Применение высокопрочного бетона в российской строительной практике

Бетон в последние десятилетия является основным конструкционным материалом, который применяется в строительстве, причем его высокопрочные марки отличаются особыми свойствами, которые пока не нашли распространения в строительной практике. Высокопрочным, согласно требованиям ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования», считается бетон класса прочности при сжатии В55 и выше [1].

К числу достоинств высокопрочных марок бетона в научной и практической литературе относят его более высокую плотность, морозостойкость, долговечность, водо- и газопроницаемость, устойчивость к агрессивным химическим факторам, износостойкость [5, с. 101]. Высокопрочный бетон также отличается повышенной антикоррозионной защитой арматуры, что важно в условиях повышенной влажности или создании конструкций мостов, плотин и тому подобных сооружений. Важным фактором при выборе для строительства высокопрочных марок бетона является такое их свойство, как высокая выносливость на сжатие и растяжение, что особенно важно при сооружении не только технологических объектов, но и высотного строительства [10].

При этом применение при строительстве высокопрочных бетонов для создания основных несущих конструкций в литературе отмечается как эффективное [3, с. 24]. В работах [6, 7] отмечается, что в результате использования бетона высокопрочных марок растет несущая способность основных несущих конструкций, уменьшается размер сечения конструкций, снижается расход и арматуры, и собственно бетона, конструкции отличаются также меньшим весом и большей компактностью.

Все эти достоинства применения высокопрочного бетона подтверждаются не только опытом практической работы, но и результатами исследований И.Т. Мирсаяпова и А.Г. Тамразян [7, с. 53]. Эти исследователи доказали, что применение в элементах железобетонного каркаса высокопрочного бетона В100 по сравнению с использованием бетона марок В20 и В30 отличается снижением расхода стали и уменьшает раскрытие трещин практически в два раза (при этом в некоторых элементах возможность образования трещин полностью исключается). Использование высокопрочного бетона также дает возможность при проектировании зданий и сооружений уменьшить размер поперечного сечения колонн и ригелей, что приводит к уменьшению объема бетона, который требуется для изготовления основных конструктивных элементов, что приводит к снижению стоимости строительства [6, 7].

В российской строительной практике несмотря на то, что разработаны и опробованы технологии, позволяющие получать высокопрочные бетоны, отличающиеся уникальными свойствами, они почти не применяются. Как отмечается в исследовании агентства РА Эксперт, в Российской Федерации строительство основного объема зданий и сооружений по-прежнему осуществляется из материала с классом прочности В10-В35 (прочность на осевое сжатие 150-450, или 15-45 Мпа) [4]. На это обстоятельство не слишком сильно повлияло даже массовое увеличение этажности строительства, и сегодня, как и в 1990-2000-х годах, массовое строительство использует только материалоемкие бетоны низких марок.

Как отмечает Ю.М. Баженов, одним из технологических условий получения высокопрочных бетонов является создание такой его структуры, которая бы отличалась особой плотностью, прочностью и монолитностью. Этого можно добиться при соблюдении нескольких условий [2, с. 226]:

• применение высокопрочных цементов и заполнителей;
• предельно низкое водоцементное отношение;
• высокий предельно допустимый расход цемента;
• применение суперпластификаторов и комплексных добавок, которые способствуют получению плотной структуры этого материала;
• особо тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси;
• созданием для твердения бетона наиболее благоприятных условий.

Разработка модифицированных бетонов основывалась на появлении суперпластификаторов и микрокремнеземов – высокодисперсных кремнеземсодержащих материалов техногенного происхождения. Использование этих материалов и сочетание с ними небольших количеств других органических и минеральных материалов позволяет модифицировать структуру материала на микроуровне таким образом, чтобы придать бетону свойства, которые обеспечивали бы ему эксплуатационную надежность конструкций [3, с. 24].

При изготовлении высокопрочных бетонов применяются суперпластификаторы – синтетические полимеры, основное назначение которых – повышение текучести и подвижности бетонной смеси. Объем суперпластификатора составляет 0,1-1,2% от массы цемента. Основное назначение суперпластификатора – воздействие на структуру на коагуляционной стадии изготовления бетона, изменение реологических, то есть связанных с текучестью, свойств материала, что оказывает влияние на кристаллизационную структуру бетона [10].

Микрокремнезем – это очень мелкие шарообразные частицы аморфного кремнезема, их средняя удельная поверхность составляет около 20 кв. м/г, а средний размер частицы – 0,1 микрона, то есть примерно в сто раз меньше зерна цемента. Смысл добавления в бетонную смесь микрокремнезема состоит в том, что его частицы окружают каждое зерно цемента, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями [10].

При изготовлении высокопрочных порошковых бетонов в бетонную смесь вводят каменную муку, которая повышает как действие суперпластификатора, так и влияет на свойства реологической матрицы самого бетона. Это позволяет и уменьшить количество воды, и увеличить прочность получившегося материала, добавление каменной муки фактически приравнивается к увеличению объема цемента в бетонной смеси [10].

Технология изготовления высокопрочного легкого бетона основана на том, что бетонная смесь имеет специальный состав, в который входят цемент, наполнитель – микросферы, кварцевый песок, пластификатор и вода плюс минеральная часть, которая состоит из кремнеземистых компонентов. При этом этот бетон не содержит крупный заполнитель, снижение средней плотности материала происходит за счет введения в него сферических частиц микрометрического размера – углекислого газа в твердой непористой оболочке, как правило, это стеклянные или алюмосиликатные микросферы. В сочетании со специально подобранными компонентами цементно-минеральной составляющей бетона и специальными модифицирующими добавками полый наполнитель формирует одновременно прочную и плотную структуру бетона с насыщенной закрытой пористостью [5, с. 101].

Технология изготовления высокопрочного дисперсно-армированного фибробетона основана на модификации материала на двух уровнях. На микроуровне – через применение комплексных добавок (суперпластификаторы, реакционно-активные наполнители и гидрофобизаторы), которые вводятся совместно с клинкером, на макроуровне – добавкой армирующих волокнистых элементов (0,3-2%). Различают две группы фибробетона: металлическая (применяются стальные волокна различной формы и размера) и неметаллическая (используются такие материалы, как стекло, полиэтилен, углеродные волокна и так далее) [9, ч. 52]. Такая технология повышает прочность бетона при сжатии (на 4,14% при использовании синтетических, и на 6,16% – стальных волокон) и растяжении (на 10,45 и 14,53% соответственно), а также стойкость к образованию трещин и ударную вязкость [8, с. 22].

В литературе отмечается, что применение супер- и гиперпластификаторов, каменной муки, микрокремнезема и золы позволяет повысить уровень прочности получившихся бетонов до 150-200 МПа. Но повышение прочности имеет свои недостатки: повышается хрупкость, снижается коэффициент поперечной деформации (или коэффициент Пуассона) до 0,14-0,17, что влечет за собой риск внезапного разрушения конструкции [10].

Таким образом, разработка новых, современных технологий позволяет изготавливать высокопрочные бетоны нового поколения, к сожалению, как отмечают эксперты [4], все эти возможности в России не реализуются, отставание в этом плане от передовых стран уже очень значительно и с каждым годом нарастает.

Между тем, за рубежом именно при использовании всех этих технологических достижений становится возможным строительство зданий высотой до 500-800 м, однопролетных автомобильных и железнодорожных мостов с длиной пролета до 2 км, нефтяных и газовых платформ для добычи полезных ископаемых на морском шельфе и других сооружений.

При этом, как отмечается в исследовании [4], использование для изготовления центрально-нагруженной колонны сечением 300×300 мм из высокопрочного бетона класса В100 требует для своего изготовления в четыре раза меньше цемента, песка, воды, суперпластификаторов и щебня, чем изготовление аналогичной конструкции сечением 600×600 мм из бетона класса В25. Примерно в таком же соотношении снижается и вес получившейся конструкции, затраты на монтаж и перевозку необходимых материалов, повышается производительность труда и улучшаются его условия.

Таким образом, существенные преимущества строительства из высокопрочных марок бетона определяются эффектами в строительстве, транспорте, энергосбережении, экологии, особенностях природопользования. Более широкое применение в строительстве зданий и сооружений высокопрочного бетона нового поколения следует считать одной из самых важных для строительства. Ее решение приблизит строительную отрасль России к мировому уровню как проектирования, так и сооружения самых разнообразных объектов, изменит не только экономику отрасли, но и внешний вид зданий, предоставив возможность архитекторам использовать более прочные, но менее массивные и материалоемкие ажурные, легкие, надежные и долговечные конструкции.