УДК 691.32, 693.54

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И РЕЦЕПТУРНЫЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ БЕТОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Володин Владимир Михайлович1, Ананьев Сергей Викторович2, Мороз Марина Николаевна3, Петухов Андрей Владимирович4
1ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.
2ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.
3ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.
4ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", студент

Аннотация
В статье приведены технологические основы получения многокомпонентных бетонов нового поколения. Дана рецептура изготовления высокоэффективных бетонов. Показано, что удельный расход цемента на единицу прочности является технико-экономическим и экологическим критерием получения бетонов нового поколения.

Ключевые слова: бетоны нового поколения, рецептура, суперпластификаторы, Технологические основы


TECHNOLOGICAL AND PRESCRIPTION FUNDAMENTALS OF HIGH PERFORMANCE CONCRETES OF A NEW GENERATION

Volodin Vladimir Mikhailovich1, Ananyev Sergey Viktorovich2, Moroz Marina Nikolaevna3, Petukhov Andrey Vladimirovich4
1Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences
2Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences
3Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences
4Penza State University of Architecture and Construction, student

Abstract
The paper presents the technological fundamentals of multicomponent concretes of a new generation. Given the recipe for manufacturing high-performance concretes It is shown that the specific consumption of cement per unit of strength is techno-economic and environmental criteria to obtain concrete of the new generation.

Библиографическая ссылка на статью:
Володин В.М., Ананьев С.В., Мороз М.Н., Петухов А.В. Технологические и рецептурные основы получения высокоэффективных бетонов нового поколения // Современная техника и технологии. 2014. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/11/4943 (дата обращения: 27.05.2017).

В последние годы при производстве высококачественных бетонов реализуется концепция использования реакционно-активных мономинеральных и полиминеральных тонкодисперсных порошков на основе горных пород [1, 2]. Использование таких порошков ознаменовало появление нового класса бетонов, так называемые Reaktionspulverbeton. В связи с этим, необходимо было разработать новую технологию получения таких высокоэффективных бетонов нового поколения.

Такие бетоны являются многокомпонентными, количество компонентов в них может достигать 7–9 наименований. В них отсутствуют крупный заполнитель, а мелкий заполнитель – это особо мелкие пески фракции не более 0,8 мм. Доля каменной реакционно-активной муки в таких бетонах составляет 40-50% от массы цемента при содержании микрокремнезема (МК) до 15–22%. Водо-твердое отношение не превышает 0,09–0,12. Эти бетоны могут быть охарактеризованы как тонкозернистые порошковые бетоны. Содержание воды в тонкозернистых бетонах существенно снижается за счет высокого водоредуцирующего действия суперпластификатора (СП) в дисперсных системах. Водоредуцирующее действие в некоторых тонкодисперсных порошках может достигать значительных величин (1000–1500%), т.е. расход воды при одинаковой гравитационной текучести в дисперсных системах может быть снижен в 10–15 раз по сравнению с обычными суспензиями. Замещение части цемента, крупного и мелкого заполнителей тонкодисперсными микропорошками позволяет максимально реализовать разжижающее действие суперпластификаторов на сульфонафталин- и сульфомеламинфор­мальдегидной основе и, в большей степени, на поликарбоксилатной основе. С введением в такие бетоны стальных волокон в количестве 2,0 – 2,5 % по объему прочность бетона при осевом растяжении может достигать 15 МПа, прочность на растяжение при изгибе – 50 МПа, при прочности на сжатие 180 – 200 МПа.

Разработка многокомпонентных высококачественных бетонов различного функционального назначения обеспечивает неограниченные возможности использования их в строительном комплексе [3-6].

Экономя цемент нельзя получить высококачественные высокопрочные бетоны, особенно из бетонных смесей с высокой пластичностью и текучестью. Их состав необходимо кардинально изменять со значительным добавлением дисперсных компонентов. Экономически-обоснованная рецептура бетонов на настоящем этапе развития науки о бетонах должна преследовать цель не экономию цемента в бетонах старого поколения, а сокращения расхода железобетона в конструкциях за счет его высокой и особо высокой прочности. В этом случае экономятся все компоненты бетона – от цемента до стали.

Сочетание микрокремнезема и суперпластификатора с заменой крупного песка на мелкий с наибольшим размером зерен 0,5 мм, и с использованием базальтового щебня с максимальным размером 8 мм позволяет получить на самоуплотняющемся бетоне с В/Ц=0,18 прочность при сжатии 129 МПа при прочности на растяжение при изгибе 13 МПа. Введение фибры несущественно повышает прочность при сжатии (на 15%), но прочность на растяжение при изгибе возрастает в 2,2 раза. Пропаривание такого бетона в течение двух суток интенсифицирует протекание пуццоланической реакции и прочность на сжатие возрастает до 198 МПа, а на растяжение при изгибе – до 49 МПа т.е. в 3,77 раза по сравнению с бетоном с СП и МК, но не содержащим стальную фибру. Таким образом, невостребованные ранее малопрочные фибробетоны через 25 лет «дождались» особо высокопрочной матрицы, которая была способна обеспечить полное сцепление, как с проволокой диаметром 0,8-1,9 мм, так и с высокодисперсной арматурой, диаметром 0,15-0,25мм. Кроме того, повышение сцепления фибры с бетоном позволило:

1. Уменьшить длину фибры до 6-9 ммбез опасения выдергивания проволоки значительно раньше, чем наступит предел текучести,

2. Отказаться от использования слишком длинной фибры с L>5-15см и исключить комкование и неравномерное распределение с отсутствием недоармированных и переармированных зон, а также уменьшить диаметр стальной фибры вплоть до микроуровня (0,01-0,04 мм),

3. Уменьшить влияние фибры на снижение удобоукладываемости,

4. Уменьшить величины возрастания среднеквадратичных отклонений прочности на изгиб и на осевое растяжение с увеличением степени армирования,

5. Повысить долю заполнителя с наибольшей крупностью зерен 8мм до 60-65% в смеси заполнителей.

Таким образом, добавление к традиционным четырем компонентам бетонной смеси еще трех является  достаточным для превращения обычного бетона в многофункциональный.

Кроме повышения прочности на все виды нагрузок бетон обладает высокой водостойкостью и водонепроницаемостью (W), морозостойкостью (F), солес­тойкостью к воздействию солей обледенителей, стойкостью к проникновению хлорид-ионов, к трехкратному повышению стойкости к карбо­низации. Следует считать, что важнейшая добавка в этой комбинации – суперпластификатор.

Именно он, за счет снижения воды затворения, делает бетон плотным. Микрокремнезем, как высокодисперсная фаза (совместно с молотой горной породой), усиливает водоредуцирующее действие суперпластификаторов повышая, с одной стороны, плотность, а с другой – связывает гидратную известь в гидросиликаты, заполняющие капиллярные поры, что еще в большей степени повышает плотность структуры, а с ней – и прочность бетона.

Как указано выше, появление порошковых бетонов было обусловлено, прежде всего, необходимостью создания плотной и прочной матрицы за счёт уменьшения размеров структурных элементов такого бетона. Отдельные составляющие такого бетона выходят на микро-, и наноуровень (микрокремнезём, наносиликаты и наноуглероды). Такая плотная матрица позволила не только повысить сцепление её с дисперсной арматурой повышенного диаметра 0,5-2 мм, но и малого диаметра 0,1-0,2 мм, можно сказать, на микроуровне. Это позволило полностью использовать свойства высокопрочной дисперсной арматуры с пределом текучести до 3000 МПа и более. В результате использования такой стали удалось существенно уменьшить длину волокон до 6-9 мм без опасения их выдёргивания.

Вся эволюция совершенствования структуры щебеночных бетонов с повышением прочности их связана с уменьшением размеров крупного заполнителя с 20 – 40 мм до 3-10 мм. Последние 10-15 лет большинство высокопрочных и бетонов изготавливаются из саморастекающихся бетонных смесей, в которых максимальная крупность щебёночного заполнителя не превышает 8-12 мм.

Высокая текучесть позволяет изготавливать высокоархитектурные ажурные конструкции, тонкостенные скорлупы, шатровые оболочки, купола и другие филигранные конструкции. Это позволило осуществлять строительство безопорных ажурных мостов.

Еще причиной явилась возможность существенного повышения трещиностойкости дисперсно-армированных порошковых бетонов.

Наиболее веским основанием для перехода от щебёночных, мелкозернистых и песчанистых литых бетонов к порошковым бетонам послужило прогрессирующее развитие ткацкой промышленности в развитых странах (США, Канада, Франция, Германия), способной осуществлять изготовление объёмных мелкосеточных каркасов из полипропиленовых, полиамидных, полиакрилатных и целлюлозных волокон.

Как известно в мировой практике в производстве бетона используются порошки горных пород различного происхождения, однако основные критерии их использования не чётко определены.

Россия, занимая 1/7 часть суши, имеет огромные резервы горных пород различного происхождения. По оценкам компетентных специалистов разных стран из огромного количества сырья используется лишь 2-7 % для получения целевого продукта. Остальное – хранится в отвалах. Новые достижения в области техники и технологии металлургии открыли возможности извлечения полезных ископаемых из истощенных руд.

Основная часть многомиллиардных отходов минерального сырья выбрасывается в дисперсном или даже в высокодисперсном состоянии, остальная – в грубодисперсном виде, после процессов флотации, сухой и мокрой магнитной сепарации, отсевов камнедробления. Если принять минимальный суммарный расход электроэнергии на дробление и помол 10 квт час (дробление 3-5 кВт·час, помол – 15-25 кВт·час) на одну тонну каменных пород, то годовые энергетические затраты на измельчение 100 мдрд. тонн минеральных пород составят 1015 Вт·час. (1000 ТВт·час). Ежегодно такое количество энергии безвозвратно аккумулировано для образования высокой свободной поверхностной энергии дисперсных отходов в отвалах.

Эффективные бетоны, правильно называют бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам. Это бетоны будущего [7] . По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии  [8], 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 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. 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 высоконагруженных зданиях и сооружениях. По мере перехода строительства на использование ВПБ и СВБ для уникальных зданий и сооружений будет сохраняться производство бетонов старого поколения с удельным расходом цемента 8-10 кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20-60 МПа необходимо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения  с  удельным расходом цемента на единицу прочности ≤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.

Во-вторых отказ от строительства 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 связи с этим организация производств бетонов нового поколения в любом регионе России – важная народно-хозяйственная задача. И тот из руководителей крупных строительных управлений, который поймет, что переход на производство бетонов нового поколения будет определять высокую эффективность работы своего подразделения. Если говорить в целом об экономике строительства из бетона и железобетона в России, то строительство из высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона – это глобальная экономика. Она имеет свои специфические критерии.


Библиографический список
  1. Калашников В.И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов.  Строительные материалы. 2008. № 3. С. 20-23.
  2. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч.3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего.  Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22.
  3. Калашников В.И., Тараканов О.В., Белякова Е.А., Мороз М.Н. Новое направление использования зол ТЭЦ в порошково-активированных бетонах нового поколения. Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 22-27.
  4. Мороз М.Н., Калашников В.И., Суздальцев О.В., Янин В.С. Высокопрочные декоративно-отделочные поверхностно-гидрофобизированные бетоны. Региональная архитектура и строительство. 2014. № 1. С. 18-23.
  5. 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.
  6. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием.  Строительные материалы. 2009. № 6. С. 59-61.
  7. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102.
  8. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения. Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.


Все статьи автора «Мороз Марина Николаевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: