CC BY
84УДК 666.972.16
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Терминология науки о бетоне нового поколения
Под термином «бетон нового поколения» (БНП) следует понимать бетон высокой плотности с новой рецептурой и новым структурно-топологическим строением, которые обеспечивают низкий удельный расход цемента на единицу прочности (Ц^, кг/МПа), или высокую удельную прочность на единицу расхода цемента (Яуцд, МПа/кг). Это относится к бетону как низких классов прочности В30— В40, так и высоких — В140—В160. Для высокопластичного и самоуплотняющегося бетона новая рецептура сухих компонентов и структурно-топологическое строение обеспечивает в присутствии эффективных суперпластификаторов высокую объемную концентрацию твердой фазы, особые реологические свойства бетонной смеси и максимальное водоредуцирующее действие.
Малый удельный расход цемента, равный 2—5 кг/МПа, свойствен бетону нового поколения различного вида — реакционно-порошковому, мелкозернистому (песчаному) и щебеночному с тем отличием, что верхние значения ЦдД относятся к песчаному бетону. Концепция снижения расхода цемента в полной мере соответствует глобальной стратегии уменьшения эмиссии углекислого газа при производстве портландцемента, которая оценивается в количестве более 5% от всех выбросов СО2 в мире. При этом производство цемента постоянно наращивается высокими темпами, ориентируясь на бетон старого поколения.
Для того чтобы оценить степень снижения расхода цемента в бетоне, не уменьшая при этом, а повышая прочность, в таблице приведен расход цемента ПЦ500Д0, удельные расход цемента и прочность щебеночного бетона при сжатии, изготовленного из бетонной смеси подвижностью П1—П5.
Именно физико-технические свойства должны быть основной точкой контроля при разработке новых составов бетона, а не наноструктура цементного камня. Только высокие результаты, достигнутые на реальных составах бетона, а не в цементной суспензии или на бетоне с расходом цемента 1100—1200 кг/м3, определяют достоинства нанотехнологий и преимущество их перед бетоном нового поколения.
Все исследования углеродных нанодобавок, проведенные в бетонах старого поколения, не могут дать сколько-нибудь заметного эффекта из-за наличия огромного количества макро- и микродефектов, а также гидроксида кальция Са(ОН)2. Содержание последнего в бетоне в зависимости от количества С^ и С^ и основности обра-
зующихся гидросиликатов может варьировать от 25 до 30% массы цемента. Гидроксид кальция ухудшает водостойкость, коррозионную стойкость бетона. Никакие фуллерены, фуллероиды и астралены, взятые в ничтожном количестве 1—10 г/т бетонной смеси, не свяжут 20—30% Са(ОН)2 в дополнительное цементирующее соединение. Малые дозы фуллерена не избавят от существенного избытка воды затворения, следовательно, от существенной капиллярной пористости, пониженной коррозионной стойкости и трещиностойкости.
Имеет ли право нанобетон называться бетоном нового поколения? Да, но только в том случае, если в качестве нано- и микрометрических добавок будут использованы реакционно-химические нано- и микросиликатные компоненты при реализации их двух основных функций: высокой реологической активности пластификаторов в новой рецептуре бетона и химического взаимодействия кремнезема с портландитом.
Бетон нового поколения — это высокофункциональный бетон (ВФБ) по концепции High Performance Concrete (НРС). Концепция НРС была сформулирована в 1986 г. канадским ученым П.К. Айчином. Практическая реализация ее была осуществлена позже. Бетон прочностью 120—140 МПа из высокопластичных смесей начали использовать после 1990 г. [1—4]. За последние 15 лет произошел кардинальный прорыв в технологии бетона.
С учетом длительного твердения и протекающей во времени химической реакции портландита с реакционно-активной пуццолановой добавкой или микрокварцем (МК) капиллярная пористость постоянно уменьшается, а прочность повышается. Низкое водо-поглощение — важнейший фактор высокой солевой коррозионной, карбонизационной стойкости и водонепроницаемости. Высокая плотность бетона с коэффициентом самоуплотнения литых смесей и коэффициентом уплотнения от механических воздействий малопластичных и жестких смесей, равным 0,98—0,99, — основа высокой прочности при всех видах воздействия статических и динамических нагрузок, включая ударные.
Основное преимущество бетона, активированного минеральными порошками, состоит в том, что получен малоцементный щебеночый бетон с расходом цемента 320 кг/м3 и прочностью 130—140 МПа, с расходом цемента 500 кг/м3 и прочностью 150 МПа из бетонных смесей с осадкой конуса 20—22 см при В/Ц = 0,36—0,38
Ц, кг/м3 150 216 236 299 330 390 480* 480* 327 319 319 609**
Ясж, МПа 42 54 64 79 105 137 130 123 106 110 134 195
Ща, кг/МПа 3,57 3,72 3,68 3,75 3,14 2,84 3,69 3,9 3,08 2,9 2,38 3,12
Яуд, МПа/кг 0,28 0,28 0,27 0,27 0,32 0,35 0,27 0,26 0,32 0,34 0,42 0,32
Примечания: * Бетон без использования микрокремнезема. ** Мелкозернистый фибробетон компании Dyckerhоff на цементе Nanodur [1]. В испытаниях принимали участие И.Ю. Троянов, С.В. Ананьев, А.В. Хвастунов, В.М. Володин, Д.М. Валиев, Е.В. Гуляев.
ОтЯЙ> г: JbHU:
научно-технический и производственный журнал
март 2011 103
и В/Т = 0,048—0,05. Удельный расход цемента на единицу прочности составляет 2,38—2,46 кг/МПа. Удельная прочность 0,3—0,4 МПа/кг. Бетоны высокой прочности с ^сж = 120—130 МПа получены активацией молотым кварцевым песком без использования пуццолановых добавок.
Концепция получения такого бетона основана на существенном изменении состава и рецептуры бетона. Новые составы с суперпластификаторами (СП) должны прежде всего обеспечить полную реализацию реологического действия СП. Наибольшее реологическое действие проявляется в минеральных водно-дисперсных системах. Минеральные дисперсные системы в своем большинстве проявляют гидрофобное взаимодействие минеральных частиц с водой. Они агрегативно неустойчивы и захватывают в агрегатную структуру значительное количество воды в бетоне старого поколения.
Из основ физической химии следует, что в бетонной смеси необходимо иметь достаточное количество высококонцентрированной водно-дисперсной смеси (матрицы), которую с помощью пластификатора можно превратить из агрегативно-неустойчивой в агрегативно-устойчивую. При этом необходимо руководствоваться основным правилом: увеличение объема дисперсной фазы обеспечивается без увеличения расхода цемента, а добавлением порошкового наполнителя к цементу в количестве 40—70%, а в малоцементном бетоне — до 90—100%. [7] При таком высоком содержании дисперсного порошка, например молотого кварцевого песка, возрастает объем водно-цементно-минеральной смеси и достигается высокое разжижающее действие СП. При этом также необходимо руководствоваться предельными значениями объемной концентрации твердой фазы Су.:
/-Ч _ Утв
у У^+В'
где Утв — объем твердой фазы (цемента, молотого песка, тонкого песка, МК, песка-заполнителя, щебня); В — объем воды.
Причиной высокой прочности бетонов нового поколения является не только наличие порошковой составляющей. Для усиления действия СП в БНП должен быть тонкозернистый песок фракции 0,16—0,63 мм. Такой песок способен разжижаться пластификаторами в водной вытяжке цементного теста. Адсорбция (хемо-сорбция) катиона кальция на отрицательно-заряженных частицах кварца превращает поверхность в положительно заряженную.
Для повышения прочности используется микрокремнезем, который реологически неактивен или малоактивен в водной суспензии с СП, но склонен к перезарядке поверхности катионом кальция гидратирующего-ся цемента.
Высокая прочность и плотность бетона нового поколения, как и прочность и плотность бетона старого поколения, обязана строго подобранной гранулометрии заполнителей [8].
Таким образом, бетон нового поколения с СП должен кроме обычных компонентов обязательно содержать молотый порошок и тонкозернистый кварцевый песок или молотые плотный известняк, диабаз, гранит, базальт. И если в бетоне старого поколения при одинаковом по качеству щебне и песке для изменения прочности необходимо варьировать содержанием 4—5 компонентов, то в бетоне нового поколения необходимо варьировать содержанием 7—8 компонентов.
Появляющийся в результате воздухововлечения воздух, который, несмотря на очень малое содержание его, 2—4 об. %, играет более существенную роль в понижении прочности БНП, чем бетона старого поколения. Удаление 2% воздуха повышает прочность на 10—20%.
Каково же должно быть обозначение малоцементного бетона повышенной прочности с расходом цемента 150—250 кг/м3, высокопрочного с расходом цемента 300-500 кг/м3. Название должно соответствовать структурно-топологическому состоянию бетона и рецептурному содержанию в них тонкодисперсно-зернистой фазы. В ранних публикациях реологически-активный и реакционно-активный компоненты фигурировали в названии бетона. В связи с этим для песчаного бетона без МК, с МК и другими реакционно-активными компонентами (дегидратированный каолин, молотый обсидиан, кизельгур) ранее предлагались следующие названия: порошково-песчаный бетон - ППБ; реакционно-порошково-песчаный бетон — РППБ. Для щебеночных бетонов: порошково-щебеночный бетон — ПЩБ; реакционно-порошково-щебеночный бетон — РПЩБ.
Наличие очень тонкого песка фракции 0,1—0,6 мм в необходимом количестве в таких бетонах обязательно. Можно изготовить бетон без тонкого кварцевого песка фр. 0,1—0,6, но технико-экономические показатели становятся ниже. Нет необходимости добавлять тонкий песок только в том случае, если доля его в среднем и крупном песке достаточна. Поэтому использование тонких песков с модулем крупности Мк = 0,9—1,2, чрезвычайно распространенных во многих регионах и невостребованных в бетоне старого поколения, расширяет сырьевую базу песков. С другой стороны, содержание среднего и крупного песка в БНП уменьшается в 1,5—2 раза.
В особую группу высокопрочных и особовысоко-прочных бетонов входят самоуплотняющиеся порошковые бетоны (ПБ) и реакционно-порошковые бетоны (РПБ) классов по прочности В120—В140 и более. В них наиболее полно реализуется необходимая реология высококонцентрированных агрегативно-устойчивых дисперсных систем. Отсутствие зернистых и грубозернистых наполнителей позволяет снизить предельное напряжение сдвига бетонных смесей до 5—10 Па, а вязкость — до 20—30 Па-с при чрезвычайно низком содержании воды. Водотвердое отношение снижается до 0,08—0,09, а водоцементное — до 0,27—0,3. При этом объемная концентрация твердой фазы повышается до 78—81% при сохранении текучести. Высокий тиксо-тропный ресурс течения за счет медленного восстановления разрушенных коагуляционных связей способствует медленному растеканию смесей и самонивелированию дневной поверхности. В РПБ из жестких смесей, предназначенных для каландрования, объемная концентрация твердой фазы может достигать концентрации компактного щебеночного бетона старого поколения и составлять 84—85%.
Что касается терминов «порошковый» и «реакционно-порошковый» для характеристики дисперсных компонентов, то классификация их определяется, во-первых, способностью не связывать или связывать гидролизную известь в гидросиликаты кальция, а во-вторых, усилением реологических свойств цемента в композитной суспензии с СП. Реакция жестких и плотных стекловидных частиц МК протекает на поверхности и проходит в ионном растворе жидкой фазы, насыщенном ионами Са2+и ОН-. Самые тонкие частицы МК с нанометрическими размерами 50—100 нм превращаются в ионном растворе Са(ОН)2 в гидросиликаты в начальные сроки твердения. Присутствие активного кремнезема стимулирует гидратацию клинкерных минералов из-за постоянного удаления ионов Са2+и ОН-из жидкой фазы. Грубодисперсные микросферы МК будут обладать более длительной во времени реакционной активностью.
К какой категории отнести молотые кварцевые пески, граниты и базальты? Молотый кварцевый песок является генетически реакционно-активным по отно-
научно-технический и производственный журнал
шению к Ca(OH)2. Но его реакционная активность уступает по скорости плавленому МК вследствие более высокой удельной поверхности последнего и неупорядоченной структуры с высоким энтропийным фактором. Поэтому молотый кварцевый песок можно отнести к реакционно-активному с замедленной кинетикой гид-росиликатообразования.
Базальт наряду с темноцветными железистыми минералами (авгит, пироксен, эпидот и т. п.) и анортитом содержит до 30—40% реакционно-активных реолитовых стекол. Использование молотых базальтов в РПБ дает достаточно высокий позитивный результат, когда достигается прочность РПБ 140—150 МПа.
Гранит, имеющий светлоцветные минералы (плагиоклаз, ортоклаз) и не проявляющий заметной реакционной активности с известью в первые сроки твердения, содержит до 30—40% чистого кварца, участвующего в длительном гидросиликатном твердении. Старый бетон из снесенных зданий, размолотый до удельной поверхности Syn = 300—500 м2/кг, также обладает реакционной активностью. В связи с этим существуют известные трудности к отнесению порошковых бетонов с молотыми кварцевыми песками, базальтом к реакционно-порошковому бетону.
Практически реакционно-неактивными порошками по отношению к извести являются известняки, доломи-тизированные известняки и доломиты. Кальцит, по данным [9], может образовывать с C3S скоутит, но доля его очень мала, а прочностные показатели не изучены. С известью он может образовывать основные гидрокарбонаты кальция СаСО3пСа(ОН)2шН2О, но опыты свидетельствуют о чрезвычайно низкой прочности образцов, лишенных карбонизации. Важной особенностью кристаллической структуры кальцита является огромное количество габитусов кристаллов (несколько тысяч), обеспечивающих эпитаксиальное нарастание на них кристаллизующихся веществ разнообразной химико-минералогической природы. Поэтому бетон, изготовленный с каменной мукой из плотных и прочных известняков, может иметь прочность 120—130 МПа. Позитивное влияние известняковых заполнителей и молотых известняков отмечалось в бетоне старого поколения. Но в БНП высокая прочность обеспечивается не только эпитаксией, но и высокой реологической активностью отдельных тонкодисперсных известняков и доломи-тизированных известняков в суспензиях с СП. Поэтому бетон с известняковой мукой имеет высокое значение прочности и плотности, что позволяет отнести его к высокопрочному бетону нового поколения.
Классификация тонкодисперных компонентов в современном бетоне с разделением на 5 групп дана в [10]. В первую группу входят неактивные (инертные) компоненты. В стандартах DIN 206-1, DIN 206-2 из этих групп выделено два типа дополнительных компонентов:
— тип I: практически неактивные (инертные) мелкодисперсные компоненты;
— тип II: пуццолановые дополнительные компоненты
или дополнительные компоненты латентного действия.
Вряд ли можно согласиться с определением в [10] и немецких стандартах группы порошков как инертных. Здесь учитывается отсутствие реакционно-химической активности порошков по отношению к извести. Основой получения БНП является высокая реология бетонных смесей и наивысшее водоредуцирование. Поэтому ранее введено понятие функционального свойства порошков в смеси с цементом и СП — реологическая активность.
В связи с этим, чтобы избежать неопределенности с понятиями реологически-активный и реакционно -активный порошкообразный компонент, правильнее ис-
ключить эти свойства порошков из названия бетона. В названии любого бетона нового поколения должен присутствовать термин «порошково-активированный». С использованием этого термина все тяжелые бетоны можно расположить в зависимости от наличия в их составе наполнителей и заполнителей в следующий ряд по возрастанию их дисперсности и зернистости: порошковый (ПБ); порошково-активированный мелкозернистый (ПАМБ или ПАПБ); порошково-активированный щебеночный (ПАЩБ).
Такое название бетона с высокодисперсными наполнителями помимо общепринятых мелких заполнителей — песков и крупных заполнителей — щебня и гравия дает представление о наиболее ответственной за многофункциональность бетона порошковой реологической и реакционно-химической активации бетонных смесей. Такие термины могут показаться специалистам неожиданными и могут вызвать дискуссию.
В последнее время появляются публикации, в которых освещаются исследования бетона без [13, 14] и с [15, 16] молотыми дисперсными наполнителями из горных пород, вводимыми в малых количествах — 15—18% массы цемента, что далеко не реализует их высокие реологические свойства. При этом удельный расход цемента на единицу прочности остается достаточно высоким и составляет 7—8 кг/МПа. Близкая к правильной рецептура малощебеночного бетона опубликована в [17], в которой используется молотый кварц в количестве 50% массы цемента и достигнут удельный расход цемента Цд = 5,5 кг/МПа. Но не только минеральный дисперсный компонент определяет достижение цели. Для снижения Цуд в бетоне должен быть тонкозернистый, лучше кварцевый, наполнитель фр. 0,1 — 0,6 мм, который в совокупности со средней и крупной фракциями песка формирует реологически оптимальную гранулометрию дисперсно-зернистой фазы.
Удельный расход цемента — более информативный показатель, характеризующий не только экономическую эффективность, но и прогрессивность технологии, в которой использованы последние научно-технические достижения науки.
Маркировка бетона должна нести информацию о достигнутой прочности, марке и виде использованного портландцемента и его расходе на 1 м3 бетона, о консистенции использованной бетонной смеси, о виде и расходе использованной пуццолановой добавки.
Высокая информативность расширенной маркировки реализована при классификации различных цементов по Е^197. В ней указывается не только класс цемента, его номенклатура, вид и содержание добавок, но и кинетические особенности формирования прочности.
Таким образом, предлагаемый показатель удельного расхода цемента может быть представлен в высокоинформативном виде. Например, маркировка Щд7 = 4,5 (ПЦ500Д0П5) означает, что бетон с прочностью при сжатии 107 МПа был изготовлен из бетонной смеси подвижностью П5 на цементе ПЦ500Д0 с расходом 480 кг/м3. Или Щд5 = 3,4 (0,15МК ПЦ500Д0П5): бетон с прочностью при сжатии 145 МПа был изготовлен из бетонной смеси подвижностью П5 на цементе ПЦ500Д0 с расходом 493 кг/м3 с добавкой микрокремнезема 15% массы цемента. Из сравнения этих показателей следует, что вторая рецептура и технология соответствует прогрессивным достижениям науки в области бетоноведения.
В современной практике для бетона с МК принимают в качестве смешанного вяжущего смесь цемента и микрокремнезема (Ц + МК). Возможно, целесообразно использовать соответствующий показатель удельного расхода цементно-микрокремнеземистого вяжущего, например (Ц + 0,1 МК) Луд, с последующей характеристикой марки цемента и марки бетонной смеси. Для фиб-робетонов в характеристике удельного расхода должен
г: JbHU:
научно-технический и производственный журнал
март 2011 105
быть указан коэффициент армирования. Для таких бетонов важно ввести показатель удельного расхода цемента на единицу прочности бетона при растяжении и изгибе.
На современном этапе нормирование бетонной смеси по пластичности уже устарело. Необходимо классифицировать высокоподвижные смеси с осадкой конуса более 20 см с учетом появления самоуплотняющихся бетонных смесей, по аналогии с немецкими или американскими нормативными документами, приняв за основу градацию растекаемости смесей из обратного конуса. Полезно ввести три марки растекаемости бетонных смесей начиная от расплыва 240 до 285 см.
Новая классификация позволит ввести в единую систему многие виды бетона, по их названию определять используемые виды дисперсных и зернистых микронаполнителей, мелких и крупных заполнителей. Введение высокоинформативного показателя удельного расхода цемента позволит установить значение прочности, рео-технологичного показателя, вид цемента и его расход на 1 м3 бетона. Сопоставление этих показателей в практике и научных исследованиях будет служить основанием для практиков и ученых уйти от высокозатратных, неэкономичных составов бетона, от изучения эффективных суперпластификаторов в бетоне старого поколения, в котором их реологическая эффективность чрезвычайно низка. Необходимо уйти от изобретательства слабых и умеренных суперпластификаторов, ненужной активации крупного заполнителя растворами сульфатных и хло-ридных электролитов вместо простой промывки щебня, незначительной экономии цемента на 8—12% вместо двукратной или повышения прочности на 10—20% на старых 4-компонентных составах бетона вместо двукратного — на бетонах нового поколения.
Ключевые слова: бетон, активация порошками, структурно-топологический, удельный расход цемента, реакционно-химический, реологическая активность.
Список литературы
1. Дейзе Т., Хорнунг О., Мёльман М. Переход с технологии Микродур к технологии Нанодур. Применение стандартных цементов в практике бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами II Бетонный завод. № 3. 2009. С. 4-11.
2. Aitcin P.C. Richard P. The redestrian bikeway bridge of Sherbrooke: In 4 th International Simposium of Utilization of High-Strength, High-Performance Concrete. Paris. 1966. Р. 1399-1406.
3. De Larrard, Corse J.F., Puch С. Comparative study of Various Silica Fumes as Additives: In High-Performance Cementitious Materials. Materials et Structures. RJTEM. Vol. 25. 1992. S. 265-272.
4. Possi P. High Performance Fibre Reinforced Concretes (HPFRC). PPMJPAO course on cement: Based Composites for Building Industri, Leeuwenhort Congress Center, Holland, Januar. 1999.
5. Bornemann R., Fehling E. Ultrahochfester Beton -Entwicklung und Verhalten: 10 Lcipzider Massivbau Seminar. 2000. S. 1-5.
6. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов II Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102-107.
7. Калашников В.И., Ананьев С.В., Хвастунов В.Л., Мороз М.Н. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности II Вестник отделения строительных наук. 2010. Вып. 14. Т. 2. С. 27-32.
8. Калашников В.И. Через рациональную реологию - в будущее бетонов II Технологии бетонов. 2007. № 5. С. 8-10; № 6. С. 8-11; 2008. № 1. С. 22-26.
9. Одлер И., Скальныя Я., Бруняуэр С. Свойства системы клинкер-лигносульфонат—карбонат: Шестой международный конгресс по химии цемента. М.: Стройиздат, 1976. Т. 2. Кн. 2. С. 30-32.
10. Kampen R. Betonzusatze, Zusatzmittel und Zusatzstoffe // Zementmerkblatt Betontechnik, Verein Deutscher Zementwerke. 2005.
11. DIN EN 206-1 Norm, 2001-07. Beton - Teil 1: Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat. Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Beuth Verlag. Berlin.
12. DIN 1045-2 Norm, 2001-07. Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton — Teil 2: Beton; Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat; Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1. Beuth Verlag. Berlin.
13. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние некоторых гиперпластификаторов на свойства цементных композиций // Строит. материалы. 2010. № 11. С. 14—17.
14. Вовк А.И. Добавки на основе сополимеров нафта-линсульфокислоты: теория и практика использования // Технологии бетонов. 2010. № 10—12.
15. Салл М., Рыбинцева Е.С., Ткаченко Г.А. Мелкозернистые бетоны с органоминеральной добавкой для дорожного строительства // Строит. материалы. 2009. № 7. С. 18—20.
16. Рыжов И.Н. Опыт производства и применения высокоподвижного бетона в Санкт-Петербурге // International Concrete Conference & Exhibition Russia. 2008. С. 10—13.
17. Алимов В.А., Воронин В.В., Коровяков В.Ф. Перспективы производства эффективных малощебеночных бетонов // Технологии бетонов. 2010. № 11—12. С. 40—41.
18. Ваучский М.Н., Дудурич Б.Б. Высокопрочный бы-стротвердеющий строительный раствор для аварийно-восстановительных работ // Строит. материалы. 2009. № 10. С. 20—22.
научно-технический и производственный журнал
Q-J'r'lUrïiJkirJLitË
