Бетонное программирование для небоскреба
Приготовить бетон очень просто. Возьмите цемент, воду и песок, щепотку щебня, смешайте. Готово! Можно ли построить из получившегося раствора что-нибудь? Конечно. Можно ли построить из него уникальное здание? Нет.
Что с этой смесью не так? Отправимся на стройку петербургского «Лахта центра» и узнаем. Сегодняшний пост — про второй из трех «компонентов» башни. Узнать про первый, стекло, можно тут.
(Фотоисточник)
Большие города часто называют бетонными джунглями. Это красноречиво свидетельствует о том, какой стройматериал сегодня самый распространённый.
Больше всего бетон любят в Азии. Вынужденно, из-за дорогой стали. Там и небоскребы возводят почти полностью из бетона — например, башни Петронас в Куала-Лумпур.
Эти «близнецы» весят в два раза больше, чем если бы имели стальной каркас. Но куда меньше, чем если бы их строили всего десятилетием ранее. Что случилось на этом промежутке?
***
Поиск баланса между несущей способностью грунта и весом точечного супертяжелого здания –всегда вызов. История башен в Куала-Лумпур тут показательна — они не только «бетонотяжелые», но еще и стоят на податливом известняке. Вероятно, если бы их возводили менее грамотные инженеры и строители, сотрудники Петронаса уже бы давно узнали, как выглядит магма. Но под башнями — 100-метровые сваи, а вес построек существенно облегчен благодаря высокопрочному модифицированному бетону. Будете в Куала-Лумпуре — заходите без опаски.
(Фотоисточник)
БЕТОННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Модифицированный бетон точно должны были придумать в Азии. В регионе, где грунты слабы и сейсмически активны, каждый клочок земли– на вес золота и кубометр стали — примерно также, зато все отлично с «мозгами» и технологиями. Революционная ситуация назревала недолго. Прорыв совершили японцы, в конце 1980-х-начале 90-х. Изобретение — специальные добавки в бетон. Они сделали его высокопрочным и открыли эру бетонного «программирования». Теперь свойства бетона можно заранее задать с помощью строительной химии.
Городские пейзажи в Азии. (Фотоисточник)
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН. КАК ЭТО СДЕЛАНО
Качество классических бетонов зависит от расхода цемента. Свойства высокопрочных бетонов зависят от добавок.
Как следует из названия, основной критерий нового бетона — повышенная твердость. Это минимум класс В40, прочность на сжатие от 60 МПа и выше. В России самый высокопрочный бетон — В90, заявлен на строительстве комплекса «Москва Сити».
Бетонная смесь состоит из твердых, жидких и газообразных веществ — воздуха, воды, цемента, крупных и мелких заполнителей. Размеры твердых частиц могут отличаться друг от друга в миллион раз.
Основные компоненты бетонного раствора
Получится ли смесь в принципе, зависит от соотношения твердых частиц и воды. Если оно оптимально, то молекулы воды окружат твердые частицы, уплотнятся и образуют между собой связи — кристаллическую структуру. Если воды больше чем надо — будет расслоение: лужи наверху и крупные фракции внизу. При нехватке воды тоже ничего не выйдет.
Расслоение смеси
Если раствор получился, то следующая опасность — капиллярные поры.
Вот они. (Фото отсюда)
Это полости, размером от 0,01 до 10 мкм, заполненные водой. После того, как вода стягивается в структуру, в полостях возникает вакуум. Туда подсасывается вода или воздух из окружающей среды. При минус 2–3 С вода в порах замерзает и увеличивается в объеме. Лед «рвет» бетон. Через несколько циклов заморозки образуются микротрещины.
Поры — главный дефект бетона. К счастью, почти все они сосредоточены в одном месте — цементном камне.
Фрагмент порового пространства цементного камня (Фотоисточник)
Объем цементного камня в бетоне — 25–30%. Он — слабейшее звено. Если его будет меньше или вовсе не будет — пористость уменьшится. Именно в эту мишень и бьют добавки.
Например — микрокремнеземы. Это –шарообразные частички кремнезема, размером около 0,1 мкм. Тысячи таких гранул окружают зерна цемента, уплотняют смесь, заполняя все пустоты.
Еще одна группа — суперпластификаторы (полимеры). Увеличивают подвижность и текучесть смеси. Формируют структуру бетона на начальной стадии, уменьшая объем цементного камня.
Цементный камень, возраст — 28 суток, увеличение в 1000 раз.
Цементный камень, с добавкой микрокремнезема. Возраст — 28 суток, увеличение в 1000 раз. Обе фотографии отсюда
ПОЧЕМУ ЭТО РЕВОЛЮЦИЯ
Пантеон и с цементным камнем прекрасно себя чувствует вот уже две тысячи лет. Построен из обычного бетона. Что-то тут не так.
Пантеон, Рим. Ввод в эксплуатацию — 126 г.н.э. (Фото отсюда)
Во-первых, в Риме не холодно. Но не это главное. Основное — древние римляне не строили небоскребов. У них не было задачи снизить вес конструкции и нагрузку на грунт. У современных небоскребостроителей — каждая тонна на счету.
Высокопрочный бетон весит как обычный — все те же 2200–2500 кг/м3. Но итоговый вес конструкции существенно снижается. Это происходит за счет уменьшения сечений и количества арматуры.
Вот как это выглядит в конкретных цифрах.
Исследователи Е.Е. Корякина и В.Н. Аксенов из РГСУ, провели расчеты по колоннам на первых двух этажах в жилом доме на улице Стадионная (Ростов-на Дону). Первый расчет — с классическим бетоном В25, второй — с высокопрочным В80. Размер сечений колонны удалось снизить с 600×600 мм до 400×400 мм. Массу арматуры — с 6 т до 1,1 т., объем бетона — с 29 до 13 м3. Затраты на материалы — на 57%, «несмотря на существенный рост стоимости бетона».Источник — ст. «Об эффективности использования высокопрочного бетона в сжатых элементах высотных зданий», ж. «Технические науки»)
Это расчет для простой высотки. Переносим в грубом приближении эти результаты на масштабы небоскреба. Это действительно революция!
ЧТО ЕЩЕ МОЖНО «НАХИМИЧИТЬ»
С помощью добавок теперь можно заранее спроектировать и другие качества — морозостойкость, устойчивость к химической агрессии, сделать бетон подвижным, изменить сроки затвердения. Теперь он даже укладываться может сам.
Разберемся во всех тонкостях на примере самой большой и сложной монолитной бетонной конструкции в России.
Нижняя плита коробчатого фундамента башни «Лахта центра». Площадь — 5700 кв.м. Толщина — 3200 мм, материалы — арматура, сталь А500, бетон — В60
В ЧЕМ СЕКРЕТ БЫСТРОГО БЕТОНИРОВАНИЯ
За нижнюю фундаментную плиту «Лахта центр» был держателем рекорда на самую объемную непрерывную заливку бетона — 19 624 кубометра за 49 часов.
01.03.2015
Полтора года спустя, в 2016, достижение превзошли в Эмиратах — у них на 169 кубов больше и на 4 часа быстрее. Под записью в КРГ первым номером идет настойчивая просьба уточнить, точно ли побит российский рекорд. Да, друзья, высотное строительство не стоит на месте, и это прекрасно. Тем не менее, плит, подобных нашей и дубайской, в мире пока что — пересчитать на пальцах.
Итак, двадцать тысяч кубометров за двое суток. Один из секретов скорости — СУБ, самоуплотняющийся бетон.
Классический случай выглядит так: в бетонном разливе стоят рабочие и с помощью вибраторов уплотняют смесь.
Усердный строитель меняет вибраторы и скорость колебаний — в его руках качество конструкции. Процесс долгий и очень трудоемкий.
СУБ уплотняется сам.
На этом можно поставить точку. Но все же продолжу — есть еще более веские причины «за».
БЕЗАЛЬТЕРАНТИВНЫЙ СУБЧИК
Причина № 1 — швы
Скорость укладки нужна, конечно, не рекордов ради. В бетонировании есть понятие «холодный шов» — граница между схватившимся и свежезалитым растворами. Это — будущее слабое место. Рвется по шву — не только о ткани.
Холодные швы. Иллюстрация из книги Self-Compacting Concrete by Geert De Schutter, Peter J.M. Bartos, Peter Domone & John Gibbs
Причина № 2 — объем конструкции
Предположим, отвибрировать первый слой удалось быстро, менее чем за 5 часов, требуемых для образования шва. Заливка продолжается. Через некоторое время бетонный «пруд» достигает глубины 1 метр. Идти с вибратором вброд не получится — теперь точно надо ждать, пока смесь застынет. Возвращаемся к причине № 1.
Крупный объем
Причина № 3 — арматура
Все конструкции «Лахта центра» густо армированы. В нижней плите –15 соосно расположенных сеток. Работать с вибрационной установкой в таких условиях — решительно никакой возможности.
Армирование нижней плиты коробчатого фундамента башни «Лахта центра»
КАК РАБОТАЕТ СУБ
СУБ уплотняется под воздействием собственного веса. Он, как вязкая жидкость, заполняет даже самую густоармированную форму. Механизм работы обеспечивает добавление суперпластификаторов — частицы поликарбоксилатов окружают поверхность цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. Зерна отталкиваются друга от друга, раствор движется без всякой вибрации.
Поведение СУБ на заливке плиты — смесь нежно окутывает арматуру
Насколько подвижен СУБ, можно понять из сравнения. Есть такой тест — в мерный конус заливают смесь, переворачивают, снимают и замеряют, насколько осел или растекся конус. Показатель так и называется ОК — осадка конуса. ОК для высокопрочных и высокоподвижных бетонов — 22–24 см. У СУБ, который использовался в Лахте, ОК был 60–65 см!
Тест на растекание конуса
Конечно, такая «волшебная» смесь требует и точного расчета, и первоклассных компонентов. Например, СУБ, больше чем другие бетоны, зависит от формы и размера фракций. Если крупный заполнитель имеет сплюснутую форму частиц, они будут создавать заторы в бетонной «реке». В остальном смесь может быть идеальной — и все равно, как надо уже не получится.
ПОЧЕМУ В ПЕТЕРБУРГЕ НЕ ПРОДАЮТ ЗАГРАНИЧНЫЙ БЕТОН
Если вы спрашивали в когда-нибудь комментариях о местных материалах или технологиях, то вот он — тот самый случай. Бетон — всегда локальный продукт. В комплексе «Лахта центр» — 400 тысяч кубометров произведенного здесь и сейчас бетона.
Причина проста — компоненты для бетонной смеси нельзя долго хранить. Цемент испортится, песок — отсыреет. У готового раствора есть всего 2–3 часа с момента смешивания, чтобы или лечь в конструкцию или отправится в утиль. Заграница тут не поможет.
И это — проблема. На рынке продают то, что покупают. В Петербурге покупают смеси классов В25-В30 — классический бетон для обычных гражданских зданий. В25-В30 — не синоним плохого качества, оно может быть на высоте. Но это автоматически означает то, что нельзя прийти в любое место и просто купить бетон для небоскреба. Надо отправляться на разведку — искать компоненты, экспериментировать с рецептом, отсматривать поставщиков.
Нельзя вот так просто взять и купить бетон в любом месте — ни для дома, ни для небоскреба
***
Читайте в следующем посте — почему нельзя насыпать в смесь песка из Финского залива — близко и удобно? Щебенка из гранита не подошла в заполнители. Что делать? Дурнопахнущие добавки в бетон — правда или нет? Через какое время можно пройтись по бетону и не застрять?
—
Консультант:
В.М. Лукин — руководитель проекта по железобетонным конструкциям «Лахта центра»
