Бетон высоких достижений

Важную роль в том, какой материал используют при строительстве, играют традиции и уровень развития технологий стран. Так, например, в США, где высотное строительство имеет особенно широкий размах, предпочтение отдается стальным несущим конструкциям, а в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока, как правило, используют железобетон. Безусловно, каждый выбор имеет свои преимущества и недостатки. Однако ужесточение требований к безопасности высотных зданий и их устойчивости к природным и техногенным катастрофам все чаще заставляет проектировщиков и строителей использовать в качестве конструкционных строительных материалов железобетон.

«Гибкий» материал

Применение бетона в высотном строительстве обусловлено рядом очевидных преимуществ этого материала: устойчивостью к ветровым нагрузкам, надежными стабилизирующими свойствами и высоким пределом огнестойкости по сравнению со стальными конструкциями.

Возможность придания бетону практически любой формы сделали его одним из самых популярных конструкционных строительных материалов XX века, что существенным образом изменило архитектурный облик высотных зданий.

Применение бетона позволяет значительно расширить выбор применяемых объемно-планировочных решений строения. Так, в проектах высотных зданий с использованием железобетона реализованы следующие конструктивные схемы: с диафрагмами жесткости в пределах стен центрального ствола, с диафрагмами жесткости в плоскости наружных стен, с дополнительной поперечной диафрагмой жесткости, с наружной пространственно раскосной решеткой, оболочковая и многосекционная коробчатая схемы.

Развитие высотного строительства потребовало новых составов бетонов и инновационных технологий приготовления бетонных смесей, новых видов опалубки, современных средств механизации по доставке бетона на строительную площадку и транспортировке к месту укладки бетонной смеси.

С увеличением высоты зданий актуальными стали не только задачи снижения их массы и сечений несущих конструкций, но и проблема перекачиваемости и сохраняемости бетонных смесей при подаче их на отметки выше 200 м.

Основными требованиями, предъявляемыми к бетону для строительства высотных зданий, являются:

  • высокий класс прочности материала (не ниже В-40) при максимально низком объеме, позволяющий снизить массу высотного здания за счет уменьшения расчетных сечений;
  • высокие технологические характеристики, позволяющие подавать бетонную смесь к месту укладки с помощью бетононасосов, что значительно упрощает технологию укладки бетона и сокращает сроки производства работ;
  • высокая долговечность бетона и стойкость к различным видам коррозии.

Высокопрочные бетоны

Развитие бетонов для высотного строительства идет по пути создания тяжелых особо высокопрочных бетонов (Rсж;>80 МПа, =2200 кг/м3) и легких высокопрочных бетонов (Rсж;>40 МПа, =1500 кг/м3).

Эффективность, достигаемая при применении высокопрочного бетона, обусловлена тем, что при более высокой стоимости данного материала по сравнению с бетонами низких классов уменьшается требуемое из расчета на прочность сечение несущей конструкции. Наибольший эффект достигается при использовании особо высокопрочного, тяжелого бетона в конструкциях колонн высотных зданий за счет снижения количества арматуры и уменьшения сечения колонны. Использование легких высокопрочных бетонов наиболее эффективно в междуэтажных перекрытиях и ограждающих конструкциях высотных зданий, при этом наряду со снижением массы конструкций применение легких высокопрочных бетонов обеспечивает также снижение уровня шума и энерго- и теплозатрат при эксплуатации здания.

Высокие требования к строительно-технологическим свойствам бетонов для высотного строительства обуславливают особые подходы к разработке технологических составов, что влечет за собой ужесточение требований к исходным материалам для приготовления бетонов. Существенным отличием бетонов для высотного строительства является повышенный расход цемента (400-550 кг/м3), применение высокодисперсных заполнителей и использование комплексных модификаторов на основе активных минеральных добавок и органических поверхностно-активных веществ. Более жесткие требования предъявляются к минералогическому составу цемента, его активности и удельной поверхности. Обязательным условием является применение высококачественных заполнителей. Для тяжелых высокопрочных бетонов предпочтение отдается базальтовому и диабазовому щебню и кварцевому песку, а для легких упор делается на вспученные материалы сферической формы на основе природных и техногенных алюмосиликатов и силикатов.

Технология приготовления

Особое внимание уделяется применению активных минеральных добавок, требования к которым в развитых странах в обязательном порядке регламентированы национальными стандартами (табл. 1.). В сочетании с правильно подобранным комплексом модификаторов (суперпластификаторы и ускорители твердения и т. д.) применение активных минеральных добавок обеспечивает снижение водоцементного отношения до 0,3 при высокой подвижности бетонной смеси и хорошей ранней прочности (до 50% от проектной).

Табл. 1.


Mandatory chemical and physi­cal requirements

American Standard ASTM C1240-01

European Standard prEN 13263-1

Canadian Standard CAN/CSA A23.5-98

Norwegian Standart NS3045 :1992

Japanese Standard ЛБА 6207: 2000

Australian Standard AS 3582.3-1994

Brazilian Standard NBR 13956 97

Chinese Standard GB/T18736 -2002

French Standard NF P18-502 :1992

SiO2(%)

>85.0

>85

>85

>85

>85

>85

>85

>85

>85

S03(%)

<2.0

<1.0

<3.0

>3

CI(%)

<0.3

Report if > 0.10

<0.1

Report

<0.2

CaO(%)

<1.0

Free CaO(%)

< 1.0

MgO(%)

<5.0

Free Si(%)

<0.4

Total alka-lies(%)

Available alkalies (Na2O equiva-
lent,%)

Report

<1.5

Free C(%)

Moisture (%)

< 3.0

<3.0

<2

<3

<3

<1

LOI(%)

<6.0

<4.0

<6.0

<5.0

<5.0

<6

<6

<6

Specific surface (mVgram)

>15

>15

> 12

> 15

>15

20-35

Bulk den­sity '

Report

Report

Pozz.Activit у Index(%)

> 105 at 7d, accel.curin g

> 95 at 28d, normal curing

> 95 at 7d > 105 at 28d, normal curing

Report

> 85 at 28d, std cu-ring

Retained on 45 /xm sieve (%)

<10

<10

Density (kg/mi)

Report

2100-2300

Autoclave expan-sion(%)

<0.2

Foaming

No visible foam

Remarks

Characteristic values

Characteristic values

Material Type A

В зарубежной практике строительства особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками микрокремнезема и суперпластификатора, обеспечивающие прочность на сжатие от 80 до 160 МПа, были использованы при возведении более 50 высотных зданий. Бетоны, модифицированные микрокремнеземом и суперпластификатором, обладают наряду с высокой прочностью и подвижностью низкой проницаемостью, высокой морозостойкостью и устойчивы к различным видам коррозии, истиранию и эрозии. Микрокремнезем, являясь побочным продуктом производства ферросилиция, представляет собой высокодисперсный продукт, состоящий на 80-98% из аморфного SiO2. Частицы микрокремнезема имеют сферическую форму со средним диаметром 100 Нм. Эффективность применения микрокремнезема определяют его гидравлическая активность, удельная поверхность, форма и размер частиц, химический состав, наличие примесей. Перспективным является разработка новых бетонов для высотного строительства с применением метакаолина, позволяющего создавать безусадочные бетоны высокой прочности на основе гранитного и даже известнякового щебня и пористых заполнителей.

Одним из важнейших принципов проектирования составов высокопрочных бетонов является обеспечение максимальной упаковки заполнителей. Гранулометрический состав и форма крупного, мелкого и высокодисперсного заполнителей должны быть подобраны таким образом, чтобы сформировать малодефектную структуру затвердевшего бетона, при этом выбор заполнителей в соответствии с оптимальной гранулометрической кривой положительно сказывается на подвижности и перекачиваемости бетонной смеси. Следует отметить, что при использовании высокодисперсных заполнителей в составах высокопрочных бетонов, наряду с формированием плотной структуры и повышением прочностных характеристик, наблюдается склонность к хрупкому разрушению при огневом воздействии. Учитывая жесткие требования к огнестойкости конструкций высотных зданий, в составы бетонов рекомендуется вводить армирующие полипропиленовые волокна. Волокна предохраняют плотную структуру высокопрочных бетонов от разрушений под действием внутренних напряжений и паров воды во время пожара. Дисперсное армирование также способствует увеличению прочности на растяжение при изгибе, стойкости к трещинообразованию и ударной прочности.

Технология приготовления бетонов для высотного строительства также требует определенной специфики и дополнительного технологического оборудования. Бункера и дозаторы добавок применяются в качестве дополнительного оборудования, основной особенностью которого является снижение скорости перемешивания бетонной смеси для ее более полной деаэрации.

Инструкция по применению

При возведении высотных зданий в рамках строительства одного объекта, как правило, необходимы бетоны с различными свойствами. Например, при строительстве небоскреба Water Tower Place в Чикаго был использован бетон с прочностью на сжатие от 28 МПа до 62,7 МПа. Все го в конструкциях этого здания было применено более 20 составов легких и тяжелых бетонных смесей с прочностью от 34 до 45 МПа для междуэтажных перекрытий и от 30 до 62,7 МПа для несущих колонн. При возведении Taipei 101 в Тайване количество использованных составов бетонов превысило 50.

Разнообразие применяемых составов бетонов при возведении высотных зданий определяется не только функциональным назначением, но и технологией производства работ по укладке бетонной смеси. Например, проект производства работ при возведении Burj Dubai в ОАЭ предусматривает прямую подачу бетонной смеси на отметку 513 метров, вторичную перекачку бетона и бетонирование с использованием бадей. Для возведения несущих конструкций применяется как модульная подъемно-переставная, так и несъемная опалубка. При таком разнообразии применяемых составов и технологий производства работ только применение модификаторов различного назначения позволяет в широких пределах изменять строительно-технологические свойства бетонных смесей и обеспечивать проектные характеристики затвердевших бетонов. Например, благодаря высокой подвижности бетонной смеси за счет использования суперпластификатора и добавок, способствующих ламинарному течению бетонной смеси, при низком значении водоцементного отношения смесь легко подается к месту укладки в опалубку с помощью бетононасосов. Применение суперпластификаторов совместно с эфирами целлюлозы и крахмала позволяет полностью отказаться от использования виброуплотнения и применять технологию самоуплотняющихся бетонов. Для снижения расслаиваемости бетонной смеси в состав модификаторов включают стабилизирующие добавки. При использовании в составе модификаторов добавок регуляторов сроков схватывания и твердения удается добиться беспрерывной подачи бетонной смеси при ярусном бетонировании. Это позволяет практически в 2 раза сократить сроки возведения высотных зданий с железобетонными несущими конструкциями.

Российский опыт практического применения высокопрочных бетонов для высотного строительства, несмотря на хорошую теоретическую базу в области бетоноведения для высотного строительства, достаточно ограничен. Это обусловлено не только начальным этапом развития высотного строительства, но и отсутствием широкого внедрения в строительное производство модифицированных бетонов. Для сравнения: в европейских государствах объем применения модифицированных бетонов достигает более 95% , а в России не превышает 25%. В развитых странах применению высокопрочных бетонов придают особое значение, несмотря на то, что в общем объеме производства товарного бетона доля высокопрочных бетонов составляет чуть более 1%.

В США, например, принята государственная программа по внедрению высокопрочных бетонов в строительство, предусматривающая создание нормативного обеспечения, интегрированной образовательной системы получения знаний и проведения комплекса испытаний для получения достоверной информации об эксплуатационных характеристиках, долговечности и воздействии бетонов на окружающую среду. Для реализации данной программы привлечены крупные частные корпорации, такие как Holcim и Сетех.

Заинтересованность государства объясняется тем, что высотные здания относятся к уникальным и представляют собой объекты, срок службы которых превышает 200 лет, поэтому их безопасность должна регламентироваться жесткими и обоснованными требованиями.

А.П. Пустовгар, доцент, к. т. н.,
Московский государственный строительный университет

Copyright 2006 ЗЖБИ-500     Карта сайта
Реклама на сайте
|