Г. ФЕРРАРИ (Италия), Самоуплотняющийся бетон для моста "Калатрава" в Венеции

В девятнадцатом веке было построено три моста через Гранд канал в Венеции: «Риалто», «Академия» и «Скалзи».В последнее время ввиду увеличения потока туристов, посещающих Венецию, возникла необходимость строительства четвертого моста.

Новый мост, спроектированный известным архитектором Сантьяго Калатрава, представляет собой арку из стали и стекла пролетом 90 м, подсвеченную мощными лампами, который хорошо вписывается в традиционную Венецианскую архитектуру.

В противоположность видимой легкой части мост «Калатрава» имеет массивный тяжелый фундамент, на который опираются конструкции всего сооружения. Вследствие высокой степени армирования несущих стен бетонирование конструкции обычными бетонными смесями было невозможно. Поэтому для строительства моста необходимо было разработать самоуплотняющиеся бетонные смеси, использование которых представляет собой самую современную и передовую технологию.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси на основе цемента, характеризующиеся высокой подвижностью и позволяют производить бетонирование без применения вибрации. За счет введения специальных добавок такие смеси имеют низкое водоцементное отношение, и они не расслаиваются, что свойственно обычным высокоподвижным бетонным смесям.

Проектирование составов бетона было выполнено при соблюдении следующих основных принципов:

а) Расход крупного заполнителя (максимальный диаметр - 25 мм, предпочтительнее -15 мм) не должен превышать 340 л на 1 м3 бетонной смеси. Соблюдение этого условия обеспечивает способность смеси проходить сквозь густорасположенную арматуру;

б) Общий объем тонкодисперсной фракции (цемент и микронаполнители) должен находится в пределах от 170 до 200 л на 1 м3. Большой объем цементного теста обеспечивает необходимую смазку поверхности заполнителя и снижает вероятность блокировки бетонной смеси при ее укладке;

в) Соотношение между объемами воды и тонкодисперсной фракции в смеси должно быть в пределах от 0,85 до 1,20. Если это соотношение слишком мало, то смесь будет вязкой, соответственно подвижность упадет, и уплотнение смеси станет затруднительным;

г) Особенно важно для применения в самоуплотняющихся бетонных смесях суперпластификаторов на основе поликарбоксила- тов. Благодаря механизму дефлокуляции цементных частиц, основанному на стерическом отталкивании, эти суперпластификаторы более эффективны по сравнению с прежним поколением суперпластификаторов на основе нафталин- и меламинформальдегидных соединений, действие которых основано на электростатическом отталкивании. Для обеспечения требуемой удобоукладываемости смеси дозировка суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов должна составлять от 1 до 1,5 % массы цемента;

д) Для уменьшения водоотделения и расслоения необходимы добавки, изменяющие вязкость жидкой фазы. Эти добавки являются важной составляющей самоуплотняющихся бетонных смесей и представляют собой полимеры на основе полисахаридов. К ним относятся модифицированная целлюлоза, Welan gum, Xanthan и высокомолекулярный полиоксиэтилен. Дозировка добавок-модификаторов вязкости обычно находится в пределах от 0,4 до 0,7 % массы цемента.

В сравнении с обычными бетонами применение самоуплотняющихся бетонов повышает производительность труда на стройплощадке и соответственно сокращает сроки строительства, а также общую стоимость. Существуют и некоторые другие технологические аспекты, благодаря которым самоуплотняющиеся бетоны являются более предпочтительными. Содержание микронаполнителей в таких бетонах, даже химически инертного молотого известняка, способствует повышению срока службы и долговечности бетона. Этот эффект еще более усиливается, если использовать в качестве микронаполнителя пуццоланово активные материалы, такие как микрокремнезем и золу-унос.


При сравнении самоуплотняющегося бетона с карбонатным микронаполнителем и обычного бетона с одинаковым значением водоцементного отношения (0,45) и равной подвижностью (марка по подвижности П4) видно, что микропористость первого меньше, чем второго. Снижение микропористости цементной матрицы способствует повышению практически всех свойств затвердевшего бетона из самоуплотняющихся смесей. На рис. 1 показано увеличение прочности на сжатие самоуплотняющегося бетона в сравнении с обычным бетоном при одинаковом водоцементном отношении. Из рис. 1 видно, что даже при равном водоцементном отношении прочность на сжатие самоуплотняющегося бетона на 20 % выше во все сроки твердения. Это обстоятельство объясняется снижением микропористости цементного камня самоуплотянющегося бетона.


Кроме того, большое содержание микронаполнителей в самоуплотняющихся бетонах повышает сцепление бетона с арматурой (см. рис. 2). Полученные данные ясно свидетельствуют о том, что сцепление самоуплотняющегося бетона с арматурой лучше, чем у обычного бетона. Следует также отметить, что если сцепление обычного бетона с арматурой зависит от времени вибрации, то для самоуплотняющегося бетона, который не требует применения вибрации, улучшение сцепления происходит преимущественно благодаря присутствию микронаполнителя на границе раздела между арматурой и бетоном.

Применение самоуплотняющегося бетона для моста «Калатрава» было продиктован высоким расходом арматуры на единицу объема бетона (в среднем 240 кг/м3), а также большой плотностью ее расположения (стержни диаметром 24- 32 мм с расстоянием между собой от 0 до 4 см). Кроме того, исходя из агрессивных условий эксплуатации, к конструкции предъявлялись высокие требования по долговечности, поэтому бетонные смеси имели водоцементное отношение менее 0,45.

Для оптимизации состава самоуплотняющегося бетона было проведено несколько лабораторных испытаний. Окончательный состав бетона для моста «Калатрава» приведен в таблице.

Для того чтобы не создавать проблем для речного транспорта, бетонирование моста «Калатрава» производилось ночью. В общей сложности при бетонировании моста было уложено 4 500 м3 самоуплотняющегося бетона.

Мост «Калатрава» является выдающимся примером рационального применения самоуплотняющихся бетонов и подтверждает значимость нового поколения суперпластификаторов для получения таких бетонов.

В настоящее время в научном мире сделан значительный прорыв в области разработки и применения строительных материалов [3]. Одним из основных направлений деятельности ученых являются исследования по поиску новых эффективных бетонов. Особенно необходимо отметить здесь достижения немецкой и японской науки. Например, открытие нанотрубок в Японии в 1991 г. Известно, что их прочность на разрыв почти в 100 раз превосходит прочность стали, а по размерам они в 50 ООО раз тоньше человеческого волоса. Эти трубки устойчивы к коррозии. Эксперименты показывают, что применение нанотрубок в качестве нанофибр значительно увеличивает прочность бетона.

Японские фирмы новым способом производят большое количество крошечных трубочек (от 140 до 250 грамм за час). Существует несколько методов создания углеродных нанотрубок. Японские фирмы используют для этого химическое осаждение из газовой фазы - метод, который является самым перспективным для коммерческого производства продукта. Углеродные нанотрубки - это свернутые в цилиндр листы, которые состоят из атомов углерода. Крошечные трубочки имеют исключительные физические свойства. Их невероятный предел прочности на разрыв позволяет уже сейчас использовать нанотрубки для создания композиционных материалов.

В Германии наука идет своим путем. Высокое качество аттестуется в Германии по системе управления качеством DIN, а также нормами проектирования DIN к расчету на прогиб, поперечную силу и на продавливание. Результаты оцениваются специальными программами, основанными на методе конечных элементов [5].

Особое внимание необходимо уделить еще одному направлению - высокопрочным тканым бетонам. Эти ультраэффективные материалы позволяют создавать конструкции в несколько раз тоньше и намного легче железобетонных. Толщина таких конструкций может измеряться несколькими сантиметрами, что достигается армированием их стеклотканью и применением комплексных компонентов-добавок. Глубокие исследования в этом направлении проводятся в Германии. Значительное финансирование там направлено на научные исследования в области нанотехнологий.

В последнее время активизируется процесс программного обеспечения в строительстве, появляются новые разработки. Однако нормативная база, в частности по производству и применению бетонов, еще недостаточно развита. Этот недостаток отмечают многие строительные организации и фирмы.

Известно, что бетон является достаточно огнестойким материалом, он имеет высокую несущую способность при пожаре, что подтверждается на практике. Это еще одно из ею уникальных свойств в сравнении с другими строительными материалами, такими как сталь, алюминий, стекло. Практические эксперименты показывают, что полипропиленовая фибра повышает несущую способность железобетонной конструкции при огневом воздействии и снижает взрывной характер разрушения бетона

В последнее время процесс появления новых материалов ускоряется. Что раньше не менялось десятилетиями, сейчас буквально шквалом начинает развиваться. Обширное поле нереализованных возможностей представляет собой область производства и применение бетона. В последнее время он претерпел множество изменений и модификаций [4], процесс интенсификации технологий его производства ускоряется, что дает возможность придать ему новые уникальные свойства [1]. Появились бетоны ультравысоких технологий (“Ultra high performance concrete”) с прочностью на сжатие 200 Н/мм2 и выше. Такие бетоны скорее можно назвать композиционными материалами или композитами, нежели бетонами, поскольку их модификация далеко отличается от традиционного обыкновенного бетона. Конструкции на основе таких материалов имеют существенно меньшую площадь поперечного сечения, высокую прочность и значительно большие пролеты. В связи с высокой плотностью таких материалов повышается их долговечность и стойкость к различного рода воздействиям. Сообщается, что в лабораториях получен бетон прочностью на сжатие около 500 Н/мм2, что превышает аналогичные показатели стали [2].

Бетон и железобетон, 2006 №3