Из табл. 5.1 видно, что стоимость компонентов в 1 м3 сверхпрочного бетона в 2,2 раза выше стоимости компонентов в 1 м3 бетонов общестроительного назначения. Однако, применив вышеуказанное равенство отношений прочности (R), стоимости (Ц) и расхода (V) бетонов, получаем фактический расход сверхпрочного бетона в 4 раза меньше. Соответственно стоимость конструкции из бетонов нового поколения будет, по меньшей мере, дешевле в 1,8 раза. Близкая к центрально-сжатым элементам экономия достигается в безнапорных трубах.
Если рассмотреть экономический эффект использования сверхпрочных бетонов в покрытиях промышленных высоконагруженных полов в сравнении с полимерными покрытиями, обладающими аналогичными прочностными характеристиками, то он может быть повышен в 2÷3 раза.
Производственное апробирование при изготовлении облицовочных панелей на ООО «Новые строительные технологии » г. Красноярск, покрытий промышленных полов на ООО «Concrete Ingeniring» г. Москва, подтвердили высокую экономичность использования таких бетонов (Приложение).
Совершенно очевидно, что порошково-активированный щебеночный бетон с расходом цемента 319 кг/м3, МК – 7% с прочностью на сжатие 134 МПа по стоимости сырьевых компонентов является более экономичным, чем бетон с прочностью 100 МПа с расходом цемента490-500 кг/м3 с МК-15%.
Поэтому не углубляясь в экономические критерии строительства из высокопрочного и особовысокопрочного бетона.
В настоящее время в России строительство зданий и сооружений осуществляется из бетонных несущих изделий с классом бетона по прочности В 10-В 35, что соответствует марке бетона по прочности на осевое сжатие 150- 450(15,0-45,0 МПа). За последние 20 лет ситуация в создании бетонов более высоких классов конструкционного назначения мало изменилась, несмотря на повышение этажности зданий, если не принимать во внимание возведение уникальных зданий и сооружений в столице России г. Москвы и крупных городах России ( С. Петербург, Н. Новгород, Самара и др).
Революционные этапы на пути эволюционного развития бетона и железобетона: изобретение супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП), дисперсной арматуры (фибры) и новых плотных искусственных пуццоланических добавок, микрокремнеземов и дегидратированных каолинов, позволяющих изготавливать бетоны нового поколения XXІ века с классами по прочности В 100-140 МПа, далеко не реализованы в России. Также в России не реализовано использование молотых горных пород и кварцевой муки, еще одного, революционного этапа для существенного улучшения реологии бетонных смесей с суперпластификаторами [120]. Последним революционным этапом в технике бетона – это использование очень мелких природных песков для улучшения гранулометрии щебеночно-песчаной смеси с основной фракцией частиц 0,1÷0,5-0,16÷0,63 мм тонкого песка. По-прежнему, как и 20 лет назад, массовое строительство ориентировано на использование материалоемких бетонов низких марок М150-М500. Отставание от передовых стран разительно и с каждым годом оно нарастает большими темпами.
Мы удивляемся уникальными зарубежными зданиями-небоскребами из высокопрочного и особовысокопрочного бетона высотой до 500-800 м, однопролетным вантовым мостам пролетом 1500-2000 м, нефтяным и газовым платформам из бетона классов В 100- В 120 для добычи нефти и газа в морских шельфах и др. сооружениям, возведенных не из стали, а из железобетона.
Железобетонные конструкции из щебеночных и бесщебеночных порошковых высокопрочных и особовысокопрочных бетонов с дисперсным армированием или комбинированным дисперсно-стержневым армированием имеют в 4-5 раз большую прочность на осевое растяжение, в 15-20 раз более высокую ударную прочность, что определяет повышенную надежность при возведении сейсмостойких зданий и сооружений или конструкций, эксплуатируемых при воздействии динамических нагрузок (мосты, дороги, аэродромы и т.д.). Высокопрочный и особовысокопрочный бетон имеет сверхнизкую пористость и вследствие этого обладает высокой водонепроницаемостью (более W 20), морозостойкостью (более F 1000), стойкостью к сульфатной, магнезиальной, хлорной, карбонатной коррозии, долговременной стойкостью к морской воде, насыщенной хлоридами металлов.
Трудно переоценить значительные технико-экономические преимущества от использования высокопрочного и особовысокопрочного бетона,и особенно, при строительстве зданий и сооружений из монолитного бетона.
Основным преимуществом высокопрочных и особовысокопрочных бетонов является высокая текучесть их бетонных смесей, определяющая
самоуплотняемость смесей для изготовления конструкций. Самоуплотняющиеся бетонные смеси самонивелируются с образованием горизонтальной поверхности без механического уплотнения или с незначительным вибрационным уплотнением. Низкий предел текучести дисперсной матрицы смесей, равный 5-10 Па, позволяет самопроизвольному стоксковскому удалению воздушных пузырьков. Производительность труда при изготовлении конструкций из самоуплотняющихся бетонных смесей существенно повышается за счет снижения трудоемкости бетонирования, улучшения условий труда.
Переход на строительство из бетона нового поколения – важнейшая народно-хозяйственная проблема, решение которой существенно изменит экономику строительства, архитектуру зданий и сооружений с высокоэстетичным формообразованием, преобразованием массивных, материалоемких конструкций в ажурные, легкие, надежные и долговечные. Фундаментальность научной проблемы определяется наукоемкостью при создании нового конструкционного материала. В ней реализованы:
-реология многокомпонентных водно-дисперсных систем, непосредственно связанная с физико-химией агрегативно-устойчивых, предельно-концентрированных дисперсных систем;
-электрокинетические явления на границе раздела фаз, определяющие поверхностные заряды частиц различного минералогического состава в воде с перезарядкой поверхности при адсорбции СП, в том числе с перезарядкой поверхности кислых пород под действием гидролизной извести клинкера и адсорбцией катиона Са2+ на отрицательно-заряженных поверхностях;
-химия реакционных процессов, механизмы гидратации и твердения цемента как полиминерального соединения, включающего более 20 элементов Периодической таблицы Д.И.Менделеева;
-законы механики разрушения хрупких материалов и более дуктильных дисперсно-армированных композиционных материалов.
Технология производства высокопрочных дисперсно-армированных бетонов новогоипоколения с супер-и гиперпластификаторами, каменной мукой и плотными пуццоланами, является более наукоемкой, нежели традиционная, которая лишь частично улучшает технические свойства бетонов в течение последних 30-40 лет.
Экономике бетона за счет снижения расхода портландцемента на 10-30% в бетоне посвящены многие научные статьи, но они не касаются реализации глобальной экономики строительства из железобетона, когда значительно уменьшаются расходы всех компонентов бетона.
Но это лишь видимая часть айсберга. Экономические преимущества распространяются на многие отрасли промышленности: горнодобывающую, топливодобывающую, цементную, авто- и железнодорожный транспорт, энергетику.
В целом экономика строительства монолитных зданий и сооружений из особовысокопрочного бетона, при уменьшении объема его в конструкциях в 3-4 раза слагается из следующих экономических и экологических показателей:
-снижаются энергетические затраты на разгрузку щебня, песка и цемента, внутризаводскую транспортировку их и бетонной смеси, ее виброуплотнение, расход пара на тепловую обработку, на замену и ремонт быстро изнашивающегося оборудования и иного внутризаводского транспорта и бетоносмесительных цехов на заводах-изготовителях и заработанная плата ремонтных рабочих;
-полностью исключается износ формующего оборудования, в том числе виброуплотняющего;
-уменьшаются расходы на заработную плату формовщиков, распалубочников, строповщиков, крановщиков на заводе-изготовителе сборного железобетона;
-снижается трудоемкость при укладке самоуплотняющихся бетонных смесей без использования вибрационного оборудования;
-снижается расход тепловой энергии в зимний период при монолитном строительстве в связи с быстрым набором прочности бетона, достигающей на 1 сутки 40-60 МПа;
-уменьшается износ горнодобывающего и технологического оборудования по переработке и обогащению щебня для заводов ЖБИ; сокращается расход электроэнергии на предприятиях нерудной промышленности; уменьшаются расходы на заработанную плату рабочих;
-при транспортировке бетонной смеси с завода-изготовителя на объект объем бетонной смеси, перевозимой в миксерах сокращается в 2-4 раза, за счет этого уменьшается износ спецавтотранспорта в 4-6 раз (грузовые и порожние рейсы), снижается расход горючего в 4,5-5 раз, уменьшаются расходы на заработанную плату водителей в 6 раз (вместо 4 водителей - 1);
-при транспортировке сырьевых материалов на завод-изготовитель бетона: так, при транспортировке щебня ж/д транспортом, объемы щебня сокращаются в 3 раза, уменьшается количество горючего или электроэнергии в 5 раз, включая возврат пустых полувагонов на предприятия нерудной промышленности, уменьшается в 6 раз износ железнодорожного транспорта при транспортировке щебня вследствие исключения транспортировки щебня при выпуске РПБ и в 3 раза – при производстве высокопрочного щебеночного бетона. Значительно уменьшаются расходы на заработную плату машинистов, уменьшаются затраты на ремонт железнодорожных путей от уменьшения железнодорожных перевозок;
-исключаются ремонтные работы зданий и сооружений, связанные с использованием некачественного бетона для изделий и конструкций, подверженных разрушающему воздействию механических нагрузок, попеременного увлажнения и высушивания, замораживанию и оттаиванию, подвергнутых воздействию агрессивных сред при замене такого бетона высокопрочным, высоководостойким, морозостойким, коррозионностойким, водонепроницаемым, ударопрочным;
-уменьшаются затраты на ремонт асфальтированных и грунтовых дорог за счет снижения автотранспортных перевозок щебня, вместе с этими показателями существенно снижаются расходы на заработанную плату рабочих;
-немаловажный экономический эффект слагается при монтаже зданий и сооружений из ВПБ; он связан с уменьшением грузоподъемности монтажных кранов, снижением износа бетононасосов и уменьшением расхода энергии на перекачку бетона, особенно,при многоэтажном строительстве более чем в 3 раза;
-ускорение темпов монтажных работ и строительства зданий и сооружений, в связи с быстрым набором прочности бетона в течение одних суток, уменьшение расходов на оплату труда строительных рабочих при возведении зданий и сооружений;
-уменьшение массы зданий и сооружений, которое влечет за собой существенное снижение массы фундаментов под строительные объекты;
-улучшается экология окружающей среды при уменьшении автотранспортных перевозок бетона на объект строительства за счет снижения выбросов газов от автомобильного и железнодорожного транспорта.
Из суммирования экономических преимуществ в перечисленных отраслях промышленности слагается глобальная экономика строительства из высокопрочного железобетона.
В целом экономические, экологические и энергосберегающие критерии, создавая глобальную экономику, сочетают в себе три из пяти приоритетных направления развития науки, технологии и техники в Российской Федерации, утвержденных Президентом РФ от 21.05.06:
1.Индустрия наносистем и новых материалов.Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны нового поколения могут быть получены без использования специальных наносистем для модификации обычных сильнодеффективных бетонов М400-600. Наномодифицирование высокопрочных и особовысокопрочных бетонов М1200-М1500 - это дополнительное повышение их прочности, что позволит еще более повысить все вышеперечисленные экономические показатели.
2.Рациональное природопользование.К этому направлению относится использование каменной муки – отходов сухой и мокрой магнитной сепарации и флотации при обогащении черных и цветных руд, объемы которых ежегодно прирастают в мире на 106 млрд. т. и на 6 млрд. т. в России. Они не используются. Снижение объемов добычи сырьевых компонентов бетона и топлива – основа рационального природопользования для промышленности сборного и монолитного железобетона.
3.Энергетика и энергосбережение.Колоссальное энергосбережение при переходе на выпуск высокопрочных бетонов во всех сопутствующих производствах рассмотрено выше.
Высокоэнергозатратной является технология производства ПЦ, связанная с его обжигом при высокой температуре (1450-1500оС), дроблением и помолом сырья и клинкера (в производстве цемента 70-80% от всей электроэнергии тратится на дробление, помол). К этому направлению непосредственно относится улучшение экологии окружающей среды за счет уменьшения выбросов отходящих газов от сжигания органических видов топлива и выделения тепла в атмосферу.
5.2. Перспективы использования реакционно-порошковых сухих бетонных смесей в строительстве
Реакционно-порошковые бетоны (РПБ) нового поколения – это специфические бетоны будущего, не имеющие в своем составе крупно-зернистых и кусковых заполнителей. Это отличает их и от мелкозернистых (песчаных) и щебеночных бетонов.Зерновой состав тонкозернистой песчаной фракции очень узок и находится в пределах 0,1-0,6 мм. Удельная поверхность такого песка (П) не превышает 200 см2/г. Средняя удельная поверхность тонкодисперсной фракции, состоящей из портландцемента (Ц), каменной муки (КМ) и микрокремнезема (МК), и являющейся реологической матрицей РПБ, находится в пределах 6000-7000 см2/г [119]. Высокая дисперсность является основой протекания адсорбционных процессов суперпластификаторов (СП) и кардинального снижения вязкости и предела текучести при минимуме воды. Бетонные смеси для таких бетонов саморастекаются при содержании воды 10-11% от массы сухих компонентов. В стесненных условиях реализуются контактные взаимодействия между частицами компонентов через тончайшие прослойки воды. В тонких прослойках воды интенсивно протекают реакции гидратации, гидролиза цементных минералов и взаимодействия гидролизной извести (портландита) с микрокремнеземом и тончайшими частицами кремнеземсодержащих горных пород.
В связи с тем, что в порошковых бетонах объемная концентрация цемента составляет 22-25%, то частицы цемента, в соответствии с предложенной ранее формулой (раздел 4.5), не контактируют между собой, а разделены водой наноразмерными частицами микрокремнезема, микрометрическими частицами молотого песка и тонкозернистого песка. В таких условиях, в отличие от обычных песчанистых и щебеночных бетонов, топохимический механизм отвердевания уступает сквозь растворному, ионно-диффузионному механизму твердения. Это убедительно подтверждено нами на простых, но оригинальных экспериментах контроля твердения композиционных систем, состоящих из малых количеств грубомолотых клинкеров и гранулированных шлаков и значительного количества высокодисперсного мрамора [114] при 10-12% воды. В порошковых бетонах частицы цемента разделены частицами микрокремнезема и каменной муки. Благодаря тончайшим оболочкам воды на поверхностях частиц процессы твердения порошковых бетонов протекают очень быстро. Суточная прочность их достигает 40- 60 МПа и более.
Оценим усредненную толщину водных манжет на дисперсных частицах реакционно-порошкового бетона и сравним ее с манжетами на частицах цемента. Примем усредненную удельную поверхность цемента 3000 см2/г, каменной муки – 3800 см2/г, микрокремнезема – 3000 см2/г. Состав дисперсной части РПБ: Ц – 700 кг; КМ – 350 кг; МК – 110 кг. Тогда расчетная удельная поверхность дисперсной части порошкового бетона составит 5800 см2/г. Реакционно-порошковые бетонные смеси с гиперпластификаторами (ГП) приобретают гравитационную растекаемость при В/Т= 0,1. Цементная суспензия с ГП растекается под действием собственного веса при В/Ц = 0,24. Тогда условная, усредненная толщина слоя воды, распределенная на поверхности частиц, составит: