Analysis of the composition of the lightweight self-compacting concrete

Otkeev Rodion Vladimirovich Laboratory Technician, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, Svobodnyi prospekt, 82a, kab. 506 otkeev.r.v@mail.ru

Sazanakova Kristina Anatol'evna Laboratory Technician, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, Svobodnyi prospekt, 82a, kab. 506 s_kristi96@mail.ru

1 Введение

Тремя основными характеристиками бетона являются удобоукладываемость, прочность и долговечность. Считается, что прочность и долговечность связаны с затвердевшим бетоном, а удобоукладываемость связана со свежим бетоном, однако свойства бетона в затвердевшем состоянии могут быть напрямую связаны с составом смеси и свежими свойствами. Другими словами, состав смеси и свежие свойства бетона являются наиболее критическими точками для контроля в отношении механических характеристик затвердевшего бетона. Ранняя оценка свойств затвердевшего бетона очень важна. Проблема заключается в том, что после процесса закалки качество и механические свойства не улучшаются. Структурное поведение бетона зависит от пропорций смешивания и свойств материала композитной системы, и эти факторы не меняются после отверждения.

Достижения в области современных технологий производства бетона привели к внедрению легких бетонов (далее ЛБ) и самоуплотняющихся бетонов (далее СУБ) в качестве конструкционных материалов, уменьшающих массу и трудоемкость. Легкий бетон хорошо известен в строительной отрасли в отличие от самоуплотняющегося и является отличным решением для снижения собственной нагрузки на конструкцию, в то время как СУБ является современным материалом, основоположником которого считается японский профессор Окамура ^[1]. Появление его связано с естественным стремлением строителей снизить трудозатраты при бетонировании конструкций, облегчить заливку и устранить проблемы при строительстве ^[2].

В последние годы предприняты некоторые попытки объединить преимущества этих двух типов бетона названым легким самоуплотняющимся бетоном (далее ЛСУБ). Существует множество публикаций о легком бетоне, касающихся различных легких заполнителей и пропорций смесей. Тем не менее, самоуплотняющийся бетон - как совершенно новое направление в строительной отрасли, привлекает все больший интерес к исследованиям, особенно в последнее десятилетие.

Зарубежные и российские производители отмечают наличие комплексного экономического эффекта при применении данной технологии, независимо от высокой себестоимости СУБ (примерно в 1,5 раза выше, чем стоимость обычного бетона) ^[3]. Необходимость к применению бетонных смесей, не требующие принудительного уплотнения при укладке без потери качества (ЛСУБ) обоснована эффективностью применения монолитного легкого бетона в зданиях, а именно снижения массы конструкций до 2 раз, снижение нагрузки на фундамент, сокращение расхода арматуры, а так же снижение расходов на утепление ^[4].

Несмотря на различные ГОСТы по составу смеси легкого бетона и некоторые редкие публикации о самоуплотняющемся бетоне в литературе, нет нормативной базы и технического регламента о составе смеси легкого самоуплотняющегося бетона и его применении. Тем не менее, благодаря ожидаемым преимуществам с точки зрения экономической эффективности и сокращенного времени строительства, исследования, позволяющие понять сложный характер этого нового материала, все чаще развиваются в разных частях мира.

Появление самоуплотняющихся бетонов неразрывно связано с созданием профессором Х. Окамура нового типа добавок на базе полиакрилата и поликарбоксилата ^[5]. Кроме применения особого вида пластификаторов технология СУБ имеет ряд других особенностей, касающихся методик подбора составов, специфики испытаний реологических свойств смесей, особенностей приготовления, укладки и др. ^[2].

Соотношение между цементным тестом и заполнителями очень важно при замешивании смеси. Самоуплотняющийся бетон имеет более высокую подвижность, чем обычный бетон, чтобы улучшить текучесть для заполнения любых пустот внутри опалубки. Контроль соотношения воды и цемента приводит к получению более плотного и прочного бетона. В легком самоуплотняющемся бетоне эта проблема еще более очевидна из-за недостаточной начальной энергии легких заполнителей в связи с перемещением вместе с облегченными заполнителями в цементном тесте. Поэтому для поддержания баланса между пропорциями ЛСУБ важно достичь требуемой текучести в свежем состоянии и планируемой плотности и высокого качества в отвержденном состоянии.

Теория плотности упаковки - это метод расчета бетонной смеси, который был успешно использован в ЛСУБ ^[6] путем определения оптимального соотношения пустот уплотнения раствора и заполнителей. Основными шагами для достижения конструкции смеси ЛСУБ в этом методе являются: минимизация объемов пустот, связанных с крупным заполнителем; минимизация соотношения воды и цемента; максимизация плотности цементных материалов и оптимизация текучести и требований к свежему бетону.

2 Проблемы расслоения и требований к текучести

Хотя конструкция смеси ЛСУБ содержит пропорции как ЛБ, так и СУБ, ее специальная конструкция смеси точно не соответствует конструкции смеси для этих типов бетона. Однако технологические соображения и проблемы смешивания по-прежнему определяют состав смеси ЛСУБ. Свежий бетон состоит из мелких и крупных заполнителей, подвешенных в матрице связующих. Вязкость раствора и объемная доля заполнителей контролируют поведение смеси.

Общая проблема, о которой сообщалось почти во всех опубликованных исследованиях в связи с объединением ЛБ и СУБ, заключается в обеспечении текучести свежего состояния и низкой плотности затвердевшего бетона без расслоения. Агрегатная форма благотворно влияет на текучесть свежего бетона, однако при смешивании легких и нормальных заполнителей в ЛСУБ более тяжелые заполнители имеют тенденцию к значительному снижению качества ^[2].

Керамзит, вспученный гранулированный шлак, вспученный перлит или вермикулит и вспененные полимерные материалы часто используются в ЛБ в качестве легких заполнителей. Из-за закрытых полостей водопоглощение является высоким, и поэтому трудно оценить необходимый объем воды. Подъем воды на поверхность во время смешивания из-за всплывания легких заполнителей увеличивает риск расслоения ^[2].

В некоторых исследованиях при проектировании смеси ЛСУБ рекомендуется применять высокопроизводительный бетон, чтобы избежать проблемы расслоения и поддерживать высокую прочность бетона, несмотря на применение легких заполнителей.

3 Значение исследования

Крайне важно выяснить, действительно ли все предполагаемые гипотезы, использованные для проектирования обычных бетонных конструкций, конструкций СУБ и ЛБ, также применимы для конструкций ЛСУБ. В этом исследовании представлены почти все опубликованные тематические исследования, включая подробную информацию о выборе компонентов, пропорциях смеси, полученных в результате свежих и закаленных свойствах. Несмотря на ограниченное количество публикаций, собранные данные создают впечатление адекватности для обоснованной и полезной систематической оценки разнообразия параметров и свойств смеси в статистических выражениях. Прежде всего, это разовьет идею того, что можно ожидать от ЛСУБ для потенциальных пользователей и исследователей.

Основными задачами данного исследования являются:

1 - систематическая оценка экспериментов, проводимых исследователями в разных странах (поскольку ЛСУБ является новой темой в строительной отрасли), всеобъемлющий сбор актуальных данных, сопровождаемый аналитическими сравнениями, который станет ключевой отправной точкой для будущих исследований и применения ЛСУБ в реальных проектах;

2 - оценка и сравнение влияния различных компонентов конструкции смеси с точки зрения прочности на сжатие.

4 Первоначальные наблюдения

Основная часть этого исследования посвящена свойствам ЛСУБ пропорциям смесей и компонентам. Тем не менее, ассортимент материалов в различных смесях и общее распределение компонентов. На рис. 1 показано географическое распределение тематических исследований в разные годы. Несмотря на начало исследований СУБ и их применение в Японии, исследования ЛСУБов в европейских странах, особенно в последние годы, растут. Заметно, что никаких записей о ЛСУБ не найдено в Австралии, Африке и Южной Америке. Все представленные исследования были выполнены в лабораторных условиях, и нет никаких признаков применения ЛСУБов в реальных проектах.

Рисунок 1 – Тематические исследования в разные годы

5 Легкие заполнители

Легкие заполнители используются во всех тематических исследованиях с различными типами и различными диапазонами минимального и максимального размера. Во всех тематических исследованиях использовались не только мелкие заполнители и минеральные порошки нормального веса, но и грубые и легкие мелкие заполнители.

Максимальный размер крупных и мелких легких заполнителей варьируется в разных исследованиях. В 33% тематических исследований вместе с крупными легковесными заполнителями использовался тонкий легковесный заполнитель с максимальным размером 1, 2, 3, 4 и 4,8 мм. Напротив, максимальный размер крупного легкого заполнителя ограничен 8; 9,5; 10; 12,7; 13; 14; 15; 16; 19 и 20 мм в тематических исследованиях.

В исследованиях использовались как натуральные, так и изготовленные легкие химические заполнители. Пемза, Lytag, Leca, керамзит, Liapore, дробленый вулканический гранит, крупная летучая зола, искусственный заполнитель и некоторые местные заполнители, извлеченные из резервуаров и промышленных отходов, относятся к широкому ряду легковесных заполнителей, применяемых в исследованиях.

На рис. 2 показано относительное количество тематических исследований с использованием каждого типа вышеупомянутых легковесных заполнителей.

Рисунок 2 – Количество тематических исследований

6 Прочность на сжатие

Как правило, прочность на сжатие ЛСУБ является фундаментальным параметром для оценки его других механических свойств. Несмотря на имеющиеся исследования преимуществ, связанных с его высокими эксплуатационными характеристиками в свежем состоянии, существует мало доступных исследований относительно ожидаемых упрочненных свойств для таких механических характеристик, как прочность на сжатие. Такой бетон очень чувствителен к изменениям свойств компонентов смеси и их пропорций, поэтому требует повышенного контроля качества. Типичные характеристики пропорций смеси, которые необходимы для обеспечения хороших свежих свойств, могут оказывать существенное влияние на свойства отверждения, такие как прочность, стабильность размеров и долговечность. Например, прочность на сжатие зависит от типа заполнителя и от водоцементного отношения ^[9].

Результирующая прочность на сжатие в возрасте 28 дней сообщается для всех смесей LWSCC в тематических исследованиях. Согласно рис. 3, значения прочности на сжатие составляли от 14 до 58 МПа, причем около 34% смесей имели прочность, превышающую 40 МПа, и 53%, превышающую 32 МПа. Это подтверждает практичность производства LWSCC практически во всех диапазонах прочности на сжатие, как при обычном производстве бетона.

Рисунок 3 – Прочность на сжатие

7 Выводы

ЛСУБ - новый тип бетона, который сочетает в себе преимущества как ЛБ, так и СУБ. Однако новые сведения об исследованиях конструкции смеси, механических свойств, материалов компонентов и условий отверждения в научной литературе встречаются редко. Анализ опубликованных результатов современных исследованияй ЛСУБ позволяет сделать следующие выводы.

Различные диапазоны низкой и высокой прочности на сжатие достижимы в ЛСУБе. В этом исследовании 53 и 34% конструкций смеси дают прочность на сжатие, превышающую 32 МПа и 40 МПа соответственно.

Заполнители в смесях использовались как легкие, так и тяжелые, однако 70% смесей не применяют грубый заполнитель тяжелого веса для производства ЛСУБов.

Различные типы и диапазоны минеральных и химических примесей/добавок (суперпластификатор, воздухововлекающая добавка) использовались в смесях для достижения желаемой текучести и свежих, и затвердевших свойств.

Разнообразие типов наполнителей больше, чем количества типов цемента в конструкциях смесей ЛСУБ.

В целом, лабораторные исследования подтверждают целесообразность производства LWSCC с различными диапазонами текучести, прочности на сжатие и плотности без риска сегрегации или блокировки. Однако, следует понимать, применение LWSCC в реальных строительных проектах может привести к большему количеству проблем.