Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Д.т.н., профессор Калашников В.И.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Бетоны нового поколения с высоким объемным содержанием суспензионной составляющей

Бетонные пластифицированные смеси старого поколения с составом сухих компонентов «цемент-песок-щебень» и с расходами цемента от 200 до 300 кг на 1 м³ бетона практически не разжижаются или плохо разжижаются под действием даже эффективных супер- и гиперпластификаторов, а особенно, если используются средние и крупные пески. Из таких смесей невозможно достигнуть саморастекаемости, самоуплотняемости и высокой пластичности их с осадкой конуса ОК = 20-25 см без расслоения. Массовое соотношение песчано-щебеночной составляющей и цемента в бетонах с расходом цемента 200 кг/м³ составляет (9-10):1, а в бетонах с содержанием цемента 300 кг/м³ – (6,5-7,0):1. В бетонах с расходом цемента 200 кг/м³ это соотношение по объему будет (10-12):1. О каком разжижении «тощих» бетонных смесей, предельно-наполненных песчано-щебеночной смесью, неспособных реализовать вязко-пластичное течение через тончайшие прослойки цементной суспензии, можно говорить? Суперпластификаторы (СП) практически расходуются впустую.

С позиции реологии причина заключается в недостаточном количестве суспензионной составляющей «цемент-вода-суперпластификатор», ответственный за реологию и разжижение бетонных смесей. Бетон разжижает не суперпластификатор-разжижитель, как таковой, а диспергированная (разжиженная СП) агрегативно-устойчивая суспензия. Песок и щебень не разжижаются суперпластификатором. Он лишь отделяет и диспергирует загрязненные пылью частицы песка и щебня, если они используются немытыми. Состав компонентов бетонов нового поколения строго регулируется в соответствии с нашими разработками и методами расчета. Объемное содержание суспензионной составляющей в щебеночных бетонных смесях должно доходить до 45-50%, а в песчаных бетонах – до 70-80%. Нами разработаны принципиально новые суспензионно-наполненные порошково-активированные бетоны от марок М200 до марок М1500 (классы по прочности В15-В120), как для вибрационного уплотнения, так и для самоуплотнения. Особенность рецептуры состоит в том, что их бетонные смеси с малыми расходами цемента 250-350 кг на 1 м³ бетона являются самоуплотняющимися и не расслаивающимися при заливке в формы, в опалубку.

Бетон нового поколения является наукоемким и получение его связано с использованием положений фундаментальных наук химии, физико-химии поверхностных явлений и с положениями физико-химической механики агрегативно-устойчивых дисперсных систем (суспензии). Производство бетона в мире достигло в настоящее время 18-20 млрд. тонн в год. Бетон является основным конструкционным материалом в строительстве. С развитием высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона связана глобальная экономика любой мировой державы, выпускающие большие объемы бетона. И эта глобальная экономика определяется не столь высокой экономикой в строительстве, по сравнению с экономикой в отраслях, сопутствующих производству бетонов, т.е. с производством цемента, производством заполнителей и наполнителей для бетонов, с транспортными расходами, с ремонтными работами транспортного парка, с эксплуатацией автомобильных и железных дорог, с производством энергии и горюче-смазочных материалов и др. И все это в целом – существенное оздоровление экологической обстановки в регионах. Кроме того, в бетонах нового поколения используются отсевы камнедробления плотных горных пород, образующиеся как отходы щебня фракции 0-5 мм при получении его на карьерах. В них овеществлён затраченный труд и энергетические затраты, которые могут быть возвращены при потреблении огромных объемов накопившегося сырья.

Повышение прочности в 3-4 раза снижает объем строительных конструкций, цемента и заполнителей в 2-3 раза, а это уменьшение объема бетона, всех его компонентов и снижение затрат в перечисленных отраслях, сопутствующих производству бетона. В отличие от рекламных проспектов по производству бетонов по нанотехнологиям с введением малых нанодобавок (одномерных нанотрубок, фуллеренов, фуллероидов, наносиликатов, нанокальцитов, наноглин, наногелей кремнеземов и т.п.), разработанные нами бетоны изготавливаются по микро- миллитехнологиям с теми компонентами, которые «лежат на земле», с использованием дисперсных и тонкозернистых молотых и дробленых горных пород – плотного известняка, доломита, гранита, диорита, диабаза, базальта, обсидиана, в частности, из отходов камнедробления горных пород фр. 0-5 мм. Могут быть использованы дисперсные вулканические пеплы, молотые трассы, обсидианы.

На рисунках приведена киносъемка разрушения бетона старого поколения класса В25 (рис. 1) и порошково-активированного суспензионно-наполненного бетона нового поколения с прочностью 142 МПа после 1000 циклов морозостойкости (рис. 2).

Рис. 1. Разрушение образца-куба 100×100×100 мм из щебеночного бетона старого поколения В 25 при разрушающей нагрузке 32 т

Рис. 2. Разрушение образца-куба 100×100×100 мм из самоуплотняющегося порошково-активированного мелкозернистого карбонатного бетона при давлении 142 МПа после 1000 циклов морозостойкости

Имеются отдельные внедрения в производстве и промышленное апробирование [1]. Для производства суспензионно-наполненных порошково-активированных бетонов нового поколения требуется соответствующая инфраструктура, включающая пневмосепарацию отсевов камнедробления и помол горной породы до тонкости помола цемента. Новые энерго- и ресурсосберегающие бетоны имеют высокую плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, низкое водо- и массопоглощение и высокую коррозионную стойкость. Их всеобъемлющим техническим, экономическим и экологическим критерием является низкий расход цемента на единицу прочности бетона при сжатии [1-4]. У бетонов нового поколения удельный расход цемента на единицу прочности равен 2,5-5 кг/МПа, у выпускаемых в России лучших бетонов с микрокремнеземом в количестве 10-25 % от массы цемента удельный расход цемента на единицу прочности бетона равен 5-10 кг/МПа, а практически, на большинстве заводах железобетонных изделий – от 10 до 20 кг/МПа.

В таблице представлены технические характеристики для одного вида самоуплотняющегося сверхпрочного мелкозернистого бетона без микрокремнезема из бетонной смеси с осадкой конуса 27 см с расплывом 70 см, в которой наполнителями и заполнителями является молотый и дробленый известняк с дробимостью Д1000.

Таблица. Основные технические характеристики самоуплотняющегося сверхпрочного мелкозернистого бетона без микрокремнезема

Наименование показателей	Единица измерения	Значение
Прочность при сжатии Прочность на растяжение при изгибе Водопоглощение по массе Морозостойкость Деформации усадки Деформации набухания	МПа МПа % циклы мм/м мм/м	162 19,5 0,8-1,5 > 1000 0,32-0,35 0,14-0,16

Бетоны нового поколения наиболее эффективны и для железобетона с обычным стержневым армированием, с фиброармированием и с комбинированным армированием. Без технологии бетонов нового поколения Россия надолго отстанет от передовых зарубежных стран, и будет по-прежнему изготавливать бетоны из цемента-песка-щебня-воды, немного облагораживая их суперпластификаторами или добавляя микрокремнезем для повышения прочности.

На основании изложенного можно констатировать, XXI век должен в технологии бетона быть, прежде всего, веком микротехнологий с возможным добавлением нанометрических добавок для повышения прочности, которое улучшает оптимальную гранулометрию сухих компонентов микрометрической суспензионной составляющей. Кроме дисперсных нанометрических добавок, повышающих прочность и долговечность бетона, развитие наноиндустрии обеспечит технологию бетона новыми нанометрическими добавками, такими, как появившиеся в последние годы нанометрическими гидросиликатами кальция (X-Seed), нано-диоксидами титана, диоксидами кремния (кремнегелями) и т.п. Такие технологии бетона будут микро-нанотехнологиями.

Библиографический список

1. Калашников В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения // Бетон и железобетон. 2012. № 1. С. 82.

2. Калашников В.И., Гуляева Е.В., Валиев Д.М., Володин В.М., Хвастунов А.В. Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 44-47.

3. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.

4. Калашников В.И., Тараканов О.В., Кузнецов Ю.С., Володин В.М., Белякова Е.А. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 47-53.