Супердолговечные бетоны нового поколения

Супердолговечные бетоны нового поколения

УДК 693

В.М. НЕСВЕТАЙЛО, канд. техн. наук, специалист ГБУ ЦЭИИС, г. Москва

Ключевые слова: механохимическая активация, высокофункциональный бетон, новая технология приготовления бетонов
Keywords: mechanical and chemical activation, High Performance Concrete, new technology of preparation of concrete

Обоснована новая концепция создания цементных бетонов. Предложена технология создания супердолговечных бетонов на основе механохимической активации цемента. Показаны свойства разработанных автором бетонов, в том числе их полная непроницаемость для жидкостей и газов. Приведены примеры применения супердолговечных бетонов при возведении сооружений и конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях окружающей среды.

В настоящее время окончательно признано, что в будущем при создании новых строительных материалов основное внимание будет уделяться не снижению их себестоимости, а разработке более конкурентоспособных вариантов. Это в полной мере относится и к цементным бетонам, для которых Международным институтом бетона было предложено специальное наименование – высокофункциональные бетоны (High Performance Concrete).

Под этим понятием объединены бетоны с таким сочетанием свойств, которые недостижимы при использовании обычных компонентов, традиционного приготовления бетонных смесей и их стандартной укладки, например, сочетание высокой долговечности и наливной самоуплотняющейся консистенции. По оценкам японских ученых, срок службы таких бетонов может достигать 500 лет. Необходимо отметить, что сегодня в национальные стандарты некоторых стран уже включены требования к высокофункциональным бетонам.

Выдающимся примером применения высокопрочных долговечных бетонов является построенная в Норвегии платформа для добычи нефти в Северном море высотой 470 метров, рассчитанная на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 30 метров, при сроке эксплуатации платформы не менее 100 лет. Аналогичные платформы построены на океаническом шельфе Северного Ледовитого океана и эксплуатируются в зоне сплошного многолетнего ледового покрова, подвижки которого развивают огромные срезающие усилия. В качестве примера можно также привести мост, построенный в восточной Канаде, со сроком службы 100 лет и длиной 13 км, опоры которого погружены в воду на глубину более 35 метров.

Строительство сооружений и конструкций из бетонов с высокой долговечностью и прочностью – непростая задача даже при современном развитии науки о бетонах, поскольку при существующих технологиях должен использоваться цемент марки не менее 600, мытые и фракционированные заполнители, активные минеральные добавки (микронаполнители), гиперпластификаторы и еще некоторые специальные компоненты. При этом укладка и уплотнение таких бетонных смесей представляет определенные трудности, поскольку смеси имеют консистенцию от 3 до 5 см по осадке конуса и по этой причине требуют применения мощного уплотняющего оборудования (глубинных вибраторов). Кроме того, такой бетон содержит в 2 раза больше компонентов, чем обычный бетон, причем некоторые из них вводятся в бетонную смесь в очень малых количествах.

По этой причине для гарантии равномерного распределения компонентов требуется оснащение смесительных установок дополнительными трактами подачи компонентов и применение специальных смесителей. Общеизвестно также, что в бетонах, приготовленных по традиционной технологии, наблюдается достаточно сильное расслоение и водоотделение бетонных смесей. Это происходит по ряду причин и в основном, по мнению автора, из-за отсутствия в заполнителях мелкой фракции 50-150 микрон (0,05-0,15 мм). В результате бетоны, приготовленные по традиционной рецептуре и обычной технологии, после затвердевания имеют большое водопоглощение и, как следствие, низкую долговечность.

Сегодня долговечность бетона оценивается по его морозостойкости. К сожалению, по-настоящему быстрые методики определения морозостойкости из последней редакции ГОСТа исключены, а определение морозостойкости по косвенным показателям (водопоглощение, скорость ультразвука и прочие) сегодня не разработаны в достаточной мере и на практике не применяются. При этом определение морозостойкости прямым методом занимает очень много времени. По изложенным причинам следует признать, что разработка рецептуры бетона сегодня производится без определения его морозостойкости и, соответственно, без учета долговечности.

Таблица

Материалы / Свойства бетонной смеси и бетона Традиционная технология Технология механохимической активации Эффекты от применения технологии
Цемент М600 и более. Без минеральных добавок. С содержанием трехкальциевого алюмината не более 6% Обычный бездобавочный цемент марки 300-400 без ограничений по содержанию трехкальциевого алюмината Доступность материалов. Снижение себестоимости
Песок 3 фракции. Мытый – ГПИ до 0,5% 1 фракция. Немытый – ГПИ до 10%
Щебень 2 фракции. Шероховатый и мытый – ГПИ до 0,5%. Лещадность до 10% 1 фракция. Немытый – ГПИ до 5%. Лещадность до 30%.
Пластификатор С водоредуцирующей способностью 40% С водоредуцирующей способностью 20%
Микрокремнезем Нужен Не нужен Упрощение технологии. Снижение себестоимости
Расплыв конуса/осадка конуса От 1 до 2 см. Осадка конуса 2-4 см От 60 до 75 см. Осадка конуса более 22 см Гарантированное заполнение конструкций, в т.ч. густоармированных
Водоотделение От 1 до 2% От 0,01 до 0,02% Однородность свойств бетона по всему объему конструкции. Неразмываемость бетонной смеси в воде
Прочность в 1 сутки 30 МПа 70 МПа Ускорение строительства
Водонепроницаемость 25 атмосфер 50 атмосфер Увеличение срока службы в морской воде до 100 лет
Коэффициент газопроницаемости, г/м*ч*Па 0,01 0,001 Длительное хранение высокотоксичных отходов и материалов
Морозостойкость 1000 циклов 2000 циклов Увеличение срока службы в обычной среде до 200 лет

Автор полагает, что долговечность бетонов наиболее правильно определять по показателю его водопоглощения, поскольку если нет водопоглощения, то нет и разрушения структуры бетона – ни морозного, ни химического. В доказательство верности этой гипотезы можно привести следующие общеизвестные данные по морозостойкости бетона марки 600. В нормальной среде при водопоглощении, равном 3%, его морозостойкость составляет F300, а при водопоглощении 0,3% она возрастает до F900. То же самое наблюдается и в агрессивной среде – при водопоглощении 3% морозостойкость бетона равна F50, а при 0,3% возрастает до F800.

Основные принципы новой технологии

Создание более простой и доступной технологии приготовления высокофункциональных бетонов, несомненно, является актуальной задачей современного бетоноведения. В настоящей статье будет представлена одна из разновидностей высокофункциональных бетонов, а именно – супердолговечный сверхпрочный бетон, изготавливаемый из самоуплотняющихся смесей с применением механохимической обработки цемента. В ходе создания такого бетона нами были опробованы разные способы решения поставленной задачи, начиная с намагничивания воды и заканчивая помолом цемента в жидком азоте [1]. В результате проведенных исследований было установлено, что успешно решить данную задачу можно за счет механохимической обработки обычного портландцемента на специальной установке. Такая технология вначале была названа авторами технологией активации цемента [1], затем переименована в технологию вяжущих низкой водопотребности [2], далее – в технологию цементов низкой водопотребности [3] и в современном варианте предлагается как технология наноцемента [4, 7].

Главным отличием и решающим преимуществом разработанной автором технологии механохимической активации цемента является то, что впервые в мире удалось ввести в цементный бетон повышенное (до 10%) количество пластификатора [2]. Оказалось, что в зависимости от количества пластификатора может быть получен цемент, зерна которого либо покрыты сплошной оболочкой пластификатора, либо эта оболочка покрывает их только частично. Толщина такой оболочки, рассчитанная теоретическим путем на начальном этапе разработки технологии, оценивалась нами в 20-150 нанометров [1]. В 2012 году толщина этой оболочки была экспериментально измерена и составила от 50 до 100 нанометров, что хорошо согласуется с нашим первоначальным теоретическим расчетом [6]. Несмотря на то что в процессе исследований были испробованы самые различные устройства для механической обработки цемента, в том числе более энергонапряженные, чем шаровая мельница (вибромельницы, планетарные мельницы, струйные мельницы, дисмембраторы и еще ряд других устройств), оптимальным вариантом реализации нашей технологии было признано использование обычной шаровой мельницы, применяемой в производстве портландцемента [2].

Разработанная технология обеспечивает наливную самоуплотняющуюся консистенцию бетонных смесей (осадка конуса 22-24 см) и одновременно понижает водоцементное отношение бетонных смесей более чем в 2 раза (до 0,20-0,22). Это, в свою очередь, позволяет отказаться от обязательного применения цемента М600, гиперпластификаторов и высококачественных заполнителей и в итоге позволяет изготовить практически вечный бетон.

Область применения новых бетонов

Одной из важнейших задач современного бетоноведения является защита железобетонных конструкций от коррозии. Общепризнано, что эта задача будет решена, если удастся понизить проницаемость бетона для хлористых солей и других веществ, агрессивных по отношению к бетону и арматуре, на порядок. В этом случае бетоны будут обладать полной водонепроницаемостью и пониженной способностью к капиллярному всасыванию водных растворов солей. Считается, что такие бетоны могут найти применение в основном при захоронении токсичных и радиоактивных отходов, при консервации отработавших блоков атомных станций и ядерных установок и в других случаях, когда необходимо обеспечить сохранение непроницаемости сооружений на очень длительные сроки. Кроме того, подобные бетоны радикально повышают долговечность мостов, дорог и морских сооружений: причалов, морских платформ и т.п.

Нужно констатировать, что достичь этих параметров на существующих материалах и по старым технологиям – задача практически неразрешимая. Предлагаемая механохимическая активация цемента кардинально повышает такие характеристики бетона, как прочность – до 200 МПа, сульфатостойкость – до 90-98%, морозостойкость – до марки F2000 и водонепроницаемость – до марки W50 [2, 4, 5]. По результатам проведенных автором исследований применение механохимической активации цемента приводит к повышению стойкости материалов в сульфатных средах на порядок [2, 5]. С помощью предлагаемой технологии может изготавливаться даже кислотостойкий бетон на основе обычного портландцемента без применения жидкого стекла и кварцевого микронаполнителя. Таким образом, применение технологии механохимической активации позволяет получить бетоны, которые по показателям водонепроницаемости, высокой стойкости в сульфатных средах и морозостойкости (наряду с высокой прочностью) можно отнести к высокофункциональным бетонам. Применение данной технологии – это решение проблемы создания бетонов, сохраняющих эксплуатационную пригодность в чрезвычайно длительные сроки.

Рассмотрим более подробно некоторые примеры применения предлагаемой технологии.

Преимущества предлагаемой технологии на примере бетона прочностью 150 МПа приведены в таблице. Характеристики бетонов, указанные в таблице, взяты из различных источников, в том числе из [2, 3, 4, 5].

Подводный бетон

В данном случае на первое место выходит такое свойство бетонов, как высокая связность бетонных смесей. При этом по новой технологии требуется только смешать активированный цемент и обычные заполнители с водой в стандартном смесителе. В этом случае механоактивированный цемент позволяет отказаться как от использования цемента М600, микрокремнезема, специального полимера и гиперпластификатора, так и от оснащения бетоносмесительного оборудования дополнительными трактами ввода жидких, сухих минеральных и химических добавок.

Буронабивные сваи

Здесь на первый план выходит такое свойство бетонов, как большая текучесть бетонных смесей и практически полное отсутствие их расслаиваемости и водоотделения. Предлагаемая технология позволяет обеспечить быстрый набор прочности, в том числе в осенне-зимний период строительства, и одновременно повысить несущую способность буронабивных свай. И в этом случае механоактивированный цемент позволяет отказаться как от использования цемента М600, микрокремнезема, специального полимера и гиперпластификатора, так и от оснащения бетоносмесительного оборудования дополнительными трактами ввода жидких, сухих минеральных и химических добавок.

Морские причалы и опоры буровых платформ

В данном случае на первое место выходит такое свойство бетонов, как чрезвычайно высокая стойкость к воздействию соленой морской воды. Предлагаемая технология позволяет отказаться от применения сульфатостойкого цемента и при этом обеспечить чрезвычайно высокую стойкость к сульфатной агрессии.

Шахтные своды в горных выработках при добыче алмазов

Здесь к агрессивному воздействию шахтных вод, содержащих сероводород, добавляется еще и воздействие вечной мерзлоты. Предлагаемая технология позволяет отказаться от применения любых специальных цементов (в т.ч. сульфатостойкого) и в итоге снизить себестоимость горных работ.

Выводы:

1. Разработана простая и надежная технология производства супердолговечных бетонов типа High Perfor-mance Concrete. Прочность таких бетонов может достигать 200 МПа.

2. При изготовлении супердолговечных бетонов может применяться существующее оборудование бетонных заводов без дополнительного оснащения их трактами подачи минеральных и химических добавок.

3. Технология позволяет производить супердолговечные бетоны, используя обычный портландцемент марки М400 Д0 без нормирования его состава.

4. Высокая долговечность бетонов может быть обеспечена без применения гиперпластификаторов и воздухововлекающих добавок. Стойкость таких бетонов к воздействию агрессивных сред будет обеспечена без применения специальных цементов, в том числе сульфатостойкого и химически стойкого.

Библиографический список

1. Башлыков Н.Ф., Несветайло В.М. и др. Исследования по созданию новых эффективных материалов для специальных сооружений / Отчет о НИР, ВИКИ им. А.Ф. Можайского, – Санкт-Петербург, 1987.
2. Несветайло В.М. Совершенствование технологии бетонных работ в специальном строительстве на основе применения вяжущих низкой водопотребности / Диссертация … канд. техн. наук, ВИКИ им. А.Ф. Можайского, – Санкт-Петербург, 1993.
3. Юдович Б.Э., Бабаев Ш.Т. и др. Цементы низкой водопотребности // Цемент и его применение, №1, 1997.
4. Бикбау М.Я. Нанотехнологии в производстве цемента / Московский институт материаловедения и эффективных технологий, 2008.
5. Несветайло В.М., Долгополов Н.Н., Башлыков Н.Ф. Высокопрочный бетон из подвижных и литых смесей / Труды ВНИИЖелезобетона, 1988.
6. Бикбау М.Я., Лизунова А.А., Волков И.А. Открытие явления нанокапсуляции дисперсных веществ // Вестник Российской академии естественных наук, серия «Физика», №3, 2012.
7. Несветайло В.М. Инновационная технология монолитного строительства // Строительные технологии, №6, 2014.