Бетоны нового поколения для подземных сооружений.
С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд
ABSTRACT: Modified concrete for underground structures based on application of complex modifier MB-01 and ordinary portland cement are presented. This concrete characterised 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:
- доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов;
- 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 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/м3, 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 бетонв 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. Марка по водонепроницаемости выше W16. Морозостойкость не ниже, чем у обычных бетонов, а при дополнительном использовании воздухововлекающих или газообразующих добавок доводится до марок F700-F1000. 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.
| Температура твердения бетона |
Прочность, МПа, в течение… | ||||||||
| 4ч | 6ч | 8ч | 12ч | 16ч | 24ч | 3 сут | 7 сут | 28 сут | |
| 10°C | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 13 | 45 | 62 | 91 |
| 20°C | 0 | 0 | 2 | 5 | 12 | 29 | 50 | 65 | 94 |
| 30°C | 0 | 5 | 15 | 30 | 39 | 50 | 65 | 78 | 96 |
| 45°C | 0 | 14 | 28 | 40 | 48 | 62 | 78 | 88 | 100 |
В тал. №1 приведена кинетика твердения бетонов в зависимости от температуры при устройстве монолитно-прессованной обделки. Как известно, эта особенность бетона существенно влияет на скорость продвижения щита. При температуре 30°С 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 водонепроницаемостине ниже W20.
| Расположение путепровода | Основные компоненты бет. смеси, кг/м3 | Осадка конуса, см после…мин | Прочность на сжатие, МПа | Водонепро- ницаемость, W |
Морозо- стойкость, F |
||||
| Ц | МБ-01 | В | 10 | 90 | 7 сут | 28 сут | |||
| 1. Пересечение МКАД со Смоленским направлением ж.д. | 480 | 48 | 190 | 22-24 | 22-24 | 50 | 67 | W18 | F200 |
| 2. Пересечение МКАД с Дмитровским направлением ж.д. | 400 | 45 | 160 | 20-22 | 20-22 | 40 | 55 | W18 | F300 |
В табл. № 2 приведены характеристики бетонных смесей и бетонов, использованных при устройстве буронабивных столбов методом ВПТ на строительстве путепроводов на Московской кольцевой автодороге. Условия эксплуатации конструкции характеризовались наличием сильно агрессивной (по содержанию сульфатов и хлоридов) 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. 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 подземных сооружений показала, что модифицированные бетоны обладают комплексом свойств, которые позволяют обеспечить долговечность и эксплуатационную надежность сооружений в условиях агрессивного воздействия грунтовых вод, не усложняя технологию производства бетонных работ.
Литература.
- Каприелов С.С. «Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов». Бетон и железобетон №4, 1995 г., стр.16-20.
- 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.
- Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Батраков В.Г. «Комплексный модификатор МБ-01». Бетон и железобетон №5, 1997 г. стр. 38-41.
 |