I. Особенности подбора состава высокопрочного бетона.

Искусственный камень давно стал одним из самых распространенных материалов в строительстве. Несмотря на многообразие видов бетона, развитие и совершенствование композита происходит постоянно. Еще пару десятилетий назад высокопрочным считался бетон с классом В30, но в наши дни этот материал уже относится к рядовым. Современный высокопрочный бетон сочетает широкий спектр свойств, существенно отличающих его от классического искусственного камня.

Параметры такого материала уникальны и не описываются лишь высокими значениями прочности. Фактически подобный композит призван решать сразу несколько сложнейших технологических задач, именно поэтому понятие высокопрочного бетона объединяет несколько видов материалов и целый ряд характеристик.

Особенности композита

Получение высоких классов по прочности давно уже не считается сложной задачей. В номенклатуре многих советских заводов по производству железобетонных изделий и конструкций существовали подборы составов для классов В40, В45, В50 и даже В60. Такие бетоны использовались для производства конструкций, испытывающих существенные динамические нагрузки, например, шпал или мостовых пролетов. Но главной особенностью и свойством подобных материалов являлась низкая технологичность на этапе работы со смесью, ведь ее удобоукладываемость характеризовалась жесткостью на уровне Ж3 и выше.

Сверхпрочный бетон нового поколения представляет собой не просто материал с высокой стойкостью к различным механическим нагрузкам, но и высокотехнологичную смесь. Укладка такого материала в конструкцию любой геометрии не только не усложняется, но и позволяет сократить количество задействованных рабочих.

Читайте также: Ванна из бетона своими руками: личный опыт

Высокая подвижность и плотная структура смеси обеспечивают способность самоуплотнения, что позволяет работать с материалом без применения вибраторов.

Применение высокопрочных бетонов

Такие материалы используют во время строительства объектов, где требуется снизить вес здания и сократить габариты. Их применяют, когда нужно создать надежное, качественное изделие.

Обычно высокопрочные бетоны рекомендуют в следующих случаях:

• Заливка пола в зданиях промышленного назначения.
• Создание складов для размещения радиоактивных компонентов.
• Строительство мостов, других подобных сооружений.
• Создание многоуровневых построек.

Бетоны с высокой прочностью являются достаточно популярными среди всех строительных материалов.

Способность к самостоятельному уплотнению

Именно свойства бетонной смеси существенно отличают камень высокой прочности, востребованный в строительной отрасли в настоящее время. За счет способности к самостоятельному заполнению формы и уплотнению он получил название самоуплотняющегося или СУБ.

Подобные свойства достигаются за счет создания уникальной структуры, предполагающей непрерывную гранулометрию всех компонентов. Фактически размер частиц в теле бетона изменяется от 5 мкм до 20 мм без разрывов, что позволяет получить так называемую реологически активную матрицу, способную течь и уплотняться под собственным весом. Благодаря сочетанию вяжущего, активных и инертных минеральных добавок, мелкого заполнителя различной крупности, система остается стабильной. Но подбор состава высокопрочного искусственного камня сложен, ведь создать сбалансированную систему из такого количества компонентов непросто.

Сферы применения

Подобный материал обладает весьма высокой себестоимостью, что существенно ограничивает область его использования. Кроме того, потенциал столь прочного бетона мало востребован в рядовых проектах и массовом строительстве.

Основной сферой применения сверхпрочного композита являются сложные по геометрии проекты или высотные здания. Раньше считалось, что бетон не способен выдерживать нагрузки при возведении сооружений в сотни этажей. Классический искусственный камень в основании здания и на первых его этажах разрушался из-за слишком большой нагрузки. Именно поэтому небоскребы возводили из металла и стекла.

Но современные сверхпрочные композиты способны не только выдержать такую нагрузку, но и позволяют сократить толщину всех несущих конструкций, что уменьшает общий вес здания. Именно поэтому высокопрочный бетон широко применяется при возведении современных высотных зданий. Его часто используют при заливке конструкций сложной геометрии, которые раньше собирались из нескольких элементов. Такой бетон часто применяют для изготовления мостовых пролетов большой длины.

Фактически подобный композит направлен на решение сложных архитектурных или инженерных задач и редко используется в массовом строительстве.

Специальные виды бетонов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

Читайте также: Как возместить ущерб в случае повреждения автомобиля в дорожной яме

на тему

«Специальные виды бетона»

Выполнил студент

Группы ПГС-08-2

Муфтахин П. А.

Принял

Кулешов Т. К.

Иркутск 2010

Высокопрочный бетон прочностью 60…100 МПа получают на основе цемента высоких марок, промытого песка и щебня прочностью не ниже 100 МПа. Высокопрочный бетон приготовляют с низким В/Ц = 0,3…0,35 (смеси жесткие или малоподвижные) в бетоносмесителях принудительного действия. Для укладки смесей и формования изделий используют интенсивное уплотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование и др. Значительный эффект в производстве высокопрочных бетонов дают суперпластификаторы.

Высокопрочные бетоны бывают, как правило, и быстротвер-деющими, однако для достижения отпускной прочности изделий в короткие сроки применяют тепловую обработку по сокращенному режиму. Новые особо быстротвердеющие цементы позволяют получать изделия из бетона без тепловой обработки. Тяжелый бетон имеет высокую прочность на растяжение, износ и морозостойкость.

Для приготовления высокопрочного бетона используют все средства, как-то: принимают предельно низкое водоцементное отношение, суперпластификаторы, высокопрочный цемент, тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси и строгий уход за бетоном. Мелкозернистый бетон отличается большим содержанием цементного камня, поэтому его усадка и ползучесть несколько выше. Применяют его при изготовлении тонкостенных, в том числе армоцементных конструкций, а также в тех случаях, когда отсутствует крупный заполнитель. Свойства мелкозернистого бетона характеризуются такими же факторами, как и обычного бетона. Однако отсутствие крупного заполнителя влечет за собой увеличение водопотребности бетонной смеси, а для получения равнопрочного бетона и равноподвижной смеси возрастает расход цемента на 20…40% Для сокращения расхода цемента необходимо применять высококачественные пески, пластифицирующие добавки, суперпластификаторы, производить хорошее уплотнение смеси. Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на изгиб, хорошей водонепроницаемостью и морозостойкостью.

1. Жаростойкий

Жаростойкий бетон способен сохранять в заданных пределах свои физико-механические свойства при длительном воздействии высоких температур. В зависимости от применяемого вяжущего жаростойкие бетоны бывают следующих видов: бетоны на портландцементе, шлакопортландцемента, на глиноземистом цементе и жидком стекле. Для повышения стойкости бетона при нагревании в его состав вводят тонкомолотые добавки из хромитовой руды, шамотного боя, магнезитового кирпича, андезита, гранулированного доменного шлака и др. Тонкость помола добавки для бетона на портландцементе должна быть такой, чтобы через сито № 009 проходило не менее 70%, а для бетона на жидком стекле — не менее 50%. В качестве мелкого и крупного заполнителя применяют хромит, шамот, бой глиняного кирпича, базальт, диабаз, андезит и др. При правильно выбранных вяжущих и заполнителях бетон может длительное время выдерживать, не разрушаясь, действие температуры до 1200°С.

Выбор материалов производят в зависимости от условий и температуры его эксплуатации. Жаростойкие бетоны на портландцементе и глиноземистом цементе производят класса (марки) не менее В20 (250), а на жидком стекле — В 12,5 (150). Бетоны на жидком стекле не применяют в условиях частого воздействия воды, а на портландцементе — в условиях кислой агрессивной среды. При приготовлении бетонных смесей на портландцементе или глиноземистом цементе соблюдается такая последовательность: в смеситель заливают заданное количество воды, при включенном перемешивании загружают другие компоненты и перемешивают 2…3 мин. При изготовлении газобетона, в котором заполнители отсутствуют, после перемешивания загружают водно-алюминиевую суспензию и перемешивают дополнительно 1…2 мин.

Приготовление бетонных смесей на силикат-глыбе производят в шламбассейне, куда загружают дозированные по массе силикат-глыбу, тонкомолотую добавку, едкий натр и воду. Полученный шлам перекачивают в ванну, подогревают до 30…35°С и подают в смеситель, в который при включенном перемешивающем механизме вводят дозированные по массе заполнитель, водоалюминиевую суспензию и нефелиновый шлам. Смесь перемешивают 2…3 мин. Для формования изделий из ячеистого бетона применяют металлические формы. В форме смесь выдерживают 2…3 ч.

Твердение изделий на глиноземистом цементе происходит в течение 1 сут при температуре 18…20°С и влажности 90…100%, на портландцементе твердение изделий проходит при температуре 80…90°С и влажности 90…100%, а изделия на силикат-глыбе твердеют в автоклаве. При приготовлении жаростойких бетонов стремятся ограничить количество воды и жидкого стекла. Осадка конуса должна быть не более 2 см, а жесткость — не менее 10 с. Бетоны на портландцементе разных составов использу. ются при одностороннем нагреве с предельной температурой 1700°С, на глиноземистом цементе и на жидком стекле — д0 1400°С.

1. Жароупорный

В качестве вяжущих для жароупорных бетонов применяют глиноземистый цемент, портландцемент, шлакопортландцемент и жидкое стекло с кремнефтористым натрием. Огнеупорность жароупорных бетонов ниже 1580°.

Для приготовления бетона на портландцементе из тонкомолотых добавок применяют шамот, лёсс, лёссовидный суглинок, цемянку, топливный шлак, пемзу, золу-унос, гранулированный доменный шлак и т. д.; в качестве песка и щебня применяют шамот, бой обыкновенного глиняного кирпича, топливный шлак, отвальный доменный шлак, базальт, диабаз, ангидрит, артикский туф. Мелким и крупным заполнителями жароупорного бетона на глиноземистом цементе служит шамот. Жароупорные бетоны готовят также на жидком стекле с кремнефтористым натрием.

При правильно выбранных вяжущих и заполнителях бетон может длительное время выдерживать действие температуры до 1200° не разрушаясь. Из такого бетона можно изготовлять железобетонные дымовые трубы, фундаменты доменных, мартеновских и других промышленных печей.

Жароупорный бетон на портландцементе имеет достаточно высокие показатели физико-механических свойств. Минимально допустимая прочность его — от 100 до 250 кГ/см кв.

1. Кислотостойкий

Кислотоупорный бетон получают на кислотоупорном цементе и кислотоупорных заполнителях. Затворяют бетонную смесь растворимым стеклом в количестве, обеспечивающем необходимую подвижность бетонной смеси. Для изготовления кислотоупорного бетона, обладающего стойкостью при действии неорганических кислот (кроме плавиковой), применяют смесь растворимого стекла (силиката натрия) с 15% кремнефтористого натрия Na2SiF6, а также песок кварцевый, щебень из бештаунита, андезита или кварцита и пылевидную фракцию (мельче 0,15 мм), приготовляемую из кислотостойких материалов. Твердение кислотоупорного бетона должно проходить в теплой воздушно-сухой среде.

Читайте также: Теплая керамика преимущества и недостатки. Плюсы и минусы керамических поризованных блоков (теплая керамика). Строительство домов из теплой керамики

Кислотоупорный бетон характеризуется прочным сцеплением со стальной арматурой, стойкостью по отношению к действию серной, соляной, азотной кислот и др. (за исключением плавиковой), пределом прочности при сжатии через 3 сут — 11…12 МПа, через 28 сут — 15 МПа. При действии воды и слабых кислот кислотоупорный бетон постепенно разрушается; действию концентрированных кислот этот бетон сопротивляется хорошо, но пастворы щелочей легко разрушают его. Кислотоупорный бетон используют для различных конструкций и облицовки аппаратуры в химической промышленности, заменяя им дорогие материалы: листовой свинец, кислотоупорную керамику, тесаный камень.

1. Гидротехнические бетоны

Гидротехнические бетоны, в отличие от бетонов промышленного и гражданского назначения имеют ряд особенностей. Их применяют для возведения сооружений в гидротехническом и гидромелиоративном строительстве.

В зависимости от конструкции и размеров сооружений, расположения относительно уровней воды, массивности конструкций и назначаются требования к гидротехническим бетонам по водостойкости, водонепроницаемости, морозоустойчивости, прочности, солестойкости, удобообрабатываемости и сниженного тепловыделения.

В зависимости от вида вяжущего бетоны разделяются на:

а) цементные бетоны;

б) известковые бетоны;

в) гипсовые бетоны;

г) бетоны на органических заполнителях .

В зависимости от типа заполнителей бетоны деляют нa:

Особо тяжелые с Y > 2,5 т/м3. Эти бетоны готовят на тяжелых заполнителях, а в ряде случаев с применением металлической стружки и чугунных обрезков. Применяются такие бетоны при строительстве реакторов АЭС.

Тяжелые бетоны с Y = 1,8 — 2,4 т/м3. Изготавливают, как правило, на гранитном заполнителе. Применяются для строительства гидротехнических сооружений.

Легкие бетоны с Y= 0,5 — 1,8 т/м3. Они применяются для изготовления стеновых панелей или как утеплительный материал.

Особенно легкие с Y< 0,5 т/м3 (существует Y = 10кг/м3)

В зависимости от места расположения бетона в ГТС он разделяется на три вида:

Бетон подводный (А) — который постоянно находится под водой. Как правило, этот бетон изготовляется на шлакопортландцементах, пуцоланових цементах, портландцементах.

Бетон переменного уровня воды (Б). Этот бетон наиболее ответственный и в обязательном порядке должен удовлетворять требованиям по морозоустойчивости. Его готовят на портландцементах и шлакопортландцементах с обязательным применением пластифицирующих добавок.

Бетон надводный (В), который находится выше УВ. Этот бетон изготовляется на всех видах цемента.

В зависимости от массивности конструкций бетоны разделяются на две группы:

Бетон внешней зоны. (1) В зависимости от назначения конструкции и класса сооружений внешняя зона t = 1,5 — 3,0 м.

Бетон внутренней зоны, к которому предъявляются в основном требования по объемной массе. В особенно массивных конструкциях бетон внутренней зоны может быть заменен отсыпкой с уплотнением грунта или камня. В большинстве случаев бетоны внутренней зоны имеют марку ниже чем бетон внешней зоны.

Гидротехнические бетоны должны обладать :

1.Химической стойкостью, то есть бетоны должны противостоять химическим влияниям окружающей среды. С этой целью, они изготовляются на сульфатостойких цементах с применением соответствующих добавок.

2.Водонепроницаемостью, которая характеризуется наибольшим давлением воды на бетон, при котором не наблюдается просачивания ее через образцы соответствующей формы (d = h = 152 мм), выдержанных t = 180сут.

По водонепроницаемости бетоны разделяются на 5 марок:

W2, W4, W6, W8, W12.

Читайте также: Механизм твердения бетона при отрицательных температурах. Критическая прочность бетона

3.Морозоустойчивостью, которая характеризуется наибольшим числом циклов замораживания и оттаивания соответствующих образцов, выдержанных в нормальних условиях в течение t =18 суток. При этом, после испытаний потеря их прочности должна быть не более 15%. Замораживание должно проходить при — 15° и ниже на протяжении 4 часов, а оттаивание при +5-20° на протяжении 4 часов.

По морозоустойчивости бетоны деляют на 6 марок:

F50, F100, F150, F200, F250, F300.

1. Для дорог и аэродромов

Бетон для дорожных и аэродромных покрытий. Условия работы дорожного бетона неблагоприятны. Он многократно подвергается увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию, а также воздействию транспортных средств. Основными расчетными напряжениями являются напряжения от изгиба. В связи с этим к дорожному бетону предъявляют повышенные требования к прочности на растяжение при изгибе, морозостойкости, износостойкости и воздухостойкости. Долговечность дорожного бетона достигается не только выбором качественных материалов, но и правильной технологией производства работ. Для дорожного бетона применяют портландцемент высоких марок с органическим содержанием С3А, высокопрочные качественные заполнители — щебень из гранита, известняка, кварцевый песок и др. Для увеличения подвижности бетонной смеси применяют пластифицирующие и воздухововлекающие добавки, иногда и ускорители твердения.

Основные характеристики

Сверхпрочный бетон нового поколения отличается широким набором свойств, поэтому чаще всего их делят на два блока.

Показатели бетонной смеси

К первому относят параметры бетонной смеси, среди которых основными считаются:

• подвижность с расплывом конуса на уровне 65 – 70 см;
• коэффициент уплотнения 1,0 – 1,4;
• время сохранения реологических свойств не менее 3 – 4 часов;
• минимальная расслаиваемость;
• воздухосодержание не более 1%.

Способность смеси сохранять свои свойства во времени крайне важна, ведь транспортировка материала от завода до объекта может занять пару часов. Не менее важно обеспечить однородность смеси, ведь расслоение приведет к полной потере свойств затвердевшего бетона.

Параметры готового камня

Ко второму блоку относят характеристики уже затвердевшего композита. К основным среди них можно отнести:

• прочность на сжатие в диапазоне 50 – 100 МПа и на растяжение при изгибе не менее 4 МПа;
• плотность и поровую структуру;
• низкую истираемость;
• морозостойкость от F400 и водонепроницаемость от W10;
• водополгощение не более 1%;
• небольшой модуль сдвига.

С учетом способности смеси такого бетона к образованию максимально плотного тела возникает опасность возникновения микротрещин из-за чрезмерных напряжений во время гидратации. Процесс твердения бетона сопровождается выделением большого количества тепла, а в материале столь плотной структуры этот избыток энергии просто некуда деть. Именно поэтому важно обеспечить адекватную поровую структуру, которая будет работать буфером для избытка энергии и напряжений.

Высокопрочные и сверхпрочные бетоны: технологии производства и сферы применения

Благодаря своим превосходным свойствам — отличному соотношению прочности к объемной плотности, высокой плотности и долговечности — высокопрочный бетон все чаще используется для решения различных практических задач строительства. В последние годы высокопрочный бетон был включен в нормативные строительные документы Германии и Европы с присвоением класса прочности до C100, что заложило прочную основу для применения подобных бетонов.

С точки зрения современной технологии, производство высокопрочного бетона сегодня не представляет принципиальных трудностей. Тем не менее непременное достижение проектных качеств свежего и затвердевшего бетона, а также выбор технологически и экономически оптимального состава бетона требуют серьезной научной и практической подготовки. Еще в большей степени это относится к производству и применению сверхпрочного бетона — сверхкоррозионностойкого плотного материала, прочность на сжатие которого превышает 150 МПа. В данной статье рассматривается технология изготовления высокопрочных и сверхпрочных бетонов и представляются основные сферы их применения.

Классы прочности и основные принципы производства

Под высокопрочным бетоном мы понимаем плотные бетоны класса прочности выше C55 (данная цифра обозначает характерную прочность на сжатие выдержанного в воде бетонного цилиндра высотой 300 мм и диаметром 150 мм в возрасте 28 дней). В Германии и Европе разработаны стандарты для бетонов класса прочности до C100 [1, 2]. Бетон на легком заполнителе также возможно изготавливать как высокопрочный бетон. Немецкие и европейские нормы предусматривают классы прочности от LC55 до LC80.

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. На рисунке 1 показана принципиальная зависимость между пористостью и прочностью на сжатие цементного камня [3]. При минимальном отношении В/Ц и, следовательно, низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора.

Зерна заполнителя должны обладать высокой прочностью и по возможности высоким модулем упругости. Также необходимо очень хорошее сцепление между зернами заполнителя и матрицей цементного камня. В данном случае превосходный результат достигается за счет добавления пуццолановых вяжущих.

Исходные материалы, рецептура и производство

В качестве вяжущих могут употребляться в принципе все стандартные типы цементов. При выборе цемента следует обратить внимание на следующие позиции: — 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, необходимо использовать портландцемент (CEM I). На практике отлично проявили себя цементы класса CEM I 42,5 R, особенно те, которые отличаются низким содержанием трикальция алюмината (C3A). Как показывает опыт, в случае производства крупногабаритных элементов или при повышенной температуре окружающей среды целесообразно скомбинировать портландцемент и шлакоцемент, заменив также одну часть портландцемента на золу-унос каменного угля. Заполнители должны отвечать требованиям соответствующих норм (в Германии: DIN 4226 4.). Важную роль играют прочность, водопоглощение (форма зерна, гранулометрический состав) и химическая активность (предотвращение щелочных реакций). Чтобы уверенно выйти на прочность выше100 Н/куб. мм, рекомендуется применять мелкий базальтовый, габбровый или гранитный щебень.

Кривая гранулометрического состава должна проходить между эталонными кривыми просеивания A и B в соответствии с нормой DIN 1045-2 [1] и обладать как можно более низким содержанием мелкодисперсных частиц (< 0,125 мм) и мелкозернистого песка (от 0,125 до 0,25 мм). Диаметр самого крупного зерна должен колебаться в пределах от 8 до 16 мм (рис. 2).

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). Микрокремнезем имеет в данном контексте особое значение: сферические частицы микрокремнезема диаметром примерно 0,2 микрометра заполняют пустоты между частицами цемента и усиливают сцепление между зернами заполнителя и цементным камнем за счет разрушения низкопрочных кристаллов портландита (пуццолановая реакция).

Обязательным условием при изготовлении высокопрочных бетонов является использование пластификаторов в качестве химических добавок. В недавнем прошлом особой популярностью пользовались пластификаторы на основе сульфонатов нафталина и меламина (действие осуществляется за счет электростатического отталкивания одинаково заряженных ионов на поверхности частицы, а также за счет уменьшения поверхностного натяжения воды). В последние годы все большее применение находят эфиры поликарбоксилата, которые наряду с вышеназванными эффектами обладают дополнительным преимуществом: структуры макромолекул полимера, которые скапливаются на поверхности частицы, фактически берут на себя функцию распорок. В данном случае речь идет о пространственной (стерической) стабилизации. По сравнению с другими реагентами, даже минимальная доза продуктов на основе эфиров поликарбоксилата обеспечивает адекватное разжижающее действие и продлевает сроки удобоукладываемости бетонной смеси. При этом необходимо учитывать замедление гидратации цемента.

Как правило, эффективность или совместимость пластификатора с цементом и тонкодисперсными компонентами бетонной смеси, а также дозировка испытываются в ходе соответствующих экспертиз.

Состав

Состав смеси для высокопрочных бетонов определяется в соответствии с областью применения и подвергается специальной проверке. В таблице приводятся образцы составов смесей для бетонов класса прочности C70 и C80.

Производство и обеспечение качества

Главной задачей при производстве высокопрочных бетонных смесей является обеспечение достаточной удобоукладываемости бетонной смеси в течение периода, предусмотренного строительной практикой. Для этого необходимы: — постоянный контроль влажности заполнителей; — высокая точность дозировки; — использование смесителей, отличающихся высокой интенсивностью смешивания; — определение последовательности загрузки компонентов смеси и соответствующей продолжительности смешивания; — при работе с товарным бетоном необходимо учитывать время, необходимое для транспортировки и укладки бетона, и соотносить его с началом твердения; при необходимости следует добавить замедлитель; — определение правил дополнительной дозировки пластификатора на строительной площадке.

Удобоукладываемость бетона проверяется в ходе соответствующих испытаний в реальных условиях (смешивание, транспортировка, укладка, последующий уход за бетоном). Для высокопрочных бетонов в особенности рекомендуются высокоподвижные смеси (осадка конуса с применением шокового воздействия 50… 65 см), поскольку они легко поддаются перекачке бетононасосом.

Уход оказывает значительное влияние на качество бетона. Предпочтение следует отдавать влажностной обработке. В условиях высоких требований к непроницаемости и долговечности элементов конструкции продолжительность ухода должна составлять не менее трех дней.

Чтобы избежать ошибок при производстве, укладке и уходе за бетоном, необходимо составить план контроля качества (ср. DIN 10452 [1], приложение H), который включает: — контроль со стороны производителя бетона (выработка требований к исходным материалам, техническому оборудованию, характеристикам бетонной смеси и затвердевшего бетона; разработка заданных параметров и допустимых отклонений); — контроль со стороны потребителя бетона; — действия в случае недопустимых отклонений от требований (например, отказ от приема бетона); — определение ответственных лиц.

Процесс затвердевания бетона, аутогенная усадка

Благодаря относительно высокому содержанию цемента, использованию микрокремнезема и низкому водоцементному отношению высокопрочные бетоны при затвердевании развивают следующие качества (в сравнении с традиционными бетонами): — более быстрое нарастание температуры в строительной конструкции; — повышенная скорость потребления и связывания воды в процессе гидратации; — ускоренное нарастание прочности в первые дни.

Недостатком подобных бетонов по сравнению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка. Понятием «аутогенная усадка» мы обозначаем изменение объема, которое под влиянием изотермических условий происходит в бетонном образце, помещенном в герметичное пространство. Она является результатом химической усадки и, в общих чертах, ассоциируется с «внутренним высыханием» цементного камня (при отношении В/Ц ниже 0,4 содержание воды недостаточно для обеспечения полноценной гидратации цемента). Аутогенная усадка уже впервые дни после бетонирования может привести к возникновению сильного напряжения на растяжение и, следовательно, к трещинообразованию. В отличие от сухой усадки аутогенную усадку невозможно уменьшить путем внешнего ухода за бетоном.

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. Перспективным представляется использование полимеров (SAP), обладающих высокой абсорбирующей способностью и играющих роль накопителей. Полимеры SAP добавляются в бетон в виде порошка и в процессе перемешивания поглощают воду, образуя, таким образом, микроскопические водяные поры.

Впервые полимеры SAP были применены для внутреннего ухода в 2006 г. при возведении павильона FIFA к чемпионату мира в Кайзерслаутерне. Сооружение представляет собой филигранную конструкцию из самоуплотняющегося армированного фиброй бетона с прочностью на сжатие цилиндра 145 [6]. На рисунке 3 показаны графические изображения аутогенных усадочных деформаций с момента окончательного схватывания бетона с добавлением SAP и без него. Внутренний уход позволил значительно сократить аутогенную усадку, не оказав при этом негативного воздействия на удобоукладываемость бетона (осадка конуса — 780 мм), а также его прочность на сжатие и на изгиб.

Механические свойства

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. Нарастание прочности на растяжение и модуля упругости по времени происходит еще быстрее, чем рост прочности на сжатие. Соответственно повышению класса прочности бетона на сжатие уменьшается прирост прочности бетона на растяжение.

Высокопрочные бетоны отличаются большей хрупкостью по сравнению с традиционными бетонами [7], 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.

Процессы, которые с течением времени вызывают деформации бетонов обычной прочности, как правило, также характерны для высокопрочных бетонов, однако с некоторыми отличиями: — уменьшение деформации ползучести; — уменьшение влияния толщины строительной конструкции и относительной влажности воздуха окружающей среды; — сокращение сухой усадки (за счет выделения влаги в окружающую среду); — увеличение аутогенной усадки вследствие внутреннего высыхания.

В опубликованном докладе Международной федерации по бетону fib освещается текущее положение дел в области исследований механических характеристик высокопрочного бетона.

Читайте также: Железобетонные трубы. проектирование и изготовление

Долговечность

Благодаря малому объему капиллярных пор скорость проникновения жидких и газообразных веществ в высокопрочный бетон значительно ниже аналогичных показателей бетонов обычной прочности. Следовательно, от подобных бетонов мы можем ожидать как значительно более низких темпов проникновения агрессивных сред (что является преимуществом с точки зрения коррозионной защиты арматуры), так и более высокой устойчивости к химическому воздействию, среди прочего, антигололедных реагентов (технической соли), а также при износе.

При оценке долговечности высокопрочных бетонов прогнозирование образования трещин, возникающих на поверхности бетона или в матрице вследствие, например, аутогенной усадки, до сих пор представляется проблематичным.

Судить о подобных трещинах мы можем, например, по измерениям проницаемости кромочных зон бетона. При определении глубины карбонизации высокопрочных бетонов максимальный уровень карбонизации также зафиксирован в зонах трещинообразования.

При пожаре высокопрочные бетоны в отличие от бетонов обычной прочности значительно теряют в прочности уже при температуре ниже 300 0C. Если конструкции из высокопрочного бетона усилены стальной арматурой, период огнестойкости определяется, в основном, началом откалывания бетонного слоя поверх арматуры.

С увеличением плотности цементной матрицы затрудняется процесс выхода водяного пара, возникшего в результате нагревания. Из-за высокого внутреннего давления увеличивается опасность взрывоподобного скалывания бетонного слоя. Данную проблему можно решить путем добавления полипропиленовой фибры, которая при температурах около 150–170 0C начинает плавиться, образуя каналы, благодаря которым давление пара понижается.

Сверхпрочные бетоны

Интересной разработкой является так называемый сверхэффективный бетон (UHPC = Ultra High Performance Concrete), прочность которого колеблется в пределах 150 МПа и 250 МПа.

Данный бетон позволяет создавать конструкции и сооружения, отличающиеся одновременно как высокой несущей способностью, так и тонкостью контуров и долговечностью. Помимо правил производства высокопрочных бетонов для изготовления UHPC были разработаны следующие технологические требования: — дальнейшее сокращение водоцементного отношения до В/Ц = 0,2; — непременное использование микрокремнезема и пластификатора; — оптимизация плотности упаковки зерен заполнителя вплоть до нановеличин; — ограничение максимального размера крупнейших зерен до 8 мм, как правило, до 2 мм; — использование заполнителей из горных пород повышенной прочности; — в некоторых случаях затвердевание в условиях повышенного давления (примерно до 500 бар) и повышенной температуры (до 250 0C). С целью сокращения взрывоопасного скалывания материала и повышения его прочности на растяжение или на изгиб добавляют, как правило, от 1,5 до 2,5% от объема мелкой стальной фибры. Обзор данной новой технологии вы можете найти, например, в сборнике [8].

Сферы применения

Применение высокопрочных бетонов предлагает следующие преимущества: — уменьшение габаритов опалубки для колонн, балок и стеновых элементов; — уменьшение строительной толщины или увеличение несущей способности конструкций, работающих на изгиб; — создание более изящных контуров при увеличении длины пролетов конструкций, работающих на изгиб (большепролетные мосты); — одинаковые размеры опалубки в условиях заводского производства колонн, рассчитанных на различную нагрузку, или для производства колонн для всех этажей при монолитном строительстве (высокопрочный бетон на нижних этажах); — сокращение расхода бетона и арматуры и, соответственно, транспортировочной и монтажной массы, более высокая начальная прочность, более ранняя распалубка и предварительное обжатие, что обеспечивает возможность более ранней эксплуатации элемента; — более высокая плотность, водо- и газонепроницаемость за счет низкого содержания капиллярных пор; — более высокая износостойкость; — повышенная коррозионная защита арматуры за счет чрезвычайно медленного распространения карбонизации; — повышенная стойкость к химически активным веществам.

До сих пор основными областями применения высокопрочных бетонов являлись: — высотное строительство, возведение мостов; — непроницаемые для жидкостей резервуары/поверхности в установках для хранения, дозирования и транспортировки экологически опасных жидкостей; — облицовка водоочистных установок; — промышленные напольные покрытия; — бетон для несгораемых сейфов.

На фото в качестве примера из области мостостроения представлен виадук Мийо во Франции с крайне высокими опорами из высокопрочного бетона.

Литература 1. DIN 1045-2 Norm, 2001-07.Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton-Teil 2: Beton; Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformitt; Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1. Beuth Verlag, Berlin. 2. DIN EN 206-1 Norm, 2001-07.Beton-Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformitt. Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Beuth Verlag, Berlin. 3. Roy D. M., Gouda G. R.: Optimization of Strength in Cement Pastes. Cement and Concrete Research Vol. 5 (1975) No. 2, S. 153–162. 4. DIN EN 12620 Norm, 2003-04. Gesteinskrnung fr Beton. Beuth Verlag, Berlin. 5. Konig G., Tue N. V., Zink M.: Hochleistungsbeton — Bemessung, Herstellung und Anwendung. Ernst &Sohn, Berlin, 2001. 6. Mechtcherine V., Dudziak L., Schulze J., Stahr H.: Internal curing by Super Absorbent Polymers — Effects on material properties of self-compacting fibre-reinforced high performance concrete. International RILEM Conference on Volume Changes of Hardening Concrete: Testing and Mitigation, O. M. Jensen et al. (eds.), RILEM Proceedings PRO 52, RILEM Publications S.A.R.L., pp. 87–96, 2006. 7. Mechtcherine V., Muller H. S.: Fracture behaviour of High Performance Concrete. Finite Elements in Civil Engineering Applications, M.A.N. Hendriks & J.G. Rots (eds.), Balkema Publishers, Lisse, The Netherlands, pp. 35–44, 2002. 8. Schmidt M., Fehling E., Geisenhanslake C. (eds.): Ultra High Performance Concrete (UHPC) — Proceedings of the 1st International Symposium on Ultra High Performance Concrete; Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Universitat Kassel, Heft 3, 2004.

Автор: В. Мещерин Дата: 18.11.2008 Журнал Стройпрофиль 8-08 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование

«« назад

Производство композита

Изготовление высокопрочного бетона по сравнению с обычным тяжелым раствором отличается большей сложностью. Во-первых, для обеспечения качественного смешения компонентов необходимо использовать современные двухвалковые скоростные смесители, способные фактически перетирать смесь сырьевых компонентов.

Во-вторых, чтобы обеспечить все свойства материала требуется соблюдать точное дозирование компонентов и очередность их загрузки. В результате вместо классических 3 – 4 бункеров требуется 6 – 8, что увеличивает стоимость установки. Любое колебание во влажности материалов приводит к выпуску брака, поэтому линии подачи песка и щебня оборудуются специальными датчиками влажности для постоянной корректировки расхода воды.

При изготовлении смеси сначала смешиваются материалы малых фракций, например, цемент, минеральная добавка и микронаполнитель. Затем добавляется песок, вода с химическими модификаторами и крупный заполнитель. Время перемешивания увеличивается в 2 – 3 раза и составляет не менее 1,5 – 2 минут.

Только строгое соблюдение производственной дисциплины позволяет получить композит заданных свойств и параметров.

Примеры использования высокопрочного бетона в строительстве

Высокопрочные бетоны

К высокопрочным относятся бетоны классов примерно В50 и выше. Они находят все более широкое применение в современном строительстве, особенно в специальном и промышленном. Рационально комбинируя высокопрочные бетоны с высокопрочной арматурой, можно полнее использовать их свойства. Применение высокопрочных бетонов дает возможность уменьшить размеры поперечного сечения конструкций или увеличить их несущую способность. И то и другое позволяет снизить расход материалов, трудозатраты и общую стоимость строительства. Расход бетона может быть уменьшен до 30 %, стали — до 15 %, а стоимость изделий снижена на 10-15 %.

Рациональной областью применения высокопрочных бетонов являются центрально сжатые, а также изгибаемые элементы конструкций, если несущая способность последних определяется работой бетона на сжатие. Их следует использовать и в конструкциях, испытывающих динамические нагрузки. Высокопрочный бетон может найти применение в мостостроении, а также для изготовления тюбингов, используемых в обделке тоннелей, и т.д. Госстроем еще СССР были утверждены типовые сборные конструкции массового применения из бетонов классов В50, В55 и В60. К ним относятся стропильные фермы пролетом 18-24 м, решетчатые балки пролетом 18 м, плиты размером 3 12 м с повышенной несущей способностью, колонны многоэтажных зданий и др.

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. На рисунке 1 показана принципиальная зависимость между пористостью и прочностью на сжатие цементного камня. При минимальном отношении В/Ц и, следовательно, низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора. Зерна заполнителя должны обладать высокой прочностью и по возможности высоким модулем упругости. Также необходимо очень хорошее сцепление между зернами заполнителя и матрицей цементного камня. В данном случае превосходный результат достигается за счет добавления пуццолановых вяжущих.

Рисунок 1- Зависимость между пористостью и прочностью на сжатие цементного камня.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, РЕЦЕПТУРА И ПРОИЗВОДСТВО В качестве вяжущих могут употребляться в принципе все стандартные типы цементов. При выборе цемента следует обратить внимание на следующие позиции: •

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, необходимо использовать портландцемент (ЦEM I). На практике отлично проявили себя цементы класса ЦEM I 42,5 R, особенно те, которые отличаются низким содержанием трикальция алюмината (C3A). Как показывает опыт, в случае производства крупногабаритных элементов или при повышенной температуре окружающей среды целесообразно скомбинировать портландцемент и шлакоцемент, заменив также одну часть портландцемента на золу-унос каменного угля.

Чтобы уверенно выйти на прочность выше100 Н/куб. мм, рекомендуется применять щебень из плотных прочных горных пород (гранита, диабаза, базальта, габбро и др.)или гранитный щебень. Кривая гранулометрического состава должна проходить между эталонными кривыми просеивания A и B и обладать как можно более низким содержанием мелкодисперсных частиц (< 0,125 мм) и мелкозернистого песка (от 0,125 до 0,25 мм). Диаметр самого крупного зерна должен колебаться в пределах от 8 до 16 мм (рис. 2).

В качестве мелкого заполнителя следует использовать кварцевый или кварцево-полевошпатный песок, к которым предъявляют повышенные требования. Содержание примесей, определяемых отмачиванием, не должно превышать 1 % по массе. Желательно применять песок фракционированный (из двух-трех фракций). Пустотность песка не должна превышать 40 %.

Рисунок 2 – Кривая гранулометрического состава заполнителей для производства высокопрочных бетонов

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). Микрокремнезем имеет в данном контексте особое значение: сферические частицы микрокремнезема диаметром примерно 0,2 микрометра заполняют пустоты между частицами цемента и усиливают сцепление между зернами заполнителя и цементным камнем за счет разрушения низкопрочных кристаллов портландита (пуццолановая реакция). Обязательным условием при изготовлении высокопрочных бетонов является использование пластификаторов в качестве химических добавок. В недавнем прошлом особой популярностью пользовались пластификаторы на основе сульфонатов нафталина и меламина (действие осуществляется за счет электростатического отталкивания одинаково заряженных ионов на поверхности частицы, а также за счет уменьшения поверхностного натяжения воды).

ПРОЦЕСС ЗАТВЕРДЕВАНИЯ БЕТОНА, АУТОГЕННАЯ УСАДКА

Благодаря относительно высокому содержанию цемента, использованию микрокремнезема и низкому водоцементному отношению высокопрочные бетоны при затвердевании развивают следующие качества (в сравнении с традиционными бетонами):

• более быстрое нарастание температуры в строительной конструкции;

• повышенная скорость потребления и

связывания воды в процессе гидратации;

• ускоренное нарастание прочности в

первые дни. Недостатком подобных бетонов по сравнению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка.

Понятием «аутогенная усадка» мы обозначаем изменение объема, которое под влиянием изотермических условий происходит в бетонном образце, помещенном в герметичное пространство. Она является результатом химической усадки и, в общих чертах, ассоциируется с «внутренним высыханием» цементного камня (при отношении В/Ц ниже 0,4 содержание воды недостаточно для обеспечения полноценной гидратации цемента). Аутогенная усадка уже впервые дни после бетонирования может привести к возникновению сильного напряжения на растяжение и, следовательно, к трещинообразованию. В отличие от сухой усадки аутогенную усадку невозможно уменьшить путем внешнего ухода за бетоном. 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. Перспективным представляется использование полимеров (SAP), обладающих высокой абсорбирующей способностью и играющих роль

накопителей. Полимеры SAP добавляются в бетон в виде порошка и в процессе перемешивания поглощают воду, образуя, таким образом, микроскопические водяные поры.

Впервые полимеры SAP были применены для внутреннего ухода в 2006 г. При возведении павильона FIFA к чемпионату мира в Кайзерслаутерне. Сооружение представляет собой филигранную конструкцию из самоуплотняющегося армированного фиброй бетона с прочностью

на сжатие цилиндра 145.

Внутренний уход позволил значительно сократить аутогенную усадку, не оказав при этом негативного воздействия на удобоукладываемость бетона (осадка конуса —780 мм), а также его прочность на сжатие

и на изгиб.

Примеры использования высокопрочного бетона в строительстве

Рисунок 3- Виадук Мийо во Франции с крайне высокими опорами из высокопрочного бетона

Новое 42-этажное жилое здание в центре Сиэтла является одним из первых в стране примеров использования бетона с прочностью 15000 фунтов на кв. дюйм (103,42 МПа), отражая последние достижения в области строительных материалов. Эффективное использование этого «супербетона» позволяет проектировать колонны, диафрагмы жесткости и другие конструктивные элементы с меньшими размерами, чем при применении обычного бетона. Это приводит к дополнительному пространству внутри здания. И этот бетон вкупе с современной технологичной опалубкой и современными бетононасосными установками выводит высотное строительство на новые горизонты.

Рисунок 4 — 42 этажная башня жилого комплекса Premiere on Pine в центре Сиэтла

Сиэтл не является единственным городом, где бьются рекорды по строительству высотных бетонных зданий. Две башни жилого комплекса высотой 400 футов (121,9 м), начало строительства которых ожидается в конце этого года, станут самыми высокими железобетонными зданиями в Лос-Анжелесе, которые когда-либо строились в этом городе. Для колонн зданий здесь также будет использован высокопрочный бетон.

Рисунок 5- Две башни жилого комплекса высотой 400 футов (121,9 м) в Лос- Анжелесе

Помимо использования в колоннах высотных зданий высокопрочный бетон используется также и в диафрагмах жесткости и рамных конструкциях тех же зданий. В результате увеличилась не только прочность, но и жесткость несущего каркаса, что важно для высотных зданий, испытывающих значительные боковые нагрузки.

В свою очередь, высокопрочный бетон отличают от рядового некоторые показатели, основными из которых являются: • низкое содержание воды затворения, определяющее через показатель водоцементного отношения прочностные свойства. Так, снижение В/Ц бетона вплоть до значений нормальной густоты цементного теста дает возможность повышения прочности на сжатие на 30% и более; • уплотненная структура цементного камня, связанная с устранением разупрочняющих пустот; • увеличенное содержание низкоосновных гидросиликатов кальция (ГСК) за счет пуццолановых реакций; • для бетона массивных конструкций умеренное или низкое тепловыделение при гидратации, не вызывающее деформаций структуры бетона.