7. Добавки к набрызгбетонной смеси

Рост популярности применения набрызгбетона связан в первую очередь с новыми достижениями в технологии бетонирования. На качество набрызгбетона большое влияние оказывает разработанная в последние годы во многих странах и постоянно совершенствуемая система применения различных добавок (ускорителей твердения, пластификаторов, микросилики и др.) при изготовлении набрызбетонной смеси. Кроме того, постоянно ведутся работы по подбору дешевых и качественных инертных наполнителей.

Использование различных химических добавок в технологии производства бетона повышает удобоукладываемость бетонной смеси, позволяет снизить расход воды и цемента, дает возможность получать бетоны повышенной плотности, прочности и долговечности, регулировать процессы схватывания и твердения цементных систем. Эффективность добавок достигается при оптимальной их дозировки, в зависимости от марки и минералогического состава цемента.

В практике ведения бетонных работ рекомендуется вводить добавки совместно с водой затворения или в виде раствора необходимой концентрации в предварительно приготовленную бетонную смесь. Количество добавки принимается относительно массы цемента в процентном отношении при строгом соблюдении точности дозирования и составляет соответственно: для ускоряющих добавок 1-5%, для пластификаторов 0,05-0,5%.

Наибольшая эффективность достигается при использовании суперпластификаторов (С-3, Дофен, 10-03 и др.), которые позволяют значительно увеличить подвижность раствора. Осадка конуса изменяется от ОК=4 до ОК=20. Рекомендуемая дозировка суперпластификаторов находится в пределах 0,2 –1% по массе цемента.

Сроки начала твердения цементно-песчаных смесей с ускоряющими добавками регулируются в широких пределах, изменяются от одной до нескольких десятков минут и определяются конкретными условиями ведения крепежных работ. Подбор типа и количества добавок в каждом конкретном случае предварительно производится в лабораторных условиях с изготовлением контрольных образцов и определением основных характеристик бетонной смеси.

Особое значение для набрызгбетона имеют ускорители твердения. Использование ускорителей схватывания обязательно при набрызгбетонировании слоев толщиной более 10 см и в слабых породах. Действие ускорителей схватывания начинается уже в период движения бетонной смеси от сопла до скальной поверхности, превращая смесь из тяжелой жидкости в пасту. Это увеличивает сцепление бетонной смеси с поверхностью и позволяет наносить слой большей толщины. Ускорители схватывания вводятся в смесь непосредственно перед перед нанесением в жидком или порошкообразном виде.порошок, как правило, применяется при использовании технологии сухого набрызга и подается в машину дозатором. Ускоритель схватывания в жидком виде специальным насосом подается по шлангу непосредственно к соплу, и количество его регулируется сопловщиком.

Наиболее широко распространенными и дешевыми ускорителями схватывания являются алюминаты и силикат натрия (жидкое стекло). Ускорители схватывания на основе алюминатов характеризуются короткими сроками начала и окончания схватывания. При нормальной дозировке в пределах 3-8% от массы цемента уже через 0,5-2 ч предел прочности на сжатие может достигать 1-2 МПа.

Традиционные ускорители схватывания, алюминаты в первую очередь, негативно влияют на конечную прочность бетона. При передозировке ускорителя схватывания она может быть на 20-40% ниже, чем в случае, если бы добавки не использовались. В следствие вышеуказанных причин алюминаты широко используются при проходке выработок в слабоустойчивых породах, где набрызгбетон является временной крепью и он должен быстро вступить в работу.

Во многих странах при производстве набрызгбетонных работ в настоящее время широко используется модифицированный силикат натрия. Скорость схватывания и набора прочности при использовании силикатов ниже, чем при использовании алюминатов. В то же время при нормальной дозировке силикатов натрия (3-6% от веса цемента) конечная прочность бетона будет лишь на 10-20% ниже, чем без использования добавки. Не рекомендуется использование силикаты при температуре ниже 5˚С. набрызгбетон с силикатом натрияв лотличии от алюминатов в ряде случаев может применяться и как посточнная крепь.

Выше приведенные традиционные ускорители схватывания –щелочные, вредные для кожи и глаз. Прежде всего это касается алюминатов, у которых рН >13. В настоящее время все большее распространение получают нещелочные ускорители схватывания, безвредные для человека и не влияющие на конечную прочность бетона. Эти ускорители нового поколения широко применяются и вытесняют с рынка традиционные ускорители. В некоторых странах (Франция, Швейцария, Австрия и др.) в связи с риском для здоровья персонала использование традиционных ускорителей схватывания, например, алюминатов не допускается. Расход нещелочных ускорителей несколько большая (3-10% от массы цемента), чем при использовании ускорителей старого поколения. Орассмотрим несколько конкретных примеров использования ускорителей схватывания.

На основании практического опыта сооружения тоннелей акционерное общество Deutsche Bahn AG(Германия) предполагает в недалекой перспективе широкое применение различных ускоряющих добавок. Применяемый в тоннелестроении для набрызгбетона ускоритель (средство ВЕ) из-за отрицательного эффекта, снижающего прочность, подвергается серьезной критике, хотя для обеспечение непрерывной и скоростной проходки тоннеля все-таки необходимо быстрое нарастание прочности бетона счет применения данной добавки-ускорителя. Поэтому для дальнейшего совершенствования средства ВЕ пошли по пути уменьшения содержание в добавке щелочи, чтобы не допустить снижения конечной прочности бетона. В перспективе возможно создание специальных ускоряющих добавок для набрызгбетона с незначительным содержанием в них щелочи.

За рубежом разработано несколько безопасных низкощелочных добавок-ускорителей твердения набрызгбетона, наносимого мокрым и сухим способами. Такие добавки оказывают незначительное вредное воздействие на окружающую среду и человека, в то время как обычные щелочные добавки являются опасными для здоровья человека. Рассмотрено применение четырех низкощелочных добавок, ускоряющих процесс схватывания набрызгбетона и повышающих безопасность работ. Они использовались компаниями Sika, MBT, Yolderchem Euco и Rhone Poulene GmbH при сооружении тоннелей.

Получила также распространение новая безхлоридная добавка - ускоритель твердения бетона, который сокращает время схватывания в 3 раза. Добавка поставляется в виде готового к употреблению раствора и снижает риск замерзания бетона. Она улучшает удобоукладываемость и ускоряет нарастание прочности бетона. Сокращая время схватывания, добавка позволяет достигнуть значительной экономии времени и трудозатрат

Фирма Tricosal, Германия, выпускает целый ряд нещелочных ускорителей в порошковообразном и жидком виде. Смеси с ускорителями применяются для бетонного крепления. Ускоряющие добавки предназначены для заделки швов и создания гидроизоляционных покрытий. Работы по ремонту крепи и упрочнению массива осуществляются однокомпонентным высокопрочным бетонным составом без усадки. Состав представляет мелкозернистый цемент для инъекционных работ в бетон, каменную и кирпичную кладку или в породу под низким давлением.

Швейцарская компания Master Builders Technologies производит бесщелочной ускорителя схватывания бетона Meyco SA 160 для набрызгбетонирования стенок и кровли горных выработок. Ускоритель выпускается в жидком виде. Содержание добавки составляет 6-8% от массы готового бетона. Ускоритель обеспечивает возможность нанесения слоя набрызгбетона толщиной 150-400 мм за один проход с эксплуатационными характеристиками, сопоставимыми с теми же показателями, получаемыми при использовании ускорителей на основе алюмината, но без известных недостатков последних.

Многие фирмы, работающих на сооружении тоннелей достигли значительного прогресса в области нанесения набрызгбетона с использованием различного типа добавок. Сухие и мокрые добавки к набрызгбетонной смеси уменьшают потери материала в отскок, увеличивают прочность бетона, облегчают условия обращения с ними и повышают безопасность работ. Проведенными исследованиями установлено, что отсутствие в ряде добавок хлоридов, нитратов и алюминатов является положительным моментом.

В качестве добавок к набрызгбетонной смеси применяются различные типы модификаторов. Результаты исследований, проведенных в лабораторных и шахтных условиях, показали, что использование определенных модификаторов в количестве 0.5-2% от массы цемента обеспечивает увеличение прочности набрызгбетона в 1.5-2 раза. Таким образом, можно предположить, что применение рассматриваемых добавок позволит уменьшить толщину слоя набрызгбетона также в 1.5-2 раза при сохранении несущей способности крепи. Выполненные предварительные технико-экономические расчеты затрат на крепление выработок с учетом соответствующего уменьшения толщины слоя набрызгбетона в случае использования модифицирующих добавок показали существенное сокращение расходов на крепление по данной статье.

Еще одним направлением совершенствования набрызбетонной крепи в тех случаях, когда по организационным или технологическим причинам требуется более 2-х часов с момента приготовления до момента нанесения смеси, явилось с начала 1990-х годов применение стабилизаторов, отодвигающих начало процесса гидратации цемента на 5-10 часов, а при необходимости и на 72 часа. При использовании стабилизатора перед нанесением набрызгбетона в смесь вводится активатор, который нейтрализует действие стабилизатора. Как правило, активатор вводится в смесь одновременно с ускорителями схватывания по шлангам, подведенными к соплу.

Для улучшения свойств бетонной смеси и эксплуатационных свойств материала обделки широко используется микросилика (микросиликаты). Микросилика является побочным продуктом металлургического процесса при производстве металлического кремния и ферросилиция. Размер зерен в основном менее 0,5 мкм, т.е. ориентировочно в 100 раз меньше, чем размер зерен цемента. Качество микросилики определяется содержанием двуокиси кремния. Для набрызгбетонных работ пригодным считается микросилика с содержанием двуокиси кремния 80%.

Использование сверхтонких минеральных компонентов для бетонов существенно улучшает свойства цементно-песчаной смеси. Высокая степень дисперсности мельчайших частиц микросилики позволяет очень эффективно проникать в пространства между зернами цемента, заполнять поры продуктами гидратации, укреплять и уплотнять связи с образующимися агрегатами.Добавка микросилики обеспечивает получение смеси с водо-цементным отношением ниже 0,3. Бетоны данного состава обладают очень высокой начальной прочностью и имеют в 7 суточном возрасте 55-65% конечной прочности, которая может достигать 150 МПа. Проницаемость бетонов, содержащих микросилику, значительно ниже обычных бетонов. Использование мелкодисперсных добавок позволяет получать практически водонепроницаемый бетон. Гидроизоляционные свойства материала улучшаются с возрастанием в нем содержания микросиликатов.

При приготовлении набрызгбетонной смеси применение микросилики:

• увеличивает сцепление со скальной поверхностью, арматурной сталью и слоями наносимого набрызгбетона;

• позволяет наносить за один прием слой большей толщины;

• уменьшает отскок при нанесении набрызгбетона;

• уменьшает потребность в ускорителе схватывания;

• увеличивает пластичность смеси (зерна микросилики выполняют функцию шарнира или смазки между более крупными зернами цемента);

• повышает прочность бетона (по данным исследовательского центра «Elkem» прочность бетона с добавкой 8% микросилики от массы цемента возрастает на 12 Мпа);

• улучшает характеристики набрызгбетонной крепи (стойкость к агрессивным воздействиям среды, водонепроницаемость, морозостойкость, износостойкость).

При использовании микросилики в бетонную смесь обязательно должен вводится пластификатор или суперпастификатор для равномерного распределения в ней тонкого материала, как микросилика.

В последнее время все большее распространение получает дисперсно-армированный набрызгбетон, который существенно расширяет область применения и повышает технический ресурс облегченных видов крепей. Рекомендуется следующий состав дисперсно-армированного набрызгбетона с использованием ускоряющих и пластифицирующих добавок рекомендуется следующий состав компонентов на 1 м³ готовой смеси ( в % по массе):

• цемент 15-20

• песок 45-50

• щебень или гравий 20-25

• вода 6-8

• микросилика 2-3

• пластификатор 0,15-0,4

• ускоритель твердения 1-3

фибра 5-8