Реконструкция гидротехнических сооружений на основе применения современного модифицированного бетона

Результаты исследований прошли промышленную проверку. Разработанные составы модифицированных бетонов использовались при производстве и восстановлении тонкостенных конструкций гидротехнических сооружений мелиорации и плавучих доков. Разработаны и утверждены "Регламент по технологии изготовления и применения бетонов с добавками системы "Пенетрон" и С-3 для изготовления и восстановления гидромелиоративных железобетонных сооружений" и "Регламент по технологии приготовления и применения модифицированного бетона для гидротехнических сооружений мелиорации, водопропускных сооружений и автодорог с применением полимерной фибры". Разработаны рекомендации по технологии приготовления и применения тяжелого судостроительного бетона при постройке морских плавучих железобетонных и композитных сооружений.

В целом можно сделать следующие выводы:

1. Проанализированы действия модификаторов на структуру бетонов. Показано, что основные изменения качественных показателей и долговечности бетона обуславливаются возможностью регулирования его капиллярно-пористой структуры и проницаемости. Применение комплексных модификаторов и наполнителя позволяет снизить открытую пористость и уменьшить размеры пор.

2. Получены и внедрены бетоны повышенной водонепроницаемости и морозостойкости для тонкостенных гидротехнических сооружений с новой комплексной добавкой "Пенетрон А" + С-3, которая повышает водонепроницаемость в 1,5-2 раза, а морозостойкость -- на 100-150 циклов.

3. Доказана эффективность применения тонкодисперсного наполнителя для повышения долговечности бетона. Показано положительное влияние наполнителя на структуру композита и его механические свойства.

4. Разработана технология изготовления и применения дисперсно-армированного модифицированного бетона для тонкостенных элементов гидротехнических сооружений с гарантированной долговечностью.

Самоуплотняющийся бетон

Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?

Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х -- начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60-90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200-250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.

Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.

Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на

- применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;

- введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;

- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал "самоуплотняющийся бетон".

Самоуплотняющийся бетон -- Self-Compacting Concrete (SCC) -- способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC "Долговечность самоуплотняющегося бетона", председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.

Таблица 1 Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов

В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост -- Акаши Кайкё -- был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.

Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3 бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.

В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.

Таблица 2 Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов

Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India - Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10-16 мм и 16-20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. - 5-7 July 2005].

Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона в начальные сроки твердения

Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения -- поликарбоксилат -- высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.

За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3-4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.

Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.

Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.

Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6-8 °С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента

Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.

Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.

В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.

бетон гидротехнический пластификация портландцемент

5. Свойства модифицированного бетона

Отличительной особенностью модифицированного портландцемента является высокая прочность, быстрое твердение при обычных температурных условиях и при тепловлажностной обработке, высокая морозостойкость, водонепроницаемость, что позволяет использовать его как для омоноличивания сборных железобетонных изделий, так и для изготовления самих изделий при строительстве различных объектов.

Вопрос монолитности сооружений из сборных железобетонных конструкций приобретает огромное значение, особенно при строительстве подземных сооружений, находящихся под давлением воды и грунтовых вод, где наряду с прочностью требуется высокая водонепроницаемость.

Опыт омоноличивания сборных конструкций растворами и бетонами на основе обычного портландцемента показывает, что при этом не достигается необходимая монолитность -- из-за усадки цементного камня в процессе схватывания и твердения. В местах соединения с бетонными поверхностями нарушается сцепление из-за трещин, образующихся вследствие усадки. Вода, проникающая в эти трещины, вызывает дальнейшее разрушение омоноличивающего материала, что приводит к нарушению монолитности всего сооружения.

Вопрос о выборе устойчивого материала для заделки швов в конструкциях из сборного железобетона, а также об изготовлении самих водонепроницаемых железобетонных изделий является весьма актуальным. Огромный рост гидротехнического строительства, возведения подземных сооружений выдвигает проблему создания несложных по технологии изготовления и доступных по стоимости высокопрочных, водонепроницаемых, быстротвердеющих и стойких в различных температурно-влажностных условиях растворов и бетонов. Решение этой проблемы возможно путём использования модифицированного портландцемента.

Модифицирование -- это изменение физико-химической структуры и свойств материала путём введения в его состав различных оксидов или добавлением к нему определённых веществ.

На основе современных представлений о механизме схватывания и твердения портландцемента и о явлениях его усадки и расширения был разработан способ компенсированной усадки путём создания модифицированного портландцемента.

Усадочные деформации при твердении цементного камня. Физико-химические процессы схватывания и твердения обычных цементов сопровождаются суммарной усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объёма твердеющего цемента на протяжении длительного периода.

Усадочные трещины в сооружениях приводят к коррозии арматуры предварительно напряжённых конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям. Наиболее заметно это проявляется в покрытиях дорог и аэродромов.

Компенсация усадочных явлений. Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, достигает 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 мм на 1 м в зависимости от вида и свойств заполнителя. Так, усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше в сравнении с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня. Причём чем выше модуль упругости крупного заполнителя, тем меньше усадочные деформации бетона.

Железобетон в сравнении с обычным бетоном имеет в 2 раза меньшую усадку. Но в целом усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, -- на 38-45 % от исходной величины.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций.

Научные основы получения модифицированного цемента, обеспечивающего компенсацию усадки. Поскольку обычный портландцемент при твердении подвержен усадочным явлениям, на протяжении многих лет исследования учёных были направлены на поиск ответов на вопросы: как же избежать усадки цементного камня, как обеспечить расширение цементного камня при твердении, которое бы компенсировало усадку, какие силы обусловливают это явление.

В идеале желательно достичь расширения, равного усадке в любой заданный момент твердения цементного камня. Многочисленные исследования в этой области свидетельствуют о сложности физико-химического процесса и необходимости очень точно регулировать процесс образования эттрингита в цементно-водной системе и обеспечить его долговечность, поскольку фазовые переходы этого соединения могут не обеспечить желаемого результата. В зависимости от условий, определяющих кинетику образования гидросульфоалюмината кальция в период гидратации цемента, структура может упрочняться, расширяться и компенсировать усадку цементного камня. В результате многочисленных лабораторных, полупромышленных и промышленных испытаний был разработан модифицированный портландцемент, который, по сравнению с обычным цементом, обеспечивает улучшение строительно-технических свойств растворов и бетонов.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций

Свойства модифицированного цемента.

Сроки схватывания. Схватывание цементов находятся практически в тех же пределах, что и у обычного портландцемента. Иногда, в зависимости от применяемого расширяющегося компонента, наблюдается ускорение начала схватывания цементного теста. Для замедления схватывания используют борную кислоту, лигносульфонаты модифицированные технические (ЛСТМ).

Прочность цементного камня характеризуется быстрым нарастанием в первые сутки твердения, которое затем, в течение 3-7 сут., несколько замедляется, что связано с интенсивным расширением структуры в этот период. При более длительном периоде твердения (3 мес. и более) по кинетике нарастания прочности безусадочный цемент опережает портландцемент.

Расширение цементного камня при твердении в водных условиях интенсивно развивается в первые сутки, а затем стабилизируется. Твердение цементного камня на воздухе сопровождается усадкой, но в целом расширение цементного камня сохраняется на уровне 0,1 %.

Водопроницаемость. Цементные растворы и бетоны водонепроницаемы. За счёт самоуплотнения в период твердения через 3-7 сут. изделия из бетона выдерживают гидравлическое давление 20 атм.

Морозостойкость. Цементный камень из безусадочных цементов без ограничения их расширения выдерживает 150 циклов, а при механическом ограничении цементного камня (твердение цемента происходит в металлических формах) морозостойкость увеличивается в 2 раза и достигает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Сохранность свойств. При длительном хранении безусадочных цементов (как и портландцемента) наблюдается частичная гидратация и карбонизация продуктов гидратации под воздействием углекислоты и влажного воздуха. При этом прочность цементного камня не снижается.

Масло- и нефтестойкость. Высокие водо- и газонепроницаемости цементного камня из модифицированного цемента, обусловленные его высокой плотностью, обеспечивают его стойкость к воздействию масло- и нефтепродуктов, что позволяет рекомендовать его для строительства хранилищ масло- и нефтепродуктов.

Коррозионная стойкость цементов высокая благодаря формированию плотного цементного камня при твердении. Коэффициент стойкости образцов, хранившихся в различных агрессивных средах через 12 мес. близок к единице, что свидетельствует о высокой стойкости цементного камня против воздействия агрессивных сред.

Цементный камень на основе модифицированного цемента обладает достаточно высокой стойкостью в хлоридной и хлоридно-магнезиальной среде. Это позволяет использовать его при гидроизоляции различных объектов. Добавление к цементам различных полимеров обеспечивает антикоррозийную защиту бетонных сооружений, находящихся под воздействием сильно агрессивных хлоридно-магнезиальных сред. Испытания образцов из безусадочных полимерцементных растворов на промышленных объектах показывают отсутствие сбросов прочности в течение 5 лет. В то же время образцы из цементно-песчаного раствора на портландцементе без расширяющихся добавок к 3 годам хранения в агрессивных средах уменьшили предел прочности при сжатии на 17 % по сравнению с образцами в возрасте 1 года.

Применение модифицированного цемента.

Гидроизоляция и антикоррозийная защита железобетонных конструкций. К объектам химической промышленности, очистным и подземным сооружениям предъявляются повышенные требования по антикоррозионной стойкости, плотности и непроницаемости с целью обеспечения их долговечности и исключения утечки хранимых материалов или, напротив, попадания грунтовых и технологических вод в заглублённые помещения. Опыт эксплуатации таких объектов свидетельствует, однако, о недолговечности традиционных гидроизоляционных покрытий, что ведёт к росту расходов на ремонт, сокращению сроков службы, а в ряде случаев, например ПО "Белорускалий" (г. Солигорск), к преждевременному разрушению бетонных и железобетонных конструкций.

Опыт создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости выявил, что для этих целей успешно может быть применён модифицированный портландцемент. Всего с применением разработанного цемента было выполнено более 20 000 м2 покрытий по железобетонным перекрытиям в главном корпусе обогатительной фабрики 3-го рудоуправления производственного объединения "Белорускалий" и более 3000 м2 покрытий по железобетонным конструкциям при строительстве сгустителей.

Для создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости может быть применён модифицированный портландцемент.

С 1979 г. на ПО "Волковыскцементошифер" был организован промышленный выпуск цемента, который, с добавкой полимеров, применялся для гидроизоляционных покрытий.

Полимерцементная гидроизоляция на основе модифицированного цемента особенно оправдала себя при строительстве сгустителей на ПО "Белорускалий", заменив собой дорогостоящую нержавеющую сталь с малоэффективной защитой. Общая площадь сгустителей с полимерцементной гидроизоляцией составляет 10 000 м2.

Антикоррозионная полимерцементная защита на основе модифицированного цемента успешно применена в банях и прачечных взамен защиты, предусматривающей устройство проволочного каркаса, цементной выравнивающей стяжки, трёхслойной обмазки асфальтовой мастики, штукатурки по сетке и оклейке стеклотканью.

Антикоррозионная защита была выполнена полимерцементными составами, наносимыми торкретированием слоем толщиной 20 мм. Исследования показали, что срок службы полимерцементной изоляции по сравнению с традиционной многослойной изоляцией повышается в 4 раза.

Модифицированный цемент используют при возведении очистных сооружений из сборных элементов без гидроизоляции. Водонепроницаемость отстойников обеспечивалась за счёт омоноличивания стыков бетоном.

Из бетона на модифицированном цементе возводятся насосные станции подачи очищенных стоков с заглублением ниже поверхности земли на 7,5 м, т. е. ниже уровня грунтовых вод.

Из бетона на модифицированном цементе изготавливают кровельные плиты для создания безрулонной кровли при строительстве жилых зданий. Антикоррозийная защита на основе указанного цемента успешно применяется при ремонте очистных сооружений, жилых зданий, спортивных сооружений, при возведении спортивных сооружений: покрытия трибун, ледовых катков, беговых дорожек и плавательных бассейнов. Успешно цементы применяются при ремонте жилых зданий.

Применение безусадочных цементов в метростроении. Обеспечение водонепроницаемых тоннелей метро является одной из важнейших и трудно решаемых задач в метростроении. Цементно-песчаными растворами на основе модифицированного цемента осуществляется чеканка швов между тюбингами. Сложность проведения работ заключается в том, что чеканка производится при наличии постоянного притока воды через стыки и отверстия чеканки. В этих условиях необходимо остановить приток воды за 5-7 мин, что обеспечивается быстросхватывающимся модифицированным цементом. Проведены промышленные испытания по замене чугунной обделки на монолитно-прессованную обделку тоннеля из бетона на основе модифицированного цемента. Марка бетона для монолитно-прессованной обделки по прочности при сжатии составляла М400, а по водонепроницаемости -- В12 и выше.

Разработанный цемент применялся при ремонте аэродромных покрытий (Минск, Белоруссия), при строительстве водоводов (Детройт, США), опор мостов (США).

6. Современный бетон на строительном рынке

Ситуация

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.

Если рассматривать постоянную номенклатуру производимых ныне бетонов на нашем рынке, то приблизительно у всех она одинакова. Производители выпускают лишь те марки, которые востребованы на строительном рынке. В частности, лидеры рынка ("Объединение 45", СЗНК, "Метробетон", "Ленстройдеталь") выпускают одинаковый ассортимент. Однако если определять лидера по конкурентным преимуществам, то вряд ли цена будет доминирующим фактором. Если совсем недавно небольшие компании демпинговали, выпуская сравнительно дешевый (при этом не всегда качественный бетон), а потребители шли на покупку и использование данного продукта, то в последнее время за счет снижения маржи и изменившейся экономической ситуации крупные производители также снизили цены, качество же осталось прежним.

Компания-лидер сегодня - это компания, способная выпускать качественный бетон, широкий ассортимент, гибко подходить к каждому клиенту и удовлетворять его в вопросе стоимости бетона, а также обеспечивать своевременную логистику и развиваться инновационно. Последнее особенно актуально.

Понятно, что среди крупных компаний фактор цены может быть сведен к минимуму, так как по качеству они приблизительно равны. Ценовые войны - удел для мелких производителей, но если исходить из практики, то именно крупные производители сегодня в состоянии предложить наиболее привлекательную цену и достойный сервис. Причина - большое количество производств, как правило, они создаются в разных регионах, так, чтобы максимально покрыть территорию области и города.

Со временем мелкие производители перестанут составлять конкуренцию лидерам рынка, поскольку важными факторами становятся техническое оснащение и наличие квалифицированного персонала. Вопрос закупки сырья, энергетических ресурсов, финансовых вливаний - это то, что крупной компании решить гораздо проще, чем маленькой. Мобильность и цена - уже не козырь. Качество и инновационность - залог успеха.

Однако, надо отдать должное, есть маленькие компании, которые стремятся предложить широкий ассортимент продукции именно за счет инноваций. Экономия цемента и правильный подбор состава смеси, широкий ассортимент работа с различного рода добавками становятся конкурентным преимуществом.

Развитие рынка цемента

Цемент - тот дефицитный материал, которого нам всегда не хватало. В советское время были жесткие квоты, сейчас наблюдается изношенность производства и коррупционный сговор. Многие предприниматели выдавили максимум из производств, не вложив ни копейки в их модернизацию. Такой подход, к сожалению, довольно типичен для России и касается не только цементной отрасли, по сути, отсутствие модернизации стало "хорошим" тоном российского бизнеса.

В текущем развитии мы в основном производим цемент по старой мокрой энергоемкой технологии, что не делает чести нашей строительной отрасли. Но что есть, то есть. Когда наступил цементный кризис, инспирированный группой производителей, многие начали импортировать цемент из-за границы, причем цемент не всегда был качественным. Такой "казус" возник и с китайским, и турецким цементом. При этом надо отдать должное - норвежский цемент у нас шел, так сказать, без купюр. Именно вопрос развития цементной отрасли, обеспечение стабильного качества продукции должны стать заботой не только собственников и строителей, но и государства. Наше отставание в цементной отрасли (как и во многих других стратегически важных отраслях) уже критично.

Развитие рынка добавок

Различного рода добавки хорошо известны нашим производителям. Большая часть из них жидкие, с сухими добавками мы работаем мало: только несколько заводов в Петербурге имеют оборудование для ввода этих материалов в состав бетона. Основная часть этих добавок классическая - нафталиносодержащие. Многие используют и пробуют работать с импортными производителями, такими как Sika и Basf.

К сожалению, с крабоксилатами у нас работают немногие. Приходится признать, что с нашими цементами надо использовать адаптированные российские добавки, чему свидетельствует то, что большинство иностранных производителей свои производства размещают в России.

В части российских передовых технологий особое внимание хочется обратить на разработки НИИЖБ.

Ведущие специалисты в области технологии бетона с конца 80-х годов разрабатывают концепцию бетонов нового поколения, которым отводится важная роль в сложных инженерных сооружениях XXI века. Речь идет о бетонах с высокими эксплуатационными свойствами, так называемые "High Performance Concrete", которые уже сегодня востребованы не только необходимостью выдерживать возрастающие воздействия природного и особенно техногенного характера, но и новыми эстетическими требованиями, предъявляемыми к современным инженерным сооружениям.

Сегодня концепцию бетонов с высокими эксплуатационными свойствами (ВЭС) можно изложить следующим образом:

a. доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов;

b. высокие физико-технические характеристики бетонов - класс по прочности до В80, низкая проницаемость для воды (W12…W20) и газов, низкая усадка и ползучесть, повышенная коррозионная стойкость и долговечность, т.е. свойства, сочетание которых или преобладание одного из которых обеспечивает высокую надежность конструкций в зависимости от условий эксплуатации.

Такой подход вполне обоснован. С одной стороны, бетон должен сохранить все преимущества, сделавшие его основным конструкционным материалом строительства, т.е. изготавливаться, главным образом, из местных ресурсов в непосредственной близости от стройплощадок с небольшими трудозатратами, как при производстве смесей, так и при бетонировании конструкций. С другой стороны, он должен обладать достаточным потенциалом, чтобы воспринимать без "вторичной" защиты повышенные физико-механические нагрузки при эксплуатации конструкций в различных, в том числе сильно агрессивных, средах.

Реализация концепции бетонов (ВЭС) оказалась возможной, прежде всего, благодаря комплексному применению суперпластификаторов и микрокремнезема. Оптимальное сочетание указанных добавок-модификаторов, а при необходимости совмещение с ними в небольших количествах и других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. В основе изменения свойств бетонов - происходящие в цементной системе сложные коллоидно-химические и физические явления, которые поддаются воздействию модификаторов и отражаются в конечном счете на фазовом составе, пористости и прочности цементного камня. Очевидно, поэтому многие специалисты относят производство бетонов (ВЭС) к "высоким технологиям". Известны примеры удачного использования бетонов ВЭС при строительстве уникальных объектов за рубежом. Наиболее эффектные из них: тоннель под Ла-Маншем, комплекс высотных зданий в Чикаго, мост через пролив Нортумберленд (Канада), буровые платформы в Северном море и др.

Однако при всей привлекательности перспективы массового производства бетонов и конструкций нового поколения география объектов строительства с их применением оказалась недостаточно широкой. Главная причина - нетехнологичность важнейшего компонента таких бетонов - микрокремнезема, который, представляя собой пылевидный ультрадисперсный материал насыпной плотностью от 150 до 500 кг/м3, крайне неудобен для транспортирования.

Более совершенная технология производства модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами разработана в России Институтом бетона и железобетона (НИИЖБ). Ее реализация оказалась возможной, благодаря появлению уникального комплексного модификатора МБ-01. Этот порошкообразный продукт содержит микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения, имеет насыпную плотность 750-800 кг/м3 и по ряду свойств превосходит зарубежные аналоги. Среди преимуществ МБ-01 - повышенная насыпная плотность (750-800 кг/м3) и композиционный состав, благодаря чему исключается необходимость в суперпластификаторе и упрощается технология производства бетонов.

Инертные материалы

Развитие горнодобывающей промышленности, и в частности, производства горной массы для щебня и гравия продолжает развиваться. Именно эти материалы и обеспечивают конечную прочность бетонов. Производств в нашей стране достаточно, и разрабатываются новые месторождения. Многие отечественные холдинговые предприятия, занятые в секторе строительства, стремятся к полному циклу производства. В качестве примера можно привести Группу ЛСР. Три их основных предприятия производят сырье для производства цемента: "Гранит Кузнечное" - щебень; "Рудас" - песок; "45" - бетон и растворы. В данной производственной цепочке отсутствует только производство цемента. Но сегодня холдинг строит новый цементный завод, и в ближайшем будущем мы надеемся получить новое производство, цикл будет замкнут.

Причины, по которым предприятия вынуждены производить все строительные материалы, прежде всего, кроются в недоверии к качеству поставляемых строительных материалов.

По аналогичному пути идут и СЗНК, и "Петерасфальт" (ныне "Беатон"). К сожалению, такой системный подход к производству присущ не всем, а единицам.

Сегодня щебень для бетона производят в основном качественный, серьезный вопрос вызывает его фракционирование. Подбор состава смеси в Германии или США осуществляется на 5-7 фракциях. У нас пока вырабатывается порядка трех. Некоторые предприятия сами выполняют дробление. Это и удобнее и проще. Так поступает NСС. С чем связана данная ситуация? Просто такие понятия, как лещадность, пылевидность и др., в течение долгого времени не принимались во внимание.

В щебне нормируют содержание зерен пластинчатой (лещадной - произошло от слова "лещ", т.е. плоский, как лещ) и игловатой форм. К зернам пластинчатой и игловатой форм относят такие зерна, толщина или ширина которых менее длины в три раза и более. По форме зерен щебень подразделяют на четыре группы (содержание зерен пластинчатой и игловатой форм, % по массе):

I группа "кубовидная" до 10%,

II группа "улучшенная" до 15%,

III группа "обычная" до 25%,

IV группа "обычная" до 35%.

V группа "обычная" до 50%.

Необходимо заметить, что "лещадность" - одна из самых важных характеристик качества щебня. Чем меньше лещадность, тем качественнее считается щебень. Использование щебня кубовидной формы дает наиболее плотную утрамбовку.

Наличие в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению межзерновой пустотности в смеси. Это, в свою очередь, приводит к увеличению расхода связующего компонента, что влечет за собой дополнительные материальные затраты.

Кроме того, кубовидные зерна обладают большей прочностью, чем зерна пластинчатой и игловатой форм. Следовательно, использование кубовидного щебня в производстве экономически целесообразнее.

Сегодня наибольшим спросом пользуется щебень, лещадность в котором не превышает 25%. Для тех потребителей, которые выпускают действительно высококачественные асфальт, бетон и железобетонные (в т.ч. мостовые) конструкции, кому по технологии требуется использование кубовидного щебня, требуется гранитный, базальтовый, габбро-диабазовый щебень, с лещадностью 8%, 12%, 15%, произведенный в Новгородской, Свердловской, Архангельской, Ленинградской областях.

Песок также один из существенных наполнителей бетона. Издревле у нас используют песок карьерного происхождения. Никто не спорит, что при соответствующей подготовке и его можно использовать при подготовке бетона, но предпочтительнее песок намывной, с достаточно высоким модулем крупности. При этом в нем не должны быть включения глины и других материалов, чужеродных песку. В индустриально развитых странах инертные материалы, такие как песок и щебень, моют, у нас это предел мечтания.

Дальнейшее развитие и практика изготовления бетонов на песках (песко-бетонов) была реализована в литых бетонах, именно на песках и ПГС изготавливаются и литые фибро (дисперсно-армированные) бетоны.

Сегодня изготовление и использование инертных материалов высокого качества - одна из главных задач строительной отрасли. Именно создание качественных производств инертных материалов способно реализовать программу дальнейшего развития целого направления отрасли в целом.

В итоге приходится говорить о том, что "благодаря" невозможности широкого ликбеза в бетонной отрасли и внедрения новых технологий, в ближайшие годы мы не сможем выйти на новый уровень развития нашей строительной отрасли. Локомотивами здесь могут выступать только новые проекты и компании, которые ориентированы на высококачественные бетоны.

Размещено на Allbest.ru