Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения
В.И. Калашников, д-р техн. наук, С.В. Ананьев, к-д техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Рассмотрены принципы превращения цементоемких бетонов старого поколения в высокоэффективные малоцементные бетоны нового поколения. Показана топологическая структура порошково-активированных бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности и физико-технические показатели тяжелых бетонов.
Цементные бетоны начали производиться после изобретения и про‑ мышленного освоения производства портландцемента в первой половине XIX века. Начиная с этого периода и до 30‑х годов ХХ века повышение прочности бето‑ нов старого поколения следовало за повышением активности цементов. Качество бетонов, при прочих равных условиях, определялось маркой цемента. Качество заполнителей по показателям прочности, водостойкости и морозостойкости и качество воды затворения было высоким, неизменным и предопределенным природой, но строители не могли в то время освоить это высокое качество, кроме воды затворения, в полной мере (к сожалению, и в на‑ стоящее время как во многих странах, так и в России в настоящее время).
На эволюционном пути улучшения качества бетона, повышения его прочности были прорывные технологии, связанные с разработкой высокоэффективных способов уплотнения, в соответствии , виброуплотнения с пригрузом, поличастотного виброуплотнения, виброш‑ тампования, вибропроката, центрифугирования, вибровакуумирования и т.п. С раз‑ витием более энергозатратных технологий появились в эти периоды бетоны нового поколения, прочность которых превышала в 1,5‑2 раза прочность бетонов, изготовленных из пластичных смесей.
Ресурсо- и энергосберегающими бето‑ нами нового поколения можно считать и бетоны на появившихся шлакопортландцементах, если принимать во внима‑ ние не их технические, а экономические показатели, с попутным решением экологических задач, связанных с утилизацией металлургических шлаков. Новым этапом в истории бетонов стало использование пуццоланических добавок и изготовление более водостойких бетонов для подводных сооружений.
Важным прогрессивным этапом в эволюции бетонов явилось использование пластифицирующих добавок с 30‑х годов ХХ ве‑ ка, и прежде всего технических лигносульфонатов (в России названных СДБ). Хотя эти добавки обладали умеренным пластифицирующим действием, они сыграли большую роль в повышении прочности, долговечности бетонов и экономии ПЦ. В дальнейшем, до 90‑х годов прошлого столетия, лигносульфонаты усовершенствовались с помощью различной модификации. Модифицированные лигносульфонаты и в на‑ стоящее время включены в стандарты ряда стран как пластификаторы бетонных смесей.
Самым важным этапом в развитии тех‑ ники бетонов следует считать изобретение в 1969 году в Японии сильных пластификаторов на нафталинсульфонатной основе. Он характеризуется использованием рецептур бетонов старого поколения, модифицированных суперпластификаторами. Этот этап, к сожалению, продолжается в настоящее время в России и в других странах. Это поистине революционный этап в технологии бетонов старого поколения, и поэтому его следует отнести к переходному этапу в эволюции бетонов на пути к бетонам нового поколения. С использованием этих и подобных им СП на меламинсульфонатной основе, стали активно при‑ меняться высокопластичные бетонные сме‑ си, изготовленные как на индивидуальном вяжущем — цементе, так и на композиционных вяжущих: шлакопортландцементах, с добавками золы, дисперсных минеральных наполнителей. Использование СП позволило повысить прочность «жирных» бетонов из пластичных и высокопластичных смесей до 70‑80 МПа, снизить расходы цемента до 20‑30%. Результаты могли бы быть значительно выше, но по‑прежнему использовались бетонные смеси со старой рецеп‑урой, т.е. в составах использовались три твердых компонента: цемент, мелкий заполнитель — песок и крупный заполнитель — щебень. В таких бетонах для полной реализации пластифицирующего действия СП не хватало дисперсного компонента — цемента. Только при избытке его совместно с водой увеличивался объем реологической матрицы. В лучших случаях, в жирных бетонах цемент заменялся на 10‑30% дисперсным наполнителем. Но такая замена для снижения расхода цемента не меняла структурной топологии бетона и его прочности. В бетонах низких марок М200300 такая замена приводила к снижению прочности.
Суперпластификаторы не пластифицировали «тощие» бетоны с малым количеством водно-дисперсной фазы, т.е. цементного теста. С увеличением содержания цемента до 500‑600кг/м3 пластификация возрастала, и можно было уменьшать содержание цемента до 20‑30% без снижения прочности. Бетоны с СП с высокой прочностью могли быть получены с расходом цемента 800‑1000кг/м3 , но такие бетоны, во‑первых, имели большую усадку, низкую трещиностойкость и высокую ползучесть. Во-вторых, они были крайне неэкономичными, а дисперсные наполнители, с помощью которых уже тогда можно было вместо цементноводной дисперсии, обогащенной цементом, использовать цементно-минеральноводную дисперсию, высоко наполненную минеральным порошком. Но дисперсные наполнители вводились очень осторожно и в небольших количествах. Физико-химические основы пластифицирования (разжижения) дисперсных систем из минеральных порошков высокоселективными диспергаторами не были разработаны. Хотя условия дезагрегирования структурированных дисперсных систем с позиций термодинамических и механических вибрационных представлений были широко освещены в работах Н.Б. Урьева [1,2] при исследовании дисперсий глин, водно-угольных суспензий, суспензий талька, электрокорунда и т. п. Научные работы, посвященные физико-химическому диспергированию высококонцентрированных минеральных порошков различной химико-минералогической природы для производства строительных материалов с сохранением чрезвычайно дли‑ тельной агрегативной устойчивости, были рассмотрены в многочисленных ранних ра‑ ботах кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» [3], включающих многолетние исследования. В них [4] было показано, что при введении суперпластификаторов С-3, ЛСТ, Melment, Wiscoment, существенно уступающих по пластифицирующему действию современным СП на поликарбоксилатной основе, можно снизить предел текучести дисперсий с объемной концентрацией твердой фазы 65‑72% в 103 ‑104 раза, что более существенно, чем при ин‑ тенсивных вибрационных воздействиях на них. Аналогичное понижение выявлено и для вязкости.
Наиболее важным для технологий строительных материалов в этих работах были экспериментальные доказательства достижения водоредуцирующих эффектов, рав‑ ных 8‑15 (800‑1500%), против 1,8‑2,0 в це‑ ментных дисперсиях [4]. В этих экспериментах гравитационная текучесть пластифицированных минеральных суспензий сохранялась при снижении содержания воды в 8‑15 раз! Именно такие кардинальные изменения реологических свойств и водоредуцирующих эффектов послужили осно‑ вой для создания высокопрочных и особо‑ высокопрочных бетонов нового поколения. Высокое обогащение пластифицированных цементных суспензий дисперсным напол‑ нителем позволило считать реологию бетонных смесей с каменной мукой и тонким песком краеугольным камнем новых технологий. В соответствии с этим, нами в 2007 го‑ ду была сформулирована новая стратегия прогресса в получении высоконаполненных и высокоэкономичных бетонов рядовых марок М200‑М600 и бетонов повышенной прочности М600‑М1000: «Через рациональную реологию в будущее бетонов» [5]. Под рациональной реологией порошковоактивированной бетонной смеси понимается «высокая» реология предельного диспергирования и разжижения цементного теста значительным количеством порошковой и тонкозернистой дисперсной фазы в дисперсионной среде. Основой создания всех высокоэффективных бетонов без реакционно-активных пуццоланических добавок от классов В15‑В20 до В100‑В120, согласно нашим исследованиям, служат гиперпластификаторы в сочетании с новой рецептурой сухих компонентов, взаимно усиливающих друг друга при превращении геля в золь. Как известно, гель харак‑ теризуется дисперсией воды в твердой фазе (вода дискретна, дисперсные частицы — непрерывны), а золь — дисперсией твердой фазы в воде. Присутствие микро‑ кремнезема нанометрического масштабно‑ го уровня усиливает этот переход и вместе с тем образует дополнительную цементирующую фазу с увеличением класса бето‑ на до 120‑140 МПа.
За рубежом стратегия создания бетонов нового поколения реализуется лишь в высокофункциональных (High Performance Concrete) и ультрафункциональных (UHPC) бетонах с высокой прочностью при относительно низких уровнях наполнения бетонов дисперсными и микродисперсными компонентами в связи с высокими расходами цемента (500‑750 кг/м3 ). Степень наполнения обычно не превышает 30‑50% от массы цемента. Создание высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов нового поколения за рубежом началось с конца 80‑х годов прошлого столетия и было вызвано необходимостью строительства из бетонов, взамен стали, небоскребов, морских платформ для добычи нефти и газа, большепролетных мостов и других сооружений.
Современные высококачественные бетоны (ВКБ) классификационно сочетают в себе большой спектр бетонов различного назначения: высокопрочные и ультравысоко‑ прочные бетоны [6], самоуплотняющиеся бетоны (SVB, SCC) [7], самонивелирующиеся (SLS), высококоррозионностойкие бетоны [8], реакционно-порошковые, в том числе, дисперсно-армированные бетоны (Reaktionspulver beton — RPB или Reactive Powder Concrete — RPC) [9]. Эти виды бетонов удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение, трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости.
Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во‑первых, революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а, во‑вторых, появление наиболее активных пуццоланических добавок с высоким количеством наночастиц верхнего нанометрического уровня (100‑300 нм) — микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол. Сочетание суперпластификаторов и, особенно, экологически чистых гиперпластификаторов на поликарбоксилатной, полиакрилатной и полигликолиевой основах позволяет получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси. Благодаря этим достижениям, количество компонентов в бетоне с суперпластификатором достигло 6‑8, водоцементное отношение снизилось до 0,24‑0,28, при сохранении пластичности, характеризующейся осадкой конуса не менее 4‑10см. В самоуплотняющихся бетонах (Selbstverdichtender Beton-SVB) с добавкой каменной муки (КМ) или без неё, но с добавкой МК в высокоработоспособных бетонах (Ultrahochfester Beton, Ultra hochleistung Beton) на гиперпластификаторах, в отличие от литых на традиционных СП, совершенная текучесть бетонных смесей сочетается с низкой седиментацией и самоуплотнением при самопроизвольном удалении воздуха.
В целом, такие эффективные бетоны на‑ зывают бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам, производимым за рубежом. В них высокий расход цемента 600‑700кг/м3 соответствует высокой прочности — 150‑200 МПа, при которой получают низкий удельный расход цемента на единицу прочности — 3‑4кг/МПа. По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии [11] порошково-активированных бетонов, 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, по нашему мнению, можно называть лишь тогда бетонами нового поколения, когда в них удельный расход цемента на единицу прочности на сжатие Ц уД R будет не выше 4‑4,5кг/МПа, т. е. не вы‑ ше, чем в самых прочных бетонах. 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, осо‑ бенно, сверхвысокопрочные (СВБ) бетоны с прочностью 100‑200 МПа и более явля‑ ются «экзотикой» и не появятся в короткие сроки в преимущественных объемах в зда‑ ниях и сооружениях [10]. По мере перехода строительства на использование ВПБ и СВБ для уникальных зданий и сооружений будет сохраняться производство цементоемких бетонов старого поколения с удельными расходами цемента Ц уД R =8‑10кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20‑60 МПа необхо‑ димо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения с Ц уД R ≤4,5кг/МПа с расходами цемента на 1м3 бетона не более 150‑300кг вместо 300‑600 кг. В этом случае не потребуется дополнительных наращиваний объемов производства портландцемента и строительства новых цементных заводов с длительными сроками окупаемости и большими энергозатратами.
Во-вторых, ограничения в строительстве новых 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 регионах. Таким образом, к бетонам нового поколения нельзя относить только высокопрочные и сверхвысокопрочные. К ним необходимо отнести все порошково-активированные тяжелые песчаные и щебеночные бетоны с широким диапазоном прочностных показателей:
• бетоны рядовых марок с диапазоном прочности 20‑60 МПа;
• бетоны с повышенной прочностью от 60 до 100 МПа;
• высокопрочные бетоны с прочностью от 100 до 150 МПа;
• сверхвысокопрочные бетоны с прочностью от 150 МПа и более.
Что же объединяет и различает эти бетоны, если основной показатель их — прочность бетона — различается в 8‑10 раз, а расход цемента — в 2‑3 раза? Прежде всего они многокомпонентны. Многокомпонентность их определяется не только разнообразием химико-минералогического состава, но и масштабными уровнями дисперсности компонентов. Их объединяет наличие трех реологических матриц, а отличает — различное объемное содержание этих матриц в бетонах разных классов.
В составе, дополнительно к цементу, присутствуют дисперсные компоненты, по крайней мере, двух масштабных уровней. Новая реологическиактивная рецептура и новая топологическая структура позволяет снизить удельный расход цемента на единицу прочности Ц уД R до 4‑4,5кг/МПа и менее.
Новая рецептура — это повышенное содержание дисперсной фазы за счет добавления тонкомолотых, реологически‑ активных в смеси с цементом и суперпластификаторами нового поколения, молотых горных пород. Содержание их в бетонах, по результатам наших исследований, варьирует от 40 до 110% к массе цемента, увеличиваясь при уменьшении содержания цемента. В бетонах нового поколения каменная мука может заменяться на 10‑20% и более пуццоланическими добавками микрокремнезема, метакаолина и т.п. В новой рецептуре должен быть тонкий песок фракции 0,1‑0,6÷0,1‑0,4мм, который, в смеси с цементом и суперпластификатором, усиливает реологическое действие последнего. Содержание тонкого песка в щебеночных бетонах нового поколения может изменяться от 80 до 350% к массе цемента.
Новая рецептура предусматривает снижение доли крупного или среднего песка и щебня, т. е. бетон должен быть малощебеночным с содержанием щебня 800‑1000кг/м3 . В соответствии с новой рецептурой формируется и новая топологическая структура, в которой существенно увеличивается объем реологической составляющей в бетонных смесях, обеспечивающий их пластичность и растекае‑ мость. Если для заводской технологии не требуются пластичные смеси, то реология их изменяется содержанием воды. При этом в топологической структуре щебеночных бетонов условно выделяются три реологические матрицы, отличающиеся содержанием в их объеме высокодисперсных, тонкозернистых наполнителей и мелкого и крупного заполнителя (рис. 1 а, б):
В.И. Калашников, д-р техн. наук, С.В. Ананьев, к-д техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Рассмотрены принципы превращения цементоемких бетонов старого поколения в высокоэффективные малоцементные бетоны нового поколения. Показана топологическая структура порошково-активированных бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности и физико-технические показатели тяжелых бетонов.
Цементные бетоны начали производиться после изобретения и про‑ мышленного освоения производства портландцемента в первой половине XIX века. Начиная с этого периода и до 30‑х годов ХХ века повышение прочности бето‑ нов старого поколения следовало за повышением активности цементов. Качество бетонов, при прочих равных условиях, определялось маркой цемента. Качество заполнителей по показателям прочности, водостойкости и морозостойкости и качество воды затворения было высоким, неизменным и предопределенным природой, но строители не могли в то время освоить это высокое качество, кроме воды затворения, в полной мере (к сожалению, и в на‑ стоящее время как во многих странах, так и в России в настоящее время).
На эволюционном пути улучшения качества бетона, повышения его прочности были прорывные технологии, связанные с разработкой высокоэффективных способов уплотнения, в соответствии , виброуплотнения с пригрузом, поличастотного виброуплотнения, виброш‑ тампования, вибропроката, центрифугирования, вибровакуумирования и т.п. С раз‑ витием более энергозатратных технологий появились в эти периоды бетоны нового поколения, прочность которых превышала в 1,5‑2 раза прочность бетонов, изготовленных из пластичных смесей.
Ресурсо- и энергосберегающими бето‑ нами нового поколения можно считать и бетоны на появившихся шлакопортландцементах, если принимать во внима‑ ние не их технические, а экономические показатели, с попутным решением экологических задач, связанных с утилизацией металлургических шлаков. Новым этапом в истории бетонов стало использование пуццоланических добавок и изготовление более водостойких бетонов для подводных сооружений.
Важным прогрессивным этапом в эволюции бетонов явилось использование пластифицирующих добавок с 30‑х годов ХХ ве‑ ка, и прежде всего технических лигносульфонатов (в России названных СДБ). Хотя эти добавки обладали умеренным пластифицирующим действием, они сыграли большую роль в повышении прочности, долговечности бетонов и экономии ПЦ. В дальнейшем, до 90‑х годов прошлого столетия, лигносульфонаты усовершенствовались с помощью различной модификации. Модифицированные лигносульфонаты и в на‑ стоящее время включены в стандарты ряда стран как пластификаторы бетонных смесей.
Самым важным этапом в развитии тех‑ ники бетонов следует считать изобретение в 1969 году в Японии сильных пластификаторов на нафталинсульфонатной основе. Он характеризуется использованием рецептур бетонов старого поколения, модифицированных суперпластификаторами. Этот этап, к сожалению, продолжается в настоящее время в России и в других странах. Это поистине революционный этап в технологии бетонов старого поколения, и поэтому его следует отнести к переходному этапу в эволюции бетонов на пути к бетонам нового поколения. С использованием этих и подобных им СП на меламинсульфонатной основе, стали активно при‑ меняться высокопластичные бетонные сме‑ си, изготовленные как на индивидуальном вяжущем — цементе, так и на композиционных вяжущих: шлакопортландцементах, с добавками золы, дисперсных минеральных наполнителей. Использование СП позволило повысить прочность «жирных» бетонов из пластичных и высокопластичных смесей до 70‑80 МПа, снизить расходы цемента до 20‑30%. Результаты могли бы быть значительно выше, но по‑прежнему использовались бетонные смеси со старой рецеп‑урой, т.е. в составах использовались три твердых компонента: цемент, мелкий заполнитель — песок и крупный заполнитель — щебень. В таких бетонах для полной реализации пластифицирующего действия СП не хватало дисперсного компонента — цемента. Только при избытке его совместно с водой увеличивался объем реологической матрицы. В лучших случаях, в жирных бетонах цемент заменялся на 10‑30% дисперсным наполнителем. Но такая замена для снижения расхода цемента не меняла структурной топологии бетона и его прочности. В бетонах низких марок М200300 такая замена приводила к снижению прочности.
Суперпластификаторы не пластифицировали «тощие» бетоны с малым количеством водно-дисперсной фазы, т.е. цементного теста. С увеличением содержания цемента до 500‑600кг/м3 пластификация возрастала, и можно было уменьшать содержание цемента до 20‑30% без снижения прочности. Бетоны с СП с высокой прочностью могли быть получены с расходом цемента 800‑1000кг/м3 , но такие бетоны, во‑первых, имели большую усадку, низкую трещиностойкость и высокую ползучесть. Во-вторых, они были крайне неэкономичными, а дисперсные наполнители, с помощью которых уже тогда можно было вместо цементноводной дисперсии, обогащенной цементом, использовать цементно-минеральноводную дисперсию, высоко наполненную минеральным порошком. Но дисперсные наполнители вводились очень осторожно и в небольших количествах. Физико-химические основы пластифицирования (разжижения) дисперсных систем из минеральных порошков высокоселективными диспергаторами не были разработаны. Хотя условия дезагрегирования структурированных дисперсных систем с позиций термодинамических и механических вибрационных представлений были широко освещены в работах Н.Б. Урьева [1,2] при исследовании дисперсий глин, водно-угольных суспензий, суспензий талька, электрокорунда и т. п. Научные работы, посвященные физико-химическому диспергированию высококонцентрированных минеральных порошков различной химико-минералогической природы для производства строительных материалов с сохранением чрезвычайно дли‑ тельной агрегативной устойчивости, были рассмотрены в многочисленных ранних ра‑ ботах кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» [3], включающих многолетние исследования. В них [4] было показано, что при введении суперпластификаторов С-3, ЛСТ, Melment, Wiscoment, существенно уступающих по пластифицирующему действию современным СП на поликарбоксилатной основе, можно снизить предел текучести дисперсий с объемной концентрацией твердой фазы 65‑72% в 103 ‑104 раза, что более существенно, чем при ин‑ тенсивных вибрационных воздействиях на них. Аналогичное понижение выявлено и для вязкости.
Наиболее важным для технологий строительных материалов в этих работах были экспериментальные доказательства достижения водоредуцирующих эффектов, рав‑ ных 8‑15 (800‑1500%), против 1,8‑2,0 в це‑ ментных дисперсиях [4]. В этих экспериментах гравитационная текучесть пластифицированных минеральных суспензий сохранялась при снижении содержания воды в 8‑15 раз! Именно такие кардинальные изменения реологических свойств и водоредуцирующих эффектов послужили осно‑ вой для создания высокопрочных и особо‑ высокопрочных бетонов нового поколения. Высокое обогащение пластифицированных цементных суспензий дисперсным напол‑ нителем позволило считать реологию бетонных смесей с каменной мукой и тонким песком краеугольным камнем новых технологий. В соответствии с этим, нами в 2007 го‑ ду была сформулирована новая стратегия прогресса в получении высоконаполненных и высокоэкономичных бетонов рядовых марок М200‑М600 и бетонов повышенной прочности М600‑М1000: «Через рациональную реологию в будущее бетонов» [5]. Под рациональной реологией порошковоактивированной бетонной смеси понимается «высокая» реология предельного диспергирования и разжижения цементного теста значительным количеством порошковой и тонкозернистой дисперсной фазы в дисперсионной среде. Основой создания всех высокоэффективных бетонов без реакционно-активных пуццоланических добавок от классов В15‑В20 до В100‑В120, согласно нашим исследованиям, служат гиперпластификаторы в сочетании с новой рецептурой сухих компонентов, взаимно усиливающих друг друга при превращении геля в золь. Как известно, гель харак‑ теризуется дисперсией воды в твердой фазе (вода дискретна, дисперсные частицы — непрерывны), а золь — дисперсией твердой фазы в воде. Присутствие микро‑ кремнезема нанометрического масштабно‑ го уровня усиливает этот переход и вместе с тем образует дополнительную цементирующую фазу с увеличением класса бето‑ на до 120‑140 МПа.
За рубежом стратегия создания бетонов нового поколения реализуется лишь в высокофункциональных (High Performance Concrete) и ультрафункциональных (UHPC) бетонах с высокой прочностью при относительно низких уровнях наполнения бетонов дисперсными и микродисперсными компонентами в связи с высокими расходами цемента (500‑750 кг/м3 ). Степень наполнения обычно не превышает 30‑50% от массы цемента. Создание высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов нового поколения за рубежом началось с конца 80‑х годов прошлого столетия и было вызвано необходимостью строительства из бетонов, взамен стали, небоскребов, морских платформ для добычи нефти и газа, большепролетных мостов и других сооружений.
Современные высококачественные бетоны (ВКБ) классификационно сочетают в себе большой спектр бетонов различного назначения: высокопрочные и ультравысоко‑ прочные бетоны [6], самоуплотняющиеся бетоны (SVB, SCC) [7], самонивелирующиеся (SLS), высококоррозионностойкие бетоны [8], реакционно-порошковые, в том числе, дисперсно-армированные бетоны (Reaktionspulver beton — RPB или Reactive Powder Concrete — RPC) [9]. Эти виды бетонов удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение, трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости.
Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во‑первых, революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а, во‑вторых, появление наиболее активных пуццоланических добавок с высоким количеством наночастиц верхнего нанометрического уровня (100‑300 нм) — микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол. Сочетание суперпластификаторов и, особенно, экологически чистых гиперпластификаторов на поликарбоксилатной, полиакрилатной и полигликолиевой основах позволяет получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси. Благодаря этим достижениям, количество компонентов в бетоне с суперпластификатором достигло 6‑8, водоцементное отношение снизилось до 0,24‑0,28, при сохранении пластичности, характеризующейся осадкой конуса не менее 4‑10см. В самоуплотняющихся бетонах (Selbstverdichtender Beton-SVB) с добавкой каменной муки (КМ) или без неё, но с добавкой МК в высокоработоспособных бетонах (Ultrahochfester Beton, Ultra hochleistung Beton) на гиперпластификаторах, в отличие от литых на традиционных СП, совершенная текучесть бетонных смесей сочетается с низкой седиментацией и самоуплотнением при самопроизвольном удалении воздуха.
В целом, такие эффективные бетоны на‑ зывают бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам, производимым за рубежом. В них высокий расход цемента 600‑700кг/м3 соответствует высокой прочности — 150‑200 МПа, при которой получают низкий удельный расход цемента на единицу прочности — 3‑4кг/МПа. По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии [11] порошково-активированных бетонов, 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, по нашему мнению, можно называть лишь тогда бетонами нового поколения, когда в них удельный расход цемента на единицу прочности на сжатие Ц уД R будет не выше 4‑4,5кг/МПа, т. е. не вы‑ ше, чем в самых прочных бетонах. 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, осо‑ бенно, сверхвысокопрочные (СВБ) бетоны с прочностью 100‑200 МПа и более явля‑ ются «экзотикой» и не появятся в короткие сроки в преимущественных объемах в зда‑ ниях и сооружениях [10]. По мере перехода строительства на использование ВПБ и СВБ для уникальных зданий и сооружений будет сохраняться производство цементоемких бетонов старого поколения с удельными расходами цемента Ц уД R =8‑10кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20‑60 МПа необхо‑ димо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения с Ц уД R ≤4,5кг/МПа с расходами цемента на 1м3 бетона не более 150‑300кг вместо 300‑600 кг. В этом случае не потребуется дополнительных наращиваний объемов производства портландцемента и строительства новых цементных заводов с длительными сроками окупаемости и большими энергозатратами.
Во-вторых, ограничения в строительстве новых 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 регионах. Таким образом, к бетонам нового поколения нельзя относить только высокопрочные и сверхвысокопрочные. К ним необходимо отнести все порошково-активированные тяжелые песчаные и щебеночные бетоны с широким диапазоном прочностных показателей:
• бетоны рядовых марок с диапазоном прочности 20‑60 МПа;
• бетоны с повышенной прочностью от 60 до 100 МПа;
• высокопрочные бетоны с прочностью от 100 до 150 МПа;
• сверхвысокопрочные бетоны с прочностью от 150 МПа и более.
Что же объединяет и различает эти бетоны, если основной показатель их — прочность бетона — различается в 8‑10 раз, а расход цемента — в 2‑3 раза? Прежде всего они многокомпонентны. Многокомпонентность их определяется не только разнообразием химико-минералогического состава, но и масштабными уровнями дисперсности компонентов. Их объединяет наличие трех реологических матриц, а отличает — различное объемное содержание этих матриц в бетонах разных классов.
В составе, дополнительно к цементу, присутствуют дисперсные компоненты, по крайней мере, двух масштабных уровней. Новая реологическиактивная рецептура и новая топологическая структура позволяет снизить удельный расход цемента на единицу прочности Ц уД R до 4‑4,5кг/МПа и менее.
Новая рецептура — это повышенное содержание дисперсной фазы за счет добавления тонкомолотых, реологически‑ активных в смеси с цементом и суперпластификаторами нового поколения, молотых горных пород. Содержание их в бетонах, по результатам наших исследований, варьирует от 40 до 110% к массе цемента, увеличиваясь при уменьшении содержания цемента. В бетонах нового поколения каменная мука может заменяться на 10‑20% и более пуццоланическими добавками микрокремнезема, метакаолина и т.п. В новой рецептуре должен быть тонкий песок фракции 0,1‑0,6÷0,1‑0,4мм, который, в смеси с цементом и суперпластификатором, усиливает реологическое действие последнего. Содержание тонкого песка в щебеночных бетонах нового поколения может изменяться от 80 до 350% к массе цемента.
Новая рецептура предусматривает снижение доли крупного или среднего песка и щебня, т. е. бетон должен быть малощебеночным с содержанием щебня 800‑1000кг/м3 . В соответствии с новой рецептурой формируется и новая топологическая структура, в которой существенно увеличивается объем реологической составляющей в бетонных смесях, обеспечивающий их пластичность и растекае‑ мость. Если для заводской технологии не требуются пластичные смеси, то реология их изменяется содержанием воды. При этом в топологической структуре щебеночных бетонов условно выделяются три реологические матрицы, отличающиеся содержанием в их объеме высокодисперсных, тонкозернистых наполнителей и мелкого и крупного заполнителя (рис. 1 а, б):
• основная высокодисперсная реологи‑ ческая матрица I рода состоит из высокодисперсных частиц цемента, молотого наполнителя и микрокремнезема;
• реологическая матрица II рода состоит из матрицы первого рода и тонкого песка;
• реологическая матрица III рода состоит из матрицы II рода и среднего или крупного песков.
Реологическая матрица второго рода — это порошковая или реакционно-порошковая (с микрокремнеземом) бетонная смесь, из которой могут быть получены высокопрочные и сверхвысокопрочные порошковые и реакционно-порошковые бетоны с прочностью 150‑200 МПа. Прочность их зависит от гранулометрии тонкого песка и его насыпной плотности в уплотненном состоянии. Чем меньше пустотность его, тем выше прочность бетонов. Тонкозернистые частицы песка фракций 0,1‑0,6мм в порошковой бетонной смеси раздвигаются друг от друга реологической матрицей первого рода по декартовским осям координат между поверхностями частиц. Среднее расстояние Х, в соответствии с нашей формулой.
/ 3 1 v Х = а⋅d ⋅ C − d
где d — средний диаметр частиц тонкого песка; СV — объемная концентрация тонкого песка в порошковой бетонной смеси; а — коэффициент, зависящий от плотности упаковки, принимаемый для простой кубической с плотностью 0,523 равным 0,806; для случайной с плотностью упаковки 0,64 ‑ 1,0; для гексагональной с плотностью 0,74 ‑ 1,415.
В соответствии с нашими исследованиями, расстояние между частицами тонкого песка в реакционно-порошковом бетоне, обеспечивающее высокую текучесть смесей, находится в пределах 40‑55 мкм (a=0,806).
Реологическая матрица третьего рода — это не что иное, как порошково-активированная песчаная смесь для получения песчаных (мелкозернистых) бетонов. На ее основе можно получать также порошково-активированные щебеночные бетоны нового поколения. В этой матрице средний или круп‑ ный песок должны также иметь непрерывную гранулометрию, обеспечивающую максимальную плотность песка в уплотненном состоянии. Частицы песка-заполнителя, так же как в предыдущем случае, раздвигаются матрицей II рода по направлению осей декартовой системы координат и образу‑ ют порошково-активированную песчано‑ бетонную смесь (рис. 1 а, б). В порошково-активированных щебеночных бетонах нового поколения песок-заполнитель и щебень должны иметь непрерывную гранулометрию для получения высокой прочности бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
Наиболее наглядно топологическая структура выявляется на бетонах с малыми расходами цемента, т. е. на тощих бетонах. В таких бетонах старого поколения безразмерный параметр отношения суммы масс песка и щебня — П+Щ к массе цемента Ц равен 7‑10. Если принять за осно‑ ву бетон следующего состава: Ц = 200кг/м3 , П = 850кг/м3 ; Щ = 1200кг/м3 и В=180л/м3 , то (П+Щ)/Ц = 10,25. Соответственно, объемы компонентов при ρц = 3,1 г/см3 , ρп = 2,7 г/см3 и ρщ = 2,7 г/см3 , будут равны: Ц = 66,6 л; Vп =314,8л; Vщ = 444,4л. Расчетная плотность бетонной смеси будет 2430кг/м3 , а объем цементного теста — 246,4л. Реальная плотность бетонной смеси может быть меньше, т.к. цементного теста не хватит для заполнения пустот в песке. Такое происходит, если расход цемента снижается до 140‑170кг/м3 . В этом случае между частицами песка может реализоваться полусухое трение из‑за сцепления частиц песка друг с другом. Особенно часто такое наблюдается на дробленом горном песке.
Если принять насыпную плотность песка достаточно высокой и равной 1600 кг/м3 , то пустотность песка составит 41% и при указанной насыпной плотности для приведенного выше состава в песке массой 850кг будет 218л пустот при объеме цементного теста 246,4л. Таким образом, объем цементного теста будет превышать объем пустот всего лишь на 28,4л. На схеме топологической структуры (рис. 1, а) небольшой избыточный объем цементного теста размещен в межчастичном пространстве песка и щебня, изображен в виде двух слоев одномерных шарообразных частиц цемента, с условно не показанными прослойками воды на поверхности их. Реальная топология прослойки цементного теста будет чрезвычайно разнообразной. Как известно, в гранулометрическом составе цемента присутствуют частицы с размерами 0‑200мкм и 90% частиц имеют размеры 0‑80мкм. По‑ этому в зазоре между частицами песка-заполнителя могут размещаться цементные частицы различных размеров, и толщина прослоек может возрастать или уменьшаться в 3‑4 раза по сравнению с усредненной прослойкой 40мкм. Такое же разнообразное изменение прослоек цементно-песчаного раствора происходит и между зернами щебня, т. к. песок может иметь различный гранулометрический состав, в котором присутствуют частицы песка в интервале размеров 0‑5мм.
Таким образом, в структуре бетонов ста‑ рого поколения можно выделить водноцементную дисперсную систему, которая является реологической матрицей первого рода и служит для перемещения частиц песка-заполнителя. Толщина цементно-водной прослойки, ее предел текучести и вязкость будут определять предел текучести и вязкость цементного раствора. Сочетание реологической матрицы первого рода с песком-заполнителем образует рас‑ творную реологическую матрицу, из которой можно изготовить песчаный бетон старого поколения. Растворная матрица, как структурная составляющая является, по существу, для бетонов старого поколения второй матрицей, в которой размещается щебень. Если сравнить топологию бетона старого поколения с топологией порошково-активированных, то в последних имеется промежуточная матрица — дисперсно-тонкозернистая матрица второго рода. Такая реологическая матрица от‑ сутствует в обычных бетонах, и они имеют дисперсную матрицу первого рода и рас‑ творную третьего рода с грубозернистыми включениями песка. Поэтому цементно-песчаный раствор как реологическая система, в которой масштабный уровень частиц отличается в среднем на два десятичных порядка от 20 до 2000мкм, названа нами реологической матрицей III рода.
В щебеночном бетоне старого поколения, состоящего из щебня с максимальной крупностью 20мм, условно можно принять 3 вида десятичных порядков или масштабных уровней: 20 ‑ 2000 ‑ 20000мкм. В связи с этим, реологические свойства бетонных смесей существенно ухудшаются, т.к. нет частиц промежуточного масштабного уровня со средним размером между 20 и 2000мкм. Учитывая, что масштабные уровни разграничиваются обычно одним десятичным порядком, в бетон старого поколения необходимо ввести частицы песка со средним диаметром 200‑300мкм, т.е. внести еще один промежуточный десятичный порядок.
С этих позиций топологическая структура порошково-активированных бетонов нового поколения будет кардинально отличаться как для «тощих», так и для «жир‑ ных» бетонов.
Во-первых, «тощие» бетоны нельзя сделать качественными даже в присутствии СП и ГП из‑за низкого содержания дисперсной фазы. Во-вторых, из‑за отсутствия промежуточной тонкозернистой составляющей песка фр. 200‑300мм для заполнения пустот в более крупном песке фр. 0,16‑5мм требуется повышенное количество цемента. Поэтому в бетонах старого поколения, изготовленных из пластичных бетонных смесей, удельный расход цемента достигает 9‑12кг/МПа.
Эти недостатки исключены в порошково-активированных бетонах нового поколения. Добавление к цементу двукратного количества молотого наполнителя в мало‑ цементном бетоне двукратно увеличивает объем цементной матрицы I рода. Если в бетоне используется микрокремнезем, то тончайшие частицы его, агрегированные на микрометрических частицах цемента, дополнительно увеличивают объем этой матрицы и снижают трение, играя роль шарикоподшипников между зернами цемента.
Введение тонкозернистого песка фрак‑ ции 0,1‑0,5÷0,16‑0,63мм (200‑300мкм) увеличивает суммарный объем дисперсно-тон‑ козернистой матрицы. Реологическая матрица I рода с увеличенным объемом в два раза способствует раздвижке зерен тонкого песка и перемещению их в водно-цементно-микрокремнеземистой матрице. В совокупности формируется реологическая матрица II рода. Она служит для перемещения частиц песка-заполнителя. В связи с введением молотого дисперсного наполнителя микрокремнезема и тонкого песка доля песка-заполнителя и щебня уменьшается с тем, чтобы сохранить объем бетона, равный 1000л. Реологическая матрица III рода для бетона нового поколения принципиально отличается от такой матрицы в бетонах старого поколения. Во-первых, она содержит меньше песка-заполнителя и имеет повышенный коэффициент раздвижки зерен. Во-вторых, с уменьшением объема щебня в бетоне возрастает прослойка между зернами щебня и увеличивается подвижность бетонной смеси.
Проанализируем, как изменяются объемы реологических матриц в бетонах нового поколения (БНП) по сравнению с бетонами старого поколения (БСП) с одинаковым расходом цемента. Пластифицированный бетон нового поколения с расходом цемента 200кг/м3 , кроме того, содержит 200кг/м3 молотого кварцевого песка, 480кг/м3 тонкого песка, 520кг/м3 песка-заполнителя, 800кг/м3 щебня, 171л воды. Соответственно, объемы цемента Vц=66,6 л, молотого песка VПМ=74,1 л, тонкого песка VПТ =177,8л, песка-заполнителя VПЗ =192,6л, щебня VЩ=318,5л, воды VВ=171л. Объем бетонной смеси составит 1000,7 л, а плотность 2430кг/м3 .
Объемы различных матриц будут:
I рода: VI = VЦ+VПМ+VВ=66,6+74,1+171 = 311,7л.
II рода: VII = VI + VПТ =311,7+177,8 = 489,5л.
III рода: VIII = VII + VПЗ =489,5+192,6 = 692,1л.
Для сравнения вычислим объемы матриц в бетоне старого поколения с приведенным выше составом:
I рода: VI = VЦ + VВ = 66,6+180 = 246,6л.
III рода: VIII = VI + VПЗ = 246,6+314,8 = 561,4л.
Рассчитаем условные реологические критерии, характеризующие соотношения объемов реологических матриц и объемов зернистых компонентов. Условный реологический критерий ИI для реологической матрицы первого рода: I пт 311,7 1,75; 177,8 II V И V = = = Условный реологический критерий ИII для дисперсно-тонкозернистой матрицы: II ПЗ 489,5 2,54; 192,6 II V И V = = = Условный реологический критерий ИIII для грубозернистой растворной матрицы: III Щ 692,1 2,17; 318 У бетона старого поколения: 246,6 0,78; 314,8 561,4 1,26. 444,4 I III И И = = = =
Как видно из значений условных реологических критериев порошково-активированных бетонов, все они значительно больше единицы и характеризуют существенное превышение объемов реологических матриц над объемами тонкозернистых, грубозернистых компонентов, которые вмещаются в них с большими раздвижками частиц и зерен.
В бетоне старого поколения ИI <1, что свидетельствует о недостатке объема цементно-водного теста (матрицы I рода), и такая бетонная смесь будет жесткой или малопластичной.
Определим объемные концентрации матриц в порошково-активированных бетонах: для матриц I рода:
177,8 0,36; 66,6 74,1 171 177,8 ПТ CV = = + + +
для матриц II рода: 3 192,6 0,278; 489,2 192,6 П CV = = +
для матриц III рода: 318,5 0,315. 692,1 318,5 Щ CV = = +
Для обычного бетона:
для матриц I рода: 3 314,8 0,56. 66,6 180 314,8 П CV = = + +
для матриц III рода: 444,4 0,442. 561,4 444,4 Щ CV = = +
Используя ранее приведенную формулу (с коэффициентом а = 0,806), можно подсчитать средние расстояния между поверхностями структурных элементов, размещенных в углах куба, приняв частицы условно шарообразными. Примем усредненные диаметры частиц тонкого песка 0,2мм, песка-заполнителя — 2мм, щебня — 10мм. Тогда расстояние между частицами тонкого песка будет 0,256мм, между частицами песка-заполнителя — 0,46мм и между зернами щебня — 1,81мм.
В бетоне с обычной рецептурой зерна щебня размещаются на расстояниях 0,56мм, что в три раза меньше, чем в порошково-ак‑ тивированных щебеночных бетонах (ПАЩБ). Для определения расстояний между частицами песка-заполнителя в рассматриваемом бетоне с расходом песка-заполнителя 850кг/м3 формула для кубической упаковки дает отрицательный результат, что свидетельствует о контактировании частиц между собой, так как объемная концентрация частиц песка-заполнителя, равная 63,6%, больше 52,3%. При более плотной случайной упаковке шаров (CV=64,3%), когда коэффициент а = 1,0, зерна песка-заполнителя в соответствии с расчетом имеют прослойку цементного теста XПЗ =0,44мм. Расстояние между зернами щебня составляет 3,1мм. Для порошково-активированного бетона XПТ = 0,80мм, XПЗ = 1,06мм, XЩ=4,65мм. В случае кубической упаковки частиц песка заполнителя, когда по расчету не хватает объема цементного теста для заполнения пустот в песке, тончайшая цементно-водная прослойка всегда будет реально образовываться на частицах песка.
Но она не обеспечит достаточного уменьшения предела текучести из‑за проявления жесткого трения между частицами песка. Предположим, что между частицами реализовалась наиплотнейшая гексагональная упаковка (а = 1,415). В результате более плотной упаковки и раздвижки ее по декартовой системе координат расстояния между структурными элементами увеличатся. Для реакционно-порошкового бетона XПТ = 0,196мм, XПЗ = 2,33мм, XЩ =10,73мм. Для обычного бетона XПТ = 1,45мм, XЩ = 8,54мм
• реологическая матрица II рода состоит из матрицы первого рода и тонкого песка;
• реологическая матрица III рода состоит из матрицы II рода и среднего или крупного песков.
Реологическая матрица второго рода — это порошковая или реакционно-порошковая (с микрокремнеземом) бетонная смесь, из которой могут быть получены высокопрочные и сверхвысокопрочные порошковые и реакционно-порошковые бетоны с прочностью 150‑200 МПа. Прочность их зависит от гранулометрии тонкого песка и его насыпной плотности в уплотненном состоянии. Чем меньше пустотность его, тем выше прочность бетонов. Тонкозернистые частицы песка фракций 0,1‑0,6мм в порошковой бетонной смеси раздвигаются друг от друга реологической матрицей первого рода по декартовским осям координат между поверхностями частиц. Среднее расстояние Х, в соответствии с нашей формулой.
/ 3 1 v Х = а⋅d ⋅ C − d
где d — средний диаметр частиц тонкого песка; СV — объемная концентрация тонкого песка в порошковой бетонной смеси; а — коэффициент, зависящий от плотности упаковки, принимаемый для простой кубической с плотностью 0,523 равным 0,806; для случайной с плотностью упаковки 0,64 ‑ 1,0; для гексагональной с плотностью 0,74 ‑ 1,415.
В соответствии с нашими исследованиями, расстояние между частицами тонкого песка в реакционно-порошковом бетоне, обеспечивающее высокую текучесть смесей, находится в пределах 40‑55 мкм (a=0,806).
Реологическая матрица третьего рода — это не что иное, как порошково-активированная песчаная смесь для получения песчаных (мелкозернистых) бетонов. На ее основе можно получать также порошково-активированные щебеночные бетоны нового поколения. В этой матрице средний или круп‑ ный песок должны также иметь непрерывную гранулометрию, обеспечивающую максимальную плотность песка в уплотненном состоянии. Частицы песка-заполнителя, так же как в предыдущем случае, раздвигаются матрицей II рода по направлению осей декартовой системы координат и образу‑ ют порошково-активированную песчано‑ бетонную смесь (рис. 1 а, б). В порошково-активированных щебеночных бетонах нового поколения песок-заполнитель и щебень должны иметь непрерывную гранулометрию для получения высокой прочности бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
Наиболее наглядно топологическая структура выявляется на бетонах с малыми расходами цемента, т. е. на тощих бетонах. В таких бетонах старого поколения безразмерный параметр отношения суммы масс песка и щебня — П+Щ к массе цемента Ц равен 7‑10. Если принять за осно‑ ву бетон следующего состава: Ц = 200кг/м3 , П = 850кг/м3 ; Щ = 1200кг/м3 и В=180л/м3 , то (П+Щ)/Ц = 10,25. Соответственно, объемы компонентов при ρц = 3,1 г/см3 , ρп = 2,7 г/см3 и ρщ = 2,7 г/см3 , будут равны: Ц = 66,6 л; Vп =314,8л; Vщ = 444,4л. Расчетная плотность бетонной смеси будет 2430кг/м3 , а объем цементного теста — 246,4л. Реальная плотность бетонной смеси может быть меньше, т.к. цементного теста не хватит для заполнения пустот в песке. Такое происходит, если расход цемента снижается до 140‑170кг/м3 . В этом случае между частицами песка может реализоваться полусухое трение из‑за сцепления частиц песка друг с другом. Особенно часто такое наблюдается на дробленом горном песке.
Если принять насыпную плотность песка достаточно высокой и равной 1600 кг/м3 , то пустотность песка составит 41% и при указанной насыпной плотности для приведенного выше состава в песке массой 850кг будет 218л пустот при объеме цементного теста 246,4л. Таким образом, объем цементного теста будет превышать объем пустот всего лишь на 28,4л. На схеме топологической структуры (рис. 1, а) небольшой избыточный объем цементного теста размещен в межчастичном пространстве песка и щебня, изображен в виде двух слоев одномерных шарообразных частиц цемента, с условно не показанными прослойками воды на поверхности их. Реальная топология прослойки цементного теста будет чрезвычайно разнообразной. Как известно, в гранулометрическом составе цемента присутствуют частицы с размерами 0‑200мкм и 90% частиц имеют размеры 0‑80мкм. По‑ этому в зазоре между частицами песка-заполнителя могут размещаться цементные частицы различных размеров, и толщина прослоек может возрастать или уменьшаться в 3‑4 раза по сравнению с усредненной прослойкой 40мкм. Такое же разнообразное изменение прослоек цементно-песчаного раствора происходит и между зернами щебня, т. к. песок может иметь различный гранулометрический состав, в котором присутствуют частицы песка в интервале размеров 0‑5мм.
Таким образом, в структуре бетонов ста‑ рого поколения можно выделить водноцементную дисперсную систему, которая является реологической матрицей первого рода и служит для перемещения частиц песка-заполнителя. Толщина цементно-водной прослойки, ее предел текучести и вязкость будут определять предел текучести и вязкость цементного раствора. Сочетание реологической матрицы первого рода с песком-заполнителем образует рас‑ творную реологическую матрицу, из которой можно изготовить песчаный бетон старого поколения. Растворная матрица, как структурная составляющая является, по существу, для бетонов старого поколения второй матрицей, в которой размещается щебень. Если сравнить топологию бетона старого поколения с топологией порошково-активированных, то в последних имеется промежуточная матрица — дисперсно-тонкозернистая матрица второго рода. Такая реологическая матрица от‑ сутствует в обычных бетонах, и они имеют дисперсную матрицу первого рода и рас‑ творную третьего рода с грубозернистыми включениями песка. Поэтому цементно-песчаный раствор как реологическая система, в которой масштабный уровень частиц отличается в среднем на два десятичных порядка от 20 до 2000мкм, названа нами реологической матрицей III рода.
В щебеночном бетоне старого поколения, состоящего из щебня с максимальной крупностью 20мм, условно можно принять 3 вида десятичных порядков или масштабных уровней: 20 ‑ 2000 ‑ 20000мкм. В связи с этим, реологические свойства бетонных смесей существенно ухудшаются, т.к. нет частиц промежуточного масштабного уровня со средним размером между 20 и 2000мкм. Учитывая, что масштабные уровни разграничиваются обычно одним десятичным порядком, в бетон старого поколения необходимо ввести частицы песка со средним диаметром 200‑300мкм, т.е. внести еще один промежуточный десятичный порядок.
С этих позиций топологическая структура порошково-активированных бетонов нового поколения будет кардинально отличаться как для «тощих», так и для «жир‑ ных» бетонов.
Во-первых, «тощие» бетоны нельзя сделать качественными даже в присутствии СП и ГП из‑за низкого содержания дисперсной фазы. Во-вторых, из‑за отсутствия промежуточной тонкозернистой составляющей песка фр. 200‑300мм для заполнения пустот в более крупном песке фр. 0,16‑5мм требуется повышенное количество цемента. Поэтому в бетонах старого поколения, изготовленных из пластичных бетонных смесей, удельный расход цемента достигает 9‑12кг/МПа.
Эти недостатки исключены в порошково-активированных бетонах нового поколения. Добавление к цементу двукратного количества молотого наполнителя в мало‑ цементном бетоне двукратно увеличивает объем цементной матрицы I рода. Если в бетоне используется микрокремнезем, то тончайшие частицы его, агрегированные на микрометрических частицах цемента, дополнительно увеличивают объем этой матрицы и снижают трение, играя роль шарикоподшипников между зернами цемента.
Введение тонкозернистого песка фрак‑ ции 0,1‑0,5÷0,16‑0,63мм (200‑300мкм) увеличивает суммарный объем дисперсно-тон‑ козернистой матрицы. Реологическая матрица I рода с увеличенным объемом в два раза способствует раздвижке зерен тонкого песка и перемещению их в водно-цементно-микрокремнеземистой матрице. В совокупности формируется реологическая матрица II рода. Она служит для перемещения частиц песка-заполнителя. В связи с введением молотого дисперсного наполнителя микрокремнезема и тонкого песка доля песка-заполнителя и щебня уменьшается с тем, чтобы сохранить объем бетона, равный 1000л. Реологическая матрица III рода для бетона нового поколения принципиально отличается от такой матрицы в бетонах старого поколения. Во-первых, она содержит меньше песка-заполнителя и имеет повышенный коэффициент раздвижки зерен. Во-вторых, с уменьшением объема щебня в бетоне возрастает прослойка между зернами щебня и увеличивается подвижность бетонной смеси.
Проанализируем, как изменяются объемы реологических матриц в бетонах нового поколения (БНП) по сравнению с бетонами старого поколения (БСП) с одинаковым расходом цемента. Пластифицированный бетон нового поколения с расходом цемента 200кг/м3 , кроме того, содержит 200кг/м3 молотого кварцевого песка, 480кг/м3 тонкого песка, 520кг/м3 песка-заполнителя, 800кг/м3 щебня, 171л воды. Соответственно, объемы цемента Vц=66,6 л, молотого песка VПМ=74,1 л, тонкого песка VПТ =177,8л, песка-заполнителя VПЗ =192,6л, щебня VЩ=318,5л, воды VВ=171л. Объем бетонной смеси составит 1000,7 л, а плотность 2430кг/м3 .
Объемы различных матриц будут:
I рода: VI = VЦ+VПМ+VВ=66,6+74,1+171 = 311,7л.
II рода: VII = VI + VПТ =311,7+177,8 = 489,5л.
III рода: VIII = VII + VПЗ =489,5+192,6 = 692,1л.
Для сравнения вычислим объемы матриц в бетоне старого поколения с приведенным выше составом:
I рода: VI = VЦ + VВ = 66,6+180 = 246,6л.
III рода: VIII = VI + VПЗ = 246,6+314,8 = 561,4л.
Рассчитаем условные реологические критерии, характеризующие соотношения объемов реологических матриц и объемов зернистых компонентов. Условный реологический критерий ИI для реологической матрицы первого рода: I пт 311,7 1,75; 177,8 II V И V = = = Условный реологический критерий ИII для дисперсно-тонкозернистой матрицы: II ПЗ 489,5 2,54; 192,6 II V И V = = = Условный реологический критерий ИIII для грубозернистой растворной матрицы: III Щ 692,1 2,17; 318 У бетона старого поколения: 246,6 0,78; 314,8 561,4 1,26. 444,4 I III И И = = = =
Как видно из значений условных реологических критериев порошково-активированных бетонов, все они значительно больше единицы и характеризуют существенное превышение объемов реологических матриц над объемами тонкозернистых, грубозернистых компонентов, которые вмещаются в них с большими раздвижками частиц и зерен.
В бетоне старого поколения ИI <1, что свидетельствует о недостатке объема цементно-водного теста (матрицы I рода), и такая бетонная смесь будет жесткой или малопластичной.
Определим объемные концентрации матриц в порошково-активированных бетонах: для матриц I рода:
177,8 0,36; 66,6 74,1 171 177,8 ПТ CV = = + + +
для матриц II рода: 3 192,6 0,278; 489,2 192,6 П CV = = +
для матриц III рода: 318,5 0,315. 692,1 318,5 Щ CV = = +
Для обычного бетона:
для матриц I рода: 3 314,8 0,56. 66,6 180 314,8 П CV = = + +
для матриц III рода: 444,4 0,442. 561,4 444,4 Щ CV = = +
Используя ранее приведенную формулу (с коэффициентом а = 0,806), можно подсчитать средние расстояния между поверхностями структурных элементов, размещенных в углах куба, приняв частицы условно шарообразными. Примем усредненные диаметры частиц тонкого песка 0,2мм, песка-заполнителя — 2мм, щебня — 10мм. Тогда расстояние между частицами тонкого песка будет 0,256мм, между частицами песка-заполнителя — 0,46мм и между зернами щебня — 1,81мм.
В бетоне с обычной рецептурой зерна щебня размещаются на расстояниях 0,56мм, что в три раза меньше, чем в порошково-ак‑ тивированных щебеночных бетонах (ПАЩБ). Для определения расстояний между частицами песка-заполнителя в рассматриваемом бетоне с расходом песка-заполнителя 850кг/м3 формула для кубической упаковки дает отрицательный результат, что свидетельствует о контактировании частиц между собой, так как объемная концентрация частиц песка-заполнителя, равная 63,6%, больше 52,3%. При более плотной случайной упаковке шаров (CV=64,3%), когда коэффициент а = 1,0, зерна песка-заполнителя в соответствии с расчетом имеют прослойку цементного теста XПЗ =0,44мм. Расстояние между зернами щебня составляет 3,1мм. Для порошково-активированного бетона XПТ = 0,80мм, XПЗ = 1,06мм, XЩ=4,65мм. В случае кубической упаковки частиц песка заполнителя, когда по расчету не хватает объема цементного теста для заполнения пустот в песке, тончайшая цементно-водная прослойка всегда будет реально образовываться на частицах песка.
Но она не обеспечит достаточного уменьшения предела текучести из‑за проявления жесткого трения между частицами песка. Предположим, что между частицами реализовалась наиплотнейшая гексагональная упаковка (а = 1,415). В результате более плотной упаковки и раздвижки ее по декартовой системе координат расстояния между структурными элементами увеличатся. Для реакционно-порошкового бетона XПТ = 0,196мм, XПЗ = 2,33мм, XЩ =10,73мм. Для обычного бетона XПТ = 1,45мм, XЩ = 8,54мм
На рис. 2 изображены составы бетонов нового и старого поколений и их прочность. Видно, что прочность БНП, изготовленного из высокопластичной бетонной смеси, в два раза выше, чем бетона старого поколения.
Таким образом, принципы подбора песков и щебней с оптимальной гранулометрией для бетонов старого поколения остаются незыблемыми и для бетонов нового поколения. С учетом того, что в составе последних используется тонкий песок фр. 0,1‑0,6÷0,1‑0,4мм, он тоже должен иметь высокую насыпную плотность. Поэтому для бетонов нового поколения необходимо иметь набор фракций каждого вида заполнителей для оптимизации гранулометрического состава смеси заполнителей путем смешения их отдельных фракций в заданных пропорциях. К сожалению, российские карьеры поставляют щебень в лучшем случае двух фракций — 5‑10мм и 10‑20мм, в худшем — широкую фракцию 5‑20мм. В последней соотношение двух промежуточных фракций (5‑10 и 10‑20мм) может изменяться в широких пределах, которые обусловлены типом дробильного оборудования и гравитационной сепарацией щебня по его крупности при формировании щебеночных конусов и призм на карьерах.
Пески, добываемые на местных карьерах, имеют значительные колебания фракционного состава, содержат глину, ил и пыль. Ис‑ пользовать их без вибро- и пневмосепарации в высокоэффективных бетонах нового поколения не представляется возможным. Еще более значительным колебаниям гранулометрического состава подвержены речные намывные пески, добываемыми земснарядами. Такие пески легко обогащать, имея 2‑3 гидроциклона. Большинство речных песков классифицируются одним гидроциклоном для удаления грубых (гравийных) фракций. Глинистые, илистые и пылеватые частицы остаются в песке. Их содержание может сильно варьировать в зависимости от профиля речного или озерного дна. И Россия, и любая другая страна на все времена останется без бето‑ нов нового поколения как с традиционной прочностью, так и высокопрочных и особо‑ высокопрочных, а производство бетонов всегда будет высокозатратным, если не изменится техническая политика в подготовке качественных фракционированных песков, щебней и дисперсных наполнителей.
Важнейшую роль при производстве бетонов нового поколения играют СП. Строительная химия в России поставляет, в основном, суперпластификаторы старого поколения на нафталиновой основе. На этой основе в стране выпускается огромное количество суперпластификаторов, которые модифицируются различными химическими добавками на больших и малых ООО. Реологическая эффективность этих СП существенно уступает гиперпластификаторам на поликарбоксилатной основе. Поликарбоксилатные гиперпластификаторы мало осваиваются в России и поставляются из‑за рубежа по очень высоким ценам. Они могут быть чрезвычайно эффективны в высокопрочных и особовысокопрочных бетонах, и особенно для декоративно-отделочных материалов, малых архитектурных форм с широкой цветовой гаммой и т. п., изготавливаемых из литых и высокопластичных смесей.
Методы тестирования СП и ГП по реологической и водоредуцирующей эффективности чрезвычайно разнообразны. Мы используем простой метод тестирования эффективности СП и, в свою очередь, тестирования цементов (по «отклику» к действию СП) по реотехнологическому показателю растекаемости цементного теста из конуса Хагерманна (форма-конус от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4‑81). Расплыв цементной суспензии из конуса должен быть не менее 280‑320мм при В /Ц равном 0,16‑0,18.
В таблице приводится составы малоце‑ ментных порошково-активированных ще‑ беночных бетонов, их прочностные свой‑ ства, удельный расход цемента на единицу прочности, водопоглощение, усадка.
Таким образом, принципы подбора песков и щебней с оптимальной гранулометрией для бетонов старого поколения остаются незыблемыми и для бетонов нового поколения. С учетом того, что в составе последних используется тонкий песок фр. 0,1‑0,6÷0,1‑0,4мм, он тоже должен иметь высокую насыпную плотность. Поэтому для бетонов нового поколения необходимо иметь набор фракций каждого вида заполнителей для оптимизации гранулометрического состава смеси заполнителей путем смешения их отдельных фракций в заданных пропорциях. К сожалению, российские карьеры поставляют щебень в лучшем случае двух фракций — 5‑10мм и 10‑20мм, в худшем — широкую фракцию 5‑20мм. В последней соотношение двух промежуточных фракций (5‑10 и 10‑20мм) может изменяться в широких пределах, которые обусловлены типом дробильного оборудования и гравитационной сепарацией щебня по его крупности при формировании щебеночных конусов и призм на карьерах.
Пески, добываемые на местных карьерах, имеют значительные колебания фракционного состава, содержат глину, ил и пыль. Ис‑ пользовать их без вибро- и пневмосепарации в высокоэффективных бетонах нового поколения не представляется возможным. Еще более значительным колебаниям гранулометрического состава подвержены речные намывные пески, добываемыми земснарядами. Такие пески легко обогащать, имея 2‑3 гидроциклона. Большинство речных песков классифицируются одним гидроциклоном для удаления грубых (гравийных) фракций. Глинистые, илистые и пылеватые частицы остаются в песке. Их содержание может сильно варьировать в зависимости от профиля речного или озерного дна. И Россия, и любая другая страна на все времена останется без бето‑ нов нового поколения как с традиционной прочностью, так и высокопрочных и особо‑ высокопрочных, а производство бетонов всегда будет высокозатратным, если не изменится техническая политика в подготовке качественных фракционированных песков, щебней и дисперсных наполнителей.
Важнейшую роль при производстве бетонов нового поколения играют СП. Строительная химия в России поставляет, в основном, суперпластификаторы старого поколения на нафталиновой основе. На этой основе в стране выпускается огромное количество суперпластификаторов, которые модифицируются различными химическими добавками на больших и малых ООО. Реологическая эффективность этих СП существенно уступает гиперпластификаторам на поликарбоксилатной основе. Поликарбоксилатные гиперпластификаторы мало осваиваются в России и поставляются из‑за рубежа по очень высоким ценам. Они могут быть чрезвычайно эффективны в высокопрочных и особовысокопрочных бетонах, и особенно для декоративно-отделочных материалов, малых архитектурных форм с широкой цветовой гаммой и т. п., изготавливаемых из литых и высокопластичных смесей.
Методы тестирования СП и ГП по реологической и водоредуцирующей эффективности чрезвычайно разнообразны. Мы используем простой метод тестирования эффективности СП и, в свою очередь, тестирования цементов (по «отклику» к действию СП) по реотехнологическому показателю растекаемости цементного теста из конуса Хагерманна (форма-конус от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4‑81). Расплыв цементной суспензии из конуса должен быть не менее 280‑320мм при В /Ц равном 0,16‑0,18.
В таблице приводится составы малоце‑ ментных порошково-активированных ще‑ беночных бетонов, их прочностные свой‑ ства, удельный расход цемента на единицу прочности, водопоглощение, усадка.
Как следует из таблицы, все щебеночные бетоны, кроме первого и второго, являются малоцементными с расходами цемента от 150 до 319кг/м3 . Недостаток цемента восполняется всеми видами песка — молотого, тонкого и песка-заполнителя. Содержание молотого кварцевого песка возрастает от 54 до 105% от массы цемента. Содержание тонкого песка фракции 0,16‑0,63мм увеличивается от 100% (при расходе цемента 480кг/м3 ) до 350% (при расходе цемента 150кг/м3 ).
Удельный расход цемента на единицу прочности изменяется от 4,6 до 2,38кг/МПа. По минимальному значению этого показателя наиболее оптимальный состав содержит цемента 319 кг/м3 и минимальное количество микрокремнезема — 7% от массы цемента. Мы не обнаружили ни в отечественной, ни в зарубежной научно-технической литературе такого низкого удельного расхода цемента. Компания Dickerhoff [12], выпускающая новые виды цементов Veridur, Variodur, Nanodur и др., активно занимается разработкой не только особовысокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов с повышенными расходами цемента, но и эффективных малоцементных бетонов. Бетоны производятся с использованием новых эффективных цементов.
В арсенале компании большое количество эффективных бетонов с ЦуД R менее 4кг/МПа. Наиболее эффективный состав бетона с ма‑ лым расходом цемента Variodur 30 ЦЕМ II/В-S 52,5 R 270 кг/м3 имел прочность 95 МПа. (ЦуД R =2,84кг/МПа). Можно с уверенностью утверждать, что стратегия разработки малоцементных, малоусадочных бетонов нового поколения с низкими удельными расходами цемента на единицу прочности является чрезвычайно актуальной и перспективной и за рубежом, и в России.
Литература
1. Урьев Н. Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М., Химия, 1988. 286 с.
2. Урьев Н. Б., Потанин А. А. Текучесть суспензий и порошков. М. Химия, 1992. 252 с.
3. Пластификаторы, суперпластификаторы, гиперпластификаторы и композиционные материалы с их использованием (в трудах кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» ПГУАС). Теория и практика. Пенза. 2008. 44 с.
4. Калашников В.И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Воронеж. 1996. 95 с.
5. Калашников В. И. Через рациональную реологию в будущее бетонов // Строительные материалы ХХI века. Технологии бетонов. №5. 2007. С. 8‑10 // №6. 2007. C. 8‑11 // №. 2008. С. 22‑26.
6. Schmidt M. Jahre Entwicklung bei Zement, Zusatsmittel und Beton. Ceitzum Baustoffe und Materialprüfung. Schriftenreihe Baustoffe. // Fest-schrift zum 60. Geburgstag von Prof. Dr.‑Jng. Peter Schiesse. Heft 2. 2003, s. 189‑198.
7. Kleingelhöfer P. Neue Betonverflissiger auf Basis Policarboxilat. // Proc. 13. Jbasil Weimar 1997, Bd. 1, s. 491‑495.
8. Frank D., Friedemann K., Schmidt D. Optimisierung der Mischung sowie Verifizirung der Eigenschaften Saueresistente Hochleistungbetone. // Betonwerk+Fertigteil-Technik. 2003.№3. S. 30‑38.
9. Richard P., Cheurezy M. Composition of Reactive Powder Concrete. Skientific Division Bougies. // Cement and Concrete Research, Vol. 25. No. 7, 1995. — pp. 1501‑1511.
10. Мировая премьера в Австрии — арочный разводной мост из высокопрочного фибробетона // Международное бетонное производство. №3. 2011. С 132‑134.
11. Калашников В.И. Терминология науки о бетонах нового поколения // Строительные материалы. №3. 2011. С. 103‑106.
12. Дейзе Т., Хорнунг О., Мёльман М. Переход с технологии Mikrodur к технологии Nanodur. Применение стандартных цементов в практике производства бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами // Бетонный завод. №3. 2004. С. 4‑11
Удельный расход цемента на единицу прочности изменяется от 4,6 до 2,38кг/МПа. По минимальному значению этого показателя наиболее оптимальный состав содержит цемента 319 кг/м3 и минимальное количество микрокремнезема — 7% от массы цемента. Мы не обнаружили ни в отечественной, ни в зарубежной научно-технической литературе такого низкого удельного расхода цемента. Компания Dickerhoff [12], выпускающая новые виды цементов Veridur, Variodur, Nanodur и др., активно занимается разработкой не только особовысокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов с повышенными расходами цемента, но и эффективных малоцементных бетонов. Бетоны производятся с использованием новых эффективных цементов.
В арсенале компании большое количество эффективных бетонов с ЦуД R менее 4кг/МПа. Наиболее эффективный состав бетона с ма‑ лым расходом цемента Variodur 30 ЦЕМ II/В-S 52,5 R 270 кг/м3 имел прочность 95 МПа. (ЦуД R =2,84кг/МПа). Можно с уверенностью утверждать, что стратегия разработки малоцементных, малоусадочных бетонов нового поколения с низкими удельными расходами цемента на единицу прочности является чрезвычайно актуальной и перспективной и за рубежом, и в России.
Литература
1. Урьев Н. Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М., Химия, 1988. 286 с.
2. Урьев Н. Б., Потанин А. А. Текучесть суспензий и порошков. М. Химия, 1992. 252 с.
3. Пластификаторы, суперпластификаторы, гиперпластификаторы и композиционные материалы с их использованием (в трудах кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» ПГУАС). Теория и практика. Пенза. 2008. 44 с.
4. Калашников В.И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Воронеж. 1996. 95 с.
5. Калашников В. И. Через рациональную реологию в будущее бетонов // Строительные материалы ХХI века. Технологии бетонов. №5. 2007. С. 8‑10 // №6. 2007. C. 8‑11 // №. 2008. С. 22‑26.
6. Schmidt M. Jahre Entwicklung bei Zement, Zusatsmittel und Beton. Ceitzum Baustoffe und Materialprüfung. Schriftenreihe Baustoffe. // Fest-schrift zum 60. Geburgstag von Prof. Dr.‑Jng. Peter Schiesse. Heft 2. 2003, s. 189‑198.
7. Kleingelhöfer P. Neue Betonverflissiger auf Basis Policarboxilat. // Proc. 13. Jbasil Weimar 1997, Bd. 1, s. 491‑495.
8. Frank D., Friedemann K., Schmidt D. Optimisierung der Mischung sowie Verifizirung der Eigenschaften Saueresistente Hochleistungbetone. // Betonwerk+Fertigteil-Technik. 2003.№3. S. 30‑38.
9. Richard P., Cheurezy M. Composition of Reactive Powder Concrete. Skientific Division Bougies. // Cement and Concrete Research, Vol. 25. No. 7, 1995. — pp. 1501‑1511.
10. Мировая премьера в Австрии — арочный разводной мост из высокопрочного фибробетона // Международное бетонное производство. №3. 2011. С 132‑134.
11. Калашников В.И. Терминология науки о бетонах нового поколения // Строительные материалы. №3. 2011. С. 103‑106.
12. Дейзе Т., Хорнунг О., Мёльман М. Переход с технологии Mikrodur к технологии Nanodur. Применение стандартных цементов в практике производства бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами // Бетонный завод. №3. 2004. С. 4‑11
