В статье рассмотрены механизмы воздействия механохимической модификации портландцемента на свойства бетона для возведения тоннелей метрополитенов. При изготовлении бетонов и строительных растворов на основе наномодифицированных и механоактивированных пластифицированных портландцементов и последующем их твердении под землей при температуре 5-10°С формируются строительные конгломераты многоуровневого строения: макро-, микро-, наноуровней. При этом пластификация портландцемента замедляет процесс твердения на 5 суток. Если не учитывать этого обстоятельства, то можно получить срыв сроков строительных работ при проходке тоннелей метрополитенов.

УДК 693

В.П. КУЗЬМИНА, академик АРИТПБ, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Колорит-Механохимия» (Москва), технический эксперт Союза производителей сухих строительных смесей

Ключевые слова: механохимическая модификация, бетон, свойства, тоннель, метрополитен, портландцемент, пластификатор, твердение
Keywords: mechanical and chemical modification, concrete, properties, tunnel, subway, Portland cement, plasticizer, hardening

Формирование бетонного строительного конгломерата многоуровневого строения (макро-, микро-, нано-) было выполнено по третьему типу реакций.

Ноу-хау: смешанные портландцементные вяжущие с механоактивированными функциональными добавками, а именно: суперпластификатор «С» – натриевая соль полиэтиленполинафталинсульфокислоты, смесь линейного и сложного эфиров целлюлозы, нанодобавка для ускорения пуццолановой реакции с образованием низкоосновных силикатов кальция для связывания реакционного гидроксида кальция.

Соотношение 1:1 = тонкомолотый высокопрочный механоактивированный портландцемент + модифицированный вышеуказанными добавками при механоактивации пластифицированный портландцемент марки «500», класс 42,5. Механоактивированный премикс: микрокремнезем+нанокремнезем – 0,1-5,0+0,0001-0,0005; суперпластификатор механоактивированный – 1,0-3,0; доменный шлак до 40 масс. %; смесь эфиров целлюлозы – 0,1-3,0. Остальное – заполнители крупно- и мелкозернистые.

В результате применения наномодифицированных механоактивированных при ускорении, превышающем земное притяжение 9,8 g до снижения межфазовой энергии, тонкомолотого и пластифицированного механоактивированных портландцементов в равнозначных долях была достигнута оптимизация структуры бетона как на тяжелом, так и на мелкозернистом портландцементе. При этом были отрегулированы сроки схватывания смешанного гидравлического вяжущего, значительно уплотнена контактная зона в бетоне между искусственным камнем и заполнителем. Прочность бетона возросла до 1000 кг/см², т.е. до 100 МПа. Патент РФ №2094404.

Технология относится к производству строительных материалов, к получению высокомарочных быстротвердеющих литьевых цементов с пластифицирующими, водоудерживающими, наноразмерными добавками. Она также может быть использована при изготовлении железобетонных изделий и конструкций без пропаривания, крепежных сводов при проходке подземных тоннелей при температуре 5-10°С, а также для изготовления штучных тонкостенных высокопрочных изделий сложного профиля в виде блоков щитовой проходки тоннелей метрополитенов. Суперпластификатор «С-3» предварительно подвергают активации в виброцентробежной мельнице при ускорении, превышающем 9,8 g. Для получения особобыстротвердеющего портландцемента в качестве исходного берут 100%-ный портландцементный клинкер, а для тонкомолотого механоактивированного быстротвердеющего портландцемента и шлакопортландцемента при помоле вводят дополнительно минеральную добавку кремнезема в смеси с нанокремнеземом в количестве до 5 масс. % и доменного шлака в количестве 5-40 масс. %, в зависимости от марки цемента. Для обеспечения возможности использования цементов при низких температурах при помоле целесообразно вводить противоморозные добавки в количестве не более 5% от исходной массы.

Рис. 1. Аппаратурная схема помольного модуля для наномодификации особобыстротвердеющего высокопрочного портландцемента способом механоактивации

Опытно-промышленное опробование технологии было выполнено при возведении опережающего свода и щитовой проходки на одной из строящихся линий Ленинградского метрополитена.

При строительстве метрополитена учитывается огромное количество факторов, сопутствующих или препятствующих решению сложных инженерных задач при проектировании каждой конкретной станции.

Если в Москве метродворцы поражают воображение туристов, то в Санкт-Петербурге основные капиталовложения уходят на обеспечение безопасности движения. Отделка вестибюлей метро более скромная. В странах центральной Европы встречаются примитивные станции. Такой красоты, как российские вестибюли метрополитенов, трудно сыскать. Например, станция «Сибирская» в Новосибирске украшена такими искусными картинами из мраморов различных цветов, что можно водить экскурсии, как в геологическом музее, с целью изучения многообразных цветных пород мрамора Сибири.

К каждой станции – свой подход, свой образ. Московское метро – это подземный музей с выдающимися образцами декоративно-прикладного и изобразительного искусства эпохи социалистического реализма.

Станция мелкого заложения – обобщающее название нескольких типов подземных станций метрополитена, отличительной особенностью которых является минимальная глубина, непосредственно ниже точки промерзания грунта. Строительство такой станции может вестись открытым способом, т.е. в укрепленном котловане.

Рис. 2. Виброцентробежная мельница производительностью 5 т/ч

Выделяют следующие типы станций мелкого заложения:

– колонные трехпролетные – с двумя рядами поддерживающих колонн вдоль путей, их жаргонное название – «сороконожки»;

– колонные двухпролетные – с одним рядом колонн посередине платформы;

– односводчатые, т.е. вообще без поддерживающих колонн, с одним широким сводом над платформой и путями. Их стали строить совсем недавно;

– однопролетные – они похожи на односводчатые, т.е. без колонн, но не имеют красивых сводов, их потолок ровный, горизонтальный, опирается на вертикальные стены.

Станции глубокого заложения расположены глубже 20 метров. С вестибюлем такая станция связывается наклонным ходом с эскалаторами. Строительство ведется чаще всего через шахтный ствол, затем к станции проводятся тоннели, а на последнем этапе сооружается вестибюль с наклонным ходом.

Рис. 3. Виброцентробежная мельница производительностью 1 т/ч

Выделяют следующие типы станций глубокого заложения.

Станции без центрального зала. Такими были «Кировская», «Павелецкая» радиальная, «Лубянка»… Не имея еще опыта возведения больших залов на большой глубине, инженеры ограничивались маленькими зальчиками у эскалаторов и несколькими довольно узкими проходами между платформами, прорубленными в массиве. Такие станции были надежными, но очень неудобными, и, конечно, их пришлось перестроить.

Пилонная – почти такой же старый тип. Такая станция состоит из трех независимых залов – двух платформ и центрального, отделенных друг от друга рядом пилонов (столбов очень большого сечения) с проходами между ними. Эта конструкция лучше всего противостоит давлению толщи земли, однако узость проходов делает ее неудобной в часы пик.

Колонная – похожа на пилонную, только колонны уже пилонов. Первой в мире колонной станцией глубокого заложения стала открытая в 1938 году в Москве «Маяковская».

Рис. 4. Схема вращения рабочего барабана ВЦМ по патенту DE 2631826 С2 // B 02 C 17/14 и B 02 C 17/08

Односводчатая – по внешнему виду точно такая, как одноименная станция мелкого заложения. Станция состоит из следующих конструктивных элементов: свод, набранный из обжатых в породу омоноличенных железобетонных блоков, опорные тоннели с бетонной подушкой и обратный свод. В Москве только одна такая «глубокая» станция – «Тимирязевская», в Петербурге таких станций несколько.

Бывают еще станции закрытого типа, но в Москве их нет, зато много в Санкт-Петербурге. У таких станций боковых залов нет вообще, свод опирается на мощные пилоны, между которыми располагаются раздвижные двери.

«Холодный бетон» получали на основе тонкомолотого и пластифицированного механоактивированных портландцементов. При этом полученный особобыстротвердеющий цемент обладал литьевым свойством при затворении с водой, продолжительность перемешивания и растирания цементно-песчаного раствора (1:1) составила 7 мин. Прочность цемента при сжатии достигала 200 кгс/см² (19,5 МПа) через 6 часов после затворения и 500 кгс/см² (49 МПа) через одни сутки.

Таблица 1. Результаты испытаний бетонов, полученных на основе тонкомолотого и пластифицированного механоактивированных портландцементов

Марка цемента	Предел прочности, кгс/см² (МПа) (испытание по ГОСТ 310.4)				Подвижность цементно-песчаного раствора
	При изгибе в возрасте		При сжатии в возрасте		Подвижность цементно-песчаного раствора
	3 суток	28 суток	3 суток	28 суток	1:3 при В/Ц=0,4
500 (Д40)	40/3,9	65/6,4	280/27,5	500/49	240
550 (Д20)	45/4,4	70/6,9	310/30,4	550/53,9	230
600 (Д5)	50/4,9	75/7,4	340/33,3	600/58,8	210
700 (Д0)	70/6,9	90/8,8	500/49	700/68,6	200

Таблица 2. Кинетика твердения «холодного бетона» во времени

Условия твердения	Предел прочности, кгс/см² (МПа), соотношение цемента к песку 1:1 (осадка стандартного конуса не менее 10 см)
	При изгибе в возрасте:				При сжатии в возрасте:
	6 ч.	1 сут.	3 сут.	28 сут.	6 ч.	1 сут.	3 сут.	28 сут.
ГОСТ 310.4 п. 2.2.5	30/2,9	55/5,4	80/7,8	100/9,8	200/19,6	500/49	600/58,8	900/1000 88,2/98,0
ГОСТ 310.4 п. 2.2.6-1, далее твердение в холодильной камере при 5-10°С	30/2,9	55/5,4	70/6,9	90/8,8	200/19,6	400/39,2	500/49	800/900 78,4/88,2

Получен высокопрочный строительный конгломерат многоуровневого строения с динамической самостерилизацией композиции и повышенной устойчивостью изделий к биологической, электро- и химической коррозии за счет применения нанокомпозитной добавки с высокими физико-механическими свойствами.

Высокая кинетика твердения и прочность, а также текучесть и удобоукладываемость бетона позволяют успешно применять литьевые портландцементы и шлакопортландцементы быстротвердеющие, а также особобыстротвердеющий портландцемент при изготовлении высокопрочных изделий сборного железобетона щитовой проходки или монолитных конструкций с повышенным армированием без пропаривания, а также для производства ремонтных работ мостов, дорог и других сооружений, крепежных сводов при проходке подземных тоннелей при температуре от +5 до +10°С.

Анализ принципов построения станций метрополитенов мира (см. Матвей Гречко. Засекреченные линии метро Москвы в схемах, легендах, фактах. – М.: Издательство «Астрель», 2011) приводит к необходимости обеспечения строительства метрополитена инновационными материалами.

Задачи стоят сложные. Обеспечение передвижения огромных масс людей под землей требует новых подходов в устройстве многокилометровых тоннелей под плотной застройкой города.

Выводы:

1. В настоящий момент сложилась ситуация для динамичного развития побочных производств инновационной продукции на заводах строительной индустрии.

2. Механохимические технологии позволяют получать десятки видов новой дорогостоящей патентно-лицензионной продукции при использовании основного сырья строительного производства.

Такой продукцией являются: высокомарочные («600», «700») пластифицированные цементы общестроительного и специального назначения, цементы для литья высокоармированных портовых сооружений, мостов, сухие строительные смеси (ССС) для литья полов.

3. Анализ патентной ситуации по данному вопросу свидетельствует о перспективе бурного развития производств с применением механохимических процессов на ближайшие 20 лет.