Получение бетонов с высокими прочностными показателями в марочном возрасте на высокоподвижных бетонных смесях, с обеспечением сохранности свойств во времени, отсутствием расслаиваемости и интенсивной кинетикой набора прочности бетона в ранние сроки твердения, является актуальной проблемой при возведении технически сложных  и уникальных объектов.

Эффективность работы конструкций при эксплуатации определяется созданием и получением материалов не только с более высокой прочностью, но и с меньшей хрупкостью, то есть с белее высоким сопротивлением развития и распространения трещин.

Прочностные и деформативные свойства высокопрочного бетона зависят от совместной работы двух принципиальных компонентов - цементного камня и заполнителя, а также их взаимодействия, что дает возможность управлять свойствами путем отбора соответствующей породы щебня. В качестве заполнителя применяли отходы после отсева щебня ДСУ Кияшалтырского месторождения, крупные фракции которого применяются  для отсыпки железнодорожных путей. Отсевы - фракции менее 25 мм накоплены в значительных количествах на территории месторождения. Определялась дробимость кияшалтырского щебня в цилиндре, потеря массы составила 4 %, что соответствует марке по дробимости 1400.

Результаты рентгенофазового испытания заполнителя Кияшалтырского месторождения приведены на рис. 1. Установлено, что исследуемые пробы представлены в основном диопсидом, с твёрдостью по шкале Мооса - 5,5-6, плотностью - 3000-3200 кг/м³.

Помимо диопсида (пики 4,46; 2,98; 2,89; 2,56;2,52; 2.30; 2,15; 2,129; 2,034; 2,01; 1,83; 1,74;1,61; 1,52) порода содержит свободный кварц (пик 3,36), каолинит (пик 7.153) и полевой шпат (пики 4.04; 3,74).

Рисунок 1. Рентгенофазовый анализ заполнителя Кияшалтырского месторождения

Полученная первоначальная структура бетона постепенно уплотняется за счет новообразований цемента в процессе его гидратации и соответственно возрастает прочность бетона. Однако если первоначальная структура имеет много дефектов и недостатков, то никаким последующим твердением их невозможно исправить. Поэтому для высокопрочных бетонов необходимо, чтобы она была достаточно плотной, тонкозернистой с максимальным насыщением твердой фазой и отсутствием заметных дефектов.

Данная проблема решается в нескольких направлениях:

• однородность размещения структурных элементов в объеме материала;
• объемным соотношением основных структурных элементов в материале (зерен заполнителя и наполнителя, цементирующего вещества, пор);
• размером и распределением по размерам структурных элементов (зерен заполнителя, микронаполнителя, микро и макропор);
• получение низкой пористости и высокой плотности бетона;
• обеспечение быстрых темпов набора ранней прочности и высокой нормативной прочности бетона.

Существуют несколько основных принципов и условий ускорения структурообразования и, как следствие, ускорения твердения цементных композиций. Один из которых - обеспечение высокой степени пересыщения раствора продуктами растворения клинкерных минералов по отношению к кристаллизующимся из него кристаллогидратам и поддержание этого высокого пересыщения на весь период гидратации цемента по кристаллизационному механизму, до образования вокруг цементных зерен экранирующих оболочек.

Данные требования достигаются следующими методами: использование высокопрочных портландцементов (при разработке составов высокопрочных монолитных бетонов использовался красноярский портландцемент ПЦ 500 Д0, более высоких марок Красноярским цементным заводом не выпускается), снижение В/Ц за счет применения водоредуцирующих добавок, применение добавок крентов и др.

Наиболее эффективно для этих целей применение в высокопрочных бетонах не отдельных модификаторов, а специально подобранных комплексов в зависимости от назначения бетона и предъявляемых к нему требований. Обязательным компонентом комплексов обычно является суперпластификатор, который должен хорошо сочетаться с наполнителем более высокой дисперсности, чем у цемента; для обеспечения высокой    реакционной способности с продуктами гидратации цемента и создания центров кристаллизации вводятся наноэлементы, улучшающие межфазовое взаимодействие, и упрочняющие контактную зону; модификаторы, управляющие структурообразованием, в частности, кинетикой схватывания и твердения, расширяющие и волокнистые добавки, и др. Состав комплекса должен соответствовать выбранной технологии и заданным свойствам бетона.

Для монолитного бетона строение молекулы суперпластификатора должно обеспечить замедление схватывания и  ускорение набора прочности после укладки. В результате после первоначального замедления гидратации и образования коагуляционной структуры наступает ускорение твердения бетона.

Большие возможности управления структурообразованием бетона открывает применение пластификаторов на основе поликарбоксилатов, для чего в работе использовался суперпластификатор (СП) МС-PowerFlow 1124.

Поликарбоксилаты обеспечивают весьма высокую сохраняемость бетонной смеси, что также делает их весьма привлекательными для монолитного строительства и при продолжительном транспортировании бетонной смеси.

Уменьшение водопотребности бетонной смеси и В/Ц определяется электрическими зарядами и вращающимися боковыми цепями молекулы поликарбоксилатного СП; сохраняемость, связанная со скоростью адсорбции полимеров на частицах цемента, - функциональными мономерами, а развитие  ранней прочности бетона - формой (конфигурацией) полимерной молекулы в целом, которая имеет главную цепочку с отрицательными зарядами, адсорбирующуюся к цементной частице, и незаряженные побочные цепочки.

Другой особенностью проектирования состава высокопрочного монолитного бетона с поликарбоксилатами является необходимость увеличения доли песка в смеси заполнителей. Установлено, что поликарбоксилаты эффективны в запесчаненном бетоне, что также является положительным фактором, поскольку для перекачивания насосами бетонная смесь проектировалась с повышенным содержанием песка (табл. 1).

Известно, что зона контакта между заполнителем и цементным камнем - слабый элемент структуры бетона. Однако введение в бетон микрокремнезема и наночастиц уплотняет зону контакта и повышает прочность. В работе использовался Новокузнецкий гранулированный микрокремнезем (МК) из ультрадисперсного порошка МК со средней удельной поверхностью около 20 м²/г. Структура цементного камня с добавкой МК и без нее приведена на рис. 3.

Особенно эффективно действие микрокремнезема в комплексе с суперпластификаторами. При гидратации цемента в присутствии подобных комплексных модификаторов образуются коллоидные частицы наноразмеров и гелеподобные тонкие слои на поверхности цементных зерен. Сохранение подобных структур в затвердевшем бетоне способствует повышению его качества.

А	б

Рисунок 3. Структура цементного камня с увеличением в 100 раз: а - цементный камень в возрасте 28 сут; б - цементный камень с добавкой МК (10%) в возрасте 28 сут

В цементном камне без добавок структура достаточно рыхлая, с большим количеством контракционных пор размерами до 0,05 мм, цементный камень с МК более плотный, поры значительно мельче, соответственно более высокая морозостойкость (300 циклов без признаков разрушения, испытания продолжаются).

При увеличении тех же образцов в 1000 раз (рис. 4) наблюдается большое количество микропор между образованиями. Сами новообразования представлены в основном крупными высокоосновными гидросиликатами (размеры которых составляют 10-15 мкм) и крупными пластинками эттрингита.

а	б

Рисунок 4. Структура цементного камня с увеличением в 1000 раз: а - цементный камень с добавкой МК (10 %) в возрасте 28 сут; б - цементный камень в возрасте 28 сут

В цементном камне с добавкой МК структура представлена в основном низкоосновными гидросиликатами кальция (размеры частиц около 0,1 мкм). Наблюдаются в том числе и непрореагировавшие зерна МК, способные вступить в реакцию с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, таким образом, рост прочности бетона продолжится.

В составе комплексных модификаторов также исследовался продукт нидерландской компании «PowerСem technologies» - добавка ConcreCem, содержащая в своем составе щелочноземельные металлы и синтетические цеолиты, дополненные активатором. Являясь хорошей добавкой-затравкой, ConcreCem образует кристаллическую структуру, которая способна частично закупоривать капиллярные поры. Также благодаря ее волокнистой структуре предотвращается процесс образования микротрещин (рис. 5).

Рисунок 5. Гидратирующая цементная система с добавкой Concrecem в возрасте 5 часов с увеличением в 250 и 1000 раз

Наличие микроармирующих образований (диаметр армирующего волокна 1-5 мкм) упрочняет систему, в дополнение к процессам «склеивания», происходящим при гидратации цементна, дополнительно проявляется механизм «сплетения», армирования на микроуровне.

Исследовалось влияние увеличения доли песка в составе бетона (табл. 1) с использованием комплексной добавки, включающей в себя пластификатор МС-PowerFlow 1124, а также изменение количества вяжущего (табл. 2).

Таблица 1. Влияние увеличения расхода мелкого заполнителя на прочность бетонных образцов

Расход заполнителя, кг/м3	Составы	В/Ц	ОК	Прочность при сжатии на 28 сутки, МПа
319	Контрольный	0,33	4	55,3
	С МК и СП	0,27	20	68, 7
	С ConcreCem и СП	0,30	18	98,4
470	Контрольный	0,30	4	67,6
	С МК и СП	0,27	20	85,5
	С ConcreCem и СП	0,30	18	115,0

Таблица 2. Влияние уменьшения расхода цемента на прочность бетонных образцов

Расход цемента, кг/м3	Составы	В/Ц	ОК	Прочность при сжатии на 28 сутки, МПа
530	Контрольный	0,33	4	55,3
	С МК и СП	0,27	20	85, 7
	С ConcreCem и СП	0,3	18	115
477	Контрольный	0,3	4	52,86
	С МКи СП	0,27	20	65,58
	С ConcreCem и СП	0,3	18	85

Использование комплексных добавок СП на основе поликарбоксилатов с супертонким наполнителем либо со сложным модификатором-затравкой позволяет управлять структурой высокопрочных бетонов, уплотняет цементную оболочку вокруг зерен прочного заполнителя (рис. 8). Такие комплексы соответствуют технологии монолитного бетонирования и позволяют обеспечивать заданные свойства бетону.

Рисунок 8. Образец модифицированного бетона, излом под оптическим микроскопом

С увеличением плотности цементной оболочки вокруг зерен заполнителей и прочности сцепления с ними проявляется объемная повышенная сопротивляемость, также приводящая к улучшению физико-механических характеристик. Этим явлением возможно объяснить получение прочности бетона, превышающей марку цемента, приближающуюся к прочности заполнителей.

Рецензенты:

• Толкачев В. Я., доктор технических наук, советник академии СО РИА, главный технолог кирпичного завода ООО «Сибирский элемент» г. Красноярск.
• Бурученко А. Е., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физики-4 института фундаментальной подготовки Сибирского федерального университета, г. Красноярск.