Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Значениетерминов «высокопрочный», «особо высокопрочный», «суперпрочный» бетон постоянноменялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в Россиимаксимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным,не превышала марки М1000.

Впрактике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии,Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этихстран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистыереакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностьюна растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объемеконструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрическийфактор L/d = 30–60), будут постояннорасширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классовВ30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяетэкономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимоэтого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижаетсямасса зданий и сооружений.

ВРоссии особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их полученияхотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективныеотечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающаяпромышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельнойповерхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеютдостаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростнымисмесительными агрегатами.

Втеории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей сраплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Неизучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложеннаяранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонныхсмесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающихминимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основныепринципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов ссупер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивнымидобавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицахбетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходамипортландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- игиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема(МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное длясоздания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители вбетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетонамаксимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в «тощих»составах на 10–15 %, а в «жирных» — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можносвязать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочностьбетона на 20–50 %. В итоге общее увеличение прочности может быть полуторо-двукратным.Используя для бетона М500 экономичный состав с соотношением компонентов Ц:П:Щ =1:1,5:2 при расходе цемента 500 кг с маркой его М550, можно при В/Ц=0,38 получить маркубетона 500. При введении суперпластификатора и снижении расхода воды до 20–25 %можно повысить прочность до 65–75 МПа. При введении МК в количестве 15–20% отмассы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнутьпрочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным длятрадиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемаякак отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м3 бетона, будеточень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

В статье[5] приводятся результаты испытания высокопрочного бетона, изготовленного сиспользованием ВНВ-100 активностью 92 МПа, мытого гранитного щебня, крупного пескаи МК. Бетон имел к 28 сут. нормального твердения прочность при сжатии всего 86МПа. Это является доказательством того, что дальнейшее повышение прочностиневозможно без кардинального изменения состава и топологической структурыбетона. Новая рецептура и структура высокопрочных бетонов должна увеличить объемреологической водно-дисперсной матрицы (Vдп) первого рода, состоящей из цемента,добавки МК и воды. Эта более объемная матрица должна обеспечить свободноеперемещение частиц песка в водно-дисперсной системе.

Повышениекоэффициента раздвижки зерен песка можно осуществить за счет добавления воды.Но это приводит к расслаиванию бетонной смеси и снижению прочности бетона.

Вбетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличиватьдобавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрическогомасштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не всостоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истиннаяплотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объемдисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долюцемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии ссуперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этомслучае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость приминимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержаниеводно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительномдобавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперснойматрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинствапортландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые видыкарбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием(соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратноеуменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжениемсдвига 5–10 Па.

Второйважный для обеспечения «высокой» реологии бетонных смесей для высокопрочных бетоновфактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчанойреологической матрицы второго уровня. Онадолжна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной(растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

Прирасчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональнойреологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицамипеска и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулахрасчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня ,который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можноза счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случаебетон становится «запесоченным», с пониженной прочностью. Во втором — бетонстановится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличениясодержания цемента.

Длявысокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м3является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, атакже МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Такимобразом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетоновпринципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебняв цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывнойгранулометрии щебня, «незыблемый» для традиционных бетонов, не является обязательным.Иными словами, бетон должен быть с «плавающей» структурой песка и щебня, тоесть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такойструктуры критерий избытка абсолютного объемовреологической дисперсной матрицы над абсолютным объемомпеска и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчанойматрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

где— абсолютные объемы цемента,каменной муки, МК, песка, щебня и воды соответственно.

Объемыкомпонентов на 1 м3в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуреобычного (а) и высокопрочного (б) бетонов

Проведеннымиисследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до1,6, — от 1,15 до 1,5, тодля ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до3,5, а — от 2,2 до 2,5. Вотдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5–3,9, =3,0–3,5.

В табл.1 представлены расчеты критериев и для ВПБ, ОВПБ ибетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3),изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкойбольшого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетоноввзяты из статьи [6]. Состав бетона повышенной прочности (состав 4),изготовленного из бетонной смеси на ВНВ-100 (содержание СП не указывается) с 10% МК от массы цемента, взяты из статьи [5].

№ состава	Расход материалов на 1 м3, кг/л								В/Ц	В/Ц+Д	бетонной смеси, кг/м3 (без фибры)	Объемы матриц, л				Rсж, МПа, НУ	Rсж, МПа,ТО
	Ц	П	Щ	Добавка (Д)		Ф	В	СП
				МК	КМ*							**	**
1	630*** 203	433 166,5	867 289	158*** 60,8	197 82,2	192 24,6	151 151	8,0	0,24	0,153	2449			3,04	2,33	155-172	182–184
2	580*** 188	354 136	711 237	177 73,7	325 125	194 24,9	163 163	9,2	0,28	0,150	2383	527	663,7	3,9	3,53	—	191–202
3	722*** 233	425 163	850 283	181 69,6	118 49	192 24,6	157 157	8,0	0,22	0,154	2430	509	672	3,12	2,37	—	192–210
4	569**** 183	617 233	901 334	57 24	—	—	194 194	ВНВ	0,34	0,31	2338	301	634	1,72	1,90	86,0	—
5	500• 161	620 234	1132 419	—	—	—	180 180	4,0	0,36	—	—	341	575	1,46	1,37	69,5	—
6	450• 145	616 232	1140 422	50• 22	—	—	180 180	5,2	0,40	0,36	—	347	579	1,49	1,37	73,4	—
7	400 129	600 230	1150 426	—	—	—	200 200	—	0,50	—	2350	329	559	1,43	1,31	32,0	—
8	400 129	692 266	1134 420	—	—	—	168 168	4,0	0,40	—	2394	303	569	1,14	1,35	38,0	—

Таблица 1. Сравнение составов высокопрочных и обычных бетонов ианализ реологических матриц

Примечания:

1. Составы бетона с метакаолином приведены в [1].

2. Расчет критериев и выполнен по формулам1 и 2.

3. Составы 1–3и их прочностные показатели приведены в [6].

4. Состав 4и его значение прочности приведены в [5].

Бетон общего назначения (составы 7,8)без и с СП, с увеличением расхода песка на 10 % и без уменьшения расхода щебняна 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациямиНИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Какследует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительногодобавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперснойдобавкой МК [5] объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть иувеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, носущественно ниже, чем должны быть в структуре супербетонов. Таким образом,цемент низкой водопотребности, который обычно обеспечивает в суспензии высокий ВИ(по нашим исследованиям, 2,1–2,5), не в состоянии сделать бетон высокопрочным.Поэтому для достижения высокой прочности бетона на ВНВ его необходимо такжеиспользовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологическойструктуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП вВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперснойфазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня вдостаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности болееэффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000кг на 1 м3бетона.

Встатье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Какследует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повыситьпрочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались натом же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Такимобразом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальноеповышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом имногокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии идополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структурецементного камня.

2. Улучшениереологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованиемэффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением вбетонных смесях.

3. Использованиеэффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетоноврационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условиемнеобходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержанияцементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночныхбетонных смесей.

4. Увеличениеобъема цементно-водной матрицы, а вместе с ней и прочности, можно достигнутьповышением содержания цемента до 800–1000 кг на 1 м3 бетона. Однакотакие бетоны с пониженным содержанием крупного заполнителя являются сильно усадочными,нетрещиностойкими и недолговечными. Они обладают повышенной ползучестью.

5. Дляувеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесяхнеобходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышаяее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющаясостав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечитсвободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Невсякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологическойматрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должнабыть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечиватьболее высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действиемсобственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такойсуспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижениис сохранением текучести.

7. Водоредуцирующийиндекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый приравной текучести с непластифицированной, равный ВИ=Вн/Вп,где Вн и Вп — водосодержание муки без СП и с СП в % кмассе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большеечисло раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердойфазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокаяреологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (болеевысокую) активность смеси «цемент — мука» в их суспензии ссуперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффектадействия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее кводосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменноймуки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре спортландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарнойводно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшимпределом текучести (5–10 МПа).

9.Реализация более высокой прочности за счет синтеза дополнительного количествагидросиликатов в структуре бетона достигается добавками активного МК, ММК или кислойзолы мультициклонов (с минимальным количеством несгоревших остатков), доля которыхсоставляет 10–30 % и зависит от содержания портландцемента.

10.Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличиеот природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомити т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активностьминерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрическогомасштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и мукимикрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяетпринцип оптимальной гранулометриипортландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливаютвзвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11.Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, посравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. Всвязи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг имикрокремнезема 100–200 кг на 1 м3 бетонной смеси общая массаминерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными,то есть с «плавающей» структурой песка в дисперсной матрице и щебня взернисто-дисперсной матрице.

12.Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетонапревращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперснуюкомпоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смесиобеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещениючастиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабнымиуровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочнымидеформациями и ползучестью под нагрузкой.

13.Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБявляются критерии избытка абсолютного объемареологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объемареологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится впределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонахвысокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительнойтепловой обработке, может повышаться до3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14.Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных иплотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП иобезвоживания бетонной смеси в процессе ее приготовления и укладки.

15.Щебень для изготовления бетонов должен обладать высокой прочностью.Предпочтительна фракция щебня 3–10 или 3–12 мм с минимальным количествомлещадных и игловатых частиц.

16.Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбраннойпроцедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов.Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители спеременной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Длямикрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразноиспользовать бетоносмесители немецкой формы «Eirich».

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетоннаясмесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокойаутогенной усадкой, величина которой может достигать 0,8–1,0 мм/м и более.Причина ее связана не с испарением воды, а с повышенной химической контракцией иконтракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицахдисперсной фазы, содержание которой значительно выше, чем в обычных бетонах.Этот процесс определяет формирование высокой плотности и прочности.

18.В процессе интенсивного перемешивания бетонной смеси с суперпластификаторомнеизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушныепузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи сбыстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотногослоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и немешающей удалению пузырьков воздуха.

19.Отформованные изделия из бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ в большей степени нуждаютсяв защите от обезвоживания в связи с малым содержанием воды.

20. Для получения пропаренных изделий с болеевысокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использоватькварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловойобработки (до 90–95 °С) с большой продолжительностью изотермии (до 24–36 ч).

21. Высокая прочность на осевое сжатие ВПБ и ОВПБ(а вместе с ней и высокая хрупкость и непропорционально низкая прочность наосевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армированиятаких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемныхстепенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевоерастяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

Литература:

1. ДворкинЛ. И., Лушникова Н. В. Свойства высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина //Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. — С. 78–83.

2. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсныереологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологиибетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

3. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 2. Виды реологическихматриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона нового поколения// Технологии бетонов. — 2007. — № 6. — С. 8–11.

4. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных иособовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общегоназначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. ФаликманВ. Р., Калашников О. О. «Внутренний уход» за особовысокопрочными быстротвердеющимибетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

6. Schmidt M. et al. Ultra-Hochfester Beton: Perspektive fur die Betonfertigteilingindustrial // Betonwerk+Fertigtal-Technik. — 2003. — № 3. — S. 16–29.