CC BY
255К 75-летию
Владимира Ивановича Калашникова
Владимир Иванович Калашников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства — по окончании технологического факультета Пензенского инженерно-строительного института в 1963 г. был направлен на работу в формовочный цех Пензенского завода ячеистого бетона. В 1965 г. он вернулся в родной институт, и с тех пор его трудовая деятельность была полностью посвящена научной и преподавательской работе. После защиты в 1970 г. кандидатской диссертации под руководством профессора И.А. Иванова (МИСИ) Владимир Иванович последовательно прошел путь от старшего преподавателя до заведующего кафедрой технологии бетонов, керамики и вяжущих (ТБКиВ), которую он возглавил в 1988 г.
В 1986 г. был назначен начальником отраслевой лаборатории утилизации побочных продуктов Минмедбиопрома СССР, результатом работы которой стало создание (совместно с НИИЖБ) нормативных документов, давших возможность внедрения в производство пластифицирующих добавок, ускорителей твердения, противоморозных и других химических добавок из побочных продуктов во многих городах России с экономическим эффектом около 20 млн р. в ценах 1990 г.
В 1992 г. В.И. Калашникову присвоено ученое звание профессора. В 1996 г. он защитил докторскую диссертацию в форме научного доклада «Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов».
В.И. Калашников создал научную школу по двум научным направлениям. Первое — научные основы создания минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих на основе малощелочных смесей дисперсных горных пород вулканического и осадочного происхождения, в том числе алюмосиликатного состава, осадочного-карбонатного и силицитово-го состава с малыми добавками молотого гранулированного шлака.
Второе — разработка научно-практических основ и принципов получения порошково-активированных саморастекающихся, самоуплотняющихся бетонов нового поколения, в том числе с использованием композиционных цементно-зольных вяжущих с высоким содержанием микрометрических минеральных компонентов, тонких природных песков или дробленых песков из горных пород, формирующих в бетонных смесях с суперпластификатором высокое объемное содержание водно-дисперсно-тонкозернистой, высококонцентрированной, агрегативно-устойчивой суспензионной составляющей. Основной тезис: «Через рациональную реологию, оптимальную гранулометрию сухих компонентов — в будущее пластифицированных бетонов!» — подтвержден созданием самых прочных бетонов в России не только в лабораториях Пензенского ГУАС, но и на ряде производств.
За время своей научно-педагогической деятельности В.И Калашников подготовил 37 кандидатов и трех докторов наук. Аспирантами и молодыми учеными под руководством В.И. Калашникова были получены четыре стипендии Президента РФ, грант Президента РФ, грант ФЦП, грант РААСН, шесть грантов И. Бортника «У.М.Н.И.К.».
Он автор и соавтор более 1000 научных и учебно-педагогических работ, в том числе 25 монографий, 35учебно-мето-дических пособий, имеет более 60 авторских свидетельств.
Достижения Владимира Ивановича Калашникова высоко оценены руководством страны и профессиональным сообществом. Ему присвоено звание «Заслуженный деятель науки РФ», «Заслуженныйработник высшей школы РФ», «Почетный работник высшего профессионального образования РФ», он награжден нагрудным знаком «Изобретатель СССР», обладатель (в составе авторского коллектива) Большой медали РААСН, двух серебряных медалей ВДНХ (ВВЦ), медали «Строительная слава России», памятного знака «За заслуги в развитии города Пензы», ордена ПГУАС «За заслуги в развитии строительного образования и науки».
Редакция, редакционный совет, ученики и коллеги от всей души поздравляют дорогого Владимира Ивановича с юбилеем! Желают крепкого здоровья и новых научных достижений!
УДК 691.32
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук ([email protected])
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28)
Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего
Часть 1. Изменение составов и прочности бетонов
Анализируется эволюция развития составов бетонов от 4-компонентных старого поколения позапрошлого столетия до 7-8-компонентных, самых экономичных с традиционной прочностью до 50-60 МПа, высокопрочных и сверхвысокопрочных с прочностью до 150 МПа и выше. Приводятся относительно короткие революционные этапы на длительном эволюционном развитии, в результате которых произошло повышение прочности в 2-4 раза и более. Показано, что такое повышение прочности обязано не столько добавлению в пластифицированную бетонную смесь микрокремнезема, сколько обязательному добавлению дисперсных молотых плотных горных пород в значительно большем, чем 20-30% от массы цемента, количестве и тонкого природного или дробленого песка. На основании полученных высоких значений
научно-технический и производственный журнал П'Г^^>' ГгЛ
прочности бетонов (120-140 МПа), в том числе самоуплотняющихся без высокореакционных пуццоланических добавок микрокремнезема, дегидратированного каолина и т. п. и их промышленной реализации, формулируется вывод, что XXI в. будет веком микротехнологий с возможным сочетанием (при необходимости) реальных, а не фальсифицированных нанотехнологий.
Ключевые слова: компонентный состав бетонов, суперпластификатор, микрокремнезем, реологическиактивная каменная мука, микротехнология, суспензии, самоуплотняющиеся бетоны.
V.A. KALASHNIKOV, Doctor of Sciences (Engineering)
Penza State University of Architecture and Civil Engineering ( 28 Germana Titova Street, 440028, Penza, Russian Federation)
Evolution of Development of Concretes Compositions and Change in Concrete Strength. Concretes of Present and Future Part 1. Change in Compositions and Strength of Concretes
The evolution of development of concrete compositions from four-component of the old generation of the last century up to seven-eight components, the most efficient with traditional strength of up to 50-60 MPa, high-strength and ultra-strength with the strength of up to 150 MPa and higher is analyzed. Relatively short-term revolution stages of the long evolutionary development, as a result of which the strength increased by 2-4 times and more, are presented. It is shown that this increase in strength is obliged not so much to addition of micro-silica to the plasticized concrete mix, but to the obligatory addition of disperse grinded rocks of significantly larger amount than 20-30% of cement mass and fine natural or grinded sand. On the basis of high values of concrete strength obtained (120-140 MPa), including self-compacting without highly reactive pozzolana additives of micro-silica, dehydrated kaolin etc and their industrial realization, it is concluded that the XXI century will be the century of micro-techologies with a possible combination (if necessary) of real, not falsified, nano-technologies.
Keywords: component composition of concrete, superplasticizer, micro-silica, rheological-active stone flour, micro-technology, suspensions, self-compacting concretes.
Цементным бетонам более 180 лет. Проанализировать эволюцию изменения составов бетонов за этот длительный период по видам и количеству компонентов чрезвычайно сложно. Поэтому в статье анализируется изменение составов в те революционные периоды, когда произошло кардинальное увеличение прочности бетона в 2—4 раза и более. В последние 25 лет ученые разрабатывали новые составы, способные изменить мир бетона, а предприниматели вкладывали средства на покупку современных зарубежных цеховых технологий формования изделий и конструкций, используя бетоны старого поколения, отличающиеся лишь добавлением суперпластификаторов (СП), а в отдельных, редких случаях — микрокремнезема (МК). Марки бетонов с СП, производимых в стране на заводах ЖБИ, как правило, не превышают М400, в отдельных случаях — М500—М600.
Все ученые-бетоноведы, вне сомнения, знают эволюционное развитие цементных бетонов по изменению роста прочности в 1835—1840 гг. после появления первых цементных производств. Изменение прочности бетона на протяжении длительного времени до 1965—1970 гг. следовало за повышением марок цемента. Прочность плотных известнякового щебня и щебней из прочных горных вулканических пород оставалась неизменной, как и прочность кварцевого песка (самой прочной горной породы). К сожалению, высокие качества их не удается полностью использовать и в настоящее время. Пески не фракционируются в большинстве регионов, используются с глинистыми примесями. При намыве песков не используются пескомойки, щебень с большим
Рис. 1. Эволюция развития составов цементных бетонов
количеством лещадных и игловатых зерен, все это ведет к перерасходу цемента и влечет за собой строительство новых цементных заводов. Технология бетонов в производстве не считается высокой химической технологией, которой она должна быть и способной изменять мир бетона. Три сухих компонента в щебеночных бетонах и два компонента песчаных бетонов практически не изменились с 1885 г.
По составу компонентов с различными размерными масштабными уровнями дисперсных и зернистых составляющих бетоны эволюционировали с несколькими революционными периодами (рис. 1).
Основные революционные этапы в повышении прочности бетонов были следующими:
1. Изобретение высокоэффективных суперпластификаторов (СП) на нафталин- и меламинсульфонатных основах для производства пластифицированных бетонов в 1965—1970 г. Этот период продолжается и по настоящее время. Практически 97—98% бетонов выпускаются в большинстве стран с суперпластификаторами.
2. Введение в состав пластифицированных бетонов, реакционно-активного микрокремнезема (МК) — отхода от производства ферросилиция.
3. Появление высокоэффективных гиперпластификаторов нового поколения на поликарбоксилатной основе и получение реакционно-порошковых самоуплотняющихся бетонов нового поколения с микрокремнеземом. Эти бетоны послужили основой создания щебеночных бетонов нового поколения с мелкими кварцевыми песками и с микрокремнеземом.
Изготовление таких бетонов было освоено для возведения уникальных зданий и со-оружений.
4. Революционным этапом в технологии щебеночных и песчаных бетонов явились удачные попытки ввести в состав традиционных бетонов повышенное содержание порошковой составляющей, в том числе МК с уменьшением содержания песка-заполнителя и щебня.
Эти периоды связаны с исследованиями и внедрением реакционно-порошковых бетонов (РПБ, RPC, RPB) [1-3], с разработками самоуплотняющихся щебеночных и песчанных бетонов (СУБ, SСС, SVB) [4, 5], высокофункциональных (НРС) и сверхвысокофункциональных (иНРС) [6, 7] высококачественных и уль-
< \ научно-технический и производственный журнал
травысококачественных бетонов (UHLB) [8, 9]. Научные исследования, выполненные на кафедре ТБКиВ с 1995 г., в настоящее время на объединенной кафедре ТСМиД, были посвящены разработкам основ пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов, тестированию цементов и пластификаторов по реологическим свойствам и водоредуцирующим эффектам [11], разработкам и испытанию высокопрочных и сверхвысокопрочных порошково-активированных бетонов и фи-бробетонов с МК, с прочностью 150-200 МПа и бетонов без МК [12-14], порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов [10, 15-20], в том числе для защиты от радиации.
Учитывая использование таких бетонов в мировой практике и перспективы расширения их производства в будущем, целесообразно, на наш взгляд, использовать новую классификацию бетонов по прочности:
- бетоны общестроительного назначения с традиционной прочностью от 10 до 60 МПа;
- бетоны с повышенной прочностью - от 60 до 100 МПа;
- высокопрочные бетоны - более 100 до 150 МПа;
- сверхвысокопрочные бетоны - более 150 МПа.
Аналогичная классификация может быть дана по соответствующим классам прочности бетона. Она поможет исключить название многочисленных статей с термином «высокопрочный», когда речь идет об обычной прочности бетонов марок 350-400. Это позволит получить объективную информацию о реальных достижениях, существенно облегчит литературный поиск публикаций о настоящих высокопрочных бетонах.
Появление бетонов нового поколения было связано с тем, что первым революционным преобразованием в технике и технологии бетонов были самоуплотняющиеся порошково-активированные бетоны (РБП). Мы называем их суспензионными, так как они, являясь на 100% суспензиями, гравитационно-растекаются и самоуплотняются. Первое сооружение из сверхвысокопрочного реакционно-порошкового фибробетона было реализовано Пьером-Клодом Айчином в 1997 г. - известный пешеходный мост в Шербруке, провинции Квебек [3]. В современных РПБ максимальный размер частиц кварцевого песка не превышает 0,5-0,6 мм и дополнительно входит молотый кварцевый песок или молотый базальт, микрокремнезем и суперпластификатор. Именно у реакционно-порошковых бетонов нового поколения с микрокремнеземами и суперпластификатором в отдельных лабораториях достигнута прочность при нормальном твердении до 300 и 400-600 МПа - при длительном пропаривании и высокотемпературной (200-300оС) автоклавизации.
В практике производства щебеночных и песчаных бетонов старого и переходного поколений рецептура основных сухих компонентов оставалась неизменной с 1835-1840 гг., не считая введения СП. С 1950-1965 гг. использовались слабые и умеренные пластификаторы на основе отходов производств: сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ), сульфитно-спиртовая барда (ССБ), лиг-носульфонат технический (ЛСТ), лигносульфонат технический модифицированный (ЛСТМ), некоторые растворимые полимеры и др. Начиная с 1965-1970 гг. рецептура сухих компонентов щебеночных бетонов также не изменилась и состояла из цемента, песка и щебня, несмотря на появление эффективных суперпластификаторов. Тем не менее с этого периода, можно считать, началась эра более эффективных бетонов переходного поколения.
Суперпластификаторы на нафталинсульфонатной, меламинсульфонатной основах, фенольно-формальде-гидные смолы, алифотические суперпластификаторы и
появившиеся позже гиперпластификаторы нового поколения на поликарбоксилатной основе не могли совершить революционные преобразования топологической структуры тяжелых бетонов. Молекулы СП, адсорбирующихся на поверхности твердой фазы, не в состоянии преобразовать топологическую структуру взаимного расположения зернистых компонентов песка и щебня, содержание которых осталось практически неизменным. В бетонной смеси с расходом цемента 200300 кг на 1 м3 основную долю составляют зернистый песок и грубозернистый щебень, содержащиеся в количестве 1900-2100 кг (750-780 л). Суперпластификаторы могут преобразовать лишь агрегированную микроструктуру цементных частиц в суспензии в более организованную бескластерную микроструктуру частиц с дискретным дезагрегированным расположением их в суспензии. Они могут создать более плотную наноструктуру продуктов гидратации цементного камня при уменьшении содержания воды за счет введения суперпластификаторов только в более «жирных» бетонных смесях с расходом цемента 400-500 кг/м3. Но в «тощих» бетонах с расходом цемента 150-200 кг/м3 с СП содержание воды остается почти неизменно. И структура цементного камня и бетона при этом совершенно не изменяется вследствие высокой межзерновой пустотно-сти. И ни какие-либо «наноцементы», ни ВНВ, в таком малом количестве не совершат прорыва в технологии бетонов. Малое количество частиц цемента микрометрического уровня с удельной поверхностью цемента 3000-3500 см2/г с размерами частиц 1-100 мкм не позволяет реализовать разжижение бетонных смесей с малым количеством саморастекающейся высококонцентрированной водно-цементной суспензии, предельно-разжиженной суперпластификатором. Проанализируем это рассмотрением абсолютных объемных содержаний - компонентов бетонной смеси с расходом цемента (Ц) 300 кг/м3 при В/Ц = 0,5; песка (П) - 750 кг; щебня (Щ) - 1250 кг. Объемное содержание компонентов при этом составит: V = 96,8 л; V = 150 л (объем водно-цементной суспензии = 150 + 96,8 = 246,8 л); V = 277 л; ^ = 463 л (рис. 2). Расчетная теоретическая масса бетонной смеси составит Мбс. = 2450 кг, абсолютный объем ее = 989 л. Теоретическая плотность смеси 2477 кг/м3. Фактическая плотность бетонной смеси 2390 кг/м3. Прочность бетона на сжатие 28 МПа. Удельный расход цемента на единицу прочности Ц £= Ц/^ж = 10,7 кг/МПа.
Объемное процентное содержание водно-цементной суспензии от объема бетонной смеси составляет 25% (УвцАб.с.) . 100 %. Если насыпную плотность песчано-ще-беночной смеси принять высокой и равной 2000 кг/м3, то пустотность ее при абсолютной плотности 2,7 г/см3 составит ПО = 26%.
Таким образом, объема водно-цементной суспензии недостаточно для полного заполнения межзерновых пустот в песчано-щебеночной смеси. А с учетом покрытия частиц песка и зерен щебня цементным тестом и их раздвижки бетонная смесь даже при идеальном уплотнении будет иметь дополнительную межзерновую пористость, которая вытеснит лишний объем бетонной смеси сверх 1000 л. С учетом вовлечения воздуха при перемешивании пористость возрастет дополнительно. При более реальной насыпной плотности песчано-ще-беночной смеси 1800-1900 кг/м3 пустотность увеличится, а пористость бетонной смеси будет возрастать пропорционально пустотности песчано-щебеночной смеси и содержанию ее.
Рассчитаем аналогичные параметры для пластифицированного бетона с расходами компонентов: цемента - 500 кг/м3; песка - 650 кг/м3; щебня - 1150 кг/м3; воды - 165 л.
V, л
Рис. 2. Объемы водно-дисперсной суспензии песка и щебня в бетонах переходного поколения с расходом цемента 300 кг/м3 (1) и 500 кг/м3 (2)
Объемное содержание компонентов при этом составит: Уц = 161 л; V, = 165 л; Уп = 245 л; Ущ = 425 л. Расчетная масса бетонной смеси составит Мбс. = 2465 кг, абсолютный объем ее Убс = 996 л. Объемное содержание водно-цементной суспензии увеличилось до 326 л. Теоретическая плотность смеси 2475 кг/м3. Фактическая плотность такой бетонной смеси составила 2435 кг/м3. Прочность бетона при сжатии 57 МПа. Удельный расход цемента на единицу прочности 8,8 кг/МПа. Изобразим схематично объемное содержание компонентов в этих двух бетонных смесях (рис. 2).
В бетоне с расходом цемента 500 кг/м3, имеющем повышенное объемное содержание суспензионной составляющей, удалось снизить В/Ц отношение до 0,35.
Важным показателем оценки удобоукладываемости является расстояние между зернами щебня, дающее представление о средней толщине цементно-песчаного раствора. Используя формулу из [10] для определения условного среднего расстояния S между поверхностями зерен щебня, расположенных в бетонной смеси (в геометрии кубической упаковки), определим S для бетона с расходом цемента 300 кг/м3:
■ ,"/7 ■:,,„ (1)
где dщ— средний диаметр зерен щебня; Сщ — объемная концентрация щебня, в долях единицы (1/0,463 = 2,16).
Принимая фракцию щебня 5—10 мм, а средний размер зерен 7,5 мм, расчетное расстояние между поверхностями будет 0,3 мм. При столь малом расстоянии, а, следовательно, малой толщине прослойки цементно-песчаного раствора, в которую не вмещаются частицы песка крупнее 0,3 мм, невозможно получить высокопластичную бетонную смесь из-за жесткого зацепления зернистых частиц песка и щебня между собой. Необходимо добавление воды с неизбежным понижением прочности.
Для бетонов с почти двукратным расходом цемента расстояние между поверхностями зерен щебня возросло до 0,63 мм, но бетонная смесь при этом не стала самоуплотняющейся, а имела осадку конуса 12 см. Это объясняется тем, что с расходом цемента 400—500 кг/м3 содержание водно-цементной суспензионной составляющей возрастает и появляется возможность получения пластичных бетонных смесей за счет увеличения прослойки дисперсной матрицы между частицами песка и прослойки раствора между зернами щебня. Однако получить саморастекающиеся, самонивелирующиеся и самоуплотняющиеся бетонные смеси по стандарту ASTM марок SF-1, SF-2, SF-3 невозможно без расслоения смеси и оседания щебня. Но для получения высокопрочных бетонов марок М1000—М1400 при расходе цемента 300—400 кг/м3 необходимо измене-
ние старой рецептуры бетонной смеси для кардинального повышения пластифицирующей способности СП. С появлением эффективных суперпластификаторов ученые-бетоноведы стремились в основном к экономии цемента за счет замены его дисперсными наполнителями из молотых горных пород в количестве от 10 до 30% при сохранении прочности бетонов.
Начиная с 1970 г. огромное количество исследований было направлено на изучение влияния дисперсных минеральных добавок к цементу на физико-технические свойства бетонов. Но замена части цемента дисперсными минеральными добавками не увеличивала объемного содержания водно-дисперсной составляющей. Даже исследования ученых по замене части цемента каменной мукой не могли быть реализованы в производстве из-за отсутствия дополнительных бункеров и дозаторов на бетоносмесительных узлах для введения порошкообразных добавок. Традиции проектирования бетоносмесительных узлов не изменились и после появления СП нового поколения. Даже установка на БСЦ одного дополнительного бункера для дозирования дисперсной добавки позволила бы следовать рекомендациям ученых изменять рецептуру бетонов, улучшать реологические свойства бетонных смесей при меньшем количестве воды с повышением прочности бетона. Поэтому не ученые-материаловеды диктовали концепцию производства бетонов с минеральными добавками, а цементные заводы, поставляя цементы с 10—20% тех добавок и из тех пород, какие были в наличии в сырьевом ассортименте региона. Но часто горные породы, которые были в регионе расположения цементных заводов, не позволяли получить пластифицированный бетон более высокого качества. Это касается цементов с добавками природных пуццоланов — опок, трепелов, диатомитов, глиежей, введенных в количестве 10—20% от массы цемента, особенно бетонов на пуццолановых цементах. Суперпластификаторы теряют свое действие в бетонах, если цементы содержат 10—20% и более природных высокопористых пуццоланов. С одной стороны, пуццоланические добавки решают положительную функцию, связывая известь-портландит в дополнительные цементирующие гидросиликаты, с другой — не позволяют существенно снизить содержание воды, пористость бетона и повысить его прочность. И негативный эффект существенно преобладает над позитивным. Поэтому вследствие невосприимчивости суперпластификаторов к высокопористым и высокодисперсным природным пуццоланам — диатомитам, трепелам, опокам, глиежам и т. п. они вряд ли будут в будущем использоваться в бетонах нового поколения.
Наиболее эффективной пуццоланической добавкой является стекловидный микрокремнезем, незначительно угнетающий действие суперпластификаторов в водных суспензиях в смеси с цементом. При дозировках 15—20% от массы цемента он незначительно понижает растекаемость цементно-микрокремнеземистых суспензий. Однако годовой выход микрокремнезема, как отхода производства ферросилиция составляет 150 тыс. т в год. И если его использовать в уникальных пластифицированных бетонах с прочностью 100—120 МПа, то объем такого бетона не превысит 3% от годового выпуска бетона в России. Белые сажи, нанометрические высокочистые аморфные кремнеземы с размерами частиц от 50 до 100 нм также не совершат революционных изменений в прочности бетонов нового поколения, как и природные пуццоланы. Они при дозировке более 5% от массы цемента угнетают действие суперпластификаторов. В этом небольшом количестве они будут добавляться для некоторого повышения прочности бетонов нового поколения. Пластифицированные бетонные смеси с МК, метака-олином, белой сажей — это более эффективные бетоны
переходного поколения с неизменной старой рецептурой сухих компонентов цемент—песок—щебень.
Из таких бетонов с МК и СП с расходом цемента 500 кг/м3 и прочностью 100 МПа были сооружены комплексы «Москва-Сити». Бетонные смеси были высокопластичными, полулитыми, но не соответствовали саморастекающимся смесям SF1, SF2, SF3 по ASTM. Высокая пластичность и саморастекаемость обеспечивается повышенным количеством цементных микрометрических частиц с соответствующим повышением объемного содержания водно-цементной суспензии до 35% от объема смеси. Для получения самоуплотняющейся бетонной смеси с осадкой конуса 270—280 мм достаточно добавления к цементу дополнительного значительного количества обычных микрометрических частиц из горных пород, которые поставляет нам природа в огромном количестве, и не обязательно реакционно-активных.
Необходимость такой модификации, как установлено автором с коллегами в экспериментальных работах (нашедших отражение более чем в 300 публикациях), подтверждается практической реализацией. Дисперсные горные породы, не являющиеся реологически активными в суспензиях с суперпластификаторами, становятся реологически-активными в цементных суспензиях за счет перезарядки поверхности.
В связи с этим щебеночные и песчаные бетоны нового поколения автор называет порошково-активирован-ными, так как содержание дисперсных наполнителей в них колеблется от 50 до 110% от массы цемента, чем обеспечивается высокое объемное содержание суспензионной составляющей, достигающей 50—55%. Задача состоит в том, чтобы дать возможность эффективно работать СП в бетонных смесях с высоким содержанием водно-дисперсной суспензии, близко к той эффективности по растекаемости, которая свойственна водно-дисперной микрометрической суспензи. Если такое количество дисперсных наполнителей ввести в бетон без суперпластификаторов, то бетонная смесь будет полусухой и потребует почти двукратного повышения количества воды для ее гравитационной растекаемости.
Естественно, что для получения порошково-акти-вированных бетонов нового поколения необходимо воспользоваться фундаментальными положениями физикохимии водно-дисперсных систем, преимущественно микрометрических (но не нананометрических) водных суспензий и их реологии. Нанометрические водные суспензии с частицами размером менее 100 нм никогда не могут быть основой создания ни цементных, ни гипсовых, ни шлаковых бетонов нового поколения вследствие невозможности получения высококонцентрированных суспензий с СП при малом В/Ц.
Достаточно проанализировать несколько экспериментальных примеров. Цементно-водные суспензии с поликарбоксилатным СП саморастекаются из конуса Хагерманна (диаметр верхнего и нижнего основания конуса 70 и 100 мм, высота 60 мм) до расплыва 300—350 мм при В/Ц=0,18. При добавлении к цементу всего 4% пи-рогенного кремнезема (аэросила) с 99%-м содержанием SiO2 и с размерами наночастиц 5—50 нм растекаемость суспензии уменьшается до 260 мм при увеличении В/Ц до 0,5. Водосодержание возрастает почти в три раза и действие закона высокого водоцементного отношения проявляется в понижении прочности бетона.
При добавлении к цементу 10% белой сажи с размерами первичных частиц 5—100 нм и вторичных частиц с размерами 3—100 мкм В/Ц возрастает до 0,3. О каких приоритетах нанотехнологий с добавлением наночастиц с масштабным уровнем 10—100 нм можно говорить?
Лишь микрометрические суспензии с частицами 1—100 мкм, с возможным присутствием тонкозерни-
стых микрометрических частиц 100-600 мкм и небольшого содержания частиц верхнего нанометрического уровня с размерами частиц от 200 до 1000 нм, в частности микрокремнезема, способны под действием суперпластификаторов ионогенного типа превращаться в высококонцентрированные. При этом объемная концентрация твердой фазы в порошково-активиро-ванных бетонах равна 65-70%, а в порошковых бетонах -78-80%. Такая концентрация при контактных условиях твердения цемента в стесненных условиях с омоноличиванием дисперсных и тонкозернистых горных пород обеспечивает высокую прочность бетона. Порошковые бетонные смеси при такой концентрации по характеру течения становятся квазиньютоновскими [11, 19]. Это основные закономерности физикохимии стабилизированных водно-дисперсных систем и их реологии в приложении к бетонным смесям. Используя данные положения, необходимо не только получить микрометрические суспензии цемента и порошков из горных пород, но и перевести их в высококонцентрированные, агрегативно-устойчивые при минимальном количестве воды. Для этого необходимо кардинально изменить рецептуру сухих компонентов в старых бетонах переходного поколения с наличием значительного количества микрометрической суспензионной составляющей. По объемному содержанию суспензионной водно-дисперсно-тонкозернистой составляющей в объеме су-перпластифицированных самоуплотняющихся бетонных смесей бетоны нового поколения можно классифицировать на три вида [13]:
- порошковые или реакционно-порошковые бетоны из суспензионных бетонных смесей, состоящих на 100% из водно-дисперно-тонкозернистой супензии;
- порошково-активированные песчаные бетоны с реакционно-активными дисперсными добавками (МК и др. или без них), бетонные смеси которых состоят из 75-85% водно-дисперсно-тонкозернистой суспензии;
- порошково-активированные щебеночные бетоны, бетонные смеси которых состоят из 45-50% водно-дисперсно-тонкозернистой суспензии.
С 2003-2004 г. автором развивалось направление суспензионно-наполненных щебеночных и песчаных по-рошково-активированных бетонов, отталкиваясь от реакционно-порошкового суспензионного бетона, исключив микрокремнезем. Это позволило превратить частично наномикрометрическую суспензионную составляющую с МК в микрометрическую (без МК) с понижением прочности в щебеночных бетонах, используя цемент СЕМ 52,5 до 130-140 МПа, а в песчаных, используя цемент СЕМ 42,5, до 110-120 МПа. Сам факт получения песчаных бесщебеночных бетонов с высокой прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью без реакционно-активных добавок МК, дегидратированного каолина, белой сажи, кремнегелей и т. п. знаменует торжество микромиллиметрических технологий песчаных бетонов с уменьшением гетерогенности в структуре их по сравнению с щебеночными.
Для увеличения суспензионной составляющей приняли к использованию очень тонкозернистые природные кварцевые пески или дробленые пески из горных пород фракции 0,16-0,63 мм, вводимые в бетон в большом количестве, и средние и крупные пески фракции 0,16-2,5 мм. Принятый фракционный состав 0,16-0,63 мм при получении тонких песков для экспериментов обусловлен российским ГОСТом на размеры сит для песков. Такие тонкозернистые пески нельзя использовать в традиционных бетонах в связи с большим перерасходом цемента. Месторождениями тонких и очень мелких песков обладают большинство регионов России. Горные дробленые пески могут быть получены из отсевов кам-недробления.
Рис. 3. Макро-, микро-, нано- и пикомасштабные компоненты бетона
Возвращаясь к объемному содержанию суспензионной составляющей в бетонах старого поколения, рассмотрим состав пластифицированного щебеночного бетона нового поколения с расходом цемента 319 кг/м3, с содержанием молотого кварцевого песка (ПМ) с удельной поверхностью 3300 см/г — 245 кг/м3; тонкого песка (ПТ) фракции 0,16—0,63 мм — 360 кг/м3; песка-заполнителя (ПЗ) фракции 0,63—5 мм — 510 кг/м3; щебня диабазового (Щ) фракции 5—10 мм — 1028 кг/м3; воды — 120 л., суперпластификатора МеШих 5581 — 2,8 кг/м3 (0,9% от цемента). Объемное содержание компонентов составит: Уц=102,9 л; Упм=92,4 л; Упт=135,8 л; Упз=192,4 л; Ущ=354,5 л. Масса бетонной смеси Мб с = 2462 кг, объем смеси = 998 л, плотность бетонной смеси = 2460 кг/м3. Объемное содержание водно-цементной суспензии в этом бетоне повысилось незначительно до 31,6% по сравнению с 25% в бетоне с расходом цемента 300 кг/м3. Но объемное содержание водно-цементно-тонкозернистой суспензии за счет добавления значительного количества тонкого песка возросло до 45,2%. При высоком содержании суспензионной составляющей, достигающей почти 50% от объема бетонной смеси с пониженным объемным количеством песка-заполнителя (19,2%) и щебня (35,5%), бетонная смесь становится самоуплотняющейся с осадкой конуса 25,5 см и расплывом 66,2 см. Это связано с увеличением среднего расстояния между зернами щебня до 1,08 мм, а также между грубыми частицами песка. Полученная прочность бетона на сжатие 131 МПа, более чем в четыре раза превышает прочность традиционного бетона, рассмотренного выше с расходом цемента 300 кг/м3. Прочность на растяжение при изгибе 12,3 МПа. Усадка через 180 сут 0,28 мм/м; водопоглощение по
массе 1,3%; морозостойкость 1000 циклов попеременного замораживания (при -50оС) — оттаивания без потери массы и прочности. Более высокие результаты получены при использовании всех компонентов из отдельных плотных известняков, обладающих, во-первых, высокой совместимостью почти со всеми СП, а во-вторых, служащих хорошими центрами кристаллизации из-за огромного количества габитусов кристаллов. Еще В. Гольдшмидт между 1913—1928 гг. в своем 16-томном труде «Атлас форм кристаллов» сообщил, что ему не удалось определить точное количество габитусов кристаллов у кальцита, так как их десятки тысяч. Чрезвычайно показателен тот факт, что у изготовленных автором самоуплотняющихся карбонатных бетонов, в которых все наполняющие компоненты получены из отсевов камнедробления известняка (известняковая мука, известняковый дробленый песок фракции 0,63 мм, дробленый песок-заполнитель фракции 0,63—2,5 мм) при содержании цемента класса СЕМ 52,5 в количестве 690—700 кг/м3, получена прочность 145 МПа.
Важно то, что для высокопрочных бетонов не нужны воздухововлекающие добавки, которые используются для повышения морозостойкости, как это требуется для традиционных бетонов. Это лишь один из примеров преимуществ микротехнологий бетона и его высокой функциональности.
Бетоны общестроительного назначения с невысокой прочностью от 25 до 40 МПа, изготовленные по микротехнологиям без добавления микрокремнезема и каких-либо нанодобавок также отличаются низким водопогло-щением, высокой морозостойкостью и высокой водонепроницаемостью.
научно-технический и производственный журнал
&
-^л^ГнД'-'Е® январь/февраль 2016 101
Бетоны всех видов, полученные по микротехнологиям без использования нанометрических добавок и реакционно-активного микрокремнезема, знаменуют торжество их над нанотехнологиями в бетоне. В прошедшей в мае 2014 г. III Всероссийской (II Mеждународной) конференции «Бетон и железобетон — взгляд в будущее» звучат утверждения ученых: «XXI век будет веком нано-технологий в производстве бетонов». Автор не полностью согласен с этим прогнозом. Если говорить о высоких достигнутых значениях прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, трещиностойкости, несущей способности без использования нанотехноло-гий, можно в альтернативу этим прогнозам сказать, что XXI в. будет прежде всего веком микротехнологий, которые мы не освоили в конце XX в. с появлением высокоэффективных суперпластификаторов. Разработанные микротехнологии, как для бетонов традиционных марок M100—M500, так и для высокопрочных бетонов марок до M1500 будут развиваться и переходить в микронано-технологии. Реакционно-активные микрокремнеземы, дегидратированные каолины, вулканические пеплы, а также белые сажи, гели кремниевой кислоты будут добавляться для повышения прочности в небольших количествах, не подавляющих действие суперпластификаторов из-за их сверхвысокой дисперсности.
Размерные компоненты бетонов, изготавливаемых по микро- и микронанотехнологиям, можно проследить от их пикомасштабного уровня до миллимасштабного уровня (рис. 3).
Высокие результаты будут достигнуты с использованием зол-уноса ТЭЦ. При использовании зол-уноса Kанско-Aчинского угольного бассейна коллективом во главе с автором получены композиционные цементно-зольные вяжущие, позволяющие уменьшать расход цемента в бетонах до 150—200 кг на 1 м3. При совместном домоле портландцемента и золы-уноса с оптимальным содержанием регулятора схватывания — гипса до удельной поверхности 5000 см2/г при соотношении зола:цемент (70:30)% получены плотные бетоны, изготовленные по микротехнологии с прочностью 90—100 M^.
Список литературы
1. Richard P., Cheyrezy M., Reactive Powder Concrete with High Ductility and 200-800 MРа Compressive Strength // SP-144: Concrete Technology: Past, Present, and Future (ACI). 1994, pp. 507-518.
2. Richard P., Cheyrezy M.H., Composition of reactive powder concrete // Cement and Concrete Research. 2001. Vol. 25. Is. 7, pp. 1501-1511.
3. Aitcin P-C., Lachemi M., Adeline R., Richard P. The Sherbooke Reactive Powder Concrete Footbridge // Journal of the International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE). 1998. No. 2. Vol 8, pp. 140-147.
4. Mировая премьера в Австрии — арочный мост из высокопрочного фибробетона. CPI. Международное бетонное производство. 2011. №. 11. С. 132—134.
5. Шуттер Г.Д. Самоуплотняющийся бетон: путь в будущее. CPI. Международное бетонное производство. 2013. № 5. С. 40—45.
6. Russell K.G., Georged. Application of High-Strenght Concrete in North America. Hoff Simposium on HighPerformance concrete and concrete for marine environment. Las Vegas. USA. May. 2004, pp. 1—16.
7. Schmidt M. Einsatz von UMPC bcim Bau der Geartnerplatzbruecke in Kassel. G-2007, pp. 72—80.
8. Borneman O., Schmidt M., Fehling E., Middendorf B. Ultra-Hoclleistungsbeton UHPC-Hersctellung, Eigenschaften und Anwendungsmoglichkeiten. Sonderdruck aus: Beton undstalbetondau 96. 2001. H. 7, S. 458—467.
Удельный расход цемента на единицу прочности составляет 1,5-2 кг/МПа [17].
Автором не отрицается существование реальных на-нотехнологий в бетонах, связанных с добавлением на-нометрических гидросиликатов кальция, синтезированных в Германии. На практике были получены модифицированные нанометрические гидросиликаты в суспензии [20], которые являются центрами кристаллизации и служат «родной» подложкой для кристаллизации вторичных гидросиликатов, выделяющихся из цемента. Реальных нанотехнологий в бетонах будет значительное количество, если проблема касается не существенного увеличения прочности, а получение иных функций бетона, ранее неизвестных. Это, например, «зеленые» технологии при введении нанометриче-ских частиц — катализаторов, например диоксида титана, для самоочищающихся поверхностей или для превращения вредных газов, например оксидов азота в полезные кислород и азот. Это флуоресцентные нано-метрические декоративные покрытия, нанометрические стеараты металлов для гидрофобизаторов и т. д.
В настоящее время в Европе более 60% бетона на заводах ЖБК и ДСК выпускаются самоуплотняющимися. В соответствии с нашими воззрениями совершенная гравитационная растекаемость обеспечивается дискретным расположением частиц трех-четырех размерных уровней. Это доказывается анализом трех условных реологических критериев для получения оптимизированных реологических матриц. В отличие от зарубежных ученых автором теоретически, по значениям условных реологических критериев, прогнозируется способность бетонных смесей к гравитационному растеканию [16].
Таким образом, в заключение можно повторить ранее сформулированный тезис: «Через рациональную реологию в будущее бетонов» [18]. Но реология, определяющая саморастекаемость бетонных смесей, не может быть реализована без оптимального состава и оптимизированной гранулометрии, составляющих ее твердых компонентов.
References
1. Richard P., Cheyrezy M., Reactive Powder Concrete with High Ductility and 200-800 МРа Compressive Strength. SP-144: Concrete Technology: Past, Present, and Future (ACI). 1994, pp. 507—518.
2. Richard P., Cheyrezy M.H. Composition of reactive powder concrete. Cement and Concrete Research. 2001. Vol. 25. Is. 7, pp. 1501—1511.
3. Aitcin P-C., Lachemi M., Adeline R., Richard P. The Sherbooke Reactive Powder Concrete Footbridge. Journal of the International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE). 1998. No. 2. Vol 8, pp. 140—147.
4. World premiere in Austria — arch bridge of high-strength fiber-reinforced concrete. SPI. Mezhdunarodnoe betonnoe proizvodstvo. 2011. No. 11, pp. 132—134. (In Russian).
5. Schutter G.D. Self-compacting concrete: the way of the future. SPI. Mezhdunarodnoe betonnoe proizvodstvo. 2013. No. 5, pp. 40—45. (In Russian).
6. Russell K.G., Georged. Application of High-strength Concrete in North America. Hojf Simposium on HighPerformance concrete and concrete for marine environment. Las Vegas. USA. May. 2004. pp. 1—16.
7. Schmidt M. Einsatz von UMPC bcim Bau der Geartnerplatzbruecke in Kassel. G-2007, pp. 72—80.
8. Borneman O., Schmidt M., Fehling E., Middendorf B. Ultra-Hoclleistungsbeton UHPC-Hersctellung, Eigenschaften und Anwendungsmoglichkeiten. Sonderdruck aus: Beton und stalbetondau 96. 2001. H. 7, S. 458—467.
9. Muller C., Sahroder P., Shlissl P. Hochleistungbeton mit Stlinkohlenflugasche. Essen VGB Fechmische Vereinigung Bundesverband Kraftwerksnelen produkte // Flugasche in Beton. 1998. Vortag 4. 25 seiten.
10. Калашников В.И. Высокопрочные и особовысоко-прочные бетоны и основные принципы их создания // Сборник статей научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». Пенза. 2008. С. 61—71.
11. Калашников В.И., Марусенцов В.Я., Черкасов В.Д., Калашников Д.В. К критериям реологической оценки агрегативной устойчивости высококонцентрированных дисперсных систем. Современные проблемы строительного материаловедения // Материалы Международной научно-технической конференции. Воронеж. 1999. С. 176-180.
12. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 59-61.
13. Калашников В.И., Ананьев С.В. Обеспечение оптимальной топологии самоуплотняющихся бетонных смесей для высокопрочных бетонов. «Научный потенциал мира-2008» // Материалы IV Международной научно-практической конференции. 2008. T. 9. С. 65-68. (http://www.rusnauka.com/18_NPM_2008/ Stroitelstvo/34516.doc.htm)
14. Калашников В.И., Кузнецов Ю.С., Ананьев С.В. и др. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. 1. Малоцементные бетоны с оптимальным соотношением молотых, очень мелких и средних песков в реологической матрице // Вестник отделения строительных наук. Москва-Иваново. 2010. Вып. 14. Т. 2. С. 27-29.
15. Калашников В.И., Архипов В.П., Ананьев С.В. Обеспечение оптимальной топологии самоуплотняющихся бетонных смесей для высокопрочных бетонов. Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов // Материалы международной научно-технической конференции. Пенза. 2009. С. 46-51.
16. Калашников В.И., Гуляева Е.В., Валиев Д.М., Володин В.М., Хвастунов А.В. Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 44-47.
17. Калашников В.И., Белякова Е.А., Тараканов О.В., Москвин Р.Н. Высокоэкономичный композиционный цемент с использованием золы-уноса // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 1. С. 24-29.
18. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Часть 1. Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона и экономия его в конструкциях; Часть 2. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения; Часть 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технология бетонов. 2007. № 5. С. 8-10; 2007. № 6. С. 8-11; 2008. № 1. С. 22-26.
19. Калашников В.И. Что такое порошково-активиро-ванные бетоны нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 2. С. 10-12.
20. Калашников В.И., Ерофеев В.Т., Мороз М.Н., Троянов И.Ю., Володин В.М., Суздальцев О.В. Наногидросиликатные технологии в производстве бетонов // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 88-91.
9. Muller C., Sahroder P., Shlissl P. Hochleistungbeton mit Stlinkohlenflugasche. Essen VGB Fechmische Vereinigung Bundesverband Kraftwerksnelen produkte. Flugasche in Beton. 1998. Vortag 4. 25 seiten.
10. Kalashnikov V.I. High-strength concretes and Ultra High-strength concretes - the main principles of their creation. Collected papers of scientific-technical conference «Composite construction materials. Theory and practice». Penza. 2008, pp. 61—71. (In Russian).
11. Kalashnikov V.I., Marucencev V.I., Cherkasov V.D., Kalashnikov D.V. Rheological criteria to evaluate aggregate stability of highly concentrated disperse systems. Modern problems in building materials: Materials of International scientific-technical conference. Voronezh. 1999, pp. 176-180. (In Russian).
12. Kalashnikov V.I., Ananyev S.V. High-strength concretes and ultra-high-strength concretes with dispersed reinforcement. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2009. No. 6, pp. 59-61. (In Russian).
13. Kalashnikov V.I., Ananyev S.V. Ensuring optimal topology of self-compacting concrete mixes for high strength concrete. «The scientific potential of the world — 2008»/ Materials of IV international scientific-practical conference. 2008. Vol. 9. pp. 65—68. (http://www. rusnauka.com/18_NPM_2008/Stroitelstvo/34516.doc. htm). (In Russian).
14. Kalashnikov V.I., Kuznetsov Yu.S., Ananyev S.V. Concretes of the new-generation with low specific consumption of cement per unit of strength. 1. Concretes with a low cement content with optimised milled, very fine and medium sands in rheological matrix. Bulletin of the Department of construction science. Moscow-Ivanovo. 2010. Is. 14. Vol. 2, pp. 27—29. (In Russian).
15. Kalashnikov V.I., Arkhipov V.P., Ananyev S.V. The optimal topology self-compacting concrete mixes for high strength concrete. New saving energy-high technologies in production of construction materials. Materials of international scientific-technical conference. Penza. 2009, pp. 46—51. (In Russian).
16. Kalashnikov V.I., Gulyaeva E.V., Valiev D.M., Volo-din V.M., Khastunov A.V. High-efficient powder-activated concretes of different functional purpose with use of superplasticizers. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2011. No. 11, pp. 44—47. (In Russian).
17. Kalashnikov V.I., Belyakova E.A., Tarakanov O.V., Moskvin R.N. High-efficiency composite cement using fly ash. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo. 2014. No. 1, pp. 24—29. (In Russian).
18. Kalashnikov V. I. Using rational rheology of concrete in the future. Part 1. Types of rheological matrices in the concrete mixes, the strategy of increasing the strength of the concrete and saving it in the construction; Part 2. Fine rheology of the matrix and powder concretes of new generation; Part 3. From high-strength concretes and ultra-high-strength concretes of the future to superplasticising concrete general purpose of the present. Tekhnologiya betonov. 2007. No. 5, pp. 8—10; 2007. No. 6, pp. 8—11; 2008. No. 1, pp. 22—26. (In Russian).
19. Kalashnikov V.I. What is a powder-activated concretes of new generation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 2, pp. 10—12. (In Russian).
20. Kalashnikov V.I., Erofeev V.T., Moroz M.N., Troja-nov I.Yu., Volodin V.M., Suzdaltsev O.V. Nanohydsili-cate technology in production of concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 88—91. (In Russian).
