Анализи

Предизвикателства пред създаването на супер-високоякостен бетон като нов строителен материал

Реализирането на съвременните архитектурни форми и иновационни концепции в строителството налага разработването и внедряването на нови строителни технологии и материали, които да отговарят на все по-нарастващите изисквания. В този контекст, сред значимите научноприложни постижения през последните 20 години, е създаването на един нов строителен материал - супервисокоякостен бетон (СВЯБ), отличаващ се с якост на натиск над 150 MPa и якост на опън над 35 МРа, както и с отлична дълготрайност и дуктилност, поради което е наричан бетон с изключително високи характеристики (Ultra high performance concrete). Научните търсения в тази нова и интересна област са насочени към изследване на основните параметри на новия строителен материал, които биха позволили да се оценят възможностите му за целесъобразно приложение в България - при изграждане на сгради и съоръжения, подложени на тежки експлоатационни натоварвания. Представените изследвания са част от тригодишен научноизследователски проект на тема „Супервисокоякостни бетони - алтернатива за изграждане на високи сгради и транспортни съоръжения в Р България”, финансирани от фонд „Научни изследвания” към МОМН. Историческа справка През 60-те години на XX век се заражда идеята за създаване на бетон с високи якости, като първите лабораторни пробни изпитвания са проведени във Франция и Канада. Получените резултати са впечатляващи (якост на натиск, достигаща 800 MPa) и полагат основата за множество научни изследвания в следващите десетилетия. Преходът от бетон с нормална якост до СВЯБ преминава през няколко стадия на развитие до усъвършенстването и внедряването му за първи път пред 80-те година на XX век. Първоначално възниква идеята за дребнозърнести бетони с много плътна и хомогенна циментова матрица, която да предотврати появата на микропукнатини при натоварване на елемента. В началото новият строителен материал е наречен Reactive Powder Concrete (RPC) от Bache (1981 г.) поради фината си зърнометрия (под 1mm) и използваните минерални добавки. Впоследствие придобива световна популярност и под други наименования като Ultra High Performance Concrete (UHPC) и Ultra High Strength Concrete (UHSC), като понастоящем за UHPC е признат бетон с якост на натиск по-голяма от 150 MPa. Области на приложение Първите приложения на СВЯБ са насочени към подмяната на горното строене на мостови съоръжения, подложени на тежки натоварвания, направени от предварително изготвени елементи в заводски условия и при специални условия на отлежаване. Паралелно започва приложението на СВЯБ за конструкции, изпълнявани на място (in situ), например при реконструкция на аварирали съоръжения от типа на бетонни и стоманени мостове, при усилване и реконструкции на съществуващи сгради, при изпълнението на индустриални подове, бетонни настилки за магистрали и летищни писти. Усъвършенстването на новия материал дава все повече възможности на инженерите да го внедряват в отговорни съоръжения, например като носещи елементи на виадукти и мостове, колони на небостъргачи и др. Намаленото собствено тегло и размери на конструктивните елементи от СВЯБ привличат архитектите за създаване на конструкции с интересни и елегантни архитектурни форми, като тънки покривни елементи, допълнителни окачени етажи, големи отвори на сгради и др. СВЯБ има и редица специални приложения например в минната и военната индустрия за изграждане на предварително изготвени елементи за тунелни линии и усилване на откоси, конструкции на мини, защитни панели срещу експлозии, заглушителни стени, контейнери за съхранение на радиоактивни и други неразградими отпадъци, за тръби за замърсени води и др. Предимства и недостатъци Основните предимства на СВЯБ са неговата много висока якост на натиск, резултат от силно уплътнена структура посредством използването на активни минерални добавки и суперпластификатори. Влагането на стоманени и полимерни влакна способства за постигането на специални свойства като дуктилност и повишена огнеустойчивост на СВЯБ. Тези характеристики са съчетани и с изключителна дълготрайност, което обуславя ниски експлоатационни разходи и дълъг живот на съоръженията, което разширява значително областите на приложение на СВЯБ в сравнение с обикновените бетони. Като недостатък на СВЯБ е изтъквана неговата себестойност за производството на 1 м бетон. В контекста обаче на анализа на жизнения цикъл на съоръженията от СВЯБ, предвид на ограничената поддръжка и минималните разходи за рехабилитация, високата първоначална цена за изграждането им е икономически оправдана. Освен това използването на този бетон за по-тънкостенни сечения води до намаляване на количеството на бетонните работи, а оттам - и на количеството на кофража като цяло, на вложената армировка, на мъртвите товари, което от своя страна редуцира и фундаментите. Предизвикателства пред разработването на СВЯБ в България Създаването на нов строителен материал предполага да бъдат преодолени множество предизвикателства, сред които са изборът на материали, оптимизиране на структурата, технологията на смесване и условията на отлежаване. Избор на материали Реализирането на СВЯБ е в пряка зависимост от вида и качествата на изходните материали. Първият структуроопределящ материал е свързващото вещество - циментът. За СВЯБ се използва обикновено чист портланд цимент с якости над 55 MPa. По тази причина от произвеждания у нас цимент са подходящи циментите СЕМ I 52,5 съгласно БДС EN 196-1. Необходимото количество цимент за получаване на СВЯБ неколкократно надвишава това на обикновения бетон, като варира в граници от 600 до 1000 kg/m3. Това голямо съдържание обуславя значителна екзотермия по време на хидратацията, което може да доведе до температурни напрежения и опасност от пукнатини. Една от възможностите за решаването на този проблем е използването на доменна шлака или пепел от ТЕЦ. В СВЯБ се влагат значително количество активна минерална добавка (АМД), като процент от вложеното количество цимент (от 10 до 30%), което се равнява от 150-250 kg/m3. Най-често използваните АМД са микросилициев прах, пепел от ТЕЦ, метакаолин и др. Те водят до уплътняване на структурата посредством намаляване на обема и размера на порите, до модифициране на хидратационните продукти и образуване на допълнителни калциеви хидросиликати, както и до заздравяване на контактната зона между циментовия камък и добавъчните материали. Най-използваната АМД в света за получаване на СВЯБ е микросилициевият прах (МСП), но със сравнително непостоянство на характеристиките. Изследванията по настоя­щия проект се провеждат с МСП, внос от Норвегия, който е достъпен на българския пазар. Едрият добавъчен материал (ЕДМ) е ключов за якостните свойства на обикновените бетони. За разлика от тях при СВЯБ той се явява по-скоро като слабо звено, от една страна, поради недоброто сцепление между свързващата матрица и ЕДМ, а от друга, поради по-малките якости на ЕДМ от тези на матрицата. Това води до елиминирането на ЕДМ в много от рецептурните състави на СВЯБ, но в някои от тях се използва фракция 4-8mm с ЕДМ на базалтова основа. У нас използване на базалт за добавъчен материал за бетон е сравнително ограничено поради трудната му обработваемост и се замества със скали като гранит, сиенит, диабаз и др. В настоящия проект ЕДМ е трошен камък от фракции 4-8 и 8-12 мм, допълнително промити за осигуряване на добро сцепление със свързващото вещество. Като дребен добавъчен материал в СВЯБ най-често се използва кварцовият пясък. При стайна температура той е инертен и не взаимодейства със свързващото вещество в процеса на хидратация и играе роля на ограничител на циментовата матрица, което води до увеличаване на якостните характеристики. В същото време, при определени условия на втвърдяване (автоклавиране), смленият кварцов пясък може да влезе в химична реакция с другите материали на СВЯБ и да модифицира състава и структурата на бетона. СВЯБ се характеризира с изключително нискоефективно водо-циментно (водосвързващо) отношение - от порядъка на 0,20 до 0,25, което налага употребата на супермощни суперпластификатори за постигане на хомогенност и определена обработваемост на бетонната смес. Предизвикателство пред избора на тези добавки се явява необходимостта от съчетаване на силен водонамаляващ ефект, достатъчно време за запазване на консистенцията, ограничаване на въздуховъвличането, както и осигуряване на съвместимост с цимента и АМД. При СВЯБ се използва дисперсна армировка от стоманени фибри за увеличаване на якостта и на дуктилността му с оглед подобряване на поведението му при динамични въздействия. В съчетание със стоманените влакна се влагат и полипропиленови фибри за редуциране на пластичното съсъхване и основно за осигуряване на пожароустойчивост на СВЯБ. Особеност при избора на влакна за СВЯБ се явява високата якост на матрицата, което предполага различни съотношения между диаметъра и дължината на влакната. В света съществуват дори специални видове стоманени влакна за СВЯБ, при които сърцевината на влакната е по-дуктилна от обвивката, която пък осигурява по-добро сцепление с матрицата. Оптимизиране на състава При СВЯБ целта е да се постигне максимално плътна структура без (или с много малко количество) капилярни и въздушни пори, с много ограничено количество микродефекти. В света не съществува единна методика за проектиране на състава на СВЯБ, но повечето методи се базират на теорията за оптимално подреждане на зърна с различни размери. Подобряването на хомогенността на матрицата може да бъде реализирано чрез ограничаване на максималния размер на добавъчните материали, контролирана зърнометрия на добавъчните материали и използване на фини фракции (например от кварцово брашно). Технологични особености Постигането на свойствата на СВЯБ зависи до голяма степен и от редица технологични параметри: точност на дозиране, начин на хомогенизиране на сместа, полагане и уплътняване на бетонната смес, условия на втвърдяване. СВЯБ изисква по-интензивно разбъркване, отколкото при обикновения бетон, по-голямо съдържание на цимент и АМД, ниско водо-циментно отношение и влагане на влакна. Те предполагат и по-голям вискозитет на сместа, при което въздухоотделянето се затруднява и това изисква и увеличаване на енергията на уплътняване. Опитно е установено, че якостта на натиск на СВЯБ при специални условия на отлежаване, като автоклавиране и пропарване, се увеличава значително в сравнение с втвърдяването под вода и/или въздушна среда и може да достигне до 800 MPa (постигнати чрез пълното премахване на ЕДМ, редуциране на водо-циментното отношение до 0,20 чрез добавяне на микросилициев прах в количество около 20% от масата на цимента и използването на стоманени фибри), при което и дуктилността на бетона се увеличава над 250 пъти в сравнение с тази на конвенционалния бетон.   Автор: Инж. Емануела Манолова, проф. Димитър Назърски, доц. Богомил Петров, доц. Румяна Захариева, УАСГ