Состав высокопрочных бетонов для высотного строительства

Высокая стоимость земли и целый ряд технических ограничений приколи к преобладанию зданий башенного типа. Как правило, это были здания из стекла и бетона, основой которым служил металлический каркас.

Однако на заре XXI в. опыт обрушения небоскребов в Нью-Йорке (в результате трагических событий 11 сентября) показал, что при всей красоте и продуманности технических решений не обеспечивается безопасность при террористических актах и серьезных пожарах. Дело в том, что металлоконструкции, выгодно отличающиеся от железобетонных конструкций в обычных условиях, при пожаре быстро нагреваются и теряют жесткость. Потеря жесткости и изменение формы отдельных конструкций приводят к недопустимому перераспределению нагрузок и, как следствие, обрушению всего здания.

Переосмысление событий 11 сентября привело к необходимости изменения конструктивной схемы высотных зданий. Теперь в качестве несущей основы все чаще применяются центральное железобетонное ядро и система окружающих его железобетонных колонн. Примером такой конструктивной схемы могут служить башни комплекса «Федерация», который сейчас возводится в Москве.

Комплекс «Федерация» состоит из двух башен. Меньшая башня в 63 этажа, имеющая высоту 242 м, уже практически построена, а большая, в 93 этажа и высотой 354 м, находится в процессе строительства. На фото 1 — меньшая по высоте из двух башен комплекса «Федерация», на фото 4 — типовой этаж этой башни.

Прочностные и эксплуатационные характеристики обычных бетонов не обеспечивают требований к бетонам несущих конструкций высотных зданий. В данном случае нужны более высокие показатели прочности и долговечности. На фото 2 — армирование колонны и ригеля большей по высоте башни комплекса «Федерация». Высокая густота армирования железобетонных конструкций и технологические требования к бетонной смеси, подаваемой бетононасосом на большую высоту, вызывают необходимость использования бетонных смесей с подвижностью не менее Пк 4.

Существенный прорыв в создании российских высокопрочных бетонов стал возможен в середине 90-х годов XX в. благодаря разработке д.т.н. С.С. Каприелова (тогда еще к.т.н.) — модифицирующей добавки МБ-01 [1]. Модификатор МБ-01 представляет собой двухкомпонентную гранулированную добавку на основе аморфного микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Кроме этих двух компонентов в составе в мизерном количестве присутствует добавка НТФ, которая позволяет несколько замедлить начало схватывания смеси. В технических условиях и рекламных проспектах об этом не сказано, по при больших объемах поставок можно заказать модификатор, сохраняющий живучесть смеси в течение не 2 час, как обычно, а 4 или 6 час.

Существует четыре марки модификатора МБ-01: МБ 8-01, МБ 10-01, МБ 12-01, МБ 14-01. Первый цифровой индекс соответствует процентному содержанию суперпластификатора С-3. Наиболее широко применяется модификатор серии МБ 10-01. Он на 90% состоит из аморфного микрокремнезема и на 10% из суперпластификатора С-3.

При гидратации портландцемента в обычных условиях в структуре цементного камня образуется до 40% портландита — кристаллической гидроокиси кальция. Портландит представляет собой крупные кристаллы, которые достаточно легко растворяются в воде (1,65 г/л при 20 °С), обладают низкой прочностью и твердостью (2 по шкале Мооса). При пропаривании бетона образуется еще больше портландита.

В условиях автоклава (при высоких давлениях и температурах) портландит вступает с поверхностью кварцевого песка в пуццоланическую реакцию, приводящую к образованию низкоосновных гидросиликатов, обладающих высокой прочностью, химической стойкостью и очень низкой растворимостью. На этом основано производство силикатных бетонов и силикатного кирпича.

В обычных условиях реакция между кварцем и гидроокисью кальция практически не происходит:

Са(ОН)2 + SiО2 + (n- 1)Н2О = CaOSiО2· nH2О. (1)

Однако существует аморфная разновидность двуокиси кремния, которая способна вступать с гидроокисью кальция в пуццоланическую реакцию при обычных температурах. Эту аморфную разновидность двуокиси кремния называют аморфным (или активным) кремнеземом, либо пуццоланой.

Попытки использования для улучшения качества бетона природных пуццоланов (туфа, диатомитов, трепелов, опоки) приведи к разработке пуццолановога и ряда сульфатостойких цементов, по революционных изменений не вызвали. Дело в том, что реакция шла только на поверхности частиц, и качество цементного камня улучшалось заметно, но не слишком значительно.

Поэтому начиная с 70-х годов прошлого века многие специалисты занялись исследованием возможности использования для модификации бетона искусственных продуктов, содержащих аморфный кремнезем. Исследовалась эффективность применения измельченных шлаков, зол уноса и других порошковых и пылевидных агрегатов, имеющих высокое содержание аморфного кремнезема.

Наиболее эффективной оказалась пыль, оседающая на рукавных фильтрах производств, выплавляющих нержавеющую сталь. Содержание аморфного кремнезема в этой пыли в некоторых случаях доходило до 90%, а размеры частиц находились в пределах от 0,5 до 0,05 мкм. То есть эти частицы на 2 — 3 порядка мельче, чем частицы цемента.

Первоначально это были отходы ферросплавных производств, которые имели отрицательную стоимость (доплачивали тем, кто их забирал). Однако начиная с 80-х годов материал был переведен в категорию побочного продукта производства и приобрел собственную стоимость, которая с тех пор только возрастает. Сегодня этот продукт называют аморфным (или активным) микрокремнеземом. Другие названия — конденсированный микрокремнезем, белая сажа, силикатный дым.

Широкое применение аморфного микрокремнезема в производстве товарных бетонов и железобетонных изделий получило развитие не сразу, так как имелось несколько затруднений. Первое из них — низкая насыпная плотность — 250 кг/куб.м. «Перевозка воздуха» не является эффективным мероприятием. Второе — пыление при любых операциях по перегрузке и затаривании. Третье — большой расход воды на смачивание материала с очень развитой удельной поверхностью:, более 20 кв. м/г-против 0,3 кв. м/г у обычного цемента.

Таблица. Составы высокопрочного бетона, используемые в Москве

 

Состав бетонной смеси, (кг/куб. м)
   

Осадка конуса (см)
   

В/Ц
   

Плотность смеси (кг/куб. м)
   

Прочность бетона (МПа)

цемент
   

модификатор МБ10-01
   

песок
   

щебень
   

вода
   

С-3
   

 
   

 
   

 
   

 

550
   

110
   

697
   

902
   

152
   

2
   

20
   

0,276
   

2 413
   

102,9

550
   

110
   

660
   

930
   

164
   

4
   

27
   

0,298
   

2 436
   

98,7

550
   

110
   

650
   

950
   

135
   

-
   

19
   

0,245
   

2 421
   

92,7

 

 

В процессе производства добавки МБ-01 аморфный микрокремнезем смешивается с суперпластификатором С-3 и переводится в гранулированную форму. Благодаря этому увеличиваются насыпная плотность материала — в среднем до 750 кг/куб. м, и размер частиц — до 0,1 мм. Частицы такого размера уже практически не пылят, а при обращении с добавкой можно использовать технологии, применяемые для цемента.

В чем преимущество МБ-01 перед другими добавками и технологиями? Обычные добавки могут изменить то или иное свойство бетона на несколько процентов, в крайнем случае на несколько десятков процентов. Домол цемента позволяет увеличить прочность бетона в 1,5 раза. Активация бетонной смеси производится электрическим током, полями, разрядами — на 10-20%.

Модификатор МБ-01 позволяет увеличить прочность бетона в 2 - 2,5 раза, морозостойкость— до 1000 циклов, водонепроницаемость — до марки W 16, а в отдельных случаях даже больше. Бетон с 10% добавкой МБ-01 более сульфатостоек, чем бетон на сульфатостойком портландцементе. Твердение модифицированного бетона в нормальных условиях протекает без резких разогревов, которые могут привести к образованию трещин, а при тепловлажностной обработке требуется меньший расход энергии. Долговечность модифицированного бетона в несколько раз выше, чем у обычного тяжелого бетона.

Существующие до настоящего времени отечественные методики подбора состава не позволяли изготовить товарный бетон с подвижностью Пк 4, имеющий среднюю прочность около 100 МПа (в промышленных объемах).

Дело в том, что гранитный щебень, используемый для бетона, изготавливается из пород, имеющих прочность до 140 МПа. Прочность самого щебня, прошедшего через дробилку и имеющего развитую систему микротрещин, примерно вдвое ниже и, как правило, не превышает 70 МПа. При этом благодаря современным модифицирующим добавкам прочность растворной части можно довести до 120 МПа.

В процессе подбора состава высокопрочного бетона для несущих конструкций комплекса «Федерация» москвичи пошли по следующему пути: при почти максимальном расходе цемента и модифицирующей добавки они резко снизили расход щебня. Коэффициент раздвижки зерен щебня составил около 1,7. Таким образом получился бетон, в котором в основном работает растворная часть, а щебень играет роль «изюма». Составы бетона, используемые при строительстве башен «Федерация» [2], представлены в таблице.

Эти составы были блестяще апробированы при строительстве комплекса «Федерация» в Москве, но это не значит, что они не могут быть улучшены и адаптированы к условиям Санкт-Петербурга.

Считается, что в растворах прочность щебня должна превосходить прочность бетона по меньшей мере в 2 раза. По моему мнению, для высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов прочность щебня должна быть по крайней мере не ниже прочности бетона.

Как-то в частной беседе я задал одному из разработчиков московских составов вопрос: почему они не взяли более прочный щебень. Он ответил, что в Москве нет более прочного щебня в требуемых количествах. Поэтому они вынуждены были пойти на сокращение расхода щебня и соответствующее удорожание бетона за счет повышения расхода цемента и модифицирующей добавки.

В Санкт-Петербурге есть более прочный щебень. Это габбро-диабазовый щебень. Стоимость кубометра габбро-диабазового щебня составляет 880 руб., что практически не превышает среднего уровня цен на качественный гранитный щебень. Исследование этого щебня методом дробления в пуансоне показало, что потери массы не превышают 3%.

Для лучшего гранитного щебня аналогичный показатель составляет 12%. Это говорит о том, что прочность исходной породы превышает 200 МПа, а прочность самого щебня, составляющая примерно половину от этой величины, должна быть около 100 Vina, что вполне достаточно для бетона класса В75.

Лабораторные исследования показали, что истинная плотность данного габбро-диабазового щебня составляет2 960 кг/куб.м. Это несколько превышает предельную величину в 2 800 кг/куб. м, установленную в ГОСТ 26633-91* (3) для тяжелого бетона, но находится в допустимых- пределах согласно ГОСТ 8267-93 [4|, устанавливающего требования к щебню для тяжелого бетона. Учитывая, что по всем остальным показателям данный щебень удовлетворяет требованиям нормативных документов, а по некоторым качественным характеристикам даже весьма существенно превышает их верхние пределы, можно сделать вывод о целесообразности использования габбро-диабазового щебня в составе высокопрочного бетона.

Предложение о принятии габбро-диабазового щебня б качестве заполнителя бетона для высотного комплекса ОАО «Газпром» было сделано мной в докладе на «круглом столе» (5). Идея получила одобрение таких известных ученых Санкт-Петербурга, как профессор П. П. Комохов, академик РАСН, д. т. и. (ПГУПС), и профессор Л. М. Колчеданцев, д. т. н. (СПБ ГАСУ).

Заменив в составе московского высокопрочного бетона гранитный щебень на нормальное количество габбро-диабазового и сократив объем цемента и модификатора на 10 %, мы получили на смеси с осадкой конуса 18 см бетон класса В75 (фото 3). Экономический эффект только на компонентах составляет примерно 350 руб./куб.м. При этом плотность бетона, конечно, увеличилась, но осталась в пределах требований к тяжелому бетону.

Известно и многократно подтверждено целым рядом исследователей и расчетных методик, что прочность бетона, твердеющего в нормальных условиях, в возрасте 7 суток составляет примерно 70% от 28-суточной прочности. В данном случае (два независимых эксперимента с разными составами) прочность бетона в возрасте 7 суток оказалась равна 90% от прочности в возрасте 28 суток. Это позволяет сделать вывод о том, что реальная прочность модифицированной растворной части выше, чем прочность габбро-диабазового щебня. Косвенным доказательством этого вывода является характер разрушения бетона: трещины прошли не по контактной зоне, а непосредственно через зерна щебня. Это подтверждает сделанное ранее предположение, что реальная прочность габбро-диабазового щебня составляет около 100 МПа.

Таким образом, теперь в Санкт-Петербурге имеется свой высокопрочный состав, разработанный для высотного комплекса ОАО «Газпром» (высота комплекса будет превышать 300 м), который планируется возвести в устье реки Охта. Состав имеет среднюю прочность 99,5 МПа (класс по прочности — В 75), подвижность — 18 см (марка по подвижности — Пк 4), а по своим ценовым характеристикам может успешно конкурировать с московскими высокопрочными бетонами.

 Литература

   1.
      ТУ 5743-049-02495332-96. Модификатор бетона марки МБ-01. Технические условия.
   2.
      С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд, Г.С. Кардумян и др. Опыт возведения уникальных конструкций из модифицированных бетонов на строительстве комплекса «Федерация».//«Промышленное и гражданское строительство», № 8, 2006, с. 20-22.
   3.
      ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.
   4.
      ГОСТ 8267-93*. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.
   5.
      Бетоны: ставка на науку.//«Вестник строительного комплекса», № 4, 2007, с. 19-22.


М.Н. Вучский, д.т.н., профессор ВИТУ

Журнал "СтройПРОФИль" №4 (58), 2007  14.06.2007