Сверхпрочный бетон нового поколения

Что такое высокопрочный бетон?

На сегодняшний день искусственный стройматериал занимает одно из лидерских мест в строительной отрасли. Современный высокопрочный бетон различных марок несколько отличается от давно привычных нам бетонов. Он обладает гораздо лучшими высокопрочными свойствами, нежели «старые» смеси. Сооружения из высокопрочного бетона выходят крепкими, надежными, способными служить на пользу людям много десятков лет.

Что собой представляет материал?

Высокопрочным бетоном называют тяжелые, мелкозернистые смеси марок М600-М1000, минимальная прочность на сдавливание которых равняется В60 и выше. Применение высокопрочных растворов позволительно для строительства различных уровней сложности. Любой архитектурный проект можно воплотить в реальность при помощи такого стройматериала.

Высокопрочный бетон отлично взаимодействует с крепким армирующим материалом. Их тандем высоко ценится и пользуется широким спросом у мастеров, особенно при возведении железобетонных строений. Наборные железобетонные сооружения возводятся на тяжелых бетонах марок 400-500. Применение стройматериалов больших марок разрешает уменьшить массу строений, сократить диаметр в разрезе, изготовить максимально подходящие по параметрам изделия.

Высокопрочные бетоны, склонные к стремительному застыванию, способны практически в таких же темпах повышать свой уровень крепости. Это позволяет значительно уменьшить время паровой обработки бетонных конструкций при их производстве, а иногда и вовсе отказаться от данной манипуляции.

Низкий уровень деформирования в высокопрочном бетоне при краткосрочных либо довольно продолжительных нагрузках увеличивает твердость конструкционных деталей, способствует уменьшению расползания стройматериала. Высокопрочному бетону свойственна та же интенсивность усадки, что и раствору со средней прочностью.

Составляющие компоненты

От входящих в состав ингредиентов требуется наделить строительную смесь необходимыми свойствами при самых малых расходах сырьевых материалов. Основа состава высокопрочных бетонов состоит из вяжущих веществ, песка, крупных наполнителей.

Вяжущее материалы

Как правило, роль вяжущих компонентов для такого рода бетонов выполняют наиболее активные портландцементы определенной консистенции. Профессионалы советуют использовать вяжущие с густотой 25-26 % и минимальной активностью 500-600. Высокопрочный бетон следует готовить на основе портландцементов с повышенной активностью. Благодаря ускоренным темпам приобретения бетонами прочности нет необходимости в применении разных примесей, убыстряющих застывание раствора.

Создание высокопрочных строительных смесей не обходится без добавления крупных либо мелких кварцевых полевошпатовых песков. Кристаллики крупных марок песка идут 1,25-5 мм шириной, песчинки мелких сортов — 0,14-0,63 мм. Чтобы строительная смесь лучше ложилась во время стройки, при ее изготовлении мелкого песка добавляют больше, нежели крупного. Но иногда эту пропорцию выравнивают.

Некоторые марки сверхпрочного бетона (вплоть до 800) изготавливаются из чисто крупных либо средних сортов песка. Однако в этом вопросе следует соблюдать рамки, указанные госстандартами.

Крупный заполнитель

Крупным наполнителем в подобных строительных смесях служит щебенка. Крепость на сжатие сего заполнителя при повышенной влажности должна быть минимум в полтора раза больше, нежели у бетонного раствора. Перед использованием щебенку следует отсортировать, очистить от отмучиваемых частиц. Ширина отсортированных песчинок должна варьироваться по фракциям: 5-10, 10-20, 20-40 мм.

Сорт щебня подбирают под нужную ширину бетонного изделия, а также под тип используемой арматуры. Для слабо армированных сооружений с толстыми стенами используют материал с заполнителем, крупность которого составляет до 70 мм. Наполнитель, применяемый при изготовлении высокопрочного состава, должен быть сухим, отвечать всем запросам ГОСТ.

Тонкомолотые добавки

В высокопрочный бетон принято добавлять кремнеземную пыль. Но бетоны, прочность которых составляет C 55/67, C 60/77, могут обойтись без этой силикатной добавки. Кремнеземная пыль появляется при очищении газообразной отработки во время производственных процессов кремния.

Силикатная пыль действует внутри бетонных составов по трем направлениям:

  • заполнение свободных пространств между цементными кристаллами, тем самым наделяя бетонное изделие гораздо большей плотностью;
  • пуццолановое взаимодействие с гашеной известью, обеспечивающее рост прочности цементного раствора;
  • • улучшение взаимной реакции между песком и цементом.

К основным составляющим высокопрочного бетонного раствора могут также добавляться пластификаторы химического происхождения.

Характерные свойства

Современные бетонные смеси с повышенной крепостью обладают массой свойств, положительно сказывающихся на эксплуатации готовой продукции. Мастера отделяют характеристики бетонного раствора от свойств уже готовых монолитов.

Показательные характеристики жидкого раствора

Главными эксплуатационными параметрами бетонной смеси являются:

  • плотность от 1,0 до 1,4;
  • плывучесть с деформацией конуса от 65 до 70 см;
  • содержание всего 1 % кислорода;
  • мизерные показатели расслоения;
  • минимальные сроки поддержания реологических качеств — 3-4 часа.

То, что растворы могут сохранять свои качества на протяжении некоторого времени, дает им большой плюс. Ведь при перевозке дорога от места производства до строительной площадки может длиться не один час. Большую роль играет консистенция раствора. Она должна быть идеально однородной, иначе есть риск расслоения, и как итог, утеря характерных качеств застывшего стройматериала.

Параметры застывших бетонных монолитов

Среди показательных свойств бетонного камня выделяют:

  • прочность на сдавливание, варьирующаяся от 50 до 100 МПа, а также на растягивание во время загибания — минимум 4 МПа;
  • уплотненность и пористость;
  • износостойкость;
  • устойчивость к минусовым температурам минимум F400 и водонепроницаемые способности от W10;
  • впитывание влаги максимум 1 %;
  • малый процент искривления.

К сожалению, повышенная плотность бетонов такого рода из-за высокого давления при взаимодействии с влагой может привести к образованию микроскопических разрывов в материале. Строительную смесь с повышенной плотностью желательно наделить умеренной пористой структурой, которая исполнит роль смягчителя для лишней энергии и напряжения во время тепловыделения при застывании.

Производство сверхпрочного композита

Во время изготовления подобных материалов главное – добиться нормальной удобоукладываемости композита на протяжении всего строительного процесса. Достичь этой цели возможно при выполнении следующих условий:

  • непрерывное наблюдение за уровнем влажности наполнителей;
  • соблюдение четких дозировок согласно рецептуре;
  • использование для смешивания высокоскоростных смесительных устройств;
  • четкая последовательность закладки ингредиентов внутрь смесителя, установление положенного времени смешивания для каждого компонента;
  • если бетон покупной, то нужно узнать сроки начала его застывания, сопоставить их со временем, требуемым для перевозки, монтажа стройматериала, и если нужно, домешать в состав веществ, замедляющих твердение;
  • соблюдение правильных добавочных пропорций пластификатора на месте строительства.

Заметим, что для сверхпрочных смесей лучше использовать материалы с повышенной активностью, потому как их несложно перекачивать посредством бетонной помпы. От правильности ухода за бетоном зависит его качество. Материалу следует обеспечивать влажную обработку на протяжении трех суток. Это гарантирует устойчивость готового продукта к различным негативным факторам, а также долгий срок службы.

Дабы не наделать промахов во врем изготовления, монтажа и ухода за композитом, специалисты советуют набросать схему действий, контролирующих все вышеперечисленные процессы. Здесь должны присутствовать такие пункты:

  • контроль от лица производителя стройматериала: отслеживание характеристик и качества сырья, технических способностей, исправности производственного оборудования; выявление характерных параметров готовой смеси и предполагаемых отклонений;
  • контролирование от лица покупателя, использующего бетон;
  • меры при несоответствии желаемым требованиям;
  • выявление ответственных особ.

Вернуться к оглавлению

Области применения

Высокопрочные композиты используются, как правило, в случаях, где есть нужда в снижении размеров и веса сооружения, а также требуется повышение коэффициента прочности конструкции. К этим случаям относятся:

  • постройка многоуровневых конструкций;
  • возведение мостов и иных транспортных сооружений;
  • строительство складов для хранения радиоактивного утильсырья;
  • заливка полов внутри масштабных промышленных сооружений;
  • постройка иных особых объектов.

Технология производства сверхпрочного бетона своими руками

По желанию строители могут изготовить бетонный раствор своими руками, при этом необязательно иметь профессиональные навыки. Но приготовление сверхпрочного бетона все-таки требует определенных знаний в строительстве, поскольку такого качества раствор обычно используют для возведения ответственных элементов здания: фундамента, стен, крыши, стяжки пола. Актуально собственноручное замешивание бетона в случае, когда требуется небольшое количество рабочей смеси, например, при необходимости залить ступеньки для лестницы либо вывести дорожку во дворе.

Маркирование

В зависимости от прочностных характеристик определяется марка бетонного раствора.

Так, не слишком прочный маркируется М100 и применяется для укладки дорожного полотна. Смесь с цифровым показателем «150» пригодна для заливки промышленного бетонного пола и стяжки. Чаще в строительной сфере применяется бетон марки М200. Это отличное решение для формирования несущих конструкций. Такой раствор имеет прекрасное соотношение прочности и стоимости, что делает его популярным как в частном, так и в крупномасштабном строительстве. Хорошей прочностью отличается бетон марки 250, на основе которого застройщики часто возводят фундаменты.

Материал более высоких марок целесообразно использовать при производстве балок.

А вот для возведения сложных конструкций строители прибегают к высокопрочным маркам бетона, например, М350. С его помощью строят балки, на которых приходится повышенная степень нагрузки, а также здания спецназначения на промышленных предприятиях. Существуют и еще крепче бетоны — М450 и 500, которые нашли применение при возведении мостовых конструкций, гидротехнических сооружений и прочих конструкций со спецтребованиями.

Что входит в состав?

В качестве основы

Основным компонентом бетона выступает цемент. Он связывает остальные составляющие воедино и определяет технические свойства готового раствора. Так, частным строителям подойдет цемент М500 либо портландцемент, который обладает прекрасной адгезией и лучше подходит для строительства при низких температурах. Чтобы приготовить сверхпрочный бетон, цемент потребуется сухой и сыпучий. Категорически не рекомендуется брать немаркированный, отсыревший либо уцененный материал.

Песок для такого материала не должен быть слишком мелкий.

Еще одним немаловажным ингредиентом является песок. Для изготовления сверхпрочного раствора нужно подготовить фракцию >1 мм и лучше, если песчинки будут равномерными с разностью в размере не более 2 мм. Перед добавлением песка, его очищают от строительного мусора, скопления различных частей отмерших растений и прочих посторонних примесей, которые со временем пагубно сказываются на прочности бетонной смеси. Опытные строители предпочитают использовать речной песок.

Отличным заполнителем сверхпрочного бетонного раствора считается щебень или гравий. Если нужно сделать легкий бетон своими руками, то в качестве заполнителя лучше выбирать керамзит. При самостоятельном замешивании раствора рекомендуется взять заполнитель различных фракций, а чтобы повысить прочность бетона, то потребуется уделить внимание утрамбовке смеси. Завершающим компонентом раствора является вода. Для приготовления высококачественной рабочей смеси потребуется только чистая, питьевая вода.

Специальные добавки

При изготовлении сверхпрочного бетонного раствора многие строители используют вспомогательные компоненты, в числе которых:

Полипропиленовые волокна помогут сделать материал более крепким.

  • Пластификаторы. С их помощью бетон становится более вязким и текучим, что помогает быстрее и максимально полностью заполнить все пустоты. Это существенно ускоряет строительные работы и улучшает конечный результат.
  • Армирующие элементы. Сделают бетонный раствор прочнее различные армирующие вещества, например, ПВХ волокно или полипропиленовый материал.
  • Гидроуплонители. Делают рабочую смесь стойкой к воздействию излишка влаги.
  • Антиморозные добавки. Чтобы минусовые температуры не отражались на качестве бетона, при изготовлении массы своими руками нужно использовать специальные примеси, повышающие качество раствора и способности противостоять морозам.
Читать еще:  Саморезы по кирпичу без сверления отверстия

Как сделать своими руками: технология

Чтобы сделать бетон марки 200 и выше, понадобится следующий инвентарь и материалы:

Необходимый инвентарь для работы должен включать и бетоносмеситель.

  • песок;
  • цемент;
  • щебень;
  • спецдобавки;
  • строительный уровень;
  • бетономешалка;
  • лопата;
  • ведра.

Подготовив необходимые компоненты для высокопрочного бетона, приступают к замесу. Размешать компоненты своими руками будет сложно, поэтому лучше воспользоваться бетоносмесителем. В агрегат выливают воду, всыпают сначала цемент, перемешивают и добавляют остальные составляющие или же, наоборот, погружают в бетономешалку сухие ингредиенты и заливают водой. На последнем этапе высыпают пластификатор и тщательно размешивают раствор до однородной структуры. Пропорции для прочного бетона на 1 куб:

  • 1 доля цемента М 500—300 кг;
  • 2 ч. песка — 600—700 кг;
  • 2 части щебенки — 1100—1200 кг;
  • 0,7 ч. воды — 150—170 л.

Опытные застройщики рекомендуют добавлять в процессе изготовления сверхпрочного бетонного раствора всевозможные добавки, например, моющее средство для посуды «Фейри» (1 ч. л. на ведро). Этот неспецифический для строительства компонент улучшает подвижность рабочей смеси и за счет того, что позволяет уменьшить количество воды, повышает прочность бетона.

БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ч.1

В.И. Калашников,

С.В. Ананьев,

Ю.С. Кузнецов,

В.Л. Хвастунов,

М.Н. Мороз

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

бетоны нового поколения с низким удельным расходом

цемента на единицу прочности

1. Малоцементные пластифицированные бетоны с оптимальным соотношением молотых, очень мелких и средних песков в реологической матрице

Прогресс в технике высокопрочного бетона 70-80 г.г. ХХ века с прочностью на сжатие 50-70 МПа из жестких бетонных смесей переместился в область особовысокопрочных и сверхпрочных бетонов с прочностью на сжатие 100-200 МПа из нерасслаивающихся жидкотекучих бетонных смесей, с уменьшением предела текучести на 4-5 порядков по сравнению с уплотненными жесткими смесями. Этому способствовали три революционных этапа в эволюции бетона: изобретение супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП), тонкой и прочной фибры и плотных микропуццоланических добавок – микрокремнеземов (МК). Наиболее важное преимущество таких бетонов состоит в достижении ими прочности, превышающей в 1,5-1,6 раза прочность цементного камня из литой суперпластифицированной цементной суспензии с гиперпластификатором. Достижение низкой пористости, высокой прочности, равной 140-150 МПа, с обеспечением значительной трещиностойкости, малой усадки (хотя расход цемента достигает 600-700 кг/м 3 ) такого композиционного материала, в котором отсутствует свободная известь, открывает значительные перспективы для производства малоцементных щебеночных бетонов марок 200-500 с использованием принципов создания высокопрочных бетонов. Это чрезвычайно актуально для России, в которой высокопрочные и особовысокопрочные бетоны классов В100-120, практически не востребованы.

Мы считаем, что четвертым революционным этапом в технологии высокопрочных бетонов, являются реакционно-активные и реологически-активные минеральные порошки, в частности, каменная мука из молотых горных пород, без наличия которой в структуре реологической матрицы невозможно получение бетонов класса В120-150 и более из самоуплотняющихся бетонных смесей. Некоторые материаловеды не соглашаются с таким категоричным утверждением, но без каменной муки эффективные бетоны не будут изготавливаться в будущем вообще.

Это касается и бетонов, изготавливаемых из малопластичных, полужестких и жестких смесей для заводской технологии производства сборного железобетона. В бетонах повышенных марок до М600 и рядовых менее М400, по нашим исследованиям, содержание каменной муки доходит до 100% и более от массы цемента, а по объему – 110-120% с уменьшением расхода цемента до 150-200 кг/м 3 . Каменная мука или просто минеральные дисперсные наполнители издавна добавлялись в цементы и бетоны в количестве 10-30% при замене цемента без снижения прочности бетона и для улучшения отдельных свойств последнего. В высокопрочных бетонах с гиперпластификаторами при малых расходах цемента каменная мука добавляется нами к цементу в соотношении по массе 1:1,75÷1:2, а по абсолютному объему 1:2-1:2,5. Это уже не добавка, а преобладающий составной компонент вяжущего, определяющий реологию бетонов с СП и водоредуцирующий эффект в них. Важным реологическим компонентом щебеночных бетонов является очень мелкий песок фракции 0,1-0,6 мм, который заполняет пустоты в среднем или крупном песке. В бетонах без СП и ГП каменная мука и очень мелкий песок в таком количестве существенно понижают их прочностные показатели. Без каменной муки в пластифицированных бетонах невозможно новое качественное и количественное изменение структуры и значительный «скачок» прочности их.

Сухие реакционно-порошковые смеси, состоящие из цемента, МК, каменной муки и очень мелкого песка, из которых можно изготавливать высокопрочные (ВПБ) и особовысокопрочные бетоны (ОВБ), согласно нашим исследованиям [1], безусловно, в будущем станут бетонами нового поколения, когда материаловеды освоят технологию их производства, а конструкторы – методы их применения в конструкциях. Если говорить о настоящем времени, то сухие реакционно-порошковые бетонные смеси (СРПБС) – это не просто готовые смеси для высокопрочных бетонов, это самый эффективный вид композиционного вяжущего (цементирующая связка) для различного вида бетонов. В наибольшей степени, это композиционное вяжущее необходимо для бетонов марок М100-М600, производство которых в России достигает 98%. Можно с уверенностью утверждать, что в будущем цементное вяжущее будет заменяться на более прочное, более трещиностойкое сухое реакционно-порошковое вяжущее (СРПВ), исходя из целого ряда позитивных факторов. Сферы применения СРПБС и результаты использования их изложены в [1]. Однако, более поздние экспериментальные работы кафедры ТБКиВ позволили получить за счет изменения рецептуры уникальные бетоны нового поколения с высокими технико-экономическими показателями без использования нанометрических частиц микрокремнезема. Необходимо отметить, что мы не обнаружили сообщений ни в отечественной, ни в иностранной литературе о подобных бетонах.

В связи с этим не следует искать прорывных технологий в производстве бетона, в виде нанотехнологий. Прорывные микротехнологии бетонов уже «лежат на поверхности» с наивысшей технико-экономической эффективностью за всю историю развития бетона и дожидаются своей реализации.

Очень будет жаль тех материальных средств, потраченных на «прорывные нанотехнологии» для модификации наночастицами высокодефектных (макродефектных) бетонов «пробивными» специалистами, оставив вне внимания разработанные технологии малодефектных (нано- и микродефектных) высокопрочных, особовысокопрочных бетонов с повышенными расходами цементов и рядовых бетонов марок 200-500 с расходами цемента 150-210 кг/м 3 с использованием основных революционных достижений в эволюции бетонов.

Если говорить о выборе базового материала, следуя ТЭО нанотехнологий, рассмотренного в работе [2], то для бетонов базовой оценкой являются реакционно-порошковые и щебеночные бетоны нового поколения классов В120-150 с каменной мукой, плотными пуццоланическими добавками и с СП и ГП. Для цементов базовой оценкой их прочности в тесте нормальной густоты являются цементные реакционно-порошковые смеси для порошковых бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, равным 3-5 кг/МПа, водопоглощением по массе 0,5-1,0%!, морозостойкостью более 1000 циклов.

Строящиеся цементные заводы должны своевременно изменить свои приоритеты и не только производить портландцемент для широкого потребителя в больших объемах, но и запланировать производство СРПБС с установкой помольных линий. В структуре цементного завода для этого имеется все необходимое: сушильное оборудование, отходящие газы, помольное оборудование, силосные склады, упаковочные линии.

Сухие реакционно-порошковые смеси должны изготавливаться, как минимум, четырехкомпонентными: цемент, гиперпластификатор, дисперсный молотый наполнитель в виде каменной муки, тонкозернистый песок. В отдельных случаях должен использоваться микрокремнезем в количестве 5-25% к массе цемента.

Чем обусловлена высокая эффективность СРПБС по сравнению с портландцементами, даже высоких марок М550-600 Д0, которые практически не выпускаются в России? Во-первых, в обеспечении высокой текучести и взвешивающей способности, позволяющей не расслаиваться щебеночным бетонам. Во-вторых – в сбалансированности состава, при котором портландит силикатных клинкерных минералов связывается микрокремнеземом тончайшими частицами кремнеземсодержащих реакционно-активных горных пород. При этом «балластный» гидроксид кальция замещается в порах цементного камня высокопрочными гидросиликатами кальция.

Выбор молотого кварцевого песка или горных пород, содержащих кварц или кремнеземсодержащие стекла, наиболее желателен. Тончайшие частицы таких пород связываются с известью в ранние сроки, а более крупные – в поздние сроки твердения, что снижает долю стехиометрически необходимого микрокремнезема или вообще способствуют исключению его. Крупнокристаллический портландит превращается в нанометрический гидросиликат кальция. Молотые известняки, обладающие реологической активностью, но не реагирующие с известью, менее предпочтительны, особенно, для высокопрочных бетонов.

Химико-минералогический диапазон состава, используемой каменной муки, достаточно широк и требование сочетания в ней реакционно-химической и реологической активности может быть необязательным. Для бетонов марок М800-1000, мука может быть лишь реологически активной, например, из плотных и прочных известняков, доломитизированных известняков или доломитов. Для бетонов более высоких марок, хорошее сочетание реакционно-химической и реологической активности, выявлено нами в базальтовой, кварцево-дацитовой, гранитной, андезитовой муке и в ряде других молотых горных пород. Особое положение в ряду активностей занимает молотый кварцевый песок (наиболее распространенная порода во многих регионах), который в индивидуальном виде не обладает реологической активностью, но кардинально повышает ее в смеси с цементом в суспензиях с СП. Реологическая активность молотого кварцевого песка и других кислых пород «пробуждается» в смеси с цементом или с известью в результате перезарядки поверхности с отрицательной на положительную. Механизм перезарядки поверхности дисперсного кварца катионом кальция был выявлен нами в 80-х годах. Поэтому разработанная нами методика тестирования реологической активности каменной муки, предусматривает сравнение текучестей пластифицированных цементной суспензии и суспензий смешанного порошка из муки и цемента, взятых в соотношении 1:1÷1:2, при одинаковых дозировках гиперпластификатора. При этом определяется количество воды затворения.

Показателем реологической активности является водоредуцирующий эффект, вычисленный по водосодержанию контрольного и пластифицированных составов при одинаковых текучестях или одинаковых расплывах смеси из конуса Хагерманна (расплыв 25-30 см) или из цилиндра диаметром 50 мм и высотой 50 мм (расплыв 150±10 мм). Более высокий водоредуцирующий эффект суспензии на основе смеси цемента и муки по сравнению с цементной, является основным критерием, обеспечивающим получение высокопрочных бетонов. При этом суспензии должны обладать тиксотропным ресурсом продолжительного растекания (установленного нами в 80-х годах), не образовывать на поверхности розлива выступов и впадин, а капли суспензии, нанесенные на поверхность розлива, должны втягиваться в объемную фазу без образования полусферических или шаровых сегментных выступов [3].

Высокопрочные щебеночные бетоны М1000-М1500 получены нами из пластичных и жестких бетонных смесей. Более перспективно использование сухой реакционно-порошковой смеси для получения бетонов как высоких, так и низких марок.

Как указано выше в России 98-99% выпускаемых бетонов имеют марку до М500. Удельный расход цемента (Цуд) на единицу прочности в них более 8-10 кг/МПа. При изготовлении «тощих» бетонов на мелких песках Цуд достигает 10-12 кг и никакие гиперпластификаторы в этом случае не снижают его. В разработанных нами бетонах Цуд не превышает 4,5-5,0 кг/МПа и понижается до 3,5 !

При производстве бетонов для заводской технологии сборного железобетона то соотношение компонентов в бетонных смесях, уплотняемых механическими способами различной интенсивности, должно радикально меняться в сравнении с соотношением компонентов в высокопрочных самоуплотняющихся бетонах (рис. 1).

Читать еще:  Средство для снятия краски с бетона

Рис. 1 Концепция формирования составов высокоэффективных бетонов

от сверхпрочных самоуплотняющихся до рядовых с различной интенсивностью механического уплотнения

Концепция формирования состава при переходе от самоуплотняющихся сверхпрочных бетонов до высокоэффективных с более низкой прочностью заключается в трансформации реологических матриц, обеспечивающих рациональную реологию каждого состава. При этом микродисперсные и тонкозернистые компоненты реологической матрицы – каменная мука и очень мелкий песок замещают цемент по мере его уменьшения. При такой трансформации можно получать бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.

Приведем несколько примеров реализации принципов создания таких бетонов нового поколения.

Для изготовления бетонов общестроительного назначения марок 250-600 использовали СРПБС, включающую портландцемент Вольский М500 ДО, наиболее эффективный по нашему мнению, поликарбоксилатный гиперпластификатор Melflux 1641 F , молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 3300 см 2 /г, мелкий кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм и Новокузнецкий гранулированный микрокремнезем. В качестве заполнителей добавляли средний Красноярский полевошпатовый намывной песок и доломитизированный щебень с прочностью по дробимости Д800-1000 или диабазовый щебень с Д1400 фракции 5-10 мм.

Результаты испытания бетонов приведены в таблице 1.

Как следует из табл. 1, фактические показатели прочности с учетом пересчета прочности на базовые образцы-кубы 150×150×150 мм соответствовали маркам М500-М600. Отечественная промышленная практика (а, возможно, и зарубежная) не имела прецедентов получения таких бетонов при расходе портландцемента 236 кг/м 3 из пластичной марки П-1 и жесткой марки Ж-1. Характерно то, что снижение дозировки ГП и замена щебня увеличили плотность бетона и повысили прочность на 26%. При этом, предложенные нами [4] безразмерные реологические критерии: избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсной матрицы с МК над абсолютным объемом очень мелкого песка , избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсно зернистой матрицы над абсолютным объемом песка заполнителя (среднего песка) и избытка объема цементно-водно-дисперсно-песчаной, т.е. растворной матрицы над объемом щебня – , были очень высокими.

Вторая серия бетонов была изготовлена с минимальными расходами цемента 150 и 180 кг/м 3 .

Использовались сырьевые составы, аналогичные составу №1 (табл. 1). Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Как следует из результатов в бетоне с расходом цемента 150 кг/м 3 прочность составила 33,6 МПа, что соответствует марке М300, а в бетоне с расходом цемента 180 кг/м 3 – М400. Удельные расходы цемента на единицу прочности, соответственно, были равны 4,46 и 4,18 кг.

Из анализа приведенных в табл. 1 и 2 результатов, а также из результатов испытания 12 составов бетонов с марками по прочности на сжатие М700-М1200 была выявлена закономерность: с уменьшением содержания цемента доля молотого песка должна быть соизмерима с расходом портландцемента и их массовое соотношение должно приближаться к единице, а отношение очень мелкого песка фр. 0,16-0,63 мм к цементу – к 2,5-3,5.

Составы бетонов, прочностные показатели, рецептурные и реологические параметры

Современные высокопрочные бетоны нового поколения

Современные высокопрочные бетоны нового поколения

Прежде чем говорить о высокопроных бетонах, необходимо уточнить термин «бетоны нового поколения». Вне сомнения то, что за рубежом появилось значительное количество бетонов нового поколения со звучными названиями, определяющими функциональность бетонных смесей или бетонов. Детальное продуманное объяснение их дано в замечательной статье профессора А.В. Ушерова-Маршака [1]. Оставляя пока общеизвестные бетоны, со значительным набором функций, а именно High Performance Concrete – высокофункциональный бетон и аналог их Defined Performance Concrete (с заданной функциональностью) приведём [1] Smart Materials Concrete («умные» бетоны), Self-regulated Concrete (саморегулируемые бетоны), Self Compacting Concrete (самоуплотняющиеся бетоны), Self Healing Concrete (самозалечивающиеся бетоны), Self Cleaning Concrete (самоочищающиеся бетоны), Self Sensing Concrete (самодиагностирующиеся бетоны). Но большинство исследователей связывают термин «бетоны нового поколения» с достижением конструкционных свойств с высокой и сверхвысокой прочностью бетонов. Это, безусловно, правильно и мы знаем эволюцию роста прочности бетона во времени с медленным ростом до 1980-1990 г. и прогрессирующим увеличением прочности бетонов с появлением эффективных СП. Это более доходчиво можно проиллюстрировать на рис 1.

Впервые высокая и сверхвысокая прочность 150-200 МПа была достигнута в 1994-1995 г.г. по рецептуре дисперсно-тонкозернистых реакционно-порошковых бетонов (RPC) и фибробетонов с большим количеством микрокремнезема Richard P, and Cheyrezy M. [2] с использованием поликарбоксилатных СП, а позднее Bouydues (1997 г), Matte V. (1999 г.) [3] и Staquet S. (2000 г.) [4]. Содержание цемента на 1 м 3 бетона составляла от 550 до 950 кг, микрокремнезема – от 200 до 250 кг на 1 м 3 , а содержание фибры в фибробетонах – от 2 до 3 % от объема цемента.

Рис. 1. Динамика роста прочности бетона и его производство в мире с ростом численности населения [5]

Поэтому бетонами нового поколения, с одной стороны можно называть те бетоны, в которых достигается 3-4 кратное (120-200 МПа) превышение прочности традиционных прочных бетонов (40-50 МПа).

В соответствии с нашими исследованиями необходимо дополнить эту новизну всеобъемлющим техническим, экономическим и экологическим показателем – удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии, который должен не превышать 5-6 кг/МПа (=). Этот показатель, к сожалению, не используется учёными-бетоноведами, а он является важнейшим для оценки прогресса техники и бетонов. При этом как высокопрочные и сверхвысокопрочные (RPC), так и песчаные и щебеночные бетоны могут быть самоуплотняющимися, быстротвердеющими, саморегулируемыми, высокоморозостойкими, высоководонепроницаемыми, так как все эти функциональные свойства заложены при проектировании бетонных смесей.

Но в соответствие нашими представлениями бетонами нового поколения необходимо считать не только высокопрочные и сверхпрочные бетоны, но и экономически эффективные современные бетоны общестроительного назначения с традиционной прочностью 15-60 МПа, которые изготовлены из высокопластичных или самоуплотняющихся бетонных смесей при 2-3 кратном снижении расхода цемента с удельным расходом цемента более 6-7 кг/МПа.

Второе, наиболее важное для реализации бетонов нового поколения – как получить высокопрочные и сверхвысокопрочные бетоны с прочностью на сжатие 100-200 МПа высокая экономическая эффективность которых с использованием высокого содержания МК и других наносиликатов пока не бесспорно. Также стоит задача: как получить высокоэкономичные бетоны общестроительного назначения с традиционной прочностью (прочность – 15-60 МПа) и с повышенной прочностью (от 60 до 100 МПа). Это актуально потому, что переход на высокопрочные и сверхпрочные бетоны будет не быстрым, а бетоны с прочностью 15-60 МПа нового поколения будут востребованы постоянно. Известная концептуальная парадигма, которая следует из тезиса В.Г. Батракова: «Добавки – ключ к решению технологической проблемы», на которую ссылается А.В. Ушеров-Маршак, без сомнения, правомерна. Но, если ориентироваться на химические минеральные и органические добавки, широко используемые с 1980 года, то с помощью их, и особенно главнейших из них – суперпластификаторы – проблему не решить. Если обратиться к реакционно-активным пуццоланическим добавкам – микрокремнезему (микрокремнезем (silica fume), аэросил (fumed silica), осажденный микрокремнезем (pracipited silica), дисперсии коллоидного кремнезема (colloidal silica)), то использование микрокремнезема уже позволило в России осуществить строительство комплекса «Москва-Сити» из бетона с прочностью 100-110 МПа. Существенное удорожание бетона с 20-25 % МК не позволяет надеяться на повсеместное применение в России таких бетонов.

Причина в опоздании с разработкой и внедрением бетонов нового поколения состоит в том, что бетоноведы не воспользовались революционным этапом 1970-1980 г.г. на эволюционном пути изменения рецептуры бетонов с появлением суперпластификаторов, с правильным использованием их в щебеночных и песчаных бетонах. Суперпластификаторы начали применять в бетонах старого поколения с рецептурой сухих компонентов «цемент-песок-щебень» и «цемент-песок». А суперпластификатор не пластифицируют щебень и песок в воде, он пластифицирует только микрочастицы цемента, а количество цемента в бетонах не превышает 400-500 кг на 1 м 3 , а песка и щебня 1700-1800 кг на 1 м 3 . Поэтому к цементу стали добавлять микрокремнезем. Но рецептуру сухих компонентов бетона с микрокремнеземом в количестве 5-15% мы относим к рецептуре переходного поколения (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция развития составов цементных бетонов [6]

1. Бетоны старого поколения – это бетоны, имеющие состав 1840 г.: «цемент-песок-щебень-вода». Прочность бетона в строительстве за длительный период до 1970 г возросла от марки М100 до М 600 только за счет роста прочности цемента, использования качественных заполнителей, оптимального подбора состава бетонной смеси и методов интенсивного уплотнения жестких бетонных смесей. Гранитный, известняковый и другие прочные заполнители из горных пород, песок и вода остались теми же, как и 200 и сотни лет назад.

Использование мытых песка и щебня, применения старых пластифицирующих добавок и интенсивного уплотнения в научных лабораториях удавалось получать бетоны с прочностью до 70-80 МПа. Естественно, что наука о бетоне не «стояла на месте» «Бетоноведение» постоянно развивалось, и за рубежом, и в России, внедрялись новые технологии производства железобетонных изделий и конструкций. Прочности бетона, равной 400-500 кг/см 3 (40-50 МПа) вполне хватало. Для изготовления бетонов с более высокой прочностью 600-700 кг/см 2 использовали мытый прочный заполнитель и песок. Но обязательным условием было интенсивное вибрационное уплотнение железобетонных конструкций, вибрирование с пригрузом, виброгидропрессование, центрифугирование и др. Нельзя из литой бетонной смеси при расходе цемента 500 кг на 1 м 3 бетона изготовить бетон старого поколения с расходом цемента 100 кг/м 3 из бетонной семи любой консистенции с прочностью М500. Хотя в бетонах старого поколения широко использовалось направление «Химизации бетонов» и использование химических добавок – ускорителей, противоморозных, гидрофобных и пластифицирующих, модифицированных отходов целлюлозно-бумажной и других промышленных модифицированных отходов, но эти добавки не позволяли радикально сократить расход цемента или повысить прочность.

И хотя за этот длительный период были созданы быстротвердеющие тонкомолотые цементы, пуццолановые и шлакопортландцементы и ряд других, но бетоны выпускались, в основном, с марками до М500.

2. Бетоны переходного поколения получили свое развитие зарубежом с 1970 г. с изобретением высокоэффективных суперпластификаторов (СП) на нафталиновой и меламиновой основах, синтезированных в Японии. Бетоны стали пятикомпонентными: «цемент-песок-щебень-вода-СП». В России появился аналогичный суперпластификатор С-3, который в основном заполняет рынок СП и в настоящее время в виде различных модификаций, имеющих одну и ту же пластифицирующую основу («Полипласт», «Суперпласт» и др.). Бетонные смеси стали более пластичными при меньшем содержании воды, что привело к повышению прочности на 10-35% в зависимости от расхода цемента. Появилась возможность экономить в бетонах портландцемент в количестве 5-10% в «тощих» малоцементных бетонах и до 20-25% в жирных бетонах с расходом цемента до 500-600 кг на 1 м 3 бетона. Но кардинального преобразования структуры бетона, 2-3 кратного снижения расхода цемента и 2-3 кратного увеличения прочности с 20 до 50 МПа, от 50 до 100 МПа и более. Такому технико-экономическому улучшению мешала трехкомпонентная рецептура сухих компонентов – «цемент-песок-щебень», «законсервированная» с 1840 г. в передовых странах до 1995 г., а в России и по настоящее время. Трудно осознать тот факт, что на фоне огромных революционных преобразований в технике и в технологиях, свершившихся в мире за 150 лет, состав сухих компонентов в щебеночном бетоне не изменился. Не изменился он и в песчаных бетонах составами «цемент-песок-СП-вода», являющихся по существу не бетонами, а цементно-песчаным раствором с большим количеством воды для кирпичной кладки, наливных полов. Хотя сухие строительные смеси кардинально изменили состав растворов, в котором могут быть до 8-10 компонентов. Но при этом в задачи сухих смесей входило не увеличение прочности цементно-песчаных композиций до 100-120 МПа и других конструкционных свойств композитов, а расширения других функций.

Читать еще:  Ручной штроборез для газобетона своими руками

К бетонам переходного поколения можно отнести и бетоны с добавлением некоторых реакционно-активных компонентов, производимых в достаточных объемах за рубежом, кроме отечественного микрокремнезема – отхода от производства ферросилиция, дегидратированного каолина. Их них получили развитие: микрокремнезем (silica fume), аэросил (fumed silica), осажденный микрокремнезем (pracipited silica), дисперсии коллоидного кремнезема (colloidal silica). С добавлением к бетону старого поколения размолотого микрокремнезема (иногда с золой) и с сухим суперпластификатором С-3 (добавка МБС), было осуществлено строительство комплекса «Москва-Сити». Бетон имел прочность 100-110 МПа. Но стоимость добавки БМС доходила до 18-22 тыс. руб. за тонну. Москва могла себе позволить удорожание 1 м 3 бетонной смеси от 1000 до 2000 тыс. руб. при строительстве уникальных высотных зданий. Производство ферросилиция в России может обеспечить выход микрокремнезема 150 тыс. тонн. Если его использовать в высокопрочных бетонах с расходом цемента 400-500 кг/м 3 , то даже при малой 10%-ой добавке от массы цемента можно обеспечить изготовление бетона в объеме 3-3,5 млн. м 3 в год. Это около 3-5% от годового производства бетона. Таким образом, ни микрокремнезем, ни другие, указанные выше разновидности «silica» не в состоянии решить проблему создания экономичных бетонов нового поколения, от обычных до сверхпрочных бетонов нового поколения. Необходимо кардинальное изменение рецептуры бетонов за счет недорогих, «лежащих на земле» компонентов. За счет их можно будет выпускать бетоны с расходом цемента 300-400 кг/м 3 не с маркой М400-М500, а с прочностью 100-150 МПа, а бетоны с расходом цемента 200-250 кг/м 3 не с маркой М200-М300, а с М500-М600. При этом бетонные смеси будут не жесткими, а высокопластичными и самоуплотняющимися. Это будут бетоны нового поколения.

3. Щебеночные бетоны нового поколения содержат не 3-4 сухих компонента, а 7-8 (рис. 2). Это многокомпонентный бетон, включающий 7-8 компонентов «цемент – каменная мука – очень тонкий песок – песок-заполнитель – щебень + суперпластификатор – микрокремнезем – вода». Но, с учетом дефицита и дороговизны микрокремнезема, бетоны можно изготавливать без МК, с понижением прочности на 10-20 % в зависимости и от дозировки МК. Так вместо марки М600 получается марка М450-500, вместо М1200 – марка М1000. Кроме того, должны использоваться суперпластификаторы нового поколения на поликарбоксилатной основе (производители г. Новозыбков (Брянская область), г. Коломна (Московская область)). Таким образом, главными новыми дополнительными компонентами, превращающими бетоны старого и переходного поколения, являются два порошка, один дисперсный (каменная мука), другой – тонкозернистый, очень тонкий песок фракции 0,1-0,5 мм (0,16-0,63 мм). Эти бетоны названы нами порошково-активированными из-за большого количества порошкообразного компонента – каменной муки и тонкозернистого песка, а бетонные смеси – суспензионно-наполненными. Учитывая, что дисперсные и тонкозернистый компонент находится в микрометрическом масштабном диапазоне от 1 до 100 мкм, технологию бетонов нового поколения мы назвали микротехнологией, в отличие от нанотехнологии бетонов, предложенных различными исследователями. Мы не отрицаем реальных нанотехнологий с использованием микрокремнезема и других нанокремнеземов, особенно, с использованием большого количества таких добавок. Но в связи с тем, что по микротехнологиям с использованием природных компонентов мы получаем бетоны с высокой и со сверхвысокой прочностью, будущее за микротехнологиями с возможным добавлением наночастиц и в основном, только верхнего (грубого) нанометрического масштабного уровня – 100-1000 нм.

Если горная порода, из которой изготовлена каменная мука, имеет прочность более высокую, чем клинкерные частицы цемента, то она в соответствии с нашими воззрениями, не должна понижать прочность цементно-минерального камня по сравнению с цементным, даже при соотношении «цемент-каменная мука» при условии равной дисперсности. На рисунке 3 показана топология расположения цементных частиц и частиц минеральной муки.

В таблице 1 представлены результаты испытания самоуплотняющегося мелкозернистого бетона порошково-активированного бетона нового поколения.

В таблице 2 представлены результаты испытания самоуплотняющейся бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного щебеночного бетона с расходом цемента 305 кг/м 3 (122 МПа).

В таблице 3 представлены результаты испытания самоуплотняющейся бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного песчаного бетона (состав ПАПБ-171) с расходом цемента 391,5 кг/м 3 (116 МПа).

Рис. 3 Омоноличивание минеральных частиц

цементирующими продуктами гидратации цемента

Реотехнологические свойства бетонной смеси и прочностные показатели самоуплотняющегося мелкозернистого бетона нового поколения

Эффективные бетоны нового поколения

Бетон – один из древнейших строительных материалов. Его получают из смеси вяжущего вещества, заполнителей и специальных добавок с водой после ее формирования и твердения. Из него строили сооружения еще в Египте, Китае, Индии, Древнем Риме, начиная с 3600 г. до н.э. Однако для массового строительства бетон и железобетон стали использоваться только во второй половине XIX в. после получения портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций.

Основной тенденцией в строительстве является использование бетона с высоким пределом прочности при сжатии. В настоящее время высокопрочным считается бетон, предел прочности при сжатии которого находится выше общепринятого уровня и составляет более 60 Н/мм2. При применении обычных исходных веществ и способов укладки создаются строительные конструкции с пределом прочности при сжатии до 150 Н/мм. В наши дни ведется разработка строительных растворов и бетонов с пределом прочности до 800 Н/мм2.

Благодаря отличному соотношению прочности к объемной плотности, высокой плотности и долговечности высокопрочный бетон все чаще используется для решения различных практических задач строительства (производства неармированного бетона, железобетона и предварительно напряженного бетона).

Высокопрочным бетоном называют плотные бетоны класса прочности от C 55/67 до C 100/115, а также легкий высокопрочный бетон с классами прочности от LC 55/60 до LC 80/88.

Для производства высокопрочного бетона водоцементное отношение (отношение В/Ц) должно быть значительно ниже 0,4, за счет чего уменьшается пористость и повышается прочность матрицы цементного камня. При минимальном отношении В/Ц и низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора. Нижний предел водоцементного отношения определяется в настоящее время степенью достижения достаточной удобоукладываемости бетонной смеси и равен 0,20.

Зерна заполнителя должны обладать высокой прочностью и модулем упругости. Также необходимо очень хорошее сцепление между зернами заполнителя и матрицей цементного камня. Результат достигается за счет добавления пуццолановых вяжущих. Имеется положительный опыт применения базальта, диабаза и мелафира.

В качестве вяжущих могут употребляться все стандартные типы цементов. При выборе цемента следует обратить внимание на совместимость цемента и пластификатора; водопотребление или тонкость помола; характер нарастания прочности и желаемое значение конечной прочности; характер выделения тепла в процессе гидратации с учетом размеров строительной конструкции.

Чтобы получить высокую начальную прочность, используют портландцемент (допустимо и стандартный цемент). При производстве крупногабаритных элементов или при повышенной температуре окружающей среды целесообразно скомбинировать портландцемент и шлакоцемент, заменив также одну часть портландцемента на золу-унос каменного угля. Чтобы выйти на прочность выше 100 Н/куб. мм, рекомендуется применять мелкий базальтовый, габбровый или гранитный щебень. Для обеспечения достаточной удобоукладываемости бетонной смеси целесообразно соблюдать низкое водопотребление. Как правило, содержание цемента в бетонной смеси составляет от 350 кг/м3 до 500 кг/м3.

В качестве минеральных добавок при производстве высокопрочных бетонов используются микрокремнезем, зола-унос каменного угля, метакаолин, нанокремнезем (кремневая кислота) и каменная мука (кварцевая и известняковая мука).

Обязательным условием при изготовлении высокопрочных бетонов является использование пластификаторов в качестве химических добавок, в этой роли последнее время находят применение эфиры поликарбоксилата.

Главной задачей при производстве высокопрочных бетонных смесей является обеспечение достаточной удобоукладываемости бетонной смеси. Удобоукладываемость бетона проверяется в ходе соответствующих испытаний в реальных условиях (смешивание, транспортировка, укладка, последующий уход за бетоном). Для высокопрочных бетонов рекомендуются высокоподвижные смеси, они легко поддаются перекачке бетононасосом.

Благодаря относительно высокому содержанию цемента, использованию микрокремнезема и низкому водоцементному отношению высокопрочные бетоны при затвердевании характеризуются (в сравнении с традиционными бетонами): более быстрым нарастанием температуры в строительной конструкции; повышенной скоростью потребления и связывания воды в процессе гидратации; ускоренным нарастанием прочности в первые дни.

Недостатком подобных бетонов по сравнению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка, которая становится причиной повышенной склонности к трещинообразованию. Наиболее эффективным средством борьбы с трещинообразованием в высокопрочных бетонах, вызванным аутогенной усадкой, является внутренний уход путем введения равномерно распределенных по всему объему бетона микровключений, содержащих свободную воду.

Высокопрочные бетоны значительно быстрее набирают прочность, чем традиционные бетоны. Причиной этому служит низкое водоцементное отношение, а также более активное выделение тепла вследствие быстрой гидратации и высокого содержания цемента.

При укладке, если в бетонную смесь не добавлялся замедлитель, то следует рассчитывать на более быстрое схватывание высокопрочного бетона по сравнению с бетоном обычной прочности. Укладка высокопрочного бетона в скользящую или подъемно-передвижную опалубку возможна в том случае, если свежеприготовленная бетонная смесь имеет низкую вязкость.

Высокопрочные бетоны отличаются большей хрупкостью по сравнению с традиционными бетонами, что обусловлено их более гомогенной структурой в отличие от бетонов обычной прочности. Трещины быстро распространяются по всей структуре, что приводит к образованию плоскостных изломов и к растрескиванию зерен заполнителя.

Рекомендуемое время выдерживания внутренних строительных элементов составляет минимум 2 дня, наружных — 3 дня. Благоприятно на качестве бетона сказывается выдерживание с подводом воды, результате низкого водоцементного отношения, что может привести к образованию микротрещин. Мероприятия по выдерживанию бетона необходимо начинать проводить сразу же после его уплотнения.

Для высокопрочных бетонов характерны более низкие темпы проникновения агрессивных сред (что является преимуществом с точки зрения коррозионной защиты арматуры), и более высокая устойчивость к химическому воздействию.

Сверхэффективный (сверхпрочный) бетон имеет прочность в пределах 150-250 МПа и позволяет создавать конструкции и сооружения, отличающиеся высокой несущей способностью, тонкостью контуров и долговечностью. Термин «сверхпрочный бетон» указывает на то, что при различном использовании критерии долговечности имеют первостепенное значение и, соответственно, представляют интерес для определения прочности.

Применение высокопрочных бетонов позволяет уменьшить габариты опалубки для колонн, балок и стеновых элементов; снизить строительную толщину или увеличиить несущую способность конструкций, работающих на изгиб; создавать более изящные контуры при увеличении длины пролетов конструкций, работающих на изгиб (большепролетные мосты); сократить расходы бетона и арматуры; получить более высокую плотность, водо- и газонепроницаемость, износостойкость, стойкость к химически активным веществам, повысить коррозионную защиту арматуры.

Высокопрочные бетоны применяются при высотном строительстве, возведении мостов, облицовке водоочистных установок, устройстве промышленных напольных покрытий.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector