Высокопрочный бетон: состав и марки, виды

Бетонные смеси в строительстве занимают главное место. По количеству задействованного строительного материала бетон занимает основную позицию, а по стоимости готового сооружения может превосходить затраты на все строительные материалы вместе взятые.

Особенно такое положение касается крупногабаритных и специализированных построек, где замена бетона нецелесообразна. При строительстве спец. сооружений применяется бетон с улучшенными характеристиками. Один из таких видов – высокопрочный бетон. Он соответствует ГОСТу 31914-2012 [2]. Прочность на сжатие этого стройматериала соответствует классу В60 или выше. Основа вяжущего – портландцементный клинкер.

Таблица 1 – Области применения высокопрочного бетона

Бетон высокопрочных классов предназначен для строений с высоким уровнем нагрузки, поэтому требования, предъявляемые к его качеству, очень высокие.

Состав высокопрочного бетона

Основные по объёму компоненты – цемент, вода, заполнители. Но на свойства бетона большое влияние также имеют добавки. Совместное действие всех составляющих влияет на итоговый результат, поэтому важны характеристики и пропорции каждого компонента: они будут влиять на качество бетона и возможности его применения.

Цемент

Возглавляет перечень материалов, потому что от марки цемента будет зависеть класс бетона. Для приготовления высокопрочных бетонов используются разновидности портландцементов, включая цементы с минеральными добавками, обладающими активностью при пропаривании 32 МПа и больше. Тем самым сокращается длительность тепло-влажностной обработки и уменьшается её стоимость.

Для экономии допустимо уменьшить количество цемента, но при использовании добавок, повышающих прочность. Чтобы срок службы сооружения стал больше, цемент применяют со значением нормальной густоты не более 30%. Температура цемента не должна превышать отметку 60 °С.

Вода

В воде не допустимо содержание сахаров, органических ПАВ и фенолов в количестве более 10 мг/л. Не допустимо наличие масел, нефтепродуктов, жиров, окрашивающих примесей, а также примесей, нарушающих свойства бетона (схватываемость, морозостойкость).

Допускается применение технической воды и воды из природных источников, но содержание примеси должно соответствовать требованиям норм.

Заполнители

Мелкий заполнитель

Как и для большинства бетонов, это крупные или мелкие пески природного происхождения или из отсевов дробления пород горнодобывающей промышленности. Плотность зерен может варьироваться от 2000 г/см³ до 2800 г/см³. Допустимо применение песка из шлаков цветной и чёрной металлургии, а также золошлаковые смеси. Учитывается плотность, состав (концентрация пылевидных частиц и глинистых), пустотность песка. Некачественный или грязный песок значительно снижает свойства бетона.

Крупный заполнитель

Крупный фракционный заполнитель – щебень, прочность которого должна быть выше требуемой марки бетона; щебень, добытый из горных пород с высокой прочностью (диабаз, гранит и др.).

Содержание зерен низкой прочности не должно быть более 10% по массе. Учитываются морозостойкость щебня и прочность (от 100 МПа). При наличии пластификаторов в смеси допускается прочность щебня 80 МПа. Итоговая пригодность заполнителя устанавливается только после испытаний бетона.

• Для бетона крупным заполнителем не рекомендуется брать породу с гладкой поверхностью.
• Плотность зерен должна варьироваться от 2000 до 3000 кг/м³.
• В составе щебня наличие пыли и мелких частиц глины допускается не более 2% от массы.

Марка щебня влияет на итоговую марку бетона, поэтому класс щебня должен быть выше, чем у бетона. Так, для класса бетона В45 марка щебня должна соответствовать классу 1200.

Добавки

Добавки для бетона в строительстве выполняют несколько функций. Главная – это усиление необходимых свойств бетона (устойчивость к сильно низким температурам и перепадам температур; устойчивость к сильным вибрациям; водонепроницаемость и т. д.). Для повышения экономности строительства усиливают опорные свойства бетона при уменьшении количества металлоконструкций и заполнителей. Можно облегчать общий вес строения, добавляя химические компоненты и сохраняя при этом прочность.

Так как к высокопрочным бетонам предъявляются повышенные требования, добавки-пластификаторы в составе присутствуют обязательно. Если используются портландцементы с минеральными добавками, то количество химических добавок увеличивается на 15%.

Цель применения пластифицирующих добавок:

• снизить расход воды в бетоне, сохранив его прочность;
• оптимизировать количества цемента, сохраняя удобоукладываемость и прочность бетона;
• повысить экономию строительства и улучшить тех. характеристики бетонов (стойкость к образованию трещин, усадка и др.);
• увеличить подвижность смесей, сократить длительность укладки при работе с конструкциями сложной конфигурации.

При использовании добавок надо ориентироваться на совместимость используемых добавок и их действие на свойства бетона.

Бетоны с требованием к морозостойкости F200 и выше, а также бетоны для сооружений гидротехнического назначения, следует изготавливать с применением газообразующих или воздухововлекающих добавок.

В бетоны для применения на дорожных и аэродромных покрытиях обязательное наличие воздухововлекающи добавок и пластификаторов.

Бетоны марки П4 и П5 по удобоукладываемости готовятся с обязательным содержанием пластификаторов для монолитных и сборных конструкций.

Правила подбора состава для высокопрочного бетона

Подбор состава смеси – ответственный этап в ходе строительства, особенно с применением бетонов повышенной прочности. Подбор производится с соблюдением всех технических условий поэтапно:

• оценка качества компонентов смеси;
• определение необходимого уровня качества бетонной смеси;
• расчет количества компонентов бетона для предварительных испытаний и изготовление образцов;
• испытание контрольных образцов;
• внесение изменений в расчет состава компонентов и применение нового состава в условиях производства.

Наличие у высокопрочных бетонов уникальных свойств достигается путем усложнения некоторых производственных технологий. Так, для достижения повышенной прочности уменьшается количество воды: при норме 0,4 в высокопрочных смесях менее 0,35. Содержание цемента повышено до 600 кг/м³. Водопотребность таких смесей повышена, концентрация песка снижена и др. Все эти показатели необходимо учитывать, в зависимости от желаемой марки бетона на выходе.

Для общего случая рассчитать состав и количество материалов для образцов можно следующим образом:

1. Определить количество воды, основываясь на общих данных о свойствах мелкого и крупного заполнителя.
2. Определить количество пластифицирующих добавок (0,2-0,4% – для суперпластификаторов; 0,05-0,1% – для пластификаторов).
3. Количество воды в смеси можно уменьшить, если применить добавки.
4. Принять три значения и при установленном количестве воды затворения подсчитать соответствующие расходы цемента. Рекомендуется принимать значения 2,5…3,5. При добавлении воздухововлекающих добавок прочность бетона снижается.
5. Рассчитать доли песка и щебня, ориентируясь на их показатели и желаемом результате.

После проведения всех необходимых расчетов следует приготовить опытные образцы. По готовым образцам проводят анализ полученных свойств, рассчитывают расход на 1 м³ и при необходимости вводят корректировку состава.

Класс бетона

(В) – показатель прочности бетона на сжатие с вероятностью 95%, измеряется в МПа. Определяется значениями от 0,5 до 120 МПа. Т. е. какое максимальное давление выдержит бетон в 95 случаях из 100 (В50 = 50 МПа).

Марка бетона

Помимо показателей прочности, есть марка (М) бетона – маркировка предела прочности на сжатие, измеряется в кгс/см². И если класс бетона гарантирует качество бетона по прочности на 95%, то марка определяет среднее значение прочности.

В таблице 2 приведены соответствия классов и марок для высокопрочных бетонов.

Таблица 2 – Соответствие классов и марок прочности высокопрочных бетонов

Характеристики высокопрочного бетона

Ряд особенностей, которые отличают тяжелые бетоны от легких:

• большая удельная прочность;
• повышенная плотность;
• долговечность, высокая прочность, твердость и морозостойкость;
• повышенная стоимость производства;
• высокая теплопроводность.

Применение того или иного вида бетона регламентируется требованиями, предъявляемыми к готовым конструкциям.

Под действием погодных условий, которые будут влиять на эксплуатацию сооружений, определяют марку морозостойкого бетона. Если температура воздуха может опуститься до –40 °С, то бетон по морозостойкости должен использоваться не ниже F75. Исходя из эксплуатации готового сооружения и условий его расположения, надо точно определять вид бетона для строительства. Для удобства рабочего процесса и экономии можно использовать бетон разных марок на одном строительном объекте.

Цены на высокопрочный бетон

Ориентировочные цены на бетон класса В45 и выше приведены в табл. 3.

Таблица 3 – Цены на высокопрочный бетон

Цены, приведенные в таблице 3, являются приблизительными, актуальны на момент изучения статьи (4-й квартал 2019 года). Для получения более точной информации следует уточнить цены у поставщика.

Виды высокопрочных бетонов

Высокопрочные бетоны, в зависимости от состава, назначения и основных характеристик, делятся на несколько видов.

Мелкозернистый бетон

Главное свойство – отсутствие крупного фракционного наполнителя. Этому виду бетона отдается предпочтение в тех местах, где нет возможности применения щебня или гравия. В связи с отсутствием больших фракций, мелкозернистый бетон получает новые свойства: повышается плотность стройматериала, а цемент используется не меньше марки М500. При необходимости берут цемент со специальными условиями: устойчивость к коррозии, устойчивость к воздействию кислот и др.

Плюсы:

• отличная водонепроницаемость;
• отсутствие наполнителя;
• сопротивляемость изгибающему моменту;
• возможность получать уникальные свойства (с применением добавок);
• устойчивость к вибрациям;
• однородность смеси (позволяет использование при работе со сложными элементами);
• отличная пластичность и проникающая способность.

Минусы:

• повышенное содержание цемента (в связи с чем незначительно увеличена его ползучесть и усадка);
• затруднённая обработка после полного застывания;
• заметная усадка после полного набора прочности.

Так как наполнитель отсутствует, повышается расход цемента, скомпенсировать расход можно с помощью пластифицирующих добавок и песков высокого качества.

Применение. Подобный бетон применяют в случае изготовления тонкостенных изделий, в частности, армоцементных. В эксплуатации 5 основных марок бетона, у каждой их которых свое назначение:

• М 100 – для ремонтных работ;
• М 200 – для конструкций, не требующих больших нагрузок;
• М 300 – для заполнения форм с частым армированием;
• М 350 и М 400 – для отливки ответственных конструкций.

Класс мелкозернистого бетона отражает его сопротивляемость сжатию, для данного вида достигает значения В80.

Дисперсно-армированный бетон

Особенность этого вида в содержании армирующих волокон (фибр). Фибры могут быть: стальные, минеральные (например, стекло), органические (например, бамбуковые). Изготавливается на основе портландцемента марки не ниже 400, без минеральных добавок. Также в состав входит песок природного происхождения или искусственный.

Применение. В основном для дорожного строительства: дорожное покрытие улиц, магистралей, тротуаров, дорог местного значения, отмосток, и т. д.

Бетоны напрягающие

Главное свойство бетона напрягающего – самонапряжение. Создается путем расширения смеси во время затвердевания. В начальный период застывания бетон расширяется и растягивает арматуру, находящуюся с ним в сцеплении. Изготавливается из цемента напрягающего, в основу которого входят высокоалюминатные шлаки (как правило, отходы металлургии), крупный и мелкий заполнители (чаще это щебень и песок).

Характеристика:

• повышенная стойкость к образованию трещин;
• водонепроницаемость;
• долговечность.
• набор прочности при t = 30 °С и выше.

Применение. Характеристики бетона делают возможным его использование в ёмкостных монолитных и сборных конструкциях разного назначения, а также для изготовления: напорных и безнапорных труб, тоннелей, покрытий аэродромов, мостов и т. д. Хорошо проявляются свойства самонапряжения для герметизации и защиты от источников радиационных излучений.

Базальтофибробетон

Получается путем внедрения отрезков базальтового волокна в бетонную смесь. Базальтовое волокно характеризуется очень высокой прочностью, отсутствием деформации и упругостью, превышающей бетон в 3 раза и выше. Плотность волокна меньше стального в 3 раза, что облегчает готовую конструкцию. Вяжущий компонент – портландцемент.

Плюсы:

• высокая прочностью и устойчивость к деформациям;
• меньший вес готовой строительной конструкции, чем с применением других наполнителей;
• лучшее сцепление поверхности волокон с цементной матрицей по сравнению со свойствами других бетонов;
• бетонная смесь гомогенизирована.

Минусы:

• экономически затратный, т. к. стоимость бетона возрастает с применением базальтовых фибр;
• применение портландцементов и гидроксида кальция в составе бетона может приводить к разрушению или ухудшению свойств волокон базальта.

Для снижения разрушающего воздействия составляющих компонентов цементной смеси используют добавки.

Песчаный бетон

Основное отличие его от большинства видов бетонов – основа только на мелком заполнителе, что способствует снижению стоимости и времени на его изготовление. А также невысокая трудоёмкость при производстве.

Характеристики песчаного бетона:

• высокая скорость затвердевания;
• укладка без виброинструмента;
• устойчивость коррозии;
• большая прочность;
• водонепроницаемость;
• меньшая усадка;
• морозоустойчивость (при использовании добавок);
• пожарная безопасность;
• не токсичен для людей.

Применение. Активно применяется при строительстве дорог любых уровней нагрузки и в аэродромном строительстве. В гражданском строительстве – при заливке полов, кирпичной кладке, бетонной стяжке; при экстренных и спасательных работах. Высокопрочный бетон класса В90 применяется в промышленном производстве и при изготовлении железобетонных изделий.

Изготовление высокопрочного бетона

Изготовление бетона высокопрочного типа – занятие затратное и по трудоемкости, и по финансам. Так как этот вид стройматериала используется для специализированных построек, применение его в домашних условиях нецелесообразно. Необходимость приобретения дорогостоящих материалов, таких как особо прочный цемент, низкое В/Ц соотношение, и применение суперпластификаторов, делают процесс изготовления такого бетона энергозатратным и дорогостоящим.

Источники информации:

1. ГОСТ 7473-2010
2. ГОСТ 31914-2012
3. СНиП 52-01-2003
4. СП 311.1325800.2017
5. ГОСТ 26633-91
6. Рекомендации по технологии изготовления изделий и конструкций из высокопрочных бетонов (утверждено 04.04.1986 г.)
7. Строительные материалы и изделия. Учебник – Барабанщиков Ю. Г., 2008. – 368 с.
8. ЕН 12350-5:2000 Испытание бетонной смеси – часть 5: испытание на расплыв.
9. ЕН 12350-4:2000 Испытание бетонной смеси – часть 4: степень уплотняемости.