Бетон - в мире технологий

З.П. Трамбовецкий, к.т.н., НИИЖБ

http://www.stroinauka.ru/biblio.asp?d=12&dc=26&dpc=0&dr=5737

Анализируются наиболее значительные достижения американских, японских, британских, французских и некоторых других институтов и центров, которые развивают технологии производства бетонов и разрабатывают новые его разновидности.

Бетон, как и его природная разновидность - камень, наряду с деревом издревле служат человечеству надежным щитом от неблагоприятных природных явлений. Конструкции из него при качественном исполнении и правильной эксплуатации, как показывает исторический опыт, служат весьма долго, не причиняя вреда ни человеку, ни природе. Это дало право специалистам причислить его к так называемым «биопозитивным» или «природоохранным» материалам. По объемам применения - свыше 6 млрд. т ежегодно, т.е. более 1 т на каждого жителя планеты, бетон прочно держится среди лидеров мирового производства, обладая, практически неограниченными сырьевыми ресурсами, в т.ч. повторного использования. Эти и другие особенности бетона, а также возможность широкого использования отходов его промышленного производства и строительного лома делают его заметным фактором в реализации мировой концепции устойчивого развития мировой экономики.

Однако бетон имеет и известные недостатки, которые ограничивают как объемы, так и области его применения. В основном это технологические трудности изготовления, высокая энергоемкость, невысокое качество поверхности изделий, большой собственный вес. Решением всех вышеназванных проблем занимаются научные центры, технические ВУЗы и научно-производственные национальные и международные организации во многих странах мира. Среди них следует особо выделить Американский институт бетона ACI, который отмечал в прошлом году свое столетие, RILEM, FIB, ERMCO, ISO, а также японские, британские, французские и некоторые другие центры, которые занимаются развитием технологии производства бетона и разработками новых его разновидностей.

Среди наиболее значимых достижений в технологии бетона конца XX века, по мнению большинства известных зарубежных авторитетов, приоритет принадлежит так называемому самоуплотняющемуся бетону (СБ). Самоуплотняющимся называют бетон, который не расслаивается после укладки в форму и занимает проектное положение под влиянием только собственного веса без применения вибрации. Разработанный около 15 лет назад в Токийском университете, материал приобрел это уникальное качество за счет применения нового поколения химических добавок на основе сополимеров акрилатов и карбоксилатов в сочетании с тщательно подобранными по гранулометрии компонентами бетонной смеси. Представляет интерес и опыт внедрения японской технологии в промышленность одной из самых передовых стран Европы.

В 1998 г. группа из четырех инженеров Ассоциации заводов сборного железобетона Нидерландов, включающей 24 завода, отправилась в Японию для изучения опыта применения СБ. Программа была следующей: первая неделя – теория - и вторая неделя - практические занятия. В течение 1999 г. была проведена частичная модернизация заводов и в конце года три завода были сертифицированы для производства СБ класса В65, при тонкости помола наполнителя 700 м2/кг. в течение следующего года производство СБ было освоено на всех 24 заводах и в 2001 г. качество и эффективность конструкций из СБ достигли высокого уровня. Объем производства СБ на 60 голландских предприятиях сборного железобетона легко достиг 150 тыс. м3. В 2002 г. на производстве был достигнут уровень В75 при нормальных наполнителе и расходе цемента и прочности 35~40 МПа в возрасте 14+2 часа. Помимо расходов на частичную модернизацию заводов производство СБ требует дополнительных расходов на исходные материалы, которые составляют от 5 до 8 евро на 1 м3 в зависимости от состава смеси. При укладке бетона трудоемкость сократилась примерно на 70%, уровень шума от вибрации уменьшился на 80 дБ (А), для завода среднего размера годовая экономия при отказе от вибрации составляет 70 тыс. евро. Количество пыли уменьшилось с 3~4 до 0,2 мг/ м3, количество силикатной пыли составило всего 0,011 мг/ м3, что в 50 раз меньше допустимой нормы. Условия и производительность труда рабочих заметно улучшились. Стальные формы прослужат, очевидно, значительно дольше, также как и деревянные формы, несмотря на возросшую скорость формования конструкций. Количество протечек в стыках форм уменьшилось вследствие повышенной вязкости СБ, что положительно сказывается на однородности цвета поверхности изделий. Трудоемкость отделки изделий не отличается от обычной, но количество ремонтов сократилось многократно. Внешний вид поверхности изделий существенно улучшился и даже на сером цементе при известняковом или кварцевом наполнителе достигается эффект архитектурного бетона. Целесообразность и эффективность применения СБ в промышленности сборного железобетона не вызывает никаких сомнений. Для производителей бетона - это экономия финансовая, повышение потенциальных технологических возможностей предприятия, улучшение имиджа материала, для рабочих - существенное улучшение условий труда, здоровья, рост квалификации, для клиентов - возросший уровень качества продукции.

Голландская компания «SCHOKINDUSTRIE», расположенная в южной части Нидерландов, специализируется на производстве преднапряжённых свай. Со дня своего основания в 1934 г. компания производила сваи из обычного железобетона, а с 1950 г. производит только преднапряжённые изделия. Сваи, как правило, имеют квадратное сечение 25x25 см и достигают в длину 30 м. Учитывая, что в связи с гидрогеологическими особенностями строительства в Нидерландах при сооружении фундаментной плиты для односемейного дома требуется около 20 свай, то не вызывает удивления тот факт, что «SCHOKINDUSTRIE» производит ежегодно более 70 тыс. свай, затрачивая свыше 100 тыс. м3 бетона.

В 2001 г. компания «SCHOKINDUSTRIE» перешла на применение СБ, исходя из очевидных преимуществ нового материала. Для изготовления СБ вместо портландцемента применяется доменно-шлаковый цемент марки СЕМ III 52,5. Текучесть бетона, даже при использовании заполнителей размером 4/32 мм, исключительно равномерна. А в связи с применением только одного типа пластификатора процесс изготовления и контроль качества бетонной смеси не представляют заметных трудностей. СБ достигает прочности на сжатие 60 Н/мм2 уже на четвертый день. Минимальная прочность 35 Н/мм2, необходимая для отпуска преднапряжения, достигается через 1 день. Процесс заполнения форм СБ занимает 1 мин. 35 сек. вместо 7,5 мин. по старой технологии (экономия времени около 80%), но процесс подачи бетона пришлось модернизировать: вместо транспортерной ленты используется ковшовый транспортер. Непрерывная, занимающая мало времени укладка СБ весьма важна для предотвращения образования внутренних швов в изделии и соответствующего снижения несущей способности свай. «SCHOKINDUSTRIE» в настоящее

время практически не применяет механическое уплотнение, что даёт 95% экономии времени в дополнение к экономии энергии и снижению уровня шума. Интересен опыт «CONSOLIS GROUP» - одного из крупнейших производителей сборного бетона в Европе (52 предприятия в 11 странах Европы при годовом объеме производства 1,8 млн. м3). В настоящее время на нескольких предприятиях компании применяется около 120 тыс. м3 СБ для изготовления балок, колонн и стеновых панелей. За последние 2 года производство СБ заметно увеличилось и ожидается его дальнейший рост. Стоимость материалов для СБ на 15-25% выше стоимости материалов для обычного бетона той же прочности, но конечная цена с учетом экономии в производстве всё же на 5~15% ниже.

Самоуплотняющийся бетон был внедрен в Швеции в середине 90-х годов и в настоящее время его применение в производстве сборного бетона занимает от 50 до 80% от всего объема, причем количество это непрерывно растёт. В отрасли товарного бетона доля производства самоуплотняющегося бетона также растёт и составляет сегодня порядка 8%.

Известная немецкая фирма «SCHENK» освоила производство бетонов высокой функциональности (БВФ) или «high-performance-concrete» с прочностью на сжатие до 150 МПа при максимальной крупности заполнителя 0,5 мм. Используются сульфатостойкие цементы двух марок: СЕМ I 42.5R-HS и СЕМ III/B 42,5 NW/HS, характеризующиеся малой теплотой гидратации, низкой водопотребностью и быстрым набором прочности. Реакционно-способные и инертные наполнители тщательно подбираются, причем предпочтение отдаётся тонкомолотому граншлаку и кварцевому песку. Готовые сухие смеси такого рода продаются фирмой «SCHENK» для других потребителей под торговой маркой DURACRETE. Подбор состава смеси и рекомендации по их применению осуществляются фирмой индивидуально для конкретных заказчиков. В качестве пластификатора применяется эфир поликарбоксилата, В/Ц=0,22. Консистенция смеси может быть различной, вплоть до самоуплотняющейся. В некоторых случаях, для увеличения прочности на осевое растяжение и растяжение при изгибе в состав смеси вводятся стальные фибры, а для повышения вязкости и огнестойкости - фибры полипропиленовые. В более редких случаях применяется тепловая обработка изделий, что позволяет заметно ускорить набор и увеличить прочность. Так, например, 28-дневная прочность бетона (190 МПа) может быть увеличена до 280 МПа при автоклавной обработке (180°С) и достигнута в течение одного дня. Проведенные фирмой сравнительные испытания опытных образцов позволили выявить значительное уменьшение капиллярной пористости (с1>10мп), что решающим образом сказывается на долговечности изделий. Сочетание отличной формуемости, высокой прочности и долговечности позволяет специалистам создавать тонкостенные лёгкие конструкции, в т.ч. преднапряженные сборные конические опоры для ветроэнергетических турбин высотой до 120 м. Фирма «WECTURMBAU» изготавливает для них из СБ кольца диаметром 7,5 м при толщине стенок 30 см и допусках ±1-2 мм.

В университете г. Касселя также ведутся работы в этом направлении. Созданные там БВФ обладают прочностью свыше 150 МПа при прочности на растяжение при изгибе порядка 50 МПа, причем в некоторых случаях применялся заполнитель крупностью до 16 мм. В зависимости от использованных технологических приемов и количества разных типов металлической и пластиковой фибровой арматуры удавалось получать прочности на сжатие до 230 МПа при прочности на осевое растяжение до 15 МПа. По утверждению проф. Шмидта, высокая функциональность бетона базируется на 4-х факторах: низкое В/Ц (0,2-0,3). высокое содержание твердых компонентов (минеральных добавок), уменьшенный объем порового пространства и плотность упаковки составляющих смеси (не выше 4-6% по объему).

Изготовление изделий из БВФ рекомендуется на заводах сборного железобетона в стабильных условиях отлаженного производства и непрерывном контроле на всех стадиях. Но наибольший эффект произвёл новый материал разработки фирмы «LAFARGE» под названием DUCTAL - это бетон с исключительно высокими функциональными и потребительскими свойствами (ultra-high-performance), обладающий к тому же свойствами самоуплотнения. Прочность такого бетона на сжатие превышает 200 МПа, а на изгиб - до 50 МПа. Образцы равной несущей способности в форме двутавра из стандартного железобетона, преднапряженного бетона, из DUCTAL и из стали весят соответственно 530, 467, 140 и 112 кг. Изделия из DUCTAL обладают определённой упругостью, великолепной по качеству и выразительности поверхностью, легко окрашиваются, практически водонепроницаемы.

Прекрасным примером успешного применения DUCTAL является строительство совместными усилиями французских и корейских специалистов элегантного пешеходного арочного моста с центральным пролетом 120 м в парке г. Сеула. Бетон имеет прочность на сжатие 180 МПа при прочности на растяжение 8 МПа, СБ достаточно успешно применяется и в строительных условиях. Так, например, немецкая компания «DYCKERHOFF» получила разрешение и занимается изготовлением и укладкой товарного СБ. Основная проблема состоит в обеспечении однородности качества исходных материалов для изготовления СБ. В компании эта проблема решалась специальной договорённостью с поставщиками цемента и песка и организацией соответствующего входного контроля, особенно влажности песка. Укладка СБ осуществлялась всеми известными способами, в том числе при помощи бетононасоса, крана, трубы и желоба. Благодаря тому, что СБ не имеет заметной тенденции к расслоению, укладка его в проектное положение не встречала никаких трудностей. По сравнению с обычным бетоном укладка СБ во многих случаях оказывалась гораздо менее трудоемкой и даже единственно возможной. Изменение свойств и удобоукладываемости даже при задержках до 1,5 часов было незначительным. Особо эффективно применение СБ в конструкциях с рельефной неотделываемой поверхностью, т.к. СБ отлично заполняет даже мельчайшие детали опалубки и специальных вкладышей в формы. Опыт работы с укладкой товарного СБ показывает, что в тех случаях, когда требуется высокое качество работ, применение СБ даёт выдающиеся результаты. Широкоизвестная немецкая фирма «DEGUSSA» также не стоит в стороне и заметное внимание уделяет разработке суперпластификаторов нового поколения на основе сополимеров эфиров карбоксилата для создания сверхвысокопрочных и самоуплотняющихся смесей. Учитывая строгие требования к влагосодержанию бетонных смесей и необходимости их стабилизации для исключения расслоения, фирма разработала новые высокомолекулярные компоненты-стабилизаторы для использования их в комбинации с поликарбоксилатом, которые при этом не оказывают негативного влияния на характер разжижения смеси.

Технический университет в г. Карлсруэ ведёт исследовательские работы по изготовлению и применению облегченных СБ с объемной массой в пределах 1400-1900 кг/м3. В связи с известными особенностями легких бетонов особое внимание при подборе составов смеси было уделено её стабилизации для предотвращения всплытия лёгких пористых заполнителей и расслоения смеси, а также их предварительному увлажнению для исключения несанкционированного отбора воды затворения. Отдельно изучались вопросы перекачивания таких смесей и их армирования стеклянной и полипропиленовой фиброй. Испытания подтвердили возможность успешного перекачивания смеси на расстояние до 40 м при сохранении способности к перекачиванию до 120 мин. и свойств самоуплотнения. СБ на пористых заполнителях представляет собой весьма привлекательный материал с отличными свойствами, использование которого целесообразно как в сборном, так и монолитном варианте. Об интересе к технологии СБ говорит и тот факт, что в последние годы было проведено несколько специальных конференций по этому вопросу в разных странах мира, а также планируется их проведение в текущем году в США и Китае. Европейская федерация по специальным химическим добавкам для строительства EFNARC разработала «Руководство по технологии изготовления СБ».

В Национальном музее строительства в Вашингтоне открылась и будет действовать до 17 апреля 2005 г. выставка под интригующим названием «Жидкий камень: новое в архитектуре из бетона», которая спонсируется упомянутой выше крупной международной компанией «LAFARGE». Название выставки очень символично и её открытие стало возможным благодаря последним успехам строительной науки и практики в этой области. Достижения в создании декоративного или архитектурного бетона, изготавливаемого, а точнее, отливаемого с помощью нового поколения суперпластификаторов могут сделать наши города и улицы более привлекательными для людей. Придание бетону цвета и выразительной поверхности сегодня уже не проблема. Естественно, это уже достаточно тонкая, почти химическая технология, хай-тек, как это принято называть, но к её успешному применению уже приступили наиболее продвинутые европейские и американские фирмы и компании. Высочайшая прочность, исключительная долговечность и покоряющая художественная выразительность снимают постепенно все преграды перед этим материалом.

В этом же аспекте значительный интерес представляют разработки новых химических добавок - репеллентов, придающих бетонным поверхностям пыле- и грязеотталкивающие свойства. Так, например, немецкая фирма «REMEI GmbH» предлагает импрегнирующую добавку REBAtex B1 Super, которая предохраняет изделия от загрязнения даже в процессе их изготовления.

Совершенно нетрадиционный подход к вопросам создания бетонных конструкций с долговечной защитой фасадных поверхностей на основе нанотехнологии предлагают специалисты из фирмы «NANO-X GmbH» из г. Саарбрюкена. Пользуясь достижениями этой новой технологической области уже получены защитные материалы с совершенно удивительными свойствами. Химический процесс под названием sol-gel позволяет осуществлять направленный синтез нанокомпозитов и придавать бетонным поверхностям индивидуальные специфические эффекты. Такие многофункциональные защитные материалы уже появились на рынке стройматериалов. Диапазон их действия распространяется от защитных функций за счёт легкого удаления пыли, грязи и рисунков граффити, до предотвращения появления высолов на бетонных поверхностях.

Возвращаясь к вопросам эстетического воздействия бетонных конструкций, следует заметить, что окрашивание бетона получило поистине огромный размах и в настоящее время, мировое ежегодное потребление основного красителя - природного и синтетического железо-окисного пигмента - составляет 800 тыс. т. К 2010 г. его потребление превысит 1 млн. т., причем в Западной Европе его потребление составит более 30% от этой цифры, в Северной Америке - чуть менее 30%, еще чуть меньше - в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Существуют различные отпускные формы красителей (порошок, суспензии, гранулы), методы и технологии их применения. В Европе вступил в силу новый гармонизированный стандарт на пигменты для окрашивания строительных материалов на основе цементных и известковых связующих EN 12878, где содержатся правила проведения испытаний пигментов для установления их соответствия требованиям стандарта с привлечением независимой испытательной лаборатории. Не забываются и более известные, проверенные временем способы получения цветных поверхностей: обнажение цветных природных и искусственных заполнителей для бетона, применение цветных цементов и, наконец, самый простой способ ~ окрашивание бетонных конструкций фасадными красками.

Из последних технологических достижений следует особо выделить разработку и создание долговечных бетонов с планируемым сроком службы 100 и даже 500 лет. Такие бетоны предназначены, прежде всего, для ответственных сооружений длительного пользования (большепролетные мосты, высотные здания и сооружения, уникальные объекты, защитные оболочки атомных реакторов и т.п.). Но сегодня хотелось бы особенно отметить достижения США, Великобритании и стран Европы в применении нержавеющих сталей для армирования такого рода конструкций, в тот числе реставрации исторических зданий. На эти стали в Европе утверждены стандарты, в частности BS EN 1.4301, BS EN 1.4436, BS EN 1.4429 и BS EN 1.4462; диаметры арматуры изменяются в пределах 3~40 мм, срок их службы оценивается от 200 до 1000 лет. В качестве примеров использования таких сталей можно привести восстановление разрушенной пожаром церкви Св. Брандона в Англии, а также строительство современного храма в Риме с тонкостенными конструкциями из исключительно белого цемента и заполнителей из белого мрамора. Военно-морской флот США проводит испытания сборных плавучих секций причальных сооружений из высокопрочного армированного легкого бетона. Секции представляют собой пространственный коробчатый сборно-монолитный модуль размером 16x16 м, из которых собирается причальная стенка длиной до 400 м. Секции изготавливались и затем отбуксировывались по морю на расстояние более 1500 км до порта Сан-Диего на испытания. Толщина стенок и перекрытий модулей составляет от 15 до 20 см, арматура выполнена в виде сетки из нержавеющей стали и отдельных стержней из коррозионностойкой стали, покрытой эпоксидной смолой. Плавучий причал способен выдержать нагрузку мобильного крана в 140 т. Предполагаемый срок безремонтной эксплуатации причала ~ не менее 100 лет. В случае удачного исхода испытаний предполагается заменить большую часть устаревших действующих 500 причалов.

Немецкая компания «HEIDELBERGCEMENT» разработала и в опытном порядке применила пористый дренирующий бетон, который снижает уровень шума от движущегося транспорта на 3~5 дБ и повышает безопасность движения на трассах за счёт исключения эффекта аквапланирования.

Интересный метод уплотнения бетона в заводских условиях, так называемое «гармоничное вибрирование бетона», разработан в Германии. Уплотнение бетона происходит не за счёт соударений, а за счёт совместного движения вибростола и формы, обеспечиваемого вакуумным присосом формы к столу. Достигается высокое качество изделий при заметном уменьшении шума. Этот способ особенно эффективен, по мнению авторов, для жестких и сухих смесей.

Автоматизированное производство двухслойной тротуарной плитки в кассетных многоместных пластиковых формах налажено в Дании (патент DK 173970). Декоративный поверхностный слой выполняется из самоуплотняющегося бетона. Контроль качества изделий осуществляется в соответствии с Европейским стандартом EN 1338. Точность дозировки бетонной смеси находится в пределах +1,5% , средняя прочность бетона на сжатие - 114,7 МПа, на растяжение при раскалывании - 13,4 МПа, истираемость -15,9 мм, потеря веса при испытаниях на замораживание-оттаивание менее 4 г после 24 циклов испытаний.

Говоря о долговечности бетона, нельзя обойти молчанием проблему применения реакционно-способных заполнителей и, как следствие, проблему коррозии бетона. К сожалению, эта проблема зачастую появляется уже после того, как некачественный заполнитель уже использован для изготовления конструкций. Решению этой проблемы уделяется значительное внимание во многих странах мира, в частности в Германии. Своевременное определение реактивной способности гравия и щебня, используемого для приготовления бетона, осуществляется в соответствии с «Руководством по щелочам», где применяются стандартизованные методы, которые являются весьма трудоемкими и долговременными, требующими применения сложного лабораторного оборудования и 9 месяцев исследований. Лаборатория LMPA из SAXONY-ANHALT предлагает для этих же целей экспресс-метод, который доступен обычным заводским лабораториям и требует при этом не более 3-х недель испытаний. Проведенные исследования выявили неплохое соответствие результатов экспресс-испытаний со стандартизованными, причем авторы подтвердили возможность существенного уменьшения вреда щелочной реакции за счёт разбавления заполнителей инертными компонентами типа каменноугольных зол, молотого песка и т.д.

Технологии бетонов »

З.П. Трамбовецкий, к.т.н., НИИЖБ

Концепция инновационной деятельности »

Технологии »

Материалы »

No. 1/2006
15.03.2006