Компенсация усадки бетона с материалами MAPEI

Компенсация усадки бетона с комплексной системой добавок

Одной из главных причин сокращения сроков службы бетона является снижение его трещиностойкости, в особенности образование усадочных трещин. Проектирование состава бетона с определенными соотношениями компонентов позволяет повысить качество этого материала, его водонепроницаемость, трещиностойкость, морозостойкость.
Существует несколько способов повышения трещиностойкости:
- использование расширяющих цементов;
- использование добавок, компенсирующих усадку;
- использование бетонов с низким содержанием цемента в растворе;
- использование бетонов с уменьшенным содержанием песка;
- уход за бетоном.
Изменения объёма происходят из-за испарения воды как в свежем, так и в затвердевшем бетоне . Потеря влаги в свежем бетоне вызывает его пластическую усадку и образование трещин на поверхности. К этому же результату может привести испарение воды из затвердевшего бетона, хранящегося в условиях с ненасыщенным воздухом, который является смесью сухого воздуха и перегретого водяного пара.
Физико-химические процессы схватывания и твердения обычных цементов сопровождаются суммарной усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объёма цемента на протяжении длительного периода.
Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, может достигать 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 – 0,5 мм на 1 м и зависит от вида и свойств заполнителя. Так усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше по сравнению с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня.
Железобетон имеет в 2 раза меньшую усадку, чем обычный бетон, но усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, на 38–45 % от исходной величины.
Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и, как следствие, долговечности железобетонных конструкций. На величину усадки влияет ряд факторов: объемные изменения в цементном камне, плотность заполнителя, возможная адсорбция воды, влажность окружающей среды, атмосферные условия (температура, скорость ветра), отношение объема бетона к его поверхности.
Длительная влажностная обработка бетона замедляет процесс усадки, но её суммарная величина  меняется не существенно. С другой стороны, длительная влажностная обработка помогает избежать формирования трещин благодаря высокой прочности на растяжение при изгибе и на сжатие в проектном бетоне.
Высыхания бетона, хранившегося в ненасыщенном воздухе, избежать нельзя.  Нулевая усадка в бетоне возможна только при 94% влажности окружающей среды, которые не являются обычными явлением в процессе строительства.

Компенсация усадки
Для компенсации  усадки и предотвращения возникновения трещин необходимо придерживаться следующих основных требований:
1. использовать бетонные смеси с пониженным содержанием цемента;
2. применять расширяющий цемент или расширяющую добавку;
3. применять кюринг.
Снижение расхода цемента в бетоне достигается путем уменьшения водоцементного отношения, это достигается введением  в состав водоредуцирующих/пластифицирующих добавок.
Расширяющийся цемент или расширяющиеся добавки увеличиваются в объёме после схватывания и на ранних этапах твердения (до 7 суток).
На рис.1 показаны характеристики напряжения компенсирующей усадки и стандартного бетона.
 
Уход за бетоном включает в себя определенные меры, тепло и гидроизоляция, позволяющие удержать внутри бетона необходимую для гидратации воду. Метод ухода за бетоном, не требующий внешней обработки  и дополнительного увлажнения поверхности, был предложен 11 лет назад. Он основан на введении в бетонную смесь  водорастворимых химических соединений, уменьшающих испарение воды при выдерживании бетона в сухих условиях, а также миграцию воды в нижерасположенные слои. Водорастворимые полимеры, содержащие гидроксильные (-ОН) и эфирные (-О-) функциональные группы, способствуют удержанию воды в бетоне и повышают степень гидратации цемента.  Внутренний уход за бетоном становится еще более эффективным, когда при приготовлении бетонной смеси используются пуццолановые добавки (микрокремнензем, зола уноса, метакаолин, обожженные сланцы, глины и тонкомолотые легкие заполнители).
Добавка, снижающая усадку (SRA), является органическим водорастворимым гигроскопичным соединением. Она уменьшает поверхностное напряжение, тем самым приостанавливая испарение влаги, поэтому  внутреннее лечение сопровождается компенсацией усадочных деформаций.
В настоящее время компания «Мапеи» проводит исследования системы Mapecrete, направленной на снижение усадочных деформаций. Она предусматривает использование трех добавок:
1) Dynamon SR5 – водоредуцирующая/суперпластифицирующая добавка;
2) Expancrete – расширяющая добавка;
3) Mapecure SRA – добавка для внутреннего ухода, снижающая скорость испарения влаги из бетона и ускоряющая реакции гидратации в бетонах/растворах.
Эффективно компенсировать усадку возможно, применяя  комплексную систему добавок.
Dynamon SR5 – суперпластифицирующая добавка, представляющая собой 19,8% водный раствор акриловых полимеров (без формальдегидов). Полимеры эффективно  диспергируют цементные гранулы и способствуют медленному росту кристаллов при гидратации бетона.
Expancrete – расширяющийся порошок, отвечающий за компенсацию изменения объема раствора портландцемента и бетона.
Mapecure SRA – добавка, снижающая поверхностное натяжение воды в капиллярных порах. Состав материала позволяет снизить трещинообразование на начальном этапе и обеспечить низкий уровень окончательной усадки. Добавка снижает карбонизацию бетона и интенсивность проникновения ионов хлора, повышая таким образом долговечность железобетонных конструкций.


Компенсация усадки бетона с комплексной системой добавок. Данные, полученные в результате экспериментов

Лабораторные испытания были проведены в университете технологии и экономики г. Будапешт, в департаменте строительных материалов и инженерной геологии. Детальное исследование эффекта усадки проводилось на образцах в возрасте 90 суток,  при этом использовались три различных состава бетонных смесей:  самоуплотняющийся бетон (SCC), высокопрочный бетон (HSC), водонепроницаемый бетон.
Подробная информация о бетонных смесях представлена в таблице 1.

 Экспериментальные результаты

В ходе испытаний было установлено, что комплексная система добавок значительно влияет на снижение усадки бетонов для всех трех исследуемых бетонных смесей (табл. 2).

Начальное расширение у всех бетонов наблюдается на первые и вторые сутки твердения.
Эксперименты показали, что механизм компенсации усадки для различных видов бетонов имеет одну и ту же природу. Тем не менее, темпы и масштабы усадки сильно зависит от фактического составов бетонов.
В бетоне с высокой водонепроницаемостью компенсация усадки была незначительной благодаря пониженному содержанию цемента. В  возрасте 90 дней усадка бетона была снижена до 0,14%  за счет введения системы комбинированных добавок,  что представлено на рис. 2.

В  высокопрочном бетоне (HSC) наблюдается высокая ранняя прочность и снижение  компенсации усадки до пятого дня (рис.3). В результате нет  первоначального расширения, поэтому не отмечено  снижения прочности к 90 суткам, а усадка,  составляет 0,22%.
В  самоуплотняющемся бетоне (SCC) гранулированный известняк обеспечивает самоуплотнение смеси, что позволяет компенсировать усадку расширением на протяжении длительного времени (рис.4).

Экспериментально установлено, что в раннем возрасте, возрасте 28 дней и 90 дней прочность на сжатие увеличивается за счет использования системы комбинированных добавок. Для бетонных смесей на цементе CEM II (состав HSC) увеличение ранней прочности составляет 100% (рис. 5). На рис. 5 представлены результаты испытания образцов бетонов без защиты поверхности, хранящиеся в лабораторных условиях в течение 90 дней.

В бетонных смесях с цементом CEM III (состав W и состав SCC) набор прочности в раннем возрасте не наблюдается, при этом проектная прочность бетона к 90 суткам  достигнута не была (рис.6 и рис.7). Это обусловлено совокупными действиями компенсации усадки и  самозалечиванием с помощью комплексной системы добавок.
Самоуплотняющий бетон оказался наиболее чувствительным к действию кюринга (лечения), несмотря на внутреннее залечивание, обеспеченное действием гранулированного известняка.
Прочность на сжатие в 90 дневном возрасте у бетона, твердевшего в воде, самая высокая трех  бетонных смесей (рис. 7). Повышенное содержание мелкодисперсных частиц в составе SCC приводит к значительному усыханию бетона.
  
Результаты показывают, что должного уровня прочности при использовании только комбинированной системы добавок  в стандартных самозалечивающихся бетонах  использования достичь нельзя.

Выводы

В настоящее время компания «Мапеи» проводит анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании системы Mapecrete.
Результаты исследований трех различных бетонных смесей показывают, что комплексная система добавок снижает усадку. Было установлено, что компенсация усадки наиболее ярко выражена в чувствительных к усадке бетонах. Прочность на сжатие у бетонов с комплексной системой добавок увеличилась, вместе с тем необходимый уровень прочности у бетонов, выдержанных в стандартных условиях, не может быть достигнут только за счет использования комплексной системы добавок в качестве замены внешнего ухода за бетоном.
Полученные результаты указывают на необходимость дальнейших исследований эффекта компенсации усадки.