Бетонные смеси никогда не были такими сложными, как сегодня, в них сочетаются самые различные виды бетона, дополнительные цементирующие материалы, а также химические примеси, при помощи которых создаются коммерческие сорта бетона, соответствующие строгим требованиям к рабочим характеристикам.

К сожалению, материалы иногда взаимодействуют неожиданным образом, что может негативно сказаться на периоде схватывания, пригодности к обработке и нарастании прочности. К наиболее распространенным проблемам, которые возникают в результате этого, относятся ложное схватывание, очень сильное растрескивание и слабые системы пористости.

Недавно компания CTLGroup завершила всестороннее исследование, которое было осуществлено для Федерального управления шоссейных дорог (FHWA) и было посвящено вопросам несовместимости материалов. Был разработан протокол испытаний для предотвращения проблем до этапа строительства. Перед всесторонним исследовательским проектом, начатым в 1998-99 гг., было поставлено несколько целей:

•  Более четкое понимание химии реактивных материалов, содержащихся в бетоне

•  Разработка предстроительной лабораторной испытательной системы, которая позволяла бы обнаруживать проблемные взаимодействия и несовместимые смеси

•  Корреляция лабораторных и полевых методов испытаний для усовершенствования систем обеспечения качества во время строительства

•  Рекомендация полевых испытаний для подтверждения качества бетона и обеспечение требуемого регулирования на месте проведения работ

Что такое несовместимость?

В контексте исследования FHWA «несовместимость» цементирующих материалов была определена как взаимодействие между совместимыми в иных случаях материалами, которое приводит к неожиданному или неприемлемому результату. К наиболее распространенным проблемам относятся ложное схватывание (быстрая потеря текучести) и неустойчивое схватывание бетонных смесей (мгновенное, ложное или отложенное схватывание и нарастание прочности), что повысило риск растрескивания и создание неприемлемых систем пористости. Даже если материал обладает должными свойствами застывания, отделки, текстурирования и отверждения, они также могут быть нарушены.

Неконтролируемое застывание и схватывание бетона могут привести к серьезным проблемам во время изготовления бетонного дорожного покрытия, а также к проблемам с другими типами плоскостных конструкций и структур (например, мостовые настилы), где огромное значение имеют период отделки и текстурирования. Возможно, эти проблемы не бросаются в глаза в готовых бетонных элементах конструкции, если бетон может затвердеть на своем месте. Однако, при создании дорожных покрытий и структур быстрое схватывание может привести к щербатости и неполному затвердеванию.

Цель исследования FHWA заключалась в разработке протокола для пользователей, позволяющего оценить возможную несовместимость определенного сочетания для дорожного бетона в конкретном окружении.

Несовместимость возникает в результате действия многих механизмов и эффектов. Это сложные и взаимосвязанные механизмы, зачастую зависящие от температуры. То есть, не существует простого способа надежно определить риск несовместимости. Универсальный метод не существует. Некоторые испытания могут определить проблемы в течение первого получаса вследствие проблем баланса между алюминатом и сульфатом. Другие испытания определяют более поздние проблемы с гидратацией силиката. Существуют также методы оценки для других признаков повреждения.

Протокол был разработан с целью предоставления максимально возможного количества информации до начала строительства, включая регулирование более чувствительных лабораторных испытаний в соответствии с эквивалентными полевыми испытаниями. При этом используются те материалы, которые скорее всего будут использоваться в полевых условиях и условиях окружающей среды, возможных во время проведения полевых испытаний. Также работа может включать в себя подготовку альтернативных пропорций для смеси и процедур смешивания, чтобы учесть изменения в условиях окружающей среды или в источнике материалов. Полевые испытания могут быть основаны на более надежных и часто проводимых испытаниях, главным образом для того, чтобы проконтролировать однородность материалов и конечной смеси.

Большинство испытаний, использовавшихся во время этой работы, обладают некоторой ценностью, поэтому предстроительные и полевые испытания следует проводить, отталкиваясь от имеющегося оборудования и стоимости испытаний в сравнении с потенциальной ценой неудачи. Стандартный пример – определение периода схватывания, который можно измерить любой из шести различных методик. Выбор из этих различных методик следует делать на основе проектных требований и условий.

Сравнительно простой набор полевых испытаний, при условии их регулярного проведения, может подтвердить, что бетонная смесь действует удовлетворительным образом, или предупредить о нежелательных изменениях или возможной несовместимости.

В этот протокол входят следующие испытания:

•  Индекс пенообразования
•  Сток пены
•  Удельный вес
•  Потеря текучести
•  Полуадиабатический контроль температуры
•  Период схватывания
•  Химия реактивных материалов

Что происходит?

Бетонные системы очень сложны, и поэтому во время применения протокола необходимо обладать базовым пониманием реакций, происходящих в системах. Водные цементирующие системы затвердевают и схватываются посредством процесса под названием гидратация, которая представляет собой серию необратимых химических реакций с водой.

В портландцементе присутствуют две алюминатные смеси, C3A и C4AF. Последняя несильно сказывается на работе системы; C3A быстро вступает в реакцию при смешивании с водой и генерирует большое количество тепла (Рисунок 1), если реакция не контролируется посредством наличия сульфата. Если реакция C3A с водой не контролируется вследствие недостаточного количества сульфата в растворе по отношению к реагирующему C3A, то может произойти мгновенное (или постоянное) схватывание.

Сульфат кальция добавляется в бетон в виде гипса (CSH2) во время измельчения. Это необходимо для того, чтобы контролировать первоначальную реакцию C3A. В ходе измельчения некоторое количество гипса обезвоживается и образует штукатурку (CSH1/2). Степень обезвоживания контролируется производителем с целью оптимизации действия цемента; однако, при неправильном обезвоживании может произойти ложное (или временное) схватывание.

Использование летучей золы с содержанием C3A может привести к ложному схватыванию или быстрому затвердеванию вследствие недостаточности сульфата для контроля гидратации.

Некоторые разжижающие добавки Типа А также могут повлиять на баланс между C3A и сульфатами, так как они склонны к ускорению гидратации C3A. Аналогичным образом, повышенные температуры ускоряют химические реакции и повышают риск неконтролируемого затвердевания в случае использования плохо сбалансированных материалов. Также источниками потенциальных рисков являются очень мелко измельченные цементы, очень высокое содержание щелочи в системе, а также очень низкое соотношение между водой и цементирующими материалами.

Все эти реакции и изменения происходят в течение первых 15-30 минут после смешивания, и это используется в изготовлении бетонного дорожного покрытия, в котором задействуются бетоновозы без перемешивающих устройств. Даже когда автобетономешалки или автобетоносмесители наносят бетон на брусчатку, период подачи может быть настолько коротким, что в случае ложного схватывания не будет возможности что-то сделать. При более долгом периоде подачи, в случае структур или плоскостных конструкций, раннее затвердевание может быть менее очевидным, однако оно может привести к добавлению слишком большого количества воды в бетон, поданный в смеситель грузовика.

Одним из продуктов гидратации силикатов (C2S и C3S) в цементе является гидросиликат кальция (CSH) - главная причина прочности бетона, надежности, теплоты гидратации. Силикаты вступают в реакцию через два-четыре часа после смешивания, когда кальций достигает супернасыщения в растворе смеси. Результатом этих реакций является схватывание и нарастание прочности. Если в ходе ранних неконтролируемых реакций с С3А было поглощено слишком много кальция, то схватывание может произойти позднее. К тому же, те же самые разжижающие добавки Типа А, которые ускоряют реакции С3А, могут замедлить реакции силиката, что может еще больше задержать их. Низкие температуры также замедляют процесс гидратации.

В одной и той же смеси могут произойти реакции акселерации C3A (неконтролируемое затвердевание) и задержка реакций силикатов (отложенное схватывание). Когда в дорожных покрытиях происходит затвердевание, бетонная смесь может быть пригодной к обработке во время нанесения, но может затвердеть в машине для устройства дорожных покрытий, что ведет к слабому застыванию и сложностям с отделкой и текстурированием.

Отложенное схватывание значительно повышает риск трещинообразования при пластической усадке, а также усложняет процесс распила. При нанесении дорожного покрытия или во время строительства в бетон, который перевозится автобетоносмесителями, перед разгрузкой следует добавлять больше воды.

Как предотвратить эти проблемы?

Универсальное решение этих проблем не существует, аккуратное изучение материалов до начала строительства позволит определить возможные проблемы и поможет разработать методические указания о необходимых изменениях в случае возникновения проблем. Оценочные испытания следует проводить с превышением диапазона возможных температур. При этом следует использовать потенциально возможные количества материалов и уровни доз примесей.

 
Рисунок 1 Реакции, проходящие в гидратирующемся бетоне, периоды их протекания, выделяющееся тепло, а также эффекты затвердевания и схватывания

Проведение предстроительных испытаний позволяет оценить чувствительность предполагаемой системы к изменениям в составе материалов и условиях окружения. Таким образом вы сможете выбрать альтернативные материалы заранее или подготовить программы действий, которую можно было бы применить в случае таких изменений во время полевой работы. Предстроительные испытания также обеспечивают калибровку полевых и лабораторных испытаний между собой, а также предоставляют указания по соответствующим лимитам для материалов, которые будут использоваться, и условиям, которые скорее всего возникнут.

Перед проведением каких-либо физических испытаний следует проверить химический состав реактивных материалов. Мелкозернистые материалы с высоким содержанием C3A или низким содержанием сульфата (или и то и другое) могут стать источником риска, также как и летучая зола с высоким содержанием оксида кальция. Разжижающие примеси на основе сахара и триэтаноламина могут повысить риск возникновения проблем, особенно в тех случаях, когда бетон подвергаются воздействию высоких температур.

Лабораторные испытания, в которых используются паста и строительный раствор, в том числе испытание бетонной смеси на осадку конуса и испытание ASTM C 359, затвердение строительного раствора, указывают на возникновение несовместимостей, связанных с алюминатом. К испытаниям, которые указывают на проблемы с реакциями силикатов в пасте и строительном растворе, относятся плоскопараллельная реология, период схватывания и изотермическая калориметрия. Если испытания с пастой и строительным раствором указывают на возможные проблемы, то бетонные смеси следует изготовить и испытать на потерю текучести, измерить график полуадиабатического изменения температуры, а также период схватывания.

Если во время полевых работ по-прежнему возможно возникновение проблем, следует отрегулировать один из следующих параметорв: тип, источник или количество дополнительного цементирующего материала (SCM); тип или дозу химической примеси; последовательность дозирования; температура смешивания. Если достаточно времени и средств, то следует использовать серию смесей, позволяющих определить диапазон регулируемой изменчивости. Таким образом, в случае возникновения проблем во время полевых работ или повышения вероятности их возникновения, можно принять наиболее уместные корректирующие меры.

Полевые испытания, проводимые в ходе строительства, должны помочь подтвердить тот факт, что подаваемые материалы однородны и соответствуют тем, которые использовались во время предстроительных испытаний. Значительные изменения, учтенные в контрольных картах, укажут на то, что смесь действует не так, как раньше, а также на необходимость изменения смешиваемых доз или технологии ведения строительных работ. Полевые испытания могут включать в себя мониторинг химических отчетов для введенных реактивных материалов, оценку и отслеживание осадки бетона, потери текучести в течение различных периодов времени после смешивания, график полуадиабатического изменения температуры, а также период схватывания. Впоследствии эти результаты можно сравнить с предстроительными данными и проследить произошедшие изменения.

Не все лаборатории могут провести все указанные испытания. Некоторые из испытаний дороже других. Решение о том, какие проводить испытания, главным образом основывается на балансе расходов и рисков. Для крупного высокоуровневого проекта, по которому могут налагаться значительные штрафы, потребуется больше испытаний, чем для небольшого ремонта в городе.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка добавок для бетонов, цемента, ССС можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок добавок для бетонов, цемента и сухих строительных смесей в России».

www.newchemistry.ru