Высокопрочные и сверхпрочные бетоны: технологии производства и сферы применения
Благодаря своим превосходным свойствам — отличному соотношению прочности к объемной плотности, высокой плотности и долговечности — высокопрочный бетон все чаще используется для решения различных практических задач строительства. В последние годы высокопрочный бетон был включен в нормативные строительные документы Германии и Европы с присвоением класса прочности до C100, что заложило прочную основу для применения подобных бетонов.
С точки зрения современной технологии, производство высокопрочного бетона сегодня не представляет принципиальных трудностей. Тем не менее непременное достижение проектных качеств свежего и затвердевшего бетона, а также выбор технологически и экономически оптимального состава бетона требуют серьезной научной и практической подготовки. Еще в большей степени это относится к производству и применению сверхпрочного бетона — сверхкоррозионностойкого плотного материала, прочность на сжатие которого превышает 150 МПа. В данной статье рассматривается технология изготовления высокопрочных и сверхпрочных бетонов и представляются основные сферы их применения.
Классы прочности и основные принципы производства
Под высокопрочным бетоном мы понимаем плотные бетоны класса прочности выше C55 (данная цифра обозначает характерную прочность на сжатие выдержанного в воде бетонного цилиндра высотой 300 мм и диаметром 150 мм в возрасте 28 дней). В Германии и Европе разработаны стандарты для бетонов класса прочности до C100 [1, 2]. Бетон на легком заполнителе также возможно изготавливать как высокопрочный бетон. Немецкие и европейские нормы предусматривают классы прочности от LC55 до LC80.
Для производства высокопрочного бетона водоцементное отношение (отношение В/Ц) должно быть значительно ниже 0,4, за счет чего уменьшается пористость и повышается прочность матрицы цементного камня. На рисунке 1 показана принципиальная зависимость между пористостью и прочностью на сжатие цементного камня [3]. При минимальном отношении В/Ц и, следовательно, низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора.
Зерна заполнителя должны обладать высокой прочностью и по возможности высоким модулем упругости. Также необходимо очень хорошее сцепление между зернами заполнителя и матрицей цементного камня. В данном случае превосходный результат достигается за счет добавления пуццолановых вяжущих.
Исходные материалы, рецептура и производство
В качестве вяжущих могут употребляться в принципе все стандартные типы цементов. При выборе цемента следует обратить внимание на следующие позиции:
- совместимость цемента и пластификатора;
- водопотребление или тонкость помола;
- характер нарастания прочности и желаемое значение конечной прочности;
- характер выделения тепла в процессе гидратации с учетом размеров строительной конструкции.
Чтобы получить высокую начальную прочность, необходимо использовать портландцемент (CEM I). На практике отлично проявили себя цементы класса CEM I 42,5 R, особенно те, которые отличаются низким содержанием трикальция алюмината (C3A). Как показывает опыт, в случае производства крупногабаритных элементов или при повышенной температуре окружающей среды целесообразно скомбинировать портландцемент и шлакоцемент, заменив также одну часть портландцемента на золу-унос каменного угля. Заполнители должны отвечать требованиям соответствующих норм (в Германии: DIN 4226 4.). Важную роль играют прочность, водопоглощение (форма зерна, гранулометрический состав) и химическая активность (предотвращение щелочных реакций). Чтобы уверенно выйти на прочность выше100 Н/куб. мм, рекомендуется применять мелкий базальтовый, габбровый или гранитный щебень.
Кривая гранулометрического состава должна проходить между эталонными кривыми просеивания A и B в соответствии с нормой DIN 1045-2 [1] и обладать как можно более низким содержанием мелкодисперсных частиц (< 0,125 мм) и мелкозернистого песка (от 0,125 до 0,25 мм). Диаметр самого крупного зерна должен колебаться в пределах от 8 до 16 мм (рис. 2).
В качестве минеральных добавок при производстве высокопрочных бетонов используются: микрокремнезем, зола-унос каменного угля, метакаолин, нанокремнезем (кремневая кислота) и каменная мука (кварцевая и известняковая мука). Микрокремнезем имеет в данном контексте особое значение: сферические частицы микрокремнезема диаметром примерно 0,2 микрометра заполняют пустоты между частицами цемента и усиливают сцепление между зернами заполнителя и цементным камнем за счет разрушения низкопрочных кристаллов портландита (пуццолановая реакция).
Обязательным условием при изготовлении высокопрочных бетонов является использование пластификаторов в качестве химических добавок. В недавнем прошлом особой популярностью пользовались пластификаторы на основе сульфонатов нафталина и меламина (действие осуществляется за счет электростатического отталкивания одинаково заряженных ионов на поверхности частицы, а также за счет уменьшения поверхностного натяжения воды). В последние годы все большее применение находят эфиры поликарбоксилата, которые наряду с вышеназванными эффектами обладают дополнительным преимуществом: структуры макромолекул полимера, которые скапливаются на поверхности частицы, фактически берут на себя функцию распорок. В данном случае речь идет о пространственной (стерической) стабилизации. По сравнению с другими реагентами, даже минимальная доза продуктов на основе эфиров поликарбоксилата обеспечивает адекватное разжижающее действие и продлевает сроки удобоукладываемости бетонной смеси. При этом необходимо учитывать замедление гидратации цемента.
Как правило, эффективность или совместимость пластификатора с цементом и тонкодисперсными компонентами бетонной смеси, а также дозировка испытываются в ходе соответствующих экспертиз.
Состав
Состав смеси для высокопрочных бетонов определяется в соответствии с областью применения и подвергается специальной проверке. В таблице приводятся образцы составов смесей для бетонов класса прочности C70 и C80.
Производство и обеспечение качества
Главной задачей при производстве высокопрочных бетонных смесей является обеспечение достаточной удобоукладываемости бетонной смеси в течение периода, предусмотренного строительной практикой. Для этого необходимы:
- постоянный контроль влажности заполнителей;
- высокая точность дозировки;
- использование смесителей, отличающихся высокой интенсивностью смешивания;
- определение последовательности загрузки компонентов смеси и соответствующей продолжительности смешивания;
- при работе с товарным бетоном необходимо учитывать время, необходимое для транспортировки и укладки бетона, и соотносить его с началом твердения; при необходимости следует добавить замедлитель;
- определение правил дополнительной дозировки пластификатора на строительной площадке.
Удобоукладываемость бетона проверяется в ходе соответствующих испытаний в реальных условиях (смешивание, транспортировка, укладка, последующий уход за бетоном). Для высокопрочных бетонов в особенности рекомендуются высокоподвижные смеси (осадка конуса с применением шокового воздействия 50... 65 см), поскольку они легко поддаются перекачке бетононасосом.
Уход оказывает значительное влияние на качество бетона. Предпочтение следует отдавать влажностной обработке. В условиях высоких требований к непроницаемости и долговечности элементов конструкции продолжительность ухода должна составлять не менее трех дней.
Чтобы избежать ошибок при производстве, укладке и уходе за бетоном, необходимо составить план контроля качества (ср. DIN 10452 [1], приложение H), который включает:
- контроль со стороны производителя бетона (выработка требований к исходным материалам, техническому оборудованию, характеристикам бетонной смеси и затвердевшего бетона; разработка заданных параметров и допустимых отклонений);
- контроль со стороны потребителя бетона;
- действия в случае недопустимых отклонений от требований (например, отказ от приема бетона);
- определение ответственных лиц.
Процесс затвердевания бетона, аутогенная усадка
Благодаря относительно высокому содержанию цемента, использованию микрокремнезема и низкому водоцементному отношению высокопрочные бетоны при затвердевании развивают следующие качества (в сравнении с традиционными бетонами):
- более быстрое нарастание температуры в строительной конструкции;
- повышенная скорость потребления и связывания воды в процессе гидратации;
- ускоренное нарастание прочности в первые дни.
Недостатком подобных бетонов по сравнению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка. Понятием «аутогенная усадка» мы обозначаем изменение объема, которое под влиянием изотермических условий происходит в бетонном образце, помещенном в герметичное пространство. Она является результатом химической усадки и, в общих чертах, ассоциируется с «внутренним высыханием» цементного камня (при отношении В/Ц ниже 0,4 содержание воды недостаточно для обеспечения полноценной гидратации цемента). Аутогенная усадка уже впервые дни после бетонирования может привести к возникновению сильного напряжения на растяжение и, следовательно, к трещинообразованию. В отличие от сухой усадки аутогенную усадку невозможно уменьшить путем внешнего ухода за бетоном.
Наиболее эффективным средством борьбы с трещинообразованием в высокопрочных бетонах, вызванным аутогенной усадкой, является внутренний уход путем введения равномерно распределенных по всему объему бетона микровключений, содержащих свободную воду. Перспективным представляется использование полимеров (SAP), обладающих высокой абсорбирующей способностью и играющих роль накопителей. Полимеры SAP добавляются в бетон в виде порошка и в процессе перемешивания поглощают воду, образуя, таким образом, микроскопические водяные поры.
Впервые полимеры SAP были применены для внутреннего ухода в 2006 г. при возведении павильона FIFA к чемпионату мира в Кайзерслаутерне. Сооружение представляет собой филигранную конструкцию из самоуплотняющегося армированного фиброй бетона с прочностью на сжатие цилиндра 145 [6]. На рисунке 3 показаны графические изображения аутогенных усадочных деформаций с момента окончательного схватывания бетона с добавлением SAP и без него. Внутренний уход позволил значительно сократить аутогенную усадку, не оказав при этом негативного воздействия на удобоукладываемость бетона (осадка конуса — 780 мм), а также его прочность на сжатие и на изгиб.
Механические свойства
Высокопрочные бетоны значительно быстрее набирают прочность, чем традиционные бетоны. Причиной этому служит низкое водоцементное отношение, а также более активное выделение тепла вследствие быстрой гидратации и высокого содержания цемента. Нарастание прочности на растяжение и модуля упругости по времени происходит еще быстрее, чем рост прочности на сжатие. Соответственно повышению класса прочности бетона на сжатие уменьшается прирост прочности бетона на растяжение.
Высокопрочные бетоны отличаются большей хрупкостью по сравнению с традиционными бетонами [7], что обусловлено их более гомогенной структурой в отличие от бетонов обычной прочности. Трещины быстро распространяются по всей структуре, что приводит к образованию плоскостных изломов и к растрескиванию зерен заполнителя.
Процессы, которые с течением времени вызывают деформации бетонов обычной прочности, как правило, также характерны для высокопрочных бетонов, однако с некоторыми отличиями:
- уменьшение деформации ползучести;
- уменьшение влияния толщины строительной конструкции и относительной влажности воздуха окружающей среды;
- сокращение сухой усадки (за счет выделения влаги в окружающую среду);
- увеличение аутогенной усадки вследствие внутреннего высыхания.
В опубликованном докладе Международной федерации по бетону fib освещается текущее положение дел в области исследований механических характеристик высокопрочного бетона.
Долговечность
Благодаря малому объему капиллярных пор скорость проникновения жидких и газообразных веществ в высокопрочный бетон значительно ниже аналогичных показателей бетонов обычной прочности. Следовательно, от подобных бетонов мы можем ожидать как значительно более низких темпов проникновения агрессивных сред (что является преимуществом с точки зрения коррозионной защиты арматуры), так и более высокой устойчивости к химическому воздействию, среди прочего, антигололедных реагентов (технической соли), а также при износе.
При оценке долговечности высокопрочных бетонов прогнозирование образования трещин, возникающих на поверхности бетона или в матрице вследствие, например, аутогенной усадки, до сих пор представляется проблематичным.
Судить о подобных трещинах мы можем, например, по измерениям проницаемости кромочных зон бетона. При определении глубины карбонизации высокопрочных бетонов максимальный уровень карбонизации также зафиксирован в зонах трещинообразования.
При пожаре высокопрочные бетоны в отличие от бетонов обычной прочности значительно теряют в прочности уже при температуре ниже 300 0C. Если конструкции из высокопрочного бетона усилены стальной арматурой, период огнестойкости определяется, в основном, началом откалывания бетонного слоя поверх арматуры.
С увеличением плотности цементной матрицы затрудняется процесс выхода водяного пара, возникшего в результате нагревания. Из-за высокого внутреннего давления увеличивается опасность взрывоподобного скалывания бетонного слоя. Данную проблему можно решить путем добавления полипропиленовой фибры, которая при температурах около 150–170 0C начинает плавиться, образуя каналы, благодаря которым давление пара понижается.
Сверхпрочные бетоны
Интересной разработкой является так называемый сверхэффективный бетон (UHPC = Ultra High Performance Concrete), прочность которого колеблется в пределах 150 МПа и 250 МПа.
Данный бетон позволяет создавать конструкции и сооружения, отличающиеся одновременно как высокой несущей способностью, так и тонкостью контуров и долговечностью. Помимо правил производства высокопрочных бетонов для изготовления UHPC были разработаны следующие технологические требования:
- дальнейшее сокращение водоцементного отношения до В/Ц = 0,2;
- непременное использование микрокремнезема и пластификатора;
- оптимизация плотности упаковки зерен заполнителя вплоть до нановеличин;
- ограничение максимального размера крупнейших зерен до 8 мм, как правило,
до 2 мм;
- использование заполнителей из горных пород повышенной прочности;
- в некоторых случаях затвердевание в условиях повышенного давления (примерно до 500 бар) и повышенной температуры (до 250 0C).
С целью сокращения взрывоопасного скалывания материала и повышения его прочности на растяжение или на изгиб добавляют, как правило, от 1,5 до 2,5% от объема мелкой стальной фибры. Обзор данной новой технологии вы можете найти, например, в сборнике [8].
Сферы применения
Применение высокопрочных бетонов предлагает следующие преимущества:
- уменьшение габаритов опалубки для колонн, балок и стеновых элементов;
- уменьшение строительной толщины или увеличение несущей способности конструкций, работающих на изгиб;
- создание более изящных контуров при увеличении длины пролетов конструкций, работающих на изгиб (большепролетные мосты);
- одинаковые размеры опалубки в условиях заводского производства колонн, рассчитанных на различную нагрузку, или для производства колонн для всех этажей при монолитном строительстве (высокопрочный бетон на нижних этажах);
- сокращение расхода бетона и арматуры и, соответственно, транспортировочной и монтажной массы, более высокая начальная прочность, более ранняя распалубка и предварительное обжатие, что обеспечивает возможность более ранней эксплуатации элемента;
- более высокая плотность, водо- и газонепроницаемость за счет низкого содержания капиллярных пор;
- более высокая износостойкость;
- повышенная коррозионная защита арматуры за счет чрезвычайно медленного распространения карбонизации;
- повышенная стойкость к химически активным веществам.
До сих пор основными областями применения высокопрочных бетонов являлись:
- высотное строительство, возведение мостов;
- непроницаемые для жидкостей резервуары/поверхности в установках для хранения, дозирования и транспортировки экологически опасных жидкостей;
- облицовка водоочистных установок;
- промышленные напольные покрытия;
- бетон для несгораемых сейфов.
На фото в качестве примера из области мостостроения представлен виадук Мийо во Франции с крайне высокими опорами из высокопрочного бетона.
Литература
1. DIN 1045-2 Norm, 2001-07.Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton-Teil 2: Beton; Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformitt; Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1. Beuth Verlag, Berlin.
2. DIN EN 206-1 Norm, 2001-07.Beton-Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformitt. Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Beuth Verlag, Berlin.
3. Roy D. M., Gouda G. R.: Optimization of Strength in Cement Pastes. Cement and Concrete Research Vol. 5 (1975) No. 2, S. 153–162.
4. DIN EN 12620 Norm, 2003-04. Gesteinskrnung fr Beton. Beuth Verlag, Berlin.
5. Konig G., Tue N. V., Zink M.: Hochleistungsbeton — Bemessung, Herstellung und Anwendung. Ernst &Sohn, Berlin, 2001.
6. Mechtcherine V., Dudziak L., Schulze J., Stahr H.: Internal curing by Super Absorbent Polymers — Effects on material properties of self-compacting fibre-reinforced high performance concrete. International RILEM Conference on Volume Changes of Hardening Concrete: Testing and Mitigation, O. M. Jensen et al. (eds.), RILEM Proceedings PRO 52, RILEM Publications S.A.R.L., pp. 87–96, 2006.
7. Mechtcherine V., Muller H. S.: Fracture behaviour of High Performance Concrete. Finite Elements in Civil Engineering Applications, M.A.N. Hendriks & J.G. Rots (eds.), Balkema Publishers, Lisse, The Netherlands, pp. 35–44, 2002.
8. Schmidt M., Fehling E., Geisenhanslake C. (eds.): Ultra High Performance Concrete (UHPC) — Proceedings of the 1st International Symposium on Ultra High Performance Concrete; Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Universitat Kassel, Heft 3, 2004.
| Автор: В. Мещерин Дата: 18.11.2008 Журнал Стройпрофиль 8-08 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |