БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ВЫСОКИМИ

БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ВЫСОКИМИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд, ГУП «НИИЖБ»
Москва, Россия
Abstract
Modified concrete for underground structures based on application of complex modifier
MB-01 and ordinary portland cement are presented. This concrete characterized by combined
properties: high compressive strength, low permeability, high corrosion resistance and durability. Having such properties the modified concrete does not need additive protection from aggressive action of salts.
Ведущие специалисты в области технологии бетона с конца 80-х годов разрабатывают концепцию бетонов нового поколения, которым отводится важная роль в сложных инженерных сооружениях 21 века. Имеются ввиду бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, так называемые «High Performance Concrete», которые уже сегодня востребованы не только необходимостью выдерживать возрастающие воздействия
природного и, особенно, техногенного характера, но и новыми эстетическими требованиями, предъявляемыми к современным инженерным сооружениям.
Сегодня концепцию бетонов с высокими эксплуатационными свойствами (ВЭС)
можно изложить следующим образом:
а) доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким
диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов;
б) высокие физико-технические характеристики бетонов - класс по прочности до
В80, низкая проницаемость для воды (W12...W20) и газов, низкая усадка и ползучесть,
повышенная коррозионная стойкость и долговечность, т.е. свойства, сочетание которых
или преобладание одного из которых обеспечивает высокую надежность конструкций в
зависимости от условий эксплуатации .
Такой подход вполне обоснован. С одной стороны бетон должен сохранить все
преимущества, сделавшие его основным конструкционным материалом строительства,
т.е. приготавливаться, главным образом, из местных ресурсов в непосредственной близости от стройплощадок с небольшими трудозатратами как при производстве смесей,
так и при бетонировании конструкций. С другой стороны, он должен обладать достаточным потенциалом, чтобы воспринимать без «вторичной» защиты повышенные физико-механические нагрузки при эксплуатации конструкций в различных, в том числе
сильно агрессивных средах.
Реализация концепции бетонов (ВЭС) оказалась возможной, прежде всего, благодаря комплексному применению суперпластификаторов и микрокремнезема. Оптимальное сочетание указанных добавок - модификаторов, а, при необходимости, совмещение
с ними в небольших количествах и других органических и минеральных материалов
позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать
структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. В основе изменения
2
свойств бетонов - происходящие в цементной системе сложные коллоидно-химические
и физические явления, которые поддаются воздействию модификаторов и отражаются, в
конечном счете, на фазовом составе, пористости и прочности цементного камня [1].
Очевидно, поэтому многие специалисты относят производство бетонов (ВЭС) к «высоким технологиям» [2]. Известны примеры удачного использования бетонов ВЭС при
строительстве уникальных объектов за рубежом. Наиболее эффектные из них: тоннель
под Ла-Маншем, комплекс высотных зданий в Чикаго, мост через пролив Нортумберленд (Канада), буровые платформы в Северном море и др.
Однако, при всей привлекательности перспективы массового производства бетонов и конструкций нового поколения география объектов строительства с их применением оказалась недостаточно широкой. Главная причина - нетехнологичность важнейшего компонента таких бетонов - микрокремнезема, который, представляя собой пылевидный ультрадисперсный материал насыпной плотностью от 150 до 500 кг/м 3, крайне
неудобен для транспортирования.
Более совершенная технология производства модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами разработана в России Институтом бетона и железобетона (НИИЖБ).Ее реализация оказалась возможной благодаря появлению уникального комплексного модификатора МБ-01. Этот порошкообразный продукт содержит микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения , имеет насыпную
плотность 750-800 кг/м3 и по ряду свойств превосходит зарубежные аналоги. Среди преимуществ МБ-01 - повышенная насыпная плотность (750-800 кг/м3) и композиционный
состав, благодаря чему исключается необходимость в суперпластификаторе и упрощается технология производства бетонов.
Основные свойства бетонов приводятся ниже [3].
Диапазон кубиковой прочности 40-100 МПа, что соответствует классам В30 В80. Диапазон кратковременных и длительных деформативных характеристик: для бетонов класса до В60 (прочностью до 80 МПа) соответствует действующим нормативам,
для бетонов класса выше В60 (прочностью выше 80 МПа) нормируется специально.
Диапазон кубиковой прочности при нормальном твердении в течение суток - 15-30 МПа.
Низкая проницаемость для воды, газов и хлоридов (рис.1). Марка по водонепроницаемости выше W16.
Для
Для воды
воды
10
10
Для воздуха
1200
W6
4
1200
см /с
W6
2
1100
1
W16
W16
-8
1000
Коэффициент диффузии хлоридов, 10
W8
1
Воздухопроницаемость, 10- 4 см3/с
-1 0
Коэффициент фильтрации воды, 10
см/с
Для ионов хлора
10
900
800
700
100
600
500
400
50
МБ=
10%Ц
300
200
3
2
1
100
0
1
0
0
0
1
Без МБ
МБ=10%Ц
МБ=15%Ц
0
Без МБ
МБ=10%Ц
МБ=15%Ц
1
Без МБ
МБ=10%Ц
Рис.1. Проницаемость бетонов для воды, воздуха и ионов хлора
(Цемент = 400 кг/м3, В/Ц = 0,38)
МБ=15%Ц
3
Морозостойкость не ниже, чем у обычных бетонов, а при дополнительном использовании воздухововлекающих или газообразующих добавок доводится до марок
F800-F1000 (рис.2).
Относительная прочность на сжатие, %
100
99
МБ+ГКЖ-94
МБ без добавок
98
МБ+СНВ
97
Область
высокой
стойкости
96
Область
низкой
стойкости
95
94
93
92
91
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Циклы замораживания-оттаивания (марка по морозостойкости)
Рис.2. Морозостойкость высокопрочных бетонов с Rcж=75-80 МПа,
расходом цемента=480 кг/м3 и МБ-01=48 кг/м3, В/Ц=0,32,
без добавок и с добавками СНВ и ГКЖ-94 («136-41»)
Стойкость без оклеечной или обмазочной изоляции в следующих условиях: в
слабокислых средах при рН >3, в газовых средах при концентрации агрессивных газов
на ступень выше , чем указано в СНиП 2.03.11-85, в жидких средах при концентрациях
хлоридов и сульфатов на ступень выше ,чем указанно в СНиП 2.03.11-85. Повышенная
тиксотропность и стабильная во времени консистенция бетонных смесей , которые даже
при высокой пластичности не имеют признаков расслоения.
Некоторые из перечисленных свойств проявились при возведении конструкции
на ТРК «Манежная площадь», при устройстве монолитно-прессованной обделки коллектора диаметром 4 метра, буронабивных столбов (фундаментов) под опоры путепроводов,
конструкций транспортных сооружений на МКАД и др.
В талице № 1 приведена кинетика твердения бетонов в зависимости от температуры в зоне производства работ при устройстве монолитно-прессованной обделки.
Таблица № 1. Кинетика твердения модифицированного бетона в зависимости от
температуры в зоне производства работ
Температура твердения бетона
4ч
6ч
о
10 С
0
0
о
20 С
0
0
30оС
0
5
о
45 С
0
14
Примечания: Основные компоненты
Прочность, МПа, в течение…
8ч
12 ч 16 ч 24 ч 3 сут
0
0
2
13
45
2
5
12
29
50
15
30
39
50
65
28
40
48
62
78
7 сут
62
65
78
88
24 сут
91
94
96
100
бетонной смеси – Цемент = 500 кг/м3, МБ-01 = 50 кг/м3,
В/Т = 0,27. Осадка конуса 4-6 см. Марка по водонепроницаемости в возрасте 28
сут – W20. Давление прессования – 1,2-1,5 МПа.
4
Как известно, эта особенность бетона существенно влияет на скорость продвижения щита. При температуре 300С и выше уже через 6 часов достигается прочность 5
МПа, достаточная для восприятия давления прессования новой порции бетонной смеси
и продвижения щита. При этом прочность бетона в марочном возрасте превышает 90
МПа, марка по водонепроницаемости не ниже W20.
В таблице № 2 приведены характеристики бетонных смесей и бетонов, использованных при устройстве буронабивных столбов методом ВПТ на строительстве путепроводов на Московской кольцевой автодороге.
Таблица № 2. Характеристики бетонных смесей и бетонов буронабивных столбов (фундаментов) под опоры путепроводов
Расположение
путепровода
1. Пересечение
МКАД со Смоленским направлением ж.д.
2. Пересечение
МКАД с Дмитровским направлением ж.д.
Основные компоненты бет. смеси,
кг/м3
МБ-01
Ц
В
480
48
190
400
45
160
Осадка конуса, см
после…мин
10
90
2224
2224
2022
2022
Прочность на
сжатие, МПа
Водонепроницаемость, W
Морозостойкость,
F
7 сут
50
28 сут
67
W18
F200
40
55
W18
F300
Условия эксплуатации конструкции характеризовались наличием сильно- агрессивной (по содержанию сульфатов SO42- до 3659 мг/л и хлоридов Cl- до 64303 мг/л) среды по отношению к бетону марки по водонепроницаемости W4. Для модифицированного бетона марки W18 эта же среда является неагрессивной ,что не требует «вторичной
защиты» (изоляции) конструкции , как в случае с бетоном W4.
Сохранение консистенции бетонной смеси в течение длительной (до 1,5 часов)
транспортировки является еще одним достоинством , снимающим технологические проблемы в условиях мегаполиса (рис.3).
Осадка конуса, см
20
МБ=15%Ц
16
МБ=10%Ц
12
8
4
Без МБ
0
0
0,5
1
1,5
Время транспортировки бетонной смеси, час
Рис.3. Изменение пластичности бетонных смесей во времени
(Цемент = 400 кг/м3; В/Ц = 0,38)
2
5
Повышенная связность (нерасслаиваемость) высокоподвижных смесей позволяет
обеспечить однородность бетона по высоте столба, что подтвердилось испытанием выбуренных кернов. Отклонения прочности кернов по высоте столба не превышало 10%.
Вывод
Практика возведения различных сооружений показала, что модифицированные
бетоны с МБ-01 обладают комплексом свойств, которые позволяют обеспечить долговечность и эксплуатационную надежность сооружений в условиях агрессивного воздействия окружающей среды, не усложняя технологию производства бетонных работ.
Литература
1. Каприелов С.С. «Общие закономерности формирования структуры цементного камня
и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов». Бетон и железобетон №4, 1995
г., стр.16-20.
2. B.Mather. Concrete - year 2000, Revisited in 1995. Adam Neville Symp. in Concrete. Tech.
Proceedings Second CANMET/ ACI Symp. Las Vegas, june 12, 1995, p.p. 1-9.
3. Каприелов С.С. , Шейнфельд А.В. , Батраков В.Г. « Комплексный модификатор МБ01». Бетон и железобетон №5, 1997 г. стр. 38-41.