Рекомендации по технологии изготовления и конструкций из высокопрочных бетонов

Обновлено: 01.05.2024

Коровкин Марк Олимпиевич 1 , Янбукова Алия Рафаэльевна 2 , Ерошкина Надежда Александровна 3
1 ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
2 ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», магистрант
3 ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент

Аннотация
Проанализированы опыт и перспективы использования высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов с учетом их свойств. Выявлены основные причины, сдерживающие применение высокопрочных бетонов.

Korovkin Mark Olimpievich 1 , Yanbukova Alia Rafaelevna 2 , Eroshkina Nadezhda Alexandrovna 3
1 Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
2 Penza State University of Architecture and Construction, Master-student
3 Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Abstract
Experience and prospects of using of high-strength and ultra-high strength concrete with regard to their properties were analyzed. The main reasons constraining the use of high-strength concrete were identified.

В настоящее время отсутствует единое мнение о границе между высокопрочными и сверхвысокопрочными бетонами. В качестве основного критерия такой границы можно считать прочность бетона самого высокого класса, указанного в нормативных документах. Для строительных норм, действовавших в нашей стране, это класс по прочности на сжатие В100 [1]. Для обеспечения прочностных характеристик этого класса средние значения прочности бетона должны ориентировочно составлять 130 МПа. С учетом того, что нормативные документы фиксируют современный уровень развития техники, можно считать, что указанное выше значение прочности – максимальная прочность, которая может быть достигнута сегодня при промышленном производстве бетона.

В стандарте, действующем в странах Европейского Союза [2] самым высоким классом по прочности на сжатие является С 100/115. При определении прочности на образцах кубической формы ее средние значения для обеспечения данного класса должны ориентировочно составлять 150 МПа. Интересно отметить, что в редакции СНиП, которая действовала в нашей стране с 2004 по 2013 год, самым высоким классом бетона по прочности на сжатии был класс В120 [3]. Средняя прочность бетона для обеспечения этого класса также как и для бетона С 100/115 по стандарту [2] Европейского Союза должна составлять около 150 МПа. Возможно, что снижение класса бетона по прочности с В120 до В100 в новой редакции российских строительных норм [1] связано с более реалистичной оценкой современного уровня развития технологии бетона.

Другим критерием разграничения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов может служить технологический фактор: сверхвысокопрочный бетон не может быть получен при использовании крупного заполнителя. Исключение из рецептуры бетона крупного заполнителя и снижение максимального размера мелкого заполнителя до значений 0,6 мм позволяет получить более однородную на макроуровне структуру, что наряду с применением высокоэффективных водоредуцирующих и минеральных добавок позволяет получить прочность бетонов 200 МПа и более [4]. Благодаря тому, что в таких бетонах в качестве заполнителя используются только мелкие фракции песка, а для повышения прочности применяется высокоактивная пуццолановая добавка (микрокремнезем), они получили в отечественной научной литературе название «тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны» [5].

В зарубежной научно-технической литературе для бетонов, полученных по такой технологии, используется термин реакционно-порошковый (Reactive powder concrete) [4] или ультравысококачественный бетон (Ultra-High Performance Concrete) [6]. Использование в технологии сверхвысокопрочного бетона фибрового армирования позволяет преодолеть основной недостаток этих материалов – высокую хрупкость.

Прочность, долговечность и другие свойства ультравысококачественных бетонов значительно выше, чем у бетонов общестроительного назначения. Однако, несмотря на относительную доступность получения новой разновидности бетонов, у проектировщиков нет ясного представления о том, каким образом преимущества особовысокопрочных бетонов могут быть использованы. Ожидания снижения сечения и массы конструкций оказались на практике неоправданными. Тем не менее, интерес к новому материалу велик и некоторые крупные строительные фирмы совместно с исследовательскими организациями используют особовысококачественный бетон в экспериментальных сооружениях.

Первым сооружением, возведенным с применением реакционно-порошкового бетона, был пешеходный мост в городе Шербрук (Канада). Это экспериментальное сооружение длиною 60 м было построено в 1997 (рис. 1). В проектировании и строительстве принимало участие несколько фирм, а разработка материалов для моста была выполнена в университете Шербрука. Для долговременного мониторинга поведения моста в климактерических условиях Канады была разработана программа, предусматривающая установку различных датчиков для оценки динамического поведения сооружения в течение длительного периода [7].

Рис 1. Пешеходный мост из сверхвысокопрочного бетона (Шербрук, Канада)

Мост в Шербруке был первым сооружением, в котором использовался реакционно-порошковый бетон (см. табл.1). Ежегодные обследования моста показали, что он находится в хорошем состоянии и его характеристики практически не меняются с течением времени [7].

Реакционно-порошковый бетон в некоторых фирмах прошел стадию лабораторных испытаний и находится на этапе опытно-промышленного применения. На основе этой технологии в конце 1990-х годов компанией Lafarge под торговой маркой Ductal было освоено производство ультравысококачественного бетона. Компании Eiffage и Sika совместно производят реакционно-порошковый бетон под торговой маркой BSI/Ceracem® [6]. Из такого бетона было построено несколько пешеходных мостов, характеристики некоторых из которых приведены в табл. 1.

Прочность бетона, МПа

Силос для хранения клинкера

Тонкостенная конструкция цилиндрической формы

Пешеходный мост Seonyu

Однопролетный мост длиной 120 м, шириной 4,3 м и толщиной верхнего пояса 3 см, изготовлен из высокопрочного бетона Ductal

Sakata Mirai пешеходный мост

Однопролетный мост длиной 50 м, шириной 2,4 м, толщина верхней плиты 5 см

Вантовый мост (виадук) Millau Viaduct

Автомагистраль A75, Франция

Восьмипролетный мост со стальным дорожный полотном длиной 2460 м, шириной 32 метра и высотой 4,2 метра

Автомобильный мост Shepherds creek

4-х полосный мост с тротуаром, размеры моста 15 м × 21 м с 16 балками, поддерживающих железобетонную плиту, отличается легкостью 280 кг / погонный метр для балок и толщиной 25 мм для несъемной опалубки

Пешеходный мост Papatoetoe

Окленд, Новая Зеландия

10 пролетный мост с шарнирными опорами длиной 175 м, длина 8 пролетов по 20 м, а остальных 8,2 и 10,2 м. мост состоит из двух сборных сегментов. Толщина платформы моста 50 мм

Пешходный мост Glenmore/Legsby

53-метровый мост, имеющий 8 полос движения. Мост состоит из двух консольных опор в виде балочной арки, изготовленной из высокопрочного «Ductal» бетона в виде буквы T. Бетонная балка армирована стальной арматурой и стекловолокном и имеет длину 33,6 м и высоту 1.1 м и ширину 3.6 м

Сборные решетчатые секции верхнего пояса моста изготовлены из преднапряженного высокопрочного бетона (длина от 12 до 36 м, сечение 30×45 см)

Длина моста 35 м. Для изготовления моста использовался фибробетон со стальной фиброй

Бетонные основания для ветряных турбин

Взлетно-посадочная полоса аэропорта Haneda

Надводная часть пирса аэропорта в виде плиты из высокопрочного бетона, опираемой на стальные балки. Площадь плиты 192 тыс. м 2 . Свойства бетона – долговечность, солестойкость, низкая проницаемость. Снижение веса конструкции

Мост Whiteman на автомагистрали 24

Поперечные карманы и продольные и поперечные швы между сборными панелями. Соединения между H-сваями и сборными опорами

Колоны из центрифугированного бетона

Мост через реку Jackpine

Совместное заполнение между соседними балками и сборными бордюрами

Значительный прогресс в развитии ультравысококачественных бетонов был достигнут на рубеже нового тысячелетия, когда в практику были внедрены более высокоэффективные суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных соединений, упростилась технология высокопрочных бетонов, а также были получены данные долговременных исследований, подтвердивших отсутствие снижения механических свойств и высокую долговечность бетона в различных условиях эксплуатации. Это способствовало расширению области применения высокопрочного бетона, из которого стали изготавливаться тонкостенные особовысокопрочные конструкции.

Кроме того ультравысококачественные бетоны стали производиться на основе промышленных отходов по ресурсо- и энергосберегающим технологиям без тепловой обработки, что также обеспечивает их перспективность применения. С 2000-х годов, некоторые страны участвуют в применении ультравысококачественного бетона (табл.1). Во Франции много конструкций было возведено компанией Lafarge с применением сверхвысокопрочного бетона – мосты, плиты, элементы фасадов [12].

Одним из знаковых сооружений последних лет является мост Мийо́ вантовой системы во Франции с максимальной высотой конструкции 341 м.

В США растет применение высокопрочного бетона в инженерных сооружениях автомобильных дорог[13]. Первый автодорожный мост из высокопрочного бетона в США был построен в 2006 году в штате Айова и представлял собой однопролетный мост с трехбалочным поперечным сечением длиной 33,5 м без применения стальной арматуры (см. рис.2).

Рис. 2. Первый автодорожный мост из высокопрочного фибробетона в штате Айова, США [13]

Высокопрочный бетон использовался в восстановительных целях при укреплении отстойного бассейна на реке Кинсуа-Дэм в США [6, 8]. В Австралии значительное применение высокопрочный бетон нашел при строительстве мостовых конструкций [14]. В Швейцарии ультравысококачественный бетон в основном применяется при изготовлении армированных монолитных конструкций [15]. Опытные образцы мостов и сооружения были построены в Канаде, Германии, Австрии, Японии и Кореи [6, 8, 13]. В Японии был построен пешеходный мост Sakata Mirai из сборного особовысокопрочного железобетона с повышенной стойкостью к деформациям и воздействию ветру, а также стойкостью к перепадам температур.

В Китае ультравысококачественный бетон используется для изготовления конструкций перекрытия кабельных каналов вдоль высокоскоростных железных дорог [16].

Опыт применения высокопрочных бетонов имеется и в России – в г. Москва был возведен комплекс высотных зданий «Москва-Сити» [10], а также комплекс сооружений, приуроченных к празднованию Дня Победы в Великой Отечественно войне в г. Красноярске с прочностью бетона 180-200 МПа [11].

Использование высокопрочного бетона в будущем будет возрастать вследствие его уникальных свойств. Благодаря стойкости к воздействию хлоридов высокопрочный железобетон можно применять при строительстве морских сооружений. Высокая прочность бетона обеспечивает уменьшение сечения и веса конструкций, что позволяет эффективно использовать бетон при строительстве большепролетных конструкций мостов через моря. Высокопрочный бетон также может применяться для восстановления и укрепления морских сооружений, таких как причалы и нефтяные платформы [6, 8]. Благодаря химической стойкости и долговечности конструкции из высокопрочного бетона могут эксплуатироваться в суровых условиях окружающей среды – в соленой воде, в экстремально холодных регионах. Эффективной областью применения бетона может стать строительство и ремонт инфраструктуры. Бетон может использоваться при строительстве зданий и сооружений в сейсмических районах. Колонны и балки из армированного высокопрочного бетона при землетрясении способны рассеивать больше энергии, чем конструкции из обычного железобетона, предотвращая разрушение зданий или сооружений [8]. Бетонная смесь отличается высокой технологичностью, что облегчает работу с ней, время и сроки строительства и позволяет создавать монолитные и сборные элементы. Высокопрочный бетон может повторно использоваться в технологии самоуплотняющихся бетонов в качестве заполнителей и наполнителей.

Несмотря на преимущества, высокопрочный бетон имеет и недостатки, связанные со стоимостью и высоким потреблением энергии. В связи с этим ключевым моментом технологии высокопрочных бетонов является снижение стоимости и повышение экологичности материала. Опыт исследований показывает, что стоимость бетона можно снизить за счет использования рационально подобранного состава смеси, местного сырья и промышленных отходов [6-9, 11]. Наряду со снижением стоимости бетона вовлечение в его производство промышленных отходов снижает вред окружающей среде и повышает его экологические преимущества. Конструкции из высокопрочного бетона вследствие их высокой долговечности обладают высоким сроком службы, что существенно снижает затраты на обеспечение жизненного цикла изделий, по сравнению с обычным бетоном за счет сокращения затрат на ремонт и замену элементов конструкции [8].

На основе вышеизложенного можно отметить, что дальнейшие исследования в области эффективного применения высокопрочных бетонов должны быть направлены на:

- разработку рекомендаций по проектированию и строительству конструкций из высокопрочного бетона;

- разработку гармонизированных стандартов на технические требования и методы контроля свойств высокопрочных бетонов и конструкций из них;

- создание экспресс-методов определения долговечности конструкций из высокопрочного бетона;

- улучшение эксплуатационных свойств – хрупкости, трещиностойкости бетона;

- снижение стоимости бетона.

Вывод:

Особовысокопрочные бетоны обладают высокими деформативно-прочностными характеристиками и долговечностью. Эти материалы могут успешно применяться в высотном строительстве, восстановительных работах, при возведении несущих и архитектурно-декоративных конструкций, при строительстве мостов и других транспортных сооружений. Основные причины, сдерживающие применение высокопрочного бетона связаны с его высокой стоимостью, недостаточным опытом долговременной эксплуатации и отсутствием стандартов.

СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. – М.: ФАУ «ФЦС». – 162 с.
EN 206-1 Concrete – Part 1: Specification, performance, production and conformity.
СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 30 с.
Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: Автореф. … дис. канд. техн. наук. – Пенза, 2006. – 22 с.
Richard P., Cheyrezy M.H. Reactive powder concrete with high Ductility and 200-800 MPa compressive strength // Concrete technology: Past, Present, and Future, Proceedings of the V. Mohan Malhotra Symposium, ACI SP-144, S. Francisco, 1994. P. 507-518.
Abbas S., Nehdi M. L., Saleem M. A. Ultra-High Performance Concrete: Mechanical Performance, Durability, Sustainability and Implementation Challenges // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2016. Vol. 10, No. 3. P. 271–295.
Айчин П.-К. Первое сооружение из сверхпрочного бетона 15 лет спустя // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: Науч. тр. III Всерос. (II Международной) конференции по бетону и железобетону: в 7 томах. 2014. Т.7. С.7-14.
Gu C., Ye G., Sun W. Ultrahigh performance concrete-properties, applications and perspectives // Science China Technological Sciences. 2015. Vol. 58, Issue 4. P. 587-599.
Aitcin, P. C. High-performance concrete, London: E&FN SPON, 1998. – 591 p.
Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И. и др. Модифицированные высокопрочные бетоны классов В80 и В90 в монолитных конструкциях // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 9-13.
Суздальцев О.В., Калашников В.И. Высококачественные архитектурно-декоративные порошково-активированные бетоны нового поколения на основе отходов камнедробления горных пород // V Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. – СПб.: Издательство «АлитИнформ», 2015. С.63-73.
Resplendino J., Toutlemonde F. The UHPFRC revolution in structural design and construction // Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, 2013. p. 791-804.
The Federal Highway Administration. Ultra-High Performance Concrete: A State-of-the-Art Report for the Bridge Community, Publication No. FHWA-HRT-13-060, McLean, VA 22101-2296, 2013.
Cavill B., Chirgwin G. The world’s first RPC road bridge Spepherds Gually Creek bridge, NSW // Proceedings of Fifth Austroads Bridge Conference. Hobart, Australia, 2004.
Bruhwiler E., Denarie E. Rehabilitation of concrete structures using ultra-high performance fiber reinforced concrete // Proceedings of Second International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Kassel, 2008. P. 895-902.
Gu C., Zhao S., Sun W., et al. Production of precast UHPFRC pavement cover plates in high-speed railway construction / In Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, 2013. P. 463-470.

Печатаются по решению секции технологии бетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 25 июня 1985 г.

В Рекомендациях изложены требования к материалам для приготовления тяжелых высокопрочных бетонов, в том числе к пластифицирующим добавкам. Приведены особенности подбора состава бетонов, а также укладки и уплотнения бетонных смесей, режимы и способы тепловлажностной обработки изделий и конструкций, сведения об области применения высокопрочных бетонов.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников предприятий стройиндустрии, а также проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций.

Одной из тенденций в современном строительстве является увеличение объемов производства изделий и конструкций из высокопрочных бетонов классов В45. В60 и более и расширение области их применения. Использование высокопрочных бетонов вместо традиционных позволяет уменьшить массу изготовляемых конструкций на 25. 40%, сократить расход арматурной стали на 12. 15%, а также снизить трудоемкость и общую стоимость строительства.

В последнее время созданы эффективные новые и усовершенствованы некоторые известные пластифицирующие добавки, использование которых позволяет расширить сырьевую базу для приготовления высокопрочных бетонов; изучены свойства бетонов с такими добавками, уточнена и расширена номенклатура изделий и конструкций из высокопрочных бетонов, накоплен опыт их изготовления.

Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (доктора техн. наук, профессора Л.А.Малинина, В.Г.Батраков, кандидаты техн. наук Н.Н.Куприянов, М.И.Бруссер, В.А.Беликов, С.А.Высоцкий, Е.С.Силина, инж. М.В.Работина) и НИИСК Госстроя СССР (кандидаты техн. наук Н.И.Стыник, А.Д.Либерман, С.В.Глазкова, О.М.Рубач, Г.С.Андрианова, Л.Н.Сергиенко, П.М.Турчин, инженеры М.В.Гакен, М.А.Кириченко, Л.А.Варченко, Р.П.Мороз) при участии КТБ НИИЖБ Госстроя СССР (инж. В.И.Гришаков), отраслевой научно-исследовательской лаборатории Минсевзапстроя УССР при Украинском институте инженеров водного хозяйства (канд. техн. наук М.Ш.Файнер, инж. Н.Б.Рябова), Красноярского ПромстройНИИпроекта (кандидаты техн. наук Н.П.Ковальская, А.И.Замощик, инж. Г.Н.Хантимиров), ЖБИ N 11 и N 18 Главмоспромстройматериалов (инженеры Н.Б.Варенцова, Р.Я.Егорова) и КТБ Мосоргстройматериалы (инженеры В.А.Подлесных, О.А.Исупова, Н.А.Бухтик).

РУКОВОДСТВО
ПО ПОДБОРУ СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КЕРАМЗИТОБЕТОНОВ
к

УТВЕРЖДЕНО Заместителем Министра обороны СССР по строительству и расквартированию войск 18 июля 1980 г.

Руководство содержит рекомендации по подбору состава мелкозернистого высокопрочного керамзитобетона и технологии изготовления сборных железобетонных конструкций и изделий.

Руководство предназначено для инженерно-технических работников заводов железобетонных изделий, проектных организаций и аппарата заказчика МО СССР.

Руководство составлено в развитие "Инструкции по возведению объектов капитального строительства Минобороны из высокопрочного бетона" и предназначено для дальнейшей, более широкой проверки результатов исследований в производственных условиях.

Руководство разработали канд.техн.наук A.Л.Черемский и инженер В.Б.Тихонов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящее Руководство содержит рекомендации по подбору составов и технологии изготовления сборных железобетонных конструкций из мелкозернистых высокопрочных керамзитобетонов марки Мо и М, запроектированных в соответствии со СНиП II-21-75* "Бетонные и железобетонные конструкции" и применяемых в сооружениях при условии их работы в неагрессивных и слабоагрессивных средах.

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 52-01-03. - Примечание изготовителя базы данных.

1.2. Мелкозернистые высокопрочные керамзитобетоны (объемная масса в сухом состоянии от 1700 до 1800 кг/м) плотной порфировой структуры изготавливаются с применением окатаных керамзитовых песков, которые получают в печах кипящего и виброкипящего слоя, а также в виде попутного продукта при производстве керамзитового гравия шликерным способом.

1.3. Мелкозернистые высокопрочные керамзитобетоны применяются для изготовления изгибаемых, большепролетных и тонкостенных конструкций с целью снижения их массы и материалоемкости, улучшения температурно-влажностного режима внутри сооружения, повышения долговечности, трещиностойкости и сопротивляемости динамическим, инерционным и сейсмическим нагрузкам в качестве элементов специальных сооружений, а также зданий и сооружений общевойскового назначения (несущие перегородки, перекрытия, колонны, балки, фермы, ригели, защитные устройства и т.п.).

1.4. Изготовление обычных сборных и предварительно напряженных железобетонных конструкций и изделий из мелкозернистых высокопрочных керамзитобетонов осуществляется на технологических линиях с серийным оборудованием, которые применяются для производства аналогичных конструкций из тяжелых бетонов с учетом рекомендаций, приведенных в настоящем Руководстве.

2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

Марка цемента назначается в зависимости от проектной марки керамзитобетона (табл.1).

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

УТВЕРЖДЕНЫ директором НИИЖБ 4 апреля 1986 г.

Печатаются по решению секции технологии бетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 25 июня 1985 г.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Рекомендации распространяются на технологию изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций из тяжелых высокопрочных бетонов по агрегатно-поточной, стендовой, конвейерной и другим разновидностям традиционной технологии, включающей уплотнение бетонной смеси различными вибрационными методами, а также центрифугированием.

Рекомендации не распространяются на изделия, изготовляемые с применением уплотнения бетонной смеси прессованием, в том числе роликовым виброформованием, прокатом и вибровакуумированием.

1.2. Под высокопрочными следует понимать бетоны марки по прочности на сжатие М600 и более или класса по прочности на сжатие В45 и более по СНиП 2.03.01-84.

1.3. Изделия и конструкции из высокопрочных бетонов следует изготовлять по методике СНиП 3.09.01-85, а также стандартов и других инструктивно-нормативных документов с учетом положений настоящих Рекомендаций.

1.4. При изготовлении изделий и конструкций рекомендуется использовать различные пластифицирующие добавки, позволяющие получать умеренно-подвижные (ОК=1. 4 см) и подвижные бетонные смеси (ОК=5. 9 см и более).

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

2.1. Высокопрочные бетоны рекомендуется применять в промышленном, гражданском, энергетическом и других видах строительства для повышения несущей способности изделий и конструкций, снижения расхода бетона и арматуры, трудоемкости и стоимости строительства, повышения долговечности изделий и конструкций, а также для унификации опалубочных форм.

2.2. Наиболее эффективны высокопрочные бетоны в конструкциях, работающих на сжатие, в которых достигается наибольшее сокращение объема бетона и расхода арматурной стали. Целесообразно применять такие бетоны в изгибаемых предварительно напряженных конструкциях, особенно с облегченными сечениями (двутавровыми, тавровыми, пустотелыми и др.) и при повышении класса применяемой арматуры.

2.3. Высокопрочные бетоны рекомендуется использовать для изготовления изделий и конструкций следующих видов: крановых и бескрановых колонн одноэтажных промышленных зданий, колонн нижних и средних этажей многоэтажных каркасных зданий; стропильных конструкций (балок, ферм, плит "на пролет" длиной 18 и 24 м), ребристых плит покрытий размером 3x12 м при нагрузках, превышающих 100 МПа, подкрановых балок двутаврового сечения пролетом 6 и 12 м, ригелей, ребристых плит перекрытий; шахтной крепи, опор ЛЭП, тюбингов, аэродромных плит, мостовых конструкций, напорных труб и др.

Важнейшая номенклатура типовых и экспериментальных конструкций общестроительного назначения из высокопрочных бетонов приведена в прил.1.

3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА

3.2. Требуемую марку цемента для бетонов различных классов по прочности на сжатие следует принимать по табл.1.

Уразова Алина Андреевна 1 , Конов Евгений Денисович 2 , Коровкин Марк Олимпиевич 3 , Ерошкина Надежда Александровна 4
1 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент
2 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент
3 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов и деревообработки
4 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов и деревообработки

Аннотация
Рассмотрена технология высокопрочных бетонов. Произведен анализ структуры и свойств этих материалов. Определены возможные области применения высокопрочных бетонов в строительстве.

Urazova Alina Andreevnа 1 , Konov Evgeny Denisovich 2 , Korovkin Mark Olimpievich 3 , Eroshkina Nadezhda Aleksandrovna 4
1 Penza State University of Architecture and Construction, student
2 Penza State University of Architecture and Construction, student
3 Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Technology of building materials and wood processing»
4 Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Technology of building materials and wood processing»

Abstract
The technology of high-strength concrete is considered. Analysis of the structure and properties of these materials was produced. Possible applications of high-strength concrete in construction were found.

Одной из основных задач технологии бетона, также и как других технических наук, исследующих конструктивные материалы, является повышение его прочностных характеристик. Для бетона эта задача решается в основном благодаря инициативным работам отдельных ученых и исследовательских групп. Отсутствие у специалистов-практиков интереса к этому направлению развития бетоноведения связано с тем, что повышение прочности бетона и, соответственно, повышение его стоимости не дает достаточного технико-экономического эффекта при строительстве зданий и сооружений.

Благодаря современным исследованиям прочность бетонов, их долговечность и другие характеристики могут быть повышены в несколько раз не только в лабораторных условиях, но и при промышленном производстве строительных изделий и конструкций. Основные проблемы, связанные с применением высокопрочных и особо высокопрочных бетонов, связаны со снижением их стоимости, расширением сырьевой базы производства, упрощением технологии и разработкой конструктивных схем зданий и сооружений, в которых в максимальной степени используются преимущества этих новых разновидностей бетонов. Для решения этих проблем необходим анализ технологических особенностей высокопрочных бетонов и разработка новых строительных систем, учитывающих их повышенные эксплуатационные характеристики (рис. 1).

Рисунок 1. Основные эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов (по данным 2)

В настоящее время продолжается дискуссия о том, какие бетоны являются высокопрочными и особовысокопрочными. Многие авторы [1, 2, 4, 6, 7] придерживаются классификации, приведенной в таблице 1. Эта классификация связана с особенностями технологи и структуры бетонов.

Таблица 1 – Классификация бетонов по прочности

Примечание: СП – суперпластификатор, ГП – гиперпластификатор.

Структурообразование высокопрочного бетона имеет сходные черты с процессами, протекающими в обычном бетоне. Основной отличительной особенностью высокопрочного бетона является более низкая пористость, повышение однородности структуры, уменьшение количества макродефектов в цементном камне и контактной зоне. Это достигается за счет снижения расхода воды по сравнению с обычным бетоном, уплотнения структуры в результате замещения цемента минеральной добавкой и улучшением структуры контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. Присутствие тонкодисперсных наполнителей и добавок снижает количество портландита и эттрингита и обеспечивает заполнение капиллярных пор продуктами гидратации [1, 2], что снижает пористость и приводит к достижению высокой прочности бетона.

Технология получения высокопрочных бетонов мало отличается от технологии обычных бетонов. Существенное отличие состоит в соотношении компонентов, повышенных требованиях к точности дозирования, использование высокоэффективных суперпластификаторов для обеспечения низких водоцементных отношений, уменьшение крупности заполнителя.

Многими исследователями отмечается, что для получения высокопрочных бетонов особые требования в технологии изготовления предъявляются к выбору сырьевых материалов и их оптимальному содержанию. В таблице 2 приведены основные виды сырьевых материалов с учетом их роли в высокопрочном бетоне.

Таблица 2 –Требования к сырьевым материалам для получения высокопрочных бетонов (по данным 3)

Требования к сырьевым материалам

- высокое содержание 440-560 кг/м 3

- песок с частицами округлой формы

- высокий модуль крупности (около 3,0)

- меньшее содержание песка или использование крупного песка

- разделение по фракциям не оказывает влияния на прочность

- размер заполнителя – 10-12 мм

- в дробленном или окатанном заполнителе минимально содержание плоских и удлиненных частиц

- вид заполнителя выбирается с учетом прочности бетона

- с повышением отношения мелкий /крупный заполнитель повышается прочность

Минеральные и химические добавки

- вид добавки влияет на свойства бетона

- добавки повышают эксплуатационные свойства бетона

Основные критерии высокопрочных бетонов

- качественные сырьевые материалы

- повышение характеристик цементного теста и заполнителей

-плотная упаковка заполнителей и цементного теста

- улучшение сцепляемости поверхности заполнителя и цементного теста

Кроме основных требований, предъявляемых к сырьевым материалам (см. табл.2), различные исследователи отмечают и дополнительные. В частности для обеспечения сверхвысокой прочности рекомендуется применять цемент без макродефектов и сфероидальной формы с дисперсностью 400 м 2 /кг и более [5, 6]. Кроме того для улучшения реологических свойств бетонной смеси ограничивается содержание в цементе C3A до 6 % [7], в противном случае снижается его совместимость с суперпластификаторами, что может повысить расход воды и снизить прочностные характеристики бетона.

Введение микрокремнезема в качестве минеральной добавки способствует повышению стойкости к расслоению. Наряду с эффектом уплотнения, микрокремнезем в результате пуццолановых реакций повышает прочностные свойства бетона. По данным [2, 4, 14] для достижения более плотной упаковки частиц и пуццолановый реакционной способности микрокремнезема его оптимальная дозировка в составе высокопрочного бетона составляет 20-30% от объема вяжущего.

Основной проблемой высокопрочного бетона является хрупкость. Для повышения вязкости разрушения бетона рекомендуется использовать фибровое армирование [16].

Для достижения бетоном сверхвысокой прочности 150 МПа и более авторами [4, 16] предлагается снижать В/Ц отношение до 0,13-0,2 и при этом обеспечивается максимальная плотность бетонной смеси.

Для повышения удобоукладываемости бетонной смеси необходимо обеспечение совместимости суперпластификатора с цементом и минеральными добавками. За счет повышения совместимости можно значительно снизить дозировку СП c 8 до 1 % [7, 17]. Согласно [18] совместимость СП с известняком при одной и той же дозировке СП более высокая, чем при использовании метакаолина за счет высокой площади поверхности метакаолина. Еще одним технологическим приемом повышения подвижности бетонной смеси является поэтапное введение СП [19].

Заполнитель играет важную роль в высокопрочном бетоне. Aitcin [2] рекомендует использовать для получения высокопрочного бетона мелкий заполнитель с более высоким модулем крупности около 3,0. В соответствии с представлениями этого автора:

- в бетонной смеси содержится большое количество мелких частиц цемента и пуццолановых добавок, поэтому мелкие частицы заполнителя не улучшают удобоукладываемость смеси;

- использование крупного песка требует меньшего количества воды для обеспечения высокой удобоукладываемости смеси;

- при перемешивании крупного песка снижается коагуляция цементного теста.

При выборе заполнителя необходимо учитывать следующие рекомендации [2]:

а. должна обеспечиваться плотная и компактная упаковка частиц крупного заполнителя для снижения пористости бетона.

б. для получения бетона с прочностью до 70 МПа необходимо применять крупный заполнитель с максимальным размером 20- 28 мм.

в. для получения бетона с прочностью до 100 МПа размер крупного заполнителя от 10 до 20 мм.

г. для получения бетона с прочность более 125 МПа рекомендуется применять крупный заполнитель от 10 до 14 мм.

Анализ данных различных исследователей показывает, что для получения высокопрочного бетона необходимо соблюдение некоторых условий, приведенных на рис. 2.

Рисунок 2. Различные способы получения высокопрочного бетона [20]

Таким образом, согласно рис. 2 основные условия получения высокопрочного бетона заключаются в создании прочной цементной матрицы, использовании заполнителя с оптимальной гранулометрией и прочностью, обеспечении высокой прочности контактной зоны цементной матрицы и заполнителя.

Рассмотрев особенности технологии получения высокопрочных бетонов (рис.2 и табл. 2) можно сформулировать основные правила, позволяющие существенно улучшить прочностные и другие эксплуатационные свойства бетона:

- повышение однородности бетона за счет полного или частичного удаления крупного заполнителя;

- снижение внутренних напряжений за счет замены крупного заполнителя мелким;

- повышение плотности бетона за счет оптимизации гранулометрического состава и достижения максимальной плотности упаковки частиц;

- снижение усадочных деформаций и улучшение структуры бетона за счет применения минеральных добавок;

- повышение темпов набора прочности в результате применения цемента с низким содержанием алюминатных фаз, микрокремнезема и тепловой обработки;

- улучшение вязкости разрушения бетона за счет использования фибры.

Важными фактором распространения высокопрочных бетонов в строительной практике является выявление условий их эффективного применения. Повышение прочности бетона позволяет снизить сечение строительной конструкции, что актуально для колонн, работающих на сжатие. Для сохранения устойчивости этих конструкций из высокопрочного бетона они должны исполняться в коробчатом, двутавровом и других эффективных сечениях. Для конструкций, работающих на изгиб, оптимизация геометрии сечения имеет еще большее значение.

Повышение деформативно-прочностных характеристик высокопрочного бетона приближают этот материал к стали, что увеличивают эффективность его использования в комбинированных сталебетонных конструкциях. В последние годы увеличилось применение таких конструкций в виде трубобетона. Преимуществом таких конструкций является снижение их стоимости за счет применения несъемной опалубки, которая в конструкции играет роль арматуры. Использование для производства трубобетонных конструкций самоуплотняющегося бетона значительно упрощает технологию бетонирования.

Рациональными областями применения высокопрочных бетонов являются технология монолитных железобетонных покрытий с применением стального профилированного настила в качестве несъемной опалубки и внешней арматуры плиты, технология напорных железобетонных труб со стальным сердечником [20, 21].

Опыт зарубежных исследователей показывает, что высокопрочные бетоны находят применение при изготовлении тонкостенных фибробетонных конструкций, в частности изделий из архитектурно-декоративного бетона, а также могут применяться при строительстве различных инженерных сооружений – резервуаров для нефте- и газохранилищ, морских сооружений, взлетно-посадочных полос аэродромов, мостов, конструкций для сейсмического строительства и т.д. [2, 3, 20].

Выводы:

Проанализированы особенности технологии высокопрочных бетонов, формирования их структуры, и возможности снижения стоимости бетона. Произведен анализ возможных областей применения высокопрочных бетонов в строительстве.

Установлено, что основные условия получения высокопрочного бетона заключаются в создании прочной цементной матрицы, выборе заполнителя, обеспечении высокой прочности контактной зоны цементной матрицы и заполнителя. Выявлены основные методы повышения прочности бетона.

Читайте также: