Научно-технической целью проекта Высокопрочный легкий бетон является создание технологии высококачественных строительных материалов для повышения эффективности строительства и снижения удельной стоимости строительного объекта. Для достижения этой цель сформулирована основная задача: разработка технологии материала полифункционального назначения с универсальным набором эксплуатационных свойств.

Мировой тенденцией по повышению качества бетона, как наиболее распространенного в строительстве материала, является объединение положительных качеств легких и тяжелых его видов. То есть снижение средней плотности и повышение прочности бетона обеспечит возможность сочетание конструкционных и теплоизоляционных свойств этих материалов. Критичной областью для решения этой проблемы является средняя плотность бетона 1800 кг/м³, при снижении которой ниже этого предела материал теряет в прочности и не способен обеспечить конструкционные характеристики.

Авторами проекта разработана технология получения энергоэффективных высокопрочных легких бетонов (ВПЛБ) средней плотностью 1300...1500 кг/м³ и маркой по прочности более М600, что на 15..20 % легче и 30...40 % прочнее по сравнению с ближайшими мировыми аналогами. Наш бетон почти вдвое легче и "теплее" традиционного тяжелого бетона, сохраняя при этом высокую прочность и морозостойкость (более F300), что не достижимо для применяемых сегодня ячеистых бетонов.

Высокопрочный легкий бетон является мелкозернистым бетоном, не содержащим крупный заполнитель. Снижение средней плотности достигается за счет сферических частиц микрометрического размера представляющих собой углекислый газ в твердой непористой оболочке. В сочетании с подобранными особым способом компонентами цементно-минеральной составляющей бетона и специальными модифицирующими добавками полый наполнитель формирует одновременно плотную и прочную структуру бетона с насыщенной закрытой пористостью.

Разработанный бетон классифицируется как материал конструкционного назначения с высоким эксплуатационными свойствами, который может быть использован в жилищном и общественном строительстве, для возведения многоэтажных и высотных зданий и сооружений, при строительстве железнодорожных и автомобильных мостов, эстакад, развязок, а также при изготовлении большепролетных изделий из железобетона (фермы, балки, ригели и т.д.) и устройстве сложных строительных объектов. Кроме того, такой бетон значительно расширяет архитектурные возможности строительства.

Применение высокопрочного легкого бетона в строительстве позволяет:

• Сократить вес здания и увеличить максимальную этажность (до 40%) за счет низкой средней плотности;
• Уменьшить требования к основаниям и фундаментам - снизить стоимость работ на "нулевом цикле" в 2-2,5 раза;
• Снизить материалоемкость строительства за счет экономии бетона и металлической арматуры;
• Повысить энергоэффективность здания в процессе его эксплуатации (экономия энергии на отоплении);
• Сократить затраты на транспортные и монтажные работы за счет использования менее грузоподъемной техники;
• Снизить стоимость 1 м² жилья в многоэтажном здании на 30%.
  
  Общая эффективность строительства за счет применения изделий из высокопрочного легкого бетона увеличивается на 30-35%!

Высокопрочные легкие бетоны представляют собой составы многокомпонентного мелкозернистого композиционного материалы на цементном вяжущем. Состав и расход компонентов подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокую прочность дисперсной фазы и дисперсной среды, а также высокой адгезии на границе раздела фаз. Основным компонентом для снижения плотности бетона используются полые стеклянные и/или алюмосиликатные микросферы. Каркасообразующая составляющая включает четыре компонента различной дисперсности, что позволяет добиться высокой плотности упаковки, заполнить поры и получить прочную структуру. Для повышения прочности на границе раздела фаз используется специальный модификатор, бикомпонентная основа которого, привитого к поверхности микросфер, способствует комплексному взаимодействию с цементом и продуктами его гидратации и обеспечивает повышение адгезии цементно-минеральной матрицы к полым микросферам.

Свойства высокопрочных легких бетонов

Таблица 1

Преимущества высокопрочных легких бетонов

Бетон был и остается основным строительным материалом для строительства жилья. Разработанный бетон обладает положительными качествами и преимуществами по отношению как к традиционным легким, так и тяжелым бетонам (таблица 2). Важнейшей особенностью высокопрочного легкого бетона и его отличительной стороной от тяжелых бетонов является почти в 2 раза меньшая плотность. При этом такой бетон имеет высокий предел прочности при сжатии (марка М400...М600). При этом ВПЛБ имеет более чем в 2,5 раза меньший коэффициент тепло- и температуропроводности.

В отличие от легких бетонов высокопрочный легкий бетон обладает высокой прочностью, низким водопоглощением и высокой морозостойкостью, а также однородностью структуры по объему. Разработанный бетон имеет марку по морозостойкости не менее F300 (при общей пористости 33,4%), что не достижимо для традиционных ячеистых бетонов. В настоящее время в строительстве принято комбинировать тяжелый бетон, используя его в качестве конструкционного материал, с легким бетоном для утепления ограждающих конструкций. Свойства же высокопрочного легкого бетона позволяют объединить эти функции в одном материале.

Таблица 2

Примечание: "+" – наличие указанного качества; "–" – отсутствие указанного качества.

Мировые аналоги в обозначенном направлении

Разработанный составы бетонов превосходят мировые аналоги на 15...40% по средней плотности и прочности.

Таблица 3

Год	Страна		Прочность при сжатии, МПа	Средняя плотность, кг/м3	Удельная прочность, МПа
1999		Кувейт	22…25	1520…1550	14,4…15,0
2002		Германия	14…25	1800…1850	7,5…15,0
2003		Бразилия	40…50	1450…1600	24,5…30,5
2003		Турция	30…40	1800…1860	16,1…22,2
2004		Япония	47…54	1800…1850	27,5…30,0
2007		Россия	46…61	1800…1850	25,5…33,8
2007		Россия	42…48	1600…1650	25,4…28,7
2010		Малайзия	43…48	1870…1990	22,9…24,1
2011		Турция	42…60	1840…1960	22,8…30,6
2012		Португалия	40…70	1500…2000	22,8…35,0
2012		ВПЛБ	40…70	1300…1500	30,0…50,0

Область применения высокопрочных легких бетонов

Энергоэффективные высокопрочные легкие бетоны могут быть использованы при изготовлении изделий из железобетона в промышленном и гражданском строительстве для возведения многоэтажных и высотных жилых и общественных зданий, при строительстве дорожных мостов, эстакад и развязок, при изготовлении большепролетных изделий из бетона, а так же при возведении сооружений специального назначения.

Снижение веса конструктивных элементов зданий позволяет решать сложные архитектурные задачи и расширяет область применения легких бетонов как конструкционного материала.

Кроме того все больше высокопрочные легкие бетоны получают распространение в специальном строительстве (атомная отрасль, электроснабжение и т.д.). Легкие, но прочный материал расширяет архитектурные возможности для строительства, что позволяет реализовывать смелые проектные решения.
Дополнительной особенностью является возможность применения такого бетона для строительства в условиях сложных грунтов (береговая линия рек, озер, морей), в районах с развитыми подземными коммуникациями (метро, тоннели), а также в сейсмически не стабильных регионах, что делает такой материал подходящем для строительства в крупнонаселенных городах, в туристических регионах (отели, гостиницы) и т.д.

Кроме того, высокопрочный легкий бетон может быть актуален в других областях строительства, где предъявляются высокие требования к эксплуатационным свойствам бетона, но существует ограничение по массе изделий или конструкций, например, для изготовления теплых фасадов, устройства балконных конструкций, производства специальных сырье-хранилищ сферической формы и т.д.

Технологическая схема завода ЖБИ из высокопрочного легкого бетона

Материалы и состав (рецептура) высокопрочного легкого бетона

Высокопрочный легкий бетон, изготавливается из бетонной смеси специального состава, содержащей цемент, наполнитель-микросферы, кварцевый песок, пластификатор и воду, дополнительно содержит минеральную часть, состоящую из кремнеземистых компонентов определенного состава и гранулометрии. В качестве пластификатора используется гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, эффективность которого зависит от вида, марки и концентрации. Высокопрочный легкий бетон является мелкозернистым бетоном, не содержащим крупный заполнитель. Снижение средней плотности достигается за счет введения сферических частиц микрометрического размера представляющих собой углекислый газ в твердой непористой оболочке. В сочетании с подобранными особым способом компонентами цементно-минеральной составляющей бетона и специальными модифицирующими добавками полый наполнитель формирует одновременно плотную и прочную структуру бетона с насыщенной закрытой пористостью.

Для приготовления ВПЛБ используется портландцемент, соответствующий по ГОСТ 31108-2003, например марки ПЦ500 Д0. Минеральная часть, в состав которой входит кварцевый песок фракционированный (фр. 0,16…0,63 мм), соответствующий ГОСТ 8739-93, и другие кремнеземистые компоненты, обеспечивает заполнение межзерновых пустот наполнителя, образуя плотную структуру. В качестве наполнителя используются стеклянные или алюмосиликатные полные микросферы, индивидуальные свойства которых обеспечивают снижение средней плотности при обеспечении высокой прочности высокопрочного легкого бетона. Применение поликарбоксилатного гиперпластификатора от производителей «Sika», «Melflux» или «Одолит-Т», позволяет увеличить подвижность и снизить водопотребность бетонной смеси.

Важнейшим компонентом для получения высокопрочных легких бетонов с заданными физико-механическими характеристиками является специальная наноразмерная добавка, разработанная в центре "Наноматериалы и нанотехнологии" МГСУ и используемая в качестве поверхностного модификатора частиц наполнителя. Функциональные необходимость его применения обусловлена дефектностью границы раздела фаз микросфера/цементно-минеральная матрица. Использование разработанного модификатора позволяет повысить адгезию в зоне контакта полого сферического наполнителя и каркасообразующей части ВПЛБ.

Качество изделий из высокопрочного легкого бетона будет зависить как от рецептурных, так технологических факторов: режимы приготовления и укладки бетонной смеси, режимы тепловлажностной обработки и т.д.

Перспективы развития

В настоящее время перспективным направлением для развития технологии высокопрочных легких бетонов в массовом строительстве является использование в качестве заполнителя гранулированного вспененного стеклокерамического заполнителя. Испытания показывают, что такие гранулы позволят создавать высокопрочные легкие бетоны (R_уд>25 МПа) рядовых марок М250-М500, что является традиционными марками для большинства изделий и конструкций из сборного железобетона.
Предварительные исследования показали, что использование гранул размером менее 1 мм позволяет получить бетон с пределом прочности при сжатии 48,5-52,5 МПа при средней плотности 1400-1600 кг/м³, что подтверждает высокую перспективность такого заполнителя для разработки технологии легких бетонов рядовых марок средней плотностью 1200-1500 кг/м³. При этом расход цемента на 1 м³ не будет превышать 450 кг, а стоимость бетона сможет конкурировать с тяжелым бетоном аналогичных марок, что в совокупности создает предпосылки для развития такой технологии. Региональная доступность сырья и экономичная технология производства гранулированного заполнителя из кремнистых пород совместно с адаптированной под местные ресурсы технология конструкционного легкого бетона имеет высокую экономическую привлекательность и в состоянии обеспечить развитие строительной отрасли в региональных и федеральных масштабах.