Новости при бетонните смеси

Съвременното строителство, свързано с изграждането на високи сгради, мостове, пътища, тунели, пречиствателни станции, изисква използване на бетони от ново поколение с високи технологични и експлоатационни свойства. Високата якост и корозионна устойчивост, водоустойчивост, мразоустойчивост и регулируема деформируемост на тези бетони, направиха възможно реализирането на такива строителни проекти, като тунелът под Ла-Манша. В световната научна общност съвременните бетони са известни, като „High Perfomance Concrete”-HPCвисокофункционален бетон. В статията ще разкажем за самоуплътняващия бетон, реактивнопрахобетона, свръхякостния високофункционален бетон, за нанобетона-иновация в строителството, за съвременните химически добавки в бетон.

Текст: списание Строители

Високотехнологичните бетони в много отношения се различават от обикнове ния стандартен бетон, както от гледнаточка на готовите бетонни изделия, така и от гледна точка на прясно приготвената бетонна смес, предимно по отношение на полагането и уплътняемостта. В резултат на използване на различни методи за формиране на целево структурообразуване, днес практически е възможно да се получи висококачествен многокомпонентен циментов камък, модифициран с минерални и химически добавки.

Въз основа на него са създадени основни видове високотехнологичен бетон, като Self-Compacting Concrete(SCC)-самоуплътняващ се бетон, Reactive Powder Concrete(RPC)-реактивно-прахобетон, Ultra High-Perfomance Concrete(UHPC) - свръхякостен високофункционален бетон, Ultra-High Fibre Concrete-свръхякостен фибробетон.  На практика често се използват комбинации от тези видове бетони, например, високоякостен бетон, фибробетон, със самoуплатняващи свойства. Високоякостните многокомпонентни бетони се характеризират с високи експлоатационни свойства, като якост, дълготрайност, адсорбция, нисък коефициент на дифузия и износване, надеждни защитни свойства на стоманена армировка, висока химическа устойчивост, бактерицидност и обемна стабилност.

Високофункционалните бетони са ново техническо ниво на строителната индустрия. Съществени изисквания към изходните им компоненти, в сравнение с традиционния бетон, е необходимостта от намаляване на съотношението вода-цимент-по ниско от 0,25. За целта специално се използват финозърнести плътни скални материали с незначително потребление на вода. Постигнатата якост на натиск може да достигне и надвиши 100Mpa. Именно от тези бетони, както се вижда и от Европейската техническа литература, сега се строят магистрали, мостове, тунели, небостъргачи, морски нефтени платформи. Основната област на приложението им, са пътища и високи сгради. Предвижда се в близко бъдеще да има постепенна замяна на конвенционалния обикновен бетон, с многокомпонентен високоякостен бетон.

Самоуплътняващ бетон (Self-Compacting Concrete-SCC)

Самоуплътняващият бетон е този, който без допълнително уплътняване, само под въздействието на гравитацията, може да се стича, да запълва формата и пространството между армировката. Той измества въздуха, без да се утаява или сегрегира. При повечето самоуплътняващи се бетони съотношението вода-цимент е 0,35 което дава висока ранна якост. Така се създава възможност за получаване на бетон с висока мразоустойчивост и по-висока и водоустойчивост. Ускорява се обръщането на кофража и производството на стоманобетонни изделия. Основните реологични свойства на такъв бетон, са висока течливост, надеждно отстраняване на въздуха и висока устойчивост на разслояване. Тези свойства могат да бъдат постигнати чрез внимателен подбор на изходните материали и техните пропорции.

Получената бетонна смес е не само „самоуплътняваща се“, но и поради уникалните си реологични свойства, лесно преодолява препятствията на армировъчни елементи при полагане. Между другото, тези характеристики доведоха до появата на нови методи за изпитване, заменяйки стандартния конус на Абрамс-основно устройство от преди 150 години. Появиха се нови различни фунии, заключващи пръстени, V - и L-образни уреди за оценка на свойствата на самоуплътняващата се бетонна смес, включително и за преодоляване на препятствия.

Самоуплътняващият бетон - SCC, е най-значителния технологичен скок в строителната индустрия предложен от японски технолози в края на 20 век. Въвеждането на SCC значително промени технологията на материалите и методите за бетониране. Свойствата на този нов материал също позволи да се оптимизира организационната страна на въпроса. Той допринесе за подобряване на строителните техники, за увеличаване на обемите и ефективността на процесите. Отхвърлянето на механичните вибрации води до по-надеждни и стабилни бетонни конструкции. Общите подобрения в условията на труд оказват значително положително влияние върху безопасността и здравето на работниците, което също допринася за повишаване на производителността. Ускоряване на работата на обекта, съчетано с подобрени условия на труд, позволява самоуплътняващият се бетон да се превърне във все по-привлекателен материал при производството на готови бетонови и стоманобетонни изделия.

На безспорните предимства на SCC се протовопоставят неговите недостатъци, като по-ниска стабилност и по-високи разходи за разработване на рецептури, производство, осигуряване на качество и контрол, в сравнение с обикновения бетон. Въпреки нарастващия пазарен дял и не изчерпания потенциал на SCC в бъдеще, предполага се той да не замени напълно обикновения бетон. Областите му на приложение ще бъдат ограничени до случаите, когато той може да осигури най-доброто съотношение разходи и ползи. Икономическият ефект може да се изчисли в случаите, когато е възможна висока интензивност на полагането във връзка с условията на конкретно строителство-срокове, брой работници. Например, при изграждането на основите на моста Akashi-Kaikyo в Япония, благодарение на използването на SCC времето за строително-монтажни работи е намаляло от 2,5 на 2 години.

Реактивно-прахобетон (Reactive Powder Concrete-RPC)

Реактивно-прахобетонът е разработен във Франция в края на 20 век. Резултатите от изследванията са показали пряка зависимост между намаляване на диаметъра на зърната на запълнителя-пясък, чакъл, и якостта на натиск. При този бетон не се използва запълнител с голям размер, което означава, че опасността от разрушаване на контактната зона „запълнител-циментов камък“ е премахната. Максималният размер на използваните запълнителни зърна е ограничен до 1mm, а минималният е 0,125mm. Основното, е намаляване на диаметъра на агрегатното зърно в сравнение с традиционния бетон.

За осигуряване на суперсъвместимост и хомогенност на бетонната структура, е необходима оптимална гранулометрия-например, пълнител каменно брашно с размер на зърното по-малко от 0,063mm. Съотношението на водата към цимента е 0,3. Бетонът от такива финозърнести смеси трябва да се разстича под действието на собственото му тегло при съдържание на вода 10-12%, от масата на твърдите компоненти. Тези бетони със суперпластификатори, без големи инертни материали, с особено фин кварцов запълнител, фино диспергирано каменно брашно и микросилициев диоксид, са едновременно и самоуплътняващи се бетони.
 

Свръхвисокоякостен функционален бетон (Ultra High-Perfomance Concrete-UHPC)

За производството на свръхвисокоякостен бетон съотношението вода-цимент трябва да бъде 0,25. В резултат на порьозността, се намалява и увеличава якостта на циментовата каменна матрица. Зърната на запълнителя трябва да имат висока якост и възможно най-висок модул на еластичност. Необходими са също адхезия между зърната и циментовата каменна матрица. В този случай се постига отличен резултат чрез добавяне пуцоланови свързващи вещества. Важна роля играят якостта, абсорбцията на вода, формата на зърното, гранулометричния състав и химическата активност-предотвратяване на алкални реакции.
За да достигане на якост над 100MPa, се препоръчва да се използва дребен базалт, габро (магмена скала) или гранитен трошен камък.

Гранулометричният състав трябва да има възможно най-ниското съдържание на фини частици-0,125mm и фин пясък-от 0,125 до 0,25mm. Диаметърът на най-голямото зърно трябва да варира от 8 до 16mm. Като минерални добавки при производство то на бетон с висока якост се използват микро-силициев диоксид, пепел от въглища, метакаолин, нано-силициев диоксид (силициева киселина) и каменно брашно-кварцово и варовиково. Микро-силициевият диоксид е от особено значение в този контекст - сферичните частици от микросилициев диоксид с диаметър около 0,2 микрометъра запълват празнините между зърната на запълнителя и циментовия камък поради разрушаването на нискоякостните кристали от портландит (пуцоланова реакция).

Задължително условие при производството на високоякостен бетон е използването на суперпластификатори като химически добавки.  По- голямо приложение имат поликарбоксилните естери, които наред с добре познатите механизми за пластификация имат допълнително предимство-структури от полимерни макромолекули, които се натрупват върху повърхността на частиците и всъщност поемат функцията на раздалечители (дистанционери). В сравнение с други реагенти, дори минималната доза от поликарбоксилни естери, осигурява адекватно разреждане и удължава сроковете за лесно полагане на бетонната смес. Бетоните с висока якост са по-крехки от обикновените. Пукнатините бързо се разпространяват по цялата структура, което води до образуването на счупвания и напукване на запълнителя.

В случай на пожар, високоякостните бетони значително загубват якостта си при температури под 300°C. С увеличаване на плътността на циментовата матрица, изходът на водна пара в резултат на нагряване става по-труден. Съответно се увеличава опасността от рязко откъртване на бетонния слой от армировката. Предлага се използване на полипропиленово влакно, което при температури под 170°C започва да се топи. Образуват се канали и налягането на парата намалява. Якостта на свръхякостния бетон варира между 150MPa и 250Mpa. Този бетон позволява да се създават конструкции и съоръжения, които се различават едновременно с висока носеща способност, както и с тънкост на контурите, и дълготрайност.

Нанобетон - иновация в строителството

Бетоните с добри технически характеристики, предлагани на ниски европейски цени са свързани с приложение на нанотехнологията. Важно е проучването на използваните от нанотехнологията материали. Създаването на нанобетона е станало възможно благодарение на включване в състава на наноинициатори, които на молекулярно ниво променят структурата на материала вместо традиционните пластификатори. Структурата става кристализирана и придава армиране на материала, което елиминира необходимостта от допълнителни подсилващи материали.

Наноинициаторите са полимерни въглеродни тръби с кухи форми, с диаметър от няколко микрометъра и дебелина на стената от няколко атома. Съставът на нанобетона е подобен на обикновения бетон, но неговата структура намалява нуждата от свързващо вещество - вода.
Следователно наноинициаторите правят възможно създаването на материал, който е механично по-здрав, мразоустойчив, устойчив на корозия и високи температури, по-лек по тегло от традиционния бетон. Нанобетонът се разделя според якостта, на лек, среден и високоякостен. Това разделяне е подходящо при изграждането на различни видове строителни обекти. Лекият наноякостен бетон се използва в частното строителство, при изграждането на нискоетажни сгради, стопански постройки.

Средноякостният нанобетон - при изграждане и ремонт на комунални инженерни мрежи, пътни настилки и конструкции, мостове и други градски съоръжения. Високоякостният нанобетон се използва в капиталното строителство за изграждане на носещи конструкции в жилищни и промишлени сгради, включително тези с висока степен на пожарна опасност, както и в метрото. Този иновативен материал има присъщи свойства на адхезия към металния армировъчен скелет на молекулно ниво, независимо от неговото състояние.
Дори местата, повредени от корозия и ръжда, влизат в контакт с нанобетон, създавайки здрава връзка. Съществуващите пукнатини на ниво микропори, запълнени с нанобетон, придобиват още по-голяма здравина. Икономическата рентабилност се проявява в намаляване на материалните разходи, заплащането за работата свързана с полагане на фундамента.

Нанобетонът позволява да се намалят тези разходи 2-3 пъти поради ниското му тегло, и с 5-6 пъти в сравнение с обикновения бетон. За производството на нанобетон не трябва да се създава нов технологичен процес с инсталиране на ново оборудване. Посочените свойства на нанобетона са много привлекателни за архитектурното проектиране на строителните обекти, тъй като той позволява да се създават обекти с всякакви форми, брой етажи, и реализиране на архитектурни идеи в съвременните нови сгради. Създава се възможност за изграждате на високи сгради в града, без създаване на голям натиск върху слоя на земната повърхност, което в случаите на използване на традиционен бетон може да доведе до изместване на почвата. Нанобетонът е подходящ за строителство в сеизмично опасни зони, както и в градове с развита релсова транспортна инфраструктура-железопътни гари, метро, трамвайни линии.

Съвременни химически добавки за бетон

За производството на съвременните високо функционални бетони, особено значение имат химическите добавки - суперпластификатори от 4-то поколение. През последното десетилетие суперпластификаторите на базата на поликарбоксилни естери-PCE, се превърнаха в пример за успешното въвеждане на нова технология в производството на бетон. Първоначално се прилагат в производството на самоуплътняващ се бетон, като постепенно навлизат и в приготвянето на сглобяемия железобетон. Стъпка по стъпка тези добавки активно се използват от производителите на готов бетон и не на последно място, от производителите на готови бетонни изделия.

Поради спецификата на действие PCE-суперпластификаторите,позволяват на производителите на бетон да получат продукти с подобрени характеристики и да оптимизират производствения процес, както по отношение на икономиката, така и по отношение на екологията. В зависимост от химическата структура на полимерите и принципа на тяхното действие, PCE-суперпластификаторите се разработват специално за конкретни цели. При производството на сглобяем бетон полимерите с дълги странични вериги, вследствие на силния разредителен ефект, правят възможно получаването на продукт с висока ранна якост.

Силното разреждащо действие на РСЕ се увеличава няколко пъти при много по-ниска доза, в сравнение с традиционните суперпластификатори на базата на натриев нафталинсулфонат или меламинсулфонат. В основната полимерна верига се намират карбоксилни групи от молекули с отрицателен електрически заряд. Нови са страничните вериги, прикрепени към основната верига на полимера. Чрез промяна на дължината на основните и страничните вериги, както и броя на карбоксилните групи и страничните вериги, е възможно теоретично да се произведат много различни видове продукти. Така основната полимерна верига може да бъде оптимизирана чрез промяна на плътността на електрическия заряд, за да се постигне максимална производителност колкото е възможно по-дълго лесно да се полагат готовите бетонови смеси.

Разнообразието от продукти може да бъде още по-голямо, ако други групи молекули се вграждат в главната и страничната верига. Известно е с нафталин и меламин сулфонатите, полимерната молекула поради отрицателния си електрически заряд, да се адсорбира от повърхността на циментовото зърно. В същото време в сулфонатите се осъществява бързо и почти напълно поглъщане-90%, докато в PCE-суперпластификаторите, адсорбционните им свойства могат да бъдат целенасочено контролирани чрез промяна на броя на карбоксилните групи.

В допълнение към финото раздробяване диспергирането, поради електростатичното отблъскване на циментовите зърна,същите се държат на разстояние едно от друго и поради дългите странични вериги. Този принцип на действие е известен, като „пространствено диспергиране”. Определящ фактор за ефективността на PCE, са неговите адсорбционни свойства. Тези свойства зависят преди всичко от молекулната структура на полимера, химичните условия в разбъркващия разтвор и физикохимичните свойства на циментовата повърхност. Високата плътност на зарядите, т.е. голям брой карбоксилни групи в основната верига, води до бърза и пълна адсорбция на полимерите. Това се улеснява от бързо реагиращата повърхност на циментовото зърно, като доминиращата роля играят фазите на клинкерния минерал трикалциев-алуминат.

На реакционната способност на цимента, оказва влияе съдържанието на сулфатни йони в него, което е от решаващо значение. Съдържанието на сулфати в цимента, може значително да повлияе на ефективността на добавките. Видът на пясъчния пълнител също може да повлияе на ефекта на суперпластификатора. Ако в пясъка, присъстват примеси от глина, тогава PCE могат необратимо да се вградят в глинените слоеве. Това намалява ефекта им като пластификатори за бетон, т.е. тяхната ефективност значително се загубва. За поддържане на постоянното действие на PCE в бетона за дълго време, решаващо значение има постоянното качество на използвания цимент, както и на пясъка, бетоновите запълнители и други компоненти.

Препоръчва се предварително проверяване на ефекта от тези промени върху ефективността на суперпластификатора. Самоуплътняващите, реактивно-праховите и свръхвисокоякостните бетони могат да бъдат получени само с помощта на PCE-суперпластификатори. При производството на стандартни високоякостни бетони, PCE заместват традиционните използвани добавки поради голямото си разнообразие и висока ефективност.

Високото съдържание на фини частици, обикновено ниското водно-циментово съотношение и способността да се поддържа консистенция, налагат тяхното приложение. В допълнение, действието на PCE-суперпластификаторите, има положителен ефект върху вискозитета на самоуплътняващия бетон. Редом с производството на сглобяем бетон, PCE-суперпластификаторите през последните години масово се използват и в производството на готов бетон. PCE-суперпластификаторите, завладяха повече от половината от пазара на пластификатори в Западна Европа.