ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛЁГКИХ БЕТОНОВ. АНАЛИЗ МИРОВЫХ ДОСТИЖЕНИЙ

Иноземцев А.С.¹, Королев Е.В.²

¹инженер-испытатель; ²доктор технических наук, профессор, директор НОЦ «Нанотехнологии», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛЁГКИХ БЕТОНОВ. АНАЛИЗ МИРОВЫХ ДОСТИЖЕНИЙ

Аннотация

Развитие промышленности, информационных технологий и стремление к повышению комфорта заставляет людей во всем мире мигрировать в города, покидая сельские территории. Так в России, по данным Росстата [1], с 1959 года по 2010 год численность сельского населения  сократилось с 48 до 26%, т.е. за 50 лет более 100 млн. человек стали проживать в городах. Безусловно, в ситуации, когда около ¾ населения являются городскими жителями, возникает вопрос рационального использования территорий, возрастает необходимость строительства многоэтажных и высотных зданий, сети дорожных развязок, мостов. 

Ключевые слова: высокопрочный легкий бетон, полые микросферы, нанотехнологии, энергоэффективный бетон, эффективное строительство.

Inozemtcev A.S.¹, Korolev E.V.²

¹engineer; ²doctor of engineering, professor, director of the research and educational center «Nanotechnology», National Research University Moscow State University of Civil Engineering

HIGHSTRENGTH LIGHTWEIGHT CONCRETE. ANALYSIS OF WORLD ACHIEVEMENTS

Abstract

The development of industry, information technology and the desire to improve comfort makes people all over the world migrate to the cities, leaving rural areas. For example, in Russia, according to Rosstat data [1], from 1959 till 2010 the number of the rural population decreased from 48%to 26%, i.e. over 50 years, more than 100 million people were living in cities. Of course, in a situation where roughly three-quarters of the population are urban residents, the question arises rational use of territories, there is a necessity of construction of multi-storey and high-rise buildings, the network of road interchanges, bridges.

Keywords: high-strength lightweight concrete, hollow microspheres, nanotechnology, energy efficient concrete, efficient construction.

Строительная отрасль, как фондообразующая неотъемлемая часть промышленного комплекса России, является одним из инструментов для решения поставленных задач и должна ориентироваться на развитие новых инновационных и энергоэффективных технологий. Использование современных конструкторских решений и новейших строительных материалов с применением разработок в области нанотехнологии должны обеспечивать интенсивный переход к высокотехнологичному строительному производству.

Одним из самых распространенных строительных материалов является бетон, который получил широкое распространение благодаря своим эксплуатационным свойствам, универсальностью доступной сырьевой базой и экологичностью. Сфера применение бетона определяется его архитектурно-строительными свойствами, технологическими особенностями производства, наличием местного сырья и требуемыми эксплуатационными характеристиками. В современном строительстве бетон применяется почти на всех этапах возведения здания: устройство фундаментов, несущих монолитных или сборных ограждающих конструкций, плит покрытия и систем коммуникаций.

В настоящее время в строительстве существует множество видов бетонов, которые классифицируются по плотности, виду вяжущего и области применения, но наиболее распространенным (более 60% всего производства [3]) является конструкционный тяжелый бетон на портландцементе. Тяжелый бетон характеризуется высокой плотностью 2100…2500 кг/м³, что обеспечивает высокую несущую способность и позволяет использовать в условиях больших эксплуатационных нагрузок.

Определение высокопрочного бетона дано в [2], в котором указано, что под высокопрочными следует понимать бетоны марки по прочности при сжатии более М600 (B45). Но универсальной общемировой формулировки  не существует и определение высокопрочного бетона меняется по географическому и временному признаку. Например, в США [3] в 1960-х годах высокопрочным считался бетон с прочностью свыше 52 МПа, с 1970 года – более 62 МПа, а в тех регионах, где бетон класса B45 производится в промышленных масштабах, высокопрочными бетонами называют материалы с прочностью от 83 до 103 МПа. В Японии различные регламентирующая документация [4] называют высокопрочными бетоны с прочностью более 36 МПа, более 50 МПа или – в пределах от 60 до 100 МПа.

Со второй половины XIX века, когда бетон получил массовое распространение в связи с развитием производства портландцемента, современные бетоны претерпели значительные изменения, как в технологии приготовления, так и в показателях эксплуатационных свойств. Многокомпонентность бетонных смесей стала основой высокого качества и надежности композита. Растущие архитектурные и строительные требования к зданиям потребовали создания бетонов, способных обеспечивать особые свойства: высокая прочность для обеспечения несущих характеристик многоэтажных зданий, низкая плотность для снижения массы строительных конструкций, стойкость к действию эксплуатационных факторов (агрессивные среды, циклические воздействия температур и нагрузок различной интенсивности и т.д.) для повышения долговечности. Одним из таких бетонов, получившим в настоящее время широкое распространение является высокопрочный бетон.

Наиболее наглядными примерами использования высокопрочных бетонов в строительной практике можно назвать высотные объекты в США (рисунок 1) [5].

 

Рис. 1 – Опыт применение высокопрочных бетонов в строительстве высотных зданий в США в 1989…1991-х годах:

 а – «Two Prudential Plaza», Чикаго; б – «311 South Wacker Drive», Чикаго; в – «Society center», Клеверленд; г – «One Peachtree Center», Атланта; д – «Trump Palace», Нью-Йорк; е – «Drain Bosworth Tower», Миннеаполис; ж – «225 West Wacker Drive», Чикаго; з – «Gateway Tower», Сиэтл; и – «Pacific First Center», Сиэтл; к – «Two Union Square», Сиэтл.

Примечания: * – с применением железобетонного каркаса; † – с применением композитного бетона и металлического каркаса; ** – с применением экспериментальной колонны прочностью 117,2 МПа

Как видно из рисунка 1, опыт применение высокопрочных бетонов в строительстве высотных зданий в США имелся уже в конце 80-х годов XX века. Причем строительство зданий осуществлялось с использованием бетона прочностью более 80 МПа, что позволило возводить объекты высотой до 300 м. Применение высокопрочных бетонов позволяет добиться уменьшения поперечного сечения изделий (колонн, ригелей, балок и других несущих элементов конструкций); увеличения несущей способности, позволяющей увеличивать длину пролетов конструкций; сокращения расхода бетона и арматуры, экономии на транспортных расходах; уменьшения сроков производства работ при ускорении процессов твердения; повышения эксплуатационных свойств при высокой плотности. Востребованность многоэтажных зданий обуславливалась растущей плотностью населения и необходимостью рационального использования городских территорий, что привело к развитию производства и применения высокопрочного бетона. Однако существенным недостатком таких объектов является чрезмерные нагрузки на фундаменты и грунты, что требовало больших затрат на подготовительных работах, устройство нулевого цикла объектов и высокой металлоёмкости строительства, несмотря на наличие прочных скальных грунтов.

Наиболее известным опытом применения высокопрочных бетонов в России является строительство Московского международного делового центра «Москва-Сити» [2, 7], где использовался бетон с классом по прочности B80…В100 и подвижностью П4…П5.  Высокопрочный бетон марки М800 применялся при строительстве вантового моста во Владивостоке, соединяющий полуостров Назимова с мысом Новосильского на острове Русский (рисунок 2). Применение такого бетона позволило создать конструкцию крупнейшего вантового моста, где длина центрального пролёта составляет 1104 м, а высота каждого из двух пилонов – 320 м.

Европейский опыт применения высокопрочного бетоны известен ещё в середине XX века [8].  Например, в Чикаго бетон прочностью выше 50 МПа применяли уже в 1965 году при строительстве Lake Point Tower. С 1988 по 1995 по проекту французского инженера Мишеля Вирложо при строительстве вантового моста Нормадии во Франции понадобилось 35 000 м³ высокопрочного бетона прочностью 60 МПа, который использовался для возведения двух 215-метровых пилонов, основание одного из которых устроено в русле реки Сены, и консольных балок [9]. Бетон прочностью до 80 МПа использовался при строительстве двух башен Петронас в Куала-Лумпур Малайзия для локального бетонирования участков в центральном ядре, периметра колонн и несущего кольца в основании (рисунок 3).

Рис. 2 – Применение высокопрочного бетона при строительстве пилона вантового моста на остров Русский

Рис. 3 – Строительство башен Петронас в Куала-Лумпур из высокопрочного бетона

Отметим, что вышеперечисленные строительные объекты, где применялись высокопрочные бетоны с прочностью более 60 МПа, являются тяжелыми бетонами и обладают средней плотностью 2100-2500 кг/м³. Очевидно, что для достижения требуемых архитектурных и конструкционных свойств зданий и сооружений требуется обеспечить высокую несущую способность оснований и фундаментов или сократить вес конструктивных элементов, сохранив прочностные показателей.

Большая несущая способность и общедоступность высокопрочного бетона, несомненно, позволяют широко применять его при строительстве зданий и сооружений различной сложности. Но увеличение высотности зданий, пролетов несущих конструкций требуют особого подхода к основаниям, прочность которых должна быть достаточно для возведения спроектированного объекта. При строительстве небоскребов по мере увеличения этажности растет нагрузка на более низкие этажи, поэтому прочность и вес конструкций должен снижаться. В связи с этим целесообразно использовать высокопрочные бетоны в ответственных несущих конструкциях, а ограждающие элементы здания выполнять из более лёгких материалов.

Снижение веса здания можно достичь заменой тяжелых строительных материалов на менее плотные. Для этого в качестве ограждающих конструкций могут использоваться лёгкие бетоны, которые бы обеспечили хорошую тепло- и звукоизоляцию, существенно уменьшив нагрузку на несущие элементы. Применение лёгкого бетона снижает трудозатраты при строительстве, уменьшает расходы на транспортные, погрузочно-разгрузочные и другие сопутствующие работы, а также снижает требования к теплоизоляционным работам для ограждающих конструкций. Эффективность применения лёгких бетонов составляет не менее 40%.

Кроме того, существующие недостатки лёгких бетонов осложняют их промышленное применение. Во-первых, высокая вариативность плотности и прочности пористого заполнителя затрудняет обеспечение стабильности технологического процесса. Во-вторых, пористый заполнитель поглощает воду из бетонной смеси вследствие формирования капиллярно-плотной оболочки вокруг ядра, что приводит к недостатку воды и требует увеличения водоцементного отношения. В-третьих, увеличение содержания воды в бетонной смеси приводит к ее расслоению, связанной с всплытием пористого заполнителя на поверхности в низковязких системах.

Развитие технологии лёгких бетонов обеспечивает разработку составов, обладающих высокой прочностью и низкой средней плотностью. Такой эффект достигается за счёт использования пористого наполнителя и/или применения наноразмерных модификаторов. Зарубежный и отечественный опыт по разработке высокопрочных лёгких бетонов показывает, что наилучшие результаты в этом направлении получены при использовании новых наполнителей – полых микросфер [10]. В настоящее время применение микросфер ориентировано в основном для улучшения или модификации свойств материалов на основе различных полимеров [11…15]. В последнее время микросферы все больше используются в нефтегазодобывающей и строительной отрасли при производстве цементосодержащих строительных материалов: тампонажных растворов, наливных полов, кладочных растворах и так далее. Использование полых микросфер в строительных материалах позволяет обеспечивать требуемые параметры физико-механических свойств за счёт высокой прочности материала стенки, близкой к идеальной сфере формой частиц, не большим и однородным фракционных составом и низкой плотности.

Лёгкими бетонами в соответствии с [16] принято называть бетоны со средней плотностью менее 2000 кг/м³. Преимуществом изделий из таких бетонов является не большой вес и низкая теплопроводность. Как правило, применение лёгких бетонов из-за невысокой прочности ограничивается строительством слабонесущих и ограждающих конструкций. Однако, сочетание низкой плотности, характерной для лёгких бетонов, и высокой прочности, присущей высокопрочным бетонам, позволяет значительно расширить область применения лёгких бетонов. Применение такого материала обеспечивает здания и сооружения с одной стороны требуемыми прочностными свойствами, а с другой стороны позволяет существенно экономить на общем весе. Для оценки технической эффективности применения строительных материалов зачастую используется показатель удельной прочности, характеризующий величину предела прочности при сжатии на единицу относительной плотности.

   (1.2)

где – предел прочности при сжатии, МПа, – относительная плотность.

Для высокопрочных тяжелых бетонов удельная прочность R_уд≥25 МПа. Таким образом, решение выше обозначенной проблемы достигается применением лёгких бетонов, обладающих удельной прочностью более 25 МПа.

Исследователи во всем мире стремиться создать такой универсальный материал как высокопрочный лёгкий бетон (ВПЛБ). Мировой опыт показывает, что добиться высокой удельной прочности лёгких бетонов можно за счёт использования особопрочных заполнителей, оптимизации и подбора компонентов каркасообразующей составляющей и/или за счёт применения наномодификаторов. Отечественные и зарубежные разработки, направленные на увеличение физико-механических характеристик лёгких бетонов, уже реализованы в строительстве.

Так, в 2007 году в работе [17] описаны составы высокопрочного лёгкого бетона на керамзитовом наполнителе с маркой по плотности D1800 и удельной прочностью от 25,5 до 47,2 МПа. Пономаревым А.Н. разработаны составы нанобетона [18, 19], которые успешно апробированы при реконструкции моста через р. Волга в г. Кимры. Использование в составе базальтового микроволокна (длина 500 мкм, диаметр 10 мкм), модифицированного полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа позволило получить составы бетона, наполненные полыми алюмосиликатными микросферами, со средней плотностью 1630…1680 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 42,7…46,9 МПа. При этом удельная прочность таких бетонов составляет 25,4…28,7 МПа. Бразильские ученые [20] в 2003 году предложили составы более высокопрочного лёгкого бетона на местных заполнителях. При расходе цемента  от 440 до 710 кг/м³ через 28 дней естественного твердения прочность при сжатии бетона варьировалась от 39,5 до 53,6 МПа, а плотность от 1460 до 1605 кг/м³, соответственно, R_уд составила 24,6…30,7 МПа. В Японии [21] в связи с ростом автомобильного трафика реконструировали мост с целью снижения нагрузки на металлические конструкции, использовав дорожные плиты с удельной прочностью 27,1…30,3 МПа (средняя плотность 1810-1850 кг/м³).

Анализ научной литературы [22…26] показывает, что создание высокопрочных лёгких бетонов возможно с использованием полых микросфер. Керамические или стеклянные полные микросферы имеют плотность от 300 кг/м³, что позволяет регулировать плотность лёгкого бетона в широком диапазоне, изменяя их процентное содержание.  Кроме того, имея сферическую форму и прочную оболочку, микросферы образуют в бетоны плотноупакованную структуру, формирующую прочный каркас. Для увеличения адгезии цементного камня к поверхности микросфер применяются различные кремнезёмсодержащие модификаторы, например микрокременезем или силан-адгезивы, препятствующие образованию трещин на границе раздела фаз.

Рис. 4 – Мост «Stolma bridge» в Норвегии, построенный из высокопрочного лёгкого бетона

В 1999 году на юге Норвегии был построен самый большой мост «Stolma bridge» свободной консольной конструкции с длинной основного пролета 301 м (рисунок 4) [25].

Особенностью конструкции моста «Stolma bridge» является  применение лёгкого бетона плотностью 1931 кг/м³ и прочностью 70 МПа при бетонировании 182 метров центральной части моста. Снижение веса центрального элемента конструкции позволило распределить нагрузки на колонны, несущая способность которых воспринимает лишь 90% массы надводной части. В состав используемого при строительстве бетона использовался высокомарочный цемент (420 кг/м³), микрокремнезём (35 кг/м³), песок (700 кг/м³), лёгкий наполнитель Leca-800 (600 кг/м³) и вода в количестве 208 л/м³. За счёт применения пористого наполнителя В/Ц отношение составило 0,495,  что позволило получить бетон марки LC60 с удельной прочностью 36,5 МПа.

Другие результаты исследований по разработке облегченных и лёгких бетонов с повышенной прочностью представлены в таблице 1 и рисунок 5 [26]. При этом для реализации представленных проектов использовались традиционные пористые заполнителя керамзит, пемза, керамзитовый песок и т.д.

Таблица 1 – Мировой опыт разработки лёгких бетонов с повышенной прочностью.

Год	Страна	Предел прочности при сжатии, МПа	Средняя плотность, кг/м3	Удельная прочность, МПа	Источник
1997	Кувейт	45,0…50,0	1800…1850	25,0…27,0	[29]
1999	Норвегия	65,0…70,0	1900…1930	34,2…36,2	[25]
1999	Кувейт	20,0…22,0	1500…1520	13,3…14,4	[28]
2002	Германия	14,0…25,0	1800…1850	7,5…15,0	[22]
2003	Бразилия	40,0…50,0	1450…1600	24,5…30,5	[20]
2003	Турция	30,0…40,0	1800…1860	16,1…22,2	[27]
2004	Япония	47,0…54,0	1800…1850	27,5…30,0	[21]
2007	Россия	46,0…61,0	1800…1850	25,5…33,8	[17]
2007	Россия	42,0…48,0	1600…1650	25,4…28,7	[18]
2010	Малайзия	43,0…48,0	1870…1990	22,9…24,1	[30]
2011	Турция	42,0…60,0	1840…1960	22,8…30,6	[31]
2011	Португалия	40,0…80,0	1500…2000	26,6…40,0	[32]
2012	НОЦ НТ	40,0…70,0	1300…1500	30,0…50,0	–

Анализ данных из таблицы 1 и зависимости предела прочности при сжатии от средней плотности бетона (рисунка 5) показывает, что применение керамзитовых заполнителей позволят достигнуть высоких показателей удельной прочности до 30 МПа. Но развитие производств новых эффективных заполнителей позволит существенно расширить возможности создания лёгких бетонов с высокой прочностью. Как видно, опыт ученых из разных стран свидетельствует о том, что высокие значения удельной прочности достижимы в верхних границах плотностей лёгких бетонов при ρ_ср≥1800 кг/м³ (R_уд≥55 МПа, а в перспективе R_уд≥62 МПа при ρ_ср≥1600 кг/м³). При дальнейшем снижении плотности показатель технической эффективности не превышает 35 МПа. На рисунке 5 видно, что текущие результаты с учетом мирового опыта и наработок не позволяет существенно снизить среднюю плотность и сохранить прочность бетона, но появление новых  заполнителей с высокой прочностью и модификаторов для повышения адгезии цементного камня обеспечит качественный рост комплекса показателей средняя плотность и прочность.

Кроме того, в настоящее время большое количество трудов профессора Орешкина [33…35], посвящено созданию строительных материалов на полых микросферах, которые показали свою эффективность.

Рис. 5 – Перспективы разработки высокопрочных лёгких бетонов

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о перспективности разработки составов высокопрочных лёгких бетонов с высоким показателем удельной прочности (R_уд≥30 МПа), которые будут востребованы при изготовлении изделий в гражданском и промышленном строительстве, монолитном строительстве, при возведении сооружений специального назначения. Использование предлагаемых бетонов как материала конструкционного назначения с высоким показателем физико-механических и теплонормирующих свойств обеспечивает эффективность применения такого бетона не менее 30 % [36]. При этом в процессе эксплуатации здания энергопотребление сокращается более чем на 25 %.

В лабораториях НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов. В качестве наполнителя, определяющего плотность бетона, использовались полые стеклянные или алюмосиликатные микросферы, поверхность которых модифицирована комплексным наноразмерным модификатором на основе золь гидроксида железа и золя кремниевой кислоты. Для снижения водопотребности и увеличения подвижности смеси состав включает пластифицирующую добавку на поликарбоксилатной основе. Соотношение составных частей бетона определяется требуемыми физико-механических показателями изделия и проектируется для каждой марки по плотности индивидуально.

Оптимизированные составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов позволяют получать состав любой марки по плотности, получая как облегченный бетон, так и лёгкий бетон со средней плотностью менее 2000 кг/м³.

Очевидно, что важнейшим фактором для физико-механических свойств бетона является наполнитель (полые микросферы). Их содержание позволяет регулировать плотность бетона, а также его прочность посредством регулирования плотности упаковки каркаса частиц. Прочность бетона будет зависеть от прочности оболочки микросфер и прочности цементно-минеральной матрицы, обволакивающей частицы наполнителя. Для увеличения прочности оболочки полых микросфер и адгезии на границе раздела фаз предлагается использовать комплексный наноразмерный модификатор. Образуя кремний-кислородный каркас, выступающий стабилизатором наночастиц гидроксида переходного элемента, на поверхности микросфер, модификатор создает вторичную оболочку, схожую по составу с материалом носителя. Кроме того компоненты наномодфициатора являются активными по отношению к цементу и продуктам его гидратации. Так золь Fe(OH)₃ способствует увеличению гидратационной активности цемента, а активный нанокременезем связывает гидросксид Ca, образуя силикаты кальция CSH и упрочняя зону контакта цементного камня и заполнителя [37].

Получены составы высокопрочных лёгких бетонов со средней плотностью 1300…1500 кг/м³ и определены базовые показатели прочности при сжатии с использованием стеклянных и алюмосиликатных полых микросфер, которые составили значения в диапазоне 40,0…70,0 МПа [38]. Удельная прочность таких составов варьируется от 30,0 до 50,0 МПа.

Таблица 2 – Некоторые параметры энергоэффективного  наномодифицированного высокопрочного лёгкого бетона

Наименование показателя	Значение показателя
Подвижность по диаметру расплыва конуса, мм	не менее 155
Средняя плотность, кг/м3	1300…1500
Общая пористость, % в том числе: закрытая открытая	33,4 31,9 1,5
Предел прочности при изгибе, МПа	5,0…8,0
Предел прочности при сжатии, МПа	40,0…70,0
Удельная прочность, МПа	40,0…45,0
Коэффициент трещиностойкости	0,10…0,12
Коэффициент трещиностойкости по методу МИИТ	0,27…0,42
Модуль упругости, ГПа	9,5…15,2
Коэффициент Пуассона	0,13…0,15
Водопоглощение по массе, %	1,0
Коэффициент водостойкости	0,95
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	0,48…0,70
Коэффициент температуропроводности, ∙10-7 м2/с	3,43…4,04
Удельная теплоемкость (при T = 25 oC), кДж/(кг∙К)	1,08…1,17
Морозостойкость	F300

Таким образом, получены составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов с высоким показателем технической эффективности R_уд≥30 МПа, что позволяет существо расширить область применения лёгких бетонов. Такие бетоны позволяют более чем на 40% уменьшить нагрузку на конструкционные элементы здания, сохранить несущие характеристики и улучшить теплофизические свойства (таблица 2).

Рис. 6 – Фотографии зданий со сложной архитектурой: а – «Танцующий дом» (Прага, Чехия), б – Жилой комплекс Хабитат (г. Монреаль, Канада)

Снижение веса конструктивных элементов зданий позволит решать сложные архитектурные задачи и расширит область применения бетонов при строительстве многоэтажных и высотных зданий, возведении большепролетных сооружений, устройстве сложных строительных объектов, где применение высокоплотных материалов не возможно. Кроме того, такие бетоны могут быть рекомендованы для строительства в сейсмоопасных районах или в местах пролегания подземных коммуникаций (линии метрополитена, тоннели и т.д.).

Снижение веса конструктивных элементов зданий позволит решать сложные архитектурные задачи (рисунок 6) и расширит область применения лёгких бетонов при строительстве многоэтажных и высотных зданий, возведении большепролетных сооружений, устройстве сложных строительных объектов, где применение высокоплотных материалов не возможно.