Книга ПЕСЧАНЫЙ БЕТОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Автор: профессор К. И. Львович

6. ПРОИЗВОДСТВО КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПЕСЧАНОГО БЕТОНА

Применение песчаного бетона позволяет не только отказаться от добычи и перевозки щебня, но и значительно упростить ту часть технологического процесса, которая связана со строительством складов, трактов подачи, дозировочных устройств и т. п.

Изучение свойств материала, практика проектирования и изготовления конструкций из песчаного бетона показала возможность:

• уменьшить в ряде случаев бетоноемкость изделий из-за более высоких значений характеристик материала (Rр, Rпр) по сравнению с равнопрочными тяжелыми бетонами;
• уменьшить размеры изделий, если они определены величиной зерна крупного заполнителя;
• снизить марку бетона изделий, если она назначена для обеспечения требуемой долговечности (например, морозостойкости);
• отказаться в ряде случаев от использования арматуры;
• сократить время тепловлажностной обработки, учитывая кинетику твердения изделий, изготавливаемых из особо жестких смесей;
• использовать эффективные технологические приемы и материалы (роликовое формование, тонкомолотое комплексное вяжущее и др.), позволяющие получить бетон марок 600–700 на основе цементов с активностью 40–50 МПа;

заменить в ряде изделий конструктивный керамзитобетон на песчаный без изменения технологического процесса.

Разработке конструкций из песчаного бетона предшествовали работы по нормированию физико-механических характеристик материала, определению особенностей поведения арматуры, изучению характера образования и раскрытия трещин, особенностей расчета и конструирования.

Было установлено, что повышенная деформативность при кратковременных и длительно действующих нагрузках практически не препятствует использованию песчаного бетона в большинстве строительных конструкций.

Как известно, наиболее серьезным препятствием для широкого внедрения песчаного бетона является повышенный (на 20–40 %) расход цемента по сравнению с равнопрочными тяжелыми бетонами, изготавливаемыми из смесей с одинаковой удобоукладываемостью [34].

В связи с необходимостью снижения расхода цемента и с учетом особенностей песчаных бетонов были систематизированы существующие приемы экономии цемента (использование жестких смесей, комплексных химдобавок, микронаполнителей) и разработаны новые (использование тощих смесей, смешанных и фракционированных песков, бетонов сниженных марок и др.), позволяющие, как правило, не превышать расходы цемента для равнопрочных тяжелых бетонов.

К настоящему времени определились два основных направления изготовления конструкций из песчаного бетона:

• по традиционной технологии из смесей ОК 1–3 см ÷ Ж 20 сек с использованием серийных виброплощадок без пригруза и смесителей принудительного перемешивания. Это, в основном, крупноразмерные конструкции из бетона марок до М300 (песчаные бетоны группы В);
• вибропрессованием из бетона марок М200–600. Это, в основном, малоразмерные неармированные конструкции: бортовые и стеновые камни, тротуарные плиты, фигурные элементы мощения (песчаные бетоны группы Б).

Проведены исследования, ставящие целью: расширение номенклатуры изделий из песчаного бетона, использование новых экономически целесообразных технологических приемов, применение арматуры при изготовлении вибропрессованных изделий, разработку технологии и оборудования для производства крупноразмерных железобетонных конструкций способами интенсивного формования.

Расширение области применения песчаных бетонов на изделия марок 100–200 приводит к необходимости использования тощих цементно-песчаных смесей, в которых цементного теста не хватает для заполнения с избытком межзернового пространства песка.

Целесообразность использования тощих песчаных бетонов связана, в первую очередь, с пониженными расходами цемента, что является существенным фактором для расширения области применения материала.

Тощие песчаные бетоны, в отличие от традиционно используемых песчаных бетонов слитной структуры, обладают рядом особенностей, в первую очередь связанных со снижением однородности. Как известно, для достижения постоянной вероятности появления прочностей, равных нормативным сопротивлениям, т. е. требуемой обеспеченности, необходимо при увеличении коэффициента вариации назначать более высокую среднюю прочность бетона. Поскольку для большинства конструкций прочность бетона является определяющим фактором несущей способности, то компенсацией снижения однородности является увеличение прочности, что, как правило, означает увеличение расхода цемента и, соответственно, снижение эффекта использования песчаных бетонов. Положение усугубляется тем, что контроль прочности, как правило, ведется с использованием образцов-кубов, в которых неоднородность сказывается больше, чем в массиве.

Нетрадиционная форма разрушения образцов-кубов и более высокий коэффициент вариации при их испытании (причем тем больший, чем меньше расход цемента) подтверждает факт повышения неоднородности таких бетонов, что объясняется наличием незаполненных цементным тестом промежутков между частицами заполнителя, неравномерно распределенных в объеме образца. При стихийном распределении структурных пор возможна их концентрация в зоне главных растягивающих напряжений, т. е. значительное снижение разрушающего усилия на образец.

Для повышения однородности материала предлагается использовать воздухововлекающую добавку, введение которой позволяет перевести беспорядочно расположенные макропоры, вызванные нехваткой цементного теста, в поры воздухововлечения, расположенные равномерно по объему изделия.

С целью проверки указанного предложения были проведены микроскопические исследования низкомарочных песчаных бетонов на свежих сколах образцов. Определялась микроструктура бетона, морфология, характер распределения пор и цементного камня, а также его взаимосвязь с заполнителем.

Установлено, что введение оптимального количества воздухововлекающей добавки в тощие цементно-песчаные смеси не увеличивает объем вовлеченного воздуха, а лишь приводит к изменению характера и структуры порового пространства.

В табл. 6.1 в качестве примера приведены данные микроскопических испытаний двух серий образцов из песчаного бетона на песке Тучковского карьероуправления (Мк = 1,8) состава Ц : П : В = 290 : 1700 : 190, в один из которых введена воздухововлекающая добавка СДО.

Таблица 6.1

Установлено также, что в бетонах, приготовленных без добавки, преобладают округлые крупные поры, заполнитель лишь частично оконтурен цементным камнем. В бетонах с добавкой основную массу составляют мелкие поры неправильной конфигурации. Поры округлой формы представлены, главным образом, мелкими фракциями. Цементный камень образует небольшие скопления между заполнителем, но, в основном, оконтуривает зерна кварца и образует стенки пор. Толщина пленок цементного камня не более 30 мкм [42].

Введение воздухововлекающей добавки приводит к изменению поровой структуры, повышению однородности бетона и, как следствие, к повышению его прочности.

Были изготовлены 2 серии образцов из песчаного бетона, составы которых приведены в табл. 6.2. Песчаные бетоны изготовлены на песке Тучковского (состав 1) и Вяземского Мк = 2,4 (состав 2) карьеров с использованием добавки СДО.

 Таблица 6.2

 Оба этих состава, предназначенных для получения песчаных бетонов М100 (состав 1) и М150 (состав 2), отрабатывались в процессе исследований, ставящих целью подготовку производства блоков из песчаного бетона для стен подвалов.

Состав 1 предполагался к использованию для изготовления блоков на виброплощадках, состав 2 — для изготовления вибропрессованных блоков. В табл. 6.3 приведены данные испытаний образцов с разным объемом воздухововлечения. Испытания проведены на 28-е сутки нормального хранения. На рис. 6.1 данные табл. 6.3 представлены в графической форме. Возможна следующая интерпретация полученных результатов: по коэффициенту уплотнения — с увеличением объема вовлеченного воздуха коэффициент уплотнения сначала остается постоянным, идет перестройка структуры — поры «недоуплотнения» переходят в поры воздухововлечения, затем уменьшается — за определенным пределом появляется избыточное воздухововлечение.

Таблица 6.3

По прочности: с увеличением объема вовлеченного воздуха прочность растет, достигает максимума, падает. Экстремальный характер этой зависимости соответствует указанным выше стадиям воздухововлечения.

В исследуемых составах рост прочности с введением воздухововлекающей добавки может достигать 20–30 %. Эти цифры хорошо корреспондируются с результатами исследований, приведенных в [5].

Проведенные исследования были положены в основу способа подбора состава тощих песчаных бетонов с воздухововлекающими добавками (Приложение 4).

Дорожные покрытия — одна из наиболее перспективных областей применения песчаного бетона. Здесь реализуются основные его достоинства: повышенная способность воспринимать растягивающие и знакопеременные нагрузки, особенности трещинообразования, высокая морозостойкость.

В отечественной практике накоплен большой опыт изготовления и эксплуатации дорожных изделий из песчаного бетона: тротуарных плит, в том числе и крупноразмерных, бортовых камней, фигурных элементов мощения — опыт, позволяющий считать целесообразным изготовление дорожных плит из песчаного бетона.

Базовым предприятием для проведения работ был выбран Андроновский филиал завода ЖБИ № 11 ППО МПСМ, изготавливающий около 37 тыс. м3 дорожных плит ПДП 3 × 1,75. Выбор этого завода объясняется двумя основными соображениями. Первое: с применением щебня на филиале изготавливаются только дорожные плиты, поэтому переход на их выпуск из песчаного бетона позволит полностью отказаться от его использования и значительно упростить технологию производства (отказаться от доставки щебня, складов, трактов подачи и др.). Второе: дорожные плиты изготавливаются на специальной технологической линии, обслуживаемой отдельной бетономешалкой — таким образом, приготовление цементно-песчаной смеси может быть организовано независимо от приготовления бетонных смесей для остального производства.

Предварительные подборы составов песчаного бетона М300 показали, что применение песка Тучковского карьера с Мк = 1,8, на котором работает завод, в качестве единственного заполнителя при изготовлении плит в рамках существующего технологического процесса требует увеличения расхода цемента примерно на 20 % или 100 кг/м3, что, несмотря на возможность получения определенного экономического эффекта за счет разницы в стоимости щебня и песка, вряд ли является приемлемым решением в условиях массового производства плит. С целью снижения расхода цемента в песчаном бетоне предложено использовать пластифицирующую добавку и повысить жесткость смеси.

Применение используемой на заводе добавки ВРП позволило сократить указанный выше перерасход цемента примерно на 30 кг/м3.

Опытные формовки показали, что на имеющейся на заводе виброплощадке возможно изготовление дорожных плит из цементно-песчаных смесей с ОК = 1,5–2,0 см. Таким образом, использование песчаного бетона, обладающего лучшей удобоукладываемостью, позволяет уменьшить подвижность смеси по сравнению с применяемой (3–4 см ОК в тяжелом бетоне) и в результате сократить перерасход цемента еще на 15–20 кг/м3.

Наконец, предложено изготавливать дорожные плиты из песчаного бетона М250 по прочности на сжатие вместо М300 тяжелого бетона, регламентируемой стандартом. Более высокие характеристики песчаного бетона Rпр и Rри (в границах марки) по сравнению с тяжелым и более низкий модуль упругости обеспечивают требуемую несущую способность плит на стадии эксплуатации, несмотря на снижение марки бетона.

Результаты расчета плит из песчаного бетона приведены в табл. 6.4.

Отличия в изгибающих моментах оказались невелики, что позволило сохранить армирование, принятое в плитах из тяжелого бетона.

Таблица 6.4

При подготовке к выпуску дорожных плит из песчаного бетона был решен ряд технологических, конструктивных и организационных задач.

Проведены подборы составов песчаного бетона на мелком и крупном (Академический карьер, Мк = 3,0) песках.

Подборы составов (табл. 6.5) показывают возможность получения песчаных бетонов с расходом цемента, не превышающим существующий даже при использовании песка с Мк = 1,8. В табл. 6.5 приведен также расчет экономической эффективности использования песчаного бетона (в ценах 1984 г.).

Таблица 6.5

В табл. 6.6 — составы цементно-песчаных смесей с добавкой ВРП и их подвижность. Последовательным увеличением количества добавки в составе смеси до 0,14 % Ц получен состав с ОК = 2 см, качественно уплотняющийся на существующей виброплощадке.

 Таблица 6.6

Проанализированы зависимости прочности песчаного бетона от времени перемешивания сухих компонентов и смесей с водой. Устойчивые результаты получаются при перемешивании компонентов насухо в течение 1,5 мин и в смеси с водой в течение 1,5 мин.

При работе с цементно-песчаными смесями жесткостью, близкой к предельно перерабатываемой формующим агрегатом, необходим тщательный контроль за получением требуемого коэффициента уплотнения. При недоуплотнении смеси наряду со снижением прочности бетона ухудшаются структурные характеристики материала, что, например, может существенно снизить морозостойкость. Поэтому технологическими указаниями предписывается систематический (не менее 2 раз в смену) контроль коэффициента уплотнения.

Для цементно-песчаной смеси с ОК = 2 см визуальный контроль момента окончания формования по появлению цементного молока на поверхности изделия является недостаточным и должен дублироваться фиксированием времени уплотнения.

На графике зависимости прочности песчаного бетона от времени формования выделяются два участка: первый (восходящая ветвь) — увеличение прочности с увеличением времени формования, второй — прочность не зависит от времени формования. Время формования свыше 45 сек, позволяет устойчиво работать в зоне требуемого коэффициента уплотнения.

Определение режима тепловлажностной обработки включало, главным образом, определение времени предварительной выдержки цементно-песчаной смеси, которое было принято равным периоду ее структурообразования – около 2 часов (рис. 6.2).

Принят режим подъема температуры 20 C/ч, обеспечивающий отсутствие нарушений структуры в процессе твердения песчаного бетона.

Таким образом, 14-тичасовой цикл тепловлажностной обработки, равный существовавшему при производстве плит из тяжелого бетона, включает (рис. 6.3):

а) выдержку в закрытой камере при t = 20 C без подачи пара — 2 ч,

б) подачу пара и подъем температуры до 80 C — 3 ч,

в) изотермический прогрев при 80 C — 7 ч,

г) остывание на территории цеха — 2 ч.

Для определения несущей способности плит, выполненных из песчаного бетона, были проведены испытания изделий.

Испытываемые плиты были изготовлены из песчаного бетона на мелком песке (табл. 6.5). Армирование плит не отличалось от стандартной. Прочность бетона на день испытаний R = 240 кг/см2, Rри = 42 кг/см2. Цель испытаний — оценка прочности, трещиностойкости и ширины раскрытия трещин в плитах из песчаного бетона М250, сравнение результатов с параллельными испытаниями плит ПДП 3 × 1,75 из тяжелого бетона М300, а также сравнение данных расчета и испытаний. Физико-механические характеристики песчаного бетона и арматуры, необходимые для расчета, получены в результате испытаний кубов и призм (10 × 10 × 40 см), изготовленных одновременно с плитами, а также испытаний арматурных стержней.

Испытания проводились в две стадии по специально разработанной методике:

• на двух опорах по схеме чистого изгиба (тарирование),
• на упругом основании.

Схема тарировочных испытаний и расстановка приборов показаны на рис. 6.4 и 6.5.

Тарировочные испытания плит проводились путем многократного воздействия нагрузки до стабилизации деформаций. Устанавливались зависимости между изгибающим моментом — кривизной и шириной раскрытия трещин. На стадии испытаний на упругом основании плиты загружались штампом площадью, равной площади отпечатка колеса расчетного автомобиля Н-30. Нагружение проводилось поэтапно с выдержкой на каждой ступени. Расчетная нагрузка — 7,2 т.

Результаты тарировочных испытаний плит представлены на графике зависимости «нагрузка — кривизна» при многократном загружении (рис. 6.6, 6.7). После второго загружения остаточные деформации затухают и при последующих загружениях становятся весьма малыми. Таким образом, зависимость стабилизируется и принимает характер, близкий к линейной. Максимальная ширина раскрытия трещин при тарировочных испытаниях плит на 2 опорах на восприятие положительного момента составила для плиты № 1 0,24 мм, для плиты № 2 — 0,30 мм. Момент появления первых трещин Мт при испытании на 2 опорах составил для плиты № 1 — 1,65 тм, для плиты № 2 - 1,9 тм, что соответствует растягивающим напряжениям в бетоне 12,9 и 15,4 кг/см2.

Испытания плит на упругом основании производились по четырем схемам, представленным на рис. 6.8.

Испытания имели целью определить положительный и отрицательный изгибающие моменты от действия расчетных нагрузок. Графики перемещений по продольной и поперечной осям плиты приведены на рис. 6.9, а изменения кривизн плиты от нагрузки по схемам 1–4 на рис. 6.10–6.13.

При загружении плит по схеме 4 максимальная величина кривизны (при расчетной нагрузке Р = 7,2 т на штамп) составила 7 ÷ 10 10–6 1/см, что соответствует значению изгибающего момента М = 1,2 тм и близко к значению М = 1,1 тм, полученному при аналогичном испытании плит из тяжелого бетона. При испытании плит по схеме 2 максимальное значение отрицательного изгибающего момента в плите на упругом основании составляет 1,0 тм, при максимальном значении кривизны 6 ÷ 10 10-6 1/см. Это несколько меньше, чем значение изгибающего момента при испытании двумя грузами по схеме 4, и близко к величине изгибающего момента М = 1,1 тм, полученной при испытании плит из тяжелого бетона. Значение отрицательного изгибающего момента при испытании плит по схеме 3 составляет 1,1 тм, что соответствует кривизне 8 10–6 1/см.

Максимальная ширина раскрытия трещин при всех принятых схемах испытаний и расчетной нагрузке не превышала 0,15 мм, а при двукратном превышении нагрузки - 0,3 мм.

При испытании по схеме 1 и нагрузке на штамп 30 т разрушения плиты не произошло.

При испытании плит по схеме 2 кольцевые трещины около штампа образовались при нагрузке свыше 14 т, а при нагрузке 20 т их максимальная ширина составляла 0,2 мм.

При испытании по схеме 3 трещины начали образовываться при Р = 9 т, а при нагрузке 20 т их ширина была 0,15 мм. Разрушение плиты произошло при нагрузке в 29,7 т с местным продавлением бетона вокруг штампа.

При загружении плиты по схеме 4 разрушение плит при нагрузке около 12 т началось с раскалывания торца посередине короткой стороны, а при нагрузке 21 т на каждый штамп произошло продавливание бетона под штампом.

Таким образом, проведенные испытания позволили установить, что плиты из песчаного бетона М250 по прочности, трещиностойкости и ширине раскрытия трещин удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ 21924-84 к дорожным плитам.

Величина воспринимаемого плитами максимального положительного изгибающего момента составила 1,3 тм, что приблизительно на 15 % выше значения аналогичного момента, полученного при испытании плит из тяжелого бетона М300.

Максимальная ширина раскрытия трещин при различных схемах загружения не превышала допустимого раскрытия при загружении плит расчетной нагрузкой и составляла 0,15–0,2 мм.

Загружение плит нагрузкой более чем в 2 раза превышающей расчетную при испытании по основным схемам, определяющим несущую способность плит, показало, что каких-либо существенных разрушений конструкций не наблюдалось. Это позволило рекомендовать плиты ПДП 3 × 1,75, изготовленные из песчаного бетона, к опытно-промышленному производству.

Одновременно с изготовлением партии плит, предназначенных для механических испытаний, были изготовлены образцы для испытания на морозостойкость. Испытания эти показали, что песчаный бетон указанного состава выдерживает не менее 200 циклов в 5%-ном растворе NaCl.

Проверка на водопоглощение песчаного бетона, используемого для изготовления плит, также подтвердила его соответствие требованиям стандарта.

Заводом выпущена опытно-промышленная партия дорожных плит объемом 20 тыс. м3, что позволило отработать технологические режимы производства и провести массовые испытания плит в стадии эксплуатации. Плиты, подвергавшиеся на опытных участках в течение 11 месяцев воздействию груженых панелевозов, трайлеров, успешно выдержали эксплуатационные нагрузки. Не отмечено также признаков разрушения плит в результате размораживания [43].

Купить книгу.

Продолжение следует... в следующем выпуске рассылки.