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:

1. доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов;
2. 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 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.

Рис. 1. Проницаемость бетонов для воды, воздуха и ионов хлора (Цемент = 400 кг/м3, В/Ц = 0,38)

  Морозостойкость не ниже, чем у обычных бетонов, а при дополнительном использовании воздухововлекающих или газообразующих добавок доводится до марок F800-F1000 (рис. 2).

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

Температура твердения бетона	Прочность, МПа, в течение...
	4 ч	6 ч	8 ч	12 ч	16 ч	24 ч	3 сут	7 сут	24 сут
10°С	0	0	0	0	2	13	45	62	91
20°С	0	0	2	5	12	29	50	65	94
30°С	0	5	15	30	39	50	65	78	96
45°С	0	14	28	40	48	62	78	88	100

  Как известно, эта особенность бетона существенно влияет на скорость продвижения щита. При температуре 300°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 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

Расположение путепровода	Основные компоненты бет. смеси, кг/м3			Осадка конуса, см после…мин		Прочность на сжатие, МПа		Водоне- проницае- мость, 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

  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).

Рис. 3. Изменение пластичности бетонных смесей во времени (Цемент = 400 кг/м3; В/Ц = 0,38)

  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 МБ-01». Бетон и железобетон №5, 1997 г. стр. 38-41.