Исследование свойств и области применения торкрет-бетонов

Торкретирование - прогрессивный способ нанесения на обрабатываемую поверхность одного или нескольких слоев раствора или бетона из цемента, песка, щебня или гравия и воды, осуществляемого под давлением сжатого воздуха. Торкретирование используется при производстве работ, связанных с возведением, ремонтом или восстановлением несущих и ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений. Торкретирование допускает использование стальной стержневой арматуры, сеток, армокаркасов или различные виды дисперсного армирования с фиброй, как металлической, так и неметаллической, в зависимости от назначения конструкций и свойств, заданных проектом.

В результате нанесения раствора или бетона на поверхность под давлением образуется уплотненный слой торкрет-бетона, свойства которого отличаются от свойств обычного бетона или раствора. По сравнению с обычным бетоном торкрет-бетон обладает повышенной механической прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью, лучшим сцеплением с поверхностью обрабатываемой конструкции, быстрее набирает прочность при равных условиях ухода за бетоном.

Преимущество торкретирования перед другими методами состоит в полной механизации процессов, обычно требующих больших затрат труда, и в соединении в одной технологической операции транспортирования, укладки и уплотнения раствора или бетона.

Торкрет-бетон обладает достаточной начальной адгезией и хорошо держится на потолочных и вертикальных поверхностях, не требует опалубки, доставка бетонной смеси к рабочему участку не встречает затруднений, гибкий транспортный трубопровод легко проходит через узкие места, поэтому производство работ по торкретированию может осуществляться не только в свободном пространстве, но и в стесненных условиях.

С момента появления первого патента, имеющего отношение к регистрации метода торкретирования в 1911 г. и выданного в США Карлу Э.Эйкли, сам этот метод и оборудование для его осуществления претерпели значительную эволюцию, получив широкое распространение в разных странах.

Ранее в СССР были разработаны различные нормативно-технические источники, относящиеся, в частности, к технологическим правилам торкретирования кладки инженерных сооружений (ПТКБ ЦП МПС СССР - 1985 г.), к вопросам крепления выработок набрызг - бетоном (BCH 126-90 / Минтрансстрой СССР, ВНИИ транспортного строительства. 1991 г.).

В 2008 году совместно со специалистами лаборатории НИЦ «СМ» ОАО ЦНИИС Транспортного строительства по теме НИиОКР ОАО «Мосинжпроекта» проведена работа по определению физико-механических характеристик 48 составов торкрет-бетона, в том числе с использованием полипропиленовой и металлической фибры. Подтверждены характеристики, отраженные в ТУ 5745-001-16216892-06 «Торкрет-бетон», т.е. возможность изготовления торкрет-бетона классом от В25 до В60, морозостойкостью F 300 (в солях), водонепроницаемостью выше W12 и адгезией к бетонному основанию выше 2МПа, сохраняющейся в результате переменных циклов замораживания (-50°С) и оттаивания (условная марка F1000).

Работы по экспериментальному торкретированию проводились в полигонных условиях, на площадке лаборатории технического перевооружения НИЦ «СМ» ОАО ЦНИИС специалистами ЗАО «Служба защиты сооружений». Работы велись в соответствии с требованиями ТУ 5745-001-162168921-06 и технологического регламента по ведению торкретных работ.

Для приготовления контрольных составов сухой смеси торкрет- бетонов применялись:

• Цемент марки ПЦ 500 ДО производства Подольского цементного завода.
• Песок речной фракционированный Мк 1,2 и Мк 2.2 в соотношении 1:1 - данный состав смеси песков полностью соответствует кривой рассева по ТУ 5745-001-162168921-06, (рис.1).

В качестве добавок в бетонную смесь вводились:

• микрокремнезем МК-80;
• кальмафлекс-ТУ 5716-001-18332866-03.

Для дисперсного армирования торкрет бетона использовались:

• металлическая волновая фибра - ТУ 1221-001-71968828-2005 «Фибра из стальной проволоки для армирования бетона» производства челябинского предприятия «Уралкорд». Технические характеристики волновой фибры: длина - от 10 до 20 мм ± 2,0 мм; диаметр проволоки 0,20-0,30 мм ± 0,03 мм; длина гофры (шаг) - 0,8 ±1,0 мм; высота гофры 2,0 мм +1,0 мм - 0,5 мм, временное сопротивление разрыву проволоки - не менее 2200 Н/ кв.мм. Поверхность проволоки покрыта слоем латуни толщиной 0,2-0,3 мкм.
• полипропиленовая фибра - ВСМ -11- R0.0.2-20/6 (12,18) -ТУ 2272-006-1349727-2007 диаметром 20мкм и длинной 6,12 и 18мм, прочностью на разрыв 350 МПа и модулем упругости 8000 МПа.

Составы торкрет-бетона были разделены на три группы по 16 серий в каждой. Каждая группа отличалась от последующей дозировкой цемента на 1000 литров заполнителя.

Серии в группе отличались весовым содержанием добавок на 1000 литров заполнителя:

• 01 контр- без добавок;
• К - добавка кальмафлекса;
• Кр1 и Кр2 - добавка микрокремнезема;
• Ф1, Ф2 и ФЗ - фибра металлическая;
• ФКр1 и ФКр2 - металлическая фибра и микрокремнезем;
• П1 и 1П2 - фибра полипропиленовая длиной 6мм при расходе;
• ПЗ -фибра полипропиленовая длиной 12 мм;
• П4- фибра полипропиленовая длиной 18мм;
• П5 - фибра полипропиленовая длиной 6мм и Кальмафлекс;
• П6 - фибра полипропиленовая длиной 6мм и микрокремнезем;
• П7 - фибра полипропиленовая длиной 6мм, Кальмафлекс и микрокремнезем .

Для приготовления сухой смеси торкрет-бетона использовалась бетономешалка принудительного действия БС-4М. Нанесение торкрет-бетона производилось торкрет-установкой Aliva 246.5 и воздушным компрессором Atlas Сорсо XAS 186 с рабочим давлением воздуха 5 атм и производительностью 8 м /мин (рис.2).

Работы по экспериментальному торкретированию проводились на полигоне лаборатории НИЦ «СМ» ОАО ЦНИИС. В качестве основы для торкретирования использовались ранее установленные на полигоне фрагменты дорожного барьерного ограждения. После очистки гидромонитором поверхности ограждения и предварительного смачивания поверхности непосредственно перед торкретированием наносился слой торкрет бетона на стенку.

По окончанию бетонирования участки с нанесенным слоем торкрет бетона и контрольные плиты закрывались полиэтиленовой пленкой для создания требуемых влажноетных условий твердения.

В процессе экспериментального бетонирования контролировались дозировки сухой смеси и подачи воды, давление воздуха в системе подачи смеси, толщина нанесенного бетонного слоя и, визуально, качество покрытия по отскоку и оплыванию свежего бетона.

В соответствии с требованиями ТУ 5745-001-16216892-06 «Торкрет-бетон» по контролю качества торкрет-бетона, одновременно с экспериментальным торкретированием бетонных поверхностей барьерного ограждения изготавливались контрольные плиты из каждого состава бетона при одинаковых условиях и режимах торкретирования.. Формы для контрольных плит (рис.3) были изготовлены в лаборатории из опалубочной многослойной фанеры толщиной 20 мм с пропиткой и антиадгезионным покрытием. С двух сторон форм предусматривались фаски и щели в бортах для отвода отскока бетона при формовании.

Размеры плит 600x600x120 мм обеспечивали изготовление из них в дальнейшем, после набора прочности, контрольных образцов (рис 4) в виде кернов и призм для испытаний бетона на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость. Всего было изготовлено 47 контрольных плит из различных составов торкрет бетона, которые хранились 3-е суток в естественных условиях под укрытием из полиэтиленовой пленки, затем раепалубливались и хранились в помещении лаборатории при 18-20°С при укрытии пленкой и периодическом увлажнении. Для определения прочности на сжатие из каждой плиты выбуривались по 3 керна, из которых изготавливались контрольные образцы цилиндры.

Испытания образцов проводились в 28-суточном возрасте, в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 на испытательной машине ИП-100. Для определения прочности бетона при раскалывании испытывались также серии по три образца из каждого состава. Схема испытаний на раскалывание принята по ГОСТ 10180, п. 5.4.

Для уточнения корреляционной связи прочности бетона на изгиб и прочности на раскалывание были испытаны на изгиб выпиленные из контрольных плит 1-ой группы торкрет-бетона призмы размерами 100x100x400 мм, а высверленные из их половинок керны испытаны на раскалывание. Водопоглощение бетона определялось в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.3-78.

Испытания контрольных образцов бетона на водонепроницаемость были проведены на стенде лаборатории для испытаний на водонепроницаемость по методике ГОСТ 12730.5-84 (по методу "мокрого пятна"). Образцы бетона диаметром 150 мм для испытаний были высверлены из контрольных плит. Давление воды поднималось ступенями по 0,2 МПа и автоматически выдерживалось 16 часов на каждой ступени. Максимально допустимое давление для стенда 1,4 МПа. После окончания выдержки при максимальном давлении образцы снимались со стенда.

Таблица 1 Результаты испытаний контрольных образцов торкрет бетона по сериям и группам по расходу цемента

Испытывания бетона на морозостойкость проводились по методике ускоренных испытаний по ГОСТ 10060.2-95, при замораживании образцов в 5% растворе NaCI до температуры -50°С и оттаивании в таком же растворе при +20°С. Контрольные образцы изготавливались в соответствии с ГОСТ 28570-90 и ГОСТ 10180-90, диаметром и высотой 70 мм. Так как для точного, в соответствии с ГОСТ 10060.0-95, определения марки бетона на морозостойкость потребовалось бы не менее Зх серий по 6 образцов бетона для определения прочности, а это не представлялось возможным, учитывая размеры контрольных плит, то условная марка бетона определялась по количеству циклов замораживания - оттаивания по визуальному контролю состояния образцов и контролю потери массы в насыщенном состоянии в процессе испытаний. При появлении признаков разрушения бетона и потери массы более 3-х процентов от начальной в насыщенном состоянии, производились испытаний на определение прочности образцов при сжатии. Условной маркой бетона по морозостойкости принималась марка соответствующая количеству циклов, при котором еще не наблюдалось признаков разрушения и потери массы. Марка принималась по третьему методу ускоренных испытаний для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий. Плотность бетона (объемная масса) определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1 при проведении испытаний контрольных образцов на прочность в естественном состоянии.

При общем анализе полученных результатов видно, что используя торкретирование, как вид бетонирования при создании конструкций или при ведении восстановительных работ, можно получить широкий диапазон эксплуатационных характеристик бетона, как по прочности, так и по долговечности. Прочность на сжатие в отдельных сериях была получена от 32,5 МПа до 75,2 МПа, на раскалывание - от 3 МПа до 13,4 МПа, водопоглощение в среднем составило 1,5 - 2 %, марка по водонепроницаемости во всех образцах была не ниже W12, а морозостойкость в испытанных сериях получена от минимальной F300 до F1000 (или F300 для бетонов дорожных и аэродромных покрытий). Эти результаты дают основание утверждать, что при правильном и целесообразном использовании армирования и добавок, можно получить весь диапазон эксплуатационных характеристик бетона, который востребован сегодня в строительстве, в том числе и транспортных сооружений.

По полученным результатам можно утверждать, что применение стальной фибры сильно влияет на прочностные характеристики бетона, не ухудшая свойств бетона по водонепроницаемости, водопоглощению и морозостойкости. Использование полипропиленовой фибры в целом увеличивает прочность бетона на сжатие и на растяжение, дает возможность получить долговечный бетон, на что указывают результаты испытаний на морозостойкость, водопоглощение и водонепроницаемость, но в этих сериях не выявлена зависимость качественных характеристик бетона от параметров фибры при ее различных дозировках.

Полученные в лабораторных условиях результаты и опыт компании ЗАО «Служба защиты сооружений» легли в основу разработанного и утвержденного СТО 16216892-001-2008 «Методические рекомендации по применению торкрет-бетона ТУ 5745-001-16216892-06 в работах по проектированию строительства новых и реконструкции существующих дорожно-транспортных и коммуникационных сооружений».

Данные «Методические рекомендации» рассматривают широкий спектр применения торкрет-бетонных покрытий при возведении, ремонте и восстановлении строительных конструкций полифункционального назначения, в них учтены экспериментальные и практические данные, полученные в отечественной и зарубежной практике в последний период.

Значительное внимание уделено технологическим вопросам получения и применения в строительной практике торкрет-фибробетона, особенностям создания защитных покрытий с использованием этого материала. В последнее время успех применения торкрет-фибробетона связан с оптимизацией параметров дисперсного армирования и зависит от характеристик используемых фибр: их прочности и объемного содержания в торкрет-бетоне, диаметра и длины фибр, соотношения между диаметром и длиной, профиля и качества их поверхности, обусловливающих анкеровку в бетонной матрице, а также от технологических приемов создания защитных покрытий. Применение фибр в качестве армирующих компонентов в торкрет-бетоне повышает его способность к пластической деформации, трещиностойкость, прочность при растяжении и изгибе, сопротивление к динамическим и огневым воздействиям, при этом частичное или полное исключение из сечения торкрет-бетонного покрытия традиционной стержневой арматуры создает предпосылки для снижения трудозатрат при производстве работ, сокращения сроков строительства.

Рассматриваемый в «Методических рекомендациях» торкрет-бетон (ТУ 5745-001-16216892-06) предназначается для устройства конструкционных несущих и защитных покрытий, наносимых на обрабатываемую поверхность (подложку) различного функционально-строительного назначения: поверхность скальной (горной) породы, опалубки, кирпичной кладки, бетона, грунта или поверхность предварительно нанесенного слоя торкрет-бетона и др.

Области применения торкрет-бетона предусматривают создание покрытий с использованием данного материала:

А. В процессе производства работ при возведении новых зданий и сооружений:

• Строительство резервуаров, емкостей, башен, в том числе питьевого водоснабжения.
• Гидроизоляция гидротехнических сооружений, туннелей и коллекторов.
• Строительство элементов гидротехнических сооружений.
• Реконструкция железнодорожных и автомобильных туннелей.
• Окончательная отделка штолен, туннелей, пещер, шахт.
• Нанесение поверхностных покрытий в штольнях и безнапорных водоводах с целью улучшения протекания жидкости.
• Крепление строительных котлованов.
• Крепление скальных стен и откосов.
• Подведение контропор и фундаментов под сооружения.
• Отделка и поверхностные покрытия при надземном строительстве.
• Усиление конструкций из кладки и бетона.
• Усиление стальных конструкций.

Б. При производстве работ, связанных с предупредительным ремонтом, с восстановлением конструкций зданий и сооружений:

• Защитные работы в подземных сооружениях.
• Огнеупорная облицовка.
• Антикоррозионная защита стальных конструкций.
• Восстановление защитного слоя бетона.
• Нанесение износоустойчивых покрытий.
• Восстановление профилей.
• Ремонт повреждений, вызванных износом, кислотами, газами, огнем, взрывами, морозами и чрезмерной нагрузкой.
• Реконструкция армированных покрытий.
• Устранение дефектов строительства бетонных сооружений.
• Ремонт туннельных покрытий и отделок.
• Ремонт мостов и подпорных стен.
• Ремонт гидротехнических сооружений.

«Методические рекомендации» содержат требования, касающиеся применения и контроля качества исходных материалов, технологических методов получения торкрет-бетонных покрытий, условий и порядка производства работ, в том числе с учетом размещения в получаемых покрытиях арматурных сеток, фибр, варианты конструктивных решений торкрет-бетонных покрытий, примеры их технического исполнения, требования по технике безопасности, правила контроля качества и приемку осуществляемых работ.

Рисунок 1 Требуемый гранулометрический состав песка

Рисунок 2 Оборудование для приготовления и подачи сухой смеси торкрет-бетона

Рисунок 3. Формы для контрольных плит

Рисунок 4. Контрольные плиты и образцы для испытаний