Бетон расширяющийся: свойства, сферы применения, нюансы изготовления

Укладка смесей

Бетон расширяющийся (ГОСТ 32803-2014) — это материал, содержащий в своем составе напрягающий цемент или специальные расширяющие добавки для формирования предварительного напряжения конструкций в период твердения смесей.

В результате таких условий схватывания раствора, удается получить расширяющийся бетон, обладающий повышенной плотностью, водонепроницаемостью и долговечностью (см. видео в этой статье).

Объемные деформации конструкций

При производстве железобетона, во время гидратации цемента образуются коллоидные и кристаллические образования, которые по-разному могут влиять на процессы деформации, происходящие в цементном камне.

Процесс образования трещин

Коллоидные образования в период твердения смесей уплотняются и способствуют появлению усадочных раковин. А образуемые кристаллы, при определенных температурных условиях в момент гидратации цементного камня, могут увеличиваться в объеме, провоцируя тем самым тепловое расширение бетона, приводящее к появлению трещин на поверхности конструкций.

Усадочные деформации

Усадка по механизму возникновения делится на два вида.

Это:

1. усадочное напряжение (расширение)
2. усадочная деформация.

Интенсивность протекания таких деформаций зависит от показателей влажности и температуры окружающей среды.

Усадочные деформации

Изменения, происходящие в результате усадочной деформации, в сочетании с таким явлением, как линейное расширение бетона, значительно снижают трещиностойкость и долговечность сооружений. Первооснова усадки — это протекающий в течение некоторого времени процесс снижения линейных размеров смеси, вызванный физико-химическими реакциями, происходящими на тот момент в структуре изделия.

График изменения величины усадки во времени

Усадочные процессы можно распределить на несколько этапов:

• пластическая деформация, происходящая в момент схватывания смеси;
• усадка, вызванная последующим твердением смесей (до 28 дней);
• деформации, происходящие в зрелом возрасте (более 28 дней).

Коэффициент усадки представляет собой условное процентное отношение изменения начального объема материала в сравнении с его конечным значением, и обычно не превышает 1,5%.

Линейная температурная деформация

Линейные расширения

Линейное расширение — это объемные трансформации, происходящие в структуре материала под воздействием внутренних или внешних температурных факторов.

• Коэффициент линейного расширения железобетона (α). Это относительное увеличение линейных размеров конструкций при повышении температуры на 1 K в стандартных условиях.
• Коэффициент теплового расширения бетона. Его величина, зависит от температуры и сравнительной влажности окружающей среды. Данный параметр неразрывно связан с показателем теплопроводности материала.

На заметку: Последнее значение представляет собой способность изделия аккумулировать, или проводить тепло через свою структуру. Чем выше плотность — тем выше этот параметр.

• Коэффициент линейного расширения бетона. Равен 0,00001 (°С)^-1 — то есть, при повышении температуры до +50°С, линейное расширение будет иметь значение 0,5 мм/м.
• Коэффициент расширения бетона. Также зависит от марки цемента и состава заполнителей.

Заполнитель и цементный камень владеют разными коэффициентами теплового расширения. Поэтому, при изменении температурных условий эти компоненты ведут себя неодинаково, в результате чего возникают объемные напряжения в структуре изделия, способствующие образованию трещин как на поверхности, так и внутри материала.

Для предотвращения трещинообразования, температурного расширения и усадочных деформаций в современном строительстве предусмотрен целый комплекс мероприятий:

• расширительные швы в бетоне (деформационные или температурные);
• повышение частоты армирования конструкций;
• разделение монолитных поверхностей на отдельные автономные блоки и др.

Деформационный шов

Однако все эти методы значительно повышают себестоимость строительства и не всегда действуют результативно в отношении повышения эксплуатационных характеристик. Наиболее эффективным способом устранения вышеописанных недостатков является использование расширяющихся и напрягающих вяжущих.

Расширяющиеся и напрягающие бетоны

Сравнительные характеристика вяжущих

Бетоны напрягающие — это смеси на основе напрягающих цементов, способные в начальной фазе твердения увеличиваться в объеме и растягивать находящуюся в непосредственном контакте арматуру, которая в результате таких процессов получает эффект самонапряжения (обжатия).

• Причем, арматурные стержни растягиваются независимо от их направления и схемы расположения в структуре изделия, что способствует получению двухосного объемного самонапряжения конструкций.
• Механизм действия расширяющихся материалов основан на создании контролируемого направленного кристаллообразования в период твердения цементного камня, что способствует регулированию процесса объемных деформаций в пластической структуре изделия.
• Применение расширяющихся быстротвердеющих бетонов, благодаря регулируемому линейному расширению, позволяет значительно компенсировать последствия усадочных деформаций, повысить трещиностойкость и сроки эксплуатации зданий и сооружений.

Свойства

Свойства конструкций с расширяющими добавками

В практике существуют два основных вида расширяющихся материалов:

• с нормируемой величиной обжатия;
• с компенсированной усадкой, но с ненормируемым самонапряжением (обжатием).

Помимо этих категорий, можно выделить в отдельную группу расширяющиеся мелкозернистые смеси, применяемые для ремонтно-восстановительных работ.

Основные характеристики напрягающих бетонов (ГОСТ 32803-2014):

1. Для тяжелого предусматривают следующие классы на сжатие: B20—B90; на растяжение — B_t0,8—B_t4,0.
2. Для легкого: на сжатие — B10—B40; на растяжение — классы B_t0,8—3,2.
3. С учетом величины напряжения, бетон классифицируют по следующим маркам: Sp0,6—4,0.

Подсказки: марки по самонапряжению  Sp 0,6—1,0 относят к разряду бетонов с компенсированной усадкой, а классы  Sp 1,2—4,0 к расширяющимся смесям с нормируемым обжатием.

4. По морозостойкости F200—F
5. По водонепроницаемости: тяжелые —W12—W20, легкие — W8—W
6. Данный материал обладает высокой прочностью (40–70 Мпа). Причем, рост этого значения особенно интенсивно наблюдается в раннем возрасте (28 суток). По истечении трех месяцев прочность на растяжение—сжатие увеличивается на 30%, а по достижению 6 месяцев — на 40%.
7. Отсутствует коррозия арматуры.
8. Высокая сульфатостойкость.
9. Газопроницаемость в 40 раз ниже в сравнении с тяжелыми бетонами на портландцементе.

Применение

Предварительно напряженные конструкции

Отмеченные свойства данного материала позволяют его эффективное применение как в монолитных, так и в сборных железобетонных конструкциях:

• при строительстве несущих элементов и проезжей части мостов, что позволило увеличить несущую способность на 12–16%;
• для строительства энергетических объектов ТЭЦ, ГЭС, АЭС и др.;
• при сборном строительстве туннелей метрополитена;
• при возведении напрягающих конструкций спортивного назначения (крытые спортивные арены и пр.);
• при производстве железобетонных труб высокого давления;
• для оборудования покрытий кровель и устройства прочных промышленных полов;
• широкое использование при устройстве надежных гидроизоляционных покрытий, наносимых методом торкретирования.

Материалы

Расширяющийся бетон производится на основе напрягающего и безусадочного цемента с использованием крупных и мелких заполнителей природного происхождения.

Вяжущие

Расширяющиеся цементы представляют собой смеси, состоящие из портландцемента или глиноземистого цемента со специальными добавками, обеспечивающими увеличение объема структуры цементного камня на начальном этапе твердения.

В качестве добавок обычно выступают:

• гипс;
• глиноземистые шлаки;
• гидроалюминаты кальция.

В процессе гидратациии цементного камня образуются гидросульфоалюминатные соединения кальция, в момент формирования которых возникает эффект расширения структуры, компенсирующий усадочные явления.

Наибольшее распространение получили следующие виды цементов:

1. Водонепроницаемые расширяющиеся цементы (ВРЦ), получаемые путем смешивания глиноземистых цементов (70%), гидроалюмината кальция (10%) и тонкомолотого гипса (20%).

Цемент ВРЦ

2. Водонепроницаемые безусадочные цементы (ВБЦ), состоящие из тех же компонентов что и (ВРЦ), но взятыми в других пропорциях и в других объемных соотношениях. Эти цементы способны формировать цементный камень высокой водонепроницаемости, выдерживающий давление воды до 0,70 Мпа.

Водонепроницаемые безусадочные вяжущие ВБЦ

3. Расширяющийся цемент (РПЦ), получаемый в результате тонкого помола и смешивания портландцемента (60%), высокоглиноземистых доменных шлаков (5–7%), гипса (7–10%) и минеральной добавки (20–25%).

Расширяющийся цемент РПЦ

4. Гипсоглиноземистые расширяющиеся цементы (ГГРЦ), состоящие из смеси тонкоизмельченного глиноземистого доменного шлака (70%) и молотого гипса (30%).

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент

5. Напрягающие цементы (НЦ) производят на базе портландцемента (60–70%), глиноземистого цемента (18–20%) и двуводного гипса, совместно измельченных до показателя удельной поверхности минимум 3500 см²/г (см. фото).

Напрягающий цемент

Заполнители

Доля крупных и мелких заполнителей в бетоне, может достигать 80% от общего объема смеси, и оказывать значительное влияние на физико-химические свойства изделия. Оптимальный подбор состава данных компонентов может существенно сократить использование цемента, цена которого в значительной мере влияет на себестоимость продукта.

Крупный и мелкий заполнитель

Кроме того, заполнители наравне с вяжущими могут улучшать технические характеристики конструкций:

• увеличивать прочность и сдерживать деформации;
• снижать значение ползучести;
• принимать на себя воздействие линейных напряжений и частично компенсировать усадку.

Для приготовления расширяющихся растворов, в роли крупных заполнителей выступают гравий и щебень фракций 5–70 мм. Требования к данному материалу такие же, как и для традиционных тяжелых бетонов (ГОСТ 10268-80).

Прочность заполнителей определяется значениями прочности горных пород, из которых они изготовлены. Согласно требованиям ГОСТ, средняя плотность крупнозернистых заполнителей, должна быть равна 2000–3000 кг/м3.

Рекомендуемая марка крупных заполнителей

Технические характеристики некоторых заполнителей пример

В качестве мелкого заполнителя, чаще всего используют кварцевый песок мелких фракций (ГОСТ 8736-93) плотностью 2000–2800 кг/м^{3 ,} причем, чем меньше фракция, тем выше плотность бетона.

Приготовление расширяющихся смесей

Готовим смеси своими руками

Расширяющие и напрягающие бетоны при необходимости можно приготовить своими руками, в условиях строительной площадки.

Существует два основных способа для изготовления быстротвердеющих водонепроницаемых смесей:

• с применением напрягающих и расширяющихся цементов;
• с использованием специальных расширяющихся добавок на основе портландцемента.

Расход модифицированных цементов и пропорции по отношению к заполнителям, такие же, как и для приготовления обычного тяжелого бетона. Инструкция для приготовления расширяющихся смесей с использованием портландцемента для каждой добавки индивидуальна. Пропорции и порядок действий описаны на тыльной стороне упаковки продукта.

Модифицирующие расширяющие добавки

При производстве быстротвердеющих расширяющих бетонов используют алюминатносульфатные и алюмооксидные добавки, обладающие как расширяющим, так и напрягающим действием.

Наиболее распространенные это:

1. Расширяющая химическая добавка (РД) — тонкоизмельченная сухая смесь алюминатных и сульфатных компонентов, позволяющая получать изделия с высокой водонепроницаемостью, морозостойкостью и компенсированной усадкой.

Расширяющиеся добавки (РД)

2. Добавка РСАМ — сухой порошок светло-коричневого цвета. Служит для получения безусадочного и напрягающего вяжущего на основе портландцемента. При равнозначном объеме цемента, введение добавки в состав смеси существенно повышает прочность на растяжение—сжатие, и полностью удаляет проблему возникновения трещин.

Присадка РСАМ

3. Expancrete — это сухая неорганическая добавка, компенсирующая усадку. Эффект действия зависит от объема используемой присадки, водоцементного соотношения, фракции и состава заполнителя, а также частоты армирования конструкций. Поэтому, необходимое количество добавки определяют опытным путем.

Расширяющийся бетон необходимо укладывать в опалубку с оптимальным уплотнением и последующим тщательным уходом, обеспечивающим требуемый температурный и влажностный режим, при котором исключаются незапланированные линейные расширения конструкций.