В статье говорится о результатах испытаний структуры бетонов, а также об их физико-механических показателях, полученных на разных вяжущих при различном количестве добавки. Кроме того, приводятся сравнительные данные по свойствам контрольных составов бетонов на портландском и напрягающем цементе.

УДК 693

М.Ю. ТИТОВ, канд. техн. наук, зам. заведующего лабораторией «Самонапряженные конструкции и напрягающие бетоны» НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Ключевые слова: бетон, структура, цемент, полимер, твердение, вяжущее, гидратация
Keywords: concrete, structure, cement, polymer, hardening, binder, hydration

Одной из основных задач современного строительства является разработка и внедрение новых эффективных материалов, которые могут обеспечить надежность и долговечность конструкций.

В XXI век бетон вошел как основной строительный материал, в значительной мере определяющий уровень современной цивилизации. Мировой объем применения бетона достиг 2 млрд кубометров. Его преимущества – неограниченная сырьевая база и сравнительно низкая стоимость, экологичность, возможность применения в различных эксплуатационных условиях для достижения высокой архитектурно-строительной выразительности, доступность технологии и возможность обеспечения высокого уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

Развиваются исследования сложной и многогранной структуры бетона, устанавливаются закономерности «синтеза» свойств бетонов различных видов, количественные зависимости «структура – состав – свойства» бетона, развиваются методы прогнозирования и контроля качественных показателей. Есть все основания считать, что науку о бетоне и технологию этого материала ожидают новые открытия и свершения.

Бетон является одним из основных строительных материалов современности и, очевидно, будет являться приоритетным материалом в будущем. Среди большой гаммы бетонов особое место занимает напрягающий бетон – материал с уникальными свойствами, конкурирующими по ряду показателей с керамикой и полимерами. Поэтому напрягающий бетон на конгрессе ФИП в Вашингтоне еще в 1997 году был определен материалом ХХI века.

Согласно ГОСТ 32803 напрягающий бетон – это бетон, приготовленный с использованием специального вяжущего – напрягающего цемента или портландцемента с расширяющими добавками, обладающими способностью при твердении в условиях ограничения деформаций расширения развивать усилие самонапряжения.

По величине самонапряжения напрягающие бетоны классифицируются на бетоны с компенсированной усадкой (с Sp от 0,6 до 1,0 МПа и напрягающие с Sp от 1,0 до 4,0 МПа).

Этот бетон был разработан как материал, являющийся антиподом разрушающего эффекта при образовании гидросульфоалюмината кальция в затвердевшем бетоне при воздействии сульфатных агрессивных сред. Была установлена возможность регулировать, а при необходимости и стабилизировать структуру бетона, используя выделяющуюся энергию на развитие расширения материала. На основе идеи управления механизмом образования гидросульфоалюмината в структуре материала были разработаны теоретические предпосылки создания напрягающего цемента, который нашел практическое применение в строительстве.

Механизм твердения напрягающего бетона основан на создании направленного кристаллообразования в твердеющем цементном камне и обеспечении тем самым регулируемого объема расширения, которое происходит в пластической структуре материала, при этом в условиях ограничения расширения развивается самонапряжение, компенсирующее растягивающее напряжение.

Для оценки самонапряжения сотрудниками НИИЖБ еще в 1973 г. было разработано специальное оборудование (динамометрические кольца и кондуктора), которое успешно применяется в настоящее время.

Во второй половине прошлого века напрягающий бетон на НЦ применялся с использованием в качестве вяжущего напрягающего цемента и был широко внедрен в практику строительства. Однако несмотря на ценные свойства этого вяжущего он не находит широкого применения по технологическим и экономическим причинам.

В то же время за рубежом для бетонов с аналогичными свойствами широко используются расширяющие добавки (РД), получаемые либо химическим путем, либо синтезированием. Однако стоимость зарубежных РД высока.

В России (НИИЖБ) разработана большая гамма расширяющих добавок. Особенностью данных добавок является то, что они могут быть получены как по обжиговой, так и по безобжиговой технологии. В качестве сырьевых материалов для их получения могут быть использованы природные материалы и промышленные отходы. Особый интерес представляет утилизация крупнотоннажных отходов, которая позволяет решать проблемы ресурсосбережения в строительстве, охраны окружающей среды и экологические задачи.

Эти добавки вводят в мельницу при производстве цементов или в бетоносмеситель непосредственно при приготовлении бетонной смеси.

Введение расширяющих добавок в бетонную смесь на портландцементе вызывает расширение цементного камня, увеличение объема твердой фазы, образующейся при гидратации цемента. Изучение процесса гидратации показало, что скорость образования продуктов гидратации, вызывающих расширение в системе и рост прочности, во многом зависит от вида, активности и количества расширяющей добавки. Таким образом, свойства цементного камня и бетона на его основе можно заранее прогнозировать путем регулирования количества и качества расширяющей добавки.

В таблице приведены результаты испытания структуры, а также физико-механические показатели бетонов на разных вяжущих при различном количестве добавки. Кроме того, приводятся сравнительные данные по свойствам контрольных составов бетонов на портландском и напрягающем цементе.

Таблица

Вид вяжущего	Расход вяжущего		Пористость		Водопоглощение		Физико-технические показатели бетона в возрасте 28 сут.
Вид вяжущего	ПЦ, кг	РД, кг	λ	α	По массе Wm, %	По объему Wо, %	Sp, МПа	Rсж. МПа	Btb, МПа	W	F
ПЦ М500Д0	400 460	— —	1,23 0,98	0,96 0,84	5,2 4,35	9,2 7,4	— —	40,1 43,3	6,1 6,3	8 8	200 300
Бетон с комп. усадкой на РД	340 385	30 32	0,69 0,68	0,83 0,81	4,65 3,66	7,4 6,98	0,73 0,81	42,1 44,5	7,0 7,3	16 20	400 500
Напрягающий бетон на РД	375 405	35 38	0,66 0,5	0,81 0,76	4,18 3,04	6,9 6,3	1,25 1,44	45,2 47,3	7,4 7,8	20 20	500 500
Напрягающий бетон на НЦ	400	—	0,69	0,8	4,32	6,93	4,20	42,7	7,6	18	500

Как видно из представленных в таблице данных, увеличение содержания РД с 8% до 9,5% приводит к значительному увеличению самонапряжения, прочности на растяжение при изгибе и сжатии и, как следствие, к увеличению марки бетона по водонепроницаемости (свыше W20) и морозостойкости (свыше F500), т.е. увеличению долговечности бетона.

Известно, что основные свойства структуры цементного камня (кинетика роста прочности, расширения и самонапряжения) зависят от образовавшегося при гидротермальном твердении гидросульфоалюмината кальция. Свойства последнего обусловлены многими факторами, в том числе такими, как природа алюминатного компонента, расширяющей добавки, ее качественный и количественный состав, состав исходного портландцемента и др.

Объемные деформации твердеющей структуры зависят от степени гидратации, количества воды, необходимой для полной гидратации, степени заполнения порового пространства. Расширение цементного камня связано с увеличением объема твердой фазы, образующейся при гидратации, и вызывается той ее частью, которая не способна разместиться в поровом пространстве гидратирующейся структуры.

В результате многолетних исследований были теоретически обоснованы и разработаны добавки, которые позволяют регулировать физико-механические и эксплуатационные характеристики бетонов, получая при необходимости как бетон с компенсированной усадкой, так и напрягающие бетоны. Заранее задавая свойства бетонов, можно определить область их применения для любого вида конструкций нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами.

В настоящее время одним из гибких и универсальных способов управления технологическими параметрами бетона является введение комплексных пластифицирующих и противоморозных добавок.

В составе некоторых пластификаторов содержатся сульфаты, вследствие чего возможно образование дополнительного количества ГСАК, что позволяет регулировать свойства бетона.

При применении товарного бетона существенную роль играет время сохранения подвижности (удобоукладываемости). Учитывая возможность образования дополнительного количества ГСАК при введении различных добавок в бетонную смесь необходимо оценить их влияние на удобоукладываемость, показатели прочности и самонапряжения бетона с использованием расширяющей добавки.

В сборных и монолитных конструкциях из такого бетона имеется возможность регулировать площадь поперечного сечения при обеспечении их долговечности, которая создана благоприятной структурой для низкой проницаемости, в том числе диффузионной, что препятствует развитию коррозии как самого бетона, так и стальной арматуры при воздействии различных агрессивных сред.

При применении обычного бетона на портландцементе его невысокая предельная растяжимость обусловливает необходимость выполнения деформационных температурно-усадочных швов, что особенно важно при возведении конструкций большой протяженности. Применение напрягающего бетона при возведении ледовых покрытий позволило выполнить их преднапряженными, исключив температурные швы, обеспечив высокое качество льда. Уже более 40 лет стоит без капитального ремонта железобетонное покрытие ледового поля стадиона «Медео», искусственные конькобежные дорожки в Киеве и Москве.

Редкое расположение швов в конструкциях и возможность компенсировать усадочные деформации позволили применять напрягающий бетон для реконструкции спортивных сооружений к Олимпиаде-80. Многие из объектов, выполненных в 1978-1980 гг., до сих пор эксплуатируются – стадион «Динамо» в Москве, «Раздан» в Ереване, «Пахтакор» в Ташкенте, стадион им. С.М. Кирова в Санкт-Петербурге и др. При этом во всех объектах была отменена гидроизоляция, ибо напрягающий бетон благодаря плотной структуре обладает водонепроницаемостью W16-W20.

Напрягающие бетоны и бетоны с компенсированной усадкой нашли широкое применение при возведении ограждающих конструкций подземной части офисных зданий в Москве (ЦВЗ «Манеж», библиотека МГУ, на ул. Семеновская, Кожевническая, Лефортовский Вал и др.) и жилых комплексов (Ленинский пр-т, Руновский и Бобров пер., ул. Малыгина, Гвардейская, Академика Павлова и др.).

Возможность выпускать напорные конструкции (трубы, резервуары) также обеспечивается трещиностойкостью и водонепроницаемостью напрягающего бетона при более экономичном (до 20%) расходе бетона и арматуры (Новосибирск, Нижний Тагил, Усть-Каменогорск).

Одним из важных критериев оценки использования бетона для наружных конструкций, в том числе эксплуатируемых кровель, является его морозостойкость и атмосферостойкость при циклическом нагреве и охлаждении. Особые физико-механические свойства напрягающего бетона позволили повысить эксплуатационную надежность и долговечность возведенных в 1975-1985 гг. и эксплуатируемых до настоящего времени конструкций кровель зданий в Западной Сибири и Узбекистане.

Более 20 лет опыт эксплуатации зданий показал надежность конструктивных решений и качества напрягающего бетона при возведении ограждающих конструкций подземной части зданий и сооружений. Конструкции, выполненные из такого бетона, совмещают функции несущих конструкций и гидроизоляционного ковра.

Регулирование количества расширяющей добавки в составе бетона повысило не только водонепроницаемость, морозостойкость и истираемость покрытий бетонных полов, но и их стойкость при воздействии биологически активных сред, что позволило обеспечить 15-летнюю эксплуатацию без капитального ремонта декоративных полов на комбинатах «Кампомос», «Велком», «Микомс».

Экономический эффект применения бетонов с компенсированной усадкой в конструкциях подземной части зданий составил от 900 руб. до 2432 руб. на 1 м² поверхности за счет отмены гидроизоляции типов «Волтекс», «Тефонд», «Рапидолекс», «Сармафил» и др. При этом сроки строительства и трудозатраты сократились в 1,5-2 раза.

В Киеве и Минске были возведены станции метрополитена с применением напрягающего бетона: цельносекционные обделки при строительстве перегонных тоннелей и монолитно-прессованные обделки. Эти сооружения были выполнены без любой гидроизоляции.

Разработаны сухие смеси различного назначения.

Разрабатывается новый конструкционный теплоизоляционный бетон на РД класса В25-В40 плотностью 2300-2400 кг/м³ и коэффициентом теплопроводности λ=0,32-0,34 Вт/м·К, с водонепроницаемостью W14-W18, не требующей дополнительной гидроизоляции.

Таким образом, применение напрягающего бетона может решить следующие задачи:

– отказаться от любого вида гидроизоляции различных сооружений и конструкций;

– повысить трещиностойкость и получить монолитную бесшовную конструкцию протяженностью до 500 м;

– обеспечить водо-, газо-, бензо- и маслостойкость конструкции и сооружения в целом;

– сократить количество арматуры и обеспечить предварительное напряжение химическим способом;

– обеспечить монолитность конструкций при использовании сборных элементов;

– обеспечить надежность и долговечность конструкций;

– сократить сроки строительства и – при эксплуатации – сроки межремонтных работ.