Решение проблемы "холодного шва". Материалы для химического фрезерование бетона

"СТРОЙМОСТ "ХИМФРЕЗ Очиститель"
и
"СТРОЙМОСТ "ХИМФРЕЗ Активатор"

Монолитный бетон и железобетон в строительстве

Монолитный бетон и железобетон, как правило, экономичнее сборного в подземных частях зданий и сооружений, в фундаментах под технологическое оборудование, в конструкциях массивных стен, в дорожном и гидротехническом строительстве. Широкую сферу эффективного применения он находит также в сборно-монолитных конструкциях.

Монолитный бетон и железобетон, по сравнению со сборным способом строительства, обладает неоспоримыми преимуществами, обеспечивая в конструкциях эффективную диссипацию колебательной энергии при ветровых и сейсмических нагрузках, высокий момент сопротивления статическим и динамическим нагрузкам и низкую деформативность.

В СНиП 3.03.01-87 ”Несущие и ограждающие конструкции” при монолитном бетонировании предусматривается укладка бетонных смесей двумя принципиально различными способами:
-укладка без перерывов в бетонировании до начала схватывания предыдущего слоя бетона, то есть без образования рабочего шва;
-укладка с перерывами после схватывания уложенного ранее слоя бетона с образованием рабочего шва.

Непрерывное бетонирование предпочтительнее, так как этот способ обеспечивает наивысшее качество монолитных конструкций, однако по технологическим и организационным причинам это не всегда возможно, поэтому, как правило, проектом предусматриваются рабочие швы.

Рабочие швы также называют строительными швами, швами бетонирования или ”холодными швами”.

Образование рабочих швов вызвано остановками бетонирования и определяется рядом причин:
-организационных: окончание рабочей смены, ремонт оборудования, нехватка материалов, несовершенную общую организацию работ, технические возможности используемых машин и механизмов;
-технологических: монтаж вышележащих арматуры, лесов и опалубки и ограничение нагрузок на конструкции;
-конструктивных: обеспечение направленных деформаций отдельных участков конструкций и сооружений в целом.
Как правило, возводимые монолитные бетонные и железобетонные конструкции бетонируются отдельными сопрягаемыми между собой участками - блоками (картами) бетонирования.

Рабочий шов бетона образуется, когда каждый последующий слой бетонной смеси укладывают на затвердевший (схватившийся) предыдущий слой бетона. Отличительной особенностью рабочего шва является то, что сцепление нового бетона с уже затвердевшим бетоном значительно ниже, чем прочность монолитного бетона без рабочего шва, вследствие чего снижаются морозостойкость, водонепроницаемость и ухудшается внешний вид конструкций.

Это объясняется тем, что ”холодные швы” являются границей, на которой происходит превращение усадочных напряжений сжатия в напряжения растяжения, и поэтому зона шва становится предварительно напряженной. Как известно, бетон хорошо работает на сжатие, менее стоек к изгибающим нагрузкам и значительно хуже противостоит напряжениям растяжения. В результате релаксации напряжений растяжения, реализующихся в виде микротрещин, зона стыка имеет меньшую плотность и прочность, по сравнению с монолитным бетоном и при равных растягивающих напряжениях, трещины прежде всего открываются именно по швам.

В соответствии с СНиП 3.03.01-87 перед бетонированием поверхности рабочих швов должны быть очищены от грязи, масел, снега, льда и цементной пленки. Очистка поверхности рабочих швов от цементной пленки проводится для устранения возможности образования ”холодных швов”.

Годовой объем производства монолитного бетона и железобетона в России составляет 25-30 млн. м³. При допущении, что половина конструкций изготавливается способом послойной укладки с толщиной слоя ориентировочно 50 см за проход, общая площадь рабочих швов требующих подготовки поверхности составляет 12-15 млн. м²/год.

Что такое цементная пленка?

Основным источником образования цементной пленки является водный раствор гидроксида кальция Са(ОН)2, который выходит на поверхность бетона, реагирует с углекислотой воздуха СО2 и образует нерастворимую в воде пленку карбоната кальция СаСО3 (по химическому составу – известняком).

Другим источником являются соли щелочных металлов, присутствующие в цементе в свободном виде; добавляемые в цемент цеолитовые туфы и зола-унос (зольные микросферы) тепловых электростанций, выделяющие щелочи; песок, щебень и гравий, содержащие галоидные соединения; ускорители твердения, противоморозные добавки, пластификаторы и другие добавки.

При затворении цемента водой водорастворимые щелочи образуют растворы и химически связываются с силикатами и алюминатами цемента. Затем, при контакте с углекислотой воздуха щелочи карбонизируются с образованием нерастворимой в воде плотной цементной пленки.
Еще одним источником солей является вода затворения, если она по составу примесей не отвечает ГОСТ 23732.

Химически цементную пленку можно представить как смесь растворимых и нерастворимых в воде карбонатов, сульфатов, нитратов и хлоридов.

В поверхностном слое вытесненной из бетонной смеси воды, несмотря на полное превращение всего вяжущего в кристаллизующийся гидрат, не происходит образования плотной и прочной кристаллической структуры.
Физически цементная пленка, в отличие от тела цементного камня, представляет собой не прочную кристаллическую структуру, а рыхлую непрочную конденсационную структуру, заполняющую поровое пространство бетона на некоторую глубину.

При послойной укладке бетонной смеси на рабочий шов имеющий на поверхности цементную пленку, вместо ожидаемой по проекту монолитной, образуется трехслойная конструкция: ”бетон – цементная пленка – бетон”.

В этой конструкции с точки зрения прочности слабым местом является именно цементная пленка. Очевидно, что при пороговом напряжении, значение которого значительно ниже расчетного, разрушение бетонной конструкции произойдет именно по этой границе раздела.

Из теории прочности известно, что для наиболее эффективного перераспределения напряжений и наиболее полной диссипации энергии при ветровых или сейсмических нагрузках конструкция должна обладать возможно полной монолитностью.

В случае ”трехслойной” конструкции здание возможно рассматривать не как монолитную конструкцию, а как сборную, состоящую из ”этажей”, каждый из которых самостоятельно воспринимает механическую нагрузку и работает независимо от других.

Традиционные способы очистки рабочих швов

СНиП 3.03.01-87 определены способы очистки и установлены требования по прочности поверхности бетона при очистке от цементной пленки: механическая обработка металлической щеткой - не менее 1,5 МПа; механическое фрезерование - не менее 5 МПа; гидропескоструйная обработка - не менее 5 МПа; промывка водой и сушка сжатым воздухом - не менее 0,3 МПа.

Рекомендации по величине допустимого временного интервала перекрытия слоев бетона до образования рабочего шва противоречивы и находятся в диапазоне 2-4,5 ч.

Во всех случаях обязательной является очистка поверхности ранее уложенного бетона от пыли, грязи, масла и строительного мусора. Для предотвращения обезвоживания укладываемой смеси бетонное основание увлажняют.

При перерыве в бетонировании качество верхнего (контактного) слоя бетона ухудшается во времени из-за водоотделения, наиболее интенсивно протекающего в первые 1-1,5 ч. И все же, прочность стыка при перерывах в бетонировании, составляющем до 5 и даже более часов, существенно выше, чем прочность стыка с полностью затвердевшим бетоном даже при тщательной подготовке его поверхности.

При перерывах в работе дальнейшая укладка смеси может проводиться только после набора ранее уложенным бетоном прочности не менее 1,5 МПа, что гарантирует отсутствие нарушения его структуры.

Рассмотрим достоинства и недостатки существующих способов очистки и подготовки поверхности рабочих швов:

1. Механическое фрезерование и механическая очистка поверхности бетона от цементной пленки производится металлическими щетками или метлами с проволочной щетиной. Сухая механическая очистка поверхности затвердевшего бетона возможна только после набора им определенной прочности, во избежание повреждения низлежащих слоев. Однако с набором бетоном прочности очистка поверхности рабочих швов затрудняется.
Применение приводных металлических щеток и машинного фрезерования оправдано только при наборе бетоном прочности не более 2-3 МПа. При большей прочности бетона эффективность обработки снижается из-за значительного увеличения продолжительности очистки и повышенного износа щеток.

Достоинством механических способов очистки является применение их там, где невозможно использование пыльных и мокрых и дорогостоящих процессов пескоструйной и гидропескоструйной обработки.
Эффективна насечка поверхности, увеличивающая площадь передачи напряжений. Однако, применение для снятия пленки и последующей насечки инструментов ударного действия (перфораторов, отбойных молотков) должно быть исключено, ввиду возможного повреждения верхнего слоя бетона стыкуемой поверхности.

К недостаткам механических способов подготовки поверхности бетона можно отнести следующие:
-возможность очистки только после набора бетоном прочности 1,5 МПа приводит к длительным технологическим перерывам;
-удаляется только верхний слой цементной пленки и не открываются поры бетона;
-возможно возникновение и релаксация внутренних напряжений в виде микротрещин;
-пылеобразование требует очистки промышленным пылесосом;
-высокая стоимость оборудования и трудоемкость;
-сложность организации контроля качества работ.

2. При гидропескоструйной обработке удаляется цементная пленка и только в поверхностном слое открываются поры бетона. Процесс обладает следующими недостатками:
-отсутствие возможности проведения очистки до набора бетоном прочности 5 МПа и необходимость в длительных технологических перерывах для набора бетоном необходимой прочности;
-возникновение внутренних напряжений в результате ударного воздействия рабочей струи и их релаксация приводящая к микротрещинам;
-высокая стоимость компрессоров высокого и сверхвысокого давления, абразивоструйных комплексов и установок фильтрации и кондиционирования воздуха;
-ограничения в применении при внутренних работах и при действующем производстве.

3. Наиболее просто производить удаление цементной пленки с поверхности рабочего шва водяной или водовоздушной струей под давлением 0,5-0,7 МПа.

Достоинством этого способа является то, что очистку можно производить почти сразу же после укладки слоя при прочности бетона 0,3 МПа, то есть когда уже образовалась достаточно прочная структура бетона и нет опасности нарушения сцепления крупного заполнителя с растворной частью. При такой прочности по поверхности бетона можно ходить, хотя остаются следы от обуви и поверхность поддается продавливанию при нажиме пальцем с некоторым усилием. Время достижения этой прочности в зависимости от свойств бетонной смеси, влажности и температуры окружающего воздуха и находится в пределах от 4 до 18 ч.

К недостаткам очистки водяной или водовоздушной струей относятся:
-на практике невозможно применение этого способа очистки рабочих швов при отрицательных температурах окружающего воздуха и на вертикальных стыкуемых поверхностей, длительное время закрытых опалубкой;
-на поверхности остается нерастворимая в воде цементная пленка;
-содержащееся в сжатом воздухе компрессорное масло образует на поверхности антиадгезионную пленку.

4. Процесс химической очистки соляной кислотой является технически неоправданным и вредным.
В минералогии качественной реакцией на отличие кальцита (карбоната кальция) от других породообразующих минералов является бурное разложение в холодной соляной кислоте.

Предложение по снятию цементной пленки, содержащей карбонаты, с помощью соляной кислоты не следует рекомендовать из-за опасности снижения долговечности бетона.

Именно этим объясняется мощный отрицательный эффект от ее применения:
-наблюдается поверхностное растворение и разрушение не только цементной пленки, но и цементного камня, что служит причиной разрушения шва между старым и новым бетоном в процессе эксплуатации;
-незначительно увеличивается прочность сцепления, по сравнению с необработанной поверхностью;
-требуется дополнительная операция нейтрализации кислоты щелочью (едким натром) с промывкой водой;
-потеря поверхностной прочности приводит к пылению бетона и требует дополнительного обязательного обеспыливания перед нанесением растворной смеси.

5. Для увеличения временного интервала между укладкой бетонной смеси и удалением цементной пленки и поверхностного слоя бетона, а также облегчения процесса очистки рабочего шва используют замедлители твердения, например, сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ). Раствор СДБ 15-20%-ной концентрации наносится на поверхность уложенного бетона краскораспылителем. Удаление ослабленного поверхностного слоя может проводиться как приводными щетками, так и под напором струи воды до полного отделения незатвердевшего слоя и удаления желтых пятен от СДБ. К недостаткам этого способа можно отнести:
-обработку поверхности можно начинать не раньше, чем через сутки после укладки бетона; верхний предел времени обработки зависит от температуры воздуха и колеблется от двух до четырех суток;
-необходимо очень внимательно следить за тем, чтобы не снизить прочность основного бетона;
-применение замедлителей твердения недопустимо при проведении бетонирования не только в зимний, но даже в весенне-осенний период.

6. Для повышения прочности сцепления (прочности стыка) непосредственно перед укладкой нового бетона на поверхность затвердевшего бетона наносят клеевые составы или грунтовки. При использовании полимерных клеев можно добиться прочности стыка существенно большей, чем прочность стыкуемых бетонов.

Недостатком этого способа является то, что в силу высокой плотности и практическим отсутствием пористости цементной пленки, клеевые составы или грунтовки не пропитывают последнюю и, образуя сами только поверхностную пленку, действительно увеличивают адгезию нового бетона, но практически не увеличивают прочности стыка.

Химическое фрезерование поверхности рабочих швов материалами "НПФ "СТРОЙМОСТ".

Исследования сцепления нового бетона со старым проведенные в нашей стране и за рубежом показали на необходимость удаления с поверхности затвердевшего бетона пористого слоя растворной части вместе с цементной пленкой. Установлено, что эта пленка образуется при взаимодействии минералов цемента с содержащейся в воздухе углекислотой (СО2) и считается, что ее толщина составляет 20-30 мкм. Однако, это ошибочное представление, так как рабочий шов – это не пленочное, а плотное объемное карбонатное образование, заполняющее поры бетона на значительную глубину.
Низкий технический уровень существующих способов подготовки поверхности рабочих швов, высокие энергоемкость и экономические затраты определили поиск новых путей решения проблемы ”холодного шва”.

В результате проведенных исследований автором настоящей статьи разработаны рецептуры материалов, организовано их серийное производство и ООО "НПФ ”СТРОЙМОСТ” внедрен в отечественное строительство новый способ удаления цементной пленки - способ химического фрезерования. Причем, этот способ одинаково эффективен для удаления цементной пленки с поверхности как нового, так и старого бетона.

Способ химического фрезерования основан на последовательной обработке кистью, валиком или распылителем поверхности бетона составами на водной основе по ТУ 2383-003-97320390-06, изготовленных из сложных полифункциональных кислот и оснований (без использования полимеров): кислотным очистителем ”СТРОЙМОСТ ”ХИМФРЕЗ Очиститель” и щелочным адгезионным активатором (промоутером адгезии) - ”СТРОЙМОСТ ”ХИМФРЕЗ Активатор”.

Составы не содержат соляной, уксусной, лимонной, ортофосфорной кислот и веществ разрушающих бетон.

Составы не имеют запаха, не оказывают вредного воздействия на человека и окружающую среду, разрешены к применению в строительстве, в том числе предприятий пищевой промышленности, бассейнов и резервуаров с питьевой водой (Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.01.16..238.П.000629.01.07).

"СТРОЙМОСТ "ХИМФРЕЗ Очиститель" растворяет цементную пленку и открывает поры бетона, не вступая с цементным камнем в химическую реакцию и не нарушая его структуру.
"СТРОЙМОСТ "ХИМФРЕЗ Активатор" наносится через ~ 1 ч после очистки, адгезионно активирует очищенную поверхность и повышает прочность сцепления нового слоя, с ранее уложенным.
Нанесение нового слоя бетонной смеси на производить через ~ 1 ч после завершения обработки.

Химическое фрезерование полностью исключает использование ручной механической очистки и машинного фрезерования, песко-, дробе-, гидро- и гидропескоструйной обработки, в том числе в местах, не доступных для этих видов обработки, применения для насечки поверхности бетона алмазного инструмента и перфораторов и в ряде случаев устраняет необходимость монтажа штукатурной сетки.

Способ химического фрезерования позволяет производить эффективное растворение цементной пленки, открытие пор, создание монолита и повышение в 1,5-3 раза прочности сцепления слоев монолитного бетона, цементных, гипсовых и магнезиальных стяжек, гидроизоляционных цементных материалов проникающего (пенетрирующего) действия, цементных, эпоксидных, полиуретановых и акрилатных наливных полов, шовных герметиков, штукатурок, плиточных клеев, внутренней и фасадной облицовки из натурального и искусственного камня.

Способ химического фрезерования бетона не имеет отечественных и зарубежных аналогов и отличается низкой трудоемкостью, высокой производительностью и экономической эффективностью.