В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, С.В. АНАНЬЕВ, к-т техн.наук,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Что такое порошково-активированный бетон нового поколения
Многими специалистами считается, что в традиционных четырехкомпонентных бетонных смесях старого поколения состава цемент–песок–щебень–вода основой их высокой пластификации являются только высокоэффективные суперпластификаторы (СП). Действие современных СП оценивается по водоредуцирующему эффекту. Максимальный водоредуцирующий эффект в бетоне с высоким расходом цемента может достигать 30–35%. Механизм действия как старых, так и новых СП практически изучен. Он связан с адсорбцией молекул СП, с изменением ионно-электростатического одноименного заряда частиц и электрического потенциала и со стерическими эффектами. Но в бетоне старого поколения (БСП) эти механизмы работают только на дисперсной фазе – цементе, так как дисперсной системой, которая определяет текучесть и пластичность бетонных смесей, является цементно-водная дисперсия. Когда в бетоне мало цемента, то и водно-дисперсной фазы, которая обеспечивает реологическое действие СП, тоже мало. Поэтому повышенное пластифицирование и водоредуцирование обеспечивается только в жирном бетоне. По уровню водоредуцирования можно условно классифицировать пластифицированные бетонные смеси с разным расходом цемента следующим образом:
– расход цемента 150–200 кг/м3 – водоредуцирующий эффект 5–7%;
– расход цемента 250–300 кг/м3 – 10–15%;
– расход цемента 400–600 кг/м3 – 20–35%.
Из этого следует вывод: ни пластификаторы старого поколения, ни пластификаторы нового поколения не эффективны или малоэффективны в бетоне с расходом цемента до 200–300 кг/м3 . Для повышения эффективности в бетонные смеси необходимо добавлять значительное количество дисперсной фазы в виде более дешевых дисперсных наполнителей с Sуд = 300–400 м2 /кг.
Таким образом, бетонные смеси старого поколения необходимо не только реологически активировать или модифицировать добавками СП, но и осуществлять порошковую активацию или модификацию их для усиления пластифицирующих и водоредуцирующих эффектов. Термин «порошково-активированныей бетон» с СП был предложен в [1] исходя из необходимости введения значительного количества дисперсных компонентов, получения новой рецептуры и топологической структуры такого бетона. Этот термин аналогичен термину «порошково-модифицированный бетон». Необходимо отметить, что без СП невозможно активировать бетон старого поколения значительными количествами дисперсных порошков в связи с существенным понижением прочности.
В обычном четырехкомпонентном бетоне старого поколения (БСП) присутствует лишь один порошок – цемент. В таком бетоне абсолютная объемная доля этого порошка может быть различной в зависимости от расхода цемента. При расходе цемента 200–500 кг/м3 и истинной плотности его 3,1 г/см3 , абсолютная объемная доля находится в пределах 65–161 л (6,5–16,1%). Дисперсные наполнители, которые раньше вводили взамен портландцемента для его экономии [2], увеличивали объем порошкообразной фазы пропорционально разнице плотностей цемента и наполнителя. Учитывая, что истинная плотность плотных горных пород находится в пределах 2,6–3,1 г/см3 , то абсолютный объем порошкообразной смеси или не менялся (наполнители базальт, диабаз, габбро) или незначительно возрастал (кварц, известняк).
Так, замена 100 кг цемента от его расхода в 500 кг/м3 молотым кварцевым песком плотностью 2,7 г/см3 увеличивает абсолютный объем смешанного порошка всего на 4,7 л, т. е. на 2,9%. Естественно, что от такой замены цемента реологические свойства от действия СП практически не менялись.
Осуществим порошковую активацию малоцементного БСП с расходом цемента 180 кг/м3 (58 л/м3 ) добавлением 190 кг/м3 (70,4 л/м3 ) молотого песка плотностью 2,7 г/см3 . Тогда суммарная абсолютная объемная доля порошковых тонкодисперсных компонентов в виде молотого песка и цемента составит 12,8% (128 л в 1000 л смеси), т. е. в 2,13 раза превысит объемную долю чистого цемента при его расходе в бетоне 180 кг/м3 . Если дополнительно ввести микрокремнезем (МК) в количестве 10% массы цемента, то суммарный объем порошков составит 137 л и объемная доля дисперсных компонентов возрастет до 13,1%. Кроме молотого наполнителя и МК в бетон добавим тонкий песок фр. 0,16–0,63 мм в количестве 500 кг/м3 , содержание которого составит 185 л. Общее содержание тонкозернистого и порошкового компонентов цемента, молотого песка, МК и тонкого песка будет 322 л, что в 5,55 раза выше, чем абсолютный объем цемента при его содержании 180 кг/м3 . Это количество порошка от объема 1000 л бетона составит 32,2%, что в 2 раза выше, чем объем цементного порошка в бетоне с расходом цемента 500 кг/м3 . Таким образом, содержание порошковых компонентов в тощем порошково-активированном бетоне существенно выше, чем в жирном бетоне старого поколения. Именно такое значительное содержание порошкообразной фазы описывает термин «порошковая активация» бетона с крупным и мелким заполнителями. Он созвучен термину «реакционно-порошковый бетон», в котором кроме цемента присутствуют реакционно-активный МК, молотый наполнитель и тонкий песок.
Все дисперсные и тонкозернистые наполнители можно разделить на два вида в соответствии с их функциями: реакционно-активные и реологически-активные. Термин «реакционно-активный» (МК, дегидратированный каолин, белая сажа и т. п.) характеризует достаточно интенсивную пуццолановую реакцию взаимодействия аморфного кремнезема с портландитом. Молотые кварцевые или кварцесодержащие наполнители – базальт, диабаз, гранит, сиенит, кварцевый песок реакционно-активные с известью, но с замедленным, более продолжительным (латентным) периодом взаимодействия с портландитом. Другие дисперсные наполнители – известняк, доломит являются условно неактивными, так как не образуют прочных продуктов с известью. В самоуплотняющемся бетоне реакционноактивные и реологически-активные добавки выполняют важнейшую реологическую функцию: способность под действием диспергаторов превращаться из состояния структуры геля в золь, с высвобождением значительного количества свободной воды из структуры геля. Этот переход осуществляется под действием ионноэлектростатических СП в водно-тонкодисперсной системе со значительной иммобилизацией воды из структуры геля в золь. Он сопровождается лавинообразным снижением предела текучести и вязкости системы с сохранением самопроизвольной гравитационной растекаемости. В бетонных смесях старого поколения такому переходу подвержена лишь одна дисперсная система – цементно-водная. Такой реологически-активной системы в БСП мало, что требует введения тонкодисперсных наполнителей. В связи с этим, дисперсные и тонкозернистые наполнители были названы реологическиактивными, усиливающими в бетонной смеси действие всех видов пластификаторов.
Именно порошково-активированный многокомпонентный бетон с оптимизированным содержанием дисперсных наполнителей и тонкого песка, с кардинальным изменением рецептуры, является бетоном нового поколения. Порошковая активация эффективна для экономически невыгодного и технически малоприемлемого песчаного бетона старого поколения. Большие перспективы ожидаются при производстве порошково-активированного керамзитобетона и стеклосферобетона. Высокая эффективность порошковой активации выявлена для особо тяжелого бетона для защиты от радиации.
Новая рецептура порошково-активированного бетона определяет и новую топологическую структуру.
В соответствии с основными теоретическими положениями о структуре и топологии порошковоактивированных бетонных смесей, разработанных на кафедре «Технология бетонов, керамики и вяжущих», щебеночные бетоны содержат в своем составе три, разделенных по масштабному уровню дисперсности, реологические матрицы. С этих позиций топологическая структура высокопрочного и особовысокопрочного бетона нового поколения должна кардинально отличаться от структуры обычного и малоцементного бетона старого поколения. В соответствии с правилом равенства абсолютных объемов составляющих бетона при добавлении в малоцементный (140–170 кг/м3 ) бетон нового поколения более чем двукратного количества дисперсного наполнителя и более чем трехкратного количества тонкого песка фр. 0,16–0,63 мм существенно снижается суммарное количество обычного мелкого заполнителя и щебня. При этом реализуется «плавающее» размещение песка-заполнителя в тонкозернисто-дисперсной водной суспензии, а щебня – в растворной смеси. Таким образом, такой бетон должен быть малощебеночным и малопесчанным, если под песком понимать песок, как стандартный мелкий заполнитель. Содержание щебня в бетоне сокращается до 700–900 кг/м3 , а в фибробетоне до 500–700 кг/м3 .
К бетону нового поколения обычно относят высокопрочный, ультравысокопрочный, высокофункциональный, реакционно-порошковый, самоуплотняющийся, самонивелирующийся. Тем не менее, он является высокоэкономичным и экологичным, если его оценить по величине известного критерия. Этот критерий – удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии (ЦR УД = Ц/R, кг/МПа).
Естественно, что высокопрочный и сверхвысокопрочный бетон будет высокоэкономичный, если этот критерий не будет превышать 4–5 кг/МПа. При строительстве комплекса «Москва-Сити» бетон отвечал этому требованию (ЦR УД = 5 кг/МПа). Фирмой Duckerhoff на портландцементе ЦЕМ52,5Д0 (что равнозначно ПЦ600Д0) изготовлен фибробетон с ЦR УД = 3,1 кг/МПа. При этом бетон без фибры и МК имел ЦR УД = 3,7 кг/ МПа. Реакционно-порошковый бетон прочностью 180–200 МПа, использованный для возведения памятника Победы в 2010 г. в г. Красноярск-45 имел ЦR УД = 3,6–3,8 кг/МПа.
Доля такого уникального бетона в мире не превышает 4–5%.
Чрезвычайно актуальным является производство бетона общестроительного назначения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Это возможно лишь при внедрении наукоемкой порошковой активации бетона, которые должны быть многокомпонентными (7–8 составляющих), в отличие от 4–5 компонентного бетона старого поколения с СП.
В заключении приведены результаты достижения высоких показателей свойств порошково-активированного бетона, полученного на кафедре ТБКиВ, состава, кг/м3 : цемент ЦДС 0,9% Мelflux 2651F (Красноярск) – 319; песок ртищевский молотый (ПМ) Sуд = 3200 см2 /г – 235; песок тонкий ртищевский фр. 0,16–0,63 (ПТ) – 351; МК новокузнецкий (7% массы цемента) – 22,2; песок крупный из 3-х фракций (ПЗ) (Красноярск) (фр. 0,63–1,25 мм = 22,4%; фр. 1,25–2,5 мм = 16,2%; фр. 2,5–5 мм = 61,4%; ρнас =1550 кг/м3 ; Мкр = 3,3) – 510; щебень гранит (30% фр. 5–10 мм) – 308; щебень габбро диабаз (70% фр. 10–20 мм) – 720; вода –120. При этом В/Ц = 0,376, В/Т = 0,048, осадка конуса 22 см. Бетон через 1 сут имел прочность при сжатии 66 МПа в пересчете на базовые размеры кубов 150150150 мм. Через 28 сут достигнута прочность 133,6 МПа на тощем по содержанию цемента составе высокопластичной бетонной смеси ((Щ+ΣП)/Ц = 6,65). Достигнута очень высокая плотность бетона, равная в образцах бетона через 1 сут 2354 кг/м3 . Рассчитаны все безразмерные параметры соотношений сырьевых компонентов и критерии условных реологических матриц: ΣП/Ц = 3,75; МК/Ц = 0,07; = 2,42; = 2,39; ИР Щ = 1,7; = 2,39 кг/МПа; = 0,418 МПа/кг; = 21,3 кг/МПа; Rи/Rс = 0,112.
Необходимо отметить, что изменение этих критериев в сторону незначительного уменьшения или повышения их приводит к снижению прочностных показателей на 10–20%. Важно то, что достигнут чрезвычайно низкий удельный расход цемента на единицу прочности бетона при сжатии ( = 2,39 кг/МПа) и растяжении при изгибе ( = 21,3 кг/МПа).
Производство бетона нового поколения будет реализовано только тогда, когда центр тяжести будет перенесен на производство и подготовку качественных наполнителей и заполнителей и чем раньше будет реализована такая техническая политика, тем быстрее появится в практике строительства бетон нового поколения.
Ключевые слова: порошково-активированные бетоны, гиперпластификаторы, дисперсные наполнители, плотность, прочность.
Список литературы
1. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы.
