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.
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.
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.
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».
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 | ||||
| 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.
