Надежная основа Вашего будущего
Russian (CIS)English (United Kingdom)
Сборные элементы из самоуплотняющегося керамзитобетона

В настоящем документе описывается разработка, производство и укладка самоуплотняющегося керамзитобетона (LWSCC) для сборных элементов и приводятся такие примеры его применения, как спортивный стадион в Праге и многофункциональный зал в Карловых Варах (Чешская Республика). Проблемами разработки самоуплотняющегося керамзитобетона являются не только характеристики заполнителя, но также и объемный вес бетона. Самоуплотняющийся керамзитобетон (LWSCC) заполняет опалубку под действием собственного веса, но, если применяются легкие заполнители, кинетическая энергия низкая, и керамзитобетон не способен беспрепятственно проникать через жесткое армирование, в отличие от бетона с гравийным заполнителем. Таким образом, возникла необходимость выяснить, подходят ли современные методы испытания стандартного самоуплотняющегося бетона для испытаниясамоуплотняющегося керамзитобетона? Строительство спортивных стадионов и многофункциональных залов в Чешской Республике в настоящее время развивается в сторону рационализации конструкций и снижения их веса. Рационализация основывается, в основном, на постепенной унификации структурных элементов и их соединений, а также на оптимизации проектирования с использованием преимуществ готовых сборных конструкций и монолитной технологии. Снизить вес структурных элементов удалось за счет использования бетона с керамзитовым заполнителем.

Авторы

В последнее время исследования бетона стали развиваться в сторону так называемого бетона с высокими характеристиками. В частности, наблюдается применение самоуплотняющегося бетона, распространение применения высокопрочного бетона, а также применение легкого бетона с использованием пористых заполнителей. В настоящ ем документе комплексно рассматриваются три указанные тенденции, основное внимание уделяется легкому самоуплотняющемуся бетону (LWSCC)на основе керамзита. Эта тема не является новой, многие ученые занимались разработкой легкого высокопрочного бетона, легкого бетона с высокими характеристиками, а также легкого самоуплотняющегося бетона [2, 3, 4]. Их работа приводит к выводу, что тип и свойства используемых легковесных заполнителей являются основными факторами, которые влияют на характеристики свежего бетона, а также на физико-механические характеристики затвердевшего бетона. Характеристики легковесных заполнителей различаются не только самим типом материала, но также существуют различия между одним и тем же типом заполнителя, но произведенного на разных фабриках.

Наиболее важными свойствами пористых заполнителей являются объемная  масса, прочность гранул и водопоглощающая способность при нормальном или высоком атмосферном давлении. В настоящем документе рассматриваются свойства легкого самоуплотняющегося бетона с легковесным керамзитовым заполнителем Liapor, произведенным в Чешской Республике (Рис.1)

Рис1: Кривые гранулометрического состава для основных классов заполнителя Liapor
Рис. 1: Кривые гранулометрического состава для основных классов заполнителя Liapor

В существующих директивах по самоуплотняющемуся бетону легкий самоуплотняющийся бетон не упоминается. В настоящем исследовании были рассмотрены следующие вопросы: существует ли способ производить легкий самоуплотняющийся бетон с помощью легковесных заполнителей, в частности, с учетом его высокой  поглощающей способности? Сможет ли этот бетон заполнить форму только за счет собственного веса и достичь однородности, то есть будет ли бетон «самоуплотняющимся»? Возможноли испытание свежего легкого самоуплотняющегося бетона теми же способами, что и испытание самоуплотняющегося бетона? Может ли легкий самоуплотняющийся бетон иметь минимальную прочность 30 МПа и объемный вес 1 800 кг/м3?

В начале экспериментальной работы существовало допущение, что самоуплотняющийся керамзитобетон не будет иметь достаточной внутренней кинетической энергии из-за малого объемного веса. Таким образом, возникла необходимость выяснить, подходят ли современные методы испытания реологических свойств свежего самоуплотняющегося бетона для испытания легкого самоуплотняющегося бетона? Используемые для испытания методы описаны в директиве EFNARC [5].

В ходе исследования было разработано более 50 смесей с различными значениями прочности и объемной массы (с использованием легковесного заполнителя Liapor, произведенного в Чешской (Республике, или в сочетании с натуральными гравийными заполнителями). Все смеси были разработаны с максимальным размером заполнителей 8 мм, так как Liapor не производится в гранулах более 8 мм с достаточным качеством. При использовании сухого заполнителя объемводыдляприготовлениясмесискладываетсяизводызатворенияидобавочнойводы. Некоторое количество воды затворения способствует образованию цементного тесто и влияет на водоцементное отношение смеси. Дополнительная вода необходима для набухания керамзита во время перемешивания. Количество дополнительной воды зависит от адсорбирующей способности керамзита, которая, в свою очередь, зависит от первоначального содержания влаги в керамзите и от размера его гранул. После тщательного сравнения различных смесей с применением сухих и предварительно увлажненных водой керамзитовых заполнителей, авторы пришли к выводу, что намного целесообразнее использовать предварительно увлажненные заполнители. Сложно установить фактическое количество дополнительной воды, так как отдельные гранулы керамзита имеют различные адсорбирующие свойства. Использование предварительно увлажненных гранул керамзита также устраняет проблемы гомогенности смеси и удобоукладываемости. Также доказано, что использование дополнительной воды может улучшить механические свойства, в частности, прочность и долговечность легкого самоуплотняющегося бетона (значения прочности смесей с сухим керамзитовым заполнителем были на 5 МПа ниже).            

Наилучшим способом предварительного увлажнения заполнителей Liapor для приготовленного в лабораторных условиях легкого самоуплотняющегося бетона было размачивание сухих гранул заполнителей в воде в течение 24 часов. На практике значения предварительно увлажненного заполнителя установить сложнее. Проще всего замочить некоторый объем заполнителей минимум на два дня, что обеспечит повышение относительной влажности гранул в среднем на 20%.

При изучении приемлемости определения пропорций по объему или по весу было установлено, что при определении пропорций по весу невозможно повторить отдельные смеси для соответствия требованиям проверенных свойств, в том числе удобоукладываемости. Это вызвано различными значениями объемного веса произведенных на фабрике керамзитовых заполнителей; эти значения могут варьировать в диапазоне ± 15%.

Для изучения приемлемости методов тестирования самоуплотняющегося бетона, для легкого самоуплотняющегося бетона мы выбрали наиболее часто используемые методы: испытание на расплыв конуса Т500, прохождение смеси через  J - кольцо и L - ящик. Рекомендуемые диапазоны значений для этих методов испытаний взяты из литературы [5]. В Таблице 1 приведены все измеренные значения для более,  чем 50 смесей легкого самоуплотняющегося бетона. Все смеси были испытаны непосредственно после смешивания и через 60 и 90 минут для обеспечения долгосрочной удобоукладываемости, что важно для готовых бетонных смесей.

Таблица 1: Методы испытания

Таблица 1: Методы испытания

В ходе исследования использовался обычный портландцемент СЕМ 42,5 R с тонкостью помола по Блейну 3250 см/г и плотностью 3,1 г/см. В качестве заполнителя использовался легковесный керамзитовый заполнитель с максимальным размером 8 мм (объемная масса = 250 - 900 кг/м, цилиндрическая прочность = 0,7 - 6 МПа, впитывающая способность от 1 до 45%, объем свободного порового пространства = 40 - 50 %,коэффициент теплопроводимости λ = 0,09 W/m*K) и речной песок с плотностью 2,5 г/см в качестве натурального мелкого заполнителя. Применялась пластифицирующая добавка (поликарбоксилат) и стабилизирующая добавка. Для производства легкого самоуплотняющегося бетона применялись несколько модифицирующих добавок для снижения удельного веса цемента, в том числе известняковая мука (97,7% СаСОз), зола-унос, реактивный метакаолин и микрокремнезем (50% твердого вещества) (Таблица 2). Для получения соответствующего образца метакаолина был выполнен анализ рентгеновскими лучами с указанием среднего уровня реактивности.

Таблица 1: Состав вяжущих наполнителей

Таблица 1: Состав вяжущих наполнителей

На основании результатов можно утверждать, что использованные методы, в принципе, подходят для определения удобоукладываемости легкого самоуплотняющегося бетона. Необходимо только скорректировать критерии испытаний с учетом интервалов времени истечения. Поскольку объемная масса легкого самоуплотняющегося бетона низкая, внутренняя кинетическая энергия бетона недостаточно высока, и, по сравнению с обычными бетонами, скорость потока легкого самоуплотняющегося бетона ниже. Необходимо отметить, что это не влияет на конечные результаты свежего легкого самоуплотняющегося бетона, так как бетоны отвечали требованиям однородности и плотности во всем поперечном сечении. Это явление легко понять благодаря испытанию на расплыв и испытанию на расплыв Т500 самоуплотняющегося керамзитобетона. Бетону требовалось «больше времени», но конечные результаты испытания на расплыв были достаточны (Рис 2).

 

Рис 2 Испытание на расплыв

Рис 2 Испытание на расплыв

В результате измерений предлагается скорректировать некоторые критерии использованных методов: в частности, времени истечения. Например, искомое значение прохождения через конус - от 2 до 5 с, предложенное нами значение находится в диапазоне от 2 до 10 с. То же самое относится к испытанию на расплыв. Это было доказано не только этими результатами, но также в ходе практического применения. По указанным выше причинам невозможно использовать этот бетон для структурных элементов с высокой густотой армирования и высотой более 1 м. Тем не менее, плоские структурные элементы могут быть выполнены с использованием «несколько более медленного» легкого самоуплотняющегося бетона без каких бы то ни было проблем. В ходе эксперимента смеси легкого самоуплотняющегося бетона были составлены со значениями прочности от 13 до 52 МПа и значениями объемной плотности от 1 100 до 1800 кг/м. На Рис 3 показано отношение между прочностью на сжатие и объемной массой.

Рис 3.  Отношение между прочностью на сжатие и плотностью (28 суток).

Отношение между прочностью на сжатие и плотностью (28 суток).

Легкий самоуплотняющийся бетон обладает хорошей морозостойкостью (коэффициент после 100 циклов составляет 90/98%). Легкий самоуплотняющийся бетон с более высокой прочностью также обладает стойкостью к водопоглощению. Применение легкого заполнителя Liapor обеспечивает теплопроводность  λ = 0,29 W/m*K. Эти свойства ухудшаются при повышении доли гравийного заполнителя λ = 0,33 -0,69 W/m*K). Легкие бетоны, как правило, имеют низкий модуль упругости. Значение модуля упругости легкого самоуплотняющегося бетона с заполнителем Liapor составляет всего 17 ГПа, самоуплотняющийся бетон с гравийным заполнителем достигал значений 24 ГПа. На Рис. 4 показаны отношения между динамическим и статическим модулями упругости.

Рис 4. Отношение между динамическим и статическим модолем упругости легкого самоуплотняющегося бетона

Рис 4. Отношение между динамическим и статическим модолем упругости легкого самоуплотняющегося бетона

Использование пористых заполнителей для высокопрочных бетонов может вызвать удивление, принимая во внимание важность природной прочности заполнителей для высокопрочного бетона. Легкий заполнитель имеет пористую структуру и не очень прочный. Тем не менее, снижение объемной массы бетона со значениями прочности 40 - 50 МПа ниже 1800 кг/м3 может привести к сокращению расходов благодаря снижению общего веса конструкции. Благодаря благоприятным физическим свойствам, низкому объемному весу и сравнительно высокой прочности в сочетании с хорошей удобоукладываемостью и снижением трудоемкости укладки бетона существует широкий диапазон областей применения для легкого самоуплотняющегося бетона, в частности, в области сборных элементов и реконструкции старых зданий, где дополнительная нагрузка нежелательна. На Рисунке 5 показано укладка легкого самоуплотняющегося бетона в структуру перекрытия (реконструкция исторического объекта 15-го века).

 

Рис 5 Укладка легкого самоуплотняющегося бетона в структуру перекрытия (реконструкция исторического объекта 15-го века)

Укладка легкого самоуплотняющегося бетона в структуру перекрытия (реконструкция исторического объекта 15-го века)

 

Легкий самоуплотняющийся бетон для сборных структурных элементов спортивного стадиона

В ходе строительства стадиона VolkswagenArena в Вольфсбурге в Германии (Рис.6) легкий самоуплотняющийся бетон (LC 25/28 D 1.6) применялся для ряда структурных элементов, в частности, для верхней переходной галереи стадиона. На основе этих данных инвестор строительства спортивного стадиона Eden в столице Чешской Республики (футбольный клуб SK SlaviаPrahа) решил использовать легкий самоуплотняющийся бетон практически для всех предварительно изготовленных L-образных трибун, ступенейи переходной галереи. В данном разделе документа описывается разработка, производство и укладка легкого самоуплотняющегося бетона LWSCC 35/38 D 1.8 для изготовления сборных элементов спортивного стадиона Eden.

 

Рис 6 Стадион в Вольфсбурге

Рис 6 Стадион в Вольфсбурге

Этот стадион расположен в Праге, примерно в 4 км от центра города. Стадион стоит на усиленных бетонных сваях, а несущая конструкция стадиона изготовлена из несущего железобетонного каркаса с поперечными связями. Зона трибун состоит из сборных L-образных скамей (Рис. 7), порталов, парапетов и лестничных маршей. Проектировщик разработал легкий бетон LC 35/38 D1.8 XF3 для скамей трибун. Конструктор применил легкий самоуплотняющийся бетон с результатом испытания нарасплыв 650 мм. Использовался портландцемент CEMI 42,5 R. Керамзитовый заполнитель Liapor (4/8 мм с плотностью 600 кг/м3). Кроме того, был применен обычный гравийный заполнитель фракций 0/4 мм и 4/8 мм, а также зола-унос в количестве 20% от массы цемента, добавка на основе поли-корбоксилата - 1,2% от массового объема цемента и воздухововлекоющие добавки. В/Ц составляло 0,45. Кривая гранулометрического состава представлена на Рисунке 8. Поровый объем смеси составил 6,5%. Сухой вес бетона составляет 1730 кг/м3, а средняя прочность на сжатие - примерно 47 МПа. Модуль статической упругости составляет 25 ГПа, а модуль динамической упругости - 30 ГПа. Поверхность обладает высокой стойкостью к циклам к замерзания-оттаивания. Поверхность предварительно отлитых скамей должна была обладать высокими эстетическими качествами, легкий самоуплотняющийся бетон соответствовал этим требованиям. Производство бетона этого типа является трудоемким из-за необходимости поддерживать требуемую однородность, на Рис 8. На которую влияет высокая водопоглощающая способность легковесного заполнителя. Керамзитовый заполнитель был предварительно увлажнен путем опрыскивания но конвейерных лентах. Продолжение строительства без этой технологии привело бы к быстрой потере однородности, несмотря на то, что бетон укладывался в течение 20 минут после перемешивания.

Стадион Eden - основные и размеры скамей

Рис 7. Стадион Eden - основные формы и размеры скамей  

Готовая для заливки форма

Рис 8. Готовая для заливки форма


Легкий самоуплотняющийся бетон для строительства

Многофункциональный зал является частью конгресс-центра в Карловых Ваpаx. Пролеты зала с максимальными размерами 91 м и 105 м, углы закруглены. Опыт, полученный при строительстве арены в Либереце, был применен для изменения конструкции с целью упрощения строительства и более простой и быстрой сборки конструкции. Сборка была осуществлена быстрее и легче благодаря следующим аспектам:

•Сниженныйвесструктурных элементов, оказывающих нагрузку на основную несущую конструкцию; это позволило применить легковесный бетон для скамей и для стен переходов (Рис. 10, 11). Это стало возможным, так как сборные элементы были изготовлены на близлежащей фабрике сборных изделий LIAS Vintirov, LSMk.s.; эта фабрика производит легкие заполнители на основе керамзита, а также бетон с этим заполнителем. Характеристики этого бетона: низкая объемная плотность, относительно высокая прочность и отличная удобоукладываемость. По сравнению с практически идентичными скамьями, изготовленными для арены TIPSPORT в Либереце из обычного бетона, постоянная нагрузка была снижена на 1,75 кН/м2, что обусловило снижение постоянной нагрузки на поперечную балку трибуны но 15 кН/м2. Следовательно, возможна экономия строительных материалов для изготовления поперечных балок трибун. Значительное количество изготовленных из легкого бетона элементов позволило изменить размеры колонн и фундамента.

•Благодаря конструкции настила с использованием только пустотных плит перекрытия поперечные сечения многофункционального амфитеатра в Карловых Варах были унифицированы (Рис. 8).

•Координация поставок трех различных изделий (пустотные плиты, филигранные плиты и готовая бетонная смесь) была упрощена за счет заказа всех позиций у одного поставщика. Были применены предварительно напряженные панели толщиной 200 мм, панели толщиной 150 мм использовались только для санитарных зон (Рис. 9). •Монолитныестенычетырехцентровкоммуникацийслестницами, лифтами и технологическими шахтами были частично заменены предварительно изготовленными сборными элементами. Причинами замены были аргументы повышения автономности, более высокой точности и более быстрой сборки предварительно изготовленной конструкции (Рис. 11). Монолитные элементы центров коммуникаций были впоследствии отбракованы [7].

Рис 9. Кривая гранулометрического состава

Рис 9. Кривая гранулометрического состава

Рис 10. Амфитеатр в Карловых Варах

Рис 10. Амфитеатр в Карловых Варах

Рис 11. Предварительно отлитые сборные элементы из легкого самоуплотняющегося бетона в Lias Vintirov, LSM k.s. [6,7]

Рис 11. Предварительно отлитые сборные элементы из легкого

самоуплотняющегося бетона в Lias Vintirov, LSM k.s. [6,7]

Рис 12. Вид амфитеатра в Карловых Варах во время строительства [1]

Рис 12. Вид амфитеатра в Карловых Варах во время строительства [1]


Выводы

В заключение можно сказать, что все упомянутые строительные работы доказали, что легкий самоуплотняющийся бетон - подходящий материал для изготовления сборных элементов. Самоуплотняющийся бетон был испытан как в свежем, так и в затвердевшем состоянии во время производства. Испытания подтвердили возможность производить легкий самоуплотняющийся бетон с заданными свойствами без значительных отклонений от требуемых свойств. Данный тип бетона позволяет значительно сэкономить материалы для несущей конструкции, что благоприятно сказывается на экономических параметрах.

Благодарности

Данные результаты были получены благодаря финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли Чешской Республики, проект № MPOFI-IM5/016 и финансовой поддержке Министерства образования, молодежи и спорта Чешской Республики, проект № 1 М0579, в рамках деятельности исследовательского центра CIDEAS.

Литература

[1| http://www.stadioneden.cz.

[2] Y.W. Choi et al..An experimental research on the fluidity and mechanical properties of high-strength lightweight self-compacting concrete. Cement and Concrete Research 36 (2006) 1595- 1602.

[3] Hubertova, M.; Hela, R. Development and experimental study on the properties of light-weight self compacting concrete. In 5th RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. Ghent, Belgium. 2007.

[4] Hague, M.N., Al-Khaiat, H, Kayali, 0.,Strenght and durability of lightweight concrete. Cement and Concrete Composites 26 (2004) 307-314.

[5] EFNARC, Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete, Surrey United Kindom 2002, ISBN 0-9539733-4-4, http://www.efnarc.org.

[6] http://www.liapor.com.

[7] Ci EK, P.; HUBERTOVA, M., Lightweight concrete for prefabricated elements of stadiums

in the Czech republic, in Structural concrete in the Czech republic 2006-2009, ISBN 978-809-0-38-06, Czech concrete society CSSI, Prague, 2010