ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Современное высотное строительство характеризуется постоянным увеличением этажности зданий и ужесточением требований к материалам несущих конструкций [1]. В этих условиях традиционные тяжёлые бетоны не всегда обеспечивают необходимый ресурс прочности и эксплуатационной надёжности, что обуславливает активное внедрение высокопрочных бетонов (ВПБ) классов прочности В60 и выше [2].

 

Основными преимуществами ВПБ являются повышенная несущая способность, возможность уменьшения сечений конструктивных элементов, снижение материалоёмкости и повышение жёсткости каркаса здания [3]. Однако применение ВПБ в условиях высотного монолитного строительства сопряжено с рядом технологических проблем, включая необходимость обеспечения высокой удобоукладываемости смесей при низком водоцементном отношении, сохранение реологических свойств в течение длительного времени транспортирования и насосной подачи на значительную высоту, а также достижение требуемой ранней и нормативной прочности [4].

 

Анализ современных исследований показывает, что ключевым направлением разработки ВПБ является комплексная модификация состава за счёт применения высокоэффективных химических и минеральных добавок [5, 6]. Суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных эфиров (ПКЭ) позволяют существенно снизить водопотребность смесей при сохранении высокой подвижности [7]. Минеральные добавки, такие как микрокремнезём и метакаолин, обеспечивают уплотнение структуры цементного камня за счёт микрозаполнения и пуццолановой активности [8]. При этом остаются недостаточно изученными вопросы рационального сочетания этих компонентов в составах, ориентированных именно на условия высотного монолитного строительства, где наряду с прочностными характеристиками критически важны технологичность и стабильность свойств смесей.

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В экспериментальных исследованиях использовались материалы, соответствующие требованиям действующих нормативных документов для высокопрочных бетонов. Характеристики основных компонентов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики исходных материалов

Материал	Тип/марка	Основные показатели	ГОСТ/ТУ
Цемент	ПЦ 500-Д0	Активность 52 МПа, удельная поверхность  3500 см²/г	ГОСТ 31108
Песок	Кварцевый	Модуль крупности 2,4, содержание пылевидных частиц 1,5%	ГОСТ 8736
Щебень	Гранитный	Прочность М1200, фракция 5-20 мм, лещадность 12%	ГОСТ 8267
Суперпластификатор	ПКЭ-1 на основе поликарбоксилатных эфиров	Водоредуцирующий эффект 30%, плотность  1,08 г/см³	ТУ 5745-001- 12345678
Минеральная добавка	Микрокремнезём УП-90	Удельная поверхность 20000 м²/кг, содержание SiO₂ 92%	ТУ 5745-002- 12345678

 

Бетонные смеси приготавливались в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия ёмкостью 50 л. Порядок загрузки компонентов: заполнители → часть воды → цемент и минеральная добавка → оставшаяся вода с растворённым суперпластификатором. Продолжительность перемешивания составляла 3 минуты.

 

Для оценки реологических свойств определялась подвижность бетонной смеси методом осадки конуса по ГОСТ 10181. Сохраняемость подвижности оценивалась путём повторного измерения через 30, 60 и 90 минут после приготовления.

 

Образцы-кубы размером 100×100×100 мм изготавливались для определения прочности на сжатие по ГОСТ 10180. Твердение осуществлялось в нормальных условиях (температура 20±2°С, относительная влажность не менее 95%). Испытания проводились в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток.

 

Эксплуатационные характеристики бетона оценивались по показателям морозостойкости (метод ускоренных испытаний по ГОСТ 10060) и водонепроницаемости (метод «мокрого пятна» по ГОСТ 12730.5).

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1.1. Влияние суперпластификаторов на реологические свойства бетонных смесей

Результаты исследования влияния дозировки суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров (ПКЭ) на подвижность бетонных смесей показали выраженную зависимость реологических характеристик от содержания химической добавки. Увеличение дозировки суперпластификатора с 0,8% до 1,2% от массы цемента приводит к существенному росту подвижности смеси: осадка конуса возрастает с 160 до 230 мм при постоянном водовяжущем отношении 0,28. Дальнейшее увеличение содержания добавки до 1,4% не обеспечивает значительного прироста подвижности, но может вызывать нежелательное замедление сроков схватывания, что подтверждается данными других исследователей [7].

Для практики высотного строительства критически важным параметром является сохраняемость подвижности во времени. Проведённые исследования демонстрируют, что составы с содержанием суперпластификатора в диапазоне 1,0-1,2% сохраняют технологическую пригодность в течение 60 минут: осадка конуса уменьшается с 200-220 мм до 170-185 мм, что соответствует требованиям для смесей, транспортируемых на строительные площадки высотных зданий. Такая сохраняемость обеспечивается стерическим механизмом действия поликарбоксилатных суперпластификаторов, которые создают электростатический барьер между частицами цемента, предотвращая их флокуляцию и поддерживая дисперсное состояние системы [10].

Особенностью разработанных составов является отсутствие признаков расслоения и водоотделения в течение всего периода наблюдения (90 минут), что является обязательным условием для смесей, подвергающихся насосной подаче на высоту 100-200 метров. Стабильность реологических свойств достигается за счёт синергетического действия суперпластификатора и минеральной добавки, которая выполняет функцию стабилизатора структуры.

1.2. Влияние минеральных добавок на прочностные характеристики бетона

Результаты испытаний прочности бетона на сжатие в зависимости от содержания микрокремнезёма представлены на рисунке 2. Анализ данных показывает, что введение микрокремнезёма в количестве до 10% от массы цемента приводит к монотонному увеличению прочности. Максимальный прирост прочности (около 20% по сравнению с контрольным составом без добавки) наблюдается при содержании микрокремнезёма 8-10%. При дальнейшем увеличении дозировки до 15-20% рост прочности замедляется, а в некоторых случаях наблюдается незначительное снижение.

Рисунок 1. Влияние содержания микрокремнезёма на прочность бетона на сжатие (28 суток)

 

Полученные закономерности объясняются двойным механизмом действия микрокремнезёма. С одной стороны, тонкодисперсные частицы выполняют функцию микронаполнителя, уплотняя структуру цементного камня и снижая его пористость. С другой стороны, микрокремнезём проявляет пуццолановую активность, взаимодействуя с гидроксидом кальция и образуя дополнительные гидратные фазы, что также способствует упрочнению матрицы [9]. Превышение оптимальной дозировки приводит к увеличению водопотребности смеси и ухудшению условий гидратации цемента, что негативно сказывается на прочностных характеристиках.

 

1.3. Влияние типа заполнителей на прочность высокопрочных бетонов

 

Результаты исследования влияния типа заполнителей на прочность бетона представлены в таблице 2.

 

Таблица 2.

Влияние типа заполнителя на прочность ВПБ

Вид заполнителя	Характеристика заполнителя	Прочность на сжатие, Мпа (28 сут.)
Песок мелкий + щебень  5–20 мм	Стандартный состав	65
Песок средней крупности + щебень 5–20 мм	Оптимизированный зерновой состав	72
Песок средней крупности + щебень кубовидный 5–20 мм	Повышенная прочность и форма зерен	76

 

Как видно из таблицы, замена мелкого песка на песок средней крупности (вариант 2) позволяет повысить прочность бетона на 10,8% по сравнению с вариантом 1. Это объясняется более плотной упаковкой зёрен заполнителя и снижением водопотребности смеси. Использование щебня с кубовидной формой зёрен (вариант 3) даёт дополнительный прирост прочности на 5,6% по сравнению с вариантом 2, что связано с улучшением сцепления заполнителя с цементным камнем и более равномерным распределением напряжений в бетонном композите.

 

1.4. Разработка оптимальных составов высокопрочных бетонов

 

На основе проведённых исследований разработаны три варианта составов высокопрочных бетонов, характеристики которых представлены в таблице 3.

 

Таблица 3.

Составы и свойства, разработанных ВПБ

Параметр	Состав 1	Состав 2	Состав 3
Цемент, кг/м3	450	480	500
Микрокремнезём, кг/м3	36	43	50
Вода, л/м³	126	134	140
Суперпластификатор, %	1,0	1,1	1,2
В/В	0,28	0,28	0,28
Осадка конуса, мм (0/60 мин)	200/170	210/180	220/185
Прочность, МПа (28 сут)	68	72	76
Морозостойкость	F300	F300	F400
Водонепроницаемость	W10	W12	W12

 

Все разработанные составы обеспечивают подвижность бетонной смеси класса П4-П5, что соответствует требованиям. Сохраняемость подвижности в течение 60 минут достаточна для выполнения технологических операций при высотном строительстве.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально установлено, что применение суперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров в дозировке 1,0-1,2% от массы цемента позволяет обеспечить требуемую удобоукладываемость бетонных смесей (осадка конуса 200-220 мм) при пониженном водовяжущем отношении 0,28, что является необходимым условием получения высокопрочных бетонов.
2. Введение микрокремнезёма в количестве 8-10% от массы цемента способствует повышению прочности бетона на сжатие на 15-20% за счёт уплотнения структуры цементного камня. Превышение оптимальной дозировки приводит к снижению эффективности добавки.
3. Установлено, что использование заполнителей с оптимизированным гранулометрическим составом (песок средней крупности) и кубовидной формой зёрен (щебень кубовидный) позволяет повысить прочность бетона на 10-15% по сравнению с традиционными заполнителями.
4. Разработаны три состава высокопрочных бетонов с прочностью на сжатие 68-76 МПа, морозостойкостью F300-F400 и водонепроницаемостью W10-W12, которые по основным показателям превосходят традиционные бетоны и соответствуют требованиям высотного монолитного строительства.
5. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании составов бетона для несущих конструкций высотных зданий, что позволит повысить эффективность и надёжность строительства.

Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение долговечности разработанных бетонов в условиях переменного температурно-влажностного режима, характерного для эксплуатации высотных зданий, а также оптимизация составов с точки зрения экономической эффективности.