CC BY
170
Г.Э. Окольникова, кандидат технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Промышленное и гражданское строителъство»
Московкого Государственного Университета Машиностроения (МАМИ), e-mail: [email protected]
Р.А. Хамракулов, Генералъный директор строителъной компании ЗАО «ИНКОН», e-mail: [email protected]
Ю.В. Суслов, студент 6 курса Московкого Государственного Университета Машиностроения, производителъ работ
строителъной компании «Ресстрой», e-mail: [email protected]
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ
Статъя посвящена изучению свойств новых материалов высокопрочных модифицированных бетонов; расмотрены их разновидности; области применения и перспективные направления развития в современном высотном и болъшепролетном строи-телъстве, а также в возведении зданий и сооружений в сложных условиях; рассмотрены преимущества высокопрочных бетонов по сравнению с традиционными бетонами; приведены резулътаты эксперименталъных исследований физико-механических свойств и параметров механики разрушения высокопрочных бетонов.
Ключевые слова: модифицированные бетоны, высокопрочные бетоны, улътравысоко-прочные бетоны, фибробетон, параметры механики разрушения, критический коэффифи-циент интенсивности напряжений, критическая интенсивность высвобождения энергии.
The article is devoted to the study of the properties of new materials of high strength modified concrete; examined varieties; applications and future directions of development in the modern high-rise and long-span construction, as well as in the construction of buildings and structures in difficult conditions; The advantages of high-strength concrete as compared with conventional concrete; The results of experimental studies of physical and mechanical properties and fracture mechanics parameters of high-strength concrete.
Keywords: modified concrete, high strength concrete, ultra high-strength concrete, fiber concrete, fracture mechanics parameters, a critical stress intensity koeffifitsient, the critical energy release rate.
Введение
В рамках данной статьи в качестве основного исследуемого материала выбран высокопрочный и ультравысокопрочный бетон, который находит все большее применение в современном строительстве в России и за рубежом. На сегодняшний день в России разработаны и активно внедряются высокопрочные модифицированные бетоны с минеральными добавками классом по прочности на сжатие В80 и выше, производимые в промышленных масштабах [1]. Средняя плотность тяжелых бетонов колеблется в пределах от 2200 до 2500 кг/м3.
Высокопрочный бетон обладает положительными качествами и преимуществами по отношению к традиционным бетонам [2]:
• высокая прочность бетона позволяет уменьшать толщину конструкций с сохранением их прочности, облегчая конструкцию;
• благодаря повышенной плотности и сниженного количества капиллярных пор в высокопрочном бетоне, улучшается его устойчивость к химическому воздействию;
• высокая ранняя прочность твердение в нормальных условиях (25-40 МПа в сутки);
• высокоподвижные (ОК=22-24 см) бетонные смеси повышенной связно-сти-нерасслаиваемости;
• повышенная антикоррозионная стойкость, добавление микрокремнезе-
ма снижает водопроницаемость на 50%, повышает сульфатостойкость на 100%;
• низкая проницаемость для воды и газов
• морозостойкость Г200-Г600 (до П000 со специальными добавками) ;
• повышенная долговечность (стойкость к сульфатам и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 400 С температур и морозостойкости) .
Разновидности высокопрочных
бетонов
Модифицированные бетоны
С появлением суперпластификаторов (СП) и высокодисперсных кремнеземсодержащих материалов техногенного происхождения в технологии производства бетона произошел перелом. Значительный прогресс связан именно с совместным применением СП и МК. Оптимальное сочетание указанных добавок - модификаторов, а, при необходимости, совмещение с ними в небольших количествах других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций [3].
Суперпластификаторы (СП увеличивают подвижность и текучесть бетонной смеси. В большинстве супер-
пластификаторы - синтетические полимерные вещества, которые вводят в бетонную смесь в количестве 0,1 ... ... 1,2% от массы цемента. Воздействуя на процессы формирования структуры, особенно на начальной, коагуля-ционной, стадии, СП изменяют реологические свойства цементной системы, способствуют сокращению ее водопотребности, что в дальнейшем отражается на параметрах кристаллизационной структуры [3].
Микрокремнезем представляет собой очень мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г. По гранулометрическому составу средний размер частиц МК составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 меньше среднего размера зерна цемента. При использовании микрокремнезёма (рис. 1) для изготовления особо прочных бетонов тысячи сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами ги-
Рис. 1. Цемент с добавлением микрокремнезёма
дратации и улучшая сцепление с заполнителями [4].
Высокопрочные порошковые
бетоны
К цементу добавляют каменную муку, и она увеличит не только реологическое воздействие СП на смесь, но и долю самой реологической матрицы. В результате появляется возможность значительно снизить количество воды, повысить плотность и увеличить прочность бетона. Добавление каменной муки практически будет равносильно увеличению цемента. В сочетание гиперпластификаторов с микрокремнеземом, каменной мукой или золой позволили поднять уровень прочности на сжатие 150-200МПа. Однако значительное повышение прочности ведет к интенсивному возрастанию хрупкости и понижению коэффициента Пуассона до 0,14-0,17, что приводит к риску внезапного разрушения конструкций при чрезвычайных происшествиях [5].
Дисперсно-армированный бетон
С появлением высокопрочных бетонов стало возможным новое «рождение» высокопрочного дисперсно-армированного фибробетона, сочетающего в себе высокоплотную и высокопрочную цементную матрицу с армирующими элементами. Дисперсное армирование модифицирует бетон на двух уровнях: микроуровне - комплексных добавок, вво-
димых совместно с клинкером: СП, реакционно-активных наполнителей и гидрофобизаторов и макроуровне -добавкой армирующих волокнистых элементов. Двухуровневое дисперсное армирование бетона рассматривается как эффективное средство повышения прочности при сжатии и растяжении, а также трещиностой-кости и ударной вязкости [6].
Дисперсное армирование бетона различными видами волокон в объеме от 0,3 до 2% позволяет повысить прочность при сжатии на 4.14% при использовании синтетических на 6.16 % - при использовании стальных волокон, а прочность на растяжение при изгибе, соответственно, на 10.45 и 14.53%. Оптимальная дозировка стальных волокон, обеспечивающая максимальное повышение прочности на осевое сжатие в зависимости от содержания и длины волокна, не превышает 1%. Для синтетических волокон этот показатель составляет 0,4%. Прочность ста-лефибробетона на растяжение при изгибе закономерно увеличивается с повышением дозировки волокон от 0,3 до 2%. Установлена возможность повышения прочности бетона, усиленного синтетическими волокнами, путем обработки их бихроматом калия на 10%. Так же усиливается ударная вязкость фибробетона в 4.5 раз по отношению к контрольному в зависимости от вида армирую-
щего элемента. Значительное поглощение энергии удара обеспечивают стальные волокна [6].
Самоуплотняющийся бетон
Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармирован-ных конструкция.
Рецептура самоуплотняющегося бетона состоит из добавок поликар-боксилатов и внедренных микронаполнителей. Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10-16 мм и 16-20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты).
Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкива-
ются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации [7].
Высокопрочный легкий бетон
Высокопрочный легкий бетон, изготавливается из бетонной смеси специального состава, содержащей цемент, наполнитель-микросферы, кварцевый песок, пластификатор и воду, дополнительно содержит минеральную часть, состоящую из кремнеземистых компонентов. Высокопрочный легкий бетон является мелкозернистым бетоном, не содержащим крупный заполнитель. Снижение средней плотности достигается за счет введения сферических частиц микрометрического размера представляющих собой углекислый газ в твердой непористой оболочке (стеклянные или алюмоси-ликатные микросферы). В сочетании с подобранными особым способом ком-
понентами цементно-минеральной составляющей бетона и специальными модифицирующими добавками полый наполнитель формирует одновременно плотную и прочную структуру бетона с насыщенной закрытой пористостью [8].
Область применения высокопрочных бетонов Высокопрочные бетоны могут быть использованы при изготовлении изделий из железобетона в промышленном и гражданском строительстве для возведения многоэтажных и высотных жилых и общественных зданий, при строительстве дорожных мостов, эстакад и развязок, морских платформ, виброгидропрессованных труб, при изготовлении большепролетных изделий из бетона, а так же при возведении сооружений специального назначения [9].
Снижение веса конструктивных элементов зданий позволяет решать сложные архитектурные задачи и
Частицы цемента в начальный период Диспергированные частицы Гидратированные частицы
Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилат
расширяет область применения легких бетонов как конструкционного материала.
Кроме того все больше высокопрочные бетоны получают распространение в специальном строительстве (атомная отрасль, электроснабжение и т.д.). Прочный материал расширяет архитектурные возможности для строительства, что позволяет реали-зовывать смелые проектные решения.
Дополнительной особенностью является возможность применения такого бетона для строительства в условиях сложных грунтов (береговая линия рек, озер, морей (рис. 3, 4)) , в районах с развитыми подземными коммуникациями (метро, тоннели), а также в сейсмически не стабильных регионах, что делает такой материал подходящем для строительства в крупнонаселенных городах, в туристических регионах (отели, гостиницы) и т.д.
Рис. 3. Основание буровой нефте-газодобывающей морской платформы. Для ее изготовления потребовалось 52 тысячи кубометров высокопрочного бетона
Исследование физико-механических свойств и параметров механики разрушения высокопрочных бетонов
Высокопрочные и сверхвысокопрочные бетоны являются новыми материалами и для них еще не определены все основные физико-механические характеристики и параметры механики разрушения.
Весомый вклад в исследования высокопрочных бетонов в нашей стране внесли:
Материаловеды: Баженов Ю.М. Калашников В.И. Бабаев Ш.Т. Комар A.A. Батраков В.Г. Демьянова B.C. Каприелов C.C. Конструкторы: Карпенко Н.И. Зайцев Ю.В. Окольникова Г.Э.
J^fe*, * 1-Л;. L lllfc^ Lftv.\ Ж; ^ ....... ... BL'-f." • ' - fr "..V .. • • If ".Vs" ^'^Sfr*
I j 1 i i i и и | •Hi i i i i .
Рис. 4. Применение высокопрочного бетона при строительстве пилона вантового моста на острове Русский
Андрианов A.A.
Маилян Д.Р.
Несветаев Г.В.
Изучением свойств высокопрочных бетонов (мелкозернистых и с крупным заполнителем) в рамках гранта 09-08-13506 РФФИ в 2009-2010 гг. «Развитие теоретических основ и определение параметров механики разрушения высокопрочных бетонов» занималась кафедра «Строительных конструкций» Московского Государственного Открытого Университета (Зайцев Ю.В., Окольникова Г.Э.) совместно с Лабораторией Научно-Исследовательского Института Строительной Физики (НИИСФ)
(Карпенко Н.И., Андрианов A.A.) и НИИЖБ (ФГУП НИЦ Строительство - Каприелов С.С.).
В настоящее время изучением свойств высокопрочных бетонов продолжается занимается кафедра «Промышленное и гражданское строительство» индустриально-технологического института Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) - научный руководитель Окольникова Г.Э., к этой работе привлечены аспиранты и студенты кафедры.
В 2009 г. исследования проводились для крупнозернистого высокопрочного бетона [10]. В 2010 году
Рис. 5. Испытаний на осевое сжатие кубика улътравысокопрочного мелкозернистого «порошкового» бетона
исследования проводились для ультравысокопрочного мелкозернистого «порошкового» бетона [1].
Экспериментальным путем были определены физико-механические характеристики прочности бетона (рис.5): кубиковой прочности на сжатие, призменной прочности на сжатие, фактического класса бетона на осевое сжатие, прочности бетона на растяжение при изгибе, прочности бетона на осевое растяжение, момента трещинообразования, модуля упругости бетона. Были получены зависимости прочности бетона от возраста (рис. 6, 7).
Определены экспериментальные значения параметров механики разрушения: критического коэффициента интенсивности напряжений к1С, критической интенсивности (скорости) высвобождения энергии сю.
Разрушение высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов имеет свои особенности, связанные с параметрами механики разрушения
отдельных компонентов структуры бетона (заполнитель, матрица, контактная зона между заполнителем и матрицей). Согласно гипотезе предлагаемой авторами, процесс разрушения при сжатии высокопрочного бетона начинается не с развития наклонных сдвиговых трещин (тип II), как в обычном бетоне, а с развития отрывных трещин, параллельных направлению сжатия (тип I). При этом разрушение высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов носит значительно более хрупкий, почти взрывоподобный характер (рис.8).
На основании проведенных исследований, изложенных в работах [1] и [10], авторами был сделан вывод о возможности применения классических теорий линейной механики разрушения (Леонова-Панасюка) и нелинейной механики разрушения (Петтерсона, Хиллерборга, Виттманна) к высокопрочным бетонам и использования параметров механики разрушения для проектиро-
13 12 11 £ 10
.о
I-
о о
X 7
О
а с
1 1 1 1
1 1 1 1 1
1 1 . - 1 1
1 ^ V 1 1 1
// / 1 1
// 1
4 1 1 1
Г -Г 1 1
_____________
1 1 1 1 1 1 1 1
10
20
30
—•— Призмы 10x10 см
--■-- Призмы 10x10 см с прорезью
Призмы 10x7.5 см ------- Призмы 10x10 см растяжение
40 50
Возраст, сут
60
70
Рис. 6. Зависимости прочности на растяжение от возраста бетона при испытаниях призм на изгиб и растяжение
0
Возраст, сут
Призменная прочность —■—Кубиковая прочность
Рис. 7. Зависимости кубиковой и призменной прочности
от возраста бетона
вания конструкций из высокопроч- армирования или применения фи-ных бетонов и прогнозированию их бробетона.
долговечности. Заключение
Главным направлением дальнейших исследований является получе-
По результатам эксперименталь- ние корреляционных зависимостей ных испытаний были определены фи- между физико-механическими ха-зико-механические характеристики рактеристиками и параметрами меи параметры механики разрушения ханики разрушения высокопрочных высокопрочных бетонов; установлен бетонов, а также определение пара-хрупкий взрывоподобный характер метров механики разрушения для их разрушения, из чего вытекает не- фибробетонов. обходимость использования густого
Список литературы:
1. Экспериментальное определение физико-механических свойств и параметров механики разрушения ультравысокопрочных бетонов/ Рис. 8. Взрывоподобный Зайцев Ю. В.; Карпенко Н.И.; характер разрушения Окольникова Г.Э; Андрианов высокопрочного бетона А.А. // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития
архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2010 году: сб.научных трудов РААСН: под ред. А.П.Кудрявцева и др. - Москва-Орел: РААСН, ФГОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК", сб.научн. труд. РААСН - 2011. -С. 242-248.
2. Баженов Ю.М., Демьянова B.C., Калашников В.И. Д32 Модифицированные высококачественные бетоны / Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006.
3. Батраков В.Г., Каприелов С.С., Шейнфельд A.B., Силина Е.С. Модифицированные бетоны в практике современного строительства// Промышленное и гражданское строительство. - 2002. - №9. - С. 23-25
4. Паркер, Д. Дж. Бетон с содержанием микрокремнезема Электронный ресурс. / Д. Дж. Паркер, Concrete Society, Current Practice Sheet 1985. - №104
5. Калашников В.И. Порошковые высокопрочные дисперсно-армированные бетоны нового поколения // Популярное бе-тоноведение. - 2008. - № 6. - С. 5
6. Симакина Г. Н. Высокопрочный дисперсно-армированный бетон: дис. канд. техн. наук: 05.23.05: Пенза - 2006, 161 с..
7. Базанов, С.М. Самоуплотняющийся бетон - эффективный инструмент в решении задач строительства Электронный ресурс. / С.М. Базанов, М.В. Торопова // Весь бетон 2008. - Режим доступа: http://www. allbeton.ru/article/36/13.html, свободный.
8. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Особенности реологических свойств высокопрочных легких бетонов на полых микросферах // Вестник МГСУ. 2013. № 6. -С. 100-108.
9. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. - М., Технопроект, 1998. - 768 с.
10. Экспериментальное определение параметров механики разрушения высокопрочных бетонов / Н. И. Карпенко; Зайцев, Ю. В.; Окольникова, Г. Э.; Андрианов, А. А.; Погосян, А. В.// Academia. Архитектура и строительство. 2010. - № 3. - С. 553-558.
