В связи с совершенствованием технологии бетона, а также освоением производства цемента марок М500–600 и эффективных пластификаторов стало возможным получение в производственных условиях бетона марок М600–800. По-видимому, в недалеком будущем марка высокопрочных бетонов поднимется до М800–1000.

В нашей стране накоплен значительный опыт проектирования и изготовления железобетонных обычных и преднапряженных конструкций из бетона высоких марок. Прежде всего такие бетоны используются в типовых сборных конструкциях.

Применение высокопрочного бетона марок М600–800 вместо обычного марок М300–400 даёт возможность существенно уменьшить объем бетона или сократить расход арматурной стали в железобетонных конструкциях. Помимо этого, благодаря уменьшению размеров сечения при повышении прочности бетона, на заводах сборного железобетона становится возможным изготовлять конструкции под разные нагрузки в формах одного типоразмера, что приводит к сокращению парка форм.

В качестве примера можно привести типовые стропильные фермы сегментного очертания с раскосной решеткой пролетом 18 м, которые разработаны под 10 унифицированных нагрузок и имеют четыре типоразмера. Если ферма изготавливается из бетона марки М350, то под нагрузку 850 кгс/м2 её необходимо выполнять в опалубке III типоразмера (объемом 3,11 м3), при использовании же бетона марки М600 ферма под эту же нагрузку может быть изготовлена в опалубке I типоразмера (объемом 1,8 мЗ). При этом экономится около 40% бетона (табл. 1).

Шифр фермыМарка бетонаОбъём бетона, м3Расход стали, кгСтоимость, %
3ФС18-5AIV 350 3,11 370 100
1ФС18-5KAIV 600 1,8 426 84

Столь большая экономия бетона достигается только в сжатых конструкциях, нагруженных ‹: очень малыми эксцентрицитетами, к числу которых относятся, например, элементы раскосных ферм, колонны связевых каркасов. В изгибаемых конструкциях экономия материалов получается меньше и, как правило, не превышает 15-20%.

Технико-экономическое сравнение усредненных характеристик стропильных конструкций одноэтажных промзданий и колонн многоэтажных каркасов гражданских зданий серии ИИ-04 из обычных и высокопрочных бетонов приведено в табл. 2.

КонструкцияМарка бетонаОбъём бетона, м3Расход стали, кг
Раскосная ферма пролётом 24 м 400 6,68 1360
600 5,2 1441
Решетчатая балка пролётом 18 м 400 4,49 808
600 3,77 780
Двутавровая балка пролётом 18 м 500 4,27 756
700 3,64 746
Колонны высотой 4,2 м 300 0,91 572
600 0,91 331

В настоящее время проектными организациями разработано около 20 типовых преднапряженных конструкций из высокопрочного бетона марок М600–800. Среди них стропильные сегментные раскосные и безраскосные фермы пролетом 18 и 24 м, подстропилытые фермы пролетом 12 м, стропильные двутавровые балки пролетом 12, 18 и 24 м, решетчатые балки пролетом 12 и 18 м, подкрановые балки пролетом 6 и 12 м, ребристые плиты покрытий размером в плане 3х12 и Зх18 м и ряд других конструкций, в основном под повышенные нагрузки.

Разработке типовых конструкций из высокопрочного бетона предшествовало экспериментальное проектирование при участии ряда научно-исследовательских организаций, в ходе которого разрабатывались опытные образцы конструкций, проходившие всесторонние испытания в лабораторных условиях. Эти испытания позволили достоверно оценить надежность конструкций в целом, а также отдельных их элементов, и в случае необходимости внести корректировку в размеры сечений и армирование.

В нашей стране за последние десять лет накоплен определенный опыт применения высокопрочного бетона в промышленном и гражданском строительстве, который даёт возможность определить области эффективного использования такого бетона в сборных и монолитных железобетонных конструкциях. При этом необходимо принимать во внимание, что высокопрочный бетон дороже обычного бетона марок М300–400 ввиду необходимости применения более дорогого цемента марок М550 или М600 и суперпластификаторов, а также щебня из твердых пород камня. Поэтому бетон высоких марок эффективен лишь в том случае, если снижение его объёма или экономия арматурной стали окажутся способными компенсировать это удорожание. В ряде случаев следует учитывать большую долговечность высокопрочного бетона, а также более высокие темпы набора его прочности.

В гражданском строительстве высокопрочный бетон применяется в колоннах каркасов многоэтажных жилых и общественных зданий. Эти каркасы выполняются по связевой схеме, особенностью которой является близкое к шарнирному соединение ригелей с многоэтажными гибкими колоннами и передача всех горизонтальных усилий на специальные жесткие вертикальные элементы, например на монолитные ядра жесткости или связевые диафрагмы. При этом колонны работают практически на осевое сжатие с небольшими случайными эксцентриситетами, и увеличение прочности бетона приводит к почти соответствующему повышению несущей способности.

Другой особенностью этих каркасов является унификация опалубочных форм всех конструктивных элементов. Это приводит к перегрузке колонн нижних пи средних этажей и необходимости сильного их армирования. Например, при выполнении колонн нижних этажей под расчетную нагрузку 16000 кН из бетона марок М300, 400 коэффициент армирования их продольной арматурой достигает 6% и более. Поэтому в таких колоннах оказывается выгодным использовать высокопрочный бетон с целью уменьшения расхода арматурной стали. При повышении марки бетона с М300 до М600 расход стали уменьшается в среднем на 240 кг на 1 м3 бетона.

В многоэтажных зданиях небольшой высоты (6-9 этажей) за счет использования бетона высоких марок оказывается возможным уменьшить сечение колонн с 40х40 до 30х30 см, практически сохраняя сечение арматуры.

В промышленном строительстве высокопрочный бетон весьма эффективен в стропильных и подстропильных конструкциях (фермах, балках), особенно под тяжелые нагрузки и для больших пролетов. При этом удается существенно уменьшить объем бетона и, следовательно, массу конструкций. Рациональным является применение в стропильных фермах непрерывного предварительно напряженного армирования (по эпюрам усилий), выполняемого на силовых стендах специальными арматурно-намоточными машинами.

В ряде случаев оказывается выгодным применять высокопрочный бетон и в плитах покрытий под большие нагрузки. Существенный эффект достигается при использовании бетона высоких марок в подкрановых балках, особенно пролетом 12 м.

Также экономически выгодно применять бетон марок М600–800 в колоннах одноэтажных промзданий, однако при этом следует иметь в виду, что уменьшение сечения колонн прямоугольной формы вследствие повышения прочности бетона приводит к увеличению их гибкости, поэтому колонны из высокопрочного бетона необходимо делать двутаврового, П-образного и кольцевого сечений.

Бетон высоких марок используется в колоннах многоэтажных производственных зданий рамно-связевой системы, устойчивость которых в поперечном направленны обеспечивается жестким соединением колонн с ригелями, а в продольном – металлическими связями.

Эти колонны во многих случаях имеют переменное сечение – в верхних этажах 40х40 см, а в нижних – 40х60 см. Использование в колоннах нижних этажей высокопрочного бетона позволяет уменьшить их сечение до 40х40 см, что приводит к экономии бетона, а также к снижению числа типоразмеров колонн и ригелей.

Бетон высоких марок может найти широкое применение и в других областях строительства. Например, в транспортном, где он уже используется в железобетонных тюбингах для обделки тоннелей, в пролетных строениях мостов. Рационально применять высокопрочный бетон также в преднапряженных стойках контактной сети, в аэродромных покрытиях.

В энергетическом строительстве железобетонные конструкции из высокопрочного бетона используются в колоннах каркасов тепловых электростанций. Эти колонны в ряде случаев выполняются с внешним армированием из стальных уголков, которые позволяют отказаться от закладных деталей и упростить соединение отдельных элементов.

Высокопрочный бетон также можно применять в стропильных конструкциях зданий ТЭЦ и тяжелонагруженных ригелях. Широкое применение он найдет при изготовлении напорных труб, шахтной крепи, шпалерных столбов и других специальных конструкций.

Бетон высоких марок может в больших объёмах использоваться и в монолитном строительстве, поскольку на основе высокоактивных цементов марок М550 и 600, а также эффективных пластифицирующих добавок и суперпластификаторов возможно получение подвижных бетонных смесей марок М600–700, которые можно подавать к месту укладки бетононасосами. Такой бетон окажется эффективным в монолитных многоэтажных тяжелонагруженных каркасах и других конструкциях.

Основным условием получения высокопрочных бетонов в производственных условиях является строгая технологическая дисциплина на всех этапах производства. При этом необходимо применять в качестве вяжущего портландцементы марок М500, 550 и 600.

Мелкий и крупный заполнители должны соответствовать требованиям действующих стандартов. Составы высокопрочных бетонов рекомендуется назначать с низкими водоцементными отношениями (от 0,25 до 0,35). Однако при нижних значениях указанных В/Ц, имеющих место в случае малой активности цемента, получаются жесткие бетонные смеси, которые требуют специальных методов уплотнения, усложняющих технологию производства. Поэтому необходимым технологическим приёмом при производстве конструкций из высокопрочных бетонов является введение в состав бетонной смеси пластифицирующих добавок. Кроме того, такие добавки являются основным резервом для дальнейшего понижении водосодержания в бетоне, а следовательно, для получения бетонов более высоких марок (М700–800 и выше).

В настоящее время наиболее эффективными добавками для получения высокопрочных бетонов в заводских условиях являются суперпластификаторы, применение которых в количестве до 1% массы цемента сильно пластифицирует бетонную смесь, не снижая прочности бетона, подвергнутого тепловой обработке. Например, применение суперпластификатора С-3 позволяет получать бетоны марок М700 и М800 соответственно на цементах марок М500 и М600 при осадке конуса бетонной смеси 3–5 мм.

Исследования показали, что длительность тепловой обработки высокопрочных бетонов вследствие более высокого темпа набора прочности может быть сокращена по сравнению с бетонами низших и средних марок. При пропаривании в течение 8…10 ч обеспечивается получение в среднем 80% прочности бетона. Однако сокращать режимы тепловой обработки необходимо за счет длительности изотермического прогрева.

Предварительная выдержка и подъем температуры должны составлять 3-5 ч, при этом температура прогрева не должна превышать 90°С. Режимы тепловой обработки можно сократить до 7 ч вследствие последующего прироста прочности бетона. В этом случае при имеющихся дополнительных производственных площадях изделия необходимо выдерживать в течение 24 ч после окончания тепловой обработки.

Перспективы применения железобетонных конструкций из высокопрочного бетона в строительстве можно представить исходя из общих тенденций развития строительной промышленности. Очевидно, что в будущем проблема снижения материалоёмкости железобетонных конструкций и особенно их металлоемкости станет еще более актуальной. В то же время совершенствование технологии получения высокопрочных цементов, а также увеличение выпуска суперпластификаторов позволит получать бетон высоких марок без усложнения технологии при незначительном удорожании производства.

Следует также отметить, что использование высокопрочного бетона позволяет сократить пороки тепловлажностной обработки железобетонных конструкций, что отмечалось выше, а в ряде случаев вообще ее исключить, например в теплое время года. Это даст возможность существенно уменьшить энергозатраты на изготовление железобетона.

Получение высокопрочных бетонов в производственных условиях связано с определенными трудностями, однако они вполне преодолимы. Об этом свидетельствует уже имеющийся опыт внедрения конструкций из бетона марок М600 и выше в промышленном и гражданском строительстве.