Для бетона подземных и подводных частей сооружений, которые будут постоянно (находиться в пресных, неагрессивных водах, рекомендуется применять пуццолановые или шлакопортландцементы. Однако при этом необходимо обеспечить влажные условия выдерживания бетона в течение не менее 28 дней.

Бетонные смеси с высоким водоцементным отношением, особенно смеси с повышенной подвижностью, склонны к водоотделению. Отделяющаяся вода накапливается под стержнями арматуры и под крупными зернами гравия-щебня, а после, ее высыхания там образуются поры или даже воздушные прослойки, повышающие водопроницаемость бетона и понижающие его морозостойкость и долговечность в агрессивных средах.
Установлено экспериментально, что для получения особенно морозостойкого бетона общее содержание воды в смеси не должно превышать 160 л/м3.

Для уменьшения количества воды, вводимой в бетонную смесь требуемой подвижности, следует применять поверхностно-активные добавки: сульфитно-спиртовую барду (ССБ), смолу нейтрализованную воздухововлекающую (СНВ), эмульсию кремнийорганической газообразующей жидкости (ГКЖ-94) или другие добавки, снижающие количество воды затворения до 10%.

Поверхностно-активные добавки улучшают также структуру цементного камня и раствора, делая ее мелкопористой, в результате чего повышается морозостойкость и коррозионная стойкость бетона (рис. 1).
Для получения высокопрочного, плотного и долговечного бетона, креме рекомендованных выше мер, следует применять высококачественные наполнители.

Допустимо применение плотных и твердых известняков, если они плотны, однородны, морозостойки и не содержат слабых прослоек, мергелей и кремнеземистых реакционноспособных включ.

Исследованиями, проведенными в последнее время, установлено, что отношение температурных коэффициентов линейного расширения цементного раствора и известняково-доломитового заполнителя в бетоне не должно быть более 3.

При большем значении этого отношения бетон будет недостаточно морозостойким, что объясняется быстрым нарушением контактов между заполнителем и раствором и последующим образованием трещин в бетоне. Водопоглощение известняков-доломитов, применяемых для изготовления щебня и изготовления водонепроницаемого и морозостойкого бетона, не должно превышать 6%.

Если подвижность смеси по каким-либо причинам необходимо повысить, то следует одновременно увеличить и расход цемента, и расход воды в строгом соответствии с установленным водоцементным соотношением.
Для особенно ответственных тонкостенных элементов, например напорных железобетонных труб, рекомендуется применять классифицированные пески (разделенные на 2—4 фракции) и мелкий щебень, разделенный на еще более мелкие фракции, чем указано выше (например, 3—7, 7—15, 15—30 мм), также дозируемые при изготовлении смеси строго по весу и по рекомендованному составу.

Для повышения долговечности бетона конструкций и сооружений, работающих в агрессивных средах, в том числе и подземных сооружений, следует ограничивать значение водоцементного отношения, принимая его для монолитного бетона не выше 0,4—0,5. Одновременно необходимо выдерживать бетон монолитных элементов во влажных условиях в течение не менее 10—15 дней, а для специальных сооружений и более, до 28 и даже 60 дней. Для сборных железобетонных элементов, предназначаемых для работы в агрессивных средах и изготовляемых в заводских условиях, водоцементное отношение следует принимать в пределах 0,3—0,4 для долговечности бетонов.

Пуццолановые портландцемента и шлакопортландцементы обладают большей водопотребностью для получения бетонной смеси одинаковой подвижности, поэтому необходимо повышать общее количество воды на 6—20% по сравнению с бетонами на чистоклинкерных цементах.

43. СВЕРХПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ (прочность, основные свойства, требования к материалам, область применения)

Под высокопрочным бетоном мы понимаем плотные бетоны класса прочности выше C55 (данная цифра обозначает характерную прочность на сжатие выдержанного в воде бетонного цилиндра высотой 300 мм и диаметром 150 мм в возрасте 28 дней). В Германии и Европе разработаны стандарты для бетонов класса прочности до C100 (еврокоды). Бетон на легком заполнителе также возможно изготавливать как высокопрочный бетон. Немецкие и европейские нормы предусматривают классы прочности от LC55 до LC80.

Требования к материалам: Для производства высокопрочного бетона водоцементное отношение (отношение В/Ц) должно быть значительно ниже 0,4, за счет чего уменьшается пористость и повышается прочность матрицы цементного камня. При минимальном отношении В/Ц и, следовательно, низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора. Зерна заполнителя должны обладать высокой прочностью и по возможности высоким модулем упругости. Также необходимо очень хорошее сцепление между зернами заполнителя и матрицей цементного камня. В данном случае превосходный результат достигается за счет добавления пуццолановых вяжущих.

В качестве минеральных добавок при производстве высокопрочных бетонов используются: микрокремнезем, зола-унос каменного угля, метакаолин, нанокремнезем (кремневая кислота) и каменная мука (кварцевая и известняковая мука). Микрокремнезем: сферические частицы диаметром примерно 0,2 микрометра заполняют пустоты между частицами цемента и усиливают сцепление между зернами заполнителя и цементным камнем за счет разрушения низкопрочных кристаллов портландита (пуццолановая реакция).

Основные свойства:
- уменьшение габаритов опалубки для колонн, балок и стеновых элементов;
- уменьшение строительной толщины или увеличение несущей способности конструкций, работающих на изгиб;
- создание более изящных контуров при увеличении длины пролетов конструкций, работающих на изгиб (большепролетные мосты);
- одинаковые размеры опалубки в условиях заводского производства колонн, рассчитанных на различную нагрузку, или для производства колонн для всех этажей при монолитном строительстве (высокопрочный бетон на нижних этажах);
- сокращение расхода бетона и арматуры и, соответственно, транспортировочной и монтажной массы, более высокая начальная прочность, более ранняя распалубка и предварительное обжатие, что обеспечивает возможность более ранней эксплуатации элемента;
- более высокая плотность, водо- и газонепроницаемость за счет низкого содержания капиллярных пор;
- более высокая износостойкость;
- повышенная коррозионная защита арматуры за счет чрезвычайно медленного распространения карбонизации;- повышенная стойкость к химически активным веществам.

Недостатком подобных бетонов по срав- нению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка, т.е. изменение объема, которое под влиянием изотермических условий происходит в бетонном образце, помещенном в герметичное пространство. Она является результатом химической усадки и, в общих чертах, ассоциируется с «внутренним высыханием» цементного камня

Наиболее эффективным средством борьбы с трещинообразованием в высокопрочных бетонах, вызванным аутогенной усадкой, является внутренний уход путем введения равномерно распределенных по всему объему бетона микровключений, содержащих свободную воду (полимеры SAP).

Область применения : Подобный материал обладает весьма высокой себестоимостью, что существенно ограничивает область его использования. Кроме того, потенциал сверхпрочного бетона мало востребован в рядовых проектах и массовом строительстве.

До сих пор основными областями применения высокопрочных бетонов являлись:- высотное строительство, возведение мостов;
- непроницаемые для жидкостей резервуары/поверхности в установках для хранения, дозирования и транспортировки экологически опасных жидкостей;
- облицовка водоочистных установок;- промышленные напольные покрытия;
- бетон для несгораемых сейфов.

44. НАНОБЕТОНЫ (история и концепции создания, основные свойства, материалы для нанобетонов)

Первые результаты по разработке и практическому применению нанобетона были получены в 1993 году исследователем Андреем Пономаревым из Санкт-Петербурга. К работе подключились коллеги из других городов, и сегодня этим материалом занимаются ученые из питерского НТЦ «Прикладные технологии», новочеркасских НПО «Полимерстрой» и ООО «Нанотроника», а также «Наноцентр» МЭИ (Москва).

В Кемеровской области, например, при производстве нанобетонов стали использовать то, что находится в изобилии буквально под рукой, точнее, под ногами, - уголь. Углеродную добавку назвали Kemerit; ее успешно применяют в материалах для возведения жилья, дорог и мостов.

Вообще совершенствование нанобетона развивается в двух направлениях: применение его в строительстве новых объектов и для восстановления разрушающихся сооружений.

Конечно, исследованием этого стройматериала занимаются и ученые в других странах. Но отечественный нанобетон, в отличие от зарубежных аналогов, способен, например, «вылечивать», казалось бы, погибающие железобетонные конструкции. При нанесении на такую конструкцию нанобетон заполняет не только ее микротрещины, но и микропоры, при этом полимеризируясь. А если проржавела арматура, этот замечательный материал вступает в реакцию с коррозирующим слоем и, замещая его, обеспечивает сцепление бетона с арматурой. Таким образом, прочность конструкции восстанавливается. К тому же российские нанобетоны значительно дешевле зарубежных.

Состав нанобетонов

Термин «нанобетон» является собирательным, он включает в себя целый ряд специализированных бетонов. При их изготовлении применяются в различных комбинациях наноматериалы, изменяющие структуру, плотность и другие свойства бетонов.

В состав традиционного бетона входят вяжущее вещество, заполнитель и вода, а также пластифицирующие добавки, улучшающие свойства стройматериала.

При производстве нанобнтонов вместо обычных пластификаторов применяют наноинициаторы, изменяющие (армирующие) структуру бетона на молекулярном уровне. Вследствие этого снижается потребность в дополнительных армирующих материалах.

Наноинициаторы — это полые полимерные углеродные трубки диаметром в несколько микрон и с толщиной стенок в несколько атомов. Но их прочность — более 100 гигапаскалей. К тому же наноинициаторы устойчивы к действию щелочей и кислот.

В качестве наноинициаторов используют также оксид кремния и диоксид титана.

Свойства нанобетонов
Прочность нанобетона в полтора раза выше, чем обычного. Высока и долговечность этого материала.

Его морозоустойчивость выше на 50%: ему не страшны температуры до минус 150-180 ºС. Нанобетоны могут выдерживать нагрев до 800ºС.

Под воздействием солнечных лучей наночастицы диоксида титана становятся фотокатализатором, который преобразует пары воды и атмосферный кислород в атомарный кислород, обладающий бактерицидным действием.

Измененная структура нанобетона резко уменьшает потребность в воде вяжущей составляющей, что в 6 раз уменьшает массу бетонной конструкции и вероятность возникновения трещин.

Сфера применения

Свехлегкие нанопенобетоны применяются в основном в индивидуальном строительстве и при устройстве перегородок в различных помещениях.

Наноструктурированные бетоны, средние по плотности, обладают высокой прочностью и великолепными эксплуатационными качествами. Их используют при возведении мостов, в дорожном строительстве и при укладке аэродромных покрытий. Этот современный материал применялся, например, в Сочи при подготовке трасс к зимней Олимпиаде-2014. Новое бесшовное долговечное дорожное полотно обладает не только прочной основой, но и гораздо более безопасно при землетрясениях.

Разработаны и сверхпрочные наноструктурированные бетоны, применяющиеся для сооружения несущих элементов зданий, лифтовых шахт.

Сегодня проектировщики рассматривают возможность применения нанобетонов при возведении зданий в сейсмически активных зонах, а также для укрепления домов, уже имеющихся в этих зонах. Предлагается наращивать опоры, сечения, использовать вдавливаемые сваи в фундаменте, существенно повышая его надежность.

Вероятно, нанобетоны будут применяться и при строительстве подземных объектов в современных мегаполисах.