Строительные статьи

Особенности подбора материалов при разработке составов и технологии высокопрочных бетонов

Стремительный прогресс в строи­тельстве за рубежом потребован зна­чительного улучшения строительно - технических свойств бетона — одного из основных материалов для жилыч, общественных и промышленных зда­ний. В нашей стране в области разра­ботки высокопрочных бетонов (ВБ) работал ряд известных ученых.

В последние годы успехи науки о бетоне способствовали созданию новых видов супербетонов, способ­ных конкурировать со строитель­ной статью, вследствие высокого спроса на особо прочный бетон и в связи с более низкой стоимостью его по сравнению со сталью.

С 1972 по 198В гг. прочностные показатели бетона выросли в 2 раза (в среднем с 62 МПа до 133 МПа). Расширение применения ВБ стало возможным не из-за заметного по­вышения активности цемента, а благодаря появлению новых орга­ном инеральных добавок — модифи­каторов, позволяющих формовать железобетонные монолитные кон­струкции без применения интен­сивных способов уплотнения.

Активность портландцемента за период с 1972 по 1988 г. возросла незначительно, причем для произ­водства высокопрочных бетонов использовались рядовые цементы, а физико-технические свойства ка­чественных фракционированных мелких и крупных заполнителей остались неизменными. Поэтому рубеж прочности промышленного бетона в 100 МПа был преодолен в 1982—1984 гг., когда в производ­ство бетона стали активно внед­ряться высокоэффективные супер­пластификаторы (СП). Именно в этот период наметилось увеличе­ние числа публикаций по примене­нию СП в производстве бетона. Этот этап в достижении высокой прочности бетона связан с разра­боткой цементных вяжущих низкой водопогребности (ВНВ), предло­женных Баженовым Ю. М., Батра­ковым В. Г., Бабаевым ШТ., Долго - половым Н. Н. [1—3].

Число публикаций за рубежом по В Б стремительно возросло в по­следующие годы, особенно после создания Комитета 363 Американ­ским институтом бетона и прове­дения трех крупных симпозиумов в 1987 г. в Ставангере (Норвегия), в 1990 г. в Беркли (Калифорния, США) и в 1993 г. в Лиллехамере (Норвегия) [4J.

В ранних публикациях по В Б (1960—1975 гг.) основными факто­рами, определяющими достижение высокой прочности, считались: ин­тенсивное виброуплотнение (пре­имущественно с пригрузом) жест­ких бетонных смесей с низкими водоцементными отношениями; использование тонкомолотых бы- стротвердеющих бездобавочных це­ментов с высокой активностью, обеспечиваемой повышенным со­держанием C3S; использование мы­того фракционированного крупно­го заполнителя высокой прочности; использование чистого мелкого за­полнителя, преимущественно квар­цевого песка с модулем крупности более 2. Перечисленные требования в основном сохранились и в совре­менных регламентах на изготовле­ние В Б. Некоторые требования изменились принципиально и по­явились новые, обусловленные обя­зательным использованием эффек­тивных модификаторов, условиями перемешивания, укладки, уплотне­ния, ухода при твердении и более современными методами контроля.

Серьезное изменение претер­пел выбор портландцемента для высокопрочного бетона. Он касает­ся не только активности цемента, ибо без обеспечения активности 40—50 М Па нельзя изготовить бето­ны прочностью 80—110 МПа, а для бетонов марок 1200—1500 необходи­ма активность свыше 50 МПа.

Однако повышенная величина активности вяжущего не является главным фактором, как считалось ранее, когда усилия исследователей были направлены на создание суперцементов марок 700—800 [4].

Г. Гоуда и Д. Рой еще в 1975 г. пока­зали, что возможности обычных це­ментов поистине огромны, когда на рядовом цементе типа III (ASTM) методом прессования получили це­ментный камень прочностью до 700 МПа [5J. Эти эксперименты и выводы долго подводили исследо­вателей к пониманию того, что не повышенная'активность цемента является мерой прочности особого вида бетона, а высокая плотность цементной матрицы. Естественно, что основная задача состояла в по­лучении плотной матрицы в плас­тичной бетонной смеси. На реа­лизацию достижения высокой плотности цементного камня в про­мышленном бетоне, изготоаленном из пластичных смесей, потребова­лось более десяти лет.

В свете сказанного получение со­временных высокопрочных бетонов, как правило, достигается при исполь­зовании рядовых цементов средних марок 500—550. В ряде стран разраба­тывают специальные цементы для производства В Б с нормируемым минералогическим составом, регла­ментируемым пониженным тепло­выделением и высокой суточной прочностью, являющейся гарантией высокой нормативной прочности. Важно отметить, что требования к минералогическому составу це­мента для получения быстротверде - юшего высокопрочного бетона по некоторым регламентам существен­но изменились. Так, для быстротвер - деющих и особо быстротвердеющих цементов предусматривалось нали­чие в минералогическом составе по­вышенного количества C3S (не менее 50-60%) и С3А (не менее 5-8%), а сумма C3S+C3A должна быть не ме­нее 60%. В норвежском цементе, ис­пользуемом для изготовления ВБ, содержание C3S составляет 49%, С3А — 5,5%, а в некоторых цементах доля С3А не должна превышать 4% [4J. Та­ким образом, известный принцип обеспечения ранней прочности це­мента за счет повышенного количе­ства быстротвердеющих минералов

C3S и С3А, как считалось ранее, ока­зался не основополагающим для бе­тонов высокой плотности с низким водосодержанием.

Основным требованием при производстве ВБ является использо­вание природного кварцевого песка или дробленого из плотных и проч­ных изверженных пород. Прочность крупного заполнителя находится для разных марок высокопрочного бетона в пределах 140-400 МПа, а наибольшая крупность его зерен не должна превышать 10—15 мм. Таким образом, однородность бетона су­щественно возрастет, если круп­ность заполнителя будет на доста­точно низком уровне.

Важнейшим условием получения В Б на цементах рядового помола считается использование суперак­тивных минеральных наполнителей — микрокремнезема и высокодис­персных зол ТЭС с минимальным содержанием несгоревших остатков [4). Такие наполнители способны связы вать ги д рол и зну ю и звесть портландцемента уже в ранние сро­ки гидратации (через 1—2 сут твер­дения). Образование высокодис­персных гидросиликатов кальция, кристаллизующихся в порах и в кон­тактных зонах более крупных частиц цемента и песка, улучшает структуру цементного камня, способствуя по­вышению ранней прочности.

Причина более высоких относи­тельных приростов суточной прочно­сти по отношению к 28-суточной в высокопрочных бетонах, очевидно, обусловлена сильными контактными взаимодействиями и высокой плот­ностью камня при дефиците водной фазы. Известно, что дчя одного и того же цемента, при твердении в прессо­ванном виде и в виде суспензии (пас­ты) отношение R2k/R| отличается в несколько раз. Поэтому из проведен­ного анализа производства В Б уста­новлено, что водоиементное отноше­ние незначительно повышает уровень В/Ц дня норм-альной густоты цемент­ного теста (4J. Это правило оценки во - досодержания бетонной смеси долж­но быть выражено как В/Ц=НГ/100.

Минимально достигнутое В/Ц в вы­сокопрочных бетонах с нормативной прочностью 170 МПа составило 0,25 в норвежской практике.

Понижение водосодержания бе­тонов до уровня нормальной густо­ты цементного теста требует исполь­зования высокоэффективных раз- жижителей, качество которых по­стоянно повышается. При произ­водстве высокопрочных бетонов за рубежом предъявляются жесткие требования к суперпластификато­рам (СП), которые должны обладать не только высокой реологической активностью, но и минимальным воздействием на гидратаиионную активность цементов в начальной фазе твердения. Это требование вы­звано необходимостью получения высокой ранней прочности. Вероят­но, развитие и совершенствование СП должно сегодня идти именно по этому пути. Но не все из применяе­мых отечественных СП удовлетво­ряют заданным требованиям по за­медлению начального твердения при повышенных концентрациях 1—3%, хотя по реологическим пока­зателям они или совершенно не ус­тупают, или мало уступают им.

Для высокопрочных бетонов с низкими В/Ц очень важно исполь­зовать полифункииональные моди­фицирующие (ПМФ) добавки не на основе комбинаций СП с эффек­тивны м и ус корител я м и, которы е сохраняют жизнеспособность бе­тонных смесей на период бетониро­вания и обеспечивают интенсив­ный набор прочности после 3—5 ч тверде н и я. Отмеч ае м ое в л итерату - ре замедление твердения бетона на отдельных цементах требует оценки гидравлической активности послед­них в присутствии СП на ранних стадиях твердения. Этот вопрос, по нашим сведениям, не освещался в отечественной литературе, в то вре­мя как выбор цементов для произ­водства высокопрочных бетонов очень важен в связи со способ­ностью обеспечивать суточную прочность В Б на уровне 50—70% от нормативной.

Водоцементное отношение бе­тонной смеси для высокопрочного бетона, по нашему мнению, можно выразить соотношением: В/Ц«К(НГ/100). где К — коэффициент ренептуриой эффективности состава бетона и ре­ологической активности суперплас­тификатора.

Для большинства высотных со­оружений за рубежом коэффициент К (для бетонов марок свыше 1000) на­ходится в пределах 1.1-1.3, т. е. соот­ношение В/Ц варьировалось от 0,27 до 0,32. Для литых бетонных смесей с осадкой конуса 120-240 мм коэффи­циент К находится в пределах 1,3—1,5.

Помимо подбора состава бетона и выбора эффективного суперпласти­фикатора немаловажными яазяются технологические факторы и процеду­ры по перемешиванию, уплотнению, транспортировке, укладке, твердению и оценке прочности. Наиболее важ­ным считается интенсивное переме­шивание бетонных смесей с высоко­дисперсными добавками. Поэтому внедрение интенсивных раздельных технологий, разработанных школой академика Соломатова В. И., может быть чрезвычайно актуально и в про­изводстве высокопрочного бетона.

Спиеок литературы

1. Баженов Ю. М., Минаевский В. И.. Щурова А. Ф., Ершова Т. А. Высо­копрочные бетоны на основе пла­стификаторов Ц Бетон и железо­бетон. 1978. № 9. С. 18-19. 2 Бабаев Ш. Т., Комар А. А. Энер­госберегающая технология же­лезобетонных конструкций из высокопрочного бетона с хими­ческими добавками. М.: Строй­издат, 1987, 240 с.

1. Долгополое И. И., Суханов М. А.. Ефимов С. И. Новый тип цемен­та: структура и льдистость цементного камня // Строит, материалы. 1994. jsfe 6. С. 9-10.

2. Волков Ю. С. Применение сверх­прочных бетонов 0 строительст­ве Ц Бетон и железобетон. 1994- №7. С. 27-31.

Мерные материалы («Филизол», «Изопласт») укладываются в 2—3 слоя, служат 10—12 лет и требу­ют ремонта 1 раз в 2 года.

В расчетах принято, что ремонт кровли из рубероида, уложенного в два слоя, начинается на следующий год после укталки и проводится в два слоя один раз в два года; уло­женного в три слоя — на второй год, в четыре слоя — на третий год после укладки и проводится в два слоя один раз в два года. Ремонт кровли из «Фил и зола» и «Изо пласта», уло­женных в три слоя, начинается че­рез Шлет и проводится один раз в два года на сумму 10% от стоимости укладки (частичный ремонт).

В мировой практике устройства и эксплуатации кровель накоплен значительный опыт использования материалов фирмы «Sika-Trocal AG» в различных конструкциях кровель при любых климатических условиях. Обладая высокой устой­чивостью к прорастанию корней растений, мембраны эффективно используются для устройства экс­плуатируемых кровель.

Особый интерес представляет мембрана «Sikaplan VGWT», отне­сенная по российским стандартам к группе горючести Г2 (умеренно горючий), воспламеняемости В2 (умеренно воспламеняемый), рас­пространения пламени РП2 (слабо распространяющий пламя).

Повысить противопожарные свойства кровли позволяет также и балластный способ крепления по­лотна мембран.

В России в настоящее время экс­плуатируется пяд зданий с кровлей, выполненной из мембран фирмы <• Sika-Trocal AG», наиболее извест­ные из которых — здания цент­рального офиса Сбербанка РФ в Москве (эксплуатация около 11 лет) и Петровского пассажа в Москве (около 9 лет).

Технология выполнения работ при использовании материачов имеет ряд неоспоримых достоинств. Прежде всего это исключение из процесса открытого пламени, что значительно снижает риск возник­новения пожара.

Скорость укладки материалов до­статочно высока. В Германии брига­да из трех человек за рабочую смену при устройстве ковра средней слож­ности и в соответствии с немецкими стандартами успевает выполнить 200—300 м2 кровли. Производитель­ность зависит от сложности рельефа кровли, типа аппарата для сварки горячим воздухом, количества до­полнительных элементов (флюгарок, воронок, водосливов и др.).

Все материалы фирмы «Sika-Trocal AG» производятся в соответствии с требованиями международного серти­фиката качества ISO 9001. Помимо этого получены сертификаты соответ­ствия Госстроя России, гигиеничес­кий и пожарный сертификаты.

Поставка мембран для потребите­лей в России производится со склада в Москве. По желанию заказчика по­ставка крупных партий материалов может осуществляться со склада за­вода-производителя в Германии.

В каждом конкретном случае устройства кровли подбирается оп­тимальное техническое решение. Заводская гарантия на материалы составляет Шлет. Однако срок службы материала (долговечность) в конструкции как правило, зависит еще и от качества выполненных ра­бот. Для кровельных мембран «Carisma» этот срок установлен 30 лет и подтвержден лабораторными и натурными испытаниями.

При поставке материалов на объ­екты площадью более 1 тыс. м2 орга­низуется бесплатное обучение бригад специалистами из Германии. В случае соблюдения требований по укладке и эксплуатации мембран на больших объектах при обнаружении протечек кровли возможна замена материалов, оплата работ по замене материалов и компенсация возможного ущерба в пределах оговоренной суммы.

Применения материалов фирмы «Sika-Trocal АС» гарантирует реше­ние задач по быстрому, экономич­ному и качественному устройству и эксплуатации кровли на многие де­сятилетия.

Разработка новых материалов на основе кремнийорганических со­единений актуальна для совершен­ствования процессов в важнейших областях техники и народного хо­зяйства. Интерес к этому классу соединений обусловлен рядом цен­ных свойств, присущих кремний - органическим полимерам, и в пер­вую очередь их высокой тепло-, морозо - и влагостойкости, малым изменением физических харак­теристик в широком диапазоне температуры (1).

В России накоплен значитель­ный опыт по применению в стро­ительстве кремнийорганических соединений различной природы, прежде всего с целью повышения атмосфероустойчивости строитель - ных материалов и конструкций. Это связано с тем, что большинство строительных материалов обладает существенной пористостью и раз­рушается под действием воды. Гидрофобизирующие материалы, предназначенные для защиты стро­ительных конструкций, должны глубоко проникать в поры, обладать высокой химической стойкостью и значительной устойчивостью к ат­мосферным воздействиям.

Обработка строительных матери­алов может быть поверхностной или объемной. Для проведения поверх­ностной гидрофобизаиии на строи­тельные конструкции с помощью воздушного распылителя наносят раствор соответствующего защитно­го материала с концентрацией не выше 10%. Гидрофобная пленка об­разуется, как правило, через се^ь су­ток. Чаще всего для гидрофоб и *а и и и используют алкилсиликонаты на­трия ГКЖ-10, ГКЖ-11 и АМСР-З, а также полиалкилгидридсилоксаны ГКЖ-94. За рубежом для этих целей обычно используют кремнийорга - нические лаки и метиле ил и канаты натрия и качия [2, 3].

Поверхностная обработка стан­дартными гидрофобизаторами ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, АМСР не всегда эффективна, особенно при контакте строительных конст­рукций с грунтовыми и напорными водами. В этом случае используют кремнийорганические лаки с тон­кодисперсным металлически^ на­полнителем [31. Однако, несмотря на высокие гидрофобизирующие характеристики, чистые кремний - органические соединения Имеют некоторые недостатки: невысокую адгезионную прочность, коуорая особенно ярко проявляется при на­несении на металлы, и значитель­ную стоимость.