76 научно-методическая и научно-исследовательская конференция Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Секция ОНИЛ "ЦЕМЕНТ" "Цементные бетоны")
Технолог АО «ИРМАСТ-ХОЛДИНГ» к.т.н. С.В.Эккель.
5 февраля 2018
1. Строительство цементобетонных покрытий предъявляет более высокие требования к культуре производства, что сложнее, чем строить асфальтобетонные покрытия.
При строительстве цементобетонных покрытий необходимо более тщательно относиться к работам по устройству всех нижележащих слоёв дорожной одежды, к водопропускной системе, дренажу и к работе деформационных швов: дефекты в цементобетонном покрытии (трещины, уступы, сколы на швах) вызваны обычно именно недостатками не бетона, а других элементов конструкции. А устранять дефекты в нижележащих слоях или в швах сложнее в дорожной одежде с цементобетонным покрытием, чем с асфальтобетонным: ямочным ремонтом, фрезерованием тонкого верхнего слоя не обойтись.
2. К культуре производства относится также необходимость оперативной корректировки составов бетона по данным входного контроля качества материалов, производственного контроля свойств бетонной смеси, бетона и технологии работ. Такие корректировки обязательны, отражают неоднородность качества поступающих материалов, учитывают изменения водопотребности и сохраняемости свойств бетонной смеси со временем транспортирования и технологических перерывов, необходимость поддержания постоянным подобранный состав бетона.
3. Корректировка состава бетона покрытий часто связана с обеспечением сохраняемости технологических свойств бетонной смеси (подвижности, содержания вовлечённого воздуха, нерасслаиваемости и удобообрабатываемости) со временем транспортирования и технологических перерывов, чтобы позволить успешно осуществить все необходимые технологические операции в течение не более часа после приготовления смеси, как требует СП78.13330.2012, п.14.2.6, СНиП 3.06.06-88, табл.6.
4. Сохраняемость свойств бетонной смеси определяется её составом и зависит, прежде всего, от цемента, применяемых химических добавок и заполнителей, при заданной температуре воздуха.
Обычно, известные пластифицирующие добавки на основе лигносульфонатов, нафталинсульфонатов и карбоксилатов, особенно, в повышенных дозировках, несколько удлиняют сроки схватывания цементного теста и сохраняемость удобоукладываемости бетонной смеси со временем. Однако, как выяснилось, в ряде случаев, ластифицирующие добавки не замедляют, а ускоряют схватывание и, соответственно, потерю подвижности бетонной смеси со временем.
Такое поведение цемента в присутствии пластифицирующих добавок проявляется, чаще всего, при работе «с колёс», при доставке автоцементовозами, когда цемент не успевает полежать некоторое время (несколько дней или недель) в силосах на ЦБЗ у строителей или на цементном заводе у производителя. При этом, цемент по качеству полностью соответствует всем требованиям указанных выше ГОСТ, в том числе, имеет температуру не выше плюс 400С. При уменьшении дозировки С-3 до 0,2% и менее отрицательный эффект такого взаимодействия на сохраняемость подвижности бетонной смеси со временем снижается.
5. Особенности влияния пластифицирующих добавок на сроки схватывания цементного теста и сохраняемость свойств бетонной смеси со временем можно объяснить (для цемента нормированного состава, с началом схватывания более 2 часов, без минеральных добавок и вспомогательных компонентов), особенностями помола цемента, в частности, температурой помола, и временем его хранения до применения в бетоне.
Переход с открытого цикла помола на замкнутый на Вольском цементном заводе не изменил наблюдаемую картину взаимодействия цемента и добавки С-3.
6. Можно рекомендовать строителям, по возможности, не работать с колёс, дать цементу некоторое время вылежаться в силосах на ЦБЗ, получать цемент железнодорожным транспортом (при этом цемент, как правило, больше времени находится в силосах на цементном заводе-производителе), что не всегда выполнимо в реальных условиях.
7. В настоящее время нигде не нормируется необходимость определения совместимости цемента с химическими добавками-пластификаторами с точки зрения сохраняемости подвижности бетонной смеси со временем. Формально нельзя предъявить претензии цементному заводу-поставщику, если бетонная смесь с добавкой-пластификатором быстро теряет подвижность со временем..
8. На сохраняемость бетонной смеси со временем влияет также водопоглощение щебня, особенно, старых, выветрелых или пористых пород, которое увеличивается в присутствии добавок-пластификаторов, по нашим данным, на 0,2-0,8% по массе, в зависимости от характеристик щебня. Водопоглощение щебня в присутствии химических добавок в бетоне нигде не регламентируется, лаборатория на ЦБЗ и на укладке бетона фиксирует результирующее влияние на водопотребность и сохраняемость свойств бетонной смеси со временем и соответственно корректирует состав бетона.
9. Для бетона покрытий важно получить нерасслаиваемую при транспортировке, распределении и уплотнении по выбранной технологии бетонную смесь, без повышенного водоотделения и раствороотделения по ГОСТ 7473-2010, ГОСТ 10181-2014.
Ослабление поверхностного слоя покрытия при расслоении бетонной смеси (при появлении водоотделения и раствороотделения) может привести к морозному шелушению при зимней эксплуатации (особенно, в присутствии солей-антиобледенителей) или истиранию, появлением колеи в цементобетонном покрытии в результате износа.
По данным исследований Союздорнии, истирание бетона на поверхности покрытия практически не проявляется при достижении прочности на сжатие 40,0МПа и выше.
10. Пластифицирующие добавки изменяют соотношение между показателями подвижности и жёсткости малоподвижной бетонной смеси.
При этом, чем выше дозировка пластифицирующей добавки, тем изменение в этом соотношении более выражено, тем меньше динамический предел текучести, тем легче развибрируется жёсткая по внешнему виду, по осадке конуса, бетонная смесь.
Эти особенности соотношения подвижности и жёсткости необходимо учитывать, в частности, при работе с бетоноукладчиком со скользящей опалубкой, когда есть риск внешнего воздействия вибрации на свежеуложенное покрытие от рядом работающей техники (автосамосвалов, виброкатков и пр.), что может привести к недопустимому оплыву кромки свежеуложенного слоя.
Для укладки с помощью средств малой механизации («ручной» бетон) широкое распространение получили смеси марок П2-П3 по удобоукладываемости, которые позволяют транспортировать их в автобетоносмесителях и при укладке в покрытие выдерживать заданный уклон поверхности (не стекают под уклон при уплотнении с помощью глубинных и поверхностных вибраторов). Такие смеси уплотняют с минимальным воздействием вибрации, чтобы не вызвать расслоение. Здесь также важно учитывать указанные выше реологические особенности бетонной смеси с пластифицирующими добавками.
Возможно, удобоукладываемость таких смесей целесообразно характеризовать величиной расплыва конуса, определение которого предполагает небольшое динамическое воздействие встряхиванием и что в большей мере отражает их условия уплотнения. Этот метод регламентирован отечественным ГОСТ 10181-2014, п. 4.4, но ещё не получил широкого распространения, в отличие от зарубежной практики.
11. При выборе пластифицирующих добавок и их дозировок важно учитывать их чувствительность к водосодержанию бетонной смеси в разных диапазонах её подвижности.
Обычно, при приготовлении бетонной смеси на ЦБЗ её водосодержание из-за неоднородности применяемых материалов и влажности заполнителей, хранящихся в открытых штабелях, колеблется в пределах ±5л/м3. В зависимости от вида применяемых добавок и их дозировок, указанные колебания водосодержания бетонной смеси могут привести к резким скачкам подвижности. С этой точки зрения более надёжны, менее чувствительны к параметрам состава бетона, к неоднородности свойств материалов и, соответственно, к колебаниям водосодержания смеси, добавки на основе лигносульфонатов и нафталинсульфонатов, по сравнению с поликарбоксилатами.
12. При корректировке составов бетона в процессе производственного контроля строительства важно учитывать однородность качества поступающих материалов.
Однородность цемента. При переходе к новым ГОСТ на цемент, переходе от марок цемента по прочности по ГОСТ 10178-85 к его классам по ГОСТ 31108-2003, ГОСТ Р 55224-2012, ГОСТ 33174-2014 увеличился допустимый разброс значений в партиях цемента: в 2017г максимальный размах значений прочности цемента составил чуть более 10,0МПа, в 2012г – менее 5,0МПа. Т.е., отдельные партии цемента отличались по прочности на марку по ГОСТ 1078-85 в 2017г и на полмарки в 2012г.
Этот разброс значений прочности цемента необходимо учитывать на практике. Входной контроль качества цемента на ЦБЗ, как и документ о качестве завода-производителя цемента, в котором указан только класс цемента по прочности, не позволяет оперативно определить его прочность в конкретной партии и соответственно откорректировать состав бетона. Неясно также, какую прочность цемента использовать при подборе состава бетона, если в процессе производства прочность цемента может измениться на марку.
Можно рекомендовать при подборе состава бетона прочность (активность) цемента для расчёта начального состава по ГОСТ 27006-86 принимать равной его гарантированной марке по ГОСТ 10178-85 или равной минимальной прочности цемента за последние полгода по ГОСТ Р 55224-2012, ГОСТ 33174-2014.
13. Однородность песка. Действующий ГОСТ 8736-2014, табл.3, допускает для песка второго класса по сравнению с песком первого класса увеличенное содержание частиц менее 0,16мм, и, соответственно, больший размах значений, меньшую однородность данного показателя, что подтверждает опыт входного контроля качества и что существенно влияет на стабильность водопотребности бетонной смеси. При этом, однородность показателей песка для бетона нигде не нормируется.
Например, увеличение в песке содержания частиц менее 0,16мм с 4-5% до 10-13% привело к увеличению водопотребности бетонной смеси, ориентировочно, на 10л/м3 и к соответствующему росту расхода цемента в бетоне покрытий, в среднем, на 30кг/м3
(для поддержания постоянным В/Ц=0,34 в бетоне) Для отдельных партий песка с количеством частиц менее 0,16мм 22%, потребовалось увеличить водосодержание бетонной смеси на 20л/м3 и расход цемента на 60кг/м3. Т.е., неоднородность песка в бетоне потребовалось компенсировать увеличением расхода цемента.
В отличие от цемента, колебания свойств песка можно оперативно определить при входном и операционном контроле и соответственно откорректировать состав бетона (методом абсолютных объёмов).
14. В этих условиях целесообразно, для учёта влияния неоднородности материалов на прочность бетона, подбирать его состав не на величину требуемой прочности Rтр по ГОСТ 27006-86, а с запасом в 10%, т.е., на величину 1,1Rтр, с последующей его корректировкой по результатам производственного контроля прочности, как предлагала редакция ГОСТ 18105-86, п.4.4.
15. Опыт строительства цементобетонных покрытий в СССР и РФ доказал эффективность системы контроля качества, включающей в себя: контроль бетонной смеси и бетона (по прочности, пористости и морозостойкости) по контрольным образцам на ЦБЗ, при твердении в нормальных условиях; на месте укладки, при твердении в условиях конструкции; по выбуренным образцам кернам; материалов для бетона при поступлении на ЦБЗ.
Это положение частично отражено в действующем ГОСТ 18105-2010: для бетона с требованиями по прочности на растяжение (для бетона покрытий - по прочности на растяжение при изгибе) прочность контролируют по образцам по схеме Г. Это важно учитывать при производственном контроле и в заказе бетонной смеси на ЦБЗ по ГОСТ 7473-2010.
16. Контроль качества строительства покрытий включает в себя испытания бетона на прочность и морозостойкость, где также есть свои особенности.
Особенности испытания бетона покрытий на прочность, прежде всего, касаются испытаний на растяжение при изгибе отформованных образцов, на сжатие и на растяжение при раскалывании - выбуренных кернов.
При испытании образцов-балок на растяжение при изгибе важно, чтобы образцы вплоть до испытания находились в нормальных условиях твердения (в камере или под влажной мешковиной и т.п.), в отличие от испытания образцов бетона на сжатие, подсушивание образцов балок снижает получаемый результат испытания на прочность на растяжение при изгибе, ориентировочно, на 0,5МПа. При этом, нагрузка на образец-балку должна передаваться через линейный (цилиндрический) контакт при двухточечном приложении нагрузки (базовая схема испытания), а не через плоский (передача нагрузки через плоский контакт также снижает величину получаемого показателя, ориентировочно, на 0,5МПа).
17. При испытании кернов на сжатие следует учитывать, что это испытание не является базовым по ГОСТ 10180-2012, базовым является испытание образцов-кубов. При испытании кернов изменяется базовая форма образца (цилиндр вместо куба) и базовая схема испытания (изменяется направление приложения нагрузки относительно слоёв укладки бетона цилиндра или керна по сравнению с испытанием образцов-кубов), вследствие чего для расчёта результатов необходимо определить коэффициенты перехода по ГОСТ 10180-2012, приложение Л. По опыту, разница между испытанием на сжатие образцов бетона кубов и цилиндров может достигать 30% и более (показатель цилиндров меньше).
18. При испытании бетона покрытий на морозостойкость широко используется 3-ий ускоренный метод ГОСТ 10060-2012, при замораживании образцов в 5% водном растворе хлорида натрия до минус 500С и оттаивании в этом же растворе до плюс 200С, что позволяет существенно сократить сроки испытания. Особенностью здесь является необходимость добиться достижения этой температуры именно образцами, для чего следует контролировать температуру не только воздуха в камере, но и раствора хлорида натрия, в котором находятся образцы. Например, при работе с камерой КТХ-18 в построечных условиях чтобы выдерживать заданный режим испытания пришли к режиму испытания 1 цикл в сутки.
19. Для оценки и анализа получаемых результатов испытания бетона покрытий на морозостойкость важно учитывать, что марка бетона по морозостойкости – это проверочный, выбраковочный критерий качества бетона, минимальное проектное число циклов замораживания-оттаивания, когда не наступает нормированное разрушение основных образцов бетона, это не срок службы бетона. В отличие от этого, морозостойкость бетона как мера его долговечности, как срок службы – это максимальное число циклов замораживания-оттаивания, после которых наступает разрушение основных образцов бетона.
В частности, именно при доведении образцов бетона до разрушения при испытании на морозостойкость можно сравнить между собой долговечность разных составов бетона или технологий и сделать обоснованный вывод об их эффективности.
20. Новая редакция ГОСТ 10060-2012, заменившая редакцию ГОСТ 10060-95, ввела новые критерии оценки морозостойкости, перешла от сравнения средних величин прочности бетона в серии до испытаний и после определённого цикла замораживания-оттаивания (по 4 наибольшим из шести в серии) к сравнению величин минимальной доверительной границы прочности бетона в серии (по всем образцам в серии). При этом увеличилась допустимая граница снижения прочности бетона после испытания, было 95% от средней прочности бетона в серии до испытания, стало – 90% от минимальной доверительной прочности в такой же серии.
Величина минимальной доверительной границы прочности бетона в серии из 6 образцов после N циклов определяется как RminN=RN(1-2,57х0,01V), где V – коэффициент вариации прочности бетона, RN – средняя прочность бетона в серии по ГОСТ10060-2012. Предполагалось, видимо, что с циклами испытания бетон будет не только снижать свою среднюю прочность, но и увеличится разброс значений прочности, её
коэффициент вариации.
Однако, как показала практика производственного контроля морозостойкости бетона, с циклами замораживания-оттаивания величина V уменьшается, из-за чего искусственно завышается величина RminN и оценка марки морозостойкости бетона.
Повышение однородности прочности бетона на сжатие после прохождения N циклов испытания можно объяснить снижением усадочных напряжений в образцах после их длительного нахождения в водной среде. Этот вопрос требует дополнительного изучения.
Из-за этого, новая редакция ГОСТ 10060-2012 во многих случаях снизила требования к бетону по морозостойкости, и те составы бетона, которые не выдерживали испытание по предыдущей редакции ГОСТ, теперь считаются достаточно морозостойкими, что недопустимо.
Чтобы исключить ослабление требований к бетону по морозостойкости, предлагается дополнить ГОСТ 10060-2012 и сохранить критерий морозостойкости бетона, в том числе, по средней прочности, как в предыдущей редакции ГОСТ 10060-95. Т.е., дополнительно ввести требование, чтобы не только минимальная доверительная граница прочности бетона в серии после испытания на морозостойкость не снижалась более, чем на 10%, но также и снижение средней прочности бетона в серии, определённой по ГОСТ 10180, не превышало 5%.
21. Сегодня не актуален вопрос о ремонтопригодности цементобетонных покрытий в сравнении с асфальтобетонными, как было ранее. Есть многочисленные материалы для ремонта сколов на кромках швов, трещин, поверхностного шелушения.
При этом, вызывает определённые трудности задача по замене дефектных плит аэродромных покрытий в короткие сроки (технологические «окна»), когда необходимо за 7-8 часов, на которые останавливаются полёты, ночью, удалить дефектную цементобетонную плиту (обычно, размером 7,5х7,5х0,3м), уложить ремонтную бетонную смесь, обработать поверхность свежеуложенного бетона, создать необходимую ровность и уклон поверхности, нанести искусственную шероховатость, обеспечить необходимый режим твердения бетона и открыть движение по истечению указанного срока. Прочность ремонтного материала на сжатие на момент пуска транспортных средств должна составлять не менее 20,0МПа, через сутки – 30,0МПа, после 28 суток твердения –
50,0МПа.
В настоящее время есть составы ремонтного бетона на основе быстротвердеющих сухих смесей, позволяющие бетону набрать требуемую прочность в указанные короткие сроки при твердении в естественных условиях. Но бетонные смеси с их использованием оказываются одновременно быстросхватывающимися, со сроком потери подвижности 15-30 минут, что недостаточно для работ по обычной бетонной технологии. Такие быстросхватывающиеся смеси успешно применяют при относительно небольших объёмах бетона (при ремонте сколов кромок плит).
Укладка быстротвердеющих бетонов из быстросхватывающихся смесей возможна с помощью шнековых передвижных бетоносмесительных установок типа «Cementech», приготавливающих смесь на месте укладки.
Использование добавок-замедлителей типа НТФ для удлинения сроков живучести (схватывания, сохраняемости) быстросхватывающихся смесей для быстротвердеющих бетонов требует чёткой организации производства из-за быстрого, лавинообразного,
интенсивного прекращения действия таких замедлителей после определённого времени.
22. Другим способом достижения искомой прочности бетона в ранние сроки твердения является использование сухих смесей с обычной кинетикой твердения совместно с прогревом свежеуложенного бетона по мягким режимам (при нагреве до плюс 40-500С).
23. При работе с быстротвердеющими бетонами также необходимо учитывать, что, как правило, быстрый набор прочности бетона (ремонтного материала) достигается такими технологическими приёмами и элементами составов, которые снижают их морозостойкость. Например, в сухих ремонтных смесях обычно нет воздухововлекающих добавок, содержатся тонкомолотые минеральные добавки и расширяющиеся компоненты. По опыту, ремонтные бетоны на основе сухих смесей обеспечивают достижение марки по морозостойкости F2100-F2200 по второму базовому методу ГОСТ 10060-2010.
С учётом перечисленных особенностей, в настоящее время в РФ есть все условия для успешного строительства и ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
