1 ГЛАВА. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕТОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С НОВОЙ РЕЦЕПТУРОЙ И ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕТОНОВ И ФИБРОБЕТОНОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Кроме повышения прочности на все виды нагрузок (рисунок) он обладает высокой водостойкостью (Квод) и водонепроницаемостью (W), морозостойкостью (F), солестойкостью к воздействию солей обледенителей, стойкостью к проникновению хлорид-ионов (КCl), к

трехкратному повышению стойкости к карбонизации (КСО2) . [124] 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 СП 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.

Другой причиной возникновения дисперсно-армированных порошковых бетонов можно считать то, что бетонные смеси для них обладают «рекордным» водоредуцированием, почти идеальной однородностью, что полностью исключает образование макродефектов и уменьшает количество микродефектов.

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.

Третьей причиной появления порошковых бетонов, на наш взгляд, было снижение внутреннего трения при течении дисперсных суспензий по сравнению с мелкозернистыми и щебёночными. Порошковые бетоны – это сверхтекучая матрица щебеночных бетонов.

Высокая текучесть позволяет изготавливать высокоархитектурные ажурные конструкции, тонкостенные скорлупы, шатровые оболочки, купола и другие филигранные конструкции [42]. Это позволило осуществлять строительство безопорных ажурных мостов [42].

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. Как указывалось выше, ежегодно в мире из недр Земли извлекается до 100 млрд. тонн горных пород. По оценкам компетентных специалистов разных стран из этого 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. Т. Ленгтон и Ф. Яновски, анализируя развитие горнодобывающей промышленности [42], констатировали, что средняя сортность руды в США изменилась от содержания рудного компонента от 3% в 1880 г. до 0,6% в 1970 г. В настоящее время при селективном извлечениями драгоценных и редкоземельных металлов доля их от добываемых пород составляет 0,01-0,2 % и менее. Разработка таких беднейших месторождений показывает, что понятие «запасы минерального сырья» не являются какой-то застывшей категорией. Технический прогресс, ведущий к снижению затрат на добычу и обогащение сырья, позволяет отнести минеральные ресурсы, ранее считавшиеся непромышленными, к категории промышленных. Таким образом, процесс в металлургии привел к глобальному, широкомасштабному накоплению на поверхности литосферы отходов технологий угледобычи, камнедробления, магнитной сепарации, флотации, вскрыши ценных пород и др., которые оставляют после себя многомиллиардные по массе «пирамиды» горных пород.

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.

Цементная промышленность не использовала известных научных разработок по производству дисперсно-наполненных цементов низких и средних марок для сухих строительных смесей (для штукатурных и кладочных растворов, шпаклевок, наливных полов). Серийно не выпускаются высокопрочные смешанные дисперсно-наполненные цементы низкой водопотребности (ЦНВ), которые были приоритетными в мире. При совместном помоле клинкера с отсевами камнедробления базальта, андезита, диорита, диабаза, дацита, высокопрочных известняков с суперпластификатором такие смешанные ЦНВ могли быть лучшими «предшественниками» зарубежных цементов для получения современных ультравысококачественных бетонов (Ultra –Hochleistungsbeton – UHLB) [80], самоуплотняющихся бетонов (Selbst-Verdichtenden Beton – SVB) [81, 82], высокопрочных бетонов (Ultra –Hochfester Beton – UHFB) [83] и последних тонкозернистых бетонов без заполнителей – реакционно порошковых бетонов (Reaktionspulverbetoh – RPB) [80].

В целом, такие эффективные бетоны, безусловно правильно называют бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам. Это бетоны будущего. По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии [ТЕРМИНОЛОГИЯ] , к ним необходимо отнести и бетоны рядовых марок с прочностью 20-50 МПа, выпускаемых в количестве 96-97% от всего выпуска бетона в мире, и бетоны с повышенной прочностью Rсж=60- 100 МПа. Но такие бетоны можно называть лишь тогда бетонами нового поколения, когда в них удельный расход цемента на единицу прочности на

сжатие Ц^уд_R 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 Ц^уд_R =8-10 кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20-60 МПа необходимо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения с Ц^уд_R ≤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.

Таким образом, к бетонам нового поколения нельзя относить только высокопрочные и сверхвысокопрочные. К ним необходимо отнести все порошково-активированные песчаные и порошково-активированные тяжелые 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 эти бетоны, если основной показатель их различается в 10 раз? Прежде все они многокомпонентны. Многокомпонентность их определяется не только разнообразием химико-минералогического состава, а масштабными уровнями дисперсности компонентов.

В составе, дополнительно к цементу, присутствуют дисперсные компоненты, по крайней мере, двух масштабных уровней. Новая реологически-активная рецептура и новая топологическая структура позволяет снизить удельный расход цемента на единицу прочности 4-4,5 кг/МПа и менее.

Все перечисленные выше бетоны различной прочности объединяют свои реологически-активные матрицы с необходимым соотношением условных реологических критерий. Выявление объемов этих реологических матриц посвящена данная диссертационная работа.