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 R_сж=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.

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»