Transcript
НОВЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ ВЫСОКОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ Современное строительство немыслимо без бетона. Более 4 млрд м 3 в год таков сегодня мировой объем его производства. Он применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой, имеет неограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость. К этому следует добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность технологии, возможность широкого ис пользования местного сырья и утилиза ции техногенных отходов при его изготовлении, малую энерго емкость, эколо гическую безопасность и эксплуатационную надежность. Именно поэтому бетон, без сомнения, останется основным конструкционным материалом и в обозримом будущем. В. Р. Фаликман, действительный член РИА, профессор Национального исследовательского университета МГСУ, член Бюро RILEM Последние десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. В эти годы появились и получили широкое распространение новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, активные минеральные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологические приемы и методы получения строительных композитов. На рубеже столетия существенно обога тились наши представления о структуре и свойствах бетона, о процессах структурообразования, на новый уровень вышли физико-химические исследования, появилась возмож ность прогнозирования свойств и актив ного управления характеристиками материала, успешно развивается компьютерное проектирование бетона и автоматизированное управление технологическими процессами. Все это позволило не только создать и освоить производство новых видов бетона, но и зна чительно расширить номенклатуру при меняемых в строительстве материалов. Сегодня исследуются и суперлегкие теплоизоляционные (с объемной массой около 100 кг / м 3 ), и высокопрочные конструкционные (с прочностью на сжатие свыше 200 МПа) композиты. Бетон все шире исполь зуется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и дру гих видах строительства, дает новый импульс для создания гибридных, слоистых, тонкостенных, профильных и других видов строительных конструкций нового поколения. Теоретическими предпосылками синтеза прочности и долговечности высококачественных строительных композитов является более полное использование энергии портландцемента или другого гидравлического вяжущего, создание оптимальной микроструктуры цементного кам ня, уменьшение макропористости и повышение трещиностойкости, упроч нение контактных зон цементного кам ня и заполнителя за счет направленно го применения комплекса эффектив ных химических модификаторов, высокодисперсных силикатных материалов с аномальной гидравли ческой активностью, расширяющих добавок с регулируемой энергией на пряжения, а также интенсивной технологии производства. Наиболее полно современные возможности технологии бетона отразились в создании и производстве высококачественных, высокотехнологичных, высокофункциональных бетонов (High Performance Concrete, HPC). Под этим термином, принятым в 1993 г. совместной рабочей группой ЕКБ / ФИП, объедине ны 7 8 многокомпонентные бетоны с высоки ми эксплуатационными свойствами, прочностью, долговечностью, адсорб ционной способностью, низким коэф фициентом диффузии и истираемостью, надежными защитными свойства ми по отношению к стальной армату ре, высокой химической стойкостью, бактерицидностью и стабильностью объема. Высококаче ственные бетоны, приготавливаемые из высокоподвижных и литых бетонных смесей с ограни ченным водосодержанием, имеют прочность на сжатие в возра сте двух суток МПа, в возрасте 28 суток МПа, морозостой кость F600 и выше, водонепроницае мость W12 и выше, водопоглощение менее 1 2 % по массе, истираемость не более 0,3 0,4 г / см 2, регулируемые по казатели деформативности, в том чис ле с компенсацией усадки в возрасте суток естественного твердения, высокую газонепроницаемость. В реаль ных условиях прогнозируемый срок службы такого бетона превышает 200 лет, достигая фантастической цифры в 500 лет, что подтверждается исследова ниями японских ученых. Новые методы проектирования железобетонных конструкций по параметрам долговечности в той или иной степени учитывают требования концепции НРС. Объективно это и требования современного рынка бетона, нацеленные на всемерное снижение эксплуатационных затрат и инвестиционных рисков при строительстве сложных инженерных объектов. Появление высокофункциональных бетонов открыло новую эру в строительстве. Их уникальные свойства позволили реализовать такие строительные проекты, о которых еще сравнительно недавно трудно было даже мечтать. Достаточно упомянуть тоннель под Ла-Маншем, 125 этажный небоскреб в Чикаго высотой 610 метров, мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом 1990 метров (мировой рекорд 1990 года). Мост через пролив Нордамберленд в Восточной Канаде длиной 12,9 км сооружен на опорах, которые на глубину Платформа для добычи нефти на месторождении Тролл в Северном море, Норвегия Акаси-Кайкё висячий мост, пересекающий пролив Акаси и соединяющий город Кобе на острове Хонсю с городом Авадзи на острове Авадзи, Япония более 35 м погружены в воду. При крайне суровых условиях эксплуатации (ежегодно бетон подвержен 100 циклам замораживания и оттаивания) конструкции этого моста рассчитаны на срок службы 100 лет. Выдающимися примерами реализации концепции НРС являются построенная в 1995 году в Норвегии платформа для добычи нефти на месторождении Тролл в Северном море высотой 472 метра, рассчитанная на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м при сроке эксплуатации платформы 70 лет, аналогичные платформы на океаническом шельфе Северного Ледовитого океана в км от берегов Аляски, эксплуатирующиеся в зоне сплошного многолетнего ледового покрова, подвижки которого развивают огромные срезающие усилия, и другие уникальные сооружения. В России такие бетоны нашли широкое применение при строительстве новых торгово-рекреационных комплексов (Манежная площадь, площадь Курского вокзала), коллекторов для инженерных сетей, транспортных тоннелей (проспект Мира, Ленинский проспект, Кутузовский проспект и др.), путепроводов и развязок МКАД, высотных зданий («Смоленский пассаж», «Реформы», комплекс «Москва-Сити»), а также целого ряда специальных сооружений. За последние 10 лет из высококачественных бетонов изготовлено более 1 млн м 3 конструкций. Не случайно работа большого коллектива сотрудников НИИЖБ и их коллег из ЗАО «Полимод», МГСУ, Мосинжбетона и Министерства обороны России отмечена премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники. Поиск определения, адекватного этому типу бетона нового поколения, имеет принципиальное, философское значение [1]. С. Форстер [2] определяет HPC как «бетон, приготовленный согласно проектному составу из надлежащих материалов, должным образом перемешанный, транспортированный, уложенный, уплотненный и выдержанный таким образом, что в результате будет обеспечено его высочайшее качество в конструкции, в которой этот бетон будет эксплуатироваться в окружающей среде, с учетом нагрузок, предполагаемых его проектным жизненным циклом». Концепция НРС была достаточно подробно разработана П. К. Айчином [3]. Он описывает НРС как «инженерный» бетон, в котором одно или несколько из его специфических свойств улучшены путем обоснованного отбора компонентов, проектирования состава, а также тщательных укладки и ухода. В ходе дискуссии при обсуждении термина HPC Айчин и Невилл [4] подчеркивали, Строительство башни «Восток» комплекса «Федерация» в Московском международном деловом центре БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ 2 7 9 что «в практическом применении этого типа бетона акцент во многих случаях постепенно переходит от прочности на сжатие к другим свойствам материала, таким как высокий модуль упругости, высокая плотность, низкая проницаемость и высокая коррозионная стойкость». Наиболее общепринятое определение НРС приведено в руководящих материалах Американского института бетона ACI [5]. Согласно этому определению, высокофункциональный бетон (НРС) бетон, соответствующий специальным требованиям к функциональности и универсальности, которые не могут быть всегда достигнуты в обычном порядке только путем использования традиционных компонентов, методов смешивания, укладки, ухода и твердения. Испытания самоуплотняющейся бетонной смеси Эти «специальные требования» могут быть расширены характеристиками укладки и уплотнения без сегрегации, долговременными характеристиками, требованиями к ранней прочности и стабильности объема, параметрами коррозионной стойкости в тех или иных средах и долговечности. Многие из этих требований обеспечиваются при повышении прочности бетона. Поэтому НРС чаще всего бетоны высокой прочности, но далеко не всегда высокопрочные бетоны отвечают требованиям НРС. Более того, в ряде случаев к НРС вовсе не предъявляются требования по высокой прочности, например, для отдельных массивных конструкций. Разработка специальных цементов для высокофункциональных бетонов и новые технологии открыли принципиально новые возможности синтеза прочности и обеспечения других эксплуатационных характеристик. Достаточно упомянуть DSPкомпозиты (уплотненные системы, содержащие гомогенно распределенные ультрамалые частицы), МDF-цементы (цементы, свободные от макродефектов), цементные материалы с пониженным содержанием пор (PRC) [6]. Использование полученных результатов на макроуровне привело к развитию концепции реакционных порошковых композитов (RPC). Реакционные порошковые композиты специальные высокопрочные фибронаполненные тонкозернистые бетоны с высоким содержанием микрокремнезема и химических добавок, прежде всего, суперпластификаторов. Согласно литературным данным, прочность на сжатие таких систем может достигать МПа, а прочность на растяжение при изгибе 100 МПа. При этом для получения композитов с прочностью около 200 МПа достаточно простого выдерживания приготовленных растворов при температуре около o С, а для синтеза особовысокопрочных материалов необходима специальная техника и температура около 400 o С. Новые амбициозные проекты в сфере строительства, такие, например, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других, обусловили необходимость использования в большом объеме особо высокоподвижных нерасслаивающихся смесей. Зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья, в море. Кроме этого, еще одним непременным условием строительства стало сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также ускоренный набор прочности в ранние сроки. Решению этих задач способствовали теоретические исследования и практический опыт, связанные с применением мультифракционных заполнителей для получения высокопрочного бетона, введением в бетонную смесь микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала, управлением реологией высокоподвижных бетонных смесей, созданием новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона. Самоуплотняющиеся бетонные смеси, формирующие на любом участке бетонируемой конструкции плотный, бездефектный бетон только за счет собственного Kai Center, Bürogebäude (1996 г.), Дюссельдорф (Германия) веса, без применения уплотнения за счет вибрации, разработанные в последнем десятилетии прошлого века, сконцентрировали все эти достижения бетоноведения. Использовать для семейства новых бетонов новый термин предложил в 1986 году проф. Х. Окамура (Япония). Самоуплотнение обусловливает не только обеспечение высокой деформативности цементно-песчаной матрицы, но и высокое сопротивление сегрегации, или расслоению между крупным заполнителем и растворной частью, при перемещении бетонной смеси через участки конструкций с высокой концентрацией арматурных стержней. Бетонная смесь для самоуплотняющегося бетона характеризуется низким водоцементным отношением 0,38 0,4, при этом достигая очень высокого показателя удобоукладываемости до 70 см по расплыву конуса. Прочность получаемого бетона часто превосходит 100 МПа. Самоуплотняющийся бетон получил широкое распространение при возведении самых разных сооружений сводов и арок в тоннелях, метрополитенов, автострад, мостов, атомных электростанций. Применение самоуплотняющихся бетонов (СУБ) при строительстве особенно выигрышно в зонах ограниченного доступа, где вибрационное уплотнение затруднено, а также в комбинированных сталебетонных конструкциях сложной геометрии. Перспективным также является их использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкрет-бетонирования, реставрации и усиления конструкций. Снижение материалоемкости и уменьшение массы строительных конструкций без потери их несущей способности и других 8 0 эксплуатационных свойств являются одними из основных факторов повышения эффективности строительства, особенно высотного. Практическим способом достижения этих целей является создание и применение легких бетонов с повышенными показателями конструктивного качества, т. е. с бóльшим по сравнению с традиционными легкими бетонами относительным показателем прочности на единицу средней плотности [7]. Согласно современным представлениям, легкие бетоны могут быть отнесены к высокопрочным в том случае, если выполняются условия уравнения (1): f lck / ρ tr 25 (1), где f lck прочность при сжатии, Н / мм 2 ; ρ tr плотность бетона в сухом состоянии, кг / дм 3. Если принять во внимание, что EN 206 1:2005 «Бетон Часть 1: Общие технические требования, эксплуатационные характеристики, производство и критерии соответствия» устанавливает для легких бетонов диапазоны плотности от 1,1 до 2,0 кг / дм 3, а по прочности предполагает изготовление легких бетонов классов от LC 8 / 9 до LC 80 / 88 (прочности в цилиндрах и кубах), становится понятным то разнообразие свойств материалов, которое определяет этот сравнительно новый вид бетонов. Нефтяная платформа «Хейдрун» (Heidrun), Норвежское море, Норвегия Первые здания и сооружения из высокопрочных легких бетонов были возведены в Германии в конце 60 х начале 70 х годов прошлого столетия. Наиболее интересным стал проект строительства моста Дюккерхофф в Висбадене, где в преднапряженном железобетоне был использован легкий бетон с классом по прочности LB 35 и плотностью в сухом состоянии 1,6 кг / дм 3. Поистине знаковым для бетоноведения стало применение монолитных бетонов класса LC 35 / 45 с плотностью 1,35 кг / дм 3 при возведении южных фасадов Кайцентра в Дюссельдорфе. Этот бетон выполняет одновременно конструктивные, декоративно-архитектурные и теплоизоляционные функции. Своеобразный рекорд прочности легкого бетона, уложенного в реальных конструкциях 75 МПа при плотности 1,75 кг / дм 3, принадлежит норвежским специалистам, использовавшим такой бетон при строительстве нефтяной платформы «Хейдрун». Аналогичные работы достаточно широко ведутся и в России. Их реальное развитие стало возможным, когда в арсенале технологов появилась возможность широкого применения активных минеральных добавок, и прежде всего, микрокремнезема и метакаолина. Пожалуй, нигде так ярко не проявляются многообразные свойства бетона как композиционного высокофункционального материала, как в специальных бетонах. Здесь представлена вся палитра строительно-технических свойств: особо высокопрочные, особо высокоплотные, особо быстротвердеющие, кислото- и жаростойкие, радиоэкранирующие и радиоизолирующие и многие другие [6]. Развитая в последние годы техника прессования порошков может придать дополнительный импульс созданию электропроводящих бетонов. Традиционно получение таких бетонов было связано с введением в бетонную смесь в качестве наполнителя или заполнителя частиц проводников: графитсодержащих материалов или металлических порошков, что позволило, например, расширить номенклатуру дешевых электронагревателей, особенно для протяженных пространств (полы, стены гаражей, стоянок и спецсооружений). Однако определенная нестабильность свойств, связанная с повышенным влагосодержанием, блокированием электропроводящих частиц продуктами гидратации, а также проблемы обеспечения высокой начальной прочности и плотности таких бетонов значительно ограничивают область их применения, тем более, что использование добавок-электролитов в этом случае крайне нежелательно. Современные тенденции совершенно очевидны: использование смешанных вяжущих с контролируемой дырочной проводимостью на основе силикатов кальция и применение сухого прессования материалов под высоким давлением с последующей обработкой паром или кипящей водой без снятия давления. В этом случае удается получать электропроводящие бетоны, сравнимые по своим физико-механическим и электрическим характеристикам с обычно применяемой керамикой. Достаточно сказать, что прочность таких бетонов изменяется в пределах от 150 до 300 МПа, остаточная влажность не превышает 4 %, а электросопротивление легко варьируется в пределах от 600 ом-см до 6 Мом-см при абсолютно стабильной электропроводящей структуре. Специальный высококачественный высокофункциональный бетон с низким тепловыделением был разработан для подземных хранилищ радиоактивных отходов. Этот бетон имеет прочность на сжатие выше 75 МПа в возрасте 28 суток, обнаруживает максимальное увеличение температуры только на 15 o С в процессе гидратации и волюмометрически стабилен. «Бетон, передающий свет» (Light Transparent Concrete) Активные способы воздействия на величину усадочных деформаций основаны на использовании расширяющих добавок, при введении которых в портландцемент или бетон при их твердении происходит увеличение линейных размеров (бетон с компенсированной усадкой, самонапрягающий бетон). Применение таких добавок в высокофункциональном бетоне позволяет обеспечить высокую водонепроницаемость, трещиностойкость и долговечность конструкции. Неорганические расширяющие добавки, которые в настоящее время находят широкое применение в бетонах с компенсированной усадкой, можно разделить на три основные группы: алюминатно-сульфатные, алюминатно-оксидные и оксидные. Последние годы в мировой строительной практике ознаменовались разработкой и практическим применением эффективных органических добавок, компенсирующих усадку (OSRA), к которым относятся гидроксилсодержащие оксиэтилированные или оксипропилированные производные алифатических спиртов, получаемые в строго контролируемых условиях, что обеспечивает их постоянный химический состав. Это выгодно отличает органические расширяющие добавки от традиционных расширяющих добавок неорганической природы [8]. Изобретенный в 2001 году, «бетон, передающий свет» (Light Transparent Concrete), БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ 2 8 1 Церковь Dives in Misericordia в Риме, Италия прозрачный бетон появился на строительном рынке к концу 2004 года. Он уже нашел применение в нескольких крупных архитектурных проектах. Концепция «прозрачного бетона» внешне очень проста. Тысячи оптических стекловолокон формируют проводящую матрицу и располагаются параллельно друг другу между двумя основными поверхностями каждого блока. Доля этих волокон составляет 4 5 % объема мелкозернистого бетона высокого качества. Прозрачность материала обеспечивается тем, что стекловолокна несут свет от одной лицевой поверхности блока к другой в виде небольших точек. Тени на более светлой стороне изделия или конструкции проявляются на более темной с острыми очертаниями. Стены становятся люминесцентными и оживляются тенями, даже цвета остаются теми же самыми. Этот специальный эффект создает общее впечатление, что толщина и массивность бетонной стены исчезают. Теоретически конструкция стены, построенной из передающего свет бетона, может иметь толщину в несколько метров, так как работа волокон обеспечивает светопередачу почти без потерь в свете на расстояние до 20 метров. Блоки могут иметь различные размеры и выполнять теплоизоляционные функции. Из этих блоков могут быть также реализованы конструкции, работающие под высокой нагрузкой, так
