121212122121
ПРОИЗВОДСТВО БЕТОНА, ДОБАВКИ для БЕТОНА
На сегодняшний день бетон и железобетон являются основными строительными материалами. Бетон – это искусственный каменный материал. Производство бетона осуществляется путем смешивания вяжущего вещества, заполнителя, воды и последующего отвердения смеси. В качестве вяжущего вещества чаще всего применяется цемент. В качестве заполнителей для бетона используются песок, гравий, щебень. Прочность бетона увеличивают, применяя армирование с использованием стальной арматуры, получая в результате железобетон. При этом сам бетон имеет хорошую стойкость к сжатию, а стальная арматура отлично выдерживает растягивающие и изгибающие нагрузки.
Многие свойства и характеристики бетона находятся в зависимости от его плотности, на величину которой оказывают влияние плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетона.
По характеристике плотности бетон подразделяется на следующие классы:
-
особо тяжелые – бетон с плотностью более 2500 кг/м3;
-
тяжелые – бетон с плотностью в пределах 1800-2500 кг/м3;
-
легкие – бетон с плотностью в пределах 500-1800 кг/м3;
-
особо легкие – бетон с плотностью менее 500 кг/м3.
Наибольшее распространение в строительстве получили тяжелые бетоны, которые используются в железобетонных конструкциях промышленных, коммерческих, гражданских зданий и сооружений, в гидротехническом строительстве (т.е. бетон должен быть стойким к воздействию морской и пресной воды). Постоянные разработки и исследования теории производства бетона привели к совершенствованию и производству нового поколения бетонов, названных “High Performance Concrete” (Высокотехнологичный бетон). Высокотехнологичный бетон (“High Performance Concrete”) обладает уникальными характеристиками: высокая прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, эластичность. Высокотехнологичный бетон (“High Performance Concrete”) гарантирует высокие показатели надежности конструкций, сокращает сроки строительных работ и снижает финансовые риски. В качестве примеров объектов, выполненных с применением высокотехнологичного бетона (“High Performance Concrete”), можно привести мост в Японии через пролив Акаси, который имеет центральный пролет в 1990 метров; небоскреб в Чикаго высотой 610 метров; туннель под Ла-Маншем. Бетон характеризуется своим основным показателем — прочностью на сжатие, согласно которой устанавливается класс бетона. Класс бетона обозначается латинской буквой «B» и цифрами, определяющими какое давление на сжатие в мегапаскалях (МПа) может выдержать данный бетон. Например, маркировка В25 подразумевает, что бетон такого класса в 95% случаев выдержит давление на сжатие 25 МПа. Еще одна характеристика бетонной смеси – это осадка конуса (подвижность), которая обозначается буквой «П». Выделяют следующие обозначения бетонных смесей по удобоукладываемости:
-
П1 (бетон с осадкой конуса 1-4 см);
-
П2 (бетон с осадкой конуса 5-9 см);
-
П3 (бетон с осадкой конуса 10-15см);
-
П4 (бетон с осадкой конуса 16-20 см).
Прочность бетона также определяется его маркой, обозначаемыми латинской буквой «М» и цифрами от 50 до 1000, определяющими предел прочности на сжатие в единицах кгс/см². Важным параметром бетона является его морозостойкость, которая обозначается латинской букой «F» и цифрами от 50 до 1000, определяющими количество циклов замерзания-оттаивания, которые способен выдержать бетон. Характеристики водонепроницаемости бетона обозначаются латинской буквой «W» и цифрами от 2 до 20, показывающими давление воды, которое должен выдержать бетон.
В настоящее время при производстве бетона огромное значение имеют разнообразные добавки для бетона, позволяющие улучшать многие его свойства. Использование добавок для бетона повышает рентабельность бетонного производства и дает возможность достигать уникальных высокотехнологичных результатов. Наиболее часто используются добавки для бетона, снижающие количество необходимой воды для бетонной смеси, что приводит к улучшению следующих характеристик: прочность, водонепроницаемость, долговечность, способность к обработке и потребление цемента. По химическому составу добавки для бетона, снижающие потребление воды, можно разделить на лигносульфаты, меламинформальдегидные и нафталинформальдегидные смолы, полиакрилаты и поликарбоксилаты.
Бетон может транспортироваться на объект длительное время, часто превышающее 1 час. Таким образом, необходимо замедлить набор прочности бетона на время транспортировки. При этом очень важным параметром транспортируемого бетона является сохранение им начальной подвижности при доставке на строительный объект. При этом часто требуется высокая скорость набора прочности бетона на самом объекте из-за высокой скорости выполнения строительных работ. Работы могут осуществляться зимой или жарким летом, что приводит к бетонированию в экстремальных температурных условиях. Таким образом, вышеупомянутые условия заставляют нас применять специальные добавки для бетона для модифицирования его свойств согласно конкретных условий выполнения строительных работ. Наиболее часто для решения данных проблем используют пластифицирующие, суперпластифицирующие, замедляющие и ускоряющие добавки для бетона. Пластификаторы на основе лигносульфонатов чаще всего используются при изготовлении транспортируемых бетонов классов В15-В35, однако пластификаторы этого типа нельзя использовать в зимних условиях. Суперпластификаторы являются более эффективными модификаторами бетонных смесей, преимуществами которых являются быстрый рост прочности, низкое водоцементное соотношение при сохранении высокой подвижности, экономия цемента, возможность использования добавок для бетона в зимний период.
Производство бетона для последующей перекачки его бетононасосом
Состав бетона для перекачивания его бетононасосом имеет важное значение для хорошей прокачиваемости без сегрегации и блокировки бетоновода. Основным правилом здесь должно быть соблюдение максимального размера заполнителя меньше 1/3 диаметра бетоновода. Содержание мелких фракций в бетоне должно обеспечивать оптимальную когезию и предотвращать расслоение бетонной смеси во время прокачки.
Можно выделить следующие рекомендации по подбору состава бетона для перекачки его бетононасосом:
-
Непрерывное распределение гранулометрической кривой (содержание фракции 4-8 мм должно быть минимально);
-
Содержание воды в бетоне должно быть минимальным для предотвращения расслоения и водоотделения;
-
Бетон должен иметь пластичную консистенцию с хорошей внутренней когезией;
-
Использовать добавки улучшающие перекачивание бетонной смеси в случае неоптимальной гранулометрии, меняющихся характеристик сырья, а также при подаче бетона на большие расстояния;
-
Применяйте бетоноводы диаметром от 80 до 200 мм (наиболее часто используемые 100, 125 мм), при этом учитываейте: чем меньше диаметр, тем сложнее перекачивание; стыки бетоновода должны плотно прилегать, чтобы избежать потери давления и цементного теста; первые несколько метров должны быть горизонтальными и не должны иметь изгибов; защищайте трубопроводы от прямых солнечных лучей летом;
-
Используйте смазку для внутренней поверхности бетоноводов и насоса для обеспечения легкого перекачивания бетона с самого начала.
Производство водонепроницаемого бетона
Стоит всегда помнить, что строительство водонепроницаемых бетонных конструкций, как например резервуар, требует системного подхода. Решение данного вопроса не состоит в применении одной добавки для бетона или порошкообразного компонента. Проектировшик и подрядчик должны работать вместе, чтобы исключить вероятность ошибок. Необходимо учитывать варианты армирования бетона, устройство швов, а также подбор состава бетона. Водонепроницаемость бетона определяется способностью бетона сопротивлятся проникновению воды и зависит от капилярной пористостью цементной матрицы. Определяющими факторами капилярной пористости бетона является водоцементное отношение, количество и тип пуццолановых и слабогидравлических материалов (плотная упаковка заполнителей).
Можно выделить следующие рекомендации по подбору состава водонепроницаемого бетона:
-
Сокращение капилярной пористости (уменьшение водоцементного отношения, что достигается путем применения пуццолановых и слабогидравлических материалов);
-
Оптимальная гранулометрическая кривая с низким содержанием мелких фракций в бетоне;
-
Достаточное содержание мелкой фракции после коректировки содержания вяжущего;
-
Пластичная консистенция бетонной смеси для лучшего уплотнения и получения плотной структуры;
-
Тщательное и квалифицированное уплотнение бетона;
-
Тщательный уход.
Производства бетона для дорожных и мостовых конструкций
-
Высокая прочность на изгиб;
-
Высокая стойкость к переменному оттаиванию/замораживанию;
-
Не скользкая поверхность;
-
Низкая истираемость;
-
Повышенная ударопрочность.
Можно выделить следующие рекомендации по подбору состава бетона для дорожных и мостовых покрытий:
-
Применение заполнителей с низким содержанием мелких фракций;
-
Использовать щебень с целью увеличения прочности на изгиб и уменьшения скольжения;
-
Использовать сбалансированную кривую распределения размера частиц заполнителя;
-
Расход цемента 300 – 350 кг/м³ (обычно ПЦ I 500);
-
Использовать микрокремнезем в местах с повышенным движением и для увеличения срока службы конструкции;
-
Обязательный уход.
Производство бетона с высокой прочностью
Бетоны с высокой прочностью при сжатии (более 60 МПа) относятся к группе высокотехнологичных бетонов (“High Performance Concrete”) и используются в различных конструкциях, например, при возведении колонн с высокой несущей способностью и для многих изделий заводского изготовления.
Можно выделить следующие рекомендации по подбору состава высокопрочного бетона:
-
При производстве высокопрочного бетона перемешивание и выбор компонентов требуют особой тщательности, как и его укладка;
-
Высокопрочные заполнители с подходящей удельной поверхностью частиц (и угловатостью) и небольшим размером частиц (< 32 мм);
-
Цементная матрица с высокой непроницаемостью и по этой причине высокой прочностью, благодаря значительному уменьшению содержания количества воды затворения;
-
Специальные вяжущие с быстрым набором прочности и хорошей адгезией к заполнителям (микрокремнезем);
-
Использование высокоподвижных бетонных смесей благодаря применению добавок для бетона, чтобы обеспечить максимальное удаление защемленного воздуха.
Высокопрочный бетон всегда обладает высокой непроницаемостью. По этой причине уход за твердением высокопрочного бетона еще более важен, чем уход за твердением обычного бетона (неконтролируемое поступление влаги снаружи бетона). Высокопрочные бетоны также очень хрупкие из-за высокой прочности и повышенной жесткости (ударные и сдвигающие нагрузки). При понижении содержания воды (водоцементное отношение ниже 0,38) некоторые зерна цемента работают как зерна заполнителя, поскольку не весь цемент может прогидратировать. Помимо портландцемента в высокопрочных бетонах используется большое количество материалов, обладающих гидравлической и пуццолановой активностью, которые наделены отличными свойствами долгосрочного набора прочности.
Стоит отдельно остановиться на применении добавок для бетона, содержащих микрокремнезем, который представляет собой отход производства ферросилиция. Для получения идеального результата от применения микрокремнезема необходимо соблюдение следующих факторов: равномерного распределения частиц микрокремнезема в бетоне, подбора оптимального количества суперпластификатора, правильного подбора состава бетона. Микрокремнезем уплотняет внутреннюю структуру бетона и позволяет получать бетоны класса до В115, снижать расход цемента, снижать поперечное сечение конструкционных элементов, увеличивать срок службы конструкций. Кроме этого, бетон с добавлением микрокремнезема обладаем повышенной водонепроницаемостью, морозостойкостью, ударостойкостью, коррозионной стойкостью.
Цементные зерна Зерна микрокремнезема
Следует отметить на основе зарубежного опыта успехи применения бетона, модифицированного микрокремнеземом, в мостостроении. Показательным объектом является мост в провинции Онтарио в Канаде протяженностью тринадцать километров. Для производства элементов данного моста использовался бетон, модифицированный микрокремнеземом, с прочностью порядка 75-80 МПа, стойкий к воздействию хлоридов и сульфатов. Благодаря низкой проницаемости бетона, модифицированного микрокремнеземом, такие составы часто используются при устройстве очистных сооружений, емкостей, коллекторов, дамб. При этом такие объекты на сегодня находятся в эксплуатации более 30 лет и показывают себя с лучшей стороны.
Производство бетона с высокой ранней прочностью
Главными факторами, на которые следует обратить внимание при производстве бетона с высокой ранней прочностью, являются:
Процесс производства элементов сборного железобетона имеет следующие специфические черты:
-
максимально быстрый рост прочности в первые часы затвердевания бетона для достижения максимального оборота форм;
-
минимизация дозировки цемента и затрат на энергетику (нагревание и вибрирование);
-
высокое качество поверхности изготавливаемых элементов.
Очевидно, что экономически эффективное производство элементов сборного железобетона может осуществляться только с применением высокоэффективных суперпластифицирующих добавок для бетона.
Производство бетона для массивных конструкций
Бетон для массивных конструкций используется для очень толстых конструкций (толщиной более 80 см). Эти конструкции часто имеют большой объем, что подразумевает укладку большого объема бетона за короткий промежуток времени. Это требует очень хорошего планирования и эффективной организации процесса. Бетон для массивных конструкций используется для:
В процессе выполнения работ по заполнению бетоном широких конструкций могут проявляться следующие проблемы:
-
Большая разница температур на поверхности и внутри бетонной конструкции;
-
Очень высокие максимальные температуры;
-
Очень высокие колебания температуры внутри и на поверхности конструкции и связанная с этим сильная усадка;
-
Вторичная консолидация (схватывание) бетона и связанное с этим растрескивание над верхним поясом армирования, а также усадка под стержнями арматуры.
Можно выделить следующие рекомендации при работах по бетонированию толстых конструкций:
-
использование цементов с низким тепловыделением;
-
низкое содержание воды (уменьшение водоцементного отношения);
-
использование максимально возможного диаметра заполнителя;
-
при необходимости охлаждение заполнителей для получения низкой первоначальной температуры бетонной смеси;
-
укладка бетона слоями (толщина слоя < 80 см);
-
замедление твердения нижних слоев, чтобы всю секцию можно было повторно уплотнить после укладки верхнего слоя;
-
уход за твердением бетона с использованием теплоизоляции;
-
обеспечить правильный тип и распределение холодных швов и секций бетонирования, принимая в расчет теплоотдачу, градиенты и изменения температур.
Производство бетона с высокой морозостойкостью
Бетон с высокой морозостойкостью должен использоваться в тех случаях, когда поверхность бетона подвергается воздействию погодных условий (влажности), и температура поверхности бетона может быть отрицательной:
Главный фактор для производства бетона с высокой морозостойкостью - введение достаточного количества искусственно вовлеченных воздушных пустот в бетон со следующими свойствами:
-
Микропузырьки воздуха 0,02-0,3 мм;
-
Содержание микропузырьков от 3 до 6%;
-
Фактор расстояния SF < 0,2 мм.
Микропузырьки воздуха приводят к образованию безопасных пространств для расширения замерзающей воды, уменьшают капилярную пористость, замещают тонкую фракцию.
При производстве бетона с высокой морозостойкостью можно выделить следующие факторы:
-
Гранулометрия - воздушные поры в основном формируются вокруг фракций 0.25-0.5 мм, тогда как большие фракции не способствуют воздухововлечению;
-
Производство - время мокрого перемешивания должно быть увеличено;
-
Консистенция - оптимальное воздухововлечение достигается в бетонных смесях П3-П4;
-
Температура - с повышением температуры бетона воздухововлечение уменьшается;
-
Уплотнение - правильная вибрация вытесняет в основном воздух, вовлеченный в бетонную смесь во время укладки, включая крупные воздушные поры в бетоне.
Производство самоуплотняющегося бетона (“Self-Compacting Concrete”)
Самоуплотняющийся бетон является высокоподвижной бетонной смесью, которая заполняет отведенный ей объем с минимальным вибрированием, либо вовсе без него. Определяющей характеристикой самоуплотняющегося бетона является получение однородности свойств бетонной смеси по всему объему конструкции, что становится возможным благодаря исключению человеческого фактора, выражающегося в возможном неравномерном вибрировании и уплотнении бетонной структуры. При этом наблюдается увеличение скорости бетонирования, надежно и равномерно заполняется весь, даже густоармированный, объем, снижаются требования к перекачиванию. Для изготовления самоуплотняющегося бетона кроме классических составляющих бетонной смеси (цемент, заполнители, вода, добавки) применяют мелкозернистые примеси и модификаторы вязкости. Особое внимание уделяется подбору суперпластификатора. Обычно применяют пластификатор на поликарбоксилатной основе. При передозировке воды в объеме 5 л на 1 м3 бетона смесь с добавление поликарбоксилата может расслоиться, поэтому необходимо очень точное дозирование воды.
Ниже на рисунке показан стабильный самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) с водоцементным отношением 0.45 – равномерное растекание, щебень на внешнем диаметре, растекание на диаметр 790 мм.
Ниже на рисунке показан нестабильный самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) с водоцементным отношением 0.45, отсутствует модификатор вязкости, щебень на внутреннем диаметре, расслоение смеси.
Производство самоуплотняющегося бетона по отработанной рецептуре подразумевает получение бетона, обладающего кроме отличной подвижности, высокими физико-механическими свойствами (прочность, водонепроницаемость), а также характеризующегося следующими основными преимуществами:
-
Самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) равномерно заполняет весь объем без вибрирования;
-
Самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) легко проникает в труднодоступные места без расслоения;
-
Самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) обладает отличной гладкой финишной поверхностью;
-
Самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) снижает затраты на рабочую силу;
-
Самоуплотняющийся бетон (“Self-Compacting Concrete”) снижает уровень шума на строительной площадке.
