ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ – МОДИФИКАТОРЫ В ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА
Бетон является одним из наиболее распространенных строительных материалов как вследствие его дешевизны, так и возможности придания конструкциям на его основе практически любых форм. Он обладает огромными потенциальными возможностями для защиты природы и общества от вредных последствий человеческой цивилизации и природных катаклизмов.
Кроме высоких строительно-технических свойств, бетон выгодно отличается от других строительных материалов низкой энергоемкостью и экологической безопасностью. Эти факторы при выборе строительных материалов уже в ближайшие годы будут определяющими для массового строительства. Но реализовать эти достоинства бетона возможно только в случае обеспечения длительного безремонтного срока эксплуатации конструкций. Создание бетонов высокого качества и долговечности – одно из основных направлений в области строительства и обязательное условие завоевания рынка.
Эти задачи во многих случаях решаются с применением химических добавок – модификаторов свойств цементных систем. Задача модифицирования бетона стоит в ряду приоритетных проблем современного строительства.
Модифицированные бетоны уверенно расширяют области своего применения в строительстве, вытесняя другие строительные материалы, в том числе стальной прокат.
Модифицирование идет в следующих основных направлениях:
I – придание бетону свойств ему не свойственных (по природе) – гидрофобность, бактерицидность, твердение при низких отрицательных температурах и другие.
II – улучшение свойств бетонной смеси и бетонов им уже присущих: подвижность бетонной смеси, прочность, морозо - и коррозионная стойкость, другие физико-технические и технологические характеристики.
В технически развитых странах мира практически весь бетон изготовляется с применением модификаторов различного назначения. В России в последние десятилетия также возросла потребность в них и в настоящее время она составляет 70-80% общего объема бетона.
В нашей стране номенклатура модификаторов весьма обширна. Учитывая многообразие свойств бетонных смесей и бетонов, достигаемое путем их модифицирования различными органическими и неорганическими соединениями, предложена классификация различных модификаторов, основанная на учете основного технологического или технического эффекта действия. Она положена в основу действующего ГОСТ 24211-03 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия».
Разработан и действует ГОСТ 30459-96 «Добавки для бетонов. Методы определения эффективности».
В настоящее время установлены закономерности изменения свойств цементных систем от строения вводимых соединений, которые положены в основу модифицирования бетонных смесей и получения бетонов заданных строительно-технических параметров.
Наиболее широко в технологии бетона применяются модификаторы структурирующего, пластифицирующего действия, регуляторы твердения бетона, а также комплексные модификаторы полифункционального действия.
Важное место среди множества химических модификаторов занимают пластификаторы и суперпластификаторы бетонных смесей. В России широко применяется суперпластификатор С-3 на нафталинформальдегидной основе. Уложены миллионы кубических метров сборного и монолитного бетона и железобетона.
Большие возможности регулирования водопотребности бетонной смеси при применении суперпластификаторов и значительного (до 20-25%) снижения водоцементного отношения обеспечивают получение высокопрочных бетонов классов В45 и выше, а также особоплотных бетонов марок по водонепроницаемости W10 и выше. С их применением удалось существенно повысить сульфатостойкость бетонов на средне - и высокоалюминатных портландцементах в условиях воздействия сульфатных сред, в том числе при капиллярном подсосе и испарении растворов солей.
Появилась возможность организовать производство конструкций из высокопрочного бетона без наращивания объемов выпуска энергоемких цементов марок 550 и 600, значительно расширились области применения шлако - и пуццолановых портландцементов.
В настоящее время определена роль минералогического и вещественного состава цементов при оценке эффективности применения суперпластификаторов олигомерно-полимерного состава. Исследования адсорбции отдельных фракций на минералах цементного клинкера и минеральных добавках к портландцементу показали, что быстрогидратирующиеся алюминатные фазы клинкера интенсивно адсорбируют компоненты суперпластификатора с образованием новой фазы, названной гидросульфонатоалюминатами. Так, суперпластификатор С-3 для получения равнозначного эффекта пластификации бетонных смесей на высокоалюминатных портландцементах должен вводиться в более высоких дозировках, чем в смеси на средне - и низкоалюминатных вяжущих. Вещественный состав цемента имеет не меньшее значение. Эффект разжижения одних и тех же суперпластификаторов в портландцементах с минеральными добавками высокой гидравлической активности меньше, чем при использовании минеральных добавок низкой активности.
На основании проведенных исследований о роли вещественного и минералогического состава цементов, их удельной поверхности разработаны «Рекомендации по применению суперпластификаторов в производстве монолитного и сборного бетона и железобетона» (М., 1987). Создание и освоение промышленного выпуска суперпластификаторов и эффективных пластифицирующих модификаторов позволили успешно решить проблему получения группы специальных вяжущих с пониженным содержанием клинкера и высокими строительно-техническими свойствами (ВНВ, ТМЦ).
В успешном решении комплекса вопросов, связанных с созданием сооружений и конструкций высокой долговечности существенную роль играет получение мелкой, равномерно распределенной пористости цементного камня в бетоне в сочетании с гидрофобизацией внутренней поверхности пор и капилляров. Особенно важна она для повышения стойкости бетона в условиях капиллярного подсоса и испарения растворов солей, а также периодического увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания. Это достигается применением кремнийорганических соединений гидрофобно-структурирующего действия. На этой основе создана целая группа бетонов высокой морозостойкости и коррозионной стойкости, в условиях преимущественного развития гипсовой и гидросульфоалюминатной коррозии, в том числе при их периодическом увлажнении и высушивании, а также постоянного воздействия хлоридов и сульфатов натрия и магния. Наиболее значительное повышение морозостойкости бетонов, в том числе подвергнутых в процессе твердения тепловой обработке, достигается при введении в их состав соединений микрогазообразующего действия типа КЭ 30-04 (бывший олигмер ГКЖ-94). Бетоны, модифицированные кремнийорганическими соединениями широко применяются при возведении ответственных сооружений гидротехнических, промышленных, мелиоративных и других видов строительства.
Результаты выполненных исследований включены в «Пособие по проектированию защиты от коррозии бетонных и железобетонных строительных конструкций» (к СНиП 2.03.11-85).
Неотъемлемой частью современного строительства являются модифицированные сухие смеси, широкое применение которых в России началось в начале 90-х годов прошлого столетия. Применение сухих строительных смесей позволяет проводить работы как в толстых слоях (по традиционной технологии), так и в тонких слоях от 0,5 до 6 мм. При этом весьма высока роль песка и наполнителей. Минимальная толщина укладки смесей определяется максимальной крупностью заполнителей-наполнителей.
Наибольший эффект достигается при выполнении работ в тонких слоях. В этом случае производительность труда возрастает в 1,5-5 раз, а материалоемкость снижается в 3-10 раз по сравнению с традиционными методами производства работ.
Вместе с тем следует отметить, что фракционированные пески, применяемые в качестве сырья для производства сухих смесей, требуют обязательной проверки их реакционной способности по отношению к щелочам цемента до их применения в составе таких смесей. Тоже требование относится к использованию природных обогащенных песков, применяемых в качестве одного из основных компонентов сухих смесей. В них могут присутствовать примеси, потенциально реакционноспособные по отношению к щелочам цемента или щелочам, поступающим извне. Для предотвращения нежелательных последствий этого взаимодействия с последующим развитием внутренней коррозии бетона, рекомендуется применение модификаторов структурообразующего типа СНВ и, особенно, гидрофобно-структурирующего действия (кремнийорганический олигомер КЭ 30-04), а также введение активных минеральных добавок. В составах, содержащих реакционноспособные пески, предпочтительнее применение шлакопортландцементов, чем портландцементов. Расширение, вызванное реакцией щелочей с кремнеземом, уменьшается с увеличением содержанием шлака. Содержание шлака в количестве до 65% позволяет увеличить содержание щелочи в цементе (в пересчете на оксид натрия) с 0,6% (норма РФ и США) до 2%, что не приводит к разрушению затвердевших строительных растворов. Результаты выполненных исследований включены в «Руководство по предотвращению внутренней коррозии бетона при химическом взаимодействии щелочей цемента с реакционноспособными породами заполнителей» (М., ЦНИИС, 1984).
Дальнейшее повышение эффективности модификаторов достигается созданием комплексов, содержащих несколько компонентов для одновременного улучшения технологических свойств бетонной смеси, физико-механических характеристик бетона и его долговечности, а также для экономии дорогостоящих компонентов.
Важной является задача изыскания новых комплексных модификаторов полифункционального действия в виде готового продукта, удобного для введения в бетонную смесь, обладающего универсальностью в части одновременного улучшения свойств смеси, ускорения или замедлению твердения, повышения конечной прочности, а также морозостойкости и коррозионной стойкости бетонов. Такие комплексные модификаторы должны исключать коррозию арматуры и внутреннюю коррозию бетона и в зависимости от требований, предъявляемых к производству бетонных работ, регулировать сохраняемость бетонных смесей и темпы твердения бетона. В этом плане их правильнее определить как «полифункциональные модификаторы» бетона (ПФМ). Состав ПФМ можно «проектировать» таким образом, чтобы компоненты усиливали эффект, обеспечиваемый каждым из них в отдельности применительно к конкретным условиям применения бетона.
Применение ПФМ устраняет или существенно снижает нежелательные побочные действия каждого из составляющих модификатора и позволяет добиться универсальности их действия в бетонах разных составов, приготовленных на различных цементах.
В состав ПФМ должны входить пластификаторы (суперпластификаторы), регуляторы твердения, регуляторы структуры, а также, возможно, и специальные компоненты.
ПФМ могут представлять собой как смесь компонентов, так и химическое соединение в виде жидкости, твердого вещества или пасты, растворимых в воде.
В состав комплексных модификаторов могут входить активные и малоактивные компоненты типа высокодисперсного микрокремнезема, золы-уноса и некоторых других, позволяющие существенно улучшить технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства бетонов. Это в еще большей степени повышает актуальность применения модификаторов, позволяющих утилизировать многотоннажные неорганические отходы производства.
Особая роль в этом плане принадлежит микрокремнезему, на основе которого получены комплексные порошкообразные модификаторы полифункционального действия насыпной плотностью 750-800 кг/м3, состоящие из гранул до 100 mк (торговая марка «Модификатор бетона марки МБ-01»). На этом принципе создана целая группа модификаторов серии МБ-С на основе золы-уноса, микрокремнезема и суперпластификатора С-3, с применением которых получены бетоны высоких физико-технических свойств, приближающихся по своим характеристикам к бетонам серии МБ-01.
Одна из особенностей производства бетонных смесей с модификатором серии МБ связана с тем, что пластификация смеси происходит не сразу, а постепенно по мере порционного поступления в жидкую фазу суперпластификатора, содержащегося в модификаторах этого типа, что обусловливает сохранение высокой пластичности бетонной смеси во времени.
С применением модификаторов серии МБ из бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции (марки П4-П5) при расходе портландцемента до 500 кг/м3 получены бетоны нового поколения высокой прочности (классы В80-В100), низкой проницаемости (марки W16-W20), высокой коррозионной стойкости при действии растворов солей, а также слабых кислот при рН ³ 3,5. Введение в состав бетона модификаторов этого класса не только существенно снижает проницаемость бетона, но и изменяет фазовый состав цементного камня, что еще в большей степени способствует повышению коррозионной стойкости бетона, особенно его сульфатостойкости. Разработанные модифицированные бетоны высокой сульфатостойкости могут изготавливаться на наиболее распространенных среднеалюминатных портландцементах без использования сульфатостойкого цемента, что во многих случаях облегчает производство коррозионностойких конструкций и позволяет отказаться от средств вторичной защиты. С применением суперпластификатора С-3 при снижении водопотребности бетонной смеси и модификаторов серии МБ стойкость бетона в условиях капиллярного подсоса и испарения растворов солей также существенно возрастает.
Дополнительное введение модификатора гидрофобно-структурирующего действия «КЭ 30-04» позволяет получать бетоны, морозостойкость которых превышает марку F1000. Важно отметить, что эти эксплуатационные характеристики получены из бетонной смеси высокоподвижной и литой консистенции, характеризующиеся высокой связностью.
Применение модифицированных бетонов низкой проницаемости устраняет опасность карбонизации защитного слоя и существенно повышает защитное действие бетона по отношению к стальной арматуре в хлоридных средах. Это достигается за счет весьма низкой диффузионной проницаемости модифицированных бетонов по отношению к хлоридам. Коэффициент диффузии таких бетонов достигает значений 10-9 см2/с и менее, т. е. на порядок величин ниже, чем у бетонов нормальной проницаемости (10-7…10-8 см2/с). Полученные результаты позволяют расширить область применения методов первичной защиты, реализуемой на стадии проектирования и изготовления бетонов и железобетонных конструкций.
Результаты проведенных исследований включены в действующие нормы МГСН 2.08-01 «Защита от коррозии бетонных и железобетонных конструкций жилых и общественных зданий» (М., 2003). В соответствии с нормами бетоны марок по водонепроницаемости более W10 могут быть применены в условиях воздействия агрессивных сульфатных и некоторых кислых сред без использования мер вторичной защиты (табл.1, 2).
Таблица 1
Степень агрессивного воздействия жидких неорганических сред
Показатель агрессивности | Показатель агрессивности жидкой среды1 для элементов зданий, расположенных в грунтах с Кf свыше 0,1 м/сут, в открытом водоеме и для напорных сооружений при марке бетона по водонепроницаемости2 | Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон | ||
W4 | W6 | W8 | ||
Бикарбонатная щелочность, мг-экв/л (град)3 | Св.0 до 1,05 (3) | - | - | Слабоагрессивная |
Водородный показатель рН4 | Св.5,0 до 6,5 Св.4,0 до 5,0 Св.0,0 до 4,0 | Св.4,0 до 5,0 Св.3,5 до 4,0 Св.0,0 до 3,5 | Св.3,5 до 4,0 Св.3,0 до 3,5 Св.0,0 до 3,0 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
Содержание агрессивной углекислоты, мг/л | Св.10 до 40 Св405 | Св.405 - | - - | Слабоагрессивная Среднеагрессивная |
Содержание маг-незиальных солей, мг/л, в пересчете на ионы Mg2+ | Св.1000 до 2000 Св2000 до 3000 Св.3000 | Св.2000 до 3000 Св3000 до 4000 Св.4000 | Св.3000 до 4000 Св4000 до 5000 Св.5000 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
Содержание аммонийных солей, мг/л, в пересчете на ионы NH4+ | Св.100 до 500 Св.500 до 800 Св.800 | Св.500 до 800 Св.800 до 1000 Св.1000 | Св.800 до 1000 Св.1000 до 1500 Св.1500 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
Содержание едких щелочей, мг/л, в пересчете на ионы Na+ и К+ | Св.50000 до 60000 Св.60000 до 80000 Св.80000 | Св.60000 до 80000 Св.80000 до 100000 Св.100000 | Св.80000 до 100000 Св.100000 до 150000 Св.150000 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
Суммарное содержание хлоридов, сульфатов,3 нитратов и др. солей, мг/л, при наличии испаряющих поверхносте | Св.10000 до 20000 Св.20000 до 50000 Св.50000 | Св.20000 до 50000 Св.50000 до 60000 Св.60000 | Св.50000 до 60000 Св.60000 до 70000 Св.70000 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
ПРИМЕЧАНИЯ:
1. При оценке степени агрессивного воздействия среды на элементы конструкций, расположенных в слабофильтрующих грунтах с Кf менее 0,1 м/сут, значения показателей таблицы должны быть умножены на 1,3.
2. Содержание сульфатов в зависимости от вида и минералогического состава цемента не должно превышать пределов, указанных в табл.1.
3. При любом значении бикарбонатной щелочности среда неагрессивна по отношению к бетону с маркой по водонепроницаемости W6 и более, а также W4 при коэффициенте фильтрации грунта Kf ниже 0,1 м/сут.
4. Оценка агрессивного воздействия среды по водородному показателю рН не распространяется на растворы органических кислот высоких концентраций и углекислоту.
Для бетона марок по водонепроницаемости W10 и более слабая, средняя и сильная степень агрессивного воздействия среды принимается соответственно при значениях рН менее 3,5, 3,0 и 2,5.
5. При повышении значений показателей агрессивности, указанных в настоящей таблице, степень агрессивного воздействия среды по данному показателю не возрастает.
Таблица 2
Степень агрессивного воздействия жидких сульфатных сред
Цемент группы по сульфатостойкости | Показатель агрессивности жидкой среды1 с содержанием сульфатов в пересчете на ионы SO42-, мг/л, для элементов зданий, расположенных в грунтах с Кf св.0,1 м/сут, в открытом водоеме и для напорных сооружений при содержании ионов НСО3-, мг-экв/л | Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон марки по водонепроницаемости W4 | ||
Св. 0,0 до 3,0 | Св. 3,0 до 6,0 | Св. 6,0 | ||
I портландцемент | Св.250 до 500 Св.500 до 1000 Св 1000 | Св.500 до 1000 Св.1000 до 1200 Св 1200 | Св.1000 до 1200 Св.1200 до 1500 Св 1500 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
II среднеалюминатный портландцемент | Св.1500 до 3000 Св.3000 до 4000 Св 4000 | Св.3000 до 4000 Св.4000 до 5000 Св 5000 | Св.4000 до 5000 Св.5000 до 6000 Св 6000 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная |
III сульфатостойкий портландцемент | Св.3000 до 6000 Св.6000 до 8000 Св 8000 | Св.6000 до 8000 Св.8000 до 12000 Св 12000 | Св.8000 до 12000 Св.12000 до 15000 Св 15000 | Слабоагрессивная Среднеагрессивная |
ПРИМЕЧАНИЯ:
1. При оценке степени агрессивного воздействия среды в условиях эксплуатации элементов конструкций, расположенных в слабофильтрующих грунтах с Кf менее 0,1 м/сут, значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1,3.
2. При оценке степени агрессивного воздействия среды для бетонов марки по водонепроницаемости W6, W8 и W10 и более значения показателей данной таблицы должны быть умножены соответственно на 1,3, 1,7 и 2.
Следует отметить, что существующие нормы СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» в значительной мере устарели. В них не отражены особенности бетонов нового поколения, изготавливаемых с современными модификаторами. Результаты новейших исследований в этой области должны быть включены в обновленную редакцию СНиП.
Наряду с разработкой комплексных модификаторов в виде совмещенного продукта, включающего несколько компонентов, предполагающих исключение взаимодействия друг с другом, весьма эффективным является направление, связанное с разработкой соединений многоцелевого назначения, получаемых химическим модифицированием за счет введения в состав макромолекул фрагментов иной природы.
Применение соединений олигомерно-полимерного ряда различного состава и строения позволяет регулировать процессы гидратации и структурообразования клинкерных минералов в портландцементе, технологические свойства бетонной смеси, физико-технические свойства бетона, в том числе его долговечность. Направленное изменение этих свойств существенно зависит от структуры вощимых соединений, наличия и вида функционально-активных групп и радикалов, их расположения в молекуле, длины цепи, молекулярной массы.
К числу таких соединений относятся разработанные в последние годы модификаторы пластифицирующе-стабилизирующего действия нового поколения на основе поликарбоксилатов. Одним из существенных их достоинств является возможность модифицирования как основной цепи макромолекулы, так и боковых блоков с вариацией в широких пределах их молекулярной массы.
Важнейшими достижениями в области бетоноведения и технологии бетона, связанных с применением поликарбоксилатов и комплексных модификаторов на органоминеральной основе, является возможность получения самоуплотняющихся бетонных смесей, отказ от вибрации, применяемой для уплотнения укладываемой в опалубку бетонной смеси. Самоуплотняющаяся бетонная смесь позволяет качественно заполнять формы конструкций со сложной геометрией и высоким процентом армирования. Это открывает новые возможности регулирования, как технологических свойств бетонной смеси, так и важнейших физико-технических свойств бетонов с учетом технологии строительных работ и последующих условий эксплуатации конструкций и сооружений.
Но следует отметить, что самоуплотняющийся бетон весьма чувствителен к нарушениям технологического регламента, начиная от требований к компонентам бетонной смеси, к бетоносмесительным устройствам, квалификации персонала, методам подбора и испытаний смеси. В действующих инструкциях особое внимание уделено тщательности подбора бетонной смеси, особенно ее водосодержанию, гранулометрии заполнителей, процессу перемешивания (смесители непрерывного действия и ручное перемешивание непригодны).
Качество современного бетона высоких технологий, в т. ч. самоуплотняющегося бетона в значительной степени зависит от точности дозировки составляющих бетонной смеси. Только чистое смесительное оборудование способно создать необходимые условия для соблюдения в процессе работы заданных пропорций состава бетона. Ориентировочное время на автоматизированную очистку стандартного бетоносмесителя по зарубежным данным составляет несколько минут, а степень очистки внутренней поверхности достигает 95%. Избытки промывочной воды могут использоваться при приготовлении последующего замеса, что учитывается и контролируется компьютерной программой.
Имеются четкие указания по особенности выдерживания бетона в конструкции, защите ее от высушивания и поверхностного трещинообразования.
С применением модификаторов полифункционального действия нового поколения появилась возможность снижения начальной стоимости возводимых сооружений и конструкций из бетона за счет сокращения трудоемкости производства работ и стоимости исходных материалов, относительный объем которых по отношению к стоимости произведенной продукции весьма велик.
С середины 1980-х годов в мировой строительной практике появились конструкции и сооружения, возведенные из бетонов нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами, которое обозначаются термином High Performance Concrete. Эти бетоны, запроектированные с применением комплексных модификаторов многоцелевого назначения, отличаются высокой (50-80 МПа) и сверхвысокой (выше 80 МПа) прочностью, низкой проницаемостью, высокой коррозионной стойкостью (без вторичной защиты), долговечностью.
Евростандартом на бетон EN 206 срок эксплуатации железобетонных конструкций установлен не менее 50 лет. Однако, ужесточение условий эксплуатации железобетонных конструкций, в том числе загрязнение окружающей среды, увеличение нагрузок и изменение характера их воздействия нередко сокращают сроки их надежной эксплуатации. Одним из наиболее важных конкурентных свойств бетонных и железобетонных конструкций по сравнению с металлом является их долговечность. В настоящее время предложены экономически оптимизированные модели стратегии эксплуатации конструкций на основе вероятностных оценок жизненного цикла отдельных их компонентов. Оценка срока жизни конструкции включает определение вероятности наступления ряда предельных состояний (например, депассивации арматуры), учитывая внешние воздействие (например, действие антиобледенителей) и сопротивление элемента поведения конструкции в целом прониканию хлоридов. Создание практической модели поведения конструкции во времени предусматривает проведение мониторинга с момента введения конструкции в эксплуатацию с учетом всех ее практических характеристик. Предлагаемые модели жизненного цикла конструкций, которые учитывают влияние факторов эксплуатации, позволяют оптимизировать стоимость ремонтов с учетом большего числа параметров: технических и функциональных требований, безопасности, эстетики, экологии и т. д. Разработаны математические методы сортировки и выбора приоритетов разной степени сложности с учетом большого числа параметров, которые могут быть использованы проектировщиками при выборе оптимальных вариантов эксплуатации. Выбор соответствующих методов принятия решений составляет значительную часть системы управления жизненным циклом конструкции, что в конечном счете позволяет наиболее эффективно продлевать сроки жизни различных зданий и сооружений из бетона.
В настоящее время в различных технически развитых странах мира (США, Норвегия, Япония и т. д., а также в России) разработаны составы и технология изготовления бетонов прочностью выше 150 МПа.
Такие бетоны применяются при возведении особо ответственных зданий и сооружений: небоскребы, большепролетные мосты, морские платформы и т. д.
В г. Тайбее (о. Тайвань) в 2003 г. закончено сооружение 101-этажного, самого высокого в мире, здания (высота – 455 м., со шпилем – 508 м), причем в сейсмоопасной зоне, подверженной также воздействию тайфунов. Площадь помещения в здании – 200 тыс. м2. Особенность конструкции – несущие сталежелезобетонные колонны. В ходе строительства был установлен рекорд по высоте перекачки бетонной смеси в колонны – 455 м. На конец 2008 г. намечено окончание строительства небоскреба в Дубае (ОАЭ) высотой более 700 м.
Новое здание Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, которое намечено построить взамен двух башен со стальным каркасом, разрушенных в результате теракта 11 сентября 2001 г., будет иметь уже железобетонное несущее ядро. Планируемая высота здания вместе с телеантенной – 541 м.
В настоящее время разработан проект сверхвысокого сооружения многофункционального назначения Токийской «Башни тысячелетия». Высота этого 170-этажного здания должна быть 800 метров – в 2 раза выше созданного до сих пор сооружения. В нем смогут проживать до 60 тыс. жителей.
В ближайшие годы планируется строительство супервысоких зданий, в частности, в Японии, высотой 1 км и выше, что потребует применения бетонов особо высокой прочности.
В России за последние годы с применением модификаторов на органоминеральной основе серии «МБ» выпущено около полутора миллиона кубометров бетона нового поколения высоких эксплуатационных свойств, в том числе:
- классов В80-В90 – около 30 тыс. м3;
- классов В50-В60 – около 450 тыс. м3;
- более низких классов со специальными свойствами (высокая коррозионная стойкость, особо низкая проницаемость, в том числе диффузионная, обеспечивающая высокие защитные свойства бетонов по отношению к стальной арматуре жидких и газовых агрессивных сред, низкая экзотермия) – около 750 тыс. м3.
При сооружении ММДЦ «Москва-Сити» на строительстве комплекса «Федерация», который включает две башни – «А» высотой 360 м и «Б» высотой 240 м, применены бетоны классов В60 и В80-В90 с использованием модификаторов серии МБ на органоминеральной основе. Бетоны готовились из смесей высокоподвижной и литой консистенции марок П4 и П5.
В последние годы в Москве осуществляется программа строительства Нового кольца высоток. Планируется осуществление суперпроекта – построить одно из самых высоких зданий в мире высотой 648 м – так называемую башню Россия.
Возводимые в мире небоскребы изготавливаются с использованием бетона очень высокого качества с прочностью от 85 до 150 МПа, что в массовом масштабе возможно только с применением модификаторов.
Архитектором Норманом Фостером разработан проект сверхвысокого сооружения многофункционального назначения Токийской «Башни тысячелетия». Высота этого 170-этажного здания должна быть 800 метров – в 2 раза больше созданного до сих пор сооружения. В нем смогут проживать до 60 тыс. жителей.
В ближайшие годы планируется строительство супервысоких зданий, в частности в Японии, высотой 1 км и выше, что потребует применения бетонов особо высокой прочности.
В мировом строительстве известны суперпроекты, оставшиеся нереализованными. Так, в середине XX века архитектор Райт сделал проект здания высотой 1600 метров. Профессором разработан эскизный проект башни высотой 2000 м из предварительно-напряженного железобетона. Башня состоит из шести вздымающихся вверх стоек соединенных через каждые 250 м платформой, имеющей в плане форму шестиугольника с отверстием в центре для шахты, которая намечалась прозрачной из пластического материала.
Доктор технических наук , автор Останкинской телебашки, которая в течение более 20 лет была лидером в мире среди ТВ-башен, по заказу японцев подготовил совместно с профессором проект башни высотой 4 километра, который не был реализован. Считается, что технически возможно строить такие здания и сооружения, но человечество на это еще пока не решилось.
Монолитный железобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с металлом при использовании в каркасах высотных зданий. Одно из них – более эффективное рассеяние энергии колебания зданий при ветровых нагрузках. Кроме того, с разработкой высокопрочных бетонов из высокоподвижных бетонных смесей подача материала на высоту осуществляется бетононасосами, что намного эффективнее крановых операций, неизбежных при монтаже стальных конструкций.
Интенсивно развивающаяся в последние годы нанотехнология дает возможность создания материалов с невиданными ранее характеристиками. Разработка бетона ультравысоких технологий, характеризующиеся исключительно высокими строительно-техническими свойствами, где прочность на сжатие достигает более 200 н/мм2. Конструкции из такого бетона имеют значительно меньшую площадь поперечного сечения, большой пролет и существенно возросшую привлекательность и долговечность. Последнее достоинство обеспечивается созданием благоприятной структуры бетона, его весьма низкой, в том числе диффузионной проницаемостью, что препятствует распространению коррозии как самого бетона, так и стальной арматуры при воздействии различных агрессивных факторов. Преднапряженная арматура в конструкциях из такого бетона создает столь высокое обжатие, что позволяет полностью исключить появление трещин при эксплуатационных нагрузках.
В лабораторных условиях получены бетоны прочностью на сжатие до 500 N/mm2, т. е. прочнее обычной стали.
Весьма перспективны работы, проведенные по применению фибр в виде углеродных нанотрубок с целью упрочнения цементной матрицы. Нанатрубки изобретены в Японии в 1991 г. Их прочность на разрыв, по некоторым данным, почти в 100 раз превосходит прочность стали. Появление нанотрубок с такой прочностью стимулировало создание международного проекта «Космический лифт», который находится в стадии разработки по эгидой NASA. Эти трубки весьма устойчивы и к проявлениям коррозии и представляют значительный интерес для целей усовершенствование бетона.
Проведенные работы показали, что введение даже сравнительно небольшого количества нанофибр оказывает существенный положительный эффект на механические характеристики бетона. Работы ведутся в направлении улучшения сцепления нанофибр с матрицей и выбора оптимального суперпластификатора поликарбоксилатного типа с разной длиной боковых цепей.
Следует отметить важность разработки специальной технологии приготовления бетона. Обычная техника приготовления бетона, в том числе для дозировки, неприемлема, она должна быть существенно модернизирована. Высокая точность измерений, порядок смешивания компонентов и продолжительность процессов смешивания должны непрерывно контролироваться. Перерывы в подаче смеси должны быть исключены, т. к. это может негативно отразиться на характеристиках строительных конструкций. Особого внимания требуют и вопросы твердения бетона и набора его прочности. Следует принять все необходимые меры по исключению потерь влаги и соответствующего трещинообразования при усадке материала на этом технологическом переделе. Необходимо отметить, что контроль качества на всех этапах технологии должен быть непрерывным, документируемым и должен служить составной частью сертифицированной системы обеспечения качества.
Достигнутые результаты и возможность совершенствования свойств и технологии бетона показывают, что в этой области имеются значительные резервы и перспективы дальнейшего совершенствования бетона как материала с уникальными свойствами конкурентоспособного по ряду показателей металлу, керамике и полимерам.
