reforef.ru 1 2 3
УДК. 691.31:678.06


Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения

В.И. Калашников, д-р техн. наук.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Рассмотрены принципы превращения цементоемких бетонов старого поколения в высокоэффективные малоцементные бетоны нового поколения. Показана топологическая структура порошково-активированных бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности и физико-технические показатели тяжелых бетонов.

Ключевые слова: высокофункциональные, высокопрочные, бетоны нового поколения, порошково-активированный, реологическая матрица, наполнитель, удельный расход цемента.
Цементные бетоны начали производиться после изобретения и промышленного освоения производства портландцемента в первой половине XIX века. Начиная с этого периода и до 30-х годов ХХ века, повышение прочности бетонов старого поколения следовало за повышением активности цементов. Качество бетонов, при прочих равных условиях, определялось маркой цемента. Качество заполнителей по показателям прочности, водостойкости и морозостойкости и качество воды затворения было высоким, неизменным и предопределенным природой, но строители не могли в то время освоить это высокое качество, кроме воды затворения, в полной мере (к сожалению, и в настоящее время как во многих странах, так и в России в настоящее время).

На эволюционном пути улучшения качества бетона, повышения его прочности были прорывные технологии, связанные с разработкой высокоэффективных способов уплотнения, в соответствии с законом водо-цементного отношения: виброуплотнения, виброуплотнения с пригрузом, поличастотного виброуплотнения, виброштампования, вибропроката, центрифугирования, вибровакуумирования и т.п. С развитием более энергозатратных технологий появились в эти периоды бетоны нового поколения, прочность которых превышала в 1,5-2 раза прочность бетонов изготовленных из пластичных смесей.


Ресурсо- и энергосберегающими бетонами нового поколения можно считать и бетоны, на появившихся шлакопортландцементах, если принимать во внимание не их технические, а экономические показатели, с попутным решением экологических задач, связанных с утилизацией металлургических шлаков. Новым этапом в истории бетонов стало использование пуццоланических добавок и изготовлением более водостойких бетонов для подводных сооружений.

Важным прогрессивным этапом в эволюции бетонов явилось использование пластифицирующих добавок с 30-х годов ХХ века, и, прежде всего технических лигносульфонатов (в России названных СДБ). Хотя эти добавки обладали умеренным пластифицирующим действием, они сыграли большую роль в повышении прочности, долговечности бетонов и экономии ПЦ. В дальнейшем, до 90-х годов прошлого столетия, лигносульфонаты усовершенствовались с помощью различной модификации. Модифицированные лигносульфонаты и в настоящее время включены в стандарты ряда стран как пластификаторы бетонных смесей.

Самым важным этапом в развитии техники бетонов следует считать изобретение в 1969 году в Японии сильных пластификаторов на нафталинсульфонатной основе. Он характеризуется использованием рецептур бетонов старого поколения, модифицированных суперплатификаторами. Этот этап, к сожалению, продолжается в настоящее время в России и в других странах. Это, по истине, революционный этап в технологии бетонов старого поколения, и поэтому его следует отнести к переходному этапу в эволюции бетонов на пути к бетонам нового поколения. С использованием этих, и подобных ему СП на меламинсульфонатной основе, стали активно применяться высокопластичные бетонные смеси, изготовленные как на индивидуальном вяжущем – цементе, так и на композиционных вяжущих: шлакопортландцементах, с добавками золы, дисперсных минеральных наполнителей. Использование СП позволило повысить прочность «жирных» бетонов из пластичных и высокопластичных смесей до 70-80 МПа, снизить расходы цемента до 20-30%. Результаты могли бы быть значительно выше, но по-прежнему использовались бетонные смеси со старой рецептурой, т.е. в составах использовались три твердых компонента – цемент, мелкий заполнитель – песок и крупный заполнитель – щебень. В таких бетонах для полной реализации пластифицирующего действия СП не хватало дисперсного компонента – цемента. Только при избытке его совместно с водой увеличивался объем реологической матрицы. В лучших случаях, в жирных бетонах цемент заменялся на 10-30% дисперсным наполнителем. Но такая замена для снижения расхода цемента не меняла структурной топологии бетона и его прочности. В бетонах низких марок М200-300 такая замена приводила к снижению прочности. Суперпластификаторы не пластифицировали «тощие» бетоны с малым количеством водно-дисперсной фазы, т.е. цементного теста. С увеличением содержания цемента до 500-600 кг/м3 пластификация возрастала, и можно было уменьшать содержание цемента до 20-30% без снижения прочности.


Бетоны с СП с высокой прочностью могли быть получены с расходом цемента 800-1000 кг/м3, но такие бетоны, во-первых, имели большую усадку, низкую трещиностойкость и высокую ползучесть. Во-вторых, они были крайне не экономичными, а дисперсные наполнители, с помощью которых уже тогда, можно было вместо цементно-водной дисперсии, обогащенной цементом, использовать цементно-минерально-водную дисперсию высоко наполненную минеральным порошком. Но дисперсные наполнители вводились очень осторожно и в небольших количествах. Физико-химические основы пластифицирования (разжижения) дисперсных систем из минеральных порошков высокоселективными диспергаторами не были разработаны. Хотя условия дезагрегирования структурированных дисперсных систем с позиций термодинамических и механических вибрационных представлений были широко освещены в работах Н.Б.Урьева [1,2] при исследовании дисперсий глин, водно-угольных суспензий, суспензий талька, электрокорунда и т.п. Научные работы, посвященные физико-химическому диспергированию высококонцентрированных минеральных порошков различной химико-минералогической природы для производства строительных материалов, с сохранением чрезвычайно длительной агрегативной устойчивости были рассмотрены в многочисленных ранних работах кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» [3], включающих многолетние исследования. В них [4] было показано, что при введении суперпластификаторов С-3, ЛСТ, Melment, Wiscoment, существенно уступающих по пластифицирующему действию современным СП на поликарбоксилатной основе, можно снизить предел текучести дисперсий с объемной концентрацией твердой фазы 65-72% в 103-10раза!, что более существенно, чем при интенсивных вибрационных воздействиях на них. Аналогичное понижение выявлено и для вязкости.

Наиболее важным для технологий строительных материалов в этих работах были экспериментальные доказательства достижения водоредуцирующих эффектов, равных 8-15 (800-1500%), против 1,8-2,0 в цементных дисперсиях [4]. В этих экспериментах гравитационная текучесть пластифицированных минеральных суспензий сохранялась при снижении воды в 8-15 раз! Именно такие кардинальные изменения реологических свойств и водоредуцирующих эффектов послужили основой для создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов нового поколения. Высокое обогащение пластифицированных цементных суспензий дисперсным наполнителем позволило считать реологию бетонных смесей с каменной мукой и тонким песком краеугольным камнем новых технологий. В соответствии с этим, нами в 2007 году была формулирована новая стратегия прогресса в получении высоконаполненных и высокоэкономичных бетонов рядовых марок М200-М600 и бетонов повышенной прочности М600-М1000: «Через рациональную реологию в будущее бетонов» [5]. Под рациональной реологией порошково-активированной бетонной смеси понимается «высокая» реология предельного диспергирования и разжижения цементного теста значительным количеством порошковой и тонкозернистой дисперсной фазы в дисперсионной среде. Основой создания всех высокоэффективных бетонов без реакционно-активных пуццоланических добавок от классов В15-В20 до В100-В120, согласно нашим исследованиям, служат гиперпластификаторы в сочетании с новой рецептурой сухих компонентов, взаимно усиливающих друг друга при превращении геля в золь. Как известно, гель характеризуется дисперсией воды в твердой фазе (вода дискретна, дисперсные частицы – непрерывны), а золь – дисперсией твердой фазы в воде. Присутствие микрокремнезема нанометрического масштабного уровня усиливает этот переход и вместе с тем образует дополнительную цементирующую фазу с увеличением класса бетона до 120-140 МПа.


За рубежом стратегия создания бетонов нового поколения реализуется лишь в высокофункциональных (High Performance Concrete) и ультрафункциональных (UHPC) бетонах с высокой прочностью при относительно низких уровнях наполнения бетонов дисперсными и микродисперсными компонентами в связи с высокими расходами цемента (500-750 кг/м3). Степень наполнения обычно не превышает 30-50% от массы цемента.

Создание высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов нового поколения за рубежом началось с конца 80-х годов прошлого столетия, и было вызвано необходимостью строительства из бетонов, взамен стали, небоскребов, морских платформ для добычи нефти и газа, большепролетных мостов и других сооружений.

Современные высококачественные бетоны (ВКБ) классификационно сочетают в себе большой спектр бетонов различного назначения: высокопрочные и ультравысокопрочные бетоны [6], самоуплотняющиеся бетоны (SVB, SCC) [7], самонивелирующиеся (SLS), высококоррозионностойкие бетоны [8], реакционно-порошковые, в том числе, дисперсно-армированные бетоны (Reaktionspulver beton – RPB или Reactive Powder Concrete – RPC) [9]. Эти виды бетонов удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение, трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости.

Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во-первых, революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а, во-вторых, появление наиболее активных пуццоланических добавок с высоким количеством наночастиц верхнего нанометрического уровня (100-300 нм) – микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол. Сочетание суперпластификаторов и, особенно, экологически чистых гиперпластификаторов на поликарбоксилатной, полиакрилатной и полигликолиевой основах позволяет получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси. Благодаря этим достижениям, количество компонентов в бетоне с суперпластификатором достигло 6-8, водоцементное отношение снизилось до 0,24-0,28, при сохранении пластичности, характеризующейся осадкой конуса не менее 4-10 см. В самоуплотняющихся бетонах (Selbstverdichtender Beton-SVB) с добавкой каменной муки (КМ) или без неё, но с добавкой МК в высокоработоспособных бетонах (Ultrahochfester Beton, Ultra hochleistung Beton) на гиперпластификаторах, в отличие от литых на традиционных СП, совершенная текучесть бетонных смесей сочетается с низкой седиментацией и самоуплотнением при самопроизвольном удалении воздуха.


В целом, такие эффективные бетоны называют бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам, производимым за рубежом. В них высокий расход цемента 600-700 кг/м3 соответствуют высокой прочности – 150-200 МПа, при которой получают низкий удельный расход цемента на единицу прочности – 3-4 кг/МПа. По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии [11] порошково-активированных бетонов, к ним необходимо отнести и бетоны рядовых марок с прочностью 20-50 МПа, выпускаемых в количестве 96-97% от всего выпуска бетона в мире, и бетоны с повышенной прочностью Rсж=60-100 МПа. Но такие бетоны, по нашему мнению, можно называть лишь тогда бетонами нового поколения, когда в них удельный расход цемента на единицу прочности на сжатие будет не выше 4-4,5 кг/МПа, т.е. не выше, чем в самых прочных бетонах. Почему именно этот показатель является основным критерием подразделения бетонов на бетоны нового поколения, бетоны переходного и старого поколения. Этот критерий является и технико-экономическим и экологическим по следующим причинам.

Во-первых, высокопрочные (ВПБ) и, особенно, сверхвысокопрочные (СВБ) бетоны с прочностью 100-200 МПа и более являются «экзотикой» и не появятся в короткие сроки в преимущественных объемах в зданиях и сооружениях [10]. По мере перехода строительства на использование ВПБ и СВБ для уникальных зданий и сооружений будет сохраняться производство цементоемких бетонов старого поколения с удельными расходами цемента =8-10 кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20-60 МПа необходимо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения с ≤4,5 кг/МПа с расходами цемента на 1 м3 бетона не более 150-300 кг вместо 300-600 кг. В этом случае не потребуется дополнительных наращиваний объемов производства портландцемента и строительства новых цементных заводов с длительными сроками окупаемости и большими энергозатратами.


Во-вторых ограничения в строительстве новых цементных заводов – это исключение дополнительной эмиссии углекислого газа СО2 в атмосферу от известняка и отходящих газов цементных печей, что является частичным решением экологической проблемы в регионах.

Таким образом, к бетонам нового поколения нельзя относить только высокопрочные и сверхвысокопрочные. К ним необходимо отнести все порошково-активированные тяжелые песчаные и щебеночные бетоны с широким диапазоном прочностных показателей:

- бетоны рядовых марок с диапазоном прочности 20-60 МПа;

- бетоны с повышенной прочностью от 60 до 100 МПа;

- высокопрочные бетоны с прочностью от 100 до 150 МПа;

- сверхвысокопрочные бетоны с прочностью от 150-МПа и более.

Что же объединяет и различает эти бетоны, если основной показатель их – прочность бетона различается в 8-10 раз, а расход цемента – в 2-3 раза? Прежде все они многокомпонентны. Многокомпонентность их определяется не только разнообразием химико-минералогического состава, а масштабными уровнями дисперсности компонентов. Их объединяет наличие трех реологических матриц, а отличает – различное объемное содержание этих матриц в бетонах разных классов.

В составе, дополнительно к цементу, присутствуют дисперсные компоненты, по крайней мере, двух масштабных уровней. Новая реологически-активная рецептура и новая топологическая структура позволяет снизить удельный расход цемента на единицу прочности до 4-4,5 кг/МПа и менее.

Новая рецептура – это повышенное содержание дисперсной фазы за счет добавления тонкомолотых, реологически-активных в смеси с цементом и суперпластификаторами нового поколения, молотых горных пород. Содержание их в бетонах по результатам наших исследований варьирует от 40 до 110 % к массе цемента, увеличиваясь при уменьшении содержания цемента.


В бетонах нового поколения каменная мука может заменяться на 10-20% и более пуццоланическими добавками микрокремнезема, метакаолина и т.п.

В новой рецептуре должен быть тонкий песок фракции 0,1-0,6÷0,1-0,4 мм, который, в смеси с цементом и суперпластификатором, усиливает реологическое действие последнего. Содержание тонкого песка в щебеночных бетонах нового поколения может изменяться от 80 до 350% к массе цемента.

Новая рецептура предусматривает снижение доли крупного или среднего песка и щебня, т.е. бетон должен быть малощебеночным с содержанием щебня 800-1000 кг/м3.

В соответствии с новой рецептурой формируется и новая топологическая структура, в которой существенно увеличивается объем реологической составляющей в бетонных смесях, обеспечивающий их пластичность и растекаемость. Если для заводской технологии не требуются пластичные смеси, то реология их изменяется содержанием воды. При этом в топологической структуре щебеночных бетонов условно выделяются три реологические матрицы, отличающиеся содержанием в их объеме высокодисперсных, тонкозернистых наполнителей и мелкого и крупного заполнителя (рис. 1 а, б):

- основная высокодисперсная реологическая матрица I рода состоит из высокодисперсных частиц цемента, молотого наполнителя и микрокремнезема;

- реологическая матрица II рода состоит из матрицы первого рода и тонкого песка;

- реологическая матрица III рода состоит из матрицы II рода и среднего или крупного песков.

Реологическая матрица второго рода – это порошковая или реакционно-порошковая (с микрокремнеземом) бетонная смесь, из которой могут быть получены высокопрочные и сверхвысокопрочные порошковые и реакционно-порошковые бетоны с прочностью 150-200 МПа. Прочность их зависит от гранулометрии тонкого песка и его насыпной плотности в уплотненном состоянии. Чем меньше пустотность его, тем выше прочность бетонов. Тонкозернистые частицы песка фракций 0,1-0,6 мм в порошковой бетонной смеси раздвигаются друг от друга реологической матрицей первого рода по декартовским осям координат между поверхностями частиц. Среднее расстоянии Х, в соответствии с нашей формулой. Это расстояние зависит от типа упаковки:



следующая страница >>