Опыт применения самоуплотняющихся бетонов в строительной индустрии Республики Казахстан



Данная статья описывает опыт применения самоуплотняющегося бетона в строительной индустрии Республики Казахстан в 2017 году.

Ключевые слова: самоуплотняющиеся бетоны, модифицированные бетоны, добавки на основе поликарбоксилатных эфиров

Строительная отрасль в Республики Казахстан является одним из ведущих сегментов экономики страны. Так, в России на долю строительства по итогам 2015 года приходится порядка 5,3 % ВВП, а в Белоруссии — около 8,3 % к ВВП. В Казахстане данная отрасль экономики занимает в среднем 6,5 % в период с 2010- 2015 гг. Максимальный показатель в 9,8 % к ВВП был зафиксирован в 2006 году [1].

Спрос на строительные материалы в стране всегда актуален. В период с января по август 2017 года в РК в эксплуатацию введено 6,91 млн. м² жилья — на 8,4 % больше, чем за аналогичный период прошлого года. За прошедший 2016 год в эксплуатацию введено 10,51 млн. м² жилья, на 17,6 % больше, чем в 2015 году. 2015 год, несмотря на пик мирового экономического кризиса, показал значительный прирост по площади сданного в эксплуатацию жилья — сразу на 18,9 % к 2014. Уровень самообеспечения строительными материалами по итогам 7 месяцев (январь-июль 2017) наблюдался в таких категориях продукции, как товарный бетон — здесь казахстанские производители перекрыли спрос на 100 %, строительные растворы — на 99,6 %, изделия из бетона — на 96,3 %, портландцемент — на 91,7 %, известь — на 89,1 %, гипсокартон — на 82,5 %.

Однако, новые условия рынка диктуют необходимость снижения финансирования на строительные нужды, при этом основными условиями являются сокращение сроков строительства без потери качественных характеристик при монолитном бетонировании. Также одним из важных показателей при возведении зданий и сооружений является снижение уровня шума и вибраций, возникающих во время строительных работ, возможность бетонирования конструкций сложной пространственной геометрии, в том числе густоармированных.

Данные задачи можно решить путем применения в монолитном бетонировании самоуплотняющихся бетонов (далее СУБ), которые находят все более широкое применение в странах Европейского Союза, за счет положительного экономического эффекта, о чем свидетельствуют как зарубежный, так и отечественный опыт.

За последние 60 лет цементные бетоны общестроительного назначения прошли три этапа своего развития:

– первый этап — 1950 — 1970 гг. Бетоны этого периода носят название «бетоны старого поколения». Данный вид бетонов содержал в своём составе 4 основных компонента: портландцемент в качестве вяжущего, вода, песок в качестве мелкого заполнителя и щебень, в качестве крупного заполнителя. Химические добавки находили свое применение только в бетонах специального назначения.

– второй этап — 1970 — 1990 гг. Ознаменован как период применения эффективных суперпластификаторов первого поколения. Он характеризуется рецептурой бетона, заимствованной из первого этапа, но модифицированным суперпластификаторами на нафталиновой или меламиновой основе. На данном этапе можно говорить о появлении такого материала как «самоуплотняющиеся бетоны». Термин «самоуплотняющийся бетон» был предложен профессором Хитоши Окамура в 1986 году. Предпосылкой к разработке СУБ в Японии стала появление новых амбициозных проектов в сфере строительства — комплексы гидротехнических и транспортных сооружений, подвесные мосты. Как следствие, повысились требования к прочностным и эксплуатационным характеристикам используемых строительных материалов. Также, при возведение таких конструкций было необходимо обеспечить использование «литых» смесей в большом объеме, сокращение сроков возведения и снижение трудозатрат.

Самый длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров.

Рис. 1. Мост Акаши-Кайкё

Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста. [2]

– третий этап — 1990 гг — настоящее время. Данный этап характеризуется появлением на рынке высокоэффективных гиперпластификаторов нового поколения на основе поликарбоскилатных эфиров. Кардинальным изменением в рецептуре бетона явилось введение в состав бетонной смеси мелкодисперсных минеральных наполнителей — микрокренезема, кислой золы, каменной муки. В данный период, в передовых зарубежных странах, бетоны становятся многокомпонентным композитным материалом. В начале 2000-х годов по всей Европе стали появляться первые предпосылки для допуска и распространения самоуплотняющегося бетона. Так, в институте города Аахен (Германия) в 2000-х годах профессор В. Брамесхубер изучал свойства самоуплотняющегося бетона. Проведенные им исследования показали, какими свойствами обладал самоуплотняющийся бетон по сравнению с обычным бетоном. Материал получил название «Dyckerhoff Liquidur» и стал активно распространяться по строительным площадкам Европы вследствие своих уникальных свойств. В 2002 году компания EFNARC опубликовала документ «Specification & Guidelines for Self-Compacting concrete» (с англ. Спецификация и Руководство по самоуплотняющемуся бетону), который содержит в себе всю необходимую информацию о бетоне для производителей, строителей и проектировщиков. В республики Казахстан самоуплотняющиеся бетоны (СУБ) до настоящего времени не производились.

В период с января 2017 года по ноябрь 2017 года Научно-исследовательский институт строительных материалов и проектирования ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» совместно одним из крупнейших строительных холдингов BI-Group производилась работа над проектом создания и внедрения самоуплотняющихся бетонов в строительный рынок Казахстана.

Основной задачей было проектирование состава бетонной смеси на местных сырьевых компонентах с использованием добавок на основе поликарбоксилатных эфиров местного казахстанского производства и тонкодисперсных наполнителей — отходов техногенных производств.

По причине отсутствия в нормативной базе документации, на основе которой можно было бы производить лабораторные испытания для выявления характеристик бетонной смеси и конечного конгломерата. В качестве основы был выбран документ компании EFNARC «Specification & Guidelines for Self-Compacting concrete» (с англ. Спецификация и Руководство по самоуплотняющемуся бетону). Согласно данной спецификации были произведены испытания на:

– определение расплыва конуса — растекамости бетонной смеси с применением стандартного конуса Абрамса;

– определение времени истечения бетонной смеси через V-образную воронку — для установления группы по вязкости полученного состава самоуплотняющегося бетона;

– определения расслаиваемости смеси — согласно указанной в спецификации методике;

– определение степени прохождения через препятствия и способности к течению — путем испытания на приборе «L-box»;

– определение способности к заполнению армированного пространства — путем испытания бетонной смеси на приборе «Ящик Каджима».

Путем введения в состав бетонной смеси химической добавки на основе поликарбоксиластных эфиров удалось снизить водоцементное отношение в смеси до 0,32 при расплыве конуса 65-67 см и времени истечения через V-образную воронку 7-9 секунд. Как показало практическое применение, самоуплотняющийся бетон именно с такими характеристиками бетонной смеси позволяет получить конечное изделие, которое:

– обладает категорией поверхности А1-А2;

– позволяет производить съем опалубки на 2 сутки после заливки;

– прочность на 3 сутки составляет 90-93 % от проектируемой марочной прочности без образования дефектов в виде усадочных трещин.

В ходе проектирования состава бетонной смеси для самоуплотняющегося бетона была выявлена необходимость уделять особое внимание нескольким параметрам:

– содержание пылевидных включений в мелком заполнителе. Согласно нормативной документации, в качестве мелкого заполнителя для тяжелых бетонов, под определение которых попадет и самоуплотняющийся бетон, могут быть использованы пески с максимальным количеством пылевидных и глинистых включений для групп повышенной крупности, крупный и средний в размере 3 % [3]. Согласно результатам лабораторных и производственных испытаний была выявлена зависимость, согласно которой при повышении количества пылевидных и глинистых включений происходили изменения в свойствах бетонной смеси и конечного самоуплотняющегося бетона. Оптимальным материалом для применения в качестве мелкого заполнителя для самоуплотняющихся бетонов является песок с количеством пылевидных и глинистых включений в количестве от 0 до 1,0 %. Такое количество посторонних включений в песке не оказывает существенного влияния на водоцементное отношение, водоредуцирующие и пластифицирующие свойства химической добавки, расплыв конуса и удобоукладываемость бетонной смеси.

– соотношение крупного и мелкого заполнителя в смеси. Данный параметр требует особого внимания при подборе состава бетонной смеси СУБ. Для данного вида бетонов необходимо обеспечить способность к течению, помимо рядовых эксплуатационных физико-технических свойств. Согласно результатам лабораторных и производственных испытаний было выявлено, что количество мелкого заполнителя влияет на вязкость смеси. При повышении содержания мелкого заполнителя происходит снижение способности к течению. Поэтому соотношение крупного и мелкого заполнителя должно быть утверждено исключительно после проведения производственных испытаний. Объемный фактор, который создается из-за разницы между лабораторными и производственными замесами не позволяет в полной мере оценить правильное соотношение компонентов бетонной матрицы.

За период работы по данному проекту, были произведены 4 пилотные заливки СУБ на различные конструкции на следующих объектах BI Group:

Таблица 1

Объекты производства заливок СУБ

Конструкция	Объем
Фундаментные блоки	7 м3
Колонны и плита	10,6 м3
Стена	10 м3
Лифтовая шахта и плита	70 м3

До начала производства бетонных работ было проведено обучение, включающее в себя объяснение механизма работы с самоуплотняющимися бетонами для персонала завода-производителя и строительных площадок, разработаны рекомендации по производству СУБ и бетонировании с применением СУБ. Непосредственный контроль за производством и заливкой специалистами ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ».

Пилотная заливки СУБ в конструкции показали:

– высокую категорию поверхности (А1);

– однородность уложенной бетонной смеси, о чем говорят результаты неразрушающего контроля — по всей площади изделия разница в показателях составила не более 1,2 МПа;

– набор прочности на 3 сутки составил 89-93 % от проектируемой марочной прочности М350 В25.

Из полученного опыта в процессе осуществления бетонных работ с применением СУБ необходимо отметить следующие положительные аспекты:

– суммарный экономический эффект от применения СУБ составил 4-5 % на 1м3 заливаемого бетона в сравнении со стандартным товарным бетоном М350 В25. Данный эффект складывается из сокращения численности привлекаемого к заливкам персонала : с 5 человек до 2 человек, затраты на электроэнергию: нет необходимости в закупке, обслуживании и использовании оборудования для производства виброуплотнения, времени оборачиваемости бетоносмесительных машин: укладка СУБ посредством бетононасоса в объеме 9 м3 занимает 8 минут, а также ускоренный съем опалубки вследствие быстрого набора прочности бетона.

– снижение шума и вибрационного воздействия на окружающую среду;

– высокое качество поверхности и однородности бетона по всей высоте конструкции.

В целом, опыт применения самоуплотняющихся бетонов показал себя с положительной стороны. Данный вид бетона может быть рекомендован к применению на строительных площадках РК в большем масштабе. Однако, необходимо отметить, что перед переходом на СУБ необходимо провести обучение производственного персонала как на заводе-изготовителе, так и на строительных площадках.

Литература:

1. Анализ строительной отрасли в республике Казахстан // АО "РА РФЦА". URL: http://rfcaratings.kz/wp-content/uploads/2015/11/Analiz-stroitelstva-PDF.pdf (дата обращения: 28.11.2017).
2. Завод "Стройбетон" // Самоуплотняющийся бетон — эффективный инструмент в решении задач строительства. URL: http://www.ibeton.ru/a195.php (дата обращения: 28.11.2017).
3. ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» — Взамен ГОСТ 8736-93; введ. 2015 — 04 — 01. — МНТКС. — М., 2015. — 3 с.