Самоуплотняющийся бетон — долгожданное решение

Самоуплотняющийся бетон (СУБ) для многих являетсявеличайшим достижением в области строительства за многие десятилетия. Основнойпричиной его разработки являлась необходимость улучшения качества бетонныхсооружений. СУБ был разработан в Японии в конце 1980-х годов, и сейчас он регулярноиспользуется во всем мире в больших количествах. СУБ меняет устоявшиеся понятияматериаловедения бетонов и повышает производительностьв бетонном строительстве. Кроме того, он привносит значительныепреимущества в отношении экологического аспекта строительства. Главным отличиемСУБ от обычного бетона является его исключительная способность к деформации безмеханического вмешательства. Высокая деформируемость и устойчивость(сопротивление сегрегации) позволяет СУБ свободно проходить через густоеармирование и заполнять формы под собственным весом, без вибраций и сегрегации.Принято считать, что физико-механические свойства затвердевшего СУБ такие же,как и у обычного бетона с тем же водо-вяжущим отношением, но в то же время, СУБобладает более высокими эксплуатационными характеристиками, такими какпрочность и долговечность. Улучшение производственных условий, ускорениепроцесса строительства, снижение необходимости в ремонте бетонных конструкций, повышениезаводская готовность железобетонных изделий и увеличение общейпроизводительности труда являются неотъемлемыми преимуществами технологии самоуплотняющегосябетона.

Основная техника укладки свежего бетона в течение многихдесятилетий оставалась неизменной. Оборудование для транспортировки бетона иприспособления для его уплотнения усложнились и стали более надежными. Специальныедобавки к бетону предоставили возможность лучшего контроля за его характеристиками.Уплотнение бетона выполняется теперь с меньшими усилиями, но основной принципуплотнения при помощи вибрации остался неизменным. Основной проблемой, связаннойс уплотнением бетона вручную, является отсутствие гарантии качества, вособенности сложных конструкций и сооружений, и как результат гарантииэффективного и полного уплотнения бетона в процессе бетонирования. Традиционныеметоды строительства из бетона часто накладывают значительные ограничения наархитекторов и проектировщиков. Другая серьезная проблема связана с влиянием, котороеоказывают традиционные способы укладки бетонов на здоровье и безопасностьработников. Все эти факторы требуют серьезных технических усовершенствованийбетонного строительства с точки зрения обеспечения качества и увеличенияпроизводственной эффективности, равно как и улучшения условий труда.

Внедрение технологии СУБ значительно изменило способыукладки бетона и представило возможности для достижения высоких результатов в технологиистроительства из бетона. Устранение прерывистой механической вибрации позволяетпроизводить бетонные и железобетонные конструкции с более постояннымифизико-механическими свойствами. Общее улучшение производственных условийсказывается на улучшении здоровья работников и их безопасности, что такжеспособствует росту производительности. Другим достоинством технологии СУБ являетсято, что она приносит в строительную индустрию передовые профессиональныезнания, которые не были востребованы ранее.

Почему именно СУБ?

Уплотнение играет важную роль в формировании физико-механическихсвойств затвердевшего бетона. Во время проектирования бетонных конструкций длядостижения необходимых эксплуатационных свойств подразумевается, что бетон будетхорошо уплотнен и однороден в своей массе. Следовательно, целью уплотнения бетонаявляется достижение максимально возможной плотности. Но может ли вибрациягарантировать однородность бетона? Вибрация разжижает растворную составляющуюбетонной смеси, снижая таким образом внутреннее трение между зернамизаполнителя и обеспечивая наилучшее уплотнение крупного заполнителя. Однакоуплотнение при помощи вибрации не является непрерывным процессом (посколькувибрация распространяется с затухающими колебаниями), что приводит к формированиюбетона с неравномерной плотностью и поэтому с неравномерными механическими свойствамии характеристиками долговечности.

Как уже было сказано, СУБ впервые появился в Японии в 1980-хгодах. Отказ от применения вибрации не был основной причиной его разработки,однако исходной точкой стало растущая озабоченность в трудностях обеспечениякачества сложных бетонных конструкций, что напрямую связано с низким качествомуплотнения бетона. Это привело к увеличению затрат на строительство и подверглориску длительность срока службы конструкций. Единственным практическим решениембыло исключить ручное уплотнение бетона вибраторами, применив бетоны, которыемогли бы сами гарантировать полное заполнение формы, безупречное уплотнение иполную инкапсуляцию (обхватывание) всех армирующих стержней.

После проведения фундаментальных исследований иразработок новая технология СУБ была протестирована на практике. В Японииразвитие СУБ было в основном направлено на совершенствование бетонированиясложных конструкций и на создание бетонов для специальных проектов (рис. 1–2).

Рис 1. МостАкаши-Кайкио

Рис 2. LNG, резервуар, газовая компания,Осака

Японские достижения вызвали сильный интерес в Европе, гдеразвитие СУБ началось лишь в середине 1990-х годов. В отличие от Япониидвижущей силой в Европе стала возможность увеличения продуктивности при помощи новойтехнологии. Европейская промышленность сборных бетонных и железобетонныхизделий, где производитель обычно полностью контролирует весь процесс — от сырьевыхматериалов для бетона до доставки конечного продукта, — быстро оценилапреимущества СУБ. Также на европейском рынке производитель бетона иногда беретна себя ответственность за отформованную монолитную конструкцию, а не только засвежий бетон. Первые разработки и применения СУБ в Новой Зеландии начались вначале 2000 года. С того времени было успешно завершено множество проектов. Новсё же СУБ в Новой Зеландии всё еще считается бетоном для особых случаев, когдаобычный бетон не может использоваться успешно и с полной гарантией качества.

Что такое СУБ?

СУБ это не новый материал, скорее, его можно отнести к новомуметоду исполнения бетонных работ. СУБ, как и обычный вибрированный бетон (ОВБ),может обладать разнообразными свойствами, пригодными для достиженияопределенных целей. В литературе можно найти множество определений СУБ, но всеони характеризуют его одинаково: СУБ — бетон, способный растекаться подсобственным весом, полностью заполнять форму и обеспечивать инкапсуляцию арматурныхстержней, сохраняя при этом свою однородность, и способный консолидироваться безиспользования вибрации в процессе его уплотнения. Использование СУБпредоставляет различные выгоды в ключевых сферах, таких как строительство,качество бетонных конструкций и сооружений, экономия энергии, а такжебезопасность и здоровье. СУБ также приносит определенную пользу другимзаинтересованным сторонам: проектировщикам, архитекторам, строительным рабочим,изготовителям сборных бетонных и железобетонных изделий, производителямбетона, а также тем, кто живет или работает рядом с бетонным строительством. Нодля извлечения этих выгод СУБ необходимо рассматривать как технологию, являющуюсянеотъемлемой частью проектирования и строительства. Как и другие технологии, СУБимеет свои ограничения: он может не подходить для определенного типаконструкций и сооружений (по крайней мере, на современном этапе развития технологии).Несмотря на свои достоинства перед обычным бетоном СУБ не должен использоватьсядля возмещения устранения огрехов плохого проектирования, планирования илиисполнения.

Требования к свежему СУБ

Функциональные требования к свежеприготовленному СУБ отличаютсяот требований к ОВБ. СУБ является жидкой суспензией и проявляет другие свойствав своем пластическом состоянии. Степень самоуплотняемости бетона определяют следующиесвойства.

Заполняющая способность — полное заполнение форм иинкапсуляция арматуры и закладных деталей, значительная горизонтальная ивертикальная текучесть бетона в форме с сохранением его однородности. Степеньзаполнения обычно определяется тестом на оседающую текучесть (рис.3), или J-кольцевымтестом (рис. 4). В зависимости от требований, оседающая текучестьварьируется от 550 до 850 мм.

Рис. 3. Оседающая текучесть

Рис. 4. J-кольцо

Преодолевающая способность — преодоление препятствий, такихкак узкие секции формы, близко установленные арматурные стержни и т. п., безблокировки, которая вызывается сцеплением частиц крупного заполнителя друг сдругом. Преодолевающая способность обычно измеряется L-боксом (рис. 5) или J-кольцевым тестом. СУБ обладает достаточной преодолевающей способностью,если H1/H2 ? 0,80.

Рис. 5. L-бокс

Сопротивление сегрегации — поддержание однородности всейсмеси и при транспортировке, и при формовании. Динамическая устойчивость — этосопротивление сегрегации при транспортировке и укладке бетона. Тогда как статическаяустойчивость связана с сопротивлением сегрегации, протечкам и оседаниюповерхности после формовки. Она может оказаться самой сложной для измерения.Обычно сопротивление сегрегации измеряется визуально, хотя в прошлом осуществлялисьпопытки количественного измерения [7]. В настоящее время разработаны и рекомендованыспециализированные тесты [1].

СУБ является двухфазовой (твердой и жидкой) суспензией иобладает высокой текучестью. Поддержание текучести суспензии и избежаниесегрегации фаз является сложной задачей. Основными механизмами для контролятекучести и устойчивости СУБ являются химия поверхности частиц мелкой фракции(цемента, наполнителей, и т. д.), количество крупного заполнителя и качествоцементного теста. Таким образом, развитие СУБ зависит от поверхностно-активных добавок,а также уплотняющих свойств зерен твердых составляющих бетона.

Поведение свежего СУБ не может быть до конца постигнутобез понимания его реологии. Реология в широком смысле — это наука опластической деформации и текучести материалов. Техника укладки бетона, усилиянеобходимые для этого, а также качество уплотнения бетона зависят от егореологических свойств. С использованием реологии становится возможнымпредугадывать свойства бетона в его пластическом состоянии, подбирать материалыдля бетонных смесей, моделировать процессы растекания бетона для достижениятребуемого результата. Реология становится инструментом для производственников,исследователей цемента и бетона и преподавателей в учебных заведениях.Основными ключевыми реологическими параметрами являются предел текучести ипластическая вязкость (рис. 6). Свежий бетон может бытьпредставлен как жидкость, при условии, что определенная степень текучести можетбыть достигнута и бетон при этом способен сохранять свою однородность.Текучесть свежего бетона описывается моделью Бингама:

?= ?0 + ??, (1)

где? — напряжение сдвига материала,

?0— предел текучести,

?— пластическая вязкость,

?— темп сдвига.

Рис. 6. Реологические модели бетона

Предел текучести представляетсобой минимальное усилие, которое требуется бетону для начала процессатекучести. Для обычного бетона таким усилием является вибрация. Пределтекучести также близко связан с оседанием бетона. Пластическую вязкость можноохарактеризовать как сопротивление текучести или жесткость свежего бетона. Другимисловами, пластическая вязкость это скорость течения.

Реологическое поведение СУБ отличаетсяот поведения обычного бетона, поскольку его предел текучести стремится к нулю(что означает, что СУБ растекается под своим собственным весом), в то время каквязкость увеличивается. Реология СУБ поэтому приближается к реологии жидкостейНьютона.

Реология всё чаще используетсядля понимания процессов течения и деформации, оптимизации составляющихматериалов, для понимания связи тиксотропии и давления на опалубку, для моделированияпроцессов течения и т. д. Хотя реология серьезно воспринимается пользователями,пока она используются в основном для исследований и контроля качества. Этопроисходит в большей степени из-за трудностей в понимании и истолкованиирезультатов, а также высокой цены специального оборудования. Дальнейшееразвитие данной сферы приведет в скором времени к возникновению упрощенного,более доступного оборудования.

На практике же применительно к проектированиюсмесей и контролю качества свойства свежего СУБ оцениваются при помощиспециально разработанных методов. Они включают в себя метод оседающей текучести,L-бокс, J-кольцо, U-бокс, V-воронку.

Свойства затвердевшего СУБ

Композиция составляющих материаловдля СУБ отличается от композиции составляющих материалов для ОВБ. СУБ обычно характеризуетсяповышенным содержанием песка и вяжущего (цемента и наполнителей). Произведенныйдолжным образом СУБ с верными пропорциями составляющих обычно лучше уплотнен, иего свойства менее вариативны, чем те же свойства ОВБ. Мировой опыт доказывает,что между свойствами затвердевшего СУБ и ОВБ одного и того же водовяжущего(водоцементного) отношения не существует большого различия, хотя исследованияпоказывают, что некоторые из этих свойств, например прочность на сжатие,сцепление с арматурой, водопроницаемость, усадка при высыхании и др., улучшеныв СУБ. (Небезынтересно, что, несмотря на то, что СУБ обычно обладает б?льшимпроцентом содержания цементного теста и меньшим содержанием крупногозаполнителя, он не обладает более высокой усадкой при высыхании — наоборот, из-зауменьшенной миграции влаги и более плотной микроструктуры усадка при высыхании СУБнемного меньше, чем у ОВБ.) Улучшение прочности на сжатие и некоторыххарактеристик долговечности СУБ, таких как кислородная проницаемость иводопроницаемость, связано с уменьшением пористости контактной зоны между цементнымтестом и заполнителями СУБ и с общим улучшением его микроструктуры в сравнениис ОВБ, см. рис. 7–8 (снимки предоставлены Шведским исследовательским институтомцемента и бетона).

Рис. 7. Микроструктура ОВБ

Рис. 8. Микроструктура СУБ

Значимость технологии СУБ

Высокая степень деформируемости СУБи исключение вибрации значительно улучшают качество бетонных конструкций и предоставляютсущественные преимущества для дизайна и технологического процессастроительства. Некоторые из преимуществ очевидны и поддаются измерениям, тогдакак другие не всегда проявляются сразу. Существует, по крайней мере, триглавных достоинства, которые технология СУБ привносит в сферу бетонногостроительства: повышение продуктивности, расширение возможностей проектированияи улучшение условий труда.

Для архитекторов. Бетонные сооружения, изготовленныепри помощи СУБ, имеют больше шансов на качественную отформованную поверхность,чем при применении ОВБ. Изготовление конструкций и сооружений более сложныхформ и с утонченными деталями не составляет труда с СУБ. Единственнымограничением является воображение дизайнера. Замечательные примеры показаны на рис.9–10.

Рис. 9. Образец 1,22?2,44 м

Рис. 10 Башня аэропорта в Стокгольме, 83 м

Для проектировщиков. Постоянство в достижении высокойпрочности на сжатие — одно из преимуществ СУБ. Нормальной прочностью на сжатие дляСУБ считается 60–70 МПа. Также СУБ легко спроектировать, увеличив его прочностьдо 100 МПа. Высокая прочность, отличная текучесть и прекрасная преодолевающаяспособность СУБ позволяет разрабатывать меньшие по размерам, густо армированныесекции, что приводит к более легким конструкциям и уменьшению материальныхзатрат. Фибровое армирование СУБ также является преимуществом для достижения улучшенныхфизико-механических свойств. Поскольку фибры стремятся располагаться понаправлению течения бетона, можно предугадать их расположение в бетоне болееточно. В результате фиброармирование используется более эффективно с наилучшейотдачей механических свойств бетонных конструкций.

Для строителей. Введение СУБ в строительное производствоможет положительно сказаться на строительном процессе. Технология СУБ позволяетускорить строительство из бетона, требует меньше труда для формовки изделий именьше усилий для укладки бетона. СУБ можно укладывать, закачивая его сверхуопалубки (рис. 11) или с нижней части опалубки (рис. 12), илитранспортируя в специальных контейнерах. Хотя обычно ожидается, что СУБ с оченьнизким пределом текучести будет оказывать давление на опалубку, равное полному гидростатическому,тиксотропная природа СУБ обычно приводит к более низкому давлению, чем гидростатическое,особенно при заливке СУБ с верхней части опалубки. Однако, в случае закачиванияСУБ снизу, давление на вертикальные борта опалубки может оказаться выше идостигнет полного гидростатического давления из-за постоянного давления насосаи нетиксотропного поведения (поскольку бетон находится в постоянном движении).

Рис. 11. Закачивание СУБ сверху опалубки

Рис. 12. Закачивание СУБ снизу опалубки

Полное исключение необходимостивибрации на строительной площадке приводит к значительному улучшению условийтруда, здоровья и безопасности рабочих. Серьезной и широко распространеннойпроблемой является вредный уровень шума. Он не только опасен пагубнымвоздействием на здоровье рабочих, но также является препятствием дляэффективной коммуникации. Снижение уровня шума также оказывает положительноевлияние на окружающую среду, в частности сохранение низкого уровня шума на строительныхплощадках в черте города может позволить производить заливку бетона в любоевремя суток.

Применение технологии СУБ представляетдля строительных подрядчиков более экономичное решение для сооружениякачественных бетонных изделий и улучшение производственных условий дляработников. Но достоинства технологии СУБ проявляются только при ее регулярномиспользовании и только при изменении способов ведения бетонных работ. Нельзяприменять новую технологию и получать выгоду от нее, используя старые методы.Постоянно растущая уверенность в СУБ является ключом к успеху на строительныхплощадках и на заводах сборных бетонных изделий. Такая уверенность может бытьполучена только при поддержке всей строительной индустрии: проектировщики недолжны ограничивать строителей, определяя необходимые свойства свежего бетона; строителидолжны иметь свободу в выборе способов достижения запроектированныхфизико-механических свойств бетонных конструкций и сооружений; также необходимотесное сотрудничество поставщиков бетона, строителей и проектировщиков воказании помощи в понимании технологии и в практическом применении.

Для производителей бетона. В отличие от ОВБ, где мастерствоукладки бетона является главным звеном в достижении необходимого качества законченнойбетонной конструкции, качество изделий из СУБ целиком зависит от качествабетона. К сожалению, производители бетона не получают экономической пользы оттехнологии СУБ. Вдобавок, повышенная ответственность за качество СУБ требуетпринятия повышенных мер к контролю качества продукта. Проектированиесамоуплотняющейся бетонной смеси и ее пластические свойства слишком отличаютсяот свойств ОВБ, что требует дополнительных знаний, часто превышающих общийуровень традиционной технологии бетонов. С появлением новой технологии СУБпоявились новые понятия, такие как: реология, пластическая вязкость, пределтекучести, тиксотропия, взаимодействие частиц зерновых фракций, химияповерхности частиц мелкой фракции и т. д. Без дополнительных знаний невозможноуспешное применение СУБ для различных целей. Повышенные меры к контролюкачества требует специального обучения персонала (а иногда — отбора персонала).Все эти меры в конечном итоге отражаются в улучшении общего качествапроизводимых бетонов. Производитель бетонов, таким образом, вооружаетсядополнительными знаниями и приобретает ценный опыт.

Для производителей бетонных ижелезобетонных изделий. Производители бетонных изделий извлекают выгоду из технологии СУБ какникто другой. Для этого существует несколько причин: преимущества от СУБ оцениваютсянамного быстрее на заводах сборных бетонных и железобетонных изделий, чем настроительной площадке; производители не ограничены в выборе типа бетона итехнологии; производство сборных бетонных и железобетонных изделий этоповторяющийся процесс, что как нельзя лучше подходит для внедренияавтоматизации производства. Ни для кого не секрет, что в Европе промышленность сборныхбетонных и железобетонных изделий использует технологию СУБ в б?льших, чемстроительная индустрия, объемах. Некоторые заводы целиком перешли на СУБ иполностью автоматизированы. Технология СУБ дает возможность увеличитьпроизводительность благодаря: производству изделий более высокого качества; исключениюработ по ремонту бетонных изделий; увеличению срока службы бортоснастки; существенномуулучшению условий труда, следствием чего является уменьшение невыходов наработу и текучести рабочих кадров.

Рис. 13. Септический резервуар из СУБ

Рис. 14. Балка сложной конфигурации из СУБ

Здоровье и безопасность. Введение в производство технологииСУБ может изменить процесс строительства в лучшую сторону и поможет избежатьнеобходимости механической вибрации, улучшая, таким образом, производственныеусловия, здоровье и безопасность работников. Вибраторы, используемые дляуплотнения бетона, являются основным источником шума на строительной площадке ина заводах сборных бетонных и железобетонных изделий. Также велика опасность приобретения«вибрационного синдрома», называемого также «синдромом белых пальцев», которыйвызывается регулярным и длительным использованием вибраторов. Технологиясамоуплотняющегося бетона исключает использование вибрирующего оборудования, а следовательно,снижает риск травмирования из-за постоянных высокочастотных шумов имеханических вибраций.

Заключение

Многие утверждают, что СУБявляется одним из важнейших достижений в области строительства за многиедесятилетия и наиболее существенным достижением за всю историю существованиятехнологии бетонов. Так это или нет, судите сами. СУБ меняет основные понятия общепринятойтехнологии бетонов и трансформирует процесс строительства из бетона. Уникальныесвойства СУБ предоставляют возможность автоматизации строительства из бетона ипроизводства бетонных и железобетонных изделий, позволяют более эффективно возводитьбетонные сооружения. Увеличение производительности достигается посредствомувеличения скорости строительства, сокращения затрат труда, уменьшенияремонтных работ и улучшения условий труда рабочих. Чтобы достичь всего этоготребуется тесное сотрудничество между проектировщиками, строителями ипроизводителями СУБ. Значительный мировой опыт наглядно показывает, чтотехнология СУБ — долгожданное решение для бетонного строительства. «Теперь унас есть СУБ — старые времена никогда не вернутся!» — говорит Клаус Ювас (KlausJuvas), «ConsolisTechnologyOyAb» (Финляндия).

Литература:

1. BIBM, CEMBUREAU, ERMCO, EFCA, EFNARK.The European Guidelines for Self-Compacting Concrete, Specification, Productionand Use. — 2005.

2. De Schutter G. Proceedings of the FifthInternational RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. — Ghent, 2007.

3. Great Britain Concrete Society. TR 62. Self-CompactingConcrete. A Review. — 2005.

4. Ozawa K. Proceedings of The SecondInternational Symposium on Self-Compacting Concrete. — Tokyo, 2001.

5. Skarendahl A. Casting of Self-CompactingConcrete. Report of RILEM TC 188-CSC. — 2006.

6. Skarendahl A. Proceedings of The FirstInternational RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. — Stockholm, 1999.

7. Skarendahl A. Self-Compacting Concrete.State-Of-The-Art Report of RILEM TC 174-SCC. — 2000.

8. Surendra P. Proceedings of The SecondNorth American Conference on The Design and Use of Self-Consolidating Concreteand Forth International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. — Chicago, 2005.

9. Wallevik O. Proceedings of The ThirdInternational RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. — Reykjavik, 2003.