Самоуплотняющийся бетон - свойства и испытания

На основании результатов исследований, проведенных в Японии, с 1988 года определены основные положения в технологии бетонирования с использованием самоуплотняющегося бетона (СУБ). Завершена разработка технологии самоуплотняющегося бетона, использование которого с 2003 года регламентируется директивой по железобетону. В этой директиве СУБ определяется как «бетон, способный уплотняться под действием собственного веса без воздействия дополнительной энергии уплотнения, освобождаться от содержащегося в нем воздуха, подаваться и полностью заполнять пространство опалубки, в том числе между арматурными стержнями».
С введением этой директивы использование самоуплотняющегося бетона возможно без согласия или общего допуска органов строительного надзора, что дополнительно способствует его применению. На основании своих свойств СУБ особенно подходит для изготовления сборных конструкций или бетонных поверхностей, требующих особых архитектурных решений.

Самоуплотняющийся бетон имеет следующие преимущества:
- равномерное качество бетона по всему поперечному сечению
- незначительные ограничения при конструктивном исполнении строительных элементов
- улучшение долговечности
- улучшение свойств декоративного бетона
- облегчение работ по бетонированию
- сокращения сроков строительства
- звукоизоляция и охрана здоровья на строительных участках и на заводах готовых конструкций

1. Основные положения

В соответствии с выбранным принципом проектирования СУБ разделяется на три типа, смотри таблицу 1.
Как правило, по сравнению с вибрированным бетоном СУБ имеет значительно более высокое содержание мелкодисперсной взвеси. Традиционный состав бетонной смеси, в котором преобладает по возможности высокое содержание зернистого заполнителя и низкое содержание мелких частиц, не используется при приготовлении самоуплотняющегося бетона. Вместо этого мелкодисперсная взвесь (цемент + зернистый заполнитель с размером зерна < 0,125 мм + добавки для бетона), вода затворения и разжижитель СУБ образуют клей, в котором крупный зернистый заполнитель просто «плавает».

Таблица 1: Содержание мелкодисперсной взвеси в самоуплотняющемся бетоне

Для функциональной способности СУБ решающее значение имеют два признака. С одной стороны подвижность бетонной смеси должна быть достаточно высокой, чтобы способствовать освобождению бетона от содержащегося в нем воздуха, создавать оптимальное сцепление между сталью и бетоном даже при высокой степени армирования и уменьшать опасность образования дефектов (например, скопление гравия). С другой стороны СУБ должен иметь хорошую способность к сцеплению отдельных компонентов и предотвращать расслоение смеси. При расслоении могут возникнуть два эффекта:
- Седиментация: оседание крупного зернистого заполнителя, выпотевание
- Сепарация: текучий бетон не в состоянии транспортировать крупный зернистый заполнитель в процессе перекачки.

Для одновременного достижения достаточной подвижности и способности к сцеплению компонентов следует соблюдать оптимальное соотношение состава и количества мелкодисперсной взвеси, воды и разжижителей. Количество воды должно быть определено таким образом, чтобы оно точно соответствовало водопотреблению мелкодисперсной взвеси и увлажняло поверхность. При этом становится ясно, что замена одних мелкозернистых компонентов другими (например, замена цемента летучей золой) приводит к изменению водопотребления, а измененный состав, как правило, влечет за собой изменение свойств свежеприготовленной бетонной смеси.

Дополнительное добавление воды одновременно влияет на подвижность бетонной смеси и способность компонентов бетона к сцеплению. Это может привести к тому, что при одновременном повышении подвижности бетонной смеси снизится сцепление между ее компонентами, что сделает структуру бетона нестабильной. Изменение количества добавляемой воды на ± 3 л/м может быть достаточным, чтобы вызвать оседание, сепарацию, вовлечение воздуха или низкую подвижность бетонной смеси. В то время как вода влияет на подвижность и сцепление компонентов бетонной смеси и может привести к ее расслоению, использование разжижителя регулирует ее текучесть.

В настоящее время при производстве самоуплотняющегося бетона используются практически исключительно разжижители нового поколения, так называемые разжижители на основе поликарбоксилата. С одной стороны должно быть известно взаимодействие цемента и разжижителя на основе поликарбоксилата, с другой стороны при этом необходимо учитывать характеристики подвижности в зависимость от температуры. Кроме этого некоторые разжижители при смешивании в бетоносмесителе могут вызывать дополнительное разжижающее действие, которое обозначается как «эффект осадка» и может привести к последующему расслоению бетонной смеси.

Добавление пылевидных материалов (известняковая мука или летучая зола) приводит к улучшению подвижности смеси. Однако слишком высокое содержание очень мелких частиц при одинаковых условиях ведет к снижению ее подвижности. Наряду с воздействием добавок на реологические свойства самоуплотняющегося бетона они оказывают также влияние на внешний вид бетонной поверхности. При добавлении известняковой или кварцевой муки поверхность бетона становится более светлой, чем при добавлении летучей золы. Описанные связи между отдельными компонентами бетонной смеси оказывают влияние на то, что относительно незначительные изменения в ее составе вызывают значительные изменения свойств самоуплотняющегося бетона.

2. Требования к свежеприготовленной бетонной смеси

2.1 Текучесть

Определение текучести без блокировочного кольца (sm) оценивает растекаемость бетона. Растекаемость обычного самоуплотняющегося бетона составляет от 700 до 800 мм.
Определение текучести с помощью блокировочного кольца (smb) позволяет оценить растекаемость самоуплотняющегося бетона между арматурными стержнями. При этом преимущественно определяется, способен ли цементный клей перемещать крупный зернистый заполнитель между препятствиями (например, между стержнями арматуры) или в результате создания препятствий для крупного зернистого заполнителя образуется его оседание. Этот эффект может возникнуть также в том случае, если расстояние между стержнями арматуры превышает максимальный диаметр зерен заполнителя. Поэтому для проведения испытания число стержней и расстояние между ними следует определять в зависимости от размера наиболее крупных зерен (таблица 2). Диаметр стержней составляет соответственно 18 мм, диаметр блокировочного кольцо равен 30 см.
Использование дробленого зернистого заполнителя дополнительно создает препятствия для текучести бетонной смеси. Смесь самоуплотняющегося бетона считается пригодной к использованию при одинаковой высоте бетонной лепешки снаружи и внутри блокировочного кольца, хорошем перемещении наиболее крупных зерен заполнителя сквозь арматурные стержни и превышении значения растекаемости sm показателя smb максимум на 50 мм, смотри рис. 1.

Таблица 2: Число стержней блокировочного кольца

2.2 Время протекания через воронку

Вязкость самоуплотняющегося бетона определяется временем протекания смеси через воронку (tTr). При этом измеряется время, необходимое для вытекания бетонной смеси из v-образной воронки равномерной струей (рис. 2). Для обычного самоуплотняющегося бетона это время составляет от 5 до 20 с.

Рис. 1: Определение показателя растекаемости smb

2.3 Склонность к седиментации

Для того чтобы проверить склонность самоуплотняющегося бетона к седиментации, бетонная смесь наполняется в цилиндрическую форму высотой 500 мм и диаметром 150 мм. В форме установлены задвижки, разделяющие смесь на три части. После вымывания цементного клея посредством разницы в весе крупного зернистого заполнителя определяется, имеет ли бетон склонность к седиментации. Если содержание крупных зерен отличается менее чем на ± 20 % от массы среднего показателя содержания крупных зерен, то СУБ считается стабильным к седиментации.

Рис. 2: V-образная воронка для определения времени вытекания самоуплотняющегося бетона	Рис. 3: Диапазоны удобоукладываемости четырех различных видов самоуплотняющегося бетона

Исследования показали, что взаимозависимые значения растекаемости и времени прохождения через воронку могут служить критериями определения пригодности бетонной смеси. Исходя из этих показателей, определяемых при проведении типовых испытаний, для каждого вида СУБ устанавливается индивидуальный диапазон удобоукладываемости (рис. 3), гарантирующий отсутствие эффекта седиментации или сепарации, достаточную текучесть, способность бетонной смеси освобождаться от содержащегося в ней воздуха и стабильность в отношении седиментации.

Рис. 4: Выпускной конус

При одинаковом составе смеси воздействие различных температурных условий ведет к различным диапазонам удобоукладываемости.
Для обеспечения быстрой и простой проверки текучести и вязкости, соответствующей условиям стройки, в Федеральном союзе производителей цемента был разработан комбинированный метод, позволяющий определить оба показателя при проведении одного испытания.
Оборудование, необходимое для проведения этого испытания, представляет собой выпускной конус, установленный на пластине для определения растекаемости бетонной смеси (рис. 4).

3. Изготовление бетона и его транспортировка

Изготовление самоуплотняющегося бетона требует наличие высококачественного оборудования и обученного персонала. По причине чувствительности СУБ в отношении водопотребления к производителям выдвигаются следующие требования:

- Максимально высокая точность дозирования в смесительной установке.
- Удаление перед производством влаги, скапливающейся в бункере под зернистым заполнителем.
- Непрерывный контроль влажности песка; наличие данных о содержании влаги в крупном зернистом заполнителе.
- Использование остаточной воды согласно в соответствии с только при определенных условиях.
- Полное опустошение барабана смесителя и автобетоносмесителя, а также перекачивание воды для промывки.

Различное время транспортировки может сказаться на консистенции бетонной смеси таким образом, что выше названный «эффект осадка» (в зависимости от выбора разжижителя) при определенных обстоятельствах будет действовать по разному. Кроме этого воздействие погодных условий, например, солнечных лучей, может привести к повышению температуры свежеприготовленной бетонной смеси и тем самым изменить ее консистенцию. Для того чтобы отреагировать на возможное изменение консистенции вследствие транспортировки, погодных условий и т.д. путем своевременного изменения состава бетонной смеси, строительный участок и завод товарного бетона должны постоянно обмениваться информацией о свойствах свежеприготовленной бетонной смеси.
Дополнительное добавление разжижителя на строительной площадке согласно необходимо для того, чтобы непосредственно перед укладкой свежеприготовленная бетонная смесь достигла необходимых свойств. Это предполагает, что производитель бетона имеет соответствующие данные по дозированию, которые дают однозначное представление о том, какое количество разжижителя должно быть добавлено, чтобы получить необходимые показатели растекаемости и вязкости при имеющейся температуре и консистенции приготовленной бетонной смеси. Эти показатели определяются в рамках типовых испытаний.

На основании чувствительности самоуплотняющегося бетона к производству, транспортировке и укладке каждое транспортное средство согласно директиве должно подвергаться приемочным испытаниям. В рамках этих испытаний необходимо проверить текучесть бетонной смеси с использованием блокировочного кольца или без него, являющуюся простым способом оценки пригодности самоуплотняющегося бетона к эксплуатации.
Оценка взаимозависимых значений растекаемости и времени прохождения через воронку позволяет пользователю определить, соответствует ли СУБ диапазону укладываемости, выявленному путем испытания.
На практике на основании простого использования применяется комбинированный метод с выпускным конусом.
Большое значение имеет точное определение сроков поставки бетонной смеси. Непрерывную перекачку бетонной смеси необходимо обеспечивать таким образом, чтобы после перекачки смеси из одного транспортного средства сразу приступить к опустошению другого. При этом следует обратить внимание на своевременное прибытие транспортных средств с товарным бетоном на строительный участок, что позволит вовремя провести испытания свежеприготовленной бетонной смеси.
Эти условия предъявляют высокие требования к заводу по производству товарного бетона в отношении логистических услуг и выполняются удовлетворительно в том случае, если типовые испытания проводятся в предельных условиях (например, различные температурные диапазоны), соответствующих строительному участку.

4. Укладка бетонной смеси

Перед укладкой бетонной смеси необходимо проверить, нет или в опалубке воды (например, дождевой воды). Даже незначительное содержание влаги может привести к расслоению самоуплотняющегося бетона, так как содержание воды в нем может повыситься до недопустимых пределов.
Перед укладкой самоуплотняющийся бетон должен пройти определенное расстояние, достаточное для удаления содержащегося в нем воздуха (рис. 5). В исключительных случаях, когда отсутствует участок, на котором происходит удаление воздуха из бетона, его необходимо создать искусственным образом. При этом бетон не должен течь слишком быстро. Удаление воздуха осуществляется тогда, когда бетонная смесь может стекать через край, пока она не займет окончательное положение в опалубке.
Если укладка бетонной смеси осуществляется с перерывами, то на поверхности бетона образуется слой густого, вязкого цементного клея, так называемая «слоновая кожа». Он препятствует смешиванию различных доз бетонной смеси; в последствие этот разделительный слой может отпечататься на поверхности бетона. Кроме этого даже из-за незначительного простоя в опалубке бетон может частично или полностью потерять свои самоуплотняющиеся свойства.

Рис. 5: Производство элемента перекрытия из самоуплотняющегося бетона	Рис. 6: закачивание бетонной смеси в опалубку снизу.

Бетонирование строительных элементов, в которых самостоятельное удаление воздуха затруднено (например, длинные и тонкие колонны, опалубка с углублениями), должно проводиться особенно тщательным образом. Наличие коротких участков для удаления воздуха и высокой скорости подъема бетонной смеси (преимущественно в высоких и тонких колоннах) приводит к тому, что подъемная сила воздушных пор оказывается не достаточно высокой для того, чтобы они смогли проникать через расположенный сверху слой свежеуложенной бетонной смеси. Исходя из этого, по возможности должно блокироваться попадание воздуха в бетон, а перед укладкой бетонной смеси воздух из нее должен удаляться. Избежать ненужного попадания воздуха можно в случае, когда бетонная смесь сбрасывается на арматуру не с большой высоты, а подается на нее при постоянном погружении шланга в свежий бетон во время перекачки. Тем самым предотвращается также создание различных слоев в бетонной конструкции вследствие образования «слоновой кожи». Если это не возможно из-за высокой степени армирования, хорошей альтернативой является заполнение бетонной смеси снизу через патрубок опалубки. Для этого предлагается использовать специальные рамочные опалубки, оборудованные на заводе наполнительным патрубком, к которому присоединяется шланг насоса (рис. 6). В этом случае смесительное устройство в загрузочной воронке бетононасоса в течение всего процесса перекачки должно быть покрыто свежеприготовленной бетонной смесью.

На основании свойств самоуплотняющегося бетона обязательным условием является непрерывная укладка и непрерывная поставка бетонной смеси. При потере СУБ свойств, необходимых для его укладки, при определенных обстоятельствах, даже после длительного периода транспортировки или хранения, возможно восстановление удобоукладываемости бетонной смеси путем добавления разжижителей. Уплотнять бетон нельзя. Самоуплотняющийся бетон самостоятельно течет при незначительном срезывающем напряжении, а твердеет при высоком срезывающем напряжении.

5. Давление на опалубку

Положения для определения давления на опалубку, приведенные в стандарте DIN 18218 для обычного бетона, не распространяются в полной мере на самоуплотняющийся бетон. Благодаря легкой укладываемости СУБ позволяет достичь высокой скорости бетонирования очень длинных и тонких строительных элементов, например колонн. Преимуществу, заключающемуся в быстрой укладываемости, противопоставляется повышенное давление на опалубку, что требует тщательного определения ее размеров. Исследования, проводившиеся до настоящего времени и определявшие соотношение скорости бетонирования и свойств свежеприготовленной бетонной смеси с одной стороны и образующееся давление на опалубку с другой стороны, выдают противоречивые результаты. При отсутствии точных результатов для соответствующего СУБ рекомендуется определить наличие гидростатического давления на опалубку.
Значительное влияние оказывает как состав бетонной смеси, так и способ укладки. При подаче бетона в опалубку снизу на ее распространяется не только гидростатическое давление, но и дополнительно давление насоса, необходимое для преодоления трения сцепления между бетоном и опалубкой (обратить особое внимание при использовании поршневого насоса). Поэтому при подаче бетонной смеси снизу расчетное значение давления на опалубку необходимо дополнительно увеличить.

На основании ожидаемого максимального давления на опалубку ее углы должны быть устойчивыми к скручиванию. Кроме этого, необходимо выбрать правильное расстояние между опалубочными анкерами, так как, с одной стороны, на поверхности не должно проявляться слишком много анкерных конусов, а с другой стороны, не смотря на высокое давление на опалубку, в палубе не должны возникать большие искривления, что может отрицательно сказаться на внешнем виде бетонной поверхности. Иногда места стыков между опалубками и палубами закрыты не полностью или палуба имеет дефекты в несколько миллиметров (например, зазоры между досками опалубки). Такие места впоследствии отразятся на бетонной поверхности. Если в вибрированном бетоне на месте этих дефектов возникает опасность образования скоплений гравия из-за выступающего цементного клея, то для самоуплотняющихся бетонов по причине значительно лучшего сцепления между его компонентами такой опасности нет.

6. Свойства самоуплотняющегося бетона

В основном свойства самоуплотняющегося бетона соответствуют свойствам обычного бетона. Самоуплотняющийся бетон может быть спроектирован как бетон обычной прочности или как высокопрочный бетон.

Предел прочности на сжатие

При одинаковом содержании цемента и водоцементном отношении СУБ по сравнению с вибрированным бетоном на основании более плотного соединения между его компонентами имеет более высокий предел прочности при сжатии.

Предел прочности при растяжении

При одинаковом пределе прочности на сжатие СУБ имеет незначительно более высокий предел прочности при растяжении по сравнению с обычным бетоном.

Сцепление между бетонной смесью и арматурой

На основании высокой подвижности и прочного сцепления между отдельными компонентами СУБ он имеет хорошее сцепление с арматурой. При этом сцепление не зависит от того, расположена арматура вверху или внизу.

Модуль упругости

Модуль упругости СУБ примерно на 15% ниже модуля упругости традиционного бетона. Это объясняется повышенным содержанием мелкодисперсной взвеси и связанным с этим низким содержанием крупного зернистого заполнителя.

Усадка

На усадку влияет количество цементного клея. Так как по содержанию цементного клея самоуплотняющийся бетон незначительно отличается от обычного бетона, то и характеристики усадки у обоих видов бетона одинаковые.

Ползучесть

Согласно проводимым до настоящего времени исследованиям коэффициент ползучести СУБ немного выше этого показателя в обычном бетоне, однако находится в общепринятых пределах допуска для обычного бетона.

7. Качество бетонной поверхности

Поверхность строительных элементов, выполненных из самоуплотняющегося бетона, до мельчайших подробностей отражает строение и структуру опалубки (включая надписи карандашом). СУБ может воспроизводить мельчайший рельеф опалубки (рис. 7), поэтому он пользуется большой популярностью при оформлении поверхности (например, с помощью матрицы). Однако это означает, что такие дефекты, как «заплаты» или отверстия от гвоздей, также отпечатываются на поверхности. При наличии высоких требований к поверхности декоративного бетона необходимо обратить внимание на качество палубы. При этом в частности должны быть предусмотрены меры, гарантирующее необходимое покрытие бетонной смесью без отпечатывания на то они сопоставимы со свойствами традиционных легких бетонов.

8. Самоуплотняющийся легкий бетон

В декабре 2003 года органами строительного надзора были предоставлены первые допуски для самоуплотняющегося легкого бетона. Самоуплотняющийся легкий бетон также способен течь и освобождаться от содержащегося в нем воздуха исключительно под действием собственного веса. Несмотря на то, что плотность в сухом состоянии самого легкого самоуплотняющегося бетона с допуском, выданным органами строительного надзора, равна 1,38 кг/дм , он также имеет достаточный коэффициент самоуплотнения и реологические свойства. Что касается механических свойств, предъявляются одинаковые требования с соответствии с DIN EN 206-1 и DIN 1045.

Рис. 7: Монолитная стена, изготовленная из самоуплотняющегося бетона

На основании особых свойств свежеприготовленной бетонной смеси самоуплотняющийся бетон предлагает многочисленные преимущества вплоть до конструктивного оформления специальных строительных элементов, которые не могут быть выполнены из традиционных видов бетона.

9. Выводы

Самоуплотняющийся бетон представляет собой бетон с особыми свойствами свежеприготовленной смеси. Для обеспечения на практике этих свойств Немецкий комитет по железобетону определил в директиве соответствующие нормы, введенные органами строительного надзора. Что касается свойств жесткого бетона, то в этом случае СУБ не отличается от обычного бетона. К этим свойствам поверхности следов от прокладок между арматурными стержнями.