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])

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.

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»