Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Значение терминов “высокопрочный”, “особо высокопрочный”, “суперпрочный” бетон постоянно менялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в России максимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным, не превышала марки М1000.

В практике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии, Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этих стран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250 МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностью на растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объеме конструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрический фактор L/d = 30–60), будут постоянно расширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классов В30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяет экономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимо этого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижается масса зданий и сооружений.

В России особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их получения хотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективные отечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающая промышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12 мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельной поверхностью 300–350 м²/кг. Бетоносмесительные цеха не имеют достаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростными смесительными агрегатами.

В теории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей с расплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Не изучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложенная ранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонных смесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающих минимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основные принципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов с супер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивными добавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицах бетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходами портландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- и гиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема (МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное для создания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители в бетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетона максимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в “тощих” составах на 10–15 %, а в “жирных” — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можно связать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочность бетона 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 марку бетона 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% от массы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнуть прочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным для традиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемая как отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м³ бетона, будет очень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

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

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

В бетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличивать добавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрического масштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не в состоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истинная плотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объем дисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долю цемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии с суперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этом случае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость при минимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержание водно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительном добавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперсной матрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинства портландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые виды карбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до 4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием (соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратное уменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжением сдвига 5–10 Па.

Второй важный для обеспечения “высокой” реологии бетонных смесей для высокопрочных бетонов фактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчаной реологической матрицы второго уровня. Она должна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной (растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

При расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулах расчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня α, который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можно за счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случае бетон становится “запесоченным”, с пониженной прочностью. Во втором — бетон становится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличения содержания цемента.

при расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня

Для высокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м³ является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, а также МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Таким образом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетонов принципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок 300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебня в цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывной гранулометрии щебня, “незыблемый” для традиционных бетонов, не является обязательным. Иными словами, бетон должен быть с “плавающей” структурой песка и щебня, то есть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такой структуры критерий избытка абсолютного объемов реологической дисперсной матрицы над абсолютным объемом песка и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчаной матрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

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

Объемы компонентов на 1 м³ в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

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

Проведенными исследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до 1,6, — от 1,15 до 1,5, то для ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до 3,5, а — от 2,2 до 2,5. В отдельных 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 и бетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3), изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкой большого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетонов взяты 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].

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

Примечания:

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

2. Расчет критериев и выполнен по формулам 1 и 2.

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

4. Состав 4 и 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 щебня на 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациями НИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Как следует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительного добавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперсной добавкой МК [5], объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть и увеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, но существенно 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 также использовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологической структуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП в ВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперсной фазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня в достаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности более эффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000 кг на 1 м³ бетона.

В статье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав 5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Как следует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повысить прочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались на том же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальное повышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000 при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом и многокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии и дополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структуре цементного камня.

2. Улучшение реологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованием эффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением в бетонных смесях.

3. Использование эффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетонов рационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условием необходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержания цементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночных бетонных смесей.

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

5. Для увеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесях необходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышая ее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющая состав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечит свободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Не всякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологической матрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должна быть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечивать более высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действием собственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такой суспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижении с сохранением текучести.

7. Водоредуцирующий индекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый при равной текучести с непластифицированной, равный ВИ=В_н/В_п, где В_н и В_п — водосодержание муки без СП и с СП в % к массе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большее число раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердой фазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокая реологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (более высокую) активность смеси “цемент — мука” в их суспензии с суперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффекта действия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее к водосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменной муки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре с портландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарной водно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшим пределом текучести (5–10 МПа).

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

10. Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличие от природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомит и т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активность минерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрического масштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и муки микрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяет принцип оптимальной гранулометрии портландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливают взвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11. Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, по сравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. В связи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг и микрокремнезема 100–200 кг на 1 м³ бетонной смеси общая масса минерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300 кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными, то есть с “плавающей” структурой песка в дисперсной матрице и щебня в зернисто-дисперсной матрице.

12. Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетона превращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперсную компоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смеси обеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещению частиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабными уровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочными деформациями и ползучестью под нагрузкой.

13. Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ являются критерии избытка абсолютного объема реологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объема реологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится в пределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонах высокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительной тепловой обработке, может повышаться до 3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14. Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных и плотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП и обезвоживания 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 количеством лещадных и игловатых частиц.

16. Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбранной процедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов. Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители с переменной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Для микрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразно использовать бетоносмесители немецкой формы “Eirich”.

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетонная смесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокой аутогенной 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 и контракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицах дисперсной 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 суперпластификатором неизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушные пузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи с быстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотного слоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и не мешающей удалению пузырьков воздуха.

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

20. Для получения пропаренных изделий с более высокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использовать кварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловой обработки (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 на осевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армирования таких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемных степенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевое растяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

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

2. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

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

4. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. Фаликман В. Р., Калашников О. О. “Внутренний уход” за особовысокопрочными быстротвердеющими бетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

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

Автор: В. И. Калашников, д. т. н., профессор