Экспресс-методы против морозной деструкции бетона
Сообщение доктора технических наук Николая Блещика (БГПА, БелНИИС) "Проблемы технологии бетона в современном строительстве", сделанное им 11 октября на международной научно-технической конференции "Пространственные конструктивные системы зданий и сооружений, методы расчета, конструирования и технология возведения"
Главной чертой современного строительства является отход от тенденции возведения типовых зданий, часто предусматривающего сборку из стандартных элементов заводского производства.
Все чаще здания различного назначения возводятся по индивидуальным проектам, поэтому приходится иметь дело с большим разнообразием конструктивных схем. Во всех случаях, идет ли речь о каркасной или же бескаркасной системах, главное - обеспечить свободную планировку помещений и удовлетворить все возможные запросы заказчиков и потребителей.
Еще одна характерная черта - наличие во всех новых системах большого количества монолитного бетона (как в сборно-монолитных каркасных системах, так и в монолитных бескаркасных с внутренними поперечными несущими стенами и большим, до 12 м, шагом этих стен).
Монолитный же бетон, как известно, характеризуется низкими темпами набора прочности в условиях стройплощадки. Именно поэтому монолитный бетон не мог конкурировать со сборным по темпам возведения зданий.
Как известно, сокращение сроков строительства также является одним из первостепенных требований современного строительства. Все тендеры, выигранные строительными организациями Беларуси, в особенности гомельским стройтрестом №27, были выиграны прежде всего за счет обеспечения сжатых сроков строительства.
Распалубочная прочность монолитного бетона должна достигать 70 (а при больших пролетах - 80)%. Для этого при обычных подходах он должен выдерживаться в опалубке не менее 14 суток.
Каркасное строительство требует применения высокопрочных бетонов. К примеру, колонны должны проектироваться из бетона классов Б40-Б80. Нагрузки на колонны каркасных систем велики, но понятно, что развитие сечения колонн или перенасыщение их арматурой ведет к увеличению стоимости строительства.
Для укладки в стеновые опалубки несущих стен бескаркасных зданий требуются весьма подвижные (а то и литые) бетонные смеси. Если в опалубки колонн и ригелей каркасных систем можно укладывать умеренно подвижные смеси с осадкой конуса 6-7 см, то в данном случае нужны практически литые бетонные смеси с осадкой конуса выше 20 см, а то и такой подвижности, которую вообще невозможно измерить по методу осадки конуса - нужны другие приемы оценки удобоукладываемости бетонной смеси. В данном случае для восприятия нагрузок достаточно класса бетона Б20-Б25 (даже при возведении 14-этажных зданий).
Укладка подобных смесей должна быть по возможности безвибрационной, так как уплотнение бетонной смеси в опалубке высотой 3 м с помощью вибробулавы трудоемко и малоэффективно.
Обе задачи - получение литых бетонных смесей и безвибрационной их укладки - сегодня решаются как в отделе технологии бетона БелНИИС, так и в БГПА. Это удается при условии использования закономерностей физико-химической механики и композиционных материалов.
Ранее для решения подобных задач варьировалось водоцементное отношение. Сегодня требуется более глубокое изучение структуры и свойств бетона с позиций физико-химической механики. Должны быть учтены особенности процесса гидратации того или иного цемента, используемого в сочетании со всевозможными химическими добавками (пластификаторами, ускорителями и замедлителями твердения). Нужно изучить характер капиллярно-пористой структуры бетона в зависимости от степени гидратации и исходного количества воды затворения, ведь именно от вида этой структуры зависят все свойства бетона - как высокопрочного, так и литого.
Исходя из результатов широкого комплекса исследований, были получены в заводских условиях железобетонные изделия марки до 1000 (соответственно бетоны класса Б60), а в условиях стройплощадки - конструкции марки до 700 (классБ45-Б50). Первое было освоено на Барановичском ЗЖБК, второе - гомельским АСМТ-27.
Таким образом, сегодня проектировщики, основываясь на достигнутых результатах, могут закладывать в проекты бетоны вышеназванных классов.
Цементы при этом используются самые что ни на есть рядовые, производства белорусских заводов, например, завода "Красносельскцемент".
Говоря же о химических добавках, следует в первую очередь назвать суперпластификаторы, способствующие оптимизировать содержание в смеси воды без ущерба, с одной стороны, для ее подвижности, с другой, для ее прочности.
Выпускаемая Новополоцким заводом БВК добавка СПС пластифицирует несколько хуже российской С3, однако по темпам набора прочности превосходит ее.
Что касается ускорителей твердения, то у западных фирм есть немало дорогостоящих предложений. Все они раз в 10 дороже применяемых в Беларуси природных рассолов, которые добываются в Речицком районе Гомельской области из нефтяных скважин как сопутствующий продукт. Это природная минеральная вода, и наличие в ней минералов, которых насчитывается более 40, сильно способствует укорению твердения бетона. (Особенно на ранней стадии, что важно для обеспечения набора распалубочной прочности.) В течение 2-3 суток бетон в опалубке набирает 70-80% проектной прочности, что значительно увеличивает оборот опалубок и ускоряет строительство воздвигаемых с их помощью зданий и сооружений.
Эта добавка является также противоморозной. Если она введена, то до достижения наружным воздухом температуры-15°С бетон, хотя и медленно, продолжает твердеть. Рекомендуется использовать ее до температуры-10°С без дополнительного прогрева бетона. При более низких температурах требуется незначительно прогреть бетон. С помощью электропрогрева его температура доводится до 25-30°С, после чего бетон укрывается, и таким образом обеспечивается набор им распалубочной прочности в зимний период в течение 7 суток.
Для литых бетонных смесей характерно повышенное содержание воды, прочность конструкций, сооружаемых с их помощью, меньше прочности каркасов, и этим смесям также нужны ускорители твердения.
В этих смесях (а порой в малоподвижных смесях для получения высокопрочных конструкций), помимо пластификаторов, применяются тонкодисперсные минеральные добавки. Это различные отходы белорусской промышленности - доломитовые, отходы металлургической промышленности. Применение их способствует экономии бетона и внедрению безвибрационной укладки (только в насыщенных арматурой узлах требуется кратковременная - примерно пятисекундная - вибрация через арматуру).
Обычный метод проектирования состава бетона в данном случае также неприемлем. При современных темпах строительства на первый план выступает необходимость обеспечения в заданные сроки и при заданных температурно-влажностных условиях набора бетоном распалубочной прочности. И, разумеется, проектной не меньше заданной в ПСД.
Поэтому порой приходится, идя навстречу требованиям подрядчика, увеличивать расход цемента на 5-10% в зависимости от конкретных условий.
Если же речь идет о заводском изготовлении, то помимо распалубочной и проектной необходимо обеспечить также отпускную прочность бетона.
Современные методики проектирования бетонной смеси, предусматривающие использование компьютеров, предоставляются БелНИИС всем проектным и подрядным организациям, сотрудничающим с институтом.
Понятно, что помимо прочностных показателей бетона, нужно обеспечивать долговечность железобетонных конструкций. Опыт эксплуатации различных сооружений показал, что иногда конструкции выходят из строя не по причине потери прочностии или устойчивости, а вследствие морозной деструкции бетона. Данная проблема становится все более актуальной. Причем речь идет о конструкциях, подверженных не только постоянному атмосферному воздействию, но и временному. Это могут быть, например, несущие конструкции при низких темпах строительства (особенно промзданий).
В проектах прошлых лет можно было встретить требования по морозостойкости в 50-60 циклов. И сейчас во все нормативные документы вводятся повышенные требования по морозостойкости бетона. Из-за морозной деструкции защитного слоя железобетонной конструкции оголяется арматура, далее следуют ее коррозия и в итоге - авария.
В настоящее время Республиканский технический комитет по бетону и железобетону, возглавляемый Николаем Блещиком, работает в направлении повышения требований к морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Это коснулось и бортовых камней, и тротуарных, и балконных плит. И в дальнейшем можно ожидать ужесточения соответствующих нормативных требований.
Известно, что в заводских условиях обеспечить испытание бетона на морозостойкость по действующим стандартам можно лишь по достижении им возраста 28 суток. После этого следует осуществить, например, 200 циклов замораживания-оттаивания бетонных образцов.
Не на каждом заводе есть такая возможность (и тем более не на каждой стройплощадке). Нужно везти образцы в спецлабораторию. В итоге можно потерять до 2 месяцев, а заводу нужно выпускать продукцию (а подрядной организации - сдавать объект). Поэтому часто бывает так: при освоении производства бетон испытывается на морозостойкость в аккредитованной лаборатории, получает паспорт, подтверждается же этот паспорт не чаще раза в полгода.
Весь же промежуточный период выпускается никак не контролируемая продукция.
В свое время считалось, что можно следить за такой характеристикой бетона, как водопоглощение. Причем не в процессе приемосдаточных мероприятий.
Все это ведет к появлению значительного количества некачественной продукции.
Еще один резон ужесточить стандарт связан с тем, что осенью, когда температура еще плюсовая, существующими нормами допускается распалубливание бетона при достижении им 70% проектной прочности. Если назавтра внезапно случается мороз, то эта 70%-ная прочность остается на всю зиму.
Такой бетон не морозостоек. Поэтому в соответствии с ужесточенными нормами как летом, так и зимой прочность сдаваемой дорожной продукции (тротуарные плиты, бортовой камень) должна иметь 90% проектной.
Почему и летом тоже? В жару конструкции 70%-ной прочности омертвляются (процесс гидратации в условиях интенсивного солнечного облучения прекращается, так как из бетона испаряется вся влага). Далее конструкция так и эксплуатируется, оставшись 70%-ной прочности. То есть будучи изготовленной из бракованного бетона.
Поэтому очень нужны надежные экспресс-методы оценки как исходных материалов,так и готового бетона. Ведь очень часто поставляемый цемент сопровождается паспортом, верить которому можно не больше, чем паспорту бетона, речь о котором шла выше.
И БелНИИС был разработан экспресс-метод, позволяющий по одно-, двух- и трехсуточной активности цемента, а также по его минералогии сразу определить активность цемента в 28-суточном возрасте. Если даже цемент прибыл с определенным паспортом, есть возможность в заводской лаборатории в течение трех суток определить его реальную активность (и в соответствии с этим проектировать бетонную смесь).
Такие характеристики, как суточная, двухсуточная и трехсуточная активность цемента, нужны и для решения вышеназванной проблемы интенсивности набора прочности. Бывает, что бетон, изготовленный из цемента активности 500, очень медленно набирает прочность, а изготовленный из цемента активности 400 в силу особенностей минералогического состава последнего прочнеет гораздо быстрее. Поэтому БелНИИС требует обязательно указывать в паспорте поставляемого цемента его активность в суточном, двухсуточном и трехсуточном возрасте.
Разработан также новый стандарт, помогающий определять морозостойкость бетона всего лишь по одному циклу замораживания-оттаивания. Ведь на тех же заводах (не говоря об объектах) нет и таких морозильных камер, которые позволяют, замораживая образцы до -50°С, обходиться 25 циклами вместо 200.
В заводской лаборатории можно заморозить образец всего лишь до -20°С.
С 2002 г. начинается промышленная апробация этого стандарта. При его создании исходили из того, что морозная деструкция обуславливается температурными деформациями цементного камня как при замораживании,так и при последующем оттаивании. Ведь замерзший лед также расширяется при его нагревании до того, как начинается собственно таяние - как обычное твердое тело.
Измеряется водопоглощение бетона и величина его деформации при оттаивании, далее в расчет вводятся эти характеристики и сведения о виде цемента и заполнителей. Таким образом рассчитывается величина деформации самого цементного камня, после чего прогнозируется поведение бетона после 200 или 300 циклов замораживания-оттаивания.
Данная методика разработана пока для тяжелого и мелкозернистого бетона. Идет работа над методиками для легкого бетона и бетона для дорожного строительства.
Располагая такими методиками, специалисты заводских лабораторий могут судить о будущей морозостойкости реальных бетонных и железобетонных конструкций.
То же можно сказать и о водонепроницаемости. Изучая капиллярно-пористую структуру и определяя объемную концентрацию открытых пор, можно судить и об этой характеристике бетона. Для многих конструкций, особенно эксплуатируемых в экстремальных условиях, она является приоритетной. Поэтому была получена простая методика расчета гидроизоляционых растворов на водопроницаемость от 6 до 10 атмосфер (при такой водопроницаемости кровельных и других гидроизоляционных покрытий они вполне работоспособны).Подготовил Владимир ДАНИЛОВ
Главной чертой современного строительства является отход от тенденции возведения типовых зданий, часто предусматривающего сборку из стандартных элементов заводского производства.
Все чаще здания различного назначения возводятся по индивидуальным проектам, поэтому приходится иметь дело с большим разнообразием конструктивных схем. Во всех случаях, идет ли речь о каркасной или же бескаркасной системах, главное - обеспечить свободную планировку помещений и удовлетворить все возможные запросы заказчиков и потребителей.
Еще одна характерная черта - наличие во всех новых системах большого количества монолитного бетона (как в сборно-монолитных каркасных системах, так и в монолитных бескаркасных с внутренними поперечными несущими стенами и большим, до 12 м, шагом этих стен).
Монолитный же бетон, как известно, характеризуется низкими темпами набора прочности в условиях стройплощадки. Именно поэтому монолитный бетон не мог конкурировать со сборным по темпам возведения зданий.
Как известно, сокращение сроков строительства также является одним из первостепенных требований современного строительства. Все тендеры, выигранные строительными организациями Беларуси, в особенности гомельским стройтрестом №27, были выиграны прежде всего за счет обеспечения сжатых сроков строительства.
Распалубочная прочность монолитного бетона должна достигать 70 (а при больших пролетах - 80)%. Для этого при обычных подходах он должен выдерживаться в опалубке не менее 14 суток.
Каркасное строительство требует применения высокопрочных бетонов. К примеру, колонны должны проектироваться из бетона классов Б40-Б80. Нагрузки на колонны каркасных систем велики, но понятно, что развитие сечения колонн или перенасыщение их арматурой ведет к увеличению стоимости строительства.
Для укладки в стеновые опалубки несущих стен бескаркасных зданий требуются весьма подвижные (а то и литые) бетонные смеси. Если в опалубки колонн и ригелей каркасных систем можно укладывать умеренно подвижные смеси с осадкой конуса 6-7 см, то в данном случае нужны практически литые бетонные смеси с осадкой конуса выше 20 см, а то и такой подвижности, которую вообще невозможно измерить по методу осадки конуса - нужны другие приемы оценки удобоукладываемости бетонной смеси. В данном случае для восприятия нагрузок достаточно класса бетона Б20-Б25 (даже при возведении 14-этажных зданий).
Укладка подобных смесей должна быть по возможности безвибрационной, так как уплотнение бетонной смеси в опалубке высотой 3 м с помощью вибробулавы трудоемко и малоэффективно.
Обе задачи - получение литых бетонных смесей и безвибрационной их укладки - сегодня решаются как в отделе технологии бетона БелНИИС, так и в БГПА. Это удается при условии использования закономерностей физико-химической механики и композиционных материалов.
Ранее для решения подобных задач варьировалось водоцементное отношение. Сегодня требуется более глубокое изучение структуры и свойств бетона с позиций физико-химической механики. Должны быть учтены особенности процесса гидратации того или иного цемента, используемого в сочетании со всевозможными химическими добавками (пластификаторами, ускорителями и замедлителями твердения). Нужно изучить характер капиллярно-пористой структуры бетона в зависимости от степени гидратации и исходного количества воды затворения, ведь именно от вида этой структуры зависят все свойства бетона - как высокопрочного, так и литого.
Исходя из результатов широкого комплекса исследований, были получены в заводских условиях железобетонные изделия марки до 1000 (соответственно бетоны класса Б60), а в условиях стройплощадки - конструкции марки до 700 (классБ45-Б50). Первое было освоено на Барановичском ЗЖБК, второе - гомельским АСМТ-27.
Таким образом, сегодня проектировщики, основываясь на достигнутых результатах, могут закладывать в проекты бетоны вышеназванных классов.
Цементы при этом используются самые что ни на есть рядовые, производства белорусских заводов, например, завода "Красносельскцемент".
Говоря же о химических добавках, следует в первую очередь назвать суперпластификаторы, способствующие оптимизировать содержание в смеси воды без ущерба, с одной стороны, для ее подвижности, с другой, для ее прочности.
Выпускаемая Новополоцким заводом БВК добавка СПС пластифицирует несколько хуже российской С3, однако по темпам набора прочности превосходит ее.
Что касается ускорителей твердения, то у западных фирм есть немало дорогостоящих предложений. Все они раз в 10 дороже применяемых в Беларуси природных рассолов, которые добываются в Речицком районе Гомельской области из нефтяных скважин как сопутствующий продукт. Это природная минеральная вода, и наличие в ней минералов, которых насчитывается более 40, сильно способствует укорению твердения бетона. (Особенно на ранней стадии, что важно для обеспечения набора распалубочной прочности.) В течение 2-3 суток бетон в опалубке набирает 70-80% проектной прочности, что значительно увеличивает оборот опалубок и ускоряет строительство воздвигаемых с их помощью зданий и сооружений.
Эта добавка является также противоморозной. Если она введена, то до достижения наружным воздухом температуры-15°С бетон, хотя и медленно, продолжает твердеть. Рекомендуется использовать ее до температуры-10°С без дополнительного прогрева бетона. При более низких температурах требуется незначительно прогреть бетон. С помощью электропрогрева его температура доводится до 25-30°С, после чего бетон укрывается, и таким образом обеспечивается набор им распалубочной прочности в зимний период в течение 7 суток.
Для литых бетонных смесей характерно повышенное содержание воды, прочность конструкций, сооружаемых с их помощью, меньше прочности каркасов, и этим смесям также нужны ускорители твердения.
В этих смесях (а порой в малоподвижных смесях для получения высокопрочных конструкций), помимо пластификаторов, применяются тонкодисперсные минеральные добавки. Это различные отходы белорусской промышленности - доломитовые, отходы металлургической промышленности. Применение их способствует экономии бетона и внедрению безвибрационной укладки (только в насыщенных арматурой узлах требуется кратковременная - примерно пятисекундная - вибрация через арматуру).
Обычный метод проектирования состава бетона в данном случае также неприемлем. При современных темпах строительства на первый план выступает необходимость обеспечения в заданные сроки и при заданных температурно-влажностных условиях набора бетоном распалубочной прочности. И, разумеется, проектной не меньше заданной в ПСД.
Поэтому порой приходится, идя навстречу требованиям подрядчика, увеличивать расход цемента на 5-10% в зависимости от конкретных условий.
Если же речь идет о заводском изготовлении, то помимо распалубочной и проектной необходимо обеспечить также отпускную прочность бетона.
Современные методики проектирования бетонной смеси, предусматривающие использование компьютеров, предоставляются БелНИИС всем проектным и подрядным организациям, сотрудничающим с институтом.
Понятно, что помимо прочностных показателей бетона, нужно обеспечивать долговечность железобетонных конструкций. Опыт эксплуатации различных сооружений показал, что иногда конструкции выходят из строя не по причине потери прочностии или устойчивости, а вследствие морозной деструкции бетона. Данная проблема становится все более актуальной. Причем речь идет о конструкциях, подверженных не только постоянному атмосферному воздействию, но и временному. Это могут быть, например, несущие конструкции при низких темпах строительства (особенно промзданий).
В проектах прошлых лет можно было встретить требования по морозостойкости в 50-60 циклов. И сейчас во все нормативные документы вводятся повышенные требования по морозостойкости бетона. Из-за морозной деструкции защитного слоя железобетонной конструкции оголяется арматура, далее следуют ее коррозия и в итоге - авария.
В настоящее время Республиканский технический комитет по бетону и железобетону, возглавляемый Николаем Блещиком, работает в направлении повышения требований к морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Это коснулось и бортовых камней, и тротуарных, и балконных плит. И в дальнейшем можно ожидать ужесточения соответствующих нормативных требований.
Известно, что в заводских условиях обеспечить испытание бетона на морозостойкость по действующим стандартам можно лишь по достижении им возраста 28 суток. После этого следует осуществить, например, 200 циклов замораживания-оттаивания бетонных образцов.
Не на каждом заводе есть такая возможность (и тем более не на каждой стройплощадке). Нужно везти образцы в спецлабораторию. В итоге можно потерять до 2 месяцев, а заводу нужно выпускать продукцию (а подрядной организации - сдавать объект). Поэтому часто бывает так: при освоении производства бетон испытывается на морозостойкость в аккредитованной лаборатории, получает паспорт, подтверждается же этот паспорт не чаще раза в полгода.
Весь же промежуточный период выпускается никак не контролируемая продукция.
В свое время считалось, что можно следить за такой характеристикой бетона, как водопоглощение. Причем не в процессе приемосдаточных мероприятий.
Все это ведет к появлению значительного количества некачественной продукции.
Еще один резон ужесточить стандарт связан с тем, что осенью, когда температура еще плюсовая, существующими нормами допускается распалубливание бетона при достижении им 70% проектной прочности. Если назавтра внезапно случается мороз, то эта 70%-ная прочность остается на всю зиму.
Такой бетон не морозостоек. Поэтому в соответствии с ужесточенными нормами как летом, так и зимой прочность сдаваемой дорожной продукции (тротуарные плиты, бортовой камень) должна иметь 90% проектной.
Почему и летом тоже? В жару конструкции 70%-ной прочности омертвляются (процесс гидратации в условиях интенсивного солнечного облучения прекращается, так как из бетона испаряется вся влага). Далее конструкция так и эксплуатируется, оставшись 70%-ной прочности. То есть будучи изготовленной из бракованного бетона.
Поэтому очень нужны надежные экспресс-методы оценки как исходных материалов,так и готового бетона. Ведь очень часто поставляемый цемент сопровождается паспортом, верить которому можно не больше, чем паспорту бетона, речь о котором шла выше.
И БелНИИС был разработан экспресс-метод, позволяющий по одно-, двух- и трехсуточной активности цемента, а также по его минералогии сразу определить активность цемента в 28-суточном возрасте. Если даже цемент прибыл с определенным паспортом, есть возможность в заводской лаборатории в течение трех суток определить его реальную активность (и в соответствии с этим проектировать бетонную смесь).
Такие характеристики, как суточная, двухсуточная и трехсуточная активность цемента, нужны и для решения вышеназванной проблемы интенсивности набора прочности. Бывает, что бетон, изготовленный из цемента активности 500, очень медленно набирает прочность, а изготовленный из цемента активности 400 в силу особенностей минералогического состава последнего прочнеет гораздо быстрее. Поэтому БелНИИС требует обязательно указывать в паспорте поставляемого цемента его активность в суточном, двухсуточном и трехсуточном возрасте.
Разработан также новый стандарт, помогающий определять морозостойкость бетона всего лишь по одному циклу замораживания-оттаивания. Ведь на тех же заводах (не говоря об объектах) нет и таких морозильных камер, которые позволяют, замораживая образцы до -50°С, обходиться 25 циклами вместо 200.
В заводской лаборатории можно заморозить образец всего лишь до -20°С.
С 2002 г. начинается промышленная апробация этого стандарта. При его создании исходили из того, что морозная деструкция обуславливается температурными деформациями цементного камня как при замораживании,так и при последующем оттаивании. Ведь замерзший лед также расширяется при его нагревании до того, как начинается собственно таяние - как обычное твердое тело.
Измеряется водопоглощение бетона и величина его деформации при оттаивании, далее в расчет вводятся эти характеристики и сведения о виде цемента и заполнителей. Таким образом рассчитывается величина деформации самого цементного камня, после чего прогнозируется поведение бетона после 200 или 300 циклов замораживания-оттаивания.
Данная методика разработана пока для тяжелого и мелкозернистого бетона. Идет работа над методиками для легкого бетона и бетона для дорожного строительства.
Располагая такими методиками, специалисты заводских лабораторий могут судить о будущей морозостойкости реальных бетонных и железобетонных конструкций.
То же можно сказать и о водонепроницаемости. Изучая капиллярно-пористую структуру и определяя объемную концентрацию открытых пор, можно судить и об этой характеристике бетона. Для многих конструкций, особенно эксплуатируемых в экстремальных условиях, она является приоритетной. Поэтому была получена простая методика расчета гидроизоляционых растворов на водопроницаемость от 6 до 10 атмосфер (при такой водопроницаемости кровельных и других гидроизоляционных покрытий они вполне работоспособны).Подготовил Владимир ДАНИЛОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 39 за 2001 год в рубрике бетон
