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.

Низкощелочные минеральношлаковые композиционные строительные материалы и, в частности, геошлаковые композиты должны получить в будущем значительное развитие. Это обусловлено следующими факторами:

– минимальным расходом щелочных активизаторов, не превышающим 2-3% от массы композиционного минеральношлакового вяжущего, что существенно повышает его экономическую эффективность;

– значительным потреблением дисперсных горных пород – глины, известняка, базальта, гранита, диорита, сиенита, габбро, кремнистых пород, многие из которых активизируются щелочными активизаторами шлака;

– улучшением отдельных физико-технических и функциональных свойств в сравнении с традиционными «чистыми» шлакощелочными вяжущими и бетонами с высокими дозировками щелочных активизаторов;

– возможностью снижения содержания шлака до 10-20% при получении геошлаковых композитов при оптимальном сочетании химико-минералогического состава шлака, горных пород и корректирующей добавки;

– возможностью проведения в объеме композиционных шлаковых материалов реакций каустификации соды [1], которая в будущем, по нашему мнению, должна получить статус вяжущего (при утилизации углекислотных выбросов) для отверждения геополимеров.

Изучены минерально-шлаковые вяжущие, такие как глиношлаковые, карбонатношлаковые, доломитошлаковые, гравелитошлаковые, глауконитошлаковые, в которых доля наполнителей варьировалась от 40 до 80% при содержании активизаторов щелочи или соды, не превышающем 2-3% от массы композиционного шлакового вяжущего [2, 3, 4].

Разработанные нами низкощелочные композиционные минеральношлаковые и геошлаковые вяжущие существенно расширили сырьевую базу для их производства и позволили сократить расходы шлака в 1,5-2,0 раза и щелочных активизаторов NaOH, KOH, Na₂CO₃, K₂CO₃ в 2-4 раза по сравнению с шлакощелочными вяжущими.

При этом прочностные показатели этих вяжущих, прессованных и виброуплотненных материалов на их основе практически не ухудшились по сравнению со шлакощелочными с высокими расходами активизаторов. Например, глиношлаковые вяжущие являются высокотрещиностойкими, обладают «безопасной» усадкой, выдерживают без образования трещин 25-30 циклов попеременного увлажнения-высушивания при температуре 105ºС с повышением прочности и модуля упругости [5] . Шлакощелочные вяжущие и цементы разрушаются через 2-5 циклов попеременного высушивания-увлажнения.

Рассматривался фактор наполнения не только с позиции экономии шлака как вяжущего с высокой реакционной активностью в смеси со многими породами, но и как вариант существенного повышения доли щелочных активизаторов, приходящихся на шлаковое вяжущее в минеральношлаковой системе при общем низком их количестве в последней. Так, при 70%-ном содержании наполнителя и 30%-ном содержании шлака и дозировке активизатора от массы смеси 3% на долю шлака придется 10%. Если наполнитель не реакционно активен по отношению к активизатору и не реагирует с ним с образованием новой фазы, то весь он будет связываться со шлаком с образованием продуктов гидратации шлака, которые цементируют частицы наполнителя вследствие экспериментально подтвержденного ионно-диффузионного механизма твердения. При соотношении «шлак/наполнитель» 1/4 и 2%-ном содержании активизатора на долю шлака приходится 10% активизатора. В этом случае частицы шлака расположены локально в дисперсной матрице из частиц минеральной породы. Шлак в этом случае справедливо назвать реакционно-активным наполнителем в нетвердеющей основной минеральной матрице.

Диапазон горных пород для создания минерально-шлаковых вяжущих и материалов на их основе чрезвычайно широк и разнообразен по химико-минералогической природе. В этот диапазон входят породы осадочного происхождения: карбонаты, глины, суглинки, силициты, гравелиты и др.; вулканического происхождения: граниты, сиениты, диориты, базальты, габбро и др.

Учитывая широкое разнообразие щелочных шлаковых вяжущих, как чистых, так и композиционных, Калашниковым В.И. предложена классификация [6], в основу которой положены критерии количества шлака, минеральной добавки и щелочного активизатора в составе композиционных вяжущих.

Предлагаемая классификация является наиболее компактной и емкой, учитывающая все известные на данный момент виды шлаковых вяжущих, активируемых щелочами и щелочными солями. При этом «родное» название шлакощелочного вяжущего по В.Д. Глуховскому сохраняется.

Для оценки кинетики формирования прочности глиношлакового вяжущего были проведены следующие эксперименты. В качестве основных сырьевых материалов использовались молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического завода с удельной поверхностью S_уд = 370 м²/кг в комплексе с Южно-Башмаковской глиной с S_уд = 550 м²/кг при различном соотношении “шлак:глина” – «60:40», «70:30» и «80:20» по массе.

Водо-твердое отношение составляло 0,14. В качестве активизатора твердения использовали щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего. Для предварительного анализа были отформованы образцы методом прессования при Р = 25 МПа. Образцы подвергались тепло-влажностной обработке по режиму: 3 часа – подъем температуры, 5 часов – изотермическая выдержка при температуре 80ºС, и естественное остывание. Часть образцов хранилась в нормально-влажностных условиях при относительной влажности воздуха более 90% в течение 28 суток, затем подвергалась испытанию на прочность при сжатии. Далее образцы подвергались водонасыщению в течение 10 суток. Периодически производился контроль водопоглощения по массе. Результаты исследований представлены в таблице.

Таблица.  Физико-технические свойства глиношлакового вяжущего на основе Южно-Башмаковской глины

Как видно из таблицы, при соотношении компонентов глиношлакового вяжущего «шлак:глина» – «60:40», была получена самая высокая прочность на осевое сжатие (состав 2 таблица): после тепловлажностной обработки она составила 33,4 МПа, через 28 суток нормально-влажностного твердения – 30,3 МПа. При соотношении «шлак:глина» «80:20» и «70:30» прочность на осевое сжатие после тепловлажностной обработки составила 17,2 и 13,3 МПа, соответственно. Последующее высушивание образцов после ТВО способствует повышению прочности на сжатие для состава 2 в 1,12 раза – 37,4 МПа. Водопоглощение по массе образцов глиношлакового вяжущего при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «60:40» через 10 суток составила 7,32 %.

Кроме того, следует отметить, что глиношлаковые материалы имеют достаточно высокие прочностные показатели, при этом предел прочности на сжатие, средняя плотность образцов, а также формовочная влажность возрастают с уменьшением формовочной влажности смеси до оптимального значения.

Введение извести в качестве активизатора твердения при снижении количества щелочи приводит к замедлению набора прочности в нормальных условиях, но в условиях тепловлажностной обработки кинетика роста прочности аналогична образцам, активируемым при повышенном содержании щелочи (состав 4 таблица).

Добавка к глиношлаковому вяжущему наполнителя – тонкомолотого известняка – вызывает увеличение прочности в нормативные сроки на 20% и прочности после ТВО – на 11%.

Коэффициент размягчения, находящийся в пределах от 0,5 до 0,76, ниже, чем у бетонов на портландцементном вяжущем. Однако процесс твердения образцов в воде практически идентичен твердению в нормально-влажностных условиях; при этом не наблюдается размучивание образцов в воде после суточной воздушно-влажной выдержки, не происходит снижение прочности, а в составах с Са(ОН)₂ она даже выше на 15% по сравнению с прочностью образцов нормального твердения.

Все это позволяет отнести глиношлаковое вяжущее при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «1,5:1» к классу гидравлических вяжущих веществ с учетом медленного, но стабильного длительного гидратационного твердения во времени.

В процессе попеременного увлажнения-высушивания поведение глиношлаковых образцов в течение 20-25 циклов отличается от классического – плавного падения динамического модуля упругости, вызываемого расшатыванием структуры, характерного для цементных бетонов. Образующиеся от усадки трещины не только залечиваются с полным восстановлением исходной стабильной структуры по значениям модуля упругости, но эта структура постоянно упрочняется за счет гидратации клинкерного фонда в процессе «отдыха» при водонасыщении образцов или других, пока не изученных, процессов в полиструктуре.

В процессе испытаний наблюдалась постоянная гидратация глиношлакового вяжущего. Микроскопическая оценка с помощью отсчётного микроскопа МПБ-2 с ценой деления 50 мкм, не позволило обнаружить наличие волосяных трещин на поверхности глиношлаковых образцов, что характеризует их как высокотрещиностойкие композиционные материалы.

Таким образом, установлена хорошая совместимость минералов глины с компонентами шлака в щелочной среде с формированием нормативной прочности до 33 МПа. Получены водостойкие, морозостойкие, малоусадочные и трещиностойкие глиношлаковые материалы, которые можно использовать для производства эффективной декоративной фасадной плитки, стеновых материалов и черепицы.