БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ВЫСОКИМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд, ГУП «НИИЖБ» Москва, Россия Abstract Modified concrete for underground structures based on application of complex modifier MB-01 and ordinary portland cement are presented. This concrete characterized by combined properties: high compressive strength, low permeability, high corrosion resistance and durability. Having such properties the modified concrete does not need additive protection from aggressive action of salts. Ведущие специалисты в области технологии бетона с конца 80-х годов разрабатывают концепцию бетонов нового поколения, которым отводится важная роль в сложных инженерных сооружениях 21 века. Имеются ввиду бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, так называемые «High Performance Concrete», которые уже сегодня востребованы не только необходимостью выдерживать возрастающие воздействия природного и, особенно, техногенного характера, но и новыми эстетическими требованиями, предъявляемыми к современным инженерным сооружениям. Сегодня концепцию бетонов с высокими эксплуатационными свойствами (ВЭС) можно изложить следующим образом: а) доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов; б) высокие физико-технические характеристики бетонов - класс по прочности до В80, низкая проницаемость для воды (W12...W20) и газов, низкая усадка и ползучесть, повышенная коррозионная стойкость и долговечность, т.е. свойства, сочетание которых или преобладание одного из которых обеспечивает высокую надежность конструкций в зависимости от условий эксплуатации . Такой подход вполне обоснован. С одной стороны бетон должен сохранить все преимущества, сделавшие его основным конструкционным материалом строительства, т.е. приготавливаться, главным образом, из местных ресурсов в непосредственной близости от стройплощадок с небольшими трудозатратами как при производстве смесей, так и при бетонировании конструкций. С другой стороны, он должен обладать достаточным потенциалом, чтобы воспринимать без «вторичной» защиты повышенные физико-механические нагрузки при эксплуатации конструкций в различных, в том числе сильно агрессивных средах. Реализация концепции бетонов (ВЭС) оказалась возможной, прежде всего, благодаря комплексному применению суперпластификаторов и микрокремнезема. Оптимальное сочетание указанных добавок - модификаторов, а, при необходимости, совмещение с ними в небольших количествах и других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. В основе изменения 2 свойств бетонов - происходящие в цементной системе сложные коллоидно-химические и физические явления, которые поддаются воздействию модификаторов и отражаются, в конечном счете, на фазовом составе, пористости и прочности цементного камня [1]. Очевидно, поэтому многие специалисты относят производство бетонов (ВЭС) к «высоким технологиям» [2]. Известны примеры удачного использования бетонов ВЭС при строительстве уникальных объектов за рубежом. Наиболее эффектные из них: тоннель под Ла-Маншем, комплекс высотных зданий в Чикаго, мост через пролив Нортумберленд (Канада), буровые платформы в Северном море и др. Однако, при всей привлекательности перспективы массового производства бетонов и конструкций нового поколения география объектов строительства с их применением оказалась недостаточно широкой. Главная причина - нетехнологичность важнейшего компонента таких бетонов - микрокремнезема, который, представляя собой пылевидный ультрадисперсный материал насыпной плотностью от 150 до 500 кг/м 3, крайне неудобен для транспортирования. Более совершенная технология производства модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами разработана в России Институтом бетона и железобетона (НИИЖБ).Ее реализация оказалась возможной благодаря появлению уникального комплексного модификатора МБ-01. Этот порошкообразный продукт содержит микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения , имеет насыпную плотность 750-800 кг/м3 и по ряду свойств превосходит зарубежные аналоги. Среди преимуществ МБ-01 - повышенная насыпная плотность (750-800 кг/м3) и композиционный состав, благодаря чему исключается необходимость в суперпластификаторе и упрощается технология производства бетонов. Основные свойства бетонов приводятся ниже [3]. Диапазон кубиковой прочности 40-100 МПа, что соответствует классам В30 В80. Диапазон кратковременных и длительных деформативных характеристик: для бетонов класса до В60 (прочностью до 80 МПа) соответствует действующим нормативам, для бетонов класса выше В60 (прочностью выше 80 МПа) нормируется специально. Диапазон кубиковой прочности при нормальном твердении в течение суток - 15-30 МПа. Низкая проницаемость для воды, газов и хлоридов (рис.1). Марка по водонепроницаемости выше W16. Для Для воды воды 10 10 Для воздуха 1200 W6 4 1200 см /с W6 2 1100 1 W16 W16 -8 1000 Коэффициент диффузии хлоридов, 10 W8 1 Воздухопроницаемость, 10- 4 см3/с -1 0 Коэффициент фильтрации воды, 10 см/с Для ионов хлора 10 900 800 700 100 600 500 400 50 МБ= 10%Ц 300 200 3 2 1 100 0 1 0 0 0 1 Без МБ МБ=10%Ц МБ=15%Ц 0 Без МБ МБ=10%Ц МБ=15%Ц 1 Без МБ МБ=10%Ц Рис.1. Проницаемость бетонов для воды, воздуха и ионов хлора (Цемент = 400 кг/м3, В/Ц = 0,38) МБ=15%Ц 3 Морозостойкость не ниже, чем у обычных бетонов, а при дополнительном использовании воздухововлекающих или газообразующих добавок доводится до марок F800-F1000 (рис.2). Относительная прочность на сжатие, % 100 99 МБ+ГКЖ-94 МБ без добавок 98 МБ+СНВ 97 Область высокой стойкости 96 Область низкой стойкости 95 94 93 92 91 90 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Циклы замораживания-оттаивания (марка по морозостойкости) Рис.2. Морозостойкость высокопрочных бетонов с Rcж=75-80 МПа, расходом цемента=480 кг/м3 и МБ-01=48 кг/м3, В/Ц=0,32, без добавок и с добавками СНВ и ГКЖ-94 («136-41») Стойкость без оклеечной или обмазочной изоляции в следующих условиях: в слабокислых средах при рН >3, в газовых средах при концентрации агрессивных газов на ступень выше , чем указано в СНиП 2.03.11-85, в жидких средах при концентрациях хлоридов и сульфатов на ступень выше ,чем указанно в СНиП 2.03.11-85. Повышенная тиксотропность и стабильная во времени консистенция бетонных смесей , которые даже при высокой пластичности не имеют признаков расслоения. Некоторые из перечисленных свойств проявились при возведении конструкции на ТРК «Манежная площадь», при устройстве монолитно-прессованной обделки коллектора диаметром 4 метра, буронабивных столбов (фундаментов) под опоры путепроводов, конструкций транспортных сооружений на МКАД и др. В талице № 1 приведена кинетика твердения бетонов в зависимости от температуры в зоне производства работ при устройстве монолитно-прессованной обделки. Таблица № 1. Кинетика твердения модифицированного бетона в зависимости от температуры в зоне производства работ Температура твердения бетона 4ч 6ч о 10 С 0 0 о 20 С 0 0 30оС 0 5 о 45 С 0 14 Примечания: Основные компоненты Прочность, МПа, в течение… 8ч 12 ч 16 ч 24 ч 3 сут 0 0 2 13 45 2 5 12 29 50 15 30 39 50 65 28 40 48 62 78 7 сут 62 65 78 88 24 сут 91 94 96 100 бетонной смеси – Цемент = 500 кг/м3, МБ-01 = 50 кг/м3, В/Т = 0,27. Осадка конуса 4-6 см. Марка по водонепроницаемости в возрасте 28 сут – W20. Давление прессования – 1,2-1,5 МПа. 4 Как известно, эта особенность бетона существенно влияет на скорость продвижения щита. При температуре 300С и выше уже через 6 часов достигается прочность 5 МПа, достаточная для восприятия давления прессования новой порции бетонной смеси и продвижения щита. При этом прочность бетона в марочном возрасте превышает 90 МПа, марка по водонепроницаемости не ниже W20. В таблице № 2 приведены характеристики бетонных смесей и бетонов, использованных при устройстве буронабивных столбов методом ВПТ на строительстве путепроводов на Московской кольцевой автодороге. Таблица № 2. Характеристики бетонных смесей и бетонов буронабивных столбов (фундаментов) под опоры путепроводов Расположение путепровода 1. Пересечение МКАД со Смоленским направлением ж.д. 2. Пересечение МКАД с Дмитровским направлением ж.д. Основные компоненты бет. смеси, кг/м3 МБ-01 Ц В 480 48 190 400 45 160 Осадка конуса, см после…мин 10 90 2224 2224 2022 2022 Прочность на сжатие, МПа Водонепроницаемость, W Морозостойкость, F 7 сут 50 28 сут 67 W18 F200 40 55 W18 F300 Условия эксплуатации конструкции характеризовались наличием сильно- агрессивной (по содержанию сульфатов SO42- до 3659 мг/л и хлоридов Cl- до 64303 мг/л) среды по отношению к бетону марки по водонепроницаемости W4. Для модифицированного бетона марки W18 эта же среда является неагрессивной ,что не требует «вторичной защиты» (изоляции) конструкции , как в случае с бетоном W4. Сохранение консистенции бетонной смеси в течение длительной (до 1,5 часов) транспортировки является еще одним достоинством , снимающим технологические проблемы в условиях мегаполиса (рис.3). Осадка конуса, см 20 МБ=15%Ц 16 МБ=10%Ц 12 8 4 Без МБ 0 0 0,5 1 1,5 Время транспортировки бетонной смеси, час Рис.3. Изменение пластичности бетонных смесей во времени (Цемент = 400 кг/м3; В/Ц = 0,38) 2 5 Повышенная связность (нерасслаиваемость) высокоподвижных смесей позволяет обеспечить однородность бетона по высоте столба, что подтвердилось испытанием выбуренных кернов. Отклонения прочности кернов по высоте столба не превышало 10%. Вывод Практика возведения различных сооружений показала, что модифицированные бетоны с МБ-01 обладают комплексом свойств, которые позволяют обеспечить долговечность и эксплуатационную надежность сооружений в условиях агрессивного воздействия окружающей среды, не усложняя технологию производства бетонных работ. Литература 1. Каприелов С.С. «Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов». Бетон и железобетон №4, 1995 г., стр.16-20. 2. B.Mather. Concrete - year 2000, Revisited in 1995. Adam Neville Symp. in Concrete. Tech. Proceedings Second CANMET/ ACI Symp. Las Vegas, june 12, 1995, p.p. 1-9. 3. Каприелов С.С. , Шейнфельд А.В. , Батраков В.Г. « Комплексный модификатор МБ01». Бетон и железобетон №5, 1997 г. стр. 38-41.