Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Д.т.н., Калашников В.И., к.т.н., Володин В.М., аспирант Ерофеева И.В.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Высокопрочные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности

В современных песчаных бетонах переходного поколения с использованием микрокремнезема и суперпластификатора достигнут удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии 5,7-14,0 кг/МПа с прочностью 41-128 МПа. С использованием ВНВ с добавкой микрокремнезема, равной 30%, достигнут удельный расход цемента на единицу прочности – 4,4 кг/МПа [1].

Более высокие результаты по прочности достигнуты в работе [2]. Бетон с расходом цемента СЕM I 52,5 N, равный 859 кг/м³ с кремневым наполнителем 172 кг микросиликой 172 кг (20% от массы цемента) был самоуплотняющимся с расплывом конуса 70 см с прочностью 149 МПа, с удельным расходом цемента на единицу прочности – 5,76 кг/МПа. Но этот бетон относится к реакционно-порошковому и не содержит песка-заполнителя.

В бетонах, состав которых был подобран для реализации сверхвысокой прочности и был неизменным [3], а изменялись параметры и режимы скоростного перемешивания бетонных смесей был изготовлен бетон с большим расходом цемента СEM I 52,5 R-HS/NA, равным 832 кг/м³. Он содержал 199 кг кварцевой муки и 15% микрокремнезема от массы цемента, был полулитым до самоуплотняющегося с прочностью от 140 до 163 МПа, с удельным расходом цемента на единицу прочности – 5,94 и 5,1 кг/МПа.

Самые лучшие результаты получены на порошково-активированных песчаных бетонах нового поколения, разработанных на кафедре ТБКиВ. Переход на бетоны нового поколения с расходом цемента от 200 до 700 кг/м³ (для высокопрочных бетонов, в том числе, без микрокремнезема или с малым содержанием его в диапазоне 7-9%) стал возможен только при реализации высокой реологии за счет добавления к цементу достаточного количества дисперсных наполнителей, тонкого песка и снижения доли среднего или крупного песка заполнителя. Удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии в этих бетонах достиг малого значения от 4,0 до 5,5 кг/МПа. Но верхом достижения можно считать порошково-активированные песчаные бетоны, в которых удельный расход цемента на единицу прочности достигает значений от 2,5 до 3,5 кг/МПа [4], о рецептуре и технологии которого будет сказано ниже.

Многими специалистами считается, что в традиционных трех- и четырехкомпонентных бетонных смесях основой их высокой пластификации являются только высокоэффективные супер- и гиперпластификаторы (ГП). Современные СП и ГП оцениваются по водоредуцирующему эффекту. Максимальный водоредуцирующий эффект в бетонах с высокими расходами цемента, как сообщается в литературе, может достигать в бетонах переходного поколения с СП 30-35%. Бетонные смеси старого поколения необходимо не только активировать реологическими добавками СП и ГП, но и осуществлять порошковую активацию их для усиления пластифицирующих эффектов.

Термин «порошково-активированные бетоны» был предложен профессором В.И. Калашниковым [4], для того, чтобы название характеризовало суть принципиально новой рецептуры и топологической структуры таких бетонов. В порошково-активированных бетонах содержание дополнительно-введенного порошка должно быть от 40 до 220% от массы цемента при его содержании в бетоне 170-700 кг/м³. Если в обычных четырехкомпонентных бетонах старого поколения присутствует лишь один порошок – цемент или чисто клинкерный, или с минеральной добавкой до 20% от его массы (шлак, кварцевый песок, известняк, зола и т.п.) то в зависимости от расхода цемента объемная доля этого порошка в объеме бетона обычно колеблется по нашим расчетам от 6,5% до 16,1% (расход цемента соответственно от 200 до 500 кг/м³). Дисперсные наполнители, которые вводили взамен портландцемента для его экономии, могут увеличить объем порошкообразной фазы пропорционально разнице плотностей цемента и наполнителя. Так, замена 200 кг цемента в его расходе 500 кг/м³ кварцевым песком плотностью 2,7 г/см³ увеличивает объем смешанного порошка всего на 10 л, т.е. на 6,2%.

Добавление к цементу массой 500 кг молотого кварцевого песка в количестве 325 кг объем смешанного порошка составляет 285 л вместо 161 л, т.е. возрастает на 77% по сравнению с объемом, занимаемым 500 кг цемента. Кроме того, в порошково-активированных бетонах должен присутствовать тонко-зернистый порошок кварцевого песка фракцией 0,1-0,5 мм (для российских стандартных рассевов песка – 0,16-0,63 мм) или других мелкодробленных пород (известняка, доломита, гранита, базальта и т.п.). Именно в этом заключается порошковая активация, которая приводит к увеличению объема водно-дисперсной-тонкодисперсной суспензии в объеме бетона до 65-80%. И лишь 20% приходится на песок-заполнитель. Самое важное, что значительное увеличение содержания высокодисперсной и тонкозернистой фазы, требующей существенного количества воды для смачивания частиц, заметно снижает расход воды в пластифицированных бетонах и превращает их в самоуплотняющиеся. Если порошково-активированную бетонную смесь изготовить на воде без СП с осадкой конуса 25 см, то она потребует расход воды в 1,5-2,0 раза больший по сравнению с пластифицированной бетонной смесью с тем же составом сухих компонентов.

Все дисперсные и тонкозернистые наполнители впервые были разделены в работах кафедры на два вида, в соответствии с их функциями: реакционно-активные и реологически-активные. Термин «реакционно-активный» (МК, дегидратированный каолин, белая сажа и т.п.) имеет явный физический и химический смысл, характеризующий достаточно интенсивную пуццоланическую реакцию взаимодействия его с портландитом. Молотые и тонкие наполнители (базальт, гранит, диорит, кварц), могут быть и реакционно-активными с замедленным периодом взаимодействия с портландитом или условно-неактивными, доля которых значительно выше, чем МК, если производятся не сверхвысокопрочные бетоны с прочностью на сжатие – 100-140 МПа.

Именно порошково-активированные многокомпонентные бетоны с кардинальным изменением рецептуры являются бетонами нового поколения. И производство дисперсных компонентов и тонкозернистых для производства его должно быть приоритетным направлением в строительной отрасли, тем более, что сырье для них находится в отвалах камнедробления.

Литература:

1. Фаликман В.Р., Сорокин Ю.В., Калашников О.О. Строительно-технические свойства особовысокопрочных быстротвердеющих бетонов//Бетон и железобетон. 2004. № 5. С. 5-10.

2. Сильвер Део. Аспекты применения неметаллической фибры. Исследование применения фибры для изделий из бетона / Сильвер Део, CERIB, Франция. // CPI – Международное бетонное производство. 2011. № 4. С. 46-56.

3. Петер Либланu, Fachhochschule Кельн, Германия Даниэль Рингвельски, Tillman B/V/ Construction Chemicals, Нидерланды / CPI – Международное бетонное производство. 2012. № 3. С. 32-35.

4. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения//Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103-106.