Високоміцний бетон
Сучасне масове будівництво в Україні, будівництво висотних будівель, мостів, доріг, тунелів, очисних споруд вимагатиме застосування у великих обсягах будівельних матеріалів, які найбільше підходять за своїми техніко-економічними показниками. У ряді випадків таким матеріалом може бути СБ. Висока механічна міцність, газо- і водонепроникність, корозійна стійкість і стійкість до впливу агресивного середовища, стирання ставлять цей матеріал у ряді випадків поза конкуренцією при порівнянні з традиційними будівельними матеріалами.
Визначення та коротка історія високоміцного бетону
Сьогодні у країнах ЄС до високоміцних прийнято відносити бетони із міцністю на стиск від 60 до 130 МПа. Для таких бетонів розроблено норми та правила, викладені у вищезгаданих нормах. Зменшивши розмір зерен наповнювача до 600 мкм і менше і знизивши В/Ц відношення до 0,15, можна досягти міцності бетону значно вище 200 МПа. У такому випадку говорять про ультрависокоміцні бетони (UHPS), які в даній статті не розглядаються.
Прагнення отримати бетон з можливо вищою міцністю притаманне будівельній науці з моменту її заснування. Але вперше термін «високоміцний бетон» було введено в 1929 р. в Америці, де для висотного будівництва досліджувалися нові склади бетонів і де в лабораторних умовах ще в 30-ті роки були отримані бетони, міцність на стиск яких досягала 130 МПа. У Європі, зокрема у ФРН, перші високоміцні бетони були отримані в 40-ті роки, знову ж таки в лабораторних умовах. І якщо 1966 р. було досягнуто міцність 140 МПа в лабораторії, то 1988 р. вже у промислових умовах вироблялися тюбинги з бетону В85.
Перші високоміцні бетони отримували, застосовуючи жорсткі суміші, спеціальні способи.ущільнення, автоклавне твердіння. Оскільки було встановлено, що в бетоні найслабшим елементом є цементний камінь, міцність якого безпосередньо залежить від водоцементного відношення, то знизити це відношення скільки можна було цілком природним прагненням. При В/Ц=0,4 можна виходити з того, що вся вода буде залучена до реакції гідратації цементу, що перешкоджає утворенню капілярних пір в цементному камені. При подальшому зниженні В/Ц відносини «зайвий» цемент, що не вступив у реакцію, служить високоміцним мікрозернистим наповнювачем, що ще більше підвищує міцність бетону. Однак така «напівсуха» суміш в умовах будмайданчика не піддається обробці, і, щоб підвищити зручність укладення суміші, доводиться додавати «зайву» воду.
Два вирішальні чинники призвели до застосування у 70-ті роки СБ у будівництві. По-перше, це відкриття в Японії та ФРН того явища, що при додаванні в бетонну суміш органічних сполук на основі нафталінформальдегіду або меламінформальдегіду значно підвищують її рухливість. По-друге, був відкритий кремнеземний пил (мікрокремнезем) як добавка до бетону. Частинки цього пилу, маючи розмір у 30-100 разів менший, ніж у зерен цементу, заповнюють простір між цими зернами. Цим досягається висока щільність цементного каменю та контактної зони. До того ж кремнеземний пил вступає в пуцоланову реакцію з окисом кальцію, який має невисоку механічну міцність. Отримані в результаті реакції кальціюсилікатогідрати додатково підвищують міцність цементного каменю.
Останнім часом відкриті нові високоефективні синтетичні пластифікатори, а поряд із кремнеземним пилом широко застосовується попел-віднесення та доменні шлаки. Розроблені на сьогоднішній день склади дозволяють знизити В/Цвідношення до 0,3–0,25 та одержувати в промислових умовах бетони міцністю на стиск понад 140 МПа. Накопичений досвід застосування СБ у будівництві дозволив країнам ЄС створити нормативну базу для виробництва та застосування бетонів міцністю до 130 МПа.
Технологія. загальні положення
Прості нормальні бетони можна розглядати як трикомпонентний будівельний матеріал, що складається з цементу, води та заповнювача. Найважливішими характеристиками бетону є міцність на стиск, міцність на розтягування та модуль пружності Е. Ці характеристики повинні бути цілеспрямовані та напевно досягнуті. Також до бетону можуть бути пред'явлені підвищені вимоги щодо водо- та газонепроникності, стійкості до агресивного середовища, морозостійкості та стійкості до стирання.
СБ є подальшим емпірично обґрунтованим розвитком нормальних бетонів. Для застосування СБ у країнах ЄС встановлені практичні правила, що дозволяють використовувати ці бетони при будівництві висотних будівель, мостів, доріг, бурових платформ та ін. мікрокремнезему), золи-винесення, металургійних шлаків, метакоаліну; б) пластифікаторів, які дозволили б знизити В/Ц відношення, зберігши при цьому необхідну рухливість суміші. Таким чином, на противагу нормальним бетонам ВБ можна розглядати як п'ятикомпонентну систему, що складається із цементу, води, заповнювача, наповнювачів, пластифікаторів.
Для надання СБ особливих властивостей можуть застосовуватися додаткові компоненти, наприклад, сповільнювачі/прискорювачі твердіння, пороутворювачі і т.д.
На характеристики СБ впливають такі фактори: - кількість і якість вихідних матеріалів -цементу, заповнювачів, наповнювачів та води; - спосіб приготування суміші; - умови довкілля; - умови твердіння бетону; - вплив суб'єктивних чинників (досвід та інтуїція людей).
При цьому практика показала, що при просуванні в екстремальні галузі науки про бетон деякі відомі із застосування нормальних бетонів залежності змінюються, втрачаючи або, навпаки, набуваючи у значенні.
Від цементів, що застосовуються, безпосередньо залежать найважливіші характеристики бетону - міцність, зручноукладальність при низьких В/Ц відносинах, усадка або деформація під тривалим навантаженням. Найважливішими характеристиками цементів, що використовуються в СБ, є: - мінералогічний склад клінкеру; - розмір та співвідношення зерен цементу.
Більшість звичайних цементів можна використовувати під час виробництва СБ. Це можуть бути як портландцементи, так і шлакопортландцементи або цементи пуцоланові. Однак у більшості випадків застосовуються портландцементи через високу ранню та 28-добову міцність СБ на їх основі. При цьому важливо зауважити, що нормативна міцність цементу, встановлена при В/Ц=0,5, не відіграє визначальної ролі для міцності бетону при низьких відносинах. Критерієм вибору тих чи інших цементів, що випускаються за європейськими нормами, можуть бути такі особливості в порівнянні з найбільш часто застосовуваним СЕМI 42,5R (аналог ПЦ 500Д20).
CEMI 32,5R - міцність до В95, грубий помел дозволяє досягати меншого В/Ц відношення, при однаковій консистенції суміші і меншому В/Ц відношенні досягається порівнянна 28-денна міцність.
CEMI 52,5R, CEMI 52,5 — тонкий помел вимагає великої витрати пластифікаторів, при низькому В/Ц відношенні важко або неможливо досягти необхідної для укладання суміші консистенції, при однакових В/Ц відношенніі консистенції суміші дещо більша 28-добова міцність, менша живучість суміші, висока рання міцність, більше тепловиділення при твердінні, великі усадкові деформації, відсутня наростання міцності після 28 діб твердіння бетону.
СЕМIII 32,5 і СЕМIII42,5 - низька рання і 28-добова міцність, наростання міцності після 28 діб твердіння, від 90 до 360 діб твердіння можливе досягнення порівнянної з 28-добової міцності, незначне тепловиділення при твердінні усадка, незначний досвід застосування таких цементів при використанні СБ у будівництві.
(CEMI - портландцемент, CEMII - композиційний портландцемент, CEMIII - шлакопортландцемент; цифра означає міцність в МПа, літера R - швидкосхоплюючий.)
Важливо звернути увагу, що цементи одного виду та класу міцності, але різні за мінералогічним складом клінкеру та відсотковим співвідношенням розміру зерен, можуть давати у СБ при низьких В/Ц відносинах різні результати. У більшості випадків у країнах ЄС для приготування СБ використовують портландцемент марки СЕМІ 42,5R. Щоб зменшити тепловиділення при твердінні СБ і пов'язані з цим усадку, утворення тріщин, відлущування поверхневого шару застосовують, особливо в спекотний період, суміш портланд- і шлакопортландцементу. Хороший результат дає заміна частини цементу меленими шлаками або золою-уносом. Витрата цементу для приготування СБ лежить зазвичай у межах 380–450 кг/куб. м.
Зі збільшенням міцності бетону механічні властивості заповнювачів грають дедалі більшу роль. Також потрібно брати до уваги форму та розмір зерен, кількісне співвідношення вмісту зерен різного розміру, а також хімічну взаємодію між заповнювачем та цементною матрицею.І якщо в нормальних бетонах заповнювач грає роль лише інертного матеріалу, то у ВБ якості та властивості заповнювачів роблять значний внесок у досягнення бетоном можливої міцності.
Для досягнення бетоном міцності понад 100 МПа потрібно як заповнювач щебінь базальтових, габро- або гранітних порід. У ФРН для бетонів С90/105 та С110/115 використовується в основному базальтовий щебінь.
Як наповнювачі для СБ до сьогоднішнього дня застосовувалися мікрокремнезем у вигляді пилу або водної суспензії складу 1:1, зола-унос, метакоалін.
У деяких випадках застосовується кварцове або вапняне борошно, щоб підвищити щільність наповнення бетону. Додавання цих наповнювачів у бетон викликає такі ефекти, що ведуть до збільшення міцності та поліпшення властивостей бетону: - зменшення пороутворення в цементному камені (завдяки своїм мікророзмірам зерна наповнювача проникають у простір між зернами цементу, що частково не вступив у реакцію, і значно підвищують щільність цементного каменю). ); - утворення додаткових кальцію-силікатогідратів як первинних носіїв міцності цементного каменю за допомогою пуцоланової реакції; - зміцнення контактної зони між цементним каменем і заповнювачем внаслідок зменшення кількості та розмірів пір та утворення додатково кальцію-силікатогідратів у цій зоні.
Зола-унос (з-у) утворюється при спалюванні кам'яного вугілля і уловлюється з диму електрофільтрами. Вона є частинками тонкого склоподібного пилу з питомою поверхнею від 3 000 кв. см/р. За хімічним складом з-у можна порівняти з натуральними пуцоланами. Завдяки пуцолановим властивостям використовується багато років при виробництві бетонів нормальної міцності, особливо для масивних деталей, з метою зменшеннятеплоутворення при твердінні. При приготуванні СБ накопичено також значний позитивний досвід застосування з-у.
Мікрокремнезем (мк) - аморфний кремнезем (біла сажа силікатний дим) - утворюється як побічний продукт при виробництві феросиліцію і тримає в облозі на рукавах електрофільтрів. Більшу частину мк утворюють частинки аморфного двоокису кремнію майже ідеальної круглої форми середнім розміром близько 0,1 мкм та питомою поверхнею 16-22 кв. м/р.
У ФРН як наповнювач застосовують в основному мк. Згідно з діючими нормами, кількість мк не повинна перевищувати 10% маси цементу. Але навіть 2% від маси цементу достатньо, щоб значно збільшити міцність та покращити властивості бетону.
Хороший результат дає спільне використання як наповнювач мк і з-у. Внаслідок відмінності в розмірах частинок мк і з-у досягається щільніша структура бетону, що особливо благотворно впливає на стійкість бетону до агресивного впливу середовища. Другий сприятливий ефект - це знижене теплоутворення при твердінні бетону, особливо якщо частину цементу замінити золою-віднесенням. У цьому кількість з-у має перевищувати 25% від маси цементу (у разі застосування шлакопортландцементу — 8%).
Загальну кількість в'яжучого в бетоні у разі спільного застосування мк і з-у можна визначити за формулою: Вс=ц+мк+0,4 з-у, де: Вс — розрахункова кількість в'яжучого в 1 куб. м суміші; ц - кількість цементу; мк - кількість мікрокремнезему (не більше 10% ц); з-у - кількість золи-винесення (не більше 25%ц).
У цьому випадку В/Ц відношення називатиметься модифікованим і визначатиметься за формулою: В/Ц=(В+Вмк+Вн+Вз):Вс, де: В/Ц — модифіковане водоцементне відношення; В – кількість води в 1 куб. м суміші; Вмк - кількість води в мікрокремнеземнійсуспензії; Вн - кількість води в наповнювачі; Вз - кількість води в наповнювачі внаслідок вологості.
Метакоалін (МТК) отримують спіканням при температурі 450-800 0С містять природних мінералів коалін. У порівнянні з мікрокремнеземом МТК виявляє вдвічі більшу пуцоланову дію.
Залежно від помелу розмір часток МТК лежить в області між МК і цементом.
Наносилікат (нс) - це синтетично вироблена крем'яна кислота. Зміст SiO2 сягає 100%. За пуцолановим ефектом нс порівняємо з мікрокремнеземом. До сьогодні нс застосовувався переважно як основа для виробництва стабілізаторів.
Основні характеристики наповнювачів наведені у таблиці: