Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса

УДК 625.123/4

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕТОНОВ С ВЫСОКИМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Ю.А. Ковтун, магистрант См-18МА8

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет

(СибАДИ)», Омск, Россия

СибАДИАннотация. В данной статье представлена информация о зарубежных достижения в области сооружения мостов з высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона, причины использования высокпрочного бетона в стро тельстве мостовых конструкций; описана минеральная добавка МБ-01; влиян е м неральной добавки на свойства бетонной смеси и бетонов; отечественный опыт изготовлен я балок дл ной 21м по типовому проекту 3.503.1-81; представлены пути для дальнейшего пр менения высокопрочных бетонов в строительсвте.

Ключевые слова: высокопрочный етон, минеральная добавка МБ-01, пролетное строение, направления разв т я высокопрочных етонов.

MODERN PROBLEMS AND DIRECTIONS OF DEVELOPMENT OF THE USE OF CONCRETE WITH HIGH PERFORMANCE PROPERTIES

Y.А. Kovtun, undergraduate Sm-18МА8

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia

Abstract. This report provides information on foreign achievements in the field of the construction of highperformance and super high performance concrete bridges; reasons for using high performance concrete in bridge construction; described mineral supplement MB-01; the effect of the mineral additive on the properties of the concrete mix and concrete; domestic experience in the manufacture of beams with a length of 21m. according to the standard project 3.503.1-81; presented ways for the further application of high-strength concrete in construction.

Keywords: high strength concrete, mineral supplement MB-01, span structure, directions of development of high strength concrete.

Введение

Бетон с высокими эксплуатационными характеристиками является перспективным материалом, в области строительства мостов. За рубежом такие бетоны называют «Ultra High Performance Concrete». Они имеют повышенную прочность, долговечность, уменьшенную усадку ползучесть, сооружения, возведенные с их использованием, обладают яркими эстетическими достоинствами. Несмотря на все их достоинства, у проектировщиков нет представления о том, как преимущества СВБ могут быть использованы.

Опыт применения бетонов с высокими эксплуатационными свойствами за рубежом.

Одно из первых упоминаний термина “высокопрочный бетон” было зафиксировано в Америке в 1929 г., там в ходе лабораторных исследований в 30-х годах были получены бетоны с прочностью на сжатие до 130 МПа. В ФРГ, также в ходе лабораторных исследований получили первые высокопрочные бетоны в 40-х годах. В 1966 году, в лабораторных условиях, были получены бетоны с прочностью 140 МПа, а в 1988 г. Изготавливались тюбинги из бетона B85.

“Первое сооружение, которое было возведенно с применением реакционно-порошкового бетона, был пешеходный мост в городе Шербрук (Канада) (см. рис.1). Это экспериментальное сооружение было построено в 1997, длиной 60 м. Мост в Шербруке был первым сооружением, в котором использовался реакционно-порошковый бетон. Ежегодные обследования моста показали, что он находится в хорошем состоянии и его характеристики практически не меняются” [1].

179

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

строительства [2].

При стро тельстве моста Столма в Норвегии основными причинами выбора данного бетона являлись желание уменьшения нагрузки от со ственного веса, а также получить большую свободу выбора в месте расположения опор. В результате получилось построить мост с пролетом в 301 м[3].

В Канаде, при строительстве моста Конфедерации через пролив Нортамбеленд длинной в 12,9 км главной проблемой являлась агрессивная среда.

После подробных изысканий и принятие во внимание агрессивной среды, было выведено, что наиболее эффективным спосо ом защиты констуркций от коррозии является применение СВБ с усиленным защитным слоем бетона у опор.

В США так же растет использование высокопрочного бетона. Первый автодорожный мост из высокопрочного бетона в США был построен в 2006 году в штате Айова представлял собой однопролетный мост с трехбалочным поперечным сечением длиной 33,5 м без применения стальной арматуры (см. рис.2).

Рисунок 2 – Первый автомобильный мост из высокопрочного фибробетона в штате Айова

180

Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса

В Японии построен пешеходный мост Sakata Mirai из сборного СВБ, устойчивым к высоким деформациям, ветровым нагрузкам и перепадам температур.

Для производства бетона с повышенными эксплуатационными характеристиками, также применяют минеральную добавку МБ-01.

Модификатор МБ-01.

«Модификатор бетона марки МБ-01 представляет собой порошкообразный продукт на органоминеральной основе, содержащий в своем составе микрокремнезем конденсированный и пластификатор I группы по ГОСТ 24211 - пластификатор С-3» [4].

Основной особенностью при изготовлении бетонов с модификатором МБ-01, является повышение

прочности бетона. Возможно получить высокопрочный бетон классов B60 и выше. СибАДИОсновные свойства бетона – прочность на сжатие и проницаемость – практически не отличаются

от бетона с МК и П, приготовленного по обычному способу. Это означает, что с применением МБ-01 и расходе обычного портландцемента М400 в пределах 500 кг/м3 можно получить бетоны сверхвысокой прочности (выше классов B60), низкой проницаемости (выше марки вышение стойкости к воздейств ю сульфатов, хлор дов, и слабых кислот, т.е.бетоны с высокими эксплуатационными свойствами. В начальный пер од вязкость смесей с МБ-01 относительно высока, затем снижается, стабилизируясь на определенном уровне. Это – одна из особенностей технологии производства смесей с МБ-01, которая связана с тем, что пластификация смеси происходит не сразу, а постепенно

по мере растворен я “порц онного” поступления в жидкую фазу суперпластификатора,

находящегося в составе МБ-01, о ладая сравнительно высокой насыпной массой может транспортироваться, хран ться, дозироваться и подаваться в бетоносмеситель по той же схеме, что и цемент, не требуя спец ального о орудования. При этом исключается необходимость отдельно вводить в смесь суперпласт ф катор.

Опыт пр менен я бетонов с высокими эксплуатационными свойствами в России.

Опыт пр менен я высокопрочных етонов имеется и в России – в г. Москва был возведен

комплекс высотных здан й «Москва-Сити»[1], а также комплекс сооружений, приуроченных к празднован ю Дня Победы в Вел кой Отечественно войне в г. Красноярске с прочностью бетона 180200 МПа.

Однако при всей привлекательности перспективы массового производства бетонов и конструкций

нового поколения, география о ъектов строительства с их применением не широка. Главная причина

такого положения – нетехнологичность важнейшего компонента таких бетонов – микрокремнезема который представляет со ой пылевидный ультрадисперсный материал с насыпной плотностью 150200 кг/м3, крайне неудобный для транспортирования[5].

Другая причина характерна для России, - отсутствие нормативной базы для проектирования несущих конструкций из бетонов и классов выше B60.

И если первая причина и связанные с ней технологические и транспортные проблемы удачно решены благодаря комплексному модификатору МБ-01, который является композиционным порошкообразным материалом с насыпной массой 750-800 кг/м3 и состоит из микрокремнезема и суперпластификатора, то вторую причину сдерживания (отсутствие нормативной базы ) еще предстоит устранить[6].

Учитывая положительный опыт возведения транспортных сооружений за рубежом и благоприятную возможность расширить объемы строительства с использованием сверхпрочных бетонов за счет применения более эффективного, чем зарубежные аналоги, продукта - комплексного модификатора МБ - 01 , была поставлена задача оценить перспективу и особенности применения таких бетонов в отечественном мостостроении.

Для решения этой задачи ОАО « ЦНИИС » совместно с НИИЖБ провели исследования кратковременных длительных характеристик бетонов классов выше В60 на основе модификатора МБ-01 и определили возможности и технологические особенности промышленного производства мостовых конструкций из таких бетонов на одном из предприятий стройиндустрии.

В исследованиях использовали портландцемент марки 500 ДО Старооскольского завода; гpaнитный щебень фракции 5-20 мм карьера «Каменогорский»; песок с Мкр - 2.2 Хотьковского карьера; модификатор бетона МБ 10-01, соответствующий ТУ 5743-049-02495332-96[7]; воздухововлекающую добавку СНВ, соответствующую ТУ 13-0281078-75-90.

Для исследования кратковременных и длительных характеристик бетонов были выбраны два состава бетона классов по прочности В70 и В80

с10% модификатора МБ-01 от массы цемента без воздухововлекающей добавки СНВ (состав 1, табл. 1);

с15% модификатора МБ 01 от массы цемента с воздухововлекающей добавкой СНВ (состав 2, табл. 1) Испытания образцов бетона, твердевших в нормально-влажностных условиях, проводили по ГОСТ

10180.90, ГОCT 24452-80, ГОCT 24544-81 ГОСТ 12730.5-84 и ГОСТ 100602-95.

Была исследована кинетика твердения бетонов, получены прочностные характеристики, продольные и поперечные деформации, модуль упругости и коэффициент Пуассона. Результаты кратковременных испытаний представлены в табл. 2 , и на рис.3 и 4.

181

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

Введение в бетонную смесь модификатора МБ-01 позволяет получать бетоны классов B70-B80 (прочностью 95-100МПа) с маркой по морозостойкости до F800 при условии обеспечения воздухосодержания за счет введения воздухововлекающей добавки СНВ.

Таблица 1 – Состав и свойства бетонной смеси.

Рисунок 3 – Кинетика твердения бетона (1 и 2 – составы по табл. 1)

182

Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса

СибАДИР сунок 4 – Относ тельные продольные и поперечные деформации бетонов (1 и 2 составы по табл.2)

Анализ к нет ки тверден я етонов (рис.3) показывает, что прочность бетона нарастала во времени достаточно нтенс вно. Уже в первые сутки прочность бетонов достигала 30-40 МПа. В большинстве случаев этого достаточно для распалу ки железо етонных изделий . Прочность кубов в возрасте 4 и 7 суток состав ла 60 – 75% прочности етонов в возрасте 28 суток . При этом повышается коэфрициент призменной прочности, который находится в пределах 0.83-0,88 (табл.2) . Продольные и поперечные деформации бетонов составов 1 2 до нагрузки 60 МПа практически совпадают (рис. 4). Для определения предельных продольных и поперечных деформаций зависимость δ-ε интерполировалась до напряжений , при которых происходило разрушение образцов. Определенные таким образом предельные относительные деформации составили: продольные 316·10-5 и 276·10-5 ,поперечные 134·10-5 и 108·10-5 для образцов составили: продольные 1-го и 2-гo составов соответственно.

Особенности технологии изготовления мостовых конструкций из бетонной смеси с МБ-01 (бетон состава 2, таблица 1) отра атывали при изготовлении преднапряженной балки длинной 21,0 м по типовому проекту 3.503.1-81[8], разработанному «Союздорпроектом» работы проводили в цехе ЖБК Хотьковского филиала АО «Автомост» с использованием имеющегося технологического оборудования, что подтвердило реальную возможность организации производства таких конструкций.

Для получения экономического эффекта от применения бетонов B70-B80, необходимо разрабатывать новые конструктивные решения, которые позволят уменьшить сечение или количество несущих элементов, увеличить длины пролетов. В этом случае снижение материалоемкости конструкций позволит окупить увеличение стоимости бетона B70-B80, составляющие 14-21% по сравнению с бетоном класса B35.

Использование модификатора бетона МБ-01 на основе микрокремнезема и суперпластификатора -3 позволяет получать бетоны классов B70-B80 при расходе цемента не выше 500 кг/м3.

Бетоны с модификатором МБ-01 обладают повышенной плотностью и водонепроницаемостью (145>20). Для обеспечения гарантированной морозостойкости (до F800) в состав бетонной смеси необходимо вводить воздухововлекающие или газообразующие добавки.

Опыт изготовления преднапряженной балки пролетного строения длинной 21 м (по типовому проекту 3.503. 1-81) показал, что промышленное производство мостовых конструкций из СВБ с модификатором МБ-01 может быть организовано с использованием имеющегося на предприятиях технологического оборудования без существенных капитальных затрат.

Опреелены нормативные и расчетные характеристики для проектирования СВБ классов B70-B80, которые могут быть положены в основу опытного проектирования сооружений.

Однако наряду с достоинствами у СВБ есть и недостатки: дороговизна и большое энергопотребление. Поэтому в связи с этим основным этапом развития технологии изготовления СВБ является сокращение затрат и повышение экологичности материала. Исследования показывают, что затраты можно снизить за счет использования рационально подобранного состава смеси, местного сырья и промышленных отходов. Наряду со снижением стоимости бетона вовлечение в его производство промышленных отходов снижает вред окружающей среде и повышает его экологические преимущества.

Заключение

В настоящее время высокопрочные бетоны не так широко применяются в зарубежном мостостроении, в отечественном строительстве только начинают изучать и применяют в малом

183

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

объеме. Из высокопрочного бетона построено только несколько сооружений в гражданском строительстве, мостов из него нет. Причины, по которым высокопрочный бетон применяется реже, связанные с его дороговизной, недостаточным опытом долговременной эксплуатации и отсутствием нормативных документов.

Таким образом, необходимо проводить как можно больше теоретических и практических исследований, а также подбирать новые конструкционные формы из высокопрочного бетона, что было экономически оправдано использование высокопрочного бетона в сравнении с общестроительным.

Анализ мирового опыта применения высокопрочных бетонов в мостовых конструкциях и

М.О. Коровкин, А.Р. Янбукова, Н.А.Ерошкина // Современные научные исследования и инновации. – 2017. – № 2 [Электронный ресурс]. – Реж м доступа : http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78781

2. Ozaka Y. Realization of high strength concrete in Japan/Y. Ozaka//Proceedings of тSecond NMET/ACI international/symposium on advances in concrete technology. Las Vegas, 1995. P.

3. Helland S., Service Life Modeling of Marine LWAC Structures, Second International Symposium on Structural LWAC, Kristiansand, Norway, 2000.

4. ТУ 5743-02595332-96. "Мод ф катор етона марки МБ-01. Технические условия" (НИИЖБ, 1996 г.).

5. Каприелов С.С. Общ е закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных матер алов. Бетон железо етон, 1995, № 4. С. 16-20.

6. Каприелов С.С. М крокремнезем в етоне / С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд // ВНИИНТПИ, Серия «Строительные материалы». – М., 1993. Вып. 1. С.35-38.

7. ТУ 5743-049-02495332-96. Микрокремнезем конденсированный. Технические условия.

8. Пролетные строения с орные железо етонные длиной 12,15,18,21,24 и 33м из балок двутаврового сечения с предварительно напрягаемой арматурой для мостов и путепроводов, расположенных на автомобильных дорогах общего пользования, на улицах дорогах в городах: Типовой проект 3.503. 1-81. – М., 1981. – 85 л.

Научный руководитель – Уткин В.А., доктор технических наук, профессор кафедры «Мосты и тоннели»

184