Бетон с компенсированной усадкой

А.И.ЗВЕЗДОВ, д-р техн. наук, М.Ю.ТИТОВ, инж. (НИИЖБ)

Бетон с компенсированной усадкой для возведения трещиностойких конструкций большой протяженности

Одним из направлений развития и совершенствования бетона и железобетона является разработка новых подходов и их реализация в промышленности при получении вяжущих и бетонов нового поколения, обеспечивающих надежность и долговечность конструкций и сооружений, в частности ликвидацию усадки бетона.

Проблеме усадки и ее влиянию на свойства бетона посвящено много исследований в нашей стране и за рубежом, поскольку усадочные деформации в сочетании с низкой прочностью бетона на растяжение приводят к появлению трещин в железобетонных конструкциях, особенно в поверхностном слое, повышают их деформативность, снижают долговечность.

Одним из способов устранения отрицательных последствий усадки является применение в качестве вяжущего напрягающего цемента (НЦ), состоящего из портландцемента, алюмосодержащего компонента и гипса [1].

Напрягающий цемент, имеющий в своей основе портландцемент, обладает всеми его свойствами, но вместе с тем характеризуется рядом отличительных особенностей, а именно, расширением, нормированием величины самонапряжения, высокой водо- и газонепроницаемостью и экранирующей способностью против радионуклидов, сульфатостойкостью, прочностью на растяжение (осевое и при изгибе), быстрым набором прочности как в нормальных условиях при положительных и отрицательных температурах, так и при тепловлажностной обработке.

Бетоны на напрягающих цементах подразделяются на напрягающие (с расчетной величиной самонапряжения) и бетоны с компенсированной усадкой (требования по самонапряжению не предъявляются).

Для повышения эксплуатационных характеристик бетонов в настоящее время широко используются минеральные добавки, среди которых особое место занимают расширяющие, при введении которых в

портландцементе при твердении происходит увеличение линейных размеров. Введение таких добавок в бетон на портландцементе позволяет так же, как и при использовании НЦ, обеспечить высокую водонепроницаемость, трещиностойкость и долговечность конструкции. При этом новый бетон с использованием расширяющей добавки не только обладает всеми положительными свойствами бетона на портландцементе, но и нивелирует негативные его стороны: низкие показатели проницаемости, растяжения при изгибе, большие усадочные деформации.

В настоящее время в НИИЖБе разработано несколько видов расширяющих добавок [2], особенностью которых является возможность их производства как по обжиговой, так и по безобжиговой технологиям. В качестве сырья для получения таких добавок могут быть использованы природные материалы и промышленные отходы. Особый интерес представляет утилизация крупнотоннажных отходов, которая позволяет решать проблемы ресурсосбережения в строительстве, охраны окружающей среды и экологические задачи.

Добавки эти вводят или в мельницу при производстве цементов, или в бетоносмеситель непосредственно при приготовлении бетонной смеси.

Введение расширяющей добавки непосредственно в процессе приготовления бетонной смеси регулирует энергию расширения вяжущего, что позволяет получать бетоны для сборного и монолитного строительства как с компенсированной усадкой, так и напрягающие с различной энергией самонапряжения, обеспечивая при этом высокое качество изделий.

Анализ зарубежной и российской информации позволяет условно подразделить расширяющие добавки на следующие группы:

1 — алюминатно-сульфатные;
2 — алюминатно-оксидные;
3 — оксидные.

Расширение цементов, содержащих алюминатно-сульфатные добавки, происходит в результате взаимодействия алюмо- и сульфосодержащих фаз с образованием эттрингита (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31Н2О).

В добавках второй группы наряду с компонентами, несущими оксиды алюминатов и сульфатов, обязательно присутствие свободного оксида кальция, т.е. расширение цементов с расширяющей добавкой этой группы происходит как из-за образования эттрингита, так и в результате гидратации СаОсв.

В цементах с добавками третьей группы расширение происходит в результате гидратации оксидов кальция, магния и др. (СаО, MgOсв).

Введение расширяющих добавок в бетонную смесь на портландцементе вызывает расширение цементного камня, увеличение объема твердой фазы, образующейся при гидратации цемента. При ограничении деформаций расширения развивается самонапряжение, т.е. усилие, отнесенное к единице площади поперечного сечения. Изучение процесса гидратации цементов на расширяющих добавках и бетонов на их основе показало, что скорость образования продуктов гидратации, вызывающих расширение в системе и рост прочности, во многом зависит от вида, активности и количества расширяющей добавки. Таким образом, свойства бетона можно регулировать путем изменения количества последней.

Для оценки возможности получения бетонов с различными свойствами были проведены исследования при введении расширяющих добавок разных типов. В качестве контрольного был выбран бетон класса В25 (М350), при приготовлении которого в бетонную смесь на портландцементе вводили различные расширяющие добавки с варьируемым количественным и качественным составом. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Примечания: ε — расширение (ТУ 5743-023-46854090-98); W — водонепроницаемость (ГОСТ 12730-5-84); σ — самонапряжение (ТУ 5734-072-46854090); Rсж — прочность на сжатие (ГОСТ 310.4); Rизг — прочность на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4).

Анализ данных табл.1 показывает, что, изменяя количество добавки даже в пределах одной группы, можно получить бетоны с различными характеристиками. Величина расширения и самонапряжения прямо пропорциональна количеству вводимой добавки. В то же время чрезмерное увеличение ее содержания может привести к снижению показателей прочности бетона на сжатие и растяжение при изгибе и даже кего разрушению (при отсутствии ограничений деформации).

Оценка результатов испытания показала, что с использованием добавок 1-й группы (добавок сульфоалюминатного типа) можно получать бетоны с прогнозируемыми свойствами. Эти свойства бетонов были успешно использованы при возведении ряда сооружений в Москве.

При устройстве бетонных покрытий в конструкции большой протяженности в большинстве случаев необходимо выполнять деформационные температурно-усадочные швы, что обусловлено невысокой предельной растяжимостью бетона. В то же время наличие швов снижает такие эксплуатационные качества покрытий, как ровность, в спортивных сооружениях и водонепроницаемость и долговечность — в покрытиях полов.

С использованием расширяющих добавок были разработаны бетоны с прогнозируемыми свойствами для конструкций большой протяженности, в частности, для устройства технологической плиты на Малой спортивной арене спорткомплекса "Лужники". Уместно отметить, что в 2000 г. была проведена реконструкция покрытия ледового поля, которое ранее (в 1979 г.) [3] было забетонировано именно бетоном на напрягающем цементе, при этом эксплуатация показала удовлетворительное его качество. При возведении железобетонной охлаждающей плиты перед проектировщиками и строителями опять возникла проблема обеспечения ее трещиностойкости, поэтому при реконструкции приняли решение вновь использовать напрягающий бетон.

В этой конструкции было использовано сочетание таких свойств бетонов, как повышенная прочность на растяжение, самонапряжение, повышенная деформативность, что позволило с использованием пластичных бетонов при насыщенности арматурой и трубопроводами системы охлаждения избежать усадочных трещин и отказаться от деформационных швов. Особую сложность при возведении спортивных сооружений составили высокие требования к ровности поверхности (±1,5 мм), положению труб системы замораживания в плите и к ее трещиностойкости. Большое насыщение плиты металлом (трубы и арматура составляют около 5% площади сечения плиты) при использовании обычного бетона неизбежно привело бы к образованию трещин и поставило под вопрос долговечность даже толстостенных труб системы замораживания, не говоря уже о резком снижении морозостойкости самой плиты. Поэтому наиболее эффективным средством повышения трещиностойкости является предварительное напряжение плиты. Однако напряжение относительно тонкой (14 см) пластинки большой площади (1800 м2) обычными способами весьма сложно и не всегда возможно.

Для создания такой технологической плиты с размещенными в ней трубами системы замораживания наиболее целесообразным является применение бетона с регулируемой величиной расширения. Только за счет происходящих химических реакций при твердении бетона возможно устройство данной конструкции. Разработка последней в качестве охлаждающей плиты при применении бетона с компенсированной усадкой дало возможность исключить температурные швы на всей площади. Одновременно благодаря высокой плотности цементного камня с РД и бетона на его основе была достигнута непроницаемость плиты, что обеспечило сохранность и работоспособность нижележащих скользящих и теплоизоляционных слоев.

Охлаждающая плита стадиона в Лужниках опирается на сохраненную часть "пирога" ледового поля. Такая несущая конструкция позволила, помимо исключения опалубки под плитой, значительно уменьшить температурные напряжения в охлаждающй плите. Благодаря этому резко упростилось устройство скользящих слоев, состоящих из пластиковых пленок толщиной 200 мкр, пластифицированного поливинилхлорида и слоя порошка (талька). Для снижения хладопотерь применен второй слой плит"Пеноплекс" толщиной 100 мм. Защитой от механических повреждений и проникания воды являются слои из асбестоцементного листа и изопласта ЭПП-4 (разрез охлаждающей плиты представлен на рисунке).

Охлаждающая плита (разрез) ледового поля стадиона в Лужниках

В связи с тем, что к бетону покрытия предъявлялись повышенные требования по прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и трещиностойкости, бетонная смесь требовалась марки БСГ В30П3F300W12 (ГОСТ 7473-94).

Прочность бетона по контрольным образцам в соответствии с ГОСТ 10180-60 представлена в табл.2.

Бетоны с компенсированной усадкой находят свое применение при монолитном строительстве и восстановительных работах. Актуально использование этих бетонов в строительстве емкостной, подземной или ограждающей конструкции. Создании безрулонных кровель и там, где есть необходимость создания эффекта водонепроницаемости и стойкости к растрескиванию и деформациям. Важно и то, что бетоны с компенсированной усадкой эффективно защищают от радиоактивного воздействия, поэтому с их использованием эффективно возводить объекты гражданской обороны и военного назначения. Эти бетоны нейтрализованы от усадочных проявлений, и это исключает усадочную деформацию и трещины при изготовлении конструкции из монолита.

Бетоны с компенсированной усадкой помогают новаторам

Бетоны с компенсированной усадкой водонепроницаемы, долговечны и позволяют существенно снижать производственные затраты. С использованием бетонов с компенсированной усадкой сооружались и продолжают сооружаться промышленные и гражданские объекты, которые нуждаются в дополнительной защите от воздействий влажной среды, высокого уровня грунтовых вод, при непосредственной близости от водоемов, русла рек Особенно эффективно применяются бетоны с компенсированной усадкой при строительстве больших спортивных сооружений — стадионов, комплексов, бассейнов. В последнее время бетоны с компенсированной усадки стали лидирующим материалом для строительства торговых и жилых комплексов, где используются новаторские строительные технологии и нестандартные архитектурные решения.

Бетоны с компенсированной усадкой: можно работать без гидроизоляции

Бетоны с компенсированной усадкой производятся с использованием стандартного заполнителя портландцементов и расширяющих добавок. Эти вещества вводятся в сырье как на самом производстве в ходе приготовлений бетонных смесей, так и на самой строительной площадке с помощью бетоносмесителя. Стоит отметить, что принцип изготовления бетонов с компенсированной усадкой и работы с их помощью не имеют существенных отличий от работ с помощью обыкновенных бетонов. И здесь обосновано и эффективно применение всех видов добавки из химических веществ, которые рекомендуются при создании бетона с использованием портландцементов. Благодаря этим свойствам бетонов с компенсированной усадкой системы сооружений и конструкций могут выполняться без обязательных гидроизоляционных мероприятий и принимаются квалификационными комиссиями сразу же.

Бетоны широкого назначения, применяются для возведения монолитных конструкций и при выполнении ремонтно-восстановительных работ.

Особенно эффективно применение этого бетона в емкостных, подземных ограждающих конструкциях, полах, покрытиях, в том числе, эксплуатируемых и безрулонных кровлях, где требуется обеспечить водонепроницаемость и трещиностойкость, защиту от агрессивных канцерогенных и радиоактивных воздействий.

В таких бетонах нейтрализовано проявление усадки, что позволяет не только исключить усадочные деформации, но и избежать образования трещин в процессе изготовления бесшовных протяженных монолитных конструкций. Благодаря своей структуре такие бетоны являются водонепроницаемыми, обладают высокой долговечность сооружений, снижая эксплуатационные затраты.

Бетоны напрягающие и с компенсированной усадкой изготавливаются на основе стандартных заполнителей, портландцемента и расширяющей добавки, которую вводят или в процессе приготовления бетонной смеси на заводе или непосредственно в автобетоносмеситель. При этом процесс приготовления бетона и изготовления конструкций принципиально не отличается от обычной технологии бетонных работ. Применимы и эффективны все виды химических добавок, рекомендуемых для бетонов на портландцементе. Конструкции и сооружения, к которым предъявляются требования по водонепроницаемости, выполняются из такого бетона без гидроизоляции и сдаются с первого предъявления.

• ограждающих конструкций подземной части: ЦВЗ «Манеж», библиотеки МГУ, Торгового комплекса «Атриум» на пл. Курского вокзала, международных банков на Новокировском просп., жилых комплексов на Ленинском просп., Руновском пер., Бобровом пер., ул. Малыгина, Семеновской, Гвардейской, ш. Энтузиастов, Кожевнической ул., Лефортовском валу, в г. Видное, п. Коммунарка и др.

• спортивных сооружений: Лужники, Динамо, Сокольники, ККЦ «Крылатское» (г. Москва), открытый стадион с искусственным льдом «Сормово» (г. Н.Новгород)

• полов на мясокомбинатах «Кампомос», «Лианозово», «Микомс», «Велком» и в подземных гаражах Совета Федерации, в Митино, на Автозаводской и др.

• кровель, в т.ч. эксплуатируемых (стилобат), здания Совета Федерации, универмага «Московский», Государственного Кремлевского Дворца и др.

НИИЖБ ОКАЗЫВАЕТ ТЕХНИЧЕСКУЮ ПОМОЩЬ на всех этапах применения бетона от проектирования до строительства.

Дата введения 2015-07-01

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН подразделением Открытого акционерного общества "Научно-исследовательский центр "Строительство" ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона" (ОАО "НИЦ "Строительство" НИИЖБ им.А.А.Гвоздева")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 25 мая 2014 г. N 45)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Минэкономики Республики Армения

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 ноября 2014 г. N 1830-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 32803-2014 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2015 г.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Ноябрь 2019 г.

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге "Межгосударственные стандарты"

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на напрягающие бетоны, предназначенные для создания предварительного напряжения (самонапряжения) в конструкциях зданий и сооружений за счет расширения в процессе твердения для повышения трещиностойкости, водонепроницаемости и долговечности конструкций и устанавливает технические требования к напрягающим бетонам.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ 9.306 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Обозначения

ГОСТ 166 (ИСО 3599-76) Штангенциркули. Технические условия

ГОСТ 577 Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. Технические условия

ГОСТ 5578 Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия

ГОСТ 5781 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия

ГОСТ 6958 Шайбы увеличенные. Классы точности A и C. Технические условия

ГОСТ 7473 Смеси бетонные. Технические условия

ГОСТ 7798 Болты с шестигранной головкой класса точности В. Конструкция и размеры

ГОСТ 8267 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия

ГОСТ 8736 Песок для строительных работ. Технические условия

ГОСТ 10060 Бетоны. Методы определения морозостойкости

ГОСТ 10178 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия

ГОСТ 10180 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам

ГОСТ 10181 Смеси бетонные. Методы испытаний

ГОСТ 11371 Шайбы. Технические условия

ГОСТ 12730.1 Бетоны. Методы определения плотности

ГОСТ 12730.5 Бетоны. Методы определения водонепроницаемости

ГОСТ 13015 Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения

ГОСТ 17624 Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности

ГОСТ 17711 Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки

ГОСТ 18105 Бетоны. Правила контроля и оценки прочности

ГОСТ 22690 Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля

ГОСТ 23732 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия

ГОСТ 24211 Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия

ГОСТ 25192 Бетоны. Классификация и общие технические требования

ГОСТ 25820 Бетоны легкие. Технические условия

ГОСТ 26633 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия

ГОСТ 27006 Бетоны. Правила подбора состава

ГОСТ 28570 Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций

ГОСТ 30108 Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов

ГОСТ 30515 Цементы. Общие технические условия

ГОСТ 31108 Цементы общестроительные. Технические условия

ГОСТ 32496 Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 напрягающий бетон: Бетон, содержащий напрягающий цемент или расширяющую добавку, обеспечивающие расширение бетона в процессе его твердения.

3.2 самонапряжение бетона: Величина предварительного напряжения бетона, создаваемого в результате расширения бетона в условиях упругого ограничения деформаций.

3.3 марка напрягающего бетона по самонапряжению: Среднее значение предварительного напряжения сжатия (самонапряжения) напрягающего бетона, МПа, в возрасте 28 сут, создаваемого в результате его расширения в условиях упругого ограничения деформаций, с жесткостью, соответствующей жесткости стальной арматуры при коэффициенте осевого продольного армирования 0,01 и модуле упругости 2·10 МПа.

3.4 расширяющие добавки РД: Минеральная добавка, применяемая для приготовления напрягающих бетонов.

3.5 напрягающий цемент: Минеральное вяжущее вещество, обеспечивающее при твердении бетонов в условиях упругого ограничения деформаций регулируемое самонапряжение.

3.6 линейное расширение: Увеличение линейных размеров стандартного образца.

4 Классификация

4.1 В соответствии с ГОСТ 25192 устанавливают следующие виды напрягающего бетона:

- тяжелые напрягающие бетоны;

- легкие напрягающие бетоны.

В зависимости от значения контролируемого самонапряжения (см. 5.1.3) напрягающие бетоны подразделяют на следующие виды:

- БН - бетон с нормируемой маркой по самонапряжению, изготовленный на основе напрягающего бетона;

- БК - бетон с компенсированной усадкой, изготовленный на основе портландцемента и расширяющей добавки.

4.2 Условное обозначение бетонных смесей, предназначенных для напрягающих бетонов, принимают по ГОСТ 7473 со следующими дополнениями.

Для бетона с нормируемой маркой по самонапряжению марку по самонапряжению указывают после марки по водонепроницаемости.

Пример условного обозначения бетонной смеси для бетона с нормируемой маркой по самонапряжению Sp1,2, класса прочности на сжатие В40, марки по удобоукладываемости П4, марки по морозостойкости , марки по водонепроницаемости W18:

БСТ БН В40 П4 W18 Sp1,2 ГОСТ 32803-2014.

Допускается для бетона с компенсированной усадкой марку по самонапряжению не указывать.

Пример условного обозначения бетонной смеси для бетона с компенсированной усадкой, класса прочности на сжатие В25, марки по удобоукладываемости П3, марки по морозостойкости , марки по водонепроницаемости W16: