Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Разработка новых видов высококачественных бетонов, значительно отличающихся от традиционных как по рецептуре, так и по технологии изготовления, базируется на использовании реакционно-порошковых смесей с использованием каменной муки, тонкого песка и дополнительно двух основных компонентов — супер- (СП) или гиперпластификаторов (ГП) и высокопуццоланических добавок микрокремнеземов (МК) и микрометакаолинитов. Такие бетоны мы называем порошково-активированными, а бетонные смеси — суспензионными. Одним из таких бетонов нового поколения, в котором в большей степени реализуются диспергирующие, а также разжижающие свойства СП и ГП, чем в мелкозернистых и щебеночных бетонах старого поколения, являются порошковые бетоны (РПБ), которые впервые начали разрабатываться за рубежом во Франции и в Канаде (Reaktions pulver beton или Reactive Powder Concrete). Основным достоинством и мотивацией появления таких бетонов является возможность использования каменных реологически-активных молотых порошков, изготовляемых из тонких отсевов камнедробления некоторых нерудных ископаемых или обогащения рудных (с добавлением МК), ежегодный выход которых в мире превзошел 100 млрд т. РПБ наиболее хорошо сочетаются с дисперсными волокнами и мелкосеточными ткаными каркасами из полипропиленовых, полиамидных, полиакрилатных и стеклянных волокон, с формированием высокой прочности при осевом сжатии и растяжении. В России высокопрочные бетоны на реологически-активных порошках из горных пород с содержанием их более 30–40% от массы цемента практически не изучались и реально не изготавливались, если не считать некоторые реализации их в практике по разработкам кафедры «Технология строительных материалов и деревообработка» (ТСМиД) Пензенского ГУАС. В то же время за рубежом они начинают интенсивно использоваться при изготовлении различных конструкций, тонкостенных и высокоархитектурных, ажурных криволинейных покрытий, тавровых и двутавровых балок с комбинированным армированием, мостовых конструкций с прочностью бетона 130–150 МПа, изготавливаемого из литых бетонных самоуплотняющихся смесей с влажностью смеси  9–11%. Учитывая высокую экономическую эффективностью таких бетонов, разработка и исследование их являются чрезвычайно актуальными. В США, Японии, Германии и в некоторых европейских странах на протяжении 20 лет ведутся поиски материалов, которые среди всего прочего привели к разработке бетона с высокими эксплуатационными свойствами. Разработаны высокофункциональные бетоны «High Performance Concrete», самоуплотняющиеся порошковые литые бетоны «Reactive Powder Concrete», в которых максимальный размер частиц не превышает 0,6 мм, или мелкозернистые бетоны c зернами размером не выше 8 мм. Это высокопрочные бетоны (ВПБ) с прочностью на сжатие 100–150 МПа. Отдельные виды таких бетонов с МК с прочностью 300–800 МПа не вышли пока из стен лабораторий, их получают в малых образцах при высоких давлениях прессования, при выдерживании прессовок при t=150–200°С в течение 1,5–2 ч. Эти бетоны в обозримом будущем не будут использоваться в массовом строительстве, но они показывают колоссальные возможности синтеза новообразований из цементосодержащих веществ при правильной рецептуре, оптимизированных параметрах прессования и тепловой обработки для получения высокой прочности.

Высокие показатели прочности достигнуты в щебеночных фибробетонах специалистами из Германии. При содержании цемента 630 кг на кубометр бетона, фибры 2,5% по объему прочность бетона составила 150–174 МПа, а удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии = 3,6–4,5 кг/МПа. В Германии фирмой Dickerhoff разработан и реализован сверхвысокопрочный фибробетон с прочностью 195 МПа с использованием цемента Nanodur при расходе его 624 кг/м3. При этом удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии равен 3,2 кг/МПа [1]. В целом, строительство из высокопрочных бетонов в развитых зарубежных странах осуществляется с =  3,5–5 кг/МПа, а из бетонов средних классов В40—В60 удельный расход цемента на единицу прочности составляет  = 5–6 кг/МПа. В Австрии состоялась «премьера» в мостостроении, где реализован фибробетон классов прочности С165—С185.

Российские результаты в достижении высокой прочности являются более скромными вследствие устаревшей рецептуры сухих компонентов 1840 г. (цемент—песок—щебень) с неоптимальной топологической структурой бетонных смесей, уплотняемых интенсивной вибрацией, иногда с пригрузом. В лабораториях НИИ и в вузах России были получены виброуплотненные бетоны старого поколения с СП из жестких смесей, с прочностью 100–120 МПа через 28 суток твердения. Достигаемая прочность через 6–12 месяцев была 130–145 МПа. Бетонные смеси были жесткими и особо жесткими. Уплотняли их интенсивной вибрацией с пригрузом. Говорить о достижениях таких высоких прочностных показателей у бетонов старого поколения, изготовленных из пластичных, особенно высокопластичных с ОК = 15–20 см, не приходится.

Новым этапом в развитии техники бетона в России явилось изготовление высокопрочных бетонов переходного поколения на вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), полученных помолом цементного клинкера с сухим СП. В НИИЖБ, ВНИИжелезобетон, МИСИ и МАДИ были достигнуты прочности 100–120 МПа с  = 3,8–4,5 кг/МПа. Однако цементные заводы, ориентируясь на широкого потребителя, отказались выпускать ВНВ. Кроме того, строго застабилизированное соотношение цемента и дисперсного наполнителя и невозможность варьировать содержанием цемента и минеральной муки в ВНВ-75 или ВНВ-50 не позволяют изготавливать высококачественные бетоны с широким диапазоном марок М200–300 до М1000–1500 и более. На протяжении последних 50 лет с момента появления «слабых» пластифицирующих добавок, а начиная с 1970 г.  — с внедрением эффективных СП на нафталиновой и меламиновой основе, выпускаются бетоны переходного поколения. В целом такие бетоны являются цементоемкими, а производство их — энергоемким. Стратегия снижения объемов бетона в конструкциях за счет высокой прочности не реализуется в России. Бетоны марок М150–М500 выпускаются в количестве 96–97% от всего производства бетонов. Удельный расход цемента в щебеночных бетонах М300–М500 составляет 8–10 кг/МПа, а в песчаных (мелкозернистых) — 9–14 кг/МПа в зависимости от марки бетона.

Причины большого отставания от передовых стран состоят в использовании устаревших составов плотноупакованных бетонных смесей. Прошло более 150 лет, а рецептура из трех сухих компонентов осталась прежней, но с добавлением СП, а на ответственных московских стойках – дополнительно и с МК. Совершенно не используются основные положения физикохимии поверхностных явлений в дисперсных системах и возможности предельного разжижения высококонцентрированных дисперсных систем. Не учитывается положение о том, что с малым количеством воды саморастекающиеся и самоуплотняющиеся бетонные смеси в присутствии СП и ГП получаются только при использовании значительного количества микродисперсных добавок, т.е. несравненно большего количества, чем при использовании 10–20% МК от массы цемента. Необходимо понимать, что зернистый песок и кусковой щебень реологически индифферентны к действию СП, и при очень высоком содержании их в бетонных смесях не удается значительно снизить вязкость и предел текучести смесей при обычном содержании цемента. Для реализации реологии необходимо увеличение тонкодисперсной реологической матрицы за счет порошкообразного наполнителя в песчаные и щебеночные бетоны при высоком объемном содержании его в бетонных смесях. Такие песчаные и щебеночные бетоны мы называем порошково-активированными с высоким содержанием суспензионной составляющей.

Примером достижения достаточно высоких для России физико-технических свойств бетонов из бетонных смесей марок П5 являются показатели высокопрочного щебеночного бетона переходного поколения с добавками МК и СП, использованного при строительстве комплекса «Москва-Сити». Максимальная прочность бетона в конструкциях составляла 95–105 МПа при удельном расходе цемента  = 4,5-–4,7 кг/МПа. Бетон был изготовлен с 10–20% высокодисперсного МК (стекловидно-аморфного SiO2), основной размер частиц которого 200–400 нм.

В российской практике производства бетона встречаются отдельные примеры модификаций бетона малыми добавками молотого кварцевого песка или известняковой муки. Бетон из бетонной смеси с осадкой конуса 2–5 см с расходом цемента 300–350 кг/м3, с добавкой кварцевой муки 10–20% от массы цемента имел прочность на сжатие 60–77 МПа с удельным расходом цемента 4,2–5,0 кг/МПа.

Порошковые и реакционно-порошковые бетоны будущего в России не производятся ни на одном бетонном и железобетонном заводе. Если говорить о фибробетонах будущего с прочностью при сжатии 150–220 МПа и с прочностью на растяжение при изгибе 30–40 МПа, то такие малодефектные и бездефектные бетоны могут быть получены только из порошковых, реакционно-порошковых и порошково-активированных песчаных смесей.

За рубежом и в России начинают внедряться реальные нанотехнологии бетонов. К ним относятся бетоны с микрокремнеземом, хотя он по размерам частиц относится к верхнему нанометрическому размерному уровню от 200 до 1000 нм. С развитием нанотехнологий в различных отраслях промышленности они занимают свое место и в технологиях строительных материалов. Известно, что нанометровый диапазон измерений размеров 1–100 нм открывает новые физические и химические свойства веществ. Как отмечает И.П. Суздальцев: «…в этом диапазоне нигде так близко не сходятся физика, химия и биология» [8]. В последнем десятилетии ХХ в. произошло выделение таких понятий, как «нанокластер», «наноструктура», «наносистема», и связанных с ними явлений в отдельную область физикохимии. Но нельзя забывать о том, что за рубежом и в России 20 и более лет назад начинался синтез наноструктур и нанокластеров, существовали нанотехнологии. Нанотехнологии в то время назывались микротехнологиями. Это было связано с тем, что как за рубежом, так и в России отстали во времени с введением в обиход международной масштабной единицы «нанометр». Во многих академических и технических журналах, в монографиях, изданных в 1975–1990 гг., нанометрический масштабный уровень обозначался долями микрометра и именовался миллимикронным (ммк). В неорганической и органической химии и физикохимии поверхностей наиболее часто используется ангстрем, особенно при изложении размерных величин ионов, атомов, молекул, длин химических связей, расстояний ближнего и дальнего взаимодействий. Пикомасштабный уровень, к которому относится ангстрем, также не нашел в то время применения в химии.

В настоящее время появились нанотехнологии в цементных, гипсовых и известковых технологиях с использованием углеродных частиц одномерных нанотрубок, фуллеренов, фуллероидов, астраленов. При этом в некоторых публикациях о нанобетонах при введении 10–50 г (до 100 г) наноуглеродных модификаторов, вводимых в 1 куб. м бетона, достигаются, якобы, значительные эффекты при получении более высокой прочности, морозостойкости, водостойкости и других позитивных свойств бетонов по сравнению с контрольными бетонами. Но при сверхмалом количестве наночастиц в смеси с СП или с МК положительный эффект приписывают наночастицам, а не СП и МК. Но такие заявления и публикации являются фальсификацией. Почему все исследователи нанотехнологий бетонов с наноуглеродными добавками дозируют их в чрезвычайно малых количествах? Это связано с тем, что при увеличении дозировок существенно возрастает водопотребность бетонных смесей и суперпластификаторы становятся бесполезными. Теоретические расчеты, выполненные по нашим формулам, выведенным из строгих геометрических соображений, свидетельствуют о том, что наночастицы располагаются дискретно в цементной матрице на больших расстояниях друг от друга. Эти расстояния превышают размеры цементных частиц в десятки и в сотни раз. При этом все исследования по изучению действия наноуглеродных добавок часто проводятся в бетонах старого поколения. Полученные результаты не выдерживают никакой конкуренции с высокопрочными бетонами нового поколения (БНП), в которых используются микрометрические компоненты (цемент и каменная мука) и миллиметрические компоненты (тонкий песок и песок-заполнитель). У таких песчаных бетонов с суперпластификаторами достигается прочность 120–140 МПа. У нанотехнологий бетонов с введением микродоз наночастиц в количестве 0,05–0,0005% от массы цемента [4, 5, 9, 10] нет будущего. Некоторые исследователи «додумываются» до крайности: предлагают вводить в бетон 10-4–10-5 % нанодобавок от массы цемента, т.е. 2,5–0,25 г на 1  куб. м бетона [7]! У других исследователей [6] нанодобавка TiO2 в количестве 0,1% от массы цемента «сотворила настоящее чудо»: коэффициент коррозионной стойкости повысился до 0,91–0,95 по сравнению с контрольным коэффициентом, равным 0,5–0,56! Куда исчезли гидролизная известь и гидросиликаты кальция, разрушающиеся кислотами (кислотно-щелочная реакция)? Неужели они в бетоне превратились в кварц или корунд? Это полное незнание химии. И на этих исследовательских материалах будут защищаться (если уже не защитились) аспиранты.

За 15 лет нет ни одного предприятия ни за рубежом, ни в России, где бы использовались микродозировки нанодобавок. Наноразмерными добавками, определяющими более эффективные реальные нанотехнологии в бетоне, могут быть только нанокремнеземы конденсированные, пирогенные и химически осажденные, вводимые не в микродозах, а в достаточных количествах, не менее 1–3% от массы цемента. Механизм их действия связан не только с нанометрическим зародышеобразованием на их поверхности предшественников кристаллов новообразований, но  и с химический реакцией с ними гидролизной извести. Только эта реакция позволит получить дополнительное количество цементирующего вещества в «пустом» пространстве капиллярных и гелевых пор в виде прочного тоберморита, а при прогреве — и более прочных ксонотлита, трускотита с малым количеством гидратной воды. Реальными нанотехнологиями являются те, при которых в бетонные смеси добавляется 1–1,5 % от массы цемента нанометрических гидросиликатов кальция [3].

Бетоны нового поколения – это бетоны высокой плотности с новой рецептурой и с новым структурно-топологическим строением, которые обеспечивают низкий удельный расход цемента на единицу прочности  = 2,5–5,0 кг/МПа) или, соответственно, высокую удельную прочность на единицу расхода цемента –  0,2–0,4 МПа/кг). Бетоны переходного поколения, содержащие в своем составе не только высокоэффективные ГП, но и высокодисперсные реакционно-химические пуццоланические добавки МК и дегидратированного каолина и иного, имеют повышенную прочность. Более дорогие, чем цемент, дефицитные наноразмерные (верхний нанометрический уровень от 100 до 1000 нм) пуццоланические добавки, вводимые в бетон в относительно малых количествах — 10—20% от массы цемента, обеспечивают пониженный  = 5–6 кг/МПа, но лишь в бетонах с высоким расходом цемента (500 кг/м3 и более). В «тощих» бетонах с расходом цемента 150–250 кг/м3, когда содержание мелкого и крупного заполнителя превышает 2000–2100 кг/м3, нельзя обеспечить менее 8–9 кг/МПа. Для таких бетонов переходного этапа нужна новая рецептура наполнителей и заполнителей, включающая дешевые и доступные микрометрические добавки, которые «лежат» на земле. Новая рецептура для БНП – это обязательное присутствие в составе дополнительного и значительного количества дисперсных микроразмерных (нижний и средний микрометрический уровень от 1 до 100 мкм) наполнителей, увеличивающих совместно с цементом (той же или более высокой дисперсности) объем водно-дисперсной реологической матрицы. Таким образом, порошкообразные микрометрические наполнители являются реологически-активными добавками в смеси с цементно-водной пластифицированной дисперсией. На кафедре ТСМиД Пензенского ГУАС в 2010 г. были получены различные бетоны с  от 2,9 до 3,9 кг/МПа и наиболее эффективный порошково-активированный щебеночный бетон с расходом цемента 319 кг/м3, с расходом МК 7% от массы цемента, с прочностью 134 МПа и =2,4 кг/МПа! В последние годы на кафедре ТСМиД получены карбонатные самоуплотняющиеся песчаные бетоны без МК (ОК=27 см) с использованием известняковой каменной муки, дробленых тонкого известнякового песка и песка-заполнителя фракции до 2,5(5) мм с прочностью 120–150 МПа с морозостойкостью более 1000 циклов без потери прочности. Такие технологии мы называем микро-миллиметрические. Они перспективны потому, что не используются реакционно-активные нанометрические пуццоланические добавки. Суточная прочность таких бетонов при твердении при t= 20°С составляет от 50 до 80 МПа, что особенно важно для монолитного строительства.

В бетонах старого поколения, состоящих из цемента, песка, щебня и воды, ни СП, ни ГП не в состоянии кардинально изменить топологическую структуру бетона, кроме некоторого уменьшения капиллярной пористости и получения более компактной упаковки частиц цемента, песка и мелко- и крупнозернистого щебня. Поэтому бесполезны попытки бетоноведов-исследователей существенно снизить расход цемента в бетонах старого поколения, особенно с малыми расходами цемента, за счет СП и ГП и достичь высокой удельной прочности на единицу расхода цемента.

Кроме оптимального количества микрометрических и частично нанометрических частиц наполнителей, в бетонах нового поколения должен быть тонкий песок фракции 0,1–0,6 мм (особенно при отсутствии МК), поддерживающий малоструктурное реологическое состояние и усиливающий водоредуцирующее действие СП. Такой песок может специально и не добавляться, если его доля в песке-заполнителе достаточна для данной марки бетона.

Естественно, что макрометрические песок-заполнитель, крупный заполнитель должны иметь оптимальную гранулометрию. Поэтому все классические принципы подбора оптимальной гранулометрии песка и щебня с высокой насыпной плотностью, разработанные Ю.М. Баженовым и другими учеными, остаются и являются незыблемыми. Если в бетонах старого поколения и в бетонах переходного этапа заполнители должны были обеспечивать плотноупакованную контактную структуру зерен с небольшой раздвижкой и с наименьшим количеством пустот, то в структуре бетонов нового поколения зерна значительно раздвигаются в трехмерном пространстве за счет уменьшения содержания песка-заполнителя и щебня.

Переход от одного вида бетонов нового поколения к последующим реализуется за счет добавления дополнительных компонентов и изменения реологических матриц. При использовании новой топологической структуры нами получены реакционно-порошковые фибробетоны с прочностью на сжатие 175–200 МПа и более, с прочностью на растяжение при изгибе 30–40 МПа, которые не имеют аналогов в России. Малоцементные порошково-активированные песчаные и щебеночные бетоны общестроительного назначения с прочностью 30–50 МПа с низким водопоглощением, с высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью более F300 получены при расходах цемента 170–220 кг/м3.

Приведенные показатели являются самым убедительным доказательством правильности выбранного направления на пути к прогрессу в технике и технологии бетонов за рубежом и в России. За последние 10 лет такое направление оправдывается и технически, и экономически, и экологически. Снижение расходов цемента — это значительное уменьшение эмиссии углекислого газа и использование отходов камнедробления фракции 0,5 мм. Будет ли через 10 лет оправдан «нанофуллерено-фуллероидный бум» в технологии бетонов? Ждать осталось немного. Жизнь покажет. Но она показывает уже сейчас, что центр тяжести надо переносить не на наращивание темпов производства цемента, а на менее энергоемкую и экологичную отрасль – подготовку качественных фракционированных заполнителей с кубовидной формой частиц для щебеночных бетонов, классифицированных песков без глинистых примесей, молотых кварцевых песков или тонкодисперсных известняков, доломитов, гранитов, сиенитов, базальтов, диабазов, трассов, вулканических стекол и других плотных пород.

Революционные преобразования в технике и в технологии бетонов будут осуществляться в первую очередь за счет количественного расширения компонентного состава и использования эффективных СП, обеспечивающих малоструктурное реологическое состояние бетонных смесей благодаря большому объему суспензионной составляющей и превращение смеси в саморастекающиеся и самоуплотняющиеся при малом содержании воды, с формированием высокой прочности бетонов и расширением многих важных функций [2].

Рецензенты:

Логанина В.И., д.т.н., проф. кафедры «Управление качеством и технологии строительного производства» ФГБОУ ВПО «ПГУАС», г. Пенза;

Макридин Н.И., д.т.н., проф. кафедры «ТСМиД» ФГБОУ ВПО «ПГУАС», г. Пенза.