Высокопрочный бетон

1 стр. из 1

Данная статья имеет целью ознакомить читателей с некоторыми аспектами применения высокопрочных бетонов (ВБ) при строительстве объектов в странах ЕС, а также с некоторыми положениями европейских норм (DIN EN 206) для ВБ.

Современное массовое строительство в России, строительство высотных зданий, мостов, дорог, туннелей, очистных сооружений потребует применения в больших объемах строительных материалов, в наибольшей степени подходящих по своим технико-экономическим показателям. В целом ряде случаев таким материалом может быть ВБ. Высокая механическая прочность, газо- и водонепроницаемость, коррозионная стойкость и стойкость к воздействию агрессивной среды, истиранию ставят этот материал в целом ряде случаев вне конкуренции при сравнении с традиционными строительными материалами.

Определение и краткая история высокопрочного бетона

Сегодня в странах ЕС к высокопрочным принято относить бетоны с прочностью на сжатие от 60 до 130 МПа. Для таких бетонов разработаны нормы и правила, изложенные в вышеупомянутых нормах. Уменьшив размер зерен заполнителя до 600 мкм и менее и понизив В/Ц отношение до 0,15, можно достичь прочности бетона значительно выше 200 МПа. В таком случае говорят о ультравысокопрочных бетонах (UHPS), которые в данной статье не рассматриваются.

Стремление получить бетон с возможно более высокой прочностью присуще строительной науке с момента ее основания. Но впервые термин «высокопрочный бетон» был введен в 1929 г. в Америке, где для высотного строительства исследовались новые составы бетонов и где в лабораторных условиях еще в 30-е годы были получены бетоны, прочность на сжатие которых достигала 130 МПа. В Европе, в частности в ФРГ, первые высокопрочные бетоны были получены в 40-е годы, опять же в лабораторных условиях. И если в 1966 г. была достигнута прочность 140 МПа в лаборатории, то в 1988 г. уже в промышленных условиях производились тюбинги из бетона В85.

Первые высокопрочные бетоны получали, применяя жесткие смеси, особые способы уплотнения, автоклавное твердение. Поскольку было установлено, что в бетоне самым слабым элементом является цементный камень, прочность которого напрямую зависит от водоцементного отношения, то понизить это отношение сколько возможно представлялось вполне естественным стремлением. При В/Ц=0,4 можно исходить из того, что вся вода будет вовлечена в реакцию гидратации цемента, что воспрепятствует образованию капиллярных пор в цементном камне. При дальнейшем понижении В/Ц отношения не вступивший в реакцию «излишний» цемент служит высокопрочным микрозернистым наполнителем, что еще больше повышает прочность бетона. Однако такая «полусухая» смесь в условиях стройплощадки не поддается обработке, и, чтобы повысить удобоукладываемость смеси, приходится добавлять «лишнюю» воду.

Два решающих фактора привели к применению в 70-е годы ВБ в строительстве. Во-первых, это открытие в Японии и ФРГ того явления, что при добавлении в бетонную смесь органических соединений на основе нафталинформальдегида или меламинформальдегида значительно повышают ее подвижность. Во-вторых, была открыта кремнеземная пыль (микрокремнезем) как добавка в бетон. Частички этой пыли, имея размер в 30–100 раз меньший, чем у зерен цемента, заполняют пространство между этими зернами. Этим достигается высокая плотность цементного камня и контактной зоны. К тому же кремнеземная пыль вступает в пуццолановую реакцию с окисью кальция, которая имеет невысокую механическую прочность. Получаемые в результате реакции кальциясиликатогидраты дополнительно повышают прочность цементного камня.

В последнее время открыты новые высокоэффективные синтетические пластификаторы, а наряду с кремнеземной пылью широко применяется зола-унос и доменные шлаки. Разработанные на сегодняшний день составы позволяют понизить В/Ц отношение до 0,3–0,25 и получать в промышленных условиях бетоны прочностью на сжатие свыше 140 МПа. Накопленный опыт применения ВБ в строительстве позволил странам ЕС создать нормативную базу для производства и применения бетонов прочностью на сжатие до 130 МПа.

Технология. Общие положения

Обычные нормальные бетоны можно рассматривать как трехкомпонентный строительный материал, состоящий из цемента, воды и заполнителя. Важнейшими характеристиками бетона являются прочность на сжатие, прочность на растяжение и модуль упругости Е. Эти характеристики должны быть целенаправленны и наверняка достигнуты. Также к бетону могут быть предъявлены повышенные требования по водо- и газонепроницаемости, стойкости к агрессивной среде, морозостойкости и стойкости к истиранию.

ВБ является дальнейшим эмпирически обоснованным развитием нормальных бетонов. Для применения ВБ в странах ЕС установлены практические правила, позволяющие использовать эти бетоны при строительстве высотных зданий, мостов, дорог, буровых платформ и пр. Чтобы достичь в промышленных условиях высоких характеристик бетона, необходимо применение:
а) наполнителей — кремнеземной пыли (микрокремнезема), золы-уноса, металлургических шлаков, метакоалина;
б) пластификаторов, которые позволили бы понизить В/Ц отношение, сохранив при этом необходимую подвижность смеси.
Таким образом, в противоположность нормальным бетонам ВБ можно рассматривать как пятикомпонентную систему, состоящую из цемента, воды, заполнителя, наполнителей, пластификаторов.

Для придания ВБ особых свойств могут применяться дополнительные компоненты, например, замедлители/ускорители твердения, порообразователи и т. д.

Исходные материалы

На характеристики ВБ влияют следующие факторы:
 - количество и качество исходных материалов — цемента, заполнителей, наполнителей и воды;
 - способ приготовления смеси;
 - условия окружающей среды;
 - условия твердения бетона;
 - воздействие субъективных факторов (опыт и интуиция людей).

При этом практика показала, что при продвижении в экстремальные области науки о бетоне некоторые известные из применения нормальных бетонов зависимости меняются, теряя или же, напротив, приобретая в значении.

Цемент

От применяемых цементов напрямую зависят важнейшие характеристики бетона — прочность, удобоукладываемость при низких В/Ц отношениях, усадка или деформация под длительной нагрузкой. Важнейшими характеристиками используемых в ВБ цементов являются:
 - минералогический состав клинкера;
 - размер и соотношение зерен цемента.

Большинство обычных цементов могут быть использованы при производстве ВБ. Это могут быть как портландцементы, так и шлакопортландцементы или пуццолановые цементы. Однако в большинстве случаев применяются портландцементы ввиду высокой ранней и 28-суточной прочности ВБ на их основе. При этом важно заметить, что нормативная прочность цемента, установленная при В/Ц=0,5, не играет определяющей роли для прочности бетона при низких В/Ц отношениях. Критерием выбора тех или иных цементов, выпускаемых по европейским нормам, могут быть их следующие особенности в сравнении с наиболее часто применяемым СЕМI 42,5R (аналог ПЦ 500Д20).

CEMI 32,5R — прочность до В95, грубый помол позволяет достигать меньшего В/Ц отношения, при одинаковой консистенции смеси и меньшем В/Ц отношении достигается сравнимая 28-дневная прочность.

CEMI 52,5R, CEMI 52,5 — тонкий помол требует большого расхода пластификаторов, при низком В/Ц отношении трудно или невозможно достичь требуемой для укладки смеси консистенции, при одинаковых В/Ц отношении и консистенции смеси несколько большая 28-суточная прочность, меньшая живучесть смеси, высокая ранняя прочность, большее тепловыделение при твердении, большие усадочные деформации, отсутствует нарастание прочности после 28 суток твердения бетона.

СЕМIII 32,5 и СЕМIII42,5 — низкая ранняя и 28-суточная прочность, нарастание прочности после 28 суток твердения, от 90 до 360 суток твердения возможно достижение сравнимой с 28-суточной прочности, незначительное тепловыделение при твердении, более долгая живучесть смеси, меньшая усадка, незначительный опыт применения таких цементов при использовании ВБ в строительстве.

(CEMI — портландцемент, CEMII — композиционный портландцемент, CEMIII — шлакопортландцемент; цифра означает прочность в МПа, буква R — быстросхватывающийся.)

Важно обратить внимание, что цементы одного вида и класса прочности, но различные по минералогическому составу клинкера и процентному соотношению размера зерен, могут давать в ВБ при низких В/Ц отношениях различные результаты.
В большинстве случаев в странах ЕС для приготовления ВБ используют портландцемент марки СЕМI 42,5R. Чтобы уменьшить тепловыделение при твердении ВБ и связанные с этим усадку, образование трещин, отшелушивание поверхностного слоя, применяют, особенно в жаркий период, смесь из портланд- и шлакопортландцемента. Хороший результат дает также замена части цемента молотыми шлаками или золой-уносом. Расход цемента для приготовления ВБ лежит обычно в пределах 380–450 кг/куб. м.

Заполнители

С возрастанием прочности бетона механические свойства заполнителей играют все возрастающую роль. Также нужно принимать во внимание форму и размер зерен, количественное соотношение содержания зерен разного размера, а также химическое взаимодействие между заполнителем и цементной матрицей. И если в нормальных бетонах заполнитель играет роль лишь инертного материала, то в ВБ качества и свойства заполнителей вносят значительный вклад в достижение бетоном возможной прочности.

В ФРГ качества и свойства заполнителей для ВБ определяются DIN 1045-2. При этом содержание зерен песка менее 0,125 до 0,25 мм должно быть как можно низким (до 3%), 0,25–2 мм лежит в пределах 21–36%, остаток заполнителя — речная галька крупностью до 16 или 8 мм соответственно. Верхняя граница зерен заполнителя в 8 или 16 мм определена с тем, чтобы могла быть достигнута возможно большая плотность наполнения тела бетона и снижены внутренние напряжения, вызванные неоднородностью структуры. В отдельных, редких случаях может быть установлена верхняя граница размера зерен заполнителя в 32 мм.

Для достижения бетоном прочности свыше 100 МПа требуется в качестве заполнителя щебень базальтовых, габбро- или гранитных пород. В ФРГ для бетонов С90/105 и С110/115 используется в основном базальтовый щебень.

Вода

Количество воды для затворения бетона складывается из содержания влаги заполнителя, наполнителя и добавленной воды. Для того чтобы достичь намеченного в/ц отношения, нужно следить за количеством воды, привнесенной заполнителем и (возможно) наполнителем, а также принимать во внимание водопоглощение всех компонентов бетона. Для защиты арматуры от коррозии следует обращать особое внимание на содержание хлоридов в воде.

Наполнители

В качестве наполнителей для ВБ до сегодняшнего дня применялись микрокремнезем в виде пыли или водной суспензии состава 1:1, зола-унос, метакоалин.

В некоторых случаях применяется кварцевая или известковая мука, чтобы повысить плотность наполнения бетона. Добавление этих наполнителей в бетон вызывает следующие эффекты, ведущие к увеличению прочности и улучшению свойств бетона:
 - уменьшение порообразования в цементном камне (благодаря своим микроразмерам зерна наполнителя проникают в пространство между зернами частично не вступившего в реакцию цемента и значительно повышают плотность цементного камня);
 - образование дополнительных кальция-силикатогидратов как первичных носителей прочности цементного камня посредством пуццолановой реакции;
 - упрочнение контактной зоны между цементным камнем и заполнителем вследствие уменьшения количества и размеров пор и образования дополнительно кальция-силикатогидратов в этой зоне.

Зола-унос

Зола-унос (з-у) образуется при сжигании каменного угля и улавливается из дыма электрофильтрами. Она представляет собой частички тонкой стекловидной пыли с удельной поверхностью от 3 000 кв. см/г. По химическому составу з-у сравнима с натуральными пуццоланами. Благодаря пуццолановым свойствам з-у используется многие годы при производстве бетонов нормальной прочности, особенно для массивных деталей, с целью уменьшения теплообразования при твердении. При приготовлении ВБ накоплен также значительный положительный опыт применения з-у.

Микрокремнезем

Микрокремнезем (мк) — аморфный кремнезем (белая сажа силикатный дым) — образуется как побочный продукт при производстве ферросилиция и осаждается на рукавах электрофильтров. Большую часть мк образуют частички аморфной двуокиси кремния почти идеальной круглой формы средним размером около 0,1 мкм и удельной поверхностью 16–22 кв. м/г.

В ФРГ в качестве наполнителя применяют в основном мк. Согласно действующим нормам, количество мк не должно превышать 10% от массы цемента. Но даже 2% от массы цемента достаточно, чтобы значительно увеличить прочность и улучшить свойства бетона.

Хороший результат дает совместное использование в качестве наполнителя мк и з-у. Вследствие различия в размерах частичек мк и з-у достигается более плотная структура бетона, что особенно благотворно влияет на стойкость бетона к агрессивному воздействию среды. Второй благоприятный эффект — это пониженное теплообразование при твердении бетона, особенно если часть цемента заменить золой-уносом. При этом количество з-у не должно превышать 25% от массы цемента (в случае применения шлакопортландцемента — 8%).

Общее количество вяжущего в бетоне в случае совместного применения мк и з-у можно определить по формуле:
Вс=ц+мк+0,4 з-у,
где: Вс — расчетное количество вяжущего в 1 куб. м смеси; ц — количество цемента; мк — количество микрокремнезема (не более 10%ц); з-у — количество золы-уноса (не более 25%ц).

В этом случае В/Ц отношение будет называться модифицированным и определяться по формуле:
В/Ц=(В+Вмк+Вн+Вз):Вс,
где: В/Ц — модифицированное водоцементное отношение; В — количество воды в 1 куб. м смеси; Вмк — количество воды в микрокремнеземной суспензии; Вн — количество воды в наполнителе; Вз — количество воды в заполнителе вследствие влажности.

Метакоалин

Метакоалин (мтк) получают спеканием при температуре 450–800 0С содержащих коалин естественных минералов. По сравнению с микрокремнеземом мтк проявляет вдвое большее пуццолановое действие.

В зависимости от помола размер частиц мтк лежит в области между мк и цементом.

Наносиликат

Наносиликат (нс) — это синтетически произведенная кремневая кислота. Содержание SiO2 достигает 100%. По пуццолановому эффекту нс сравним с микрокремнеземом. До сегодняшнего дня нс применялся преимущественно как основа для производства стабилизаторов.

Основные характеристики наполнителей приведены в таблице:

Содержание
окислов

Микрокремнезем

Наносиликат

Метакаолин

Зола-унос

SiO2, %

91–97

100

51–55

40–60

Al2O3, %

1,0–1,4

40–42

23–24

Fe2O3, %

0,2–1,2

0,5–4,6

2–16

CaO, %

0,2–0,4

0,1–0,34

0,6–8,5

Средний размер
частиц, мкм

ок. 0,1

ок. 0,015

1,3

10–20

Удельная поверхность, кв. м/г

18–22

180–230

10–16,8

0,3–0,8

Агрегатное
состояние

порошок, суспензия

коллоидный
раствор, порошок

порошок

порошок

Класс бетона

В65

В75

В75

В85

В85

В95

В115

Содержание цемента СЕМI 42,5R (кг/куб. м)

420

340

420

Содержание цемента СЕМI 52,5R (кг/куб. м)

450

450

Содержание цемента СЕМIII 42,5 (кг/куб. м)

380

450

Микрокремнезем (кг/куб. м)

30

30

40

40

45

45

Зола-унос (кг/куб. м)

80

100

Вода (кг/куб. м)

125

123

125

135

112

126

119

Пластификаторы (кг/куб. м)

13

13

13

13

17

18

23

Замедлители (кг/куб. м)

1,5

2

Песок 0/2 (кг/куб. м)

650

640

630

630

620

660

830

Пескогравий 2/8 (кг/куб. м)

420

410

410

405

400

355

Речная галька 8/16 (кг/куб. м)

790

880

770

765

725

Щебень 2/8 (кг/куб. м)

480

Щебень 8/16 (кг/куб. м)

760

770

Модифицированное В/Ц отношение

0,32

0,35

0,32

0,32

0,27

0,28

0,26

Удельная плотность смеси (кг/куб. дм)

2,41

2,39

2,40

2,41

2,40

2,41

2,48

Прочность на сжатие 1 сут (МПа)

30

35

30

40

35

60

65

Прочность на сжатие 7 сут (МПа)

60

75

70

80

75

100

115

Прочность на сжатие 28 сут (МПа)

80

90

90

100

100

125

135

Прочность на сжатие 56 сут (МПа)

85

95

100

110

115

130

140

 

Пластификаторы

Приготовление и применение ВБ в промышленных масштабах стало возможным только после появления высокоэффективных пластификаторов. Воздействие последних на свойства бетонной смеси основано на следующих эффектах:
 - диспергирующее воздействие на пылевидные частицы смеси, воспрепятствование образованию хлопьев;
 - понижение поверхностного напряжения воды;
 - образование электростатических сил отталкивания между частицами смеси;
 - образование пленки скольжения между частицами смеси;
 - препятствование скорой поверхностной гидратации цемента, отчего остается больше воды для разжижения смеси.

Сегодня в странах ЕС применяются преимущественно пластификаторы на основе лигнинсульфината (лсф), нафталинсульфината (нсф) и меламинсульфината (мсф).

Последние годы все большее применение как пластификаторы находят поликарбонаты (пк) и поликарбоксилаты (пко), чьи молекулы образованы из длинных главных цепей и электрически нейтральных боковых. Эти цепи подвижны и охватывают частички цемента столь эффективно, что нейтрализуют силы сцепления между ними.

В противоположность прежним, пластификаторы нового поколения имеют гораздо большую эффективность действия и к тому же существенно увеличивают живучесть смеси. При этом расход таких пластификаторов существенно ниже или сравним с прежними.

Порообразователи

Добавление порообразователей позволяет значительно облегчить укладку и уплотнение смеси. Но при этом надо брать в расчет, что это ведет к снижению прочности примерно на 5% и значительно снижает морозостойкость.

Замедлители твердения

Замедлители твердения применяют в основном при бетонировании массивных деталей (мосты и фундаменты) и в жаркое время года, т. к. они значительно снижают тепловыделение при твердении бетона. К тому же вследствие замедления второй фазы гидратации цемента повышается конечная прочность бетона.

Состав и рецептура ВБ

Новые составы ВБ были разработаны на основе уже состоявшихся рецептур. В нижеприведенной таблице даны некоторые составы ВБ, которые хорошо зарекомендовали себя на практике при строительстве различных объектов в странах ЕС. При этом не следует забывать, что данные рецептуры могут служить лишь отправной точкой для разработки составов и рецептур ВБ для каждого конкретного случая.

Дата: 30.11.2007
И. Н. Зайцев
"СтройПРОФИль" 8 (62)
1 стр. из 1


«« назад

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!