УДК 691.32: 693.5

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ И СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

Коровкин Марк Олимпиевич1, Янбукова Алия Рафаэльевна2, Ерошкина Надежда Александровна3
1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», магистрант
3ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент

Аннотация
Проанализированы опыт и перспективы использования высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов с учетом их свойств. Выявлены основные причины, сдерживающие применение высокопрочных бетонов.

Ключевые слова: высокопрочный бетон, область применения, реакционно-порошковый бетон, сверхвысокопрочный бетон, ультравысококачественный бетон


EXPERIENCE AND PROSPECTS OF USING OF HIGH-STRENGTH AND ULTRA-HIGH STRENGTH CONCRETES

Korovkin Mark Olimpievich1, Yanbukova Alia Rafaelevna2, Eroshkina Nadezhda Alexandrovna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
2Penza State University of Architecture and Construction, Master-student
3Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Abstract
Experience and prospects of using of high-strength and ultra-high strength concrete with regard to their properties were analyzed. The main reasons constraining the use of high-strength concrete were identified.

Keywords: application, high-strength concrete, reactive-powder concrete, ultra-high performance concrete, ultra-high strength concrete


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Коровкин М.О., Янбукова А.Р., Ерошкина Н.А. Опыт и перспективы использования высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78781 (дата обращения: 27.05.2017).

В настоящее время отсутствует единое мнение о границе между высокопрочными и сверхвысокопрочными бетонами. В качестве основного критерия такой границы можно считать прочность бетона самого высокого класса, указанного в нормативных документах. Для строительных норм, действовавших в нашей стране, это класс по прочности на сжатие В100 [1]. Для обеспечения прочностных характеристик этого класса средние значения прочности бетона должны ориентировочно составлять 130 МПа. С учетом того, что нормативные документы фиксируют современный уровень развития техники, можно считать, что указанное выше значение прочности – максимальная прочность, которая может быть достигнута сегодня при промышленном производстве бетона.

В стандарте, действующем в странах Европейского Союза [2] самым высоким классом по прочности на сжатие является С 100/115. При определении прочности на образцах кубической формы ее средние значения для обеспечения данного класса должны ориентировочно составлять 150 МПа. Интересно отметить, что в редакции СНиП, которая действовала в нашей стране с 2004 по 2013 год, самым высоким классом бетона по прочности на сжатии был класс В120 [3]. Средняя прочность бетона для обеспечения этого класса также как и для бетона С 100/115 по стандарту [2] Европейского Союза должна составлять около 150 МПа. Возможно, что снижение класса бетона по прочности с В120 до В100 в новой редакции российских строительных норм [1] связано с более реалистичной оценкой современного уровня развития технологии бетона.

Другим критерием разграничения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов может служить технологический фактор: сверхвысокопрочный бетон не может быть получен при использовании крупного заполнителя. Исключение из рецептуры бетона крупного заполнителя и снижение максимального размера мелкого заполнителя до значений 0,6 мм позволяет получить более однородную на макроуровне структуру, что наряду с применением высокоэффективных водоредуцирующих и минеральных добавок позволяет получить прочность бетонов 200 МПа и более [4]. Благодаря тому, что в таких бетонах в качестве заполнителя используются только мелкие фракции песка, а для повышения прочности применяется высокоактивная пуццолановая добавка (микрокремнезем), они получили в отечественной научной литературе название «тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны» [5].

В зарубежной научно-технической литературе для бетонов, полученных по такой технологии, используется термин реакционно-порошковый (Reactive powder concrete) [4] или ультравысококачественный бетон (Ultra-High Performance Concrete) [6]. Использование в технологии сверхвысокопрочного бетона фибрового армирования позволяет преодолеть основной недостаток этих материалов – высокую хрупкость.

Прочность, долговечность и другие свойства ультравысококачественных бетонов значительно выше, чем у бетонов общестроительного назначения. Однако, несмотря на относительную доступность получения новой разновидности бетонов, у проектировщиков нет ясного представления о том, каким образом преимущества особовысокопрочных бетонов могут быть использованы. Ожидания снижения сечения и массы конструкций оказались на практике неоправданными. Тем не менее, интерес к новому материалу велик и некоторые крупные строительные фирмы совместно с исследовательскими организациями используют особовысококачественный бетон в экспериментальных сооружениях.

Первым сооружением, возведенным с применением реакционно-порошкового бетона, был пешеходный мост в городе Шербрук (Канада). Это экспериментальное сооружение длиною 60 м было построено в 1997 (рис. 1). В проектировании и строительстве принимало участие несколько фирм, а разработка материалов для моста была выполнена в университете Шербрука. Для долговременного мониторинга поведения моста в климактерических условиях Канады была разработана программа, предусматривающая установку различных датчиков для оценки динамического поведения сооружения в течение длительного периода [7].


Рис 1. Пешеходный мост из сверхвысокопрочного бетона (Шербрук, Канада)

Мост в Шербруке был первым сооружением, в котором использовался реакционно-порошковый бетон (см. табл.1). Ежегодные обследования моста показали, что он находится в хорошем состоянии и его характеристики практически не меняются с течением времени [7].

Реакционно-порошковый бетон в некоторых фирмах прошел стадию лабораторных испытаний и находится на этапе опытно-промышленного применения. На основе этой технологии в конце 1990-х годов компанией Lafarge под торговой маркой Ductal было освоено производство ультравысококачественного бетона. Компании Eiffage и Sika совместно производят реакционно-порошковый бетон под торговой маркой BSI/Ceracem® [6]. Из такого бетона было построено несколько пешеходных мостов, характеристики некоторых из которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Опыт применения высокопрочного бетона (по данным [6, 8-16])

Область применения

Место строительства

Год

Прочность бетона, МПа

Характеристики конструкции

на сжатие

при растяжении

Пешеходный мост

Шербрук, Канада

1997

200-350

40

Пространственная ферма из сверхвысокопрочного бетона

Силос для хранения клинкера

Иллинойс, США

2001

220

50

Тонкостенная конструкция цилиндрической формы

Пешеходный мост Seonyu

Сеул, Корея

2002

180

32

Однопролетный мост длиной 120 м, шириной 4,3 м и толщиной верхнего пояса 3 см, изготовлен из высокопрочного бетона Ductal

Sakata Mirai пешеходный мост

Саката, Япония

2002

238

40

Однопролетный мост длиной 50 м, шириной 2,4 м, толщина верхней плиты 5 см

Вантовый мост (виадук) Millau Viaduct

Автомагистраль A75, Франция

2004

165

30

Восьмипролетный мост со стальным дорожный полотном длиной 2460 м, шириной 32 метра и высотой 4,2 метра

Автомобильный мост Shepherds creek

Сидней, Австралия

2005

180

-

4-х полосный мост с тротуаром, размеры моста 15 м × 21 м с 16 балками, поддерживающих железобетонную плиту, отличается легкостью 280 кг / погонный метр для балок и толщиной 25 мм для несъемной опалубки

Взрывоустойчивые панели

Мельбурн, Австралия

2005

160

30

-

Пешеходный мост Papatoetoe

Окленд, Новая Зеландия

2006

160

30

10 пролетный мост с шарнирными опорами длиной 175 м, длина 8 пролетов по 20 м, а остальных 8,2 и 10,2 м. мост состоит из двух сборных сегментов. Толщина платформы моста 50 мм

Пешходный мост Glenmore/Legsby

Калгари, Канада

2007

-

-

53-метровый мост, имеющий 8 полос движения. Мост состоит из двух консольных опор в виде балочной арки, изготовленной из высокопрочного «Ductal» бетона в виде буквы T. Бетонная балка армирована стальной арматурой и стекловолокном и имеет длину 33,6 м и высоту 1.1 м и ширину 3.6 м

Мост Gaertnerplatz

Кассель, Германия

2007

150

35

Сборные решетчатые секции верхнего пояса моста изготовлены из преднапряженного высокопрочного бетона (длина от 12 до 36 м, сечение 30×45 см)

Балочный мост

Айова, США

2006-2008

150

-

Длина моста 35 м. Для изготовления моста использовался фибробетон со стальной фиброй

Бетонные основания для ветряных турбин

Дания

2008

210

24

-

Взлетно-посадочная полоса аэропорта Haneda

Токио, Япония

2010

210

45

Надводная часть пирса аэропорта в виде плиты из высокопрочного бетона, опираемой на стальные балки. Площадь плиты 192 тыс. м2. Свойства бетона – долговечность, солестойкость, низкая проницаемость. Снижение веса конструкции

Мост Whiteman на автомагистрали 24

Брантфорд, Канада

2011

140

30

Поперечные карманы и продольные и поперечные швы между сборными панелями. Соединения между H-сваями и сборными опорами

Канализационные трубы

Германия

2012

151

-

-

Колоны из центрифугированного бетона

Германия

2012

179

-

-

Фермовый пешеходный мост из высокопрочного бетона

Испания

2012

150

Мост через реку Jackpine

Онтарио, Канада

2013

-

-

Совместное заполнение между соседними балками и сборными бордюрами

Деловой центр «Москва–сити»

Москва, Россия

2006-2013

100-120

-

Комплекс сооружений, воздвигнутых к Дню победы

Красноярск-40, Россия

2010

180-200

8-12

-

Значительный прогресс в развитии ультравысококачественных бетонов был достигнут на рубеже нового тысячелетия, когда в практику были внедрены более высокоэффективные суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных соединений, упростилась технология высокопрочных бетонов, а также были получены данные долговременных исследований, подтвердивших отсутствие снижения механических свойств и высокую долговечность бетона в различных условиях эксплуатации. Это способствовало расширению области применения высокопрочного бетона, из которого стали изготавливаться тонкостенные особовысокопрочные конструкции.

Кроме того ультравысококачественные бетоны стали производиться на основе промышленных отходов по ресурсо- и энергосберегающим технологиям без тепловой обработки, что также обеспечивает их перспективность применения. С 2000-х годов, некоторые страны участвуют в применении ультравысококачественного бетона (табл.1). Во Франции много конструкций было возведено компанией Lafarge с применением сверхвысокопрочного бетона – мосты, плиты, элементы фасадов [12].

Одним из знаковых сооружений последних лет является мост Мийо́ вантовой системы во Франции с максимальной высотой конструкции 341 м.

В США растет применение высокопрочного бетона в инженерных сооружениях автомобильных дорог[13]. Первый автодорожный мост из высокопрочного бетона в США был построен в 2006 году в штате Айова и представлял собой однопролетный мост с трехбалочным поперечным сечением длиной 33,5 м без применения стальной арматуры (см. рис.2).


Рис. 2. Первый автодорожный мост из высокопрочного фибробетона в штате Айова, США [13]

Высокопрочный бетон использовался в восстановительных целях при укреплении отстойного бассейна на реке Кинсуа-Дэм в США [6, 8]. В Австралии значительное применение высокопрочный бетон нашел при строительстве мостовых конструкций [14]. В Швейцарии ультравысококачественный бетон в основном применяется при изготовлении армированных монолитных конструкций [15]. Опытные образцы мостов и сооружения были построены в Канаде, Германии, Австрии, Японии и Кореи [6, 8, 13]. В Японии был построен пешеходный мост Sakata Mirai из сборного особовысокопрочного железобетона с повышенной стойкостью к деформациям и воздействию ветру, а также стойкостью к перепадам температур.

В Китае ультравысококачественный бетон используется для изготовления конструкций перекрытия кабельных каналов вдоль высокоскоростных железных дорог [16].

Опыт применения высокопрочных бетонов имеется и в России – в г. Москва был возведен комплекс высотных зданий «Москва-Сити» [10], а также комплекс сооружений, приуроченных к празднованию Дня Победы в Великой Отечественно войне в г. Красноярске с прочностью бетона 180-200 МПа [11].

Использование высокопрочного бетона в будущем будет возрастать вследствие его уникальных свойств. Благодаря стойкости к воздействию хлоридов высокопрочный железобетон можно применять при строительстве морских сооружений. Высокая прочность бетона обеспечивает уменьшение сечения и веса конструкций, что позволяет эффективно использовать бетон при строительстве большепролетных конструкций мостов через моря. Высокопрочный бетон также может применяться для восстановления и укрепления морских сооружений, таких как причалы и нефтяные платформы [6, 8]. Благодаря химической стойкости и долговечности конструкции из высокопрочного бетона могут эксплуатироваться в суровых условиях окружающей среды – в соленой воде, в экстремально холодных регионах. Эффективной областью применения бетона может стать строительство и ремонт инфраструктуры. Бетон может использоваться при строительстве зданий и сооружений в сейсмических районах. Колонны и балки из армированного высокопрочного бетона при землетрясении способны рассеивать больше энергии, чем конструкции из обычного железобетона, предотвращая разрушение зданий или сооружений [8]. Бетонная смесь отличается высокой технологичностью, что облегчает работу с ней, время и сроки строительства и позволяет создавать монолитные и сборные элементы. Высокопрочный бетон может повторно использоваться в технологии самоуплотняющихся бетонов в качестве заполнителей и наполнителей.

Несмотря на преимущества, высокопрочный бетон имеет и недостатки, связанные со стоимостью и высоким потреблением энергии. В связи с этим ключевым моментом технологии высокопрочных бетонов является снижение стоимости и повышение экологичности материала. Опыт исследований показывает, что стоимость бетона можно снизить за счет использования рационально подобранного состава смеси, местного сырья и промышленных отходов [6-9, 11]. Наряду со снижением стоимости бетона вовлечение в его производство промышленных отходов снижает вред окружающей среде и повышает его экологические преимущества. Конструкции из высокопрочного бетона вследствие их высокой долговечности обладают высоким сроком службы, что существенно снижает затраты на обеспечение жизненного цикла изделий, по сравнению с обычным бетоном за счет сокращения затрат на ремонт и замену элементов конструкции [8].

На основе вышеизложенного можно отметить, что дальнейшие исследования в области эффективного применения высокопрочных бетонов должны быть направлены на:

- разработку рекомендаций по проектированию и строительству конструкций из высокопрочного бетона;

- разработку гармонизированных стандартов на технические требования и методы контроля свойств высокопрочных бетонов и конструкций из них;

- создание экспресс-методов определения долговечности конструкций из высокопрочного бетона;

- улучшение эксплуатационных свойств – хрупкости, трещиностойкости бетона;

- снижение стоимости бетона.

Вывод:

Особовысокопрочные бетоны обладают высокими деформативно-прочностными характеристиками и долговечностью. Эти материалы могут успешно применяться в высотном строительстве, восстановительных работах, при возведении несущих и архитектурно-декоративных конструкций, при строительстве мостов и других транспортных сооружений. Основные причины, сдерживающие применение высокопрочного бетона связаны с его высокой стоимостью, недостаточным опытом долговременной эксплуатации и отсутствием стандартов.


Библиографический список
  1. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. – М.: ФАУ «ФЦС». – 162 с.
  2. EN 206-1 Concrete – Part 1: Specification, performance, production and conformity.
  3. СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 30 с.
  4. Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: Автореф. … дис. канд. техн. наук. – Пенза, 2006. – 22 с.
  5. Richard P., Cheyrezy M.H. Reactive powder concrete with high Ductility and 200-800 MPa compressive strength // Concrete technology: Past, Present, and Future, Proceedings of the V. Mohan Malhotra Symposium, ACI SP-144, S. Francisco, 1994. P. 507-518.
  6. Abbas S., Nehdi M. L., Saleem M. A. Ultra-High Performance Concrete: Mechanical Performance, Durability, Sustainability and Implementation Challenges // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2016. Vol. 10, No. 3. P. 271–295.
  7. Айчин П.-К. Первое сооружение из сверхпрочного бетона 15 лет спустя // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: Науч. тр. III Всерос. (II Международной) конференции по бетону и железобетону: в 7 томах. 2014. Т.7. С.7-14.
  8. Gu C., Ye G., Sun W. Ultrahigh performance concrete-properties, applications and perspectives // Science China Technological Sciences. 2015. Vol. 58, Issue 4. P. 587-599.
  9. Aitcin, P. C. High-performance concrete, London: E&FN SPON, 1998. – 591 p.
  10. Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И. и др. Модифицированные высокопрочные бетоны классов В80 и В90 в монолитных конструкциях // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 9-13.
  11. Суздальцев О.В., Калашников В.И. Высококачественные архитектурно-декоративные порошково-активированные бетоны нового поколения на основе отходов камнедробления горных пород // V Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. – СПб.: Издательство «АлитИнформ», 2015. С.63-73.
  12. Resplendino J., Toutlemonde F. The UHPFRC revolution in structural design and construction // Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, 2013. p. 791-804.
  13. The Federal Highway Administration. Ultra-High Performance Concrete: A State-of-the-Art Report for the Bridge Community, Publication No. FHWA-HRT-13-060, McLean, VA 22101-2296, 2013.
  14. Cavill B., Chirgwin G. The world’s first RPC road bridge Spepherds Gually Creek bridge, NSW // Proceedings of Fifth Austroads Bridge Conference. Hobart, Australia, 2004.
  15. Bruhwiler E., Denarie E. Rehabilitation of concrete structures using ultra-high performance fiber reinforced concrete // Proceedings of Second International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Kassel, 2008. P. 895-902.
  16. Gu C., Zhao S., Sun W., et al. Production of precast UHPFRC pavement cover plates in high-speed railway construction / In Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, 2013. P. 463-470.


Все статьи автора «Ерошкина Надежда Александровна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: