Самоуплотняющиеся бетоны, реальность и перспективы

Что такое самоуплотняющийся бетон?

Самоуплотняющийся бетон (СУБ, в англоязычной литературе — SCC) — это высокоподвижный, нерасслаивающийся бетон, который растекается по котловану, заполняет опалубку и обволакивает арматуру без каких-либо механических усилий. Подвижность СУБ измеряется в терминах растекаемости с помощью теста ASTM C 143. Растекаемость (подвижность) СУБ обычно колеблется от 45,5 до 81 см в зависимости от требований проекта. Вязкость, которая визуально определяется как скорость растекания смеси — это важная характеристика пластичного СУБ, которая может быть проконтролирована на этапе замеса, чтобы подойти под конкретный тип возводимого объекта.

Что такое СУБ

Самоуплотняющийся бетон – это вид стройматериала, способный уплотняться под тяжестью собственной массы, равномерно наполнять опалубку. Наиболее часто применяется в ходе работы со сборным железобетоном, в строительстве прочных бесшовных перекрытий и при торкрет-бетонировании.

По своему составу данный материал – водо-песчаная смесь с разного рода ингредиентами, предназначенными для придания бетону характерных полезных качеств, в том числе:

прочность;
ускоренное затвердевание;
долгий срок службы.

ПОЧЕМУ используется СУБ?

Некоторые преимущества использования СУБ:

Может быть уложен быстрее, без механического вибрирования и с меньшим выравниванием, что выливается в экономии затрат на заливку (составители рекомендации упускают из вида, что самоуплотняющийся бетон может съесть всю эту экономию за счёт своей более высокой стоимости — прим. перев.)
Улучшенная и более однородная архитектурная поверхность с минимумом исправительных работ или вовсе без них.
Легкость заполнения загражденных и труднодоступных областей. Недоступная при использовании обычного бетона возможность создать структурные и архитектурные формы и поверхности.
Повышенное обволакивание арматуры и улучшенная прочность взаимодействия с ней.
Повышенная способность к прокачиванию.
Повышенная равномерность залитого бетона за счет уменьшения ручной работы по выравниванию.
Уменьшение затрат на рабочих.
Ускорение строительства и, как следствие, экономия затрат.
Более короткий период оборота миксера позволяет заводу более эффективно обслуживать объект.
Уменьшение или отказ от вибрирования, позволяющее избежать или уменьшить уровень шума, что увеличивает продолжительность рабочего дня в городской застройке.
Минимизация перемещения миксеров и насосов по стройплощадке.
Увеличение уровня безопасности на стройплощадке из-за отказа от уплотнения.

Что в него добавляют

Для придания бетону нужных свойств во время его смешивания профессионалы советуют применять некоторые добавки:

песок и мелкий щебень. Но следует помнить, что наряду с приростом прочности материал становится более вязким;
заметно прочнее сделать СУБ, а также предотвратить коррозию арматуры и образование микротрещин в материале помогут микро- и ультрадисперсные наполнители. Их надлежит отмерять строго по рецепту и сообразно объему СУБ в каждой конкретной ситуации.

КАК изготавливается СУБ?

У самоуплотняющегося бетона в его пластичном состоянии есть 2 важные характеристики: растекаемость и сохраняемость. Высокая растекаемость обычно достигается добавлением заменяющих воду добавок (HRWR), и уменьшением объема воды в смеси. Сохраняемость, или сопротивление расслоению пластичной бетонной смеси достигается увеличением объема мелкого заполнителя в смеси (через увеличение содержания цементирующего компонента или использованием минеральных заполнитей) и с помощью добавок для увеличения вязкости. Такие добавки особенно полезны, когда соотношение заполнителей нельзя поменять. Надлежащее распределение заполнителей в смеси позволяет достичь самоуплотняющихся характеристик с меньшим расходом вяжущего или добавок. Хотя СУБ можно замесить на заполнителях крупностью до 38 мм, ее легче сделать и контролировать с меньшим размером заполнителей. Контроль влажных заполнителей критически важен для получения качественной смеси. СУБ обычно имеют относительно больше (цементного) теста, меньше крупного заполнителя и больше мелкого заполнителя, чем обычная смесь (таким образом, смесь можно назвать жирным бетоном — прим. перев.)

Важно обеспечить растекаемость смеси при ее выгрузке на строительной площадке. Высокая температура, длинное плечо доставки и задержки на стройплощадке могут вызвать снижение растекаемости, что нивелирует преимущества использования СУБ. Добавление воды на стройплощадке не всегда возвращает утраченную растекаемость, но может вызвать проблемы с сохраняемостью смеси (не говоря о проблемах с прочностью — прим. перев.)

Из-за потенциальной утечки смеси не рекомендуется перевозить СУБ высокой растекаемости в полностью загруженных миксерах. Если это всё-таки необходимо сделать, лучше перевозить смесь уменьшенной растекаемости и добавить заменяющие воду добавки (HRWR) непосредственно на стройплощадке. Нужно быть осторожным, чтобы удержать сохраняемость смеси и минимизировать забивание стрелы насоса при прокачке и укладке в труднодоступные места. Опалубка должна выдерживать высокое давление смеси. В более высоких элементах СУБ может быть размещен в подъемниках. Как только бетон залит, он не должен расслаиваться или выделять воду.

По аналогии с обычными смесями, для самоуплотняющегося бетона могут использоваться специальные добавки для достижения определенных характеристик в проектном возрасте. Если самоуплотняющаяся смесь спроектирована с увеличенным вяжущим или мелким заполнителем, может возникнуть увеличение в объеме усадки.

Бетон, который течет и уплотняется сам

Используя устаревшие материалы и методы возведения зданий и сооружений, а также неквалифицированный персонал, невозможно обеспечить технический прогресс в строительстве.

Что же делать? Как же обеспечить у нас в современных условиях надлежащее качество строительства? Ответ прост: только благодаря использованию новых технологий и современных строительных материалов, а также благодаря постоянному контролю качества исходного сырья и материалов (прежде всего бетонной смеси и ее компонентов) можно обеспечить в современных условиях высокое качество строительства. Необходимо срочно наверстывать упущенное, осваивать работу с новыми материалами и современным оборудованием, уделять внимание повышению квалификации персонала, начиная уже со студенческой аудитории.

В России почти половина зданий строится на основе монолитного и сборно-монолитного способа. Установка арматурных каркасов и опалубки, доставка, укладка и уплотнение бетонной смеси с последующим уходом за ней являются сейчас основными компонентами процесса возведения зданий и сооружений. А можно ли сейчас у нас упростить и удешевить этот процесс без ущерба для качества строительства, например: исключив процесс вибрирования бетонной смеси? Ответ прост: можно, за счет использования самоуплотняющегося бетона, который уже около 25 лет успешно используется на строительных площадках во всем мире.

Самоуплотняющийся бетон — это бетон, который без воздействия на него дополнительной внешней уплотняющей энергии, самостоятельно под воздействием собственной массы течет, освобождается от содержащегося в нем воздуха и полностью заполняет пространство между арматурными стержнями и опалубкой. Самоуплотняющийся бетон содержиттакой же остаточный объем пор, как и «вибрированный» бетон.

История и исследования самоуплотняющегося бетона

История самоуплотняющегося бетона началась в Японии в 1990 году. Там профессором Хайимой Окамурой было создано и внедрено в практику новое поколение добавок к бетону, а именно высокоэффективные добавки для улучшения текучести на базе полиакрилата и поликарбоксилата. Ему удалось создать бетон, имеющий высокую пластичность и низкое содержание воды. Кроме Окамуры в создании и развитии самоуплотняющегося бетона принимали участие профессора К. Маекава и Кацумаса Озава.

Благодаря уникальным свойствам и преимуществам этого бетона он быстро распространился в направлении Западной Европы. Вначале этот бетон использовался на предприятиях, производивших готовые железобетонные изделия. Затем самоуплотняющийся бетон начинает активно использоваться в качестве так называемого «транспортного бетона», т.е. бетона, который доставляется и укладывается непосредственно на строительной площадке.

Дальнейшие активное развитие и изучение свойств самоуплотняющегося бетона происходило в Германии. Так, в Институте строительных исследований в городе Аахен (Германия) в 2000 и 2001 годах под руководством профессора Вольфганга Брамесхубера по заказу после тщательного изучения его свойств, были созданы первые предпосылки для официального допуска и распространения этого материала по всей Европе. Исследования, проведенные в Аахене, показали, что прочность на сжатие самоуплотняющегося бетона, как правило, выше, чем у обычного «вибрируемого» бетона, а прочность на раскалывание, статический модуль упругости, усадка и ползучесть самоуплотняющегося бетона была такой же. Кроме того, этот материал обладал прекрасными свойствами по водонепроницаемости и, таким образом, был официально допущен и рекомендован для использования при сооружении водонепроницаемых сооружений. Материал получил название «DyckerhoffLiquidur» и стал активно распространяться по строительным площадкам Европы вследствие своих уникальных свойств.

Последним шагом по расширению распространения самоуплотняющегося бетона в Западной Европе было издание в Берлине «Немецким комитетом по железобетону» в ноябре 2003 года нормативного документа «DAfStb-Richtlinie Selbsverdichtender Beton (SVB-Richtlinie)». В этом нормативном документе на 41 странице подробно изложены термины и связи с другими европейскими нормативными документами, а также методы диагностики самоуплотняющегося бетона. Таким образом, после выхода этого нормативного документа самоуплотняющийся бетон официально допущен и разрешен к использованию в Европе, без необходимости каких либо дополнительных разрешений, согласований и допусков.

С 2003 года немецкий производитель лабораторного оборудования — компания TESTING Bluhm&Feuerherdt GmbH начала серийно производить и поставлять своим клиентам необходимое лабораторное оборудование для диагностики СУБа. Методы испытания самоуплотняющегося бетона в строительной лаборатории на русском языке подробно описаны в монографии автора данной статьи: “Европейские методы физико-механических испытаний бетона”, вышедшей в Харькове в 2010 году.

Состав самоуплотняющегося бетона

Состав компонентов смеси для приготовления самоуплотняющегося бетона осуществляется, как правило, по японскому методу, разработанному профессором Окамурой. Концепция этой рецептуры базируется на повышении доли мелких пылевидных частиц. Рецептуры самоуплотняющегося бетона по профессору Окамуре базируются на следующих граничных условиях:

насыпной объем заполнителя крупной фракции должен быть не более 50% объема бетона;
объемная часть песка в растворе должена составлять 40%.

При оптимизации состава самоуплотняющегося бетона возникают, как правило, следующие вопросы:

Каким образом подобрать оптимальное количество песка?
Действительно ли необходимо большое количество цемента?
Какое влияние оказывают различные наполнители смеси (зольная пыль и молотый известняк)?
Какое количество крупной фракции заполнителя можно использовать?

Состав и виды самоуплотняющегося бетона постоянно развиваются. Так, к примеру, в 2003 году в Германии был получен допуск на использование легкого самоуплотняющегося бетона. Несмотря на низкую плотность в незатворенном состоянии, равную 1,38 кг/дм3, этот бетон обладает прекрасной подвижностью и способностью самоуплотняться. Механические свойства этого бетона аналогичны свойствам обычного бетона.

Свойства самоуплотняющегося бетона

Анализ самых последних исследований, проведенных в Японии, Германии и Швеции, дает возможность представить свойства самоуплотняющегося бетона. В своем большинстве они во многом совпадают со свойствами обычного бетона. Путем комбинирования компонентов самоуплотняющийся бетон может быть запроектирован как бетон с обычной прочностью, так и как высокопрочный бетон.

Прочность на сжатие

При аналогичном содержании цемента и водоцементном соотношении самоуплотняющийся бетон обладает более высокой прочностью на сжатие за счет более плотного состава смеси.

Прочность на растяжение

При аналогичных показателях по прочности на сжатие самоуплотняющийся бетон имеет незначительно более высокую прочность на растяжение по сравнению с обычным бетоном.

Связь бетон/арматура

Вследствие того, что самоуплотняющийся бетон обладает хорошей подвижностью и сцеплением между отдельными частицами, он обладает хорошими свойствами образования плотного соединения с арматурными стержнями. При этом расположение арматуры (верхний или нижний ряд стержней) не имеет никакого значения.

Модуль упругости

Модуль упругости самоуплотняющегося бетона примерно на 15% ниже, чем у обычного бетона. Это связано с повышенным содержанием мелких пылевидных частиц в бетонной смеси и пониженным содержанием крупной фракции заполнителя по сравнению с обычным бетоном.

Усадка

Усадка бетона всегда связана с количеством цементного теста в бетоне. Так как содержание цементного теста у самоуплотняющегося бетона незначительно отличается от обычного, то оба бетона имеют примерно одинаковую усадку.

Качество поверхности

Поверхность самоуплотняющегося бетона до мельчайших подробностей повторяет поверхность опалубки. Таким образом, при использовании современных видов опалубок можно сразу получить идеально гладкую и ровную поверхность.

Преимущества самоуплотняющегося бетона

Преимущества самоуплотняющегося бетона по сравнению с другими традиционными видами бетона можно условно разделить по группам и представить следующим образом:

Для заказчика: более высокая безопасность капиталовложений за счет:

создания строительных конструкций, имеющих высокую прочность и в которых исключены дефекты, вызванные с ошибками при уплотнении бетонной смеси,
сокращения продолжительности строительства.

Для архитектора: более широкий выбор форм конструкций и возможности приданию конструкции определенного заданного внешнего вида за счет:

особой гладкой и плотной наружной поверхности бетона, которая в точности повторяет форму и поверхность опалубки,
опалубки различной формы и структуры,
возможности создания любой геометрии бетонируемой конструкции.

Для проектировщика: свободный выбор геометрии конструкций, обеспечения ее долговечной эксплуатации и упрощение разработки проекта производства работ за счет:

упрощения работ по бетонированию (отпадает необходимость в уплотнении),
возможности более плотного расположения арматурных стержней,
плотного сцепления арматуры с бетоном и проникновению бетона в самые труднодоступные места в опалубке,
возможности подачи бетона непосредственно через опалубку, например, через отверстие в нижней ее части,
более простой и менее массивной конструкции опалубки (из-за отсутствия процесса вибрирования бетона на опалубку не воздействуют дополнительные динамические и статические нагрузки).

Для строительной фирмы, выполняющей работы на площадке: более безопасное ведение строительных работ и сокращение затрат на зарплату персонала за счет:

возможности укладки за смену большего объема бетона,
отсутствия необходимости уплотнения бетона и за счет этого исключения ошибок, которые могли бы возникнуть при его уплотнении,
возможности работы персонала в более безопасных условиях при бетонировании,
самостоятельного растекания бетонной смеси по всей конструкции,
исключения возможности расслоения бетонной смеси,
отсутствия шума и вибрации, негативно воздействующих как на персонал, так и на проживающих рядом со строительной площадкой людей.

Экономичность и перспективы использования самоуплотняющегося бетона

Проанализировать экономичность самоуплотняющегося бетона можно на основе уже имеющегося европейского опыта использования этого вида бетона. К примеру, в Германии в литературе можно найти следующие данные:

Если сравнивать цены, то самоуплотняющийся бетон вследствие своего модифицированного состава и стоимости отдельных компонентов бетонной смеси дороже обычного бетона аналогичного вида. Разница в цене составляет от 13 до 18 Евро за 1 кубический метр. Эта удорожание бетона компенсируется экономией средств при его укладке и благодаря целой группе других преимуществ этого бетона (см. предыдущий раздел).

Анализ работ по бетонированию в Германии показал, что за счет того, что отпадает необходимость в уплотнении бетонной смеси на строительной площадке, экономия средств за счет использования самоуплотняющегося бетона при бетонировании отдельных строительных конструкций может составлять от 3 до 6 Евро за конструкцию. Кроме того, необходимость уплотнения бетона, например, при бетонировании колонн и опор, вызывает необходимость частых перерывов при подаче бетонной смеси, а при использовании самоуплотняющегося бетона такие перерывы исключены.

Олег Болотских,

доцент кафедры Технологии строительного производства и строительных материалов Харьковского НациональногоУниверситета городского хозяйства им. А. Н. Бекетова, доктор-инженер; e-mail: [email protected]

Этот материал опубликован в сентябрьском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать здесь.

КАК тестировать СУБ?

Для проверки пластичных свойств СУБ есть несколько процедур. Тест на растекаемость, с использованием обычного конуса, является самым популярным «полевым» тестом, зафиксированном ASTM (Американским Обществом Тестирования и Материалов). Конус наполняется бетоном без уплотнения, поднимается, и измеряется расплыв. Расплыв может составлять от 45 до 81 см. Сопротивление расслаиванию может быть проверено с помощью индекса визуальной сохраняемости (VSI). Это измерение проводится на базе, наблюдается ли вода на верхнем слое или скученность в центре. Значения индекса изменяются от 0 для высокосохраняемого состояния до 3 для неприемлемой сохраняемости.

Вязкость смеси может быть измерена при тестировании растекаемости с помощью конуса. Для этого нужно измерить время, которое требуется смеси для растекания на 50 см с момента поднятия конуса. Это называется измерением Т50 и обычно имеет значение от 2 до 10 секунд (правда, не понятно, какое значение у самоуплотняющейся смеси со вполне допустимым значением расплыва от 45 до 50 см — прим. перев.). Более высокое значение Т50 означает более вязкую смесь, более подходящую для объектов с усиленным армированием и глубоких котлованов. Меньшие значениеТ50 подходят для случаев, когда требуется растекание смеси на большое расстояние по горизонтали без препятствий.

Для предварительной оценки смеси используются тесты U-box и L-box, когда бетон заливается в одну часть коробки, а затем открывается перегородка, и измеряется способность бетона заполнить вторую часть коробки, содержащую арматуру. Вариантом теста с конусом является J-ring, когда вокруг конуса размещают армированную структуру, и с поднятием конуса измеряется способность СУБ растекаться без расслоения. Все эти тесты измеряют способность СУБ преодолевать густое армирование. Другой стандартный тест — это колонный тест, в котором измеряется содержание крупного заполнителя на разной высоте залитой колонны как показатель сохраняемости (сопротивления расслоению).

КАК заказывать и уточнять характеристики СУБ?

При заказе и/или уточнении характеристик СУБ следует принять во внимание конечную сферу применения бетона. Производители бетона обычно имеют разработанные пропорции в зависимости от применения. Требуемая растекаемость основывается на типе конструкции, способе заливки, сложности конфигурации опалубки и армирования. Комитет ACI 237 завершает составление документа, в котором будут подготовлены рекомендации к расплыву смеси в зависимости от конечного применения. Это позволит достичь самоуплотняемости легко, с требуемой сохраняемостью смеси и по минимальной стоимости. Требования к затвердевшему бетону должны составляться профессионалом на основании требований по нагрузке к структуре. В большинстве случаев, требования по прочности совпадают с требованиями к обычному бетону. В зависимости от требований к каждому конкретному проекту, конкретные требования к СУБ могут выдвигаться только после того, как четко определены требования к бетону в пластичном и затвердевшем состоянии.

Где может использоваться

Конечно же, иногда самоуплотняющиеся смеси могут применяться для заливки разного рода конструкций и в частном домостроении. Но сегодня такой бетон используется в большинстве случаев все же строительными организациями.

Материал этот для России еще достаточно новый. На настоящий момент даже пока не разработано отечественной классификации такого средства. Ориентируются строители в РФ при применении самоуплотняющихся бетонов на евронормы. Однако некоторые документы, регламентирующие использование этого материала, и ГОСТы в отношении него созданы у нас в стране уже и сегодня.

Относится это, к примеру, к сфере применения самоуплотняющихся бетонов. Согласно нормативам СНиП, в промышленном строительстве такие смеси допускается и рекомендуется применять:

при производстве сборных железобетонных конструкций;
при возведении гидротехнических сооружений;
при заливке конструкций, к прочности которых предъявляются особые требования;
для заливки объектов сложной архитектурной формы;
при производстве кирпича лего;
для возведения конструкций, имеющих малую толщину (ограждений, простенков и пр.).

Также такие смеси очень часто применяются для заливки прочных бесшовных полов в том случае, если они в последующем будут подвергаться серьезным нагрузкам (в цехах с тяжелыми станками и оборудованием, в гаражах спецтехники и т. д).

Очень часто самоуплотняющийся бетон используется и в реставрационных работах. Применяют его в данном случае, к примеру, при торкретировании.

Смотреть галерею