Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Д.т.н. Калашников В.И., аспирант Ерофеева И.В.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Высокопрочные бетоны нового поколения

В настоящее время в России строительство зданий и сооружений осуществляется из бетонных несущих изделий и конструкций с классом бетона по прочности В10-В35, что соответствует марке бетона по прочности на осевое сжатие 150-450 (15,0-45 МПа). За последние 20 лет ситуация в создании бетонов более высоких классов конструкционного назначения мало что изменилась, несмотря на повышение этажности зданий, если не принимать во внимание возведение уникальных зданий и сооружений в столице России г. Москвы и крупных городах России (С. Петербург, Н. Новгород, Самара и др.).

Революционные этапы на пути эволюционного развития бетона и железобетона: изобретение супер- и гиперпластификаторов, дисперсной арматуры (фибры) и новых плотных искусственных пуццоланических добавок, позволяющих изготавливать бетоны нового поколения с классами по прочности В100-120 МПа, не реализованы в России. По-прежнему, как и 20 лет назад, массовое строительство ориентировано на использование материалоемких бетонов низких марок. Отставание от передовых стран разительно и с каждым годом оно нарастает большими темпами. Мы удивляемся уникальными зарубежными зданиями-небоскребами из высокопрочного и особовысокопрочного бетона высотой до 500-800 м, однопролетным вантовым мостам пролетом 1500-2000 м, нефтяным и газовым платформам из бетона классов В100-В120 для добычи нефти в морских шельфах и другим сооружениям, возведенных не из стали, а из железобетона.

Простые расчеты показывают, что центрально-нагруженная колонна с сечением 600×600 мм, изготовленная из бетона класса В25 потребляет для изготовления в 4 раза больше цемента, песка, щебня, воды, суперпластификаторов по сравнению с колонной сечением 300×300 мм (одинаковой длины), изготовленной из особовысокопрочного бетона класса В100. Транспортные перевозки цемента, щебня и стали (производство которых децентрализовано), песка и других вспомогательных материалов сокращается в тоже количество раз, как и снижается масса зданий и сооружений. Трудно оценить затраты на перевозку этих сырьевых материалов, перевозимых тяжеловесными железнодорожными составами. Немаловажный экономический эффект состоит в ускорении темпов строительства зданий и сооружении – суточная прочность особовысокопрочного бетона класса В100 составляет 50-60 МПа, а класса В25 – 8-10 МПа. Использование высокопрочных бетонов существенно ускоряются темпы строительства (быстрый съем опалубки при монолитном домостроении).

Железобетонные конструкции из щебеночных и бесщебеночных порошковых высокопрочных и особовысокопрочных бетонов с дисперсным армированием или комбинированным дисперсно-стержневым армированием, имеют в 4-5 раз большую прочность на осевое растяжение, в 10-20 раз более высокую ударную прочность, что определяет повышенную надежность при возведении сейсмостойких зданий и сооружений или конструкций, эксплуатируемых при воздействии динамических нагрузок (мосты, дороги, аэродромы, военные фортификационные сооружения и т.д.). Высокопрочный и особовысокопрочный бетон имеет сверхнизкую пористость и вследствие этого обладает очень высокой водонепроницаемостью (более W20), морозостойкостью (более F1000), стойкостью к сульфатной, магнезиальной, хлоридной, карбонатной коррозии, долговременной стойкостью в морской воде, насыщенной хлоридами металлов.

Трудно переоценить значительные технико-экономические преимущества от использования высокопрочного и особовысокопрочного бетона, и особенно, при строительстве зданий и сооружений из монолитного бетона. Основным преимуществом высокопрочных и особовысокопрочных бетонов является высокая текучесть их бетонных смесей, определяющая самоуплотняемость смесей для изготовления конструкций. Самоуплотняющиеся бетонные смеси самонивелируются с образованием горизонтальной поверхности без механического уплотнения вибрационным оборудованием. Их низкий предел текучести, равный 5-10 Па при содержании воды 9-11% от массы сухих компонентов, позволяет самопроизвольному удалению воздушных пузырьков. Производительность труда при изготовлении конструкций из самоуплотняющихся бетонных смесей существенно повышается за счет снижения трудоемкости бетонирования, улучшении условий труда.

Глобальная экономика строительства из железобетона – это строительство из высокопрочного и особовысокопрочного железобетона. Глобальность ее определяется взаимосвязанными суммарными экономическими эффектами в строительстве, в транспорте, в технологии помола, в энергосбережении, в природопользовании, в экологии. Переход на строительство из бетона нового поколения – важнейшая народнохозяйственная проблема, решение которой существенно изменит экономику строительства, архитектуру зданий и сооружений с высокоэстетичным формообразованием, преобразованием массивных, материалоемких конструкций в ажурные, легкие, надежные и долговечные.

Фундаментальность научной проблемы определяется наукоемкостью при создании нового конструкционного материала. В ней реализованы научные положения реологии многокомпонентных дисперсных систем, более полно связанных с физико-химией агрегативно-устойчивых, предельно-концентрированных дисперсных систем, электрокинетическими явлениями на границе раздела фаз, поверхностными зарядами частиц различного минералогического состава с приемами перезарядки поверхности кислых пород под действием гидролизной извести клинкера, с химией твердения цемента и механизмами его гидратации, с механикой разрушения хрупких материалов и более дуктильных дисперсно-армированных композиционных материалов. Технология производства высокопрочных дисперсно-армированных бетонов нового поколения с супер- и гиперпластификаторами, каменной мукой и плотными пуццоланами, является более наукоемкой, нежели традиционная, в которых лишь частично улучшаются прочностные свойства бетонов в течение последних 30-40 лет, с экономией портландцемента в бетоне на 10-20%.