Расчет составов высокопрочных самоуплот­няющихся бетонов

Получение самоуплотняющихся высокопрочных бетонов с суперпластификаторами связано с преодолением трех противоречивых факторов – обеспечением высокой текучести бетонной смеси, исключением расслаиваемости ее и достижением высокой прочности бетона до 100-150 МПа и более.

Оптимальная реология самоуплотняющихся бетонных смесей должна обеспечивать расплыв «обратного» конуса не менее 55-60 см. Однако, часто в рекламных проспектах и научных статьях самоуплотняющиеся бетоны характеризуют осадкой конуса смеси 20-22 см. Оценим теоретически, каков должен быть расплыв конуса бетонной смеси при различных осадках конуса, превышающих 20 см. Расчет расплыва конуса по его осадке осуществим исходя из объема сферического сегмента V, формируемого растекающейся бетонной смесью с малым пределом текучести под действием собственного веса. Выражение для объема сферического сегмента выразим через исходную высоту обычного стандартного конуса Н, осадку конуса ОК и расплыв конуса Д бетонной смеси:

(1)

где R – радиус расплыва конуса бетонной смеси.

Из выражения (1) находим диаметр расплыва конуса:

(2)

При геометрических размерах обычного стандартного конуса – Н=30 см, Д_н = 20,0 см; d_в = 10,0 см и объеме конуса 5495 см³, выражение (2) упрощается:

(3)

Расчетами получены значения расплыва конуса бетонных смесей при различных осадках их (табл.1).

Таблица 1

Как следует из табл.1, подвижные бетонные смеси с ОК=20-24 см не являются самоуплотняющимися, способными растекаться без вибропобуждения. Истинно самарастекающимися смесями являются смеси с осадкой конуса 26-28 см. Для таких смесей непригоден щебень фракции 20-40 мм. Наилучшие результаты по реологии обеспечивает щебень фракции 3-10÷3-16 мм.

Как указывает профессор Несветаев Г.В. [1] в Евростандарте ЕN 206-1 предусматривается 6 классов подвижных смесей с диаметром расплыва конуса бетонных смесей от 340 мм до 630 мм и более. В правилах ЕG SCC (Self compacting concrete) для самоуплотняющихся бетонов предусматривается 3 класса SCC по текучести: с разными диаметрами расплыва [1]: SF-1 (550-650 мм); SF-2 (660-750 мм) и SF-3 (760-850 мм). Если следовать нашему расчету, то осадка стандартного конуса должна быть ориентировочно в пределах 25,5-28,0 см. По существу, максимальная осадка смеси ОК =28 см ограничивается наибольшими размерами зерен щебня, и возможна, как показывают эксперименты, при использовании щебня фр. 3-8 мм.

Высокая текучесть бетонной смеси требует создания не только специфической структуры смеси, но и особой топологии. Традиционная структура бетонной смеси предполагает компактную, наиболее плотную упаковку зерен щебня нескольких фракций. Для этого требуется заполнить вмещающие пустоты в крупной фракции щебня средними зернами второй фракции, а во вмещающие пустоты, образованные совокупностью зерен двух фракций, разместить зерна мелкой фракции щебня (принцип непрерывной гранулометрии). Те же принципы заложены в гранулометрию песка для тяжелых бетонов.

С позиции реологии такие, плотноупакованные зернистыми заполнителями смеси, имеют высокое трение при течении в стесненных условиях и не превращаются при наличии минимума воды в гравитационно-растекающие системы. Реологической матрицей для них, обеспечивающей свойства упруго-вязкого пластического тела, является цементное тесто, увеличение доли которого для обеспечения текучести, связано с повышением расхода цемента и ухудшением экономики производства бетона.

Использование эффективных пластификаторов и гиперпластификаторов позволяет увеличить текучесть цементного теста, снизить расход воды и повысить прочность бетона на малопластичных бетонных смесях с 50 МПа до 70-90 МПа. При получении самоуплотняющихся бетонных смесей из-за недостатка количества реологической матрицы цементного теста прочность бетона понижается вследствие необходимости восполнения объема реологической матрицы водой.

Добавление микрокремнеземов и зол ТЭЦ с высокой пуццоланической активностью в количестве10-15% позволяет несколько увеличить объем реологической матрицы, с равнообъемным уменьшением количества зернистых и кусковых заполнителей, что и улучшает перемещение их при течении. Прочность при этом повышается не столько за счет повышения водоредуцирующего эффекта, сколько вследствие образования дополнительного количества цементирующих гидросиликатов. Комбинация суперпластификаторов и микрокремнезема (МК) позволила получать из пластичных смесей бетоны с прочностью 90-110 МПа при расходах цемента 450-500 кг и микрокремнезема – 30-60 кг.

Рациональная реология самоуплотняющихся бетонных смесей высокой текучести и высокая прочность бетонов марок 1000-2000, обеспечивается не только добавками к цементу микрокремнезема, но и добавлением 50-70% каменной муки.

При этом не всякие горные породы в виде каменной муки способны обеспечивать более высокую текучесть в суспензии с СП, чем цементные суспензии. Для оценки такой способности, мы ввели термин: «реологически активная каменная мука в суспензии с суперпластификатором». Оценка реологической активности муки осуществляется по водоредуцирующему действию суперпластификатора. Водоредуцирующее действие (водоредуцирующий индекс В_и) определяется по формуле:

В_и = В_н/В_п (4)

В_н – водосодержание непластифицированной суспензии для обеспечения заданного расплыва ее из стандартного конуса (цилиндра);

В_п – водосодержание пластифицированной суспензии при том же расплыве суспензии из того же прибора.

В качестве стандартного конуса истечения принимается конус от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4-76 «Цементы. Методы испытаний». Использования стандартного конуса, в отличие от мини конуса НИИЖБа, использованных нами ранее мини-цилиндров и др. приспособлений более целесообразно, в связи с тем, что аналогичный конус используется в Евростандарте EN 196 под названием «конус Хагерманна».

Основные 22 принципа получения высокопрочных самоуплотняющихся бетонов с суперпластификаторами, микрокремнеземами и каменной мукой были сформулированы нами ранее [2]. Приведем лишь четыре основные особенности, касающиеся структуры самоуплотняющихся бетонных смесей:

– во-первых, они должны быть малощебеночными и малопесчаными, что диктует увеличивать в их объеме содержание водно-дисперсной матрицы;

– во-вторых, в матрице должны практически отсутствовать капиллярные и воздушные поры, вследствие чего она становится очень плотной и прочной;

– в-третьих, в структуре цементной дисперсной матрицы должны обязательно содержаться микрочастицы дисперсной горной породы, и поэтому не только высокопрочные реакционно-порошковые, но и щебеночные бетоны будущего должны обязательно выпускаться с каменной мукой из безпористых и прочных горных пород. Такие бетоны будут бетонами нового поколения;

– в-четвертых, в структуре цементной матрицы должны обязательно содержаться наночастицы (верхний масштабный наноуровень) плотных пуццоланических веществ, быстро связывающих гидролизную известь портландцемента в тоберморит С₅S₆H₅ или, в идеальном случае, более прочный ксонотлит С₄S₅Н₄.

В этой связи, высокопрочные бетоны должны быть обязательно многокомпонентными, минимально – 7-ми компонентными, что позволяет реализовать в них научные положения реологии многокомпонентных дисперсных систем, более полно связанных с физико-химией, электрокинетическими явлениями, поверхностными зарядами частиц различного минералогического состава и с перезарядкой поверхности кислых пород под действием гидролизной извести клинкера, с химией твердения цемента и механизмами гидратации его со структурно-механическими переходами агрегативно-устойчивых пластифицированных дисперсных систем при дефиците жидкости, со скоростью восстановления структуры дисперсных систем и наличием послетиксотропного ресурса течения – ТРТ у пластифицированных систем. Многие из этих положений были рассмотрены нами ранее в многочисленных публикациях [2] систематизированы в [3, 5] и реализованы в последние годы в зарубежной и отечественной практике.

Таким образом, технология производства высокопрочных дисперсно-армированных бетонов нового поколения с супер- и гиперпластификаторами, каменной мукой и плотными пуццоланами, является более наукоемкой нежели традиционной, в которых улучшаются прочностные свойства бетонов в течение последних 30 лет. Все эти улучшения, которыми пестрят многие научные статьи, не касаются реализации гиперэкономики строительства из железобетона. А она заключается, именно, в реализации строительства из высокопрочного бетона при уменьшении объемов его в конструкциях и конструктивных элементах в 3-6 раз. А вместе с этим в тоже число раз уменьшаются все расходы компонентов бетона, транспортные перевозки и значительно снижается масса зданий и сооружений. В связи с этим необходимы методы проектирования составов высокопрочных и особовысокопрочных бетонов нового поколения.

По нашим сведениям, отсутствуют подходы к расчету состава самоуплотняющихся бетонов нового поколения, кроме рекомендаций по рецептуре обычных самоуплотняющихся бетонов, предложенных профессором Окамурой:

- насыпной объем заполнителя крупной фракции должен быть не более 50% объема бетона;

- объемная часть песка в растворе должна составлять 40%.

При этом остается незыблемым принцип равенства суммы абсолютных объемов бетонной смеси 1000 литрам.

Однако, для самоуплотняющихся бетонных смесей с каменной мукой и пуццоланическими добавками, из которых изготавливаются высокопрочные (ВПБ) и особовысокопрочные бетоны (ОВПБ) классов В100-В120, эти рекомендации не могут быть использованы в полной мере.

Нами предложены ранее, исходя из анализа состава и структуры лучших высокопрочных бетонов западных стран и наших экспериментальных исследований, критерий избытка абсолютного объема цементно-дисперсной матрицы над объемом песка и критерий избытка абсолютного объема цементно-дисперсно-песчаной реологической матрицы над абсолютным объемом щебня [1]:

(5)

(6)

где – абсолютные объемы, соответственно, цемента, каменной муки, микрокремнезема, песка, щебня и воды.

Значения этих критериев [5] существенно меняются при переходе от обычных бетонов к высокопрочным и особовысокопрочным: для умеренно-пластичных смесей = 1,0-1,2; =1,1-1,5; в самоуплотняющихся бетонных смесях для бетонов классов В50-В60 – = 1,6-2,0; =1,8-2,0; в самоуплотняющихся дисперсно-армированных бетонах для изготовления ВПБ и ОВПБ: =3,0-3,5; = 2,2-2,5. В отдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5-4,0; – более 3.

Имеются данные об изготовлении самоуплотняющегося бетона марки М600, в котором используется до 100 кг смеси каменной муки и микрокремнезема с осадкой конуса смеси 20-22 см. Наши экспериментальные исследования показывают, что такие бетоны не могут быть названы самоуплотняющимися, если следовать правилам ЕG SCC, поскольку их расплыв не превышает 40 см. Такие бетонные смеси требуют для уплотнения вибропобуждения. Без вибропобуждения невозможно самопроизвольное удаление пузырьков вовлеченного воздуха.

В последние годы в рекламных проспектах появилось большое количество фальсификаций относительно сверхэффективного действия суперпластифицирующих добавок, способных превращать обычные плотноупакованные бетонные смеси с малыми расходами цемента в саморастекающиеся (и даже самоуплотняющиеся). Не реальные свойства бетонных смесей и бетонов рекламируются в ряде научных статей. Так, в статье С.С. Каприелова [6] приводятся данные об эффективности действия добавки МБ-01. «Тощая» бетонная смесь с расходом цемента 300 кг/м³ при добавлении МБ-01 в количестве 45 кг превратилась в высокоподвижную с осадкой конуса ОК = 20-22 см при расходе воды всего 135 л! Содержание щебня и песка не указано, но их общее количество легко установить, считая, что масса сухих компонентов не может быть менее 2250-2300 кг/м³ (при расходе воды 150 л). Тогда содержание песка и щебня в сумме составит [2250- (300+45) = 1905 кг]. Если принять в смеси заполнителей содержание песка 650 кг/м³, то содержание щебня будет 1355 кг (1905-650 = 1355 кг). При объеме реологической матрицы 250 л (300/3,1 + 45/2,3 +135 = 250 л), реологический критерий будет равен 1,02, а критерий = 0,99. За счет чего течет такая предельно-наполненная песком и щебнем бетонная смесь? Расчеты показывают, что цементно-песчаного раствора не хватает для заполнения пустот в щебне, не говоря о какой-либо раздвижке зерен его. Самое удивительное то, что прочность такого «тощего» бетона составляет 65 МПа! Дайте такую высокоподвижную бетонную смесь с расходом цемента 350 кг/м³ монолитному строительству с прочностью бетона 60-65 МПа и экономика его существенно повысится.

Именно предлагаемые структурно-топологические критерии жидкотекучих бетонных смесей позволяют выявить такие не реальные составы высокоподвижных смесей.

Используем разработанные нами критерии для расчета состава бетона.

В связи с тем, что абсолютная плотность кварцевого песка в земной коре мало различается и находится в пределах 2,6-2,7 г/см³, а плотность щебня варьирует от 2,6 до 3,1 г/см³, то для расчета состава бетона целесообразно использовать критерий .

Принимая объем бетонной смеси равным , вычислим объем щебня:

(7)

Подставим выражение (7) в (6):

(8)

Отсюда получим:

(9)

Если вместо объема щебня из (7) определить объем песка и подставить его в выражение (6), то получим:

(10)

В связи с тем, что состав бетона задается, как правило, по массе, то формулы с учетом плотностей компонентов принимают следующий вид:

(11)

(12)

В высокопрочных и особовысокопрочных бетонах содержание каменной муки может варьировать от 30 до 60%, а содержание микрокремнезема от 15 до 30% от массы цемента. При этом в пропариваемых бетонах содержание МК может иметь верхний предел, особенно, если каменная мука обладает реакционно-химической активностью с гидролизной известью портландцемента. Таким образом, содержание КМ и МК задается долей их α_км и α_мк от массы портландцемента, и, тогда в формулах (11) и (12) КМ = α_км·Ц и МК = α_мк·Ц.

Реологию гравитационного течения с самоуплотнением смесей без расслоения обеспечивает оптимальное водосодержание. Для ВПБ и ОВПБ водотвердое отношение, т.е. отношение массы воды к сумме сухих компонентов, составляет 0,07-0,08. Сумма сухих компонентов М_с обычно находится в пределах 2250-2350 кг, в зависимости от плотности крупного заполнителя, которая колеблется от 2,6 до 3,1 г/см³. Таким образом, содержание воды находится в пределах от 150 до 180 л.

Принимая объем бетона 1000 л без учета объема вовлеченного воздуха, окончательно можно записать:

(13)

(14)

Если для расчета состава используется формула (14), то расход песка определится:

(15)

Корректнее объем бетона принимать 980 л, учитывая, что редко в самоуплотняющихся бетонах содержание вовлеченного воздуха составляет менее 1,5%.

Пример расчета состава самоуплотняющегося бетона.

Расход портландцемента М500 – 630кг на 1 м³ бетона при = 3,3. Расходы компонентов дисперсных наполнителей: КМ = 0,4Ц; МК = 0,2Ц. Водо-твердое отношение 0,07. Масса сухих компонентов М_с = 2300 кг. Тогда содержание воды будет 161 л. Плотности компонентов, в г/см³: = 3,1; = 2,7; = 2,3; = 2,6; = 2,7.

Подставим расходы компонентов в формулу (14):

=

= 332,7 л, и вычислим абсолютный объем песка.

л

Расходы компонентов по массе, кг:

Ц = 630; КМ = 252; МК = 126; Щ = 898; П = 418; В = 161

Значение = равно заданному, а

= .

Масса сухих компонентов М_с = 2324 кг.