Самоуплотняющийся бетон

Идея создания самоуплотняющегося бетона зародилась в Японии в 1980-х — начале 1990-х годов, когда профессор Хадзиме Окамура предложил концепцию бетона, не требующего вибрационного уплотнения при укладке^[4][5]. Разработка данной технологии стала возможной благодаря более раннему появлению высокоэффективных суперпластификаторов для бетонных смесей^[2]. В английском языке за материалом закрепилось название self-compacting concrete (SCC), в немецком — Selbstverdichtender Beton (SVB), во французском — béton autoplaçant (BAP)^[5].

Более широкому распространению самоуплотняющегося бетона в Европе способствовал выход в ноябре 2003 года в Берлине нормативного документа Немецкого комитета по железобетону (DAfStb-Richtlinie Selbsverdichtender Beton), содержавшего термины, методы диагностики и связь с другими стандартами на бетоны^[4]. После публикации этого документа применение самоуплотняющегося бетона было официально разрешено в Европе^[4]. В 2002 году европейская организация EFNARC издала собственные спецификации и рекомендации по самоуплотняющемуся бетону, обобщившие практический опыт применения данного материала в странах Европы^[2].

В России исследования и разработка составов самоуплотняющихся бетонов ведутся с начала 2010-х годов, однако материал пока не получил широкого практического распространения^[5]. Среди причин ограниченного применения указываются сложность организации производства (число компонентов смеси может достигать семи и более), необходимость высокой стабильности свойств исходных материалов и всего дозировочно-смесительного оборудования, а также недостаточно развитая на момент исследований национальная нормативная база^[5]. Ситуация начала меняться с принятием национальных стандартов — ГОСТ Р 59714—2021 «Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Технические условия», разработанного на основе европейского стандарта EN 206:2013+А2:2021 и введённого в действие с 1 января 2022 года^[1], а также ГОСТ Р 59715—2022 «Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Методы испытаний», учитывающего положения немецких национальных стандартов серии DIN EN 12350^[6].

По типу бетона самоуплотняющиеся бетонные смеси подразделяются на смеси тяжёлого бетона (БСТ), мелкозернистого бетона (БСМ), лёгкого бетона (БСЛ), а также самоуплотняющиеся фибробетонные смеси с неметаллической фиброй на матрице из тяжёлого, мелкозернистого или порошкового бетона (ФБСТ, ФБСМ, ФБСП) и самоуплотняющиеся сталефибробетонные смеси на аналогичных матрицах (СФБТ, СФБМ, СФБП)^[1].

По технологическим показателям качества самоуплотняющиеся бетонные смеси подразделяют на марки по удобоукладываемости (РК), вязкости (V) и текучести (Т)^[1]. Удобоукладываемость характеризуется величиной расплыва нормального конуса и делится на марки РК1 (расплыв 55—65 см), РК2 (66—75 см) и РКЗ (76—85 см)^[1]. Вязкость смеси определяется временем достижения расплывом значения 50 см либо временем истечения смеси из V-образной воронки и подразделяется на марки V1—V4^[1]. Текучесть характеризует способность смеси растекаться через препятствия из арматурных стержней в L-образном ящике или через блокировочное кольцо и делится на марки Т1—Т4^[1].

Отдельным направлением классификации выступает разделение по средней плотности: наряду с тяжёлыми самоуплотняющимися бетонами выделяют лёгкие самоуплотняющиеся бетоны на пористых заполнителях со средней плотностью менее 1800 кг/м³, сочетающие технологические преимущества самоуплотнения со сниженной массой конструкции^[5]. По области применения выделяются высокопрочные самоуплотняющиеся бетоны, а также составы, полученные с использованием вторичного сырья — дроблёного бетонного лома, кирпичного боя и попутных продуктов промышленности^[3][4].

В качестве вяжущего для приготовления самоуплотняющихся бетонных смесей используют цементы, отвечающие требованиям соответствующих стандартов на материалы конкретных видов^[1]. Согласно европейским рекомендациям, типовой расход цемента составляет 350—450 кг/м³, при этом расход более 500 кг/м³ может привести к повышенной усадке, а менее 350 кг/м³ допустим только при включении дополнительных тонкодисперсных наполнителей^[2].

Для тяжёлых самоуплотняющихся бетонов расход цемента должен находиться в диапазоне от 300 до 500 кг/м³, а общее количество тонкодисперсных компонентов — цемента, минеральных добавок и органоминеральных модификаторов — должно составлять от 550 до 600 кг/м³^[1]. Общий объём цементного теста (цемент, добавки, вода) в составе смеси должен находиться в пределах от 0,35 до 0,40 м³/м³, а соотношение объёмов мелкого и крупного заполнителей — от 45:55 до 50:50^[1].

Отличительной особенностью составов самоуплотняющихся бетонов является ограниченное содержание крупного заполнителя — до 40 % объёма — при увеличенной доле мелкого заполнителя и минеральных добавок с размером частиц не более 0,125 мм, доля которых может достигать 20—30 % от массы цемента^[5]. В качестве тонкодисперсных минеральных наполнителей применяют известняковую муку, микрокремнезём, тонкомолотый кирпичный бой, а также продукты дробления бетонного лома^[3][4]. Согласно европейским рекомендациям, к добавкам-наполнителям также относят измельчённый известняк, доломит или гранит, летучую золу, гранулированный доменный шлак и молотое стекло^[2].

Обязательным компонентом рецептуры служат суперпластификаторы (гиперпластификаторы), обеспечивающие необходимую подвижность смеси при пониженном водоцементном отношении; наиболее распространены суперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов и эфиров полиарилов^[3]. Дополнительно могут применяться вязкостно-модифицирующие добавки, повышающие устойчивость смеси к расслоению, воздухововлекающие добавки для повышения морозостойкости и замедлители схватывания^[2]. Для дисперсного армирования используют стальную или полимерную фибру, причём содержание особо тонких синтетических волокон обычно не превышает 1 кг/м³, поскольку избыточное количество способно препятствовать растеканию смеси^[2].

Самоуплотняющиеся бетонные смеси приготовляют в смесителях гравитационного и принудительного действия по технологическому регламенту или технологической карте, утверждённым производителем^[1]. Цемент, плотные заполнители, фибру, минеральные и органоминеральные добавки дозируют по массе, пористые заполнители — по объёму с коррекцией по массе, а жидкие компоненты — по массе или объёму; погрешность дозирования не должна превышать ±1 % для цемента, воды, фибры и химических добавок и ±2 % для заполнителей^[1].

Продолжительность перемешивания самоуплотняющихся смесей в стационарных циклических смесителях, как правило, больше, чем для обычных бетонных смесей, и устанавливается технологическим регламентом на производство^[1]. Порядок времени добавления суперпластификатора в смеситель имеет существенное значение и согласуется с поставщиком добавки по результатам заводских испытаний^[2].

Готовые смеси доставляют потребителю автобетоносмесителями, при этом продолжительность транспортирования не должна превышать время сохраняемости заданных свойств смеси^[1]. Введение в смесь дополнительных компонентов — цемента, заполнителей, воды или добавок — в процессе транспортирования не допускается; однако при согласовании с поставщиком возможно восстановление удобоукладываемости на строительной площадке за счёт порционного введения раствора той же пластифицирующей добавки^[1].

Укладку самоуплотняющихся бетонных смесей в конструкцию осуществляют непрерывно, без вибрационного уплотнения; высота свободного сбрасывания смеси не должна превышать 1,5 м^[1]. Согласно европейским рекомендациям, для минимизации риска расслоения рекомендуется ограничивать вертикальное свободное падение смеси пределом 5 м, а горизонтальное растекание от точки выгрузки — пределом 10 м^[2]. Допускается кратковременное, не более 5 секунд, вибрирование смеси с маркой по удобоукладываемости РК1 при отсутствии признаков расслоения^[1].

Контроль качества смеси на всех этапах производства осуществляется по показателям удобоукладываемости, расслаиваемости, вязкости и текучести, определяемым с использованием стандартизированных методов испытаний — расплыва нормального конуса, V-образной воронки, блокирующего кольца и L-образного короба^[6]. Определение удобоукладываемости проводят из каждой загрузки автобетоносмесителя, расслаиваемости — из первой и далее каждой десятой загрузки, тогда как показатели вязкости и текучести контролируют только при подборе состава бетона^[1]. Поскольку самоуплотняющийся бетон быстро высыхает из-за практически полного отсутствия воды затворения на поверхности, начало ухода за конструкцией после укладки рекомендуется проводить как можно раньше^[2].

Основными технологическими показателями качества самоуплотняющейся бетонной смеси являются удобоукладываемость и расслаиваемость; к вспомогательным показателям относят вязкость и текучесть^[1]. Расслаиваемость смеси, характеризующаяся раствороотделением на сите, не должна превышать 15,0 % для марки РК1, 17,5 % для РК2 и 20,0 % для РКЗ^[1].

Согласно европейской спецификации, готовая смесь должна одновременно удовлетворять трём требованиям: заполняющей способности (способности растекаться и полностью заполнять форму под собственным весом), проходной способности (способности проходить через стеснённые пространства без расслоения и закупоривания) и устойчивости к расслоению^[2]. Только при выполнении всех трёх условий смесь может быть классифицирована как самоуплотняющийся бетон^[2].

Среди практических преимуществ самоуплотняющегося бетона отмечают более быстрое возведение конструкций, сокращение трудозатрат и численности персонала на площадке, улучшенное качество поверхности, лёгкость укладки, повышенную долговечность, большую свободу архитектурного проектирования, возможность выполнения тонкостенных элементов, а также снижение уровня шума и отсутствие вибрации при укладке^[2]. Испытания также показали прирост прочности при сжатии по сравнению с обычным тяжёлым бетоном при сохранении показателей прочности на раскалывание и модуля упругости, а также высокие показатели водонепроницаемости^[5].

Прочность при сжатии самоуплотняющихся бетонов на основе различных заполнителей и минеральных наполнителей может варьироваться в широком диапазоне — от 24 до 87 МПа в зависимости от состава, соотношения компонентов и вида суперпластификатора^[5][3]. Отмечается, что исследуемые высокопрочные составы отличаются высокими темпами набора прочности: предел прочности при сжатии в возрасте от одних до семи суток может составлять 40—45 % и 81—87 % от проектной прочности соответственно^[3]. Вместе с тем повышенное содержание тонкодисперсных компонентов в смеси способно приводить к увеличенной пластической усадке и ползучести бетона по сравнению с обычным составом^[2].

Самоуплотняющиеся бетонные смеси применяют для возведения монолитных конструкций, а также на предприятиях сборного железобетона для изготовления бетонных, железобетонных и фибробетонных конструкций и изделий^[1]. Согласно указаниям национального стандарта, такие смеси целесообразно использовать в случаях, когда форма и армирование конструкций затрудняют укладку и уплотнение обычной, менее подвижной бетонной смеси, при необходимости повышения производительности бетонирования и снижения трудозатрат, а также при необходимости снижения уровня шума и вибрации на строительной площадке^[1].

Материал применяется в густоармированных конструкциях сложной геометрической формы, где обычный вибрационный метод укладки затруднён или невозможен^[3]. Высокая водонепроницаемость самоуплотняющегося бетона позволяет применять его при возведении гидротехнических сооружений^[5]. Лёгкие самоуплотняющиеся бетоны на пористых заполнителях, в частности с использованием вулканического туфа, находят применение там, где требуется сочетание технологических преимуществ самоуплотнения со сниженной массой конструкции^[5].

В сейсмоактивных регионах самоуплотняющиеся бетоны рассматриваются как перспективный материал для устройства монолитных сейсмостойких конструкций высотных зданий и сооружений^[3]. Возведение конструкций с применением самоуплотняющегося бетона осуществляется по технологическому регламенту, в котором указываются показатели качества смеси с учётом конфигурации и армирования конструкции, условия и скорость укладки, температурно-влажностные параметры выдерживания, а также правила ухода за конструкцией после распалубки^[1].