Добавки в бетон
Использование бетона в современных условиях немыслимо без применения дополнительных добавок. В промышленном строительстве уже не встретить бетонного раствора классического состава: цемент, щебень, песок и вода. Такая рецептура применима для частного строительства, неответственных конструкций и начинающими специалистами.
Для чего нужны добавки в бетон
Чтобы ответить на этот вопрос, надо знать свойства бетона. В первоначальном виде бетонная смесь состоит из четырех компонентов. Играя пропорциями водоцементного соотношения, регулируются показатели прочности и удобоукладываемости. Например, для того чтобы получить бетон популярной марки М300 или класса В22,5 необходимо задействовать в частях следующие материалы:
- Портландцемент марки М400 – 1часть.
- Щебень гранитный или гравийный- 3,3 части.
- Песок- 2 части.
- Вода- 0,57-0,6 части.
На выходе получается бетон с характеристиками:
- Прочность на сжатие- 29 Мпа или 270 кгс/см2.
- Подвижность или удобоукладываемость - П2. Измеряется по осадке конуса бетонной смеси относительно первоначальной формы, и составляет 7-9 см.
- Морозостойкость- F150.
- Водопроницаемость- W5.
- Плотность 2400 кг/м3.
О чем говорят эти цифры на практике. В практическом применении приготовленная смесь ведет себя следующим образом. Подвижности смеси на уровне П2 недостаточно, чтобы раствор гарантированно заполнил полости сложной опалубочной конфигурации объекта. Возникает угроза образования многочисленных пор и пустот. От этого лабораторный показатель прочности будет не 29 Мпа, а значительно ниже. Данный факт влияет на надежность бетонной конструкции и возможность выполнения возложенных на нее функций. Такой бетон сложно ровнять на площадке и формировать монолит. Необходимо придать смеси текучесть, пластичность, подвижность. Это можно сделать тремя способами:
- Внести большее количество воды. Избыток влаги неминуемо приведет к потере прочности, образованию трещин, повышению истираемости.
- Увеличить показатель тиксотропности. Тиксотропность- способность жидкости разжижаться при определенном виде механического воздействия. То есть использование бетонного вибратора решит вопрос текучести смеси. Но использование технологического оборудования влияет на удорожание работ с бетонной смесью и далеко не всегда оправданно и возможно использование виброинструмента.
- Добавить к бетонному раствору вещества, которые уменьшают сцепление частиц смеси между собой, тем самым увеличивая их подвижность. Так возникли пластификаторы.
Экспериментально установлено, что прочность близкую к 100% бетон набирает через 28 дней. Строительные нормы допускают предварительное нагружение бетона и его распалубку при 70-80% прочности. Этот показатель достигается за 5-7 дней. В существующих бизнес-моделях производства и строительства такой простой считается недопустимым. С другой стороны, в массивных и объемных конструкциях важно, чтобы процесс гидратации проходил плавно. В этом случае процесс кристаллизации раствора нужно замедлять. Для регулирования скорости кристаллохимического отверждения разработаны добавки ускорители и замедлители схватывания.
В классической по составу бетонной смеси возможна реакция гидратации только при положительных температурах. При температуре раствора +50С скорость реакции серьезно снижается, при 00С, когда вода кристаллизуется, прекращается вовсе. Фактор чрезвычайно важен тем, что непрогидратированная смесь никогда не наберет проектную прочность. Этот вопрос решают подогревом смеси или введением добавок, препятствующих замерзанию влаги.
В приведенном примере водопроницаемость бетона составляет W 5. Это значит, что при избыточном давлении воды в 5 кгс/см2 она не просочится сквозь стенку толщиной в 10 см. Изделия из бетона эксплуатируются в различных условиях, в том числе при долговременном воздействии влаги: фундаменты с высоким расположением горизонта грунтовых вод, опоры мостов, пирсы, причалы, судовые верфи. В этих случаях важно снизить проникновение воды в толщу бетона во избежание вымывания частиц вяжущего компонента, агрессивного химического воздействия и уменьшения прочности бетонной конструкции. Для улучшения показателя водонепроницаемости вводят водоотталкивающие компоненты.
Одним словом, добавки необходимы для улучшения технико-физических свойств цементных смесей и управления свойствами бетонов.
Какие бывают виды добавок
Для формирования проектных свойств в бетонные составы вносятся добавки:
- Пластификаторы
- Модификаторы
- Антиморозные добавки
- Водоотталкивающие
- Антикоррозийные
- Воздухововлекающие
- Для самоуплотнения
- Регуляторы набора прочности
- Для реставрационных работ
- Комплексные.
Пластификаторы
Наиболее популярный вид добавок. При использовании пластификаторов возможно увеличение подвижности бетонной смеси с П1 до П5. Использование пластификаторов делает бетонный раствор удобоукладываемым, прочным и долговечным. Пластификаторы обладают водоредуцирующими свойствами. То есть способны снижать расход воды без потери прочности цементного камня. Пластифицирующие добавки способны продлить жизнь раствору, препятствуют расслоению, позволяют задействовать на стройплощадке насосы. Привлечение техники ускоряет процесс закладки бетона в конструкцию и увеличивает производительность труда. Таким образом пластификаторы обладают рядом преимуществ:
- Повышают пластичность готового раствора.
- Экономят расход смеси
- Повышают трещиностойкость бетона.
- Увеличивают прочностные характеристики произведенного бетона до 30%.
- Пластифицированные бетонные растворы не требуют уплотнения.
- Возрастает морозостойкость бетона за счет снижения количества влаги при производстве.
- Растворы с пластификаторами обладают хорошей адгезией с разными поверхностями.
Пластификаторы выпускаются в виде жидкостей и порошковых смесей.
Антиморозные добавки
Не стоит полагать, что применяя антиморозные добавки, не нужно думать о температурных условиях, в которых происходит твердение бетонной смеси. Важно знать, что антиморозные добавки предназначены, в первую очередь, для того чтобы обеспечить доставку смеси в удобоукладываемом состоянии и не допустить кристаллизации влаги при укладке раствора. На площадке должны быть обеспечены меры по прогреву бетона и влажностный режим.
Противоморозные свойства добавки сводятся к одному принципу- понижению температуры замерзания воды в бетонной смеси. Это достигается за счет введения в бетонный раствор солей тех. квалификации: хлорида натрия, хлорида кальция, кальцинированной соды, поташа(карбоната калия), натриевой и кальциевой селитры, формиат натрия (натриевая соль муравьиной кислоты).
Применение исключительно противоморозных добавок сопряжено с рядом существенных минусов:
- Быстрое твердение бетона
- Используемые соли химически активны, способны вступать в реакцию с продуктами бетонной смеси, с последующим выделением вредных веществ, например, окислов азота или аммиака.
- Использование не по рецептуре приводит к коррозии арматуры и щелочной коррозии бетона.
- Снижается прочность бетона.
Чтобы нивелировать отрицательные проявления антиморозных наполнителей, рекомендуется использовать их только вкупе с пластифицирующими и воздухововлекающими компонентами, регуляторами твердения. Это позволяет снизить концентрацию противоморозных веществ.
О полной безопасности и экологичности антиморозных компонентов не может идти речи, пока в их составе есть хлор и опасные соединения азота. Поэтому лучшим способом повысит безопасность бетонной конструкции остается планирование работ в теплое время года.
Водоотталкивающие добавки
Наличие влаги в готовой бетонной конструкции может существенно влиять на ее свойства в худшую сторону. Если бетон способен впитывать, пропускать влагу, то непременно снижается прочность, долговечность и морозостойкость конструкции. Бетон способен накапливать влагу благодаря наличию в структуре пор и капилляров; присутствию внутренних напряжений и деформаций, которые ведут к образованию микро-и макротрещин. Водопроницаемость бетона обозначается буквенным индексом W. Нормируется от W2 до W20. Бетон с водопроницаемостью W4 используется в тех ситуациях, когда показатель гидрофобности (водоотталкивания) не имеет значения. W6- бетон с таким показателем наиболее часто используется в строительных работах. W8- бетон с таким показателем пропускает мало влаги и применяется для возведения фундаментов на сухих основаниях. Бетон с показателем гидрофобности выше W8 применяется для возведения гидротехнических сооружений.
Водоотталкивающие добавки в бетонную смесь работают по одному принципу: уплотняют бетонный монолит, уменьшают вероятность появления пор и капилляров. Такого эффекта удается добиться в результате химических реакций между водой цементом и наполнителем. В результате образуются нерастворимые соединения, заполняющие микропустоты. Водонепроницаемость бетона повышают нитраты, сульфаты, хлориды железа, сульфаты алюминия, добавки на основе битумных эмульсий.
Защитить бетон от проникновения влаги можно используя проникающие составы, нанося их на застывшую конструкцию. В этом случае гидрофобизатор проникает вглубь материала на 5-15 см., реагирует, образует полимерные соединения, надежно закупоривает капилляры и поры. Такой метод применяется не только для вновь возведенных строительных конструкций, но и для подверженных растрескиванию изделий.
Антикоррозийные добавки
Служат для снижения щелочной коррозии бетона. Антикоррозийный класс добавок призван связать свободные гидроксильные группы. За счет этого происходит уплотнение бетона, повышается его гидрофобность и долговечность.
Воздухововлекающие добавки
Воздухововлекающие добавки используются для увеличения морозостойкости бетона. Пузырьки воздуха в монолите образуют микропустоты. При отрицательных температурах свободная вода застывает, расширяясь и при этом разрывает бетонный камень. В случае наличия мелких пустот, вода заполняет микро- пространство, не нанося вреда монолиту. Воздухововлекающие добавки способствуют снижению плотности бетона, и следственно, прочности. Поэтому вносить воздухововлекающий наполнитель следует с осторожностью и строго следуя указаниям производителя. Воздухововлекающие компоненты применяются также для намеренного снижения удельной массы бетонной смеси; улучшения тепло-и звукоизоляции; снижения расслаиваемости раствора, увеличению трещиностойкости, предотвращению высолов. На практике оправдано применение воздухововлекающих добавок с пластификаторами бетона.
Добавки для самоуплотнения
Необходимы там, где невозможно провести механическое уплотнение смеси, в частности в часто армированных конструкциях. Применение самоуплотняющих наполнителей гарантирует заполнение опалубочного пространства без потери прочностных характеристик. Отличительной чертой самоуплотняющихся бетонных растворов является отсутствие расслаиваемости при высокой подвижности смеси. Такие свойства обеспечивает значительная вязкость раствора. Добиться этого удается внесением в рецептуру состава добавок на основе:
- Целлюлозы
- Гидролизованного крахмала
- Полиэтиленгликоля
- Полимеров.
Самоуплотненные бетоны характеризуются:
- Низким водоцементным соотношением
- Существенными водоотталкивающими свойствами
- Высокой подвижностью- П5
- Малой пористостью. Содержание пузырьков воздуха не более 5%
- Значительной прочностью на сжатие, до 100 Мпа
Регуляторы набора прочности
В строительной практике существуют ситуации, когда необходимо ускорить или замедлить схватывание бетонного раствора.
Замедлители гидратации требуются:
- В жаркую погоду. При повышенной температуре и пониженной влажности из бетонного раствора происходит активное испарение влаги, что приводит к преждевременному схватыванию.
- При заливке больших по площади объектов. При неравномерном схватывании существует угроза образования холодных швов. Это ухудшает свойства монолитной конструкции
- При возведении ответственных массивных и гидротехнических сооружений, чтобы избежать появление трещин, вызванных нелинейным твердением бетона.
Замедлить схватывание и увеличить трещиностойкость бетонного раствора способны пластификаторы. Добиться этого можно, увеличив количество вещества, вносимого в раствор. Но в данном случае возникает угроза коррозии арматуры. Поэтому с задачей замедления твердения лучше справляются следующие специализированные препараты:
- Нитрилотриметиленфосфоновая кислота, в абревиатуре НТФ, шестиосновная органическая кислота. Широко применяется для торможения процессов гидратации.
- Молочная сыворотка. Остаточный продукт переработки пищевого молока.
Механизм замедления твердения заключается в связывании гидроксильных групп веществами замедлителя, и с изоляцией частиц цемента от воздействия воды, то есть препятствию, снижению скорости реакции гидратации.
Ускорители набора прочности
Ускорение схватывания требуется для того, чтобы снизить простои на стройплощадке и оптимизировать процесс строительства объекта.
Ускорение твердения бетонного раствора- комплексный процесс, который включает в себя внесение добавок-ускорителей в смесь, повышение температуры раствора, снижение испаряемости, контроль температурно-влажностных показателей.
К добавкам, способным увеличить скорость набора прочности бетона относят такие вещества как поташ (карбонат кальция), хлорид кальция и натрия. К применению добавок- ускорителей следует относится крайне внимательно и не превышать рекомендованных производителем норм. Иначе возможно снижение прочности бетона и коррозии стальной арматуры в железобетонных изделиях.
Реставрационные добавки
Особый вид добавок, который отличается специфическими свойствами. Применяется для проведения реставрационных работ железобетонных изделий и бетонных конструкций. Реставрационные добавки должны отвечать следующим требованиям:
- Иметь повышенную адгезию.
- Препятствовать коррозийным процессам.
- Бетон с добавлением добавок должен обладать значительной прочностью.
- Раствор обязан иметь высокую пластичность и укладываемость.
Комплексные добавки
Наряду с добавками специфического, узконаправленного действия, на практике часто используются составы, в которых сбалансированы вещества, решающие несколько задач одновременно. Это удобно тем, что при замесе бетонного раствора нет необходимости в дополнительной дозировке компонентов, снимается вопрос о химической агрессивности материалов друг к другу. Эта задача решена производителем при подборе компонентов комплексной добавки.
Как правильно подобрать смесь
В заключении необходимо выделить шаги для правильного выбора состава бетона для строительства. Во-первых, состав бетонной смеси должен быть просчитан специалистами, согласно проектной документации. Во-вторых, важно произвести пробный замес, и провести экспертизу бетонного образца. Это важный момент, так как компоненты бетонного раствора неоднородны, количество примесей варьируется. В-третьих, необходимо учесть все особенности использования бетонной смеси: время на доставку, климатические особенности, технические нюансы, квалификацию работников, подъездные пути, метод разгрузки и укладки бетона. Не секрет, что даже очень качественная бетонная смесь может быть загублена халатностью и непрофессионализмом человеческих рук.
Купол как уникальная конструкция
Лаборатория деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» совместно с ООО «ЦНИПС ЛДК» разрабатывает проекты большепролетных каркасов покрытия из клееных деревянных конструкций (КДК). По их проектам построено более 10 аквапарков по всей России. Крупнейший из них – аквапарк «Питерлэнд» в парке 300-летия Санкт-Петербурга. Об особенностях проекта «Строительному Еженедельнику» рассказал заведующий лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко Александр Погорельцев:
– В бассейнах и аквапарках КДК имеют преимущества перед конструкциями из металла или железобетона. Для них хлорирование или озонирование воды создает агрессивную среду, нейтральную для древесины.
В ТРК «Питерлэнд» смонтирован ребристый купол диаметром 90 м и высотой 45 м. Особенности конструкций связаны в основном с его габаритами. В плане меридиональные ребра купола опираются с шагом 14,5 м на нижнее железобетонное кольцо и на стальное верхнее кольцо диаметром 5 м. Основные ребра длиной около 60 м выполнены в виде серповидных сборных ферм и сами по себе являются уникальными в части принятых конструктивных решений, изготовления, сборки и монтажа. На эти ребра с шагом 6 м опираются девять криволинейных кольцевых элементов, из которых два – верхний и нижний – являются опорами для 60 промежуточных меридиональных ребер. Нижний кольцевой элемент выполнен в виде горизонтальной фермы, воспринимающей реакции опор от промежуточных ребер и нагрузки от кольцевой технологической площадки. Остальные кольца являются распорками между меридиональными ребрами для обеспечения их устойчивости.
В конструкции купола реализованы основные принципы «системы ЦНИИСК», все основные узлы и стыки поясов серповидных ребер выполнены на наклонно вклеенных стержнях и V-образных анкерах. Это уникальная система узловых соединений, основанная на вклеивании в древесину арматурных стержней периодического профиля. Россия обладает приоритетом в области подобных узловых соединений деревянных конструкций.
Все жесткие стыки ребер и соединения закладных деталей со стержнями, вклеенными на заводе и на монтаже, выполнены ручной сваркой. Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИСК с целью оценки влияния сварки на соединения, показали, что существующий «психологический» барьер при сварке деревянных конструкций успешно преодолевается. При соблюдении нескольких рекомендаций сварка практически не сказывается на несущей способности соединений.
Меридиональные ребра состоят из четырех отправочных блоков полной заводской готовности, соединяемых на монтаже жесткими стыками на сварке. Все блоки по торцам снабжены выпусками V-образных анкеров и закладными деталями.
Проблемы допусков по длине для меридиональных ребер решены с помощью зазоров около 40 мм между торцами поясов, заполняемых полимербетоном после сварки V-образных анкеров и стальных полос. Этим достигается плотный контакт по площадкам сжатия.
Треугольная решетка меридиональных ребер включает горизонтальные и вертикальные элементы. Горизонтальные соединены с поясами на цилиндрических нагелях и шпильках, а вертикальные – с усилием растяжения до 40 т – путем сварки выпусков вклеенных стержней и закладных деталей на раскосах.
Сборка и монтаж меридиональных ребер производились в три этапа: сначала на жестком горизонтальном стенде производилась предварительная сборка блоков в проектных габаритах, затем окончательная сборка в вертикальном стальном стенде с последующей установкой блоков в проектное положение.
Из-за кризиса 2008 года после монтажа каркаса купола строительство было приостановлено – и возобновлено только в 2011 году. В результате влажность древесины, не защищенной от атмосферных осадков, значительно превысила величину равновесной влажности, соответствующей условиям эксплуатации. Быстрое завершение строительства и ввод в эксплуатацию могли привести к неравномерной усушке древесины и, как следствие, к появлению значительных трещин и расслоений. Разработанные в ЦНИИСК рекомендации по обеспечению температурно-влажностного режима при завершении строительства позволили избежать этих проблем.
Цифровые технологии – спорту
Олимпиада в Сочи и Чемпионат мира по футболу – 2018 задали новые требования к проектированию и строительству спортивных сооружений в России. О том, как создать современный спортивный объект мирового класса и уложиться в жесткий дедлайн, рассказывает руководитель отдела ОВиКВ компании «Метрополис» Сергей Брюзгин.
Проектирование спортивных сооружений – задача сложная и ответственная. Объекты такого рода сочетают в себе яркую, запоминающуюся архитектуру и комплекс сложнейших инженерных систем. Именно поэтому проектировщики постоянно находятся в поиске новых эффективных решений для работы с такими проектами.
В основе – технологии
Одними из наиболее успешных разработок, активно используемых проектировщиками, являются BIM-технологии. Их применение при проектировании современных сложных объектов, к числу которых относятся и спортивные сооружения, является одним из ключевых условий успешных инвестиций заказчика, ведь технология BIM-проектирования позволяет существенно сэкономить время и средства, необходимые для реализации проекта.
Эта технология дает возможность повысить качество проектирования и на раннем этапе представить полную картину того, как будет выглядеть и функционировать объект. При необходимости заказчик может своевременно внести корректировки в проект на той стадии, когда изменения не влекут за собой больших затрат. Это отличная возможность для всех участников проекта получить практически идеальный продукт, обладающий внешней привлекательностью, комфортом и безопасностью среды и, что самое главное, инвестиционной привлекательностью.
Сейчас все проекты нашей компании разрабатываются с применением этой технологии. Например, Центр художественной гимнастики имени Ирины Винер-Усмановой еще в 2016 году получил первое место на конкурсе BIM-технологий, организованном Минстроем РФ.
Другая многообещающая разработка – достаточно молодая в строительной сфере технология математического моделирования (CFD-моделирование). До ее появления то или иное техническое решение можно было обосновать либо опираясь на накопленный опыт (чаще всего используя решения, принятые ранее для подобных объектов), либо при помощи натурных испытаний (создание макета, испытательного стенда и т.п.). Первый вариант – рискованный (аналогичный объект может достаточно сильно отличаться по своим характеристикам от проектируемого, что может дать свою погрешность и привести к неработоспособности решения). Второй – затратный как по деньгам, так и по времени, не говоря о том, что далеко не все макеты можно физически реализовать. Технология CFD дает возможность за пару дней, а иногда и за несколько часов решить нестандартный узел, внести в него требуемые корректировки и добиться эффективности и работоспособности решения.
Мы применяли CFD-моделирование при проектировании таких объектов, как Центр художественной гимнастики в Москве, многофункциональный плавательный центр «Лужники», крытый каток Москомспорта, а также при проектировании жилых зданий.
До того, как мы освоили эту технологию, нам казалось, что ее применение будет востребовано только на уникальных объектах, однако практика показала, что использование CFD-моделей полезно для объектов любого уровня сложности. С его помощью можно решать такие задачи, как распределение температур в сложных трехмерных многослойных конструкциях, расчет параметров микроклимата помещений, воздухораспределение, расчет потерь давления в нестандартных сетевых элементах и т. д.
Данная технология дает специалисту возможность на раннем этапе проектирования отследить вероятные недочеты потенциальных инженерных решений, а иногда и понять, что предлагаемое решение слишком затратно (как энергетически, так и финансово) или вовсе нежизнеспособно. Например, для проверки условий, создаваемых для зрителей и спортсменов, наша компания выполняла оценку проектных решений систем вентиляции и кондиционирования главной арены Центра художественной гимнастики в Москве при помощи CFD-моделирования. Для достижения оптимального результата нам пришлось провести 8 итераций расчетов, в результате чего системы вентиляции и кондиционирования были значительно переработаны. Это еще раз подтверждает: CFD-моделирование и проектирование при помощи BIM-технологий позволяет на раннем этапе выявить проблемы и оптимизировать проектные решения. А заказчик, в свою очередь, получает наглядное, интуитивно понятное обоснование принимаемых решений. Вот несколько примеров выполненных расчетов:
В гармонии со стройкой
Посмотрим, как применение этих технологий реально отражается на строительном процессе. В качестве примера возьмем Центр художественной гимнастики. Для проектируемого объекта выполнялись следующие стадии проекта:
- концептуальные решения (стадия «К»);
- стадия «Проектная документация» (стадия «П»);
- стадия «Рабочая документация» (стадия «Р»);
- авторский надзор.
Проект стадии «К» стартовал в конце мая 2016 года и длился примерно 2 месяца. Последующая стадия «П» длилась примерно 3,5 месяца. Стадия «Р» длилась примерно 2 года, при этом строительные работы на объекте велись с запаздыванием от проекта всего на 2–3 месяца, иногда этот разрыв становился еще меньше, так что можно сказать, что проект стадии «Р», строительство и авторский надзор шли практически параллельно.
Основные сложности при проектировании как раз и связаны с малым разрывом в сроках между разработкой проектного решения и выдачей его для реализации на стройплощадку. У инженеров и архитекторов остается очень немного времени на принятие и согласование решений, и ошибки при таких малых сроках недопустимы. Именно использование BIM-технологий и, в частности, CFD-моделирования позволяет проектировщикам достаточно комфортно чувствовать себя в процессе взаимодействия со всеми заинтересованными сторонами. При этом есть, конечно, одно обязательно условие, с чем нам повезло: в арсенале всех участников проекта были современные технологии и подходы к проектированию, что позволило выполнить поставленную задачу в требуемый срок.
