Любой бетон производится для того, чтобы изготовить из него конструкцию...
Опубликованные в журнале «Бетон и железобетон» №2 за 2004г статьи Л.И.Дворкина и др. об оптимизации песка в бетоне и В.А.Шушпанова и др. об оптимизации дозировок пластификаторов заставляют живо откликнуться на данные публикации, т.к. в бетонных смесях нет и не может быть единственного оптимального расхода песка, а оптимальная дозировка СП С- 3 может быть найдена только экспериментальным путем. Доказательство этого будут приведены далее в статье, хотя рамки её гораздо шире. Настала пора, когда каждый, кто в процессе своей деятельности соприкасается с бетоном, должен понять, что это не «грязь», не какая-то смесь песка и щебня с большим или маленьким расходом цемента, а материал с определенными строго нормированными параметрами качества. Любой бетон производится для того, чтобы изготовить из него конструкцию, возвести сооружение, способные выдерживать воздействующие нагрузки в соответствии со своим назначением в течение запланированного срока. Эта статья ставит своей целью внести как можно большую ясность в понятие «качество бетона» с тем, чтобы при поступлении заказа на бетон не услышать в телефонной трубке ошеломляющее: «Дайте мне бетон в солях!», а получить технически грамотную заявку на бетонную смесь.
Принятый в России Закон «О техническом регулировании» заставляет по-новому отнестись к использованию нормативно-технической документации, её разработке и применению, в том числе, для успешного выхода на внешний рынок. Закон предусматривает в течение ближайших семи лет разработку новых технических регламентов взамен старой нормативно-технической документации, и это обстоятельство вызывает большую тревогу в среде специалистов, главным образом, с точки зрения обеспечения качества строящихся объектов. С одной стороны, разрабатываемые технические регламенты должны соответствовать требованиям европейских стандартов (EN), с другой, уже сегодня обеспечить внутренний рынок строительной отрасли качественной продукцией. В Европейский комитет по стандартизации при Европейском союзе (CEN при ЕС), разрабатывающий EN, объединяющий большинство национальных организаций по стандартизации стран Западной и Центральной Европы, Россия не входит ни в каком качестве. Однако это не исключает необходимости обновления всей отечественной нормативной базы, доведение её до общеевропейского уровня с созданием дополнительных стандартов, определяющих какие требования к бетону должны быть указаны в проекте или в заказе на бетон и какие могут быть указаны дополнительно. Например, принятый в Великобритании основной евростандарт на бетон EN 206-1 дополнен национальным стандартом BS 8500-1, содержащим в части 1 указания для проектировщика или заказчика по формулированию требований к бетону, а в части 2 – требования к составляющим бетон материалам. Пока такие нормативы у нас отсутствуют, приходится вопросу управления качеством бетона посвящать специальную статью. Наука управления предусматривает установление, обеспечение и поддержание в допустимых пределах параметров управляемого объекта. В этой статье речь пойдет только об установлении и обеспечении основных (неотъемлемых) параметров качества бетонной смеси и бетона. Третий аспект управления требует специального рассмотрения, он тесно связан с вопросом автоматизации процессов.
Попробуем сформировать заявку на бетон для конкретного объекта. В такой заявке должны содержаться все сведения, необходимые для поставки на объект бетонной смеси, обеспечивающей требуемое качество забетонированной конструкции. Обязательно при этом должны быть указаны: класс бетона по прочности на сжатие и (или) растяжение при изгибе, марка бетонной смеси по подвижности (у места укладки), вид и максимальный размер крупного заполнителя, используемый цемент (если вид конструкции предусматривает применение специального цемента), марка по водонепроницаемости, марка по морозостойкости, длительность транспортирования, способ подачи и укладки бетонной смеси, вид бетонируемой конструкции, периодичность подачи смеси, а также, возможно, какие-либо дополнительные специальные требования, связанные с условиями проведения бетонных работ либо эксплуатации конструкции.
Основные сведения о требуемых параметрах качества бетона в конструкции подрядчик получает из проектной документации и технологической карты производства работ (регламента), типового или разработанного техническим отделом самого подрядчика (возможно, с привлечением компетентных организаций). При грамотном подходе технический отдел подрядчика обязан снабдить производителя работ всей необходимой документацией. Иначе прораб или начальник участка вынужден заниматься самодеятельностью, и формирует заявку на бетонную смесь в силу своей (не)компетентности. Таким образом, качество наших строительных объектов определяется профессионализмом непосредственных производителей работ. Отсюда следует на сколько важно в условиях прогрессивно расширяющейся номенклатуры бетонов и их компонентов постоянно повышать квалификацию работающего персонала.
Итак, мы выяснили, что должно быть указано в заявке на бетонную смесь. Как обеспечить указанные в заявке параметры качества бетонной смеси, должен знать её производитель. И только такой производитель, который способен обеспечить все указанные в заявке параметры качества бетонной смеси имеет право функционировать на рынке поставок бетона. Вопрос обеспечения требуемых параметров качества бетонных смесей в различных условиях строительства и эксплуатации конструкции (сооружения) очень многогранен, и не может быть полностью освещен в рамках одной статьи. Здесь возможно (и необходимо) отразить только, как обеспечить основные параметры качества товарных бетонных смесей для массового монолитного строительства на стадии их проектирования (назначения состава) и приготовления, т.к. этот вопрос продолжает оставаться актуальным. Состав бетона должен обеспечивать четыре основных свойства: прочность затвердевшего бетона в заданные сроки, консистенцию смеси при изготовлении, пластичность (нерасслаиваемость под действием собственной массы и уплотняющих механизмов), плотность упаковки как равенство абсолютных объемов составляющих единице объема готового бетона. Для выбора соотношения между четырьмя основными компонентами бетона необходима система из четырех уравнений, математически описывающих четыре названных выше свойства. Одновременно важно не только правильно заказать бетонную смесь, но и не испортить её при бетонировании конструкции, если поставщик выполнит нашу заявку на 100%, и проведенный на строительной площадке приемочный контроль подтвердит это.
Требования по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости бетона в конструкции всегда можно найти в проекте и их легко внести в заявку. Остановимся на том, как обеспечить эти параметры на стадии приготовления смеси. Прежде всего, проектирование состава бетона всегда производится по самому жесткому показателю. При высоких требованиях по морозостойкости, водонепроницаемости или прочности на растяжение при изгибе прочность на сжатие становится второстепенным показателем, т.е. она должна быть только не ниже требуемой. Требуемые же остальные параметры (как и стойкость в различных агрессивных средах) обеспечиваются структурой цементного камня – плотностью, проницаемостью, т.е. ограничениями по В/Ц, но это предмет специального рассмотрения. Речь пойдет только об обеспечении прочности и консистенции при производстве бетона и сохранении их при бетонировании и эксплуатации конструкции.
Как известно, прочность бетона является функцией пористости цементного камня, только если он заполняет все пустоты в заполнителях. Это - закон прочности, известный как формула Боломея, которая для практического использования может быть записана в виде Ц/В = А * Rб/Rц + Б, и на соответствующих требованиям ГОСТов материалах имеет вид:
В = 2,25 Rб /Rц + 0,25 (1)
с коэффициентом вариации 13,5%. Нельзя забывать, что коэффициенты в формулах прочности, предлагаемых разными авторами, являются экспериментальными. Их значение зависит от качества используемых заполнителей и способа определения активности цемента. В конкретных условиях коэффициенты легко уточнить прямым экспериментом всего на трех составах бетонных смесей с расходом цемента 250, 350 и 450 кг на кубометр при расходе воды для получения смеси с ОК = 1…2 см. При этом в смесь вводятся все используемые добавки в их рабочих дозировках. По полученным результатам прочности бетона на графике линейной зависимости Ц/В от Rб/Rц находятся: коэффициент “Б” как отрезок, отсекаемый прямой на оси Ц/В и коэффициент “А“ как значение Ц/В при Rб/Rц = 1 за минусом значения коэффициента “Б”. Изготовитель, как правило, устанавливает требуемое значение средней прочности бетона данного класса на основании определенного на предприятии коэффициента вариации. Однако нельзя игнорировать возможную разницу между однородностью прочности бетона у изготовителя и в конструкциях на строительной площадке. Поэтому потребитель имеет право оговаривать требуемое значение средней прочности бетона в партии, руководствуясь полученным на строительной площадке коэффициентом вариации прочности бетона данного поставщика или при отсутствии такового увеличивать нормируемое значение прочности бетона данного класса в 1,41 раза. Это будет создавать некоторый запас прочности на случай порчи бетонной смеси во время транспортирования или непосредственно у места укладки, и действительно обеспечит несущую способность бетона в конструкции.
Теперь об обеспечении консистенции бетонной смеси. Консистенция - подвижность или жесткость бетонной смеси на конкретных материалах зависит от расхода воды. Требуемый расход воды может быть найден только экспериментальным путем, т.к. влияние удельной поверхности и водопоглощения заполнителей не представляется возможным учесть теоретически. Ориентировочно расход воды может быть определен по формуле:
В = АВ + 1,5ОК+ 3(НГ– 24) + 0,05(Ц – 400) – Ж. (2)
В случае проведения описанного выше эксперимента коэффициент “АВ” равен среднему значению фактического расхода воды, а ориентировочно АВ = 180 для бетонов без добавок, АВ = 165 для бетонов с лигносульфонатами, АВ = 150 для бетонов с СП С-3. Из приведенных значений коэффициента АВ видно, что при равной подвижности (супер)пластифицирующие добавки обладают водоредуцирующим эффектом, т.е. понижают расход воды, а при равной прочности и цемента. Оптимальная (максимально возможная) дозировка пластификатора на основе лигносульфонатов ограничена снижением прочности бетона, а не возможным максимальным пластифицирующим эффектом. Поэтому она зависит только от типа добавки (степени её «облагороженности»). Оптимальная дозировка СП С-3 зависит не только от количества алюминатов в цементе, но и от степени закристаллизованности клинкерных минералов, количества активной минеральной добавки, тонкости помола цемента, а также других неизвестных нам факторов (случайных примесей). Она не зависит ни от подвижности смеси, ни от расхода цемента, а только от вещественного состава самого цемента. Оптимальная дозировка должна давать максимальный технический (и экономический) эффект, она легко находится экспресс методом – методом мини-конуса. Оптимальная (максимальная) дозировка – это та, при которой прекращается разжижение цементного теста и начинается водоотделение. Превышение оптимальных дозировок будет вызывать повышенное воздухововлечение, и может приводить к расслоению смеси вплоть до полного выпадения из неё щебня. Передозировка добавки всегда видна на поверхности затвердевшего бетона в виде луночек от лопнувших пузырьков. На таком участке возможно понижение прочности бетона.
Если рекомендации по выбору параметра подвижности или жесткости бетонной смеси при изготовлении сборной железобетонной конструкции содержатся во множестве центральных и ведомственных документов, то таких рекомендаций при монолитном строительстве практически нет. Практику заказа на объект бетона во всех случаях максимальной подвижности (П4 при ОК=18…20 см) нельзя считать правильной. Использование для увеличения подвижности бетонной смеси широкой гаммы пластифицирующих даже самых эффективных и дешевых химических добавок не исключает повышения расхода цемента. А это и удорожание стоимости бетона, и опасность повышенной усадки и тепловыделений в массивных конструкциях вплоть до образования усадочных трещин, и повышение ползучести, и возможное шелушение поверхности. Чем более подвижна смесь, тем выше её склонность к расслоению, повышенному водонасыщению поверхностного слоя с ухудшением его показателей по морозостойкости в сравнении с телом бетона. Как же правильно задаться подвижностью бетонной смеси?
Подвижность бетонной смеси на строительной площадке в момент её формования должна быть наименее возможной при применяемых механизмах уплотнения. Это значит, что смесь должна иметь такую минимальную осадку конуса (ОК), которая при этом потребует минимальных усилий уплотнения, т.е. минимального времени воздействия конкретного используемого механизма для достижения максимального уплотнения бетонной смеси в конструкции. Подвижность бетонной смеси зависит также от способа подачи бетонной смеси к месту бетонирования. Насос, бадья, лоток требуют смеси разной подвижности. Бадьёй можно подать смесь П2 (ОК=5…10 см), по лотку (вибролотку) можно подавать смеси П2 или П3 (ОК= 11…15 см) в зависимости от его длины и угла наклона, насосом можно подавать только гомогенные (нерасслаивающиеся) смеси марки П4 (ОК= 16…20 см) или даже П5(ОК> 20 см). Поэтому важно согласовывать с поставщиком способ подачи и укладки бетонной смеси. Подвижность также диктуется видом бетонируемой конструкции, т.е. горизонтальная или вертикальная конструкция, какова толщина формуемого слоя бетона. При бетонировании горизонтальной с большой открытой поверхностью конструкции и при большей толщине формуемого слоя бетона нужна повышенная подвижность бетонной смеси. Только тщательно взвесив все особенности бетонируемой конструкции и способа её формования можно не ошибиться в требовании по подвижности заказываемой бетонной смеси.
Пока речь шла только о подвижных бетонных смесях, т.к. укладываемые трамбованием жесткие бетонные смеси в современной практике монолитного строительства зданий и сооружений не применяются. Однако жесткие бетонные смеси находят все большую практику применения в качестве бетонных оснований под дорожные и аэродромные покрытия. Жесткие бетонные смеси, называемые то «тощий бетон», то «укатываемый бетон», то «эконокрит», то «щебеночно-песчаная смесь, укрепленная цементом», вовсе не являются идентичными материалами, хотя все они нормируются по параметру прочности на сжатие. Они обладают разными свойствами в конструкции при работе слоя бетона в основании в целом. В силу структурно-текстурных различий они обладают разными модулями упругости, т.к. материал работает не только на сжатие, но и на растяжение. Если конструкция дорожной одежды рассчитана как жесткая хотя бы в пределах ограниченных температурными швами плит, то к такому бетону предъявляются требования по прочности на растяжение при изгибе и по морозостойкости. А необходимость сохранения монолитности бетона потребует тщательного уплотнения и ухода за бетоном в процессе его твердения. В этом случае, чем большая прочность бетона будет применена при проектировании или получена в натуре, тем лучше с точки зрения несущей способности, трещиностойкости и долговечности конструкции, что снимает ограничение по расходу цемента. Если конструкция рассчитана как нежесткая, то укрепленный цементом слой щебеночно-песчаной смеси должен иметь блочную структуру с образованием хаотичной сетки трещин при низком расходе цемента и неравномерности его распределения. Для гарантированного получения слоя с блочной структурой, снимающего проблему температурных швов и отраженных трещин, расход вяжущего не должен превышать верхнюю границу, а требуемая прочность должна рассматриваться как верхний предел при укатывании в процессе или после конца схватывания цемента. Специального ухода за слоем такого материала не требуется.
