Высокопрочный бетон
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
|
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
|
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
|
порошок, суспензия
|
коллоидный
|
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)
|