Эффективные бетоны и технологии - перспектива их развития

Наиболее полно современные возможности технологии бетона получили в создании и производстве высококачественных, высокотехнологичных бетонов (High Performance Concrete, HPC). Под этим термином, принятым в 1993 году совместной рабочей группой ЕКБ/ФИП, объединены многокомпонентные бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, прочностью, долговечностью, адсорбционной способностью, низким коэффициентом диффузии и истираемостью, надежными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре, высокой химической стойкостью, бактерицидностью и стабильностью объема.
Высококачественные бетоны, приготавливаемые из высокоподвижных и литых бетонных смесей с ограниченным водосодержанием, имеют прочность на сжатие в возрасте двух суток 30-50 Мпа, в возрасте 28 суток 60-150 Мпа, морозостойкость F600 и выше, водонепроницаемость W12 и выше, водопоглощение менее 1-2 процентов по массе, истираемость не более 0,3-0,4 г/см2, регулируемые показатели деформативности, в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14-28 суток естественного твердения, высокую газонепроницаемость. В реальных условиях прогнозируемый срок службы такого бетона превышает 200 лет. Возможно получение и супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет, что подтверждается исследованиями японских ученых.
Разработка специальных цементов для особовысокопрочных бетонов и новые технологии открывают принципиально новые возможности синтеза прочности. Уже первые опыты по оптимизации гранулометрического состава вяжущих в начале 70-х годов выявили значительные резервы снижения водоцементного отношения и интенсификации реакций гидратации. Вслед за получением цементных камней с прочностью на сжатие свыше 250 Мпа были получены так называемые DSP-композиты (уплотненные системы, содержащие гомогенно распределенные ультрамалые частицы). Эти материалы, включающие специально подготовленные цементы, микрокремнезем, специальные заполнители и микроволокна, за счет специальных технологических приемов при В/Ц=0,12-0,22 позволяют достичь прочности 270 Мпа при высокой стойкости к коррозионным воздействиям и истиранию.
Пожалуй, нигде так ярко не проявляются многообразные свойства бетона, как в специальных бетонах. Здесь представлена вся палитра строительно-технических свойств: особовысокопрочные, особовысокоплотные, особобыстротвердеющие, кислото- и жаростойкие, радиоэкранирующие и радиоизолирующие, электропроводящие и многие другие.
С 1667 года, когда Сорель открыл вяжущие свойства оксихлорида магния, хорошо изучены бетоны на магнезиальных вяжущих. Их многие свойства лучше, чем у бетонов на портландцементе: они не требуют влажного хранения при твердении, обеспечивают очень высокую огнестойкость и низкую теплопроводность, хорошие износостойкость, прочность при сжатии и изгибе. Такие бетоны легко получить с различными видами заполнителей - как неорганических (известняк и мраморная крошка, асбест, песок, дробленый камень и гравий, каолин, гранулированные шлаки, сульфат магния и пигменты), так и органических (опилки, стружка, резиновый дробленый материал, отходы пластмасс и картонажного производства, льняная костра, битумы и т.д.). Магнезиальные бетоны характеризуются эластичностью, высокой ранней прочностью, легкостью, стойкостью к действию масел, смазок, лаков и красок, органических растворителей, щелочей и солей, включая сульфаты, они обладают бактерицидными свойствами.
Сегодня такие бетоны широко применяются в качестве материала для полов в зданиях индустриального, торгового и жилищного назначения, а также стяжек под полы из ковровых материалов и линолеума. Их используют в качестве изоляционных составов и адгезивов, при изготовлении художественных изделий, для специальных штукатурок и легкобетонных стен.
К сожалению, масштабы применения магнезиальных бетонов пока еще ограничены, поскольку они неустойчивы к действию воды, что проявляется в потере прочности при длительном водном хранении. Искусственный камень на основе оксихлорида магния нестоек и к действию некоторых кислот и солей и сам может вызывать коррозию стали и алюминия. Однако превосходные характеристики бетонов поддерживают постоянный интерес к этому материалу. Растет число исследований с целью повышения его водостойкости как за счет модифицирования вяжущего, так и за счет пропитки. Все это может оказаться не только легко осуществимым, но и экономически оправданным за счет широкого использования разнообразных отходов в качестве компонентов вяжущего и заполнителей, а также применения широко доступного и дешевого доломита как материала для замены каустического магнезита.
В последние десятилетия достигнуты значительные успехи в применении бетонов на фосфатных цементах. Благодаря очень коротким срокам схватывания их широко используют при ремонте многих объектов гражданского и промышленного строительства, прежде всего автострад, труб и сборных железобетонных изделий. Так, промышленно выпускаемые ремонтные составы на аммонийфосфатных цементах позволяют получать прочность на сжатие около 30 Мпа за 45 минут твердения, а бетоны на силикатно-фосфатных цементах схватываются за 30 минут и через 4 часа имеют прочность на сжатие свыше 50 Мпа.
Кислотостойкие бетоны обычно получают, используя в качестве связующего так называемое растворимое стекло - высоковязкий водный раствор силикатов натрия или калия с высоким силикатным модулем. Заполнители для таких бетонов должны обладать растворимостью в кислотах максимум 1 процент по массе, что прежде всего определяется их минералогическим составом и структурой. Как правило, используют плотные кварц, базальт или порфир, причем в отличие от цементных бетонов повышение доли тончайших фракций сказывается в высшей степени позитивно. Именно поэтому заполнители обычно содержат около 30 процентов частиц с крупностью меньше 0,25 мм. Растворимое стекло вводится при приготовлении бетона в количествах, необходимых для обеспечения нормальной удобоукладываемости (около 12 процентов). Иногда применяют порошкообразные отвердители для ускорения созревания (чаще всего фторсиликат натрия) и пластификаторы, поскольку перемешивание и уплотнение бетонных смесей весьма трудоемко.
Развитие атомной энергетики и необходимость надежной защиты персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения дали мощный стимул совершенствованию технологии бетона и созданию радиоэкранирующих бетонов. Защитное экранирование - главное средство, с помощью которого можно максимально снизить дозу, а бетон сегодня - наиболее широко применяемый экранирующий материал.
В принципе материал, конструкция и толщина защитных экранов определяются конкретными условиями работы ядерного реактора или источника радиоактивного излучения: энергией и характером излучения, продолжительностью работы и т. д. Если защита от а-излучающих источников и b-частиц, как правило, не вызывает больших затруднений, для g-излучения и особенно для нейтронных источников используется сложная система комбинированной защиты.
Наиболее существенными требованиями к радиоэкранирующим бетонам являются высокая плотность, однородность, стойкость при воздействии радиоактивного флюэнса, в том числе стойкость к тепловым воздействиям, газонепроницаемость.
Поскольку g-излучение лучше всего ослабляется материалами с высоким атомным номером и высокой плотностью, наиболее часто для экранирования применяют особотяжелые бетоны, в которых в качестве заполнителей используют магнетит, лимонит, барит, .металлический скрап и др.
В целях защиты от g-радиоактивного излучения используют и сверхособотяжелые бетоны. К их числу относится, например, разработанный CANMET (Канада) бетон на ильмените (удельная насыпная масса песка - 4,62, щебня - 4,76 т/м3) с объемной массой свыше 4000 кг/м3. Для обеспечения высокой однородности достаточно подвижной бетонной смеси (ОК=100 мм) используют повышенную дозировку суперпластификатора и увеличивают долю ильменитового песка (соотношение мелкий заполнитель: крупный заполнитель = 1,15). Объем вовлеченного воздуха не превышает при этом 3 процента.
Ярким примером развития технического прогресса являются разработанные в России и запатентованные бетоны на цементах (вяжущих) низкой водопотребности (ЦНВ, ВНВ).
ЦНВ получают по специальной технологии совместным помолом ингредиентов: клинкера или готового портландцемента и сухого модификатора, а также при необходимости активной минеральной добавки (золы-уноса, пуццоланы, шлака и т. п.) и/или наполнителя, а также гипсового камня (гипса). Механохимическая обработка позволяет усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: прочность цемента возрастает на 2-3 марки, а пластифицирующий эффект органического компонента модификатора увеличивается примерно в два раза. На практике это приводит к снижению водосодержания изопластичных бетонных смесей до 120-135 л/м3 и В/Ц до 0,25 -0,30 для подвижных смесей и до 0,20-0,25 - для жестких (под Ц здесь понимается расход вяжущего).
Заметным преимуществом применения бетонов на ЦНВ является снижение температуры изотермического прогрева или полный отказ от тепловой обработки. Так, при изготовлении объемных блоков из мелкозернистого бетона при температуре прогрева 35-50 0С выявлена возможность сокращения ТВО в два раза, причем проектная прочность достигалась уже в возрасте 1 суток, а в возрасте 28 суток фактическая прочность превышала проектную на 50-70 процентов и более.
Наряду с этим эффективность использования ЦНВ обусловлена снижением расхода вяжущего при изготовлении 1 м3 равнопрочных бетонов: коэффициент использования вяжущего, по данным промышленной апробации, составляет 1,7-2,4 для тяжелого бетона и 1,3-1,4 - для мелкозернистого (коэффициент использования портландцемента - 0,6-0,9, т. е. каждому килограмму расхода портландцемента соответствует 0,06-0,09 Мпа прочности бетона).
Особенность ЦНВ - многовариантность составов и соответственно свойств вяжущих, дающая возможность наиболее полно реализовать потенциал портландцементного клинкера в зависимости от конкретных требований, предъявляемых технологией производства и условиями эксплуатации бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Известно, например, что использование на практике принципов механохимической активации позволило получить вяжущие, качество которых при содержании в них 50-70 процентов минеральных добавок не уступает качеству цементов марок 500-600 (класса 45 по EN). При замене гипса в ЦНВ на химические регуляторы схватывания и твердения, а также с применением специальных добавок, понижающих точку замерзания воды в бетоне, получена широкая гамма вяжущих для ведения бетонных работ при отрицательных температурах. Наконец, особого внимания заслуживают полученные по технологии ЦНВ новые гипсовые, гипсоцементопуццолановые и пробужденные безклинкерные вяжущие, бетоны на которых характеризуются повышенными по сравнению с аналогичными традиционными бетонами прочностью и стойкостью при воздействии внешних факторов.
Важно при этом подчеркнуть, что все бетоны на ЦНВ отличаются значительно меньшей энергоемкостью, а с экологической точки зрения новая технология позволяет почти вдвое сократить выбросы промышленных газов в цементной промышленности и вовлечь в производство огромное количество разнообразных техногенных отходов.
В ближайшем будущем будет происходить постепенное замещение обычных традиционных бетонов многокомпонентными бетонами. Как уже отмечалось, в последних используются химические кодификаторы структуры, свойств и технологических характеристик бетона, в том числе комплексные модификаторы, включающие порой несколько десятков индивидуальных химических добавок, активные минеральные компоненты различной дисперсности (от 2000 до 25000 см2/г) и в ряде случаев композиционные вяжущие вещества, в том числе вяжущие низкой водопотребности, расширяющие добавки (неорганические и органические), дисперсные волокнистые наполнители (углеволокно, стекловолокно, полипропиленовая и кевларовая фибра, асбест, растительные волокна и т. д.), а также другие специальные компоненты. Многокомпонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять структурообразованием на всех этапах технологии и получать материалы с самым различным комплексом свойств.
Вместе с тем многокомпонентность системы повышает одновременно требования к дозированию материалов и перемешиванию бетонной смеси, так как часто требуется вводить модификатор (часто не один, а несколько) в очень небольших количествах и перемешивать высокодисперсные порошки (цемент + наполнитель) до получения однородной массы, что может быть обеспечено только за счет применения соответствующего оборудования.
Из различных видов бетона наиболее заметно в ближайшем будущем расширится применение мелкозернистого бетона. Этот вид бетона при правильно подобранном составе характеризуется высококачественной структурой и отличается высокой технологичностью, позволяя сравнительно просто изготавливать изделия как методом прессования с немедленной распалубкой, так и методом литья, что особенно удобно для монолитного домостроения, и, кроме того, он легко и эффективно модифицируется с помощью органоминеральных добавок, обеспечивая получение материалов с различным комплексом свойств. Его несомненным достоинством является использование дешевых местных песков, что позволяет снизить стоимость бетона на 15-25 процентов по сравнению с крупнозернистыми бетонами на щебне. Мелкозернистый бетон позволяет получать тонкостенные и слоистые конструкции, декоративный бетон и фибробетон, конструкции, в которых сочетаются различные материалы, конструкции и изделия переменной плотности, в том числе фильтрующие, а также использовать ряд других эффективных материалов и решений.
Следует ожидать также дальнейшего роста использования теплоизоляционных поробетонов, в том числе с эффективными пористыми заполнителями (полистиролом, вспученными перлитом и вермикулитом, легкими керамзитами) и армирующими волокнами. Варьируя вяжущие, порообразователи, активаторы твердения и различные защитные составы, можно получить изделия и ограждающие конструкции, эксплуатационные характеристики которых будут заметно превосходить характеристики лучших синтетических материалов с одновременным улучшением \"среды обитания\" и повышением срока службы зданий и сооружений.
С целью достижения наилучших результатов при производстве новых видов бетона, изделий и конструкций получит развитие интенсивная технология бетона. В ней будут использованы: механохимическая активация сырьевых смесей, скоростные турбулентные смесители, в том числе двухкамерные, баротермическое воздействие, электроимпульсные и волновые агрегаты, компьютерное управление технологией и качеством материала, пропитка готовых изделий и конструкций специальными глубоко проникающими и отверждающимися композициями, близкими по структуре и свойствам к бетону, использование новых материалов, полученных в результате развития нанотехнологий (например, наносиликатов с удельной поверхностью свыше 180000 см2/г вместо микрокремнезема), литье, каландирование и другие технологические приемы.
Ясно, что в перспективе применение на практике найдет вся гамма бетонов - от обычных традиционных до многокомпонентных и высококачественных. Однако постепенный переход к более эффективным видам бетона будет предопределен их более высоким качеством и соответственно большей конкурентоспособностью на строительном рынке, большими возможностями в создании новых видов конструкций, возведении зданий и сооружений, всемерным снижением эксплуатационных затрат и инвестиционных рисков при строительстве сложных инженерных объектов.
Высококачественный бетон в сочетании с другими эффективными бетонами позволит создать \"дом XXI века\", в котором высокопрочный каркас с долговечностью более 200 лет будет сочетаться с эффективными ограждающими конструкциями из суперлегкого и декоративного бетонов и с периодически обновляемыми инженерными сетями и отделкой, что даст возможность получить архитектурно выразительное, быстровозводимое и легко трансформируемое комфортабельное жилье, а также развить объекты социальной сферы, подземные \"мини-города\" и другие сооружения.
Для обеспечения строительства новым поколением строительных композитов и бетонов необходимо, в свою очередь, интенсифицировать развитие сопряженных отраслей промышленности: цементной - для создания и производства новых композиционных вяжущих, в том числе с уменьшенным содержанием клинкера, на безклинкерной основе, с применением гипса, извести, зол, шлака и других видов сырья; строительной химии - для создания и производства химических модификаторов различного назначения и расширяющих добавок, в том числе из техногенных отходов, ультрадисперсных активных минеральных наполнителей, ультрадисперсных волокнистых наполнителей, пигментов, смазок, клеев и других материалов; нерудной промышленности - для создания и производства новых видов заполнителей, в том числе суперлегких.
Российская Федерация обладает большими сырьевыми ресурсами для насыщения строительного рынка. Поэтому важно уделить особое внимание созданию отечественных производств в различных регионах, чтобы преодолеть сегодняшнее засилье зарубежных товаров, зачастую не учитывающих особенности российского потребителя. Как показывает мировой опыт, инвестиции в подобные производства быстро окупаются, а продукция является высокорентабельной. За рубежом, например, именно промышленность строительных материалов быстро развивает сегодня собственные производства по переработке различного химического сырья, вторичных продуктов металлургии, горнодобывающей и других отраслей промышленности и энергетики. Вновь разрабатываемые бетоны с повышенным содержанием гранулированного шлака, золы-уноса, золы рисовой шелухи, метакаолина, цеолитов, других активных минеральных добавок и техногенных отходов расширяют и без того безграничное поле применения этого удивительного материала, без которого трудно представить себе будущее строительства.