В статье рассматриваются причины образования дефекта mattressing (расслоения). Он проявляется в форме системы сквозных складок в защитном слое бетона, возникающих при укладке бетонной смеси методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) в буронабивных сваях и стенах в грунте.
На основе экспериментального моделирования в масштабе 1:6 и численного анализа доказано, что ключевым фактором образования дефекта является не вязкость опорной жидкости по Маршу, а её реологическое поведение при низких скоростях сдвига, в частности предел текучести. Показано, что применение полимерных растворов с нулевым пределом текучести практически исключает риск расслоения даже при высокой вязкости по Маршу.
Основные положения
Метод ВПТ предполагает вытеснение опорной жидкости (бентонитового или полимерного раствора) бетонной смесью, подаваемой через вертикально поднимаемую трубу.
Несмотря на строгие требования к удобоукладываемости (Slump Flow 400–550 мм) и стабильности смеси, на практике фиксируется скрытый дефект — вертикальные каналы по всей толщине защитного слоя от арматуры до наружной поверхности конструкции. Они открывают доступ агрессивной среды к арматуре, провоцируя ускоренную коррозию, при этом не выявляется методами неразрушающего контроля.
Схема метода вертикально перемещаемых труб (Tremie)
Ранее отмечалось (Bowen, 2013; Mullins et al., 2005), что дефект воспроизводится только при использовании бентонитового раствора с вязкостью по Маршу (MF) выше определённого порога, тогда как полимерный раствор с той же MF дефекта не вызывает. Это противоречие указывало, что истинная причина кроется не в показателе MF, а в фундаментальных реологических характеристиках жидкости.
Гипотеза исследования (I. Shmeleva, G. Biscontin, 2019): дефект возникает, когда сопротивление опорной среды горизонтальному течению бетона сквозь арматурный каркас становится критическим. Доминирующим параметром сопротивления является напряжение сдвига при низких скоростях деформации (предел текучести), а не вязкость по Маршу.
Методика экспериментов
Испытания проводились на прозрачной гравитационной установке, моделирующей фрагмент сваи в масштабе 1:6 (габариты отсека 50×200×1000 мм). Внутри размещалась горизонтальная арматура (стержни ∅7 мм с шагом 50 мм, защитный слой 25 мм). Бетонная смесь подбиралась для соответствия реологии ВПТ-бетона (максимальная крупность заполнителя 7 мм). Переменными факторами служили:
- Расплыв бетонной смеси (SF = 390, 465, 560 мм);
- Вязкость опорного раствора по Маршу (35, 49/50, 81 с) для бентонитового и полимерного растворов.
Реологические свойства растворов определялись на ротационном реометре Kinexus с высоким разрешением в диапазоне скоростей сдвига 0–1 с⁻¹, характерном для процесса вытеснения раствора при подъёме бетона. Помимо визуальной фиксации характера течения, для количественной оценки применялась покадровая обработка видео с выделением границы бетонной смеси и расчётом соотношения вертикальной и горизонтальной составляющих скорости.
Элементы лабораторной установки
Результаты экспериментов
- Зона образования. Комбинация бентонитового раствора (MF ≈ 50 с) и бетона (SF = 465 мм) вызвала отчётливый дефект с раскрытыми кавернами в защитном слое. При снижении MF бентонита до 35 с (предел текучести 1,1 Па) проблемы не образовывались даже при том же SF бетона. При SF = 390 мм бетон не смог преодолеть сопротивление трубы и раствора, процесс укладки остановился.
- Сравнение бентонита и полимера. Полимерный раствор с MF = 81 с (предел текучести ≈ 0 Па) показал картину течения, близкую к безопорному заполнению: бетон поднимался равномерно, горизонтальная составляющая потока практически отсутствовала, каверны за арматурой не фиксировались.
- Анализ характера обтекания арматуры. В момент «обволакивания» стержня отношение вертикального перемещения верхней части потока к горизонтальному перемещению нижней части составило 3,0 для случая с дефектом (предел текучести 7,7 Па) и 2,0 — для случая без него (предел текучести 1,1 Па). Чем выше предел текучести раствора, тем сильнее поток перераспределяется в вертикальном направлении внутри ядра сваи, не заполняя зону за арматурой.
Связь между пределом прочности и текучестью осадки
Численное моделирование
Для качественной верификации гипотезы выполнено нелинейное конечно-элементное моделирование в RFEM с использованием упруго-пластической модели материалов. При действии радиального давления, имитирующего поток бетона, было рассчитано отношение вертикального (Δ₁) и горизонтального (Δ₂) перемещений границы бетона в зоне контакта с арматурой.
Для аналога эксперимента 3 (предел текучести раствора 7,7 Па) отношение Δ₁/Δ₂ составило 2,0, для аналога эксперимента 4 (1,1 Па) — 1,1. Различие (1,8 раза) качественно совпадает с экспериментально зафиксированным (1,5 раза). Это подтверждает, что сопротивление горизонтальному проникновению бетона в защитную зону определяется прежде всего пределом текучести вытесняемого раствора.
Моделирование процесса формирования дефектов
Обсуждение и практические выводы
Полученная зона опасных сочетаний параметров (бентонит с MF > 49 с и SF бетона 460–500 мм) находится внутри диапазонов, рекомендованных сводом правил EFFC/DFI. Следовательно, простое соблюдение нормативных границ не гарантирует отсутствие дефекта. Ключевым для бентонитовых растворов следует считать контроль предела текучести (напряжения сдвига при низких скоростях), а не косвенного показателя MF.
Для полимерных растворов, у которых предел текучести остаётся близким к нулю в широком диапазоне MF (вплоть до 159 с), риск образования расслоения минимален. В условиях, где допустима замена типа опорной жидкости, переход с бентонита на полимер является эффективным способом предотвращения дефекта.
Ограничения исследования: двухмерный характер потока, отсутствие вертикальной арматуры, неучёт давления столба жидкости и свойств грунта на стенках скважины. Тем не менее установленная физическая взаимосвязь позволяет уточнить требования к входному контролю материалов и заложить основу для корректировки технологических регламентов подводного бетонирования.
Влияние арматурной клетки на рисунок потока
Заключение
Проведённое исследование впервые предоставило экспериментальные и теоретические доказательства механизма формирования расслоений при укладке бетона методом ВПТ.
Установлено, что определяющим фактором является предел текучести поддерживающей суспензии, а не её вязкость по воронке Марша. Результаты имеют непосредственное практическое значение для корректировки отраслевых спецификаций на материалы, применяемые при возведении буронабивных свай и диафрагменных стен, а также для разработки более надёжных критериев качества технологического процесса.
