Прежде чем говорить о высокопроных бетонах, необходимо уточнить термин «бетоны нового поколения». Вне сомнения то, что за рубежом появилось значительное количество бетонов нового поколения со звучными названиями, определяющими функциональность бетонных смесей или бетонов. Детальное продуманное объяснение их дано в замечательной статье профессора А.В. Ушерова-Маршака [1]. Оставляя пока общеизвестные бетоны, со значительным набором функций, а именно High Performance Concrete – высокофункциональный бетон и аналог их Defined Performance Concrete (с заданной функциональностью) приведём [1] Smart Materials Concrete («умные» бетоны), Self-regulated Concrete (саморегулируемые бетоны), Self Compacting Concrete (самоуплотняющиеся бетоны), Self Healing Concrete (самозалечивающиеся бетоны), Self Cleaning Concrete (самоочищающиеся бетоны), Self Sensing Concrete (самодиагностирующиеся бетоны). Но большинство исследователей связывают термин «бетоны нового поколения» с достижением конструкционных свойств с высокой и сверхвысокой прочностью бетонов. Это, безусловно, правильно и мы знаем эволюцию роста прочности бетона во времени с медленным ростом до 1980-1990 г. и прогрессирующим увеличением прочности бетонов с появлением эффективных СП. Это более доходчиво можно проиллюстрировать на рис 1.

Впервые высокая и сверхвысокая прочность 150-200 МПа была достигнута в 1994-1995 г.г. по рецептуре дисперсно-тонкозернистых реакционно-порошковых бетонов (RPC) и фибробетонов с большим количеством микрокремнезема Richard P, and Cheyrezy M. [2] с использованием поликарбоксилатных СП, а позднее Bouydues (1997 г), Matte V. (1999 г.) [3] и Staquet S. (2000 г.) [4]. Содержание цемента на 1 м3 бетона составляла от 550 до 950 кг, микрокремнезема – от 200 до 250 кг на 1 м3, а содержание фибры в фибробетонах – от 2 до 3 % от объема цемента.

Рис. 1. Динамика роста прочности бетона и его производство в мире с ростом численности населения [5]

Поэтому бетонами нового поколения, с одной стороны можно называть те бетоны, в которых достигается 3-4 кратное (120-200 МПа) превышение прочности традиционных прочных бетонов (40-50 МПа).

В соответствии с нашими исследованиями необходимо дополнить эту новизну всеобъемлющим техническим, экономическим и экологическим показателем – удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии, который должен не превышать 5-6 кг/МПа (=). Этот показатель, к сожалению, не используется учёными-бетоноведами, а он является важнейшим для оценки прогресса техники и бетонов. При этом как высокопрочные и сверхвысокопрочные (RPC), так и песчаные и щебеночные бетоны могут быть самоуплотняющимися, быстротвердеющими, саморегулируемыми, высокоморозостойкими, высоководонепроницаемыми, так как все эти функциональные свойства заложены при проектировании бетонных смесей.

Но в соответствие нашими представлениями бетонами нового поколения необходимо считать не только высокопрочные и сверхпрочные бетоны, но и экономически эффективные современные бетоны общестроительного назначения с традиционной прочностью 15-60 МПа, которые изготовлены из высокопластичных или самоуплотняющихся бетонных смесей при 2-3 кратном снижении расхода цемента с удельным расходом цемента более 6-7 кг/МПа.

Второе, наиболее важное для реализации бетонов нового поколения – как получить высокопрочные и сверхвысокопрочные бетоны с прочностью на сжатие 100-200 МПа высокая экономическая эффективность которых с использованием высокого содержания МК и других наносиликатов пока не бесспорно. Также стоит задача: как получить высокоэкономичные бетоны общестроительного назначения с традиционной прочностью (прочность – 15-60 МПа) и с повышенной прочностью (от 60 до 100 МПа). Это актуально потому, что переход на высокопрочные и сверхпрочные бетоны будет не быстрым, а бетоны с прочностью 15-60 МПа нового поколения будут востребованы постоянно. Известная концептуальная парадигма, которая следует из тезиса В.Г. Батракова: «Добавки – ключ к решению технологической проблемы», на которую ссылается А.В. Ушеров-Маршак, без сомнения, правомерна. Но, если ориентироваться на химические минеральные и органические добавки, широко используемые с 1980 года, то с помощью их, и особенно главнейших из них – суперпластификаторы – проблему не решить. Если обратиться к реакционно-активным пуццоланическим добавкам – микрокремнезему (микрокремнезем (silica fume), аэросил (fumed silica), осажденный микрокремнезем (pracipited silica), дисперсии коллоидного кремнезема (colloidal silica)), то использование микрокремнезема уже позволило в России осуществить строительство комплекса «Москва-Сити» из бетона с прочностью 100-110 МПа. Существенное удорожание бетона с 20-25 % МК не позволяет надеяться на повсеместное применение в России таких бетонов.

Причина в опоздании с разработкой и внедрением бетонов нового поколения состоит в том, что бетоноведы не воспользовались революционным этапом 1970-1980 г.г. на эволюционном пути изменения рецептуры бетонов с появлением суперпластификаторов, с правильным использованием их в щебеночных и песчаных бетонах. Суперпластификаторы начали применять в бетонах старого поколения с рецептурой сухих компонентов «цемент-песок-щебень» и «цемент-песок». А суперпластификатор не пластифицируют щебень и песок в воде, он пластифицирует только микрочастицы цемента, а количество цемента в бетонах не превышает 400-500 кг на 1 м3, а песка и щебня 1700-1800 кг на 1 м3. Поэтому к цементу стали добавлять микрокремнезем. Но рецептуру сухих компонентов бетона с микрокремнеземом в количестве 5-15% мы относим к рецептуре переходного поколения (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция развития составов цементных бетонов [6]

1. Бетоны старого поколения – это бетоны, имеющие состав 1840 г.: «цемент-песок-щебень-вода». Прочность бетона в строительстве за длительный период до 1970 г возросла от марки М100 до М 600 только за счет роста прочности цемента, использования качественных заполнителей, оптимального подбора состава бетонной смеси и методов интенсивного уплотнения жестких бетонных смесей. Гранитный, известняковый и другие прочные заполнители из горных пород, песок и вода остались теми же, как и 200 и сотни лет назад.

Использование мытых песка и щебня, применения старых пластифицирующих добавок и интенсивного уплотнения в научных лабораториях удавалось получать бетоны с прочностью до 70-80 МПа. Естественно, что наука о бетоне не «стояла на месте» «Бетоноведение» постоянно развивалось, и за рубежом, и в России, внедрялись новые технологии производства железобетонных изделий и конструкций. Прочности бетона, равной 400-500 кг/см3 (40-50 МПа) вполне хватало. Для изготовления бетонов с более высокой прочностью 600-700 кг/см2 использовали мытый прочный заполнитель и песок. Но обязательным условием было интенсивное вибрационное уплотнение железобетонных конструкций, вибрирование с пригрузом, виброгидропрессование, центрифугирование и др. Нельзя из литой бетонной смеси при расходе цемента 500 кг на 1 м3 бетона изготовить бетон старого поколения с расходом цемента 100 кг/м3 из бетонной семи любой консистенции с прочностью М500. Хотя в бетонах старого поколения широко использовалось направление «Химизации бетонов» и использование химических добавок – ускорителей, противоморозных, гидрофобных и пластифицирующих, модифицированных отходов целлюлозно-бумажной и других промышленных модифицированных отходов, но эти добавки не позволяли радикально сократить расход цемента или повысить прочность.

И хотя за этот длительный период были созданы быстротвердеющие тонкомолотые цементы, пуццолановые и шлакопортландцементы и ряд других, но бетоны выпускались, в основном, с марками до М500.

2. Бетоны переходного поколения получили свое развитие зарубежом с 1970 г. с изобретением высокоэффективных суперпластификаторов (СП) на нафталиновой и меламиновой основах, синтезированных в Японии. Бетоны стали пятикомпонентными: «цемент-песок-щебень-вода-СП». В России появился аналогичный суперпластификатор С-3, который в основном заполняет рынок СП и в настоящее время в виде различных модификаций, имеющих одну и ту же пластифицирующую основу («Полипласт», «Суперпласт» и др.). Бетонные смеси стали более пластичными при меньшем содержании воды, что привело к повышению прочности на 10-35% в зависимости от расхода цемента. Появилась возможность экономить в бетонах портландцемент в количестве 5-10% в «тощих» малоцементных бетонах и до 20-25% в жирных бетонах с расходом цемента до 500-600 кг на 1 м3 бетона. Но кардинального преобразования структуры бетона, 2-3 кратного снижения расхода цемента и 2-3 кратного увеличения прочности с 20 до 50 МПа, от 50 до 100 МПа и более. Такому технико-экономическому улучшению мешала трехкомпонентная рецептура сухих компонентов – «цемент-песок-щебень», «законсервированная» с 1840 г. в передовых странах до 1995 г., а в России и по настоящее время. Трудно осознать тот факт, что на фоне огромных революционных преобразований в технике и в технологиях, свершившихся в мире за 150 лет, состав сухих компонентов в щебеночном бетоне не изменился. Не изменился он и в песчаных бетонах составами «цемент-песок-СП-вода», являющихся по существу не бетонами, а цементно-песчаным раствором с большим количеством воды для кирпичной кладки, наливных полов. Хотя сухие строительные смеси кардинально изменили состав растворов, в котором могут быть до 8-10 компонентов. Но при этом в задачи сухих смесей входило не увеличение прочности цементно-песчаных композиций до 100-120 МПа и других конструкционных свойств композитов, а расширения других функций.

К бетонам переходного поколения можно отнести и бетоны с добавлением некоторых реакционно-активных компонентов, производимых в достаточных объемах за рубежом, кроме отечественного микрокремнезема – отхода от производства ферросилиция, дегидратированного каолина. Их них получили развитие: микрокремнезем (silica fume), аэросил (fumed silica), осажденный микрокремнезем (pracipited silica), дисперсии коллоидного кремнезема (colloidal silica). С добавлением к бетону старого поколения размолотого микрокремнезема (иногда с золой) и с сухим суперпластификатором С-3 (добавка МБС), было осуществлено строительство комплекса «Москва-Сити». Бетон имел прочность 100-110 МПа. Но стоимость добавки БМС доходила до 18-22 тыс. руб. за тонну. Москва могла себе позволить удорожание 1 м3 бетонной смеси от 1000 до 2000 тыс. руб. при строительстве уникальных высотных зданий. Производство ферросилиция в России может обеспечить выход микрокремнезема 150 тыс. тонн. Если его использовать в высокопрочных бетонах с расходом цемента 400-500 кг/м3, то даже при малой 10%-ой добавке от массы цемента можно обеспечить изготовление бетона в объеме 3-3,5 млн. м3 в год. Это около 3-5% от годового производства бетона. Таким образом, ни микрокремнезем, ни другие, указанные выше разновидности «silica» не в состоянии решить проблему создания экономичных бетонов нового поколения, от обычных до сверхпрочных бетонов нового поколения. Необходимо кардинальное изменение рецептуры бетонов за счет недорогих, «лежащих на земле» компонентов. За счет их можно будет выпускать бетоны с расходом цемента 300-400 кг/м3 не с маркой М400-М500, а с прочностью 100-150 МПа, а бетоны с расходом цемента 200-250 кг/м3 не с маркой М200-М300, а с М500-М600. При этом бетонные смеси будут не жесткими, а высокопластичными и самоуплотняющимися. Это будут бетоны нового поколения.

3. Щебеночные бетоны нового поколения содержат не 3-4 сухих компонента, а 7-8 (рис. 2). Это многокомпонентный бетон, включающий 7-8 компонентов «цемент – каменная мука – очень тонкий песок – песок-заполнитель – щебень + суперпластификатор – микрокремнезем – вода». Но, с учетом дефицита и дороговизны микрокремнезема, бетоны можно изготавливать без МК, с понижением прочности на 10-20 % в зависимости и от дозировки МК. Так вместо марки М600 получается марка М450-500, вместо М1200 – марка М1000. Кроме того, должны использоваться суперпластификаторы нового поколения на поликарбоксилатной основе (производители г. Новозыбков (Брянская область), г. Коломна (Московская область)). Таким образом, главными новыми дополнительными компонентами, превращающими бетоны старого и переходного поколения, являются два порошка, один дисперсный (каменная мука), другой – тонкозернистый, очень тонкий песок фракции 0,1-0,5 мм (0,16-0,63 мм). Эти бетоны названы нами порошково-активированными из-за большого количества порошкообразного компонента – каменной муки и тонкозернистого песка, а бетонные смеси – суспензионно-наполненными. Учитывая, что дисперсные и тонкозернистый компонент находится в микрометрическом масштабном диапазоне от 1 до 100 мкм, технологию бетонов нового поколения мы назвали микротехнологией, в отличие от нанотехнологии бетонов, предложенных различными исследователями. Мы не отрицаем реальных нанотехнологий с использованием микрокремнезема и других нанокремнеземов, особенно, с использованием большого количества таких добавок. Но в связи с тем, что по микротехнологиям с использованием природных компонентов мы получаем бетоны с высокой и со сверхвысокой прочностью, будущее за микротехнологиями с возможным добавлением наночастиц и в основном, только верхнего (грубого) нанометрического масштабного уровня – 100-1000 нм.

Если горная порода, из которой изготовлена каменная мука, имеет прочность более высокую, чем клинкерные частицы цемента, то она в соответствии с нашими воззрениями, не должна понижать прочность цементно-минерального камня по сравнению с цементным, даже при соотношении «цемент-каменная мука» при условии равной дисперсности. На рисунке 3 показана топология расположения цементных частиц и частиц минеральной муки.

В таблице 1 представлены результаты испытания самоуплотняющегося мелкозернистого бетона порошково-активированного бетона нового поколения.

В таблице 2 представлены результаты испытания самоуплотняющейся бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного щебеночного бетона с расходом цемента 305 кг/м3 (122 МПа).

В таблице 3 представлены результаты испытания самоуплотняющейся бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного песчаного бетона (состав ПАПБ-171) с расходом цемента 391,5 кг/м3 (116 МПа).

Рис. 3 Омоноличивание минеральных частиц

цементирующими продуктами гидратации цемента

Таблица 1

Реотехнологические свойства бетонной смеси и прочностные показатели самоуплотняющегося мелкозернистого бетона нового поколения

Наимено-вание компо-нентов На

1 м3, кг

Объем

на

1 м3, л

В/Ц, В/Т ρ,

кг/м3

Прочность МПа,

через, сут.

1 7 28
ПАПБ-23
Цемент

белый Египетский СЕМ 52,5

730 235,4 0,267 ρвл

1 сут.

0,41 0,96 0,64 Rсж=

88

Rиз=

12

Rсж=

124

Rиз=

14,6

Rсж=

144

Rиз= 19,7

2454
= 2,01
ГП Melflux 5581F

1,0% от Ц

7 5,4
Известняк молотый

м),

Sуд =

3700 см2

300 111,1 0,087 ρтеор = 2,12

= 4,65

=5,0 кг/МПа;

=0,2 МПа/кг

= 36,5 кг/МПа

Rсж/Rи = 7,3

2470
Песок

тонкий известняк

т),

фр. 0,16-0,63 мм

700 259,2
Куп Vвд = 553,8 л

Свд = 56,1 %

Vвдт = 813 л

Свдт = 82,3%

= 80,2 %

Песок крупный известняк. (Пз),

фр. 0,63÷2,5 мм

470 174 0,993
Осадка конуса

28 см

ΣМсух.

ΣVсух.

Вода

2243

195

792

195

Мб.с. 2438
Vб.с 987

 

Таблица 2

ПАЩБ – 37 Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и прочностные свойства бетона

Наименование компонентов На 1 м3, кг Объем на 1 м3, л В/Ц, В/Т ρ,

кг/м3

Прочность МПа, через, сут.
1 7 28
ЦДС Цемент Красноярский ПЦ500Д0, с 0,9% ГП Melflux 5581F 305 98,4 0,417 2456 0,74 1,1 2,01 Rизг

7,95

Rизг

11

Rизг=

16,0

Микрокварц (ПМ), (ЛГОК)

Sуд = 2600см2

226 85,3 0,054 =1,6 =0,07 =3,2 Rсж=

52,8

Rсж=

107,2

Rсж=

122

Песок тонкий (ПТ), отсеянный из крупного песка с Мкр=2,85 (Красноярск):

фр. 0,16÷0,315мм = 25%; ρнас=1385кг/м3

фр. 0,315÷0,63мм = 75%; ρуп=1550кг/м3

334,3 126 ОК=26 см,

Д=62 см

Купл=0,99

=3,43; = 6,64 = 2,5 кг/МПа;

= 0,4 МПа/кг;

= 19,1 кг/МПа;

Rи / Rс = 0,13

МК Новокузнецкий 7,0% от цемента 21,4 9,3 = 2,5,

= 2,43;

= 1,73

Песок крупный (ПЗ) (Красноярск), отсеян из товарного песка ССР:

Мкр= 2,85

фр. 0,63-1,25мм = 22%;

фр. 1,25-2,5мм = 16%;

фр. 2,5-5,0мм = 62%;

ρнас.=1580кг/м3упл.=1740кг/м3,

Пупл = 34,3%

486 184
Щебень, дроблен из гравия:

фр. 10-15мм = 50%;

фр. 8-10мм = 30%;

фр. 5-8мм = 20%;

ρнас.=1350 кг/м3; ρупл.=1565 кг/м3,

Пупл = 42%

979 362,6
ΣМсух.

Вода

2352

127

865,6

127

Мб.с. 2479 992,6

Таблица 3

Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного песчаного бетона (состав ПАПБ-171)

Наименование компонентов На 1 м3, кг Объем на 1 м3, л В/Ц, В/Т ρ,

кг/м3

Прочность МПа, через, сут.
1 7 28
Цемент Красноярский ПЦ500 Д0 391,5 126,3 0,39 2349 0,75 1,44 2,43 Rи

7,6

Rи

11,9

Rи

14,3

Микрокварц ЛГОК (ПМ),

Sуд = 4218 см2

294 111 0,068 = 0,1 Rс

40

Rс

80

Rс

116,8

= 3,35 кг/МПа;

= 0,29 МПа/кг;

= 27,4 кг/МПа;

Rи / Rс = 0,122

МК Новокузнецкий, 10% от ПЦ 39,2 17 ОК

24-25см

СV = 0,844

Купл.= 0,97

= 4,58
Песок формовочный тонкозернистый (ПТ) ЛГОК, фр. 0,0-0,63мм 548 207 = 1,98;

= 1,72

Песок гравийный (ПЗ) фр. 0,63÷5,0мм отсеянный из рядового крупного,

ρнас.=1635кг/м3; ρупл.=1800кг/м3

фр. 0,63÷1,25мм = 22%;

фр. 1,25÷2,5мм = 19,5%;

фр. 2,5÷5,0мм = 58,5%;

951,7 359
ГП Melflux 5581F 0,9% от ПЦ 3,5 3,5
ΣМсух.

ΣVсух.

Вода

2227,9

152,5

823,8

152,5

Мб.с.

Vб.с.

2380,4

976,3

Таблица 4

Малоцементный порошково-активированный самоуплотняющийся

щебёночный бетон (ПАЩБ-К-4) нового поколения

Наименование компонентов На 1 м3, кг Объем на 1 м3, л В/Ц, В/Т ρвл,

кг/м3

Прочность МПа, через, сут.
1 7 28
Цемент Бахчисарайский ЦЕМ I-42,5 H,

ρ = 3,1 кг/м3

186 60,0 1,06

0,09

2395 1,20 2,78 Rизг=

3,9

Rизг=

7,5

Rизг=

8,7

Каменная мука из известняка,

Sуд = 5000 см2/г, ρ = 2,8 кг/м3

223 80,0 = 2,4 = 4,44 Rсж=

16,0

Rсж=

30,1

Rсж=

42

Песок тонкий (ПТ) известняк.

фр. 0÷0,63 мм, ρ = 2,8 кг/м3

516 184,0 ρт

2425

= 4,42 кг/МПа;

= 0,23 МПа/кг;

= 21,4 кг/МПа;

Rи / Rс = 0,207

Песок-заполнитель (ПЗ), известняк.

фр. 0,63÷5 мм, ρ = 2,8 кг/м3

446 159,0 ОКст.=

25,5 см

РК = 56

Куп

0,987

=

=

=

Щебень (Щ) из извест. фр. 5-10 мм,

ρ = 2,69 кг/м3

825 307
СП Хидетал 9β Б 1,3% от ПЦ 2,4 1,7
ΣМсух.

Вода

2198

197,1

197,1
Мб.с. 2394,9
Vб.с 987

 

Таким образом, в настоящее время суперпластификаторы, каменная мука и тонкий песок из плотных горных пород в цементно-бетонной смеси, образующие большой объем суспензионной составляющей – основа получения бетонов нового поколения с прочностью от 20 до 150 МПа.

Чтобы не быть голословным проиллюстрируем это на порошково-активированном бетоне нового поколения, который изготовлен с использованием известняковой муки, дробленого тонкого и крупного песков и известнякового щебня из одного Крымского карьера (табл. 4). Был использован отечественный поликарбоксилатный гиперпластификатор Хидетал ГП 9β «Б» в количестве 1,3 % от массы цемента в пересчёте на сухое вещество. При расходе цемента CEM I-42,5 в количестве 186 кг/м3, при водоцементном отношении В/Ц=1,06 бетонная смесь получилась слитной за счет удаления значительного количества крупного песка и щебня самоуплотняющейся с плотностью 2395 кг/м3. Прочность бетона составила 42,0 МПа, а удельный расход цемента, равный 4,42 кг/МПа, что соответствует сверхвысокопрочным бетоном (Ultra High Strength Concrete) и НРС. И эти высокие показатели достигнуты без использования реакционно-активных нанокремнезёмов.

Известняк практически не взаимодействует с продуктами гидратации цемента. Но он обладает высокой реологической активностью и огромным количеством габитусов кристаллов.

В разработках и исследованиях бетонов должна быть сформулирована национальная технологическая инициатива и прогрессивная технологическая платформа, определяющая теоретические Российские приоритеты в области производства высокоэффективных энерго- и ресурсосберегающих порошково-активированных бетонов нового поколения.

В статьях учёных, в основном, совершенствуются бетоны старого поколения с безнадежной трехкомпонентной рецептурой 1840 года «цемент-песок-щебень», модифицированной суперпластификаторами-разжижителями бетонных смесей или дорогостоящим микрокремнезёмом (МК). Имеются и разработки по высокопрочным бетонам с прочностью до 140-150 МПа, но с высокой стоимостью за счет высокого расхода цемента (900 кг/м3) и МК (до 300 кг/м3). За последние годы появились разработки бетонов на наноцементе Бикбау.

Библиографический список

1. Ушеров-Маршак А.В. Взгляд в будущее бетона // Строительные материалы. 2014. №3. С. 4-5.

2. Richard P, and Cheyrezy M, “Composition of Reactive Powder Concrete”, Cement and Concrete Research, Vol. 25, No.7, (1995), pp. 1501 – 1511.

3. Matte V and Moranville M, “Durability of Reactive Powder Composites: Influence of Silica Fume on the leaching properties of very low water/binder pastes”, Cement and Concrete Composites, 21 (1999) pp. 1 — 9.

4. Staquet S, and Espion B, “Influence of Cement and Silica Fume Type on Compressive Strength of Reactive Powder Concrete”, 6th International Symposium on HPC, University of Brussels, Belgium, (2000), pp. 1 – 14.

5. Чарнецки Л., Курдовски В. Будущее бетона. IX Международная научно-практическая конференция. Современные бетоны. Сборник трудов ООО «Будиндустрия» ЛТД. Запорожье. 2007. С. 13-21.

6. Калашников В.И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего. Часть 1. Изменение составов и прочности бетонов // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 96-103.

Источник: kazedu.kz

от admin