой самоусушке можно противодействовать с помощью предварительного насыщенного LWA, чтобы обеспечить дополнительный внутренний источник воды и скомпенсировать водопотери, вызванные химической усадкой в процессе гидратации, была высказана несколькими авторами в начале 90-х годов. В процессе формирования гидратов эта дополнительная вода оттягивается из относительно больших пор легких заполнителей в значительно меньшие поры цементной пасты. Это минимизирует развитие аутогенной усадки, так как напряжение усадки, согласно уравнению Кельвина-Лапласа, контролируется размерами мельчайших пустых пор.

Позже предположили, что если бы самоусушка могла бы быть уменьшена или даже предотвращена этим методом, то подобным способом можно воздействовать и на аутогенную усадку, протекающую параллельно самоусушке. Были исследованы аутогенные деформации легких бетонов, изготовленных с применением предварительно замоченного заполнителя и бетонов, изготовленных на обычном заполнителе, который частично заменен на предварительно замоченный легкий. Эксперименты показали, что с применением такого метода ухода могут быть успешно получены высокопрочные бетоны без аутогенной усадки [2].

Внутренний уход с использованием предварительно замоченного легкого заполнителя обычно используется и при применении бетонов высоких технологий. В конце 90-х годов исследователи из Американского Института Стандартов (NIST) и «Техниона» (Израиль) выдвинули тезис о необходимости использования для этой цели в первую очередь мелкодисперсного пористого заполнителя, чтобы максимально распределить источники подачи внутренней воды по всему объему цементной матрицы. В работах NIST, выполненных методами численного моделирования, было показано, что тонкие фракции легкого заполнителя должны быть наиболее эффективны для распределения влаги при внутреннем уходе [3], учитывая, что миграция влаги от частиц LWA ограничена расстоянием 0,1—0,2 мм. Одновременно концепция использования тонких фракций предварительно насыщенного LWA для уменьшения аутогенной усадки была проверена в работах «Техниона» [4]. Однако при этом выяснилось, что реальное расстояние, на которое способна мигрировать вода в цементном камне, значительно больше, а основное влияние на эффективность снижения аутогенной усадки оказывает не расстояние между частицами LWA, a его пористость и водопоглощение.

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

Рис. 2. Микрофотографии вспученного LWA :
а) пемза, остров Яли (Греция) водопоглощение - 25%;
б) пемза, гора Хекла (Исландия) водопоглощение - 70%

Некоторые авторы используют LWA с ограниченным водопоглощением (например, «LIAPOR» и «LECA», с водопоглощением 6-20 %). В результате необходимы относительно высокие дозировки LWA для того, чтобы ввести требуемые количества воды для внутреннего ухода. Идея применения вспученных заполнителей, имеющих превосходные механические свойства, высокое соотношение открытой и закрытой пористости и значительно более высокое водопоглощение, чем использовавшиеся ранее LWA (рис. 2), была развита сравнительно недавно [4]. Это позволило рекомендовать для внутреннего ухода относительно низкие дозировки LWA с высоким водопоглощением, минимальным влиянием на прочность по сравнению с любыми другими. Например, содержание LWA ниже, чем 6% массы цемента, может полностью устранить аутогенную усадку высокопрочных бетонов. Кроме того, в этих работах указывается, что вспученные заполнители с большим размером зерен более эффективны, чем мелкие. Это объяснено различиями в поровой структуре заполнителей. Наконец, было установлено, что вода может эффективно проникать из частиц LWA в окружающую цементную пасту на глубину в несколько миллиметров.

Внутренний водный уход с использованием полимерных суперабсорбентов

Новый метод предотвращения самоусушки с использованием полимеров-суперабсорбентов (SAP) был предложен недавно исследователями Технического универститета Дании [5]. Большинство SAP - сшитые полиэлектролиты.

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

Рис. 3. Полимеры-суперадсорбенты - разбухающие вещества, которые могут поглощать жидкости в количествах, значительно превышающих их собственный вес, образуя гель.
Вид SAP до добавления воды (рис. За); после добавления воды (рис. 36)

Вследствие своей ионной природы и внутрисвязанной структуры они абсорбируют большие количества воды (и других водных растворов) и сохраняют ее в своей структуре без растворения (рис. 3). SAP нашли широкое применение как высокотехнологичные материалы, например, при производстве контактных линз, имплантатов, в борьбе с огнем, изготовлении лекарств, средств личной гигиены и сельском хозяйстве - для кондиционирования почв. Сегодня их мировое производство превышает 500 000 тонн в год, причем около 85% используется в детских подгузниках. Теоретическое максимальное водопоглощение полимерами такого типа примерно в 5000 раз превышает их собственный вес. Однако водопоглощение выпускаемых SAP не превышает 50 г/г в разбавленных растворах солей (например, по моче), а в растворах с высокой ионной силой, (например, жидкой фазе цементного теста) оно может быть ниже 20 г/г. Водопоглощение SAP основано на образовании вторичных химических связей, но вода так слабо связана, что ее можно рассматривать как свободную.

В противоположность LWA, SAP используется как сухая химическая добавка, так как поглощает воду в процессе перемешивания смеси, применение SAP позволяет свободно проектировать поровую структуру и распределение пор по размерам в твердеющем бетоне.

В процессе перемешивания бетонной смеси частицы суперабсорбента поглощают огромное количество воды и образуют микровключения, содержащие свободную воду. Эта свободная вода используется в процессе гидратации цемента, обеспечивая внутренний уход за окружающей цементной матрицей и предотвращая самоусушку. Эта концепция аналогична воздухововлечению, используемому для повышения морозостойкости бетона, поэтому она получила название «водововлечение». В той же степени термин «водововлечение» может быть применен и для использования предварительно насыщенных LWA, описанных в предыдущем разделе.

Внутреннее сохранение воды (безводный уход за бетоном)

Метод ухода за бетоном, который не требует внешнего ухода, но при этом не требует и введения добавочной воды к бетону, был предложен 11 лет назад [6]. Эта концепция включает добавление в процессе перемешивания бетонной смеси водорастворимых химических соединений, которые уменьшают испарение воды при выдерживании бетона в воздушно-сухих условиях, а также миграцию воды в нижерасположенные слои бетона. Водорастворимые полимеры, имеющие гидроксильные (-ОН) и эфирные (-О-) функциональные группы, как было установлено, удовлетворяют требованиям по внутреннему уходу за бетоном, то есть они улучшают сохранение воды в бетоне и повышают степень гидратации цемента. Водородные связи, возникающие между этими функциональными группами, снижают давление паров воды и уменьшают ее испарение. Эти добавки изменяют морфологию геля C-S-H, снижая абсорбционную способность бетона.

Современные методы внутреннего ухода за бетоном в раннем возрасте, особенно за бетоном высоких технологий, в комбинации с традиционными методами снижения усадки и трещинообразования, как следует ожидать, будут находиться в центре внимания исследователей в различных странах на протяжении последующих лет. Эти методы могут быть чрезвычайно эффективны в тех случаях, когда внешний уход оказывается недостаточным.

Библиографический список:

  1. Campbell, R.H. and Tobin, R.E., «Core and Cylinder Strengths of Natural and Lightweight Concrete», AC1 Journal, 1967, 64: 190-195.
  2. Bentur, A., Igarashi, S. and Kovler, K.,«Prevention of Autogenous Shrinkage in High Strength Concrete by Internal Curing Using Wet Lightweight Aggregates», Cement &Concrete Research, 2001, 31: 1587-1591.
  3. Bentz, D.P. and Snyder, K.A., «Protected Paste Volume in Concrete: Extension toInternal Curing Using Saturated Lightweight Fine Aggregate», Cement & Concrete Research, 1999, 29: 1863-1867.
  4. Kovler, K., Souslikov, A. and Bentur A., «Pre-Soaked Lightweight Aggregates as Additives for Internal Curing of High Strength Concretes», Cement, Concrete & Aggregates, 2004, 26: 131-138.
  5. Jensen, O.M. and Hansen, P.F., «Water-Entrained Cement-Based Materials: I. Principle and Theoretical Background», Cement & Concrete Research, 2001, 31:647-654.
  6. Dhir, R.K., Hewlett, P.C., LotaJ.S. and Dyer,T.D., «An Investigation into the Feasibility of Formulating ’Self-Cure’ Concrete», Materials& Structures, 1994, 27: 606-615.

К. Ковлер, Технологический институт Израиля «Технион», г. Хайфа;
Оле М. Йенсен, Технический университет Дании, г. Люнгбю;
В. Фаликман, НИИЖБ, г. Москва


 

Дата публикации:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше21.12.2005

Наименование издания:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучшеТехнологии бетонов »

Рубрика #1:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучшеКонцепция инновационной деятельности »

Рубрика #2:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучшеМатериалы »

Рубрика #3:

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучшеТехнологии »

 

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

 

Кейт К. - Как сделать хороший бетон еще лучше

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.