Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

Д.т.н., проф. Калашников В.И., д.т.н., проф. Ерофеев В.Т.,

д.т.н., проф. Тараканов О.В., аспирант Ерофеева И.В.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия

Высокоэкономичные малоцементные пластифицированные бетоны

Прогресс в технике высокопрочного бетона 70-80 г.г. ХХ века с прочностью на сжатие 50-70 МПа из жестких бетонных смесей переместился в область особовысокопрочных и сверхпрочных бетонов с прочностью на сжатие 100-200 МПа из нерасслаивающихся жидкотекучих бетонных смесей, с уменьшением предела текучести на 4-5 порядков по сравнению с уплотненными жесткими смесями.

Каменная мука или просто минеральные дисперсные наполнители издавна добавлялись в цементы и бетоны в количестве 10-30% при замене цемента без снижения прочности бетона и для улучшения отдельных свойств последнего. В высокопрочных бетонах с гиперпластификаторами при малых расходах цемента каменная мука добавляется нами к цементу в соотношении по абсолютному объему 1:2-1:2,5. Это уже не добавка, а преобладающий составной компонент вяжущего, определяющий реологию бетонов с суперпластификаторами (СП) и водоредуцирующий эффект в них. Важным реологическим компонентом щебеночных бетонов является очень мелкий песок фракции 0,1-0,6 мм, который заполняет пустоты в среднем или крупном песке. Без каменной муки в пластифицированных бетонах невозможно новое качественное и количественное изменение структуры и значительный «скачок» прочности их.

Сухие реакционно-порошковые смеси, состоящие из цемента, микрокремнезема (МК), каменной муки (КМ) и очень мелкого песка, из которых можно изготавливать высокопрочные (ВПБ) и особовысокопрочные бетоны (ОВБ), согласно нашим исследованиям, безусловно, в будущем станут бетонами нового поколения. Сухие реакционно-порошковые бетонные смеси (СРПБС) – это не просто готовые смеси для высокопрочных бетонов, это самый эффективный вид композиционного вяжущего (цементирующая связка) для различного вида бетонов. В наибольшей степени, это композиционное вяжущее необходимо для бетонов марок М100-М600, производство которых в России достигает 98%. Наши экспериментальные работы позволили получить за счет изменения рецептуры уникальные бетоны нового поколения с высокими технико-экономическими показателями без использования нанометрических частиц микрокремнезема.

Строящиеся цементные заводы должны своевременно изменить свои приоритеты и не только производить портландцемент для широкого потребителя в больших объемах, но и запланировать производство СРПБС с установкой помольных линий. В структуре цементного завода для этого имеется все необходимое.

Сухие реакционно-порошковые смеси должны изготавливаться, как минимум, четырехкомпонентными: цемент, гиперпластификатор, дисперсный молотый наполнитель в виде каменной муки, тонкозернистый песок. В отдельных случаях должен использоваться микрокремнезем в количестве 5-25% к массе цемента.

Выбор молотого кварцевого песка или горных пород, содержащих кварц или кремнеземсодержащие стекла, наиболее желателен. Тончайшие частицы таких пород связываются с известью в ранние сроки, а более крупные – в поздние сроки твердения, что снижает долю стехиометрически необходимого микрокремнезема или вообще способствуют исключению его. Крупнокристаллический портландит превращается в нанометрический гидросиликат кальция.

Высокопрочные щебеночные бетоны М1000-М1500 получены нами из пластичных и жестких бетонных смесей. Более перспективно использование сухой реакционно-порошковой смеси для получения бетонов как высоких, так и низких марок.

В России 98-99% выпускаемых бетонов имеют марку до М500. Удельный расход цемента на единицу прочности (Ц_уд) в них более 8-10 кг/МПа. При изготовлении «тощих» бетонов на мелких песках Ц_уд достигает 10-12 кг и никакие Гиперпластификаторы, в этом случае, не снижают его. В разработанных нами бетонах Ц_уд не превышает 4,5-5,0 кг/МПа и понижается до 3,5 !

При производстве бетонов для заводской технологии сборного железобетона то соотношение компонентов в бетонных смесях, уплотняемых механическими способами различной интенсивности, должно радикально меняться в сравнении с соотношением компонентов в высокопрочных самоуплотняющихся бетонах.

Концепция формирования состава при переходе от самоуплотняющихся сверхпрочных бетонов до высокоэффективных с более низкой прочностью заключается в трансформации реологических матриц, обеспечивающих рациональную реологию каждого состава. При этом микродисперсные и тонкозернистые компоненты реологической матрицы – каменная мука и очень мелкий песок замещают цемент по мере его уменьшения. При такой трансформации можно получать бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.

Приведем несколько примеров реализации принципов создания таких бетонов нового поколения. Для изготовления бетонов общестроительного назначения марок 250-600 использовали СРПБС, включающую портландцемент Вольский М500 ДО, наиболее эффективный по нашему мнению, поликарбоксилатный гиперпластификатор Melflux 1641 F, молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 3300 см²/г, мелкий кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм и Новокузнецкий гранулированный микрокремнезем. В качестве заполнителей добавляли средний Красноярский полевошпатовый намывной песок и доломитизированный щебень с прочностью по дробимости Д800-1000 или диабазовый щебень с Д1400 фракции 5-10 мм.

Фактические показатели прочности с учетом пересчета прочности на базовые образцы-кубы 150×150×150 мм соответствовали маркам М500-М600. Отечественная промышленная практика (а, возможно, и зарубежная) не имела прецедентов получения таких бетонов при расходе портландцемента 236 кг/м³ из пластичной марки П-1 и жесткой марки Ж-1. Характерно то, что снижение дозировки гиперпластификатора и замена щебня увеличили плотность бетона и повысили прочность на 26%.

Вторая серия бетонов была изготовлена с минимальными расходами цемента 150 и 180 кг/м³. Использовались сырьевые составы, аналогичные предыдущему составу. Как следует из результатов, в бетоне с расходом цемента 150 кг/м³ прочность составила 33,6 МПа, что соответствует марке М300, а в бетоне с расходом цемента 180 кг/м³ – М400. Удельные расходы цемента на единицу прочности, соответственно, были равны 4,46 и 4,18 кг.

Из анализа результатов испытания 14 составов бетонов с марками по прочности на сжатие М700-М1200 была выявлена закономерность: с уменьшением содержания цемента доля молотого песка должна быть соизмерима с расходом портландцемента и их массовое соотношение должно приближаться к единице, а отношение очень мелкого песка фр. 0,16-0,63 мм к цементу – к 2,5-3,5.

Обобщающим критерием, который определяет зависимость прочности бетона от его значения, является отношение суммы масс молотого песка, очень мелкого песка и МК к массе цемента. Он может быть использован для разработки нового метода расчета состава малоцементных бетонов нового поколения.

В заключении, можно надеяться, что рядовые бетоны найдут свое применение в силу их высокой экономичности. Очень мелкие пески, которые невостребованы в бетонах старого поколения, имеются во многих регионах. В Пензенской области имеются несколько месторождений очень мелких песков, отдельные из которых содержат в своем составе 90-95% тонких фракций 0,16-0,63 мм. Помол таких песков существенно снижает расход энергии на измельчение. Бетоны, в которых мы использовали мелкую фракцию, извлеченную из отсевов камнедробления горных пород, имеют близкие значения физико-технических свойств бетонов на кварцевых песках.