ПРОИЗВОДСТВО КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПЕСЧАНОГО БЕТОНА

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.

6.1. Разработка нового класса песчаных бетонов

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

Влияние воздухововлекающей добавки на размеры пор

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

Составы тощих песчаных бетонов

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

Влияние количества вовлеченного воздуха на прочность и коэффициент уплотнения тощих песчаных бетонов

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).

6.2. Крупноразмерные железобетонные конструкции

6.2.1. Дорожные плиты

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

Результаты расчета дорожных плит

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

Состав бетона и стоимости материалов