Публикации »

Состав высокопрочных бетонов для высотного строительства

На протяжении ХХ в. в развитии мегаполисов наблюдалась ярко выраженная тенденция перехода от малоэтажного строительства к высотному. Основными причинами этого были рост населения, удорожание земли и поиск новых, отвечающих духу времени, архитектурных форм.

Высокая стоимость земли и целый ряд технических ограничений привели к преобладанию зданий башенного типа. Как правило, это были здания из стекла и бетона, основой которым служил металлический каркас.

Однако на заре XXI в. опыт обрушения небоскребов в Нью-Йорке (в результате трагических событий 11 сентября) показал, что при всей красоте и продуманности технических решений не обеспечивается безопасность при террористических актах и серьезных пожарах. Дело в том, что металлоконструкции, выгодно отличающиеся от железобетонных конструкций в обычных условиях, при пожаре быстро нагреваются и теряют жесткость. Потеря жесткости и изменение формы отдельных конструкций приводят к недопустимому перераспределению нагрузок и, как следствие, обрушению всего здания.

Переосмысление событий 11 сентября привело к необходимости изменения конструктивной схемы высотных зданий. Теперь в качестве несущей основы все чаще применяются центральное железобетонное ядро и система окружающих его железобетонных колонн. Примером такой конструктивной схемы могут служить башни комплекса «Федерация», который сейчас возводится в Москве.

Комплекс «Федерация» состоит из двух башен. Меньшая башня в 63 этажа, имеющая высоту 242 м, уже практически построена, а большая, в 93 этажа и высотой 354 м, находится в процессе строительства. На фото 1 — меньшая по высоте из двух башен комплекса «Федерация», на фото 4 — типовой этаж этой башни.

Прочностные и эксплуатационные характеристики обычных бетонов не обеспечивают требований к бетонам несущих конструкций высотных зданий. В данном случае нужны более высокие показатели прочности и долговечности. На фото 2 — армирование колонны и ригеля большей по высоте башни комплекса «Федерация». Высокая густота армирования железобетонных конструкций и технологические требования к бетонной смеси, подаваемой бетононасосом на большую высоту, вызывают необходимость использования бетонных смесей с подвижностью не менее Пк 4.

Существенный прорыв в создании российских высокопрочных бетонов стал возможен в середине 90-х годов ХХ в. благодаря разработке д. т. н. С.С. Каприелова (тогда еще к. т. н.) — модифицирующей добавки МБ-01 [1]. Модификатор МБ-01 представляет собой двухкомпонентную гранулированную добавку на основе аморфного микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Кроме этих двух компонентов в составе в мизерном количестве присутствует добавка НТФ, которая позволяет несколько замедлить начало схватывания смеси. В технических условиях и рекламных проспектах об этом не сказано, но при больших объемах поставок можно заказать модификатор, сохраняющий живучесть смеси в течение не 2 час., как обычно, а 4 или 6 час.

Существует четыре марки модификатора МБ-01: МБ 8-01, МБ 10-01, МБ 12-01, МБ 14-01. Первый цифровой индекс соответствует процентному содержанию суперпластификатора С-3. Наиболее широко применяется модификатор серии МБ 10-01. Он на 90% состоит из аморфного микрокремнезема и на 10% из суперпластификатора С-3.

При гидратации портландцемента в обычных условиях в структуре цементного камня образуется до 40% портландита — кристаллической гидроокиси кальция. Портландит представляет собой крупные кристаллы, которые достаточно легко растворяются в воде (1,65 г/л при 20 0С),обладают низкой прочностью и твердостью (2 по шкале Мооса). При пропаривании бетона образуется еще больше портландита.
В условиях автоклава (при высоких давлениях и температурах) портландит вступает с поверхностью кварцевого песка в пуццоланическую реакцию, приводящую к образованию низкоосновных гидросиликатов, обладающих высокой прочностью, химической стойкостью и очень низкой растворимостью. На этом основано производство силикатных бетонов и силикатного кирпича.

В обычных условиях реакция между кварцем и гидроокисью кальция практически не происходит:
Са(ОН)2 + SiO2 + (n–1)H2O == CaOSiO2•nH2O.(1)

Однако существует аморфная разновидность двуокиси кремния, которая способна вступать с гидроокисью кальция в пуццоланическую реакцию при обычных температурах. Эту аморфную разновидность двуокиси кремния называют аморфным (или активным) кремнеземом, либо пуццоланой.

Попытки использования для улучшения качества бетона природных пуццоланов (туфа, диатомитов, трепелов, опоки) привели к разработке пуццоланового и ряда сульфатостойких цементов, но  революционных изменений не вызвали. Дело в том, что реакция шла только на поверхности частиц, и качество цементного камня улучшалось заметно, но не слишком значительно.

Поэтому начиная с 70-х годов прошлого века многие специалисты занялись исследованием возможности использования для модификации бетона искусственных продуктов, содержащих аморфный кремнезем. Исследовалась эффективность применения измельченных шлаков, зол уноса и других порошковых и пылевидных агрегатов, имеющих высокое содержание аморфного кремнезема.

Наиболее эффективной оказалась пыль, оседающая на рукавных фильтрах производств, выплавляющих нержавеющую сталь. Содержание аморфного кремнезема в этой пыли в некоторых случаях доходило до 90%, а размеры частиц находились в пределах от 0,5 до 0,05 мкм. То есть эти частицы на 2–3 порядка мельче, чем частицы цемента.

Первоначально это были отходы ферросплавных производств, которые имели отрицательную стоимость (доплачивали тем, кто их забирал). Однако начиная с 80-х годов материал был переведен в категорию побочного продукта производства и приобрел собственную стоимость, которая с тех пор только возрастает. Сегодня этот продукт называют аморфным (или активным) микрокремнеземом. Другие названия — конденсированный микрокремнезем, белая сажа, силикатный дым.

Широкое применение аморфного микрокремнезема в производстве товарных бетонов и железобетонных изделий получило развитие не сразу, так как имелось несколько затруднений. Первое из них — низкая насыпная плотность — 250 кг/куб.м. «Перевозка воздуха» не является эффективным мероприятием. Второе — пыление при любых операциях по перегрузке и затаривании. Третье — большой расход воды на смачивание материала с очень развитой удельной поверхностью: более 20 кв. м/г против 0,3 кв. м/г у обычного цемента.

В процессе производства добавки МБ-01аморфный микрокремнезем смешивается с суперпластификатором С-3 и переводится в гранулированную форму. Благодаря этому увеличиваются насыпная плотность материала — в среднем до 750 кг/куб. м, и размер частиц — до 0,1 мм. Частицы такого размера уже практически не пылят, а при обращении с добавкой можно использовать технологии, применяемые для цемента.

В чем преимущество МБ-01 перед другими добавками и технологиями? Обычные добавки могут изменить то или иное свойство бетона на несколько процентов, в крайнем случае на несколько десятков процентов. Домол цемента позволяет увеличить прочность бетона в 1,5 раза. Активация бетонной смеси производится электрическим током, полями, разрядами — на 10–20%.

Модификатор МБ-01 позволяет увеличить прочность бетона в 2–2,5 раза, морозостойкость — до 1000 циклов, водонепроницаемость — до марки W 16, а в отдельных случаях даже больше. Бетон с 10% добавкой МБ-01 более сульфатостоек, чем бетон на сульфатостойком портландцементе. Твердение модифицированного бетона в нормальных условиях протекает без резких разогревов, которые могут привести к образованию трещин, а при тепловлажностной обработке требуется меньший расход энергии. Долговечность модифицированного бетона в несколько раз выше, чем у обычного тяжелого бетона.

Существующие до настоящего времени отечественные методики подбора состава не позволяли изготовить товарный бетон с подвижностью Пк 4, имеющий среднюю прочность около 100 МПа (в промышленных объемах).

Дело в том, что гранитный щебень, используемый для бетона, изготавливается из пород, имеющих прочность до 140 МПа. Прочность самого щебня, прошедшего через дробилку и имеющего развитую систему микротрещин, примерно вдвое ниже и, как правило, не превышает 70 МПа. При этом благодаря современным модифицирующим добавкам прочность растворной части можно довести до 120 МПа.

В процессе подбора состава высокопрочного бетона для несущих конструкций комплекса «Федерация» москвичи пошли по следующему пути: при почти максимальном расходе цемента и модифицирующей добавки они резко снизили расход щебня. Коэффициент раздвижки зерен щебня составил около 1,7. Таким образом получился бетон, в котором в основном работает растворная часть, а щебень играет роль «изюма». Составы бетона, используемые при строительстве башен «Федерация» [2], представлены в таблице.

Таблица. Составы высокопрочного бетона, используемые в Москве

Состав бетонной смеси, (кг/куб. м)

 

Осадка конуса (см)

 

В/Ц

 

Плотность смеси (кг/куб. м)

 

Прочность бетона (МПа)

 

цемент

 

модификатор МБ10-01

 

песок

 

щебень

 

вода

 

С-3

 

550

 

110

 

697

 

902

 

152

 

2

 

20

 

0,276

 

2 413

 

102,9

 

550

 

110

 

660

 

930

 

164

 

4

 

27

 

0,298

 

2 436

 

98,7

 

550

 

110

 

650

 

950

 

135

 

-

19

 

0,245

 

2 421

 

92,7

 

Эти составы были блестяще апробированы при строительстве комплекса «Федерация» в Москве, но это не значит, что они не могут быть улучшены и адаптированы к условиям Санкт-Петербурга.

Считается, что в растворах прочность щебня должна превосходить прочность бетона по меньшей мере в 2 раза. По моему мнению, для высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов прочность щебня должна быть по крайней мере не ниже прочности бетона.

Как-то в частной беседе я задал одному из разработчиков московских составов вопрос: почему они не взяли более прочный щебень. Он ответил, что в Москве нет более прочного щебня в требуемых количествах. Поэтому они вынуждены были пойти на сокращение расхода щебня и соответствующее удорожание бетона за счет повышения расхода цемента и модифицирующей добавки.

В Санкт-Петербурге есть более прочный щебень. Это габбро-диабазовый щебень. Стоимость кубометра габбро-диабазового щебня составляет 880 руб., что практически не превышает среднего уровня цен на качественный гранитный щебень. Исследование этого щебня методом дробления в пуансоне показало, что потери массы не превышают 3%.

Для лучшего гранитного щебня аналогичный показатель составляет 12%. Это говорит о том, что прочность исходной породы превышает 200 МПа, а прочность самого щебня, составляющая примерно половину от этой величины, должна быть около 100 МПа, что вполне достаточно для бетона класса В75.

Лабораторные исследования показали, что истинная плотность данного габбро-диабазового щебня составляет 2 960 кг/куб.м. Это несколько превышает предельную величину в 2 800 кг/куб. м, установленную в ГОСТ 26633-91* [3] для тяжелого бетона, но находится в допустимых пределах согласно ГОСТ 8267-93* [4], устанавливающего требования к щебню для тяжелого бетона. Учитывая, что по всем остальным показателям данный щебень удовлетворяет требованиям нормативных документов, а по некоторым качественным характеристикам даже весьма существенно превышает их верхние пределы, можно сделать вывод о целесообразности использования габбро-диабазового щебня в составе высокопрочного бетона.

Предложение о принятии габбро-диабазового щебня в качестве заполнителя бетона для высотного комплекса ОАО «Газпром» было сделано мной в докладе на «круглом столе» [5]. Идея получила одобрение таких известных ученых Санкт-Петербурга, как профессор П. П. Комохов, академик РАСН, д. т. н. (ПГУПС), и профессор Л. М. Колчеданцев, д. т. н. (СПБ ГАСУ).

Заменив в составе московского высокопрочного бетона гранитный щебень на нормальное количество габбро-диабазового и сократив объем цемента и модификатора на 10 %, мы получили на смеси с осадкой конуса 18 см бетон класса В75. Экономический эффект только на компонентах составляет примерно 350 руб./куб.м.При этом плотность бетона, конечно, увеличилась, но осталась в пределах требований к тяжелому бетону.

Известно и многократно подтверждено целым рядом исследователей и расчетных методик, что прочность бетона, твердеющего в нормальных условиях, в возрасте 7 суток составляет примерно 70% от 28-суточной прочности. В данном случае (два независимых эксперимента с разными составами) прочность бетона в возрасте 7 суток оказалась равна 90% от прочности в возрасте 28 суток. Это позволяет сделать вывод о том, что реальная прочность модифицированной растворной части выше, чем прочность габбро-диабазового щебня. Косвенным доказательством этого вывода является характер разрушения бетона: трещины прошли не по контактной зоне, а непосредственно через зерна щебня. Это подтверждает сделанное ранее предположение, что реальная прочность габбро-диабазового щебня составляет около 100 МПа.

Таким образом, теперь в Санкт-Петербурге имеется свой высокопрочный состав, разработанный для высотного комплекса ОАО «Газпром» (высота комплекса будет превышать 300 м), который планируется возвести в устье реки Охта. Состав имеет среднюю прочность 99,5 МПа ( класс по прочности — В 75), подвижность — 18 см (марка по подвижности — Пк 4), а по своим ценовым характеристикам может успешно конкурировать с московскими высокопрочными бетонами.

 

Литература
1. ТУ 5743-049-02495332-96. Модификатор бетона марки МБ-01. Технические условия.
2. С. С. Каприелов, А. В. Шейнфельд, Г. С. Кардумян и др. Опыт возведения уникальных конструкций из модифицированных бетонов на строительстве комплекса «Федерация».//«Промышленное и гражданское строительство», № 8, 2006, с. 20–22.
3. ГОСТ 26633-91*. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.
4. ГОСТ 8267-93*. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.
5. Бетоны: ставка на науку. //«Вестник строительного комплекса», № 4, 2007, с. 19–22.

Автор: М. Н. Ваучский
Дата: 05.06.2007
Журнал Стройпрофиль 4-07
Рубрика: монолитное домостроение. опалубочные системы




«« назад