Высокопрочный бетон (высокой прочности, сверхпрочный): применение, преимущества и недостатки

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

Область применения	Здание/сооружение
Гражданское строительство	Высотные дома
Монолитные конструкции	Плиты дорожные и перекрытия, своды
Сборно-монолитные конструкции	Платформы, тоннели
Военные объекты	Бункеры, строения на полигонах
Космодромы	Стартовые площадки

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.

Особенности современных бетонных составов

Еще в советское время стандартная номенклатура строительных материалов предусматривала возможность изготовления высокопрочных бетонов соответствующих классов от В40 до В60. Их применяли в строительстве особо ответственных конструкций и элементов мостов, плотин, железнодорожных шпал и других. Однако отличительной характеристикой этих составов являлась их высокая жесткость и низкая способность к качественной укладке.

Современные композитные смеси повышенной прочности отличаются не только высокой устойчивостью к механическим и весовым нагрузкам, но и прекрасным уровнем технологичности при укладке в монолитную конструкцию. Очень хорошая подвижность и способность материалов к самоуплотнению позволяет отказаться от использования вибрационного оборудования и уменьшить необходимое количество рабочих на строительной площадке.

Способность сверхпрочного бетона к самостоятельному уплотнению при укладке

При получении новых сортов бетона изготовители строительных материалов получают уникальную структуру искусственного камня благодаря применению технологии непрерывной гранулометрии всех составляющих компонентов.

Точно подобранные фракции наполнителей размером не более 20 мм и специально обработанных для получения особой формы, позволяют получить особое активное строение материала, способного перетекать и уплотняться под собственным весом. За счет этих свойств такие смеси получили обобщающее название самоуплотняющихся бетонов (СУБ).

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

Класс бетона по прочности	Ближайшая марка бетона по прочности
B60	М800
B65	М900
B70	М900
B75	М1000
B80	М1000

Преимущества бетона: чем отличается от обычного?

Довольно сложные конструкции из данного материала не будут излишне тяжелыми.
Самый прочный в мире бетон может стать решением сложной архитектурной задумки. Бетонный материал легко доукрепляется с армирующими материалами. Особо популярно применение высокопрочной смеси при возведении железобетонных конструкций, которые основаны на тяжелых бетонных марках М-400 и 500. Использование стройматериала позволяет существенно снизить массу сооружаемого объекта, сократить диаметр сооружения в разрезе, быстро и эффективно придать идеальные параметры предполагаемому изделию.

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

Класс (марка) бетона	Цена
B45 (М600)	4400 р./м3
B50 (М700)	4500 р./м3
B60 (М800)	4680 р./м3
B80 (М1000)	5100 р./м3

Цены, приведенные в таблице 3, являются приблизительными, актуальны на момент изучения статьи (4-й квартал 2022 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.

Где используют: применение материала

Мосты можно возводить, применяя материал с таким свойством.
Строительный раствор, обладающий высокой стойкостью и сопротивлением к разрушающим факторам показан к использованию во всех направлениях строительства. Применение высокопрочных бетонов:

• сооружение железобетонных конструкций;
• для дорожных покрытий;
• возведение мостов и аэродромных взлетных полос;
• для сооружения складов, имеющих специфические эксплуатационные особенности;
• заливка полов, внутри масштабных сооружений промышленного и жилого типа.

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.

Применение особо прочного бетона

Бетонные композитные смеси нового поколения отличаются от классических марок более высокой стоимостью. Поэтому их применение должно быть основано на проведении технико-экономических расчетов. Столь высокие прочностные показатели не требуются в массовом типовом строительстве, и поэтому вопрос применения этих материалов возникает не часто.

Наиболее часто высокопрочный бетон применяют при строительстве высотных зданий, мостов, гидротехнических сооружений, энергетических установок и конструкций сложной геометрической формы. Еще не так давно высотные здания возводились из металла, поскольку железобетонные конструкции были неспособны выдерживать вес нескольких десятков этажей. Современные композитные материалы позволяют в значительной степени уменьшить металлоемкость строительных конструкций и обеспечить необходимую прочность и надежность.

Ponte Sheikh Zayed

Его применяют для возведения мостовых пролетов большой длины, уменьшая количество несущих опор и ускоряя сроки выполнения проекта. Применение новых композитных материалов обычно направлено на решение сложных инженерных задач и редко встречается в традиционных способах строительства.