С.С.Каприелов, А.В.Шейнфельд, Г.С.Кардумян, Ю.А.Киселева, О

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
МАССИВНЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БЕТОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
С.С.Каприелов, А.В.Шейнфельд, Г.С.Кардумян, Ю.А.Киселева, О.В.Пригоженко
ФГУП НИЦ «Строительство» - НИИЖБ, Россия
Аннотация
Впервые в России возведены массивные фундаментные плиты объемом до 14 тыс.м3 методом непрерывного бетонирования из модифицированных бетонов классов В40 и В50,
термическая трещиностойкость которых была обеспечена за счет комплекса мероприятий,
в числе которых – уменьшение энергетического потенциала бетона за счет минимизации
расхода цемента и применение поликомпонентных органоминеральных модификаторов
МБ-С, снижение температуры бетонной смеси, а также равномерное остывание конструкции.
For the first time in Russian history large size up to 14000 m3 foundation slabs are cast using
continuous concreting methods with modified concretes of B40 and B50 classes. Durability of
concrete is secured by the complex of measures, including reduction of energetic potency of
concrete due to minimization of cement consumption and application of polycomponent organomineral modifiers MB-C, reduction of concrete mixture temperature and uniform cooling of
the foundation structure.
Тенденция массового применения в мировой строительной практике бетонов с высокими
эксплуатационными и технологическими свойствами, которые принято обозначать термином High Performance Concrete (HPC), становится очевидной и необратимой. Вызвана она
возрастающей потребностью общества в уникальных и надежных инженерных сооружениях, которая подкреплена состоявшимися в последние четверть века значительными достижениями строительной науки и технологии, позволившими, по-существу, модифицировать традиционный бетон, придав ему ряд явных преимуществ.
Для таких бетонов характерны высокая и сверхвысокая прочность, низкая проницаемость,
повышенная коррозионная стойкость и долговечность, улучшенные деформационные характеристики и пониженная экзотермия. Важной особенностью является то, что указанные свойства достигаются с применением высокоподвижных, а иногда и самоуплотняющихся смесей.
В России, на существующей базе стройиндустрии с использованием рядовых цементов и
заполнителей далеко не идеального качества, благодаря появлению принципиально новых
поликомпонентных добавок для бетонов - органоминеральных модификаторов МБ-01,
МБ-С и Эмбэлит, оказалось возможным в массовых объемах возводить конструкции из
НРС [1, 2, 3].
За последние 10 лет с использованием указанных модификаторов произведено около 1500
тыс. м3 бетонов, из которых: около 50 тыс. м3 – бетоны классов В80-В90; около 450 тыс.
м3 – бетоны классов В50-В60; около 1000 тыс. м3 – бетоны более низких классов, но со
специальными свойствами: сверхнизкой проницаемостью и повышенной коррозионной
стойкостью, а также пониженной экзотермией.
Наиболее выразительными примерами применения модифицированных бетонов нового
поколения, сконцентрировавшими достижения Российской строительной технологии последних десяти лет, являются объекты на ММДЦ «Москва-Сити», где с применением высокоподвижных и самоуплотняющихся смесей, возводятся массивные фундаментные плиты объемом от 4-х до 98-ми тыс.м3 из бетонов классов В40 и В50.
Решение проблемы термической трещиностойкости фундаментных плит является важным
фактором, обеспечивающим долговечность таких массивных конструкций. Поэтому главными условиями, определившими выбор способов производства работ, явились:
а) обеспечение термической трещиностойкости конструкции, т.е. предотвращение
термических трещин, связанных с экзотермией бетона;
б) обеспечение удобоукладываемости бетонной смеси в густонасыщенной арматурой и стальными опорными элементами конструкции.
Наиболее эффективным путем решения проблемы термической трещиностойкости представлялось сочетание комплекса приемов, снижающих, во-первых, энергетический потенциал бетона в целях уменьшения его экзотермии, во-вторых, обеспечивающих равномерное остывание конструкции со скоростью не более 2ºС/сут.
Это сделано за счет приготовления бетонных смесей с минимальным для проектного
класса бетона расходом цемента, замедления гидратации и снижения температуры смесей,
а также тщательного ухода за конструкцией в процессе ее остывания.
Проблема укладки и уплотнения бетона решалась за счет применения высокоподвижных
бетонных смесей (ОК = 24…26 см), а при бетонировании насыщенного арматурой нижне-
го яруса ростверка под башней «А» – самоуплотняющихся смесей с расплывом конуса 65
см. При этом, конструкции с невысоким расходом арматуры (не более 130 кг/м 3) бетонировали отдельными блоками, а густоармированные (расход 195 кг/м3 и выше) – непрерывно, без разбивки на блоки.
Наименование объектов и конструктивные характеристики фундаментных плит, объемы
непрерывно укладываемых бетонных смесей, т.е. блоков, и температурные параметры выдерживания конструкций приведены в табл.1, а составы смесей и свойства бетонов – в
табл.2.
При бетонировании отдельными захватками объемом не более 2,0 тыс.м3 применяли
портландцемент марки ПЦ500 Д0 с содержанием С3А менее 7% массы клинкера, удельное
тепловыделение которого соответствует уровню 300 кДж/кг, с расходом в составе смесей
на уровне 350-380 кг/м3. При непрерывном бетонировании объемами от 5,5 до 14,2 тыс.м3
использован цемент марки ПЦ500 Д20 с тем же содержанием С3А в клинкере, но с добавкой гранулированного шлака в количестве 14,8% массы цемента и, соответственно, с пониженным удельным тепловыделением (около 250 кДж/кг) [5], с расходом в составе смесей на уровне 330-350 кг/м3. С учетом удельного тепловыделения цементов и их содержания в смесях, можно ориентировочно оценить количество тепла, выделяемого бетонами к
28 суткам: в зависимости от расхода и вида цемента оно находится в диапазоне от 82500
до 114000 кДж/м3.
Обязательными компонентами бетонных смесей являлись модификаторы МБ10-100С (для
плиты № 1, табл.1) и МБ10-50С (для остальных конструкций: №№ 2-7, табл.1). Кроме того, при производстве самоуплотняющихся смесей для плиты под башню «А» (№ 6, табл.1)
применяли минеральный порошок (известняковую муку), а при бетонировании в летний
период плиты второй очереди под ту же башню (№ 7, табл.1) в качестве регулятора сохраняемости смеси и замедлителя твердения использовали кремнийорганическую эмульсию
КЭ 30-04 на основе полигидросилоксанов.
Температура бетонных смесей изменялась в широком диапазоне: от +2 до +28оС, что связано с разными климатическими условиями производства работ. Если осенью, зимой, весной не представляло проблемы только за счет применения холодных заполнителей и воды
обеспечить производство и поставку смесей с низкой температурой, то в летний период
возможности принудительного охлаждения смесей или их компонентов на заводах не было.
Таблица 1
Конструкционные и технологические характеристики фундаментных плит, бетонируемых разным способом
№
Наименование объекта
Конструктивная схема
Объем
плиты,
тыс.м3
Толщина
плиты,
м
Объем
блока
(захватки),
тыс.м3
130
98,0
2,2
128
4,4
В40
195
В40
Температура, оС
Кол-во
блоков
Средняя
скорость
бетонирования,
м3/час
бетонных
смесей
в ядре
конструкции
0,3-2,0
52
30
12-28
60-78
2,0
0,7-1,4
4
60
15-19
60-71
5,6
3,5
5,6
1
130
2-12
57-58
195
6,6
3,5
6,6
1
163
2-10
57-58
В40
225
9,5
3,5
9,5
1
241
5-15
59-60
В50
270
14,2
4,0
14,2
1
169
2-10
58-59
В50
336
11,3
3,5
11,3
1
217
18-28
65-78
Расход
арматуры,
кг/м3
В40
В40
Класс
бетона
Бетонирование отдельными блоками (захватками)
1
МТРК «Центральное
ядро» участки № 6-8
2
МК «Северная башня»
участок № 19
плита на
упругом основании
плита на
упругом основании
Непрерывное бетонирование всей конструкции
3
4
5
6
7
Башня «СанктПетербург» МК «Город
Столиц» участок № 9
(СП)
Башня «Москва»
МК «Город Столиц»
участок № 9 (М)
Башня «Б» МК «Федерация» участок № 13 (Б)
Башня «А» (первая очередь) МК «Федерация»
участок № 13 (А1)
Башня «А» (вторая очередь) МК «Федерация»
участок № 13 (А2)
плита
защемленная
(ростверк)
плита
защемленная
(ростверк)
плита
защемленная
(ростверк)
плита
защемленная
(ростверк)
плита на
жестком основании
Таблица 2
Составы бетонных смесей и прочность бетона
Составы бетонных смесей, кг/м3
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Наименование
объекта
МТРК «Центральное
ядро» участки № 6-8
МК «Северная башня»
участок № 19
Башня «СанктПетербург»
МК «Город Столиц»
участок № 9 (СП)
Башня «Москва»
МК «Город Столиц»
участок № 9 (М)
Башня «Б» МК «Федерация» участок №
13 (Б)
Башня «А» (первая
очередь) МК «Федерация»
участок № 13 (А1)
Башня «А» (вторая
очередь) МК «Федерация»
участок № 13 (А2)
Диапазон прочности бетона, МПа
по образцам-кубам
по кернам
в возрасте…
в возрасте
более
28 сут
56 сут
50 сут
не опреде40…58
46…60
лялась
минеральный
порошок
эмуль
сия
КЭ
30-04
Подвижность
бетонных
смесей
(ОК), см
Требуемая
прочность,
МПа
170
-
-
20-22
46,0
920
170
-
-
22-24
46,0
49…58
52…64
не определялась
880
950
155
-
-
22-26
46,0
49…58
54…60
не определялась
50
880
950
155
-
-
22-26
46,0
47…57
54…62
не определялась
350*
50
880
950
155
-
-
22-26
46,0
46…61
52…67
49…68
В50*
**
330
75
880
950
150
-
22-26
57,0
60…69
62…77
69…75
330
85
800
850
165
150
-
26-28
57,0
57…68
60…79
61…78
В50
330
75
880
950
150
-
0,3
22-26
57,0
58…73
59…75
не определялась
Класс
бетона
цемент
МБ
песок
щебень
вода
В40
380*
40**
820
920
В40
350*
50
850
В40
350
50
В40
350
В40
------------------------------------------*) Использовался портландцемент ПЦ500 Д0. Во всех остальных случаях использовался портландцемент ПЦ500 Д20.
**) Использовался модификатор МБ 10-100С. Во всех остальных случаях использовался модификатор МБ 10-50С.
***) Жирным шрифтом указаны характеристики самоуплотняющегося бетона.
Результаты контроля температуры бетона показали, что основные факторы, влияющие на
термическую трещиностойкость конструкции, оказались в пределах значений, предусмотренных технологическим регламентом производства бетонных работ, т.е. разность температур в теле плиты не превышала 20оС, максимальная температура в ядре конструкции не
превышала 60оС, а средняя скорость остывания конструкции не превысила 2оС в сутки.
При обследовании конструкции после стабилизации температуры в возрасте 45 суток
трещин термического происхождения не выявлено. Из данных табл.2 видно, что прочность бетона в конструкциях находится в диапазонах, превышающих требуемых уровень.
Это подтверждено результатами испытаний образцов-кернов, выбуренных из массива
плит.
На основании данных, полученных в производственных условиях, можно выявить закономерности изменения одного из важнейших параметров, влияющих на термическую
трещиностойкость – максимальной температуры в конструкциях. Как видно из рис.1, расход цемента, в частности, клинкера существенно влияет на температуру бетона в конст
рукции: с уменьшением содержания клинкера снижается тепловыделение бетона и, соответственно, температура.
Этот эффект усиливается в случаях, когда температура бетонной смеси укладываемой в
конструкцию, повышается (сравним положения кривых на рис.1а). Степень разогрева блока бетонирования находится в прямой зависимости от исходной температуры бетона
(рис.1б).
На фоне вышеуказанных зависимостей влияние объема блока бетонирования на максимальную температуру бетона несущественно: сравним, например, температуру блоков
объемами 2,0 тыс.м3, 5,6 тыс.м3, 9,5 тыс.м3 и 14,2 тыс.м3 (рис.1в).
Вышеизложенный материал позволяет сделать следующие выводы:
1. Впервые в России возведены массивные фундаментные плиты объемом до 14 тыс.м 3
методом непрерывного бетонирования из модифицированных бетонов классов В40 и В50.
При этом применяли только высокоподвижные бетонные смеси маркой по удобоукладываемости П5 (ОК=22…26 см), а также самоуплотняющиеся с расплывом конуса 65 см.
Объем самоуплотняющегося бетона класса В50 в конструкции густоармированного ростверка составил 2 000 м3.
Максимальная температура в
ядре фундаментной плиты, С
а)
o
90
80
при температуре
бетонной смеси
от 20 до 28о С
А2
70
60
50
0
А1
СП
при температуре
бетонной смеси < 20о С
Б
- плиты V = 5 ,6 - 14 тыс.м3
3
- блоки V = 0,3 - 2 тыс.м МТРК “Центральное ядро”
3
- блоки V = 0,7 - 1.4 тыс.м МК “Северная башня”
М
300
500
400
3
Расход клинкера, кг/м
Максимальная температура в
ядре ф ундаментной плиты, С
б)
o
80
А2
70
60
50
СП М
Б
А1
- плиты V = 5 ,6 - 14 тыс.м
- блоки V = 0,3 - 2 тыс.м3 МТРК “Центральное ядро”
- блоки V = 0,7 - 1.4 тыс.м3 МК “Северная башня”
3
40
0
20
10
о
Температура бетонных смесей, С
30
Максимальная температура в
ядре ф ундаментной плиты, С
в)
o
80
А2
70
60
СП М
Б
А1
50
- плиты V = 5 ,6 - 14 тыс.м
3
- блоки V = 0,3 - 2 тыс.м МТРК “Центральное ядро”
3
- блоки V = 0,7 - 1.4 тыс.м МК “Северная башня”
3
40
0
2500
5000
10000
Объем блока бетонирования фундаментной плиты, м3
15000
Рис.1. Влияние расхода клинкера (а), температуры бетонной смеси (б) и
объема блока бетонирования (в) на максимальную температуру в
ядре фундаментных плит
2. Термическая трещиностойкость, а следовательно и долговечность указанных конструкций была обеспечена за счет комплекса мероприятий, в числе которых – уменьшение
энергетического потенциала бетона за счет минимизации расхода цемента и применения
поликомпонентных органоминеральных модификаторов МБ-С, снижение температуры
бетонной смеси, а также равномерное остывание конструкции.
3. Установлена закономерность изменения максимальной температуры в конструкциях от
расхода цемента, температуры бетонной смеси и объема блока бетонирования. Выявлено,
что наиболее значимыми факторами влияния на разогрев конструкции являются расход
цемента в составе бетона и температура бетонной смеси.
4. Для непрерывного бетонирования массивных конструкций объемом от 9,5 до 14 тыс.м 3
при расходе арматуры выше 220 кг/м3 и классах бетона В40 и В50 в качестве основных
мероприятий могут быть рекомендованы следующие:
- применение бетонных смесей, приготовленных на портландцементах с минеральными
добавками (с пониженной экзотермией);
- минимизация расхода цемента в составе бетона до уровня не выше 330 кг/м3 и введение
органоминеральных модификаторов;
- снижение температуры бетонных смесей, доставленных на стройплощадку, до уровня не
выше +15оС;
- обеспечение равномерного остывания конструкций со скоростью не выше +2 оС.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. С.С.Каприелов, А.В.Шейнфельд, А.Г.Ферджулян, А.В.Пахомов, М.Я.Лившин. Опыт
применения высокопрочных бетонов. // Монтажные и специальные работы в строительстве, № 8, 2002, с.33-37.
2. Кардумян Г.С., Каприелов С.С. Новый органоминеральный модификатор серии МБ –
«Эмбэлит» для производства высококачественных бетонов. // Строительные материалы. 2005. № 8. С.12-15.
3. С.С.Каприелов, А.В.Шейнфельд, Ю.А.Киселева, О.В.Пригоженко, Г.С.Кардумян,
В.И.Ургапов. Опыт возведения уникальных конструкций из модифицированных бетонов на строительстве комплекса «Федерация».// Промышленное и гражданское строительство, № 8, 2006, с.20-22.
4. Odler I. Special Inorganic Cements. E&FN SPON, London-New York, 2000, 395 p.