Л.А.МАЛИНИНА, В.Г.БАТРАКОВ, доктора техн. наук, профессора (НИИЖБ), Бетоноведение: настоящее и будущее
Ушедшее столетие в области строительства характеризовалось стремительно растущим применением цементных бетонов, ставшими одними из основных строительных материалов для различных видов капитального строительства (гражданского, промышленного, гидротехнического, дорожного и т.д.). Бетон является практически универсальным строительным материалом с широчайшей гаммой различных физико-технических и физических характеристик, значение которых на протяжение всего столетия повышалось. К примеру, динамика роста максимальной прочности тяжелого бетона (в МПа) такова: 1913 г.-30, 1940 г.-до 40,1960 г.-50-60,2000 г. - до 100, увеличились значения среднестатической прочности.
В настоящее время в различных технически развитых странах (США, Норвегия, Япония и т.д., а также в России) разработаны составы и технологии изготовления бетонов прочностью выше 100 МПа. Такие бетоны применяются при возведении уникальных, особо ответственных зданий и сооружений: небоскребов, большепролетных мостов и т.п.
Если в начале прошлого столетия основным видом бетона был классический тяжелый и незначительное количество облегченного, изготовляемого на природных легких заполнителях, то в настоящий период в наличии у строителей имеется множество бетонов разного функционального назначения: легкие различных видов, ячеистые, жаростойкие и огнестойкие, поглощающие или экранирующие радиоактивные излучения, биоцидные и др. Среди широкой гаммы бетонов тяжелые являются наиболее массовыми, их объем составляет порядка 70% общего выпуска всех видов бетонов.
Технический прогресс в бетоноведении в значительной мере связан с цементной промышленностью. За истекшее столетие проводились систематические исследования по созданию различных видов цементов, повышению их активности. Цементной промышленностью освоено и выпускается более 30 разновидностей цементов, из них более 80% общестроительного назначения по ГОСТ 10178. Созданы и освоены промышленностью расширяющиеся, безусадочные и напрягающие цементы, разработаны новые виды цементов ЦНВ, ТМЦ и др. В 1997 г. в России было произведено 26-28 млн.т цемента, что значительно меньше, чем в 1991 г. (87 млн. т). Однако в последние годы выпуск цемента постепенно увеличивался и составил ориентировочно в 2000 г. 32 млн.т, в 2001 г. - 36 млн.т, а в 2002 г. было выпущено порядка 40 млн.т.
Изменилась номенклатура выпускаемых цементов. Если ранее (в СССР) в основном изготовляли портландцементы с активными минеральными добавками, шлакопортландцементы и очень незначителен был выпуск бездобавочных портландцементов, то в последнее десятилетие объем последних резко возрос.
Наряду с эволюционным развитием, в технологии цемента и бетона в результате общего технического прогресса в науке и технике в XX веке были периоды создания отдельных приемов (открытий), ставивших бетоноведение на новую качественную ступень, когда максимальные значения прочности бетона опережали достигнутые на тот же период максимальные значения прочности цемента. К ним относятся:
- применение вибрирования смесей взамен трамбования и литья (30-е годы);
- жесткие смеси;
- применение поверхностно-активных веществ (30-40-е годы);
- создание суперпластификаторов и комплексных модификаторов, поднявших бетоны с их применением на новую качественную ступень (70-80-е годы).
Эти технологические приемы в сочетании с повышением активности цементов позволили в несколько раз поднять среднюю и максимальную прочность бетона.
Бетоны на основе клинкерных цементов для многих конструкций и видов строительства сохранят свое приоритетное значение в ближайшие десятилетия не только в России, но и в мире. В то же время основным направлением в производстве цементов станет повышение их активности (классов, марок) и темпов твердения в начальные сроки. Существенное внимание уделяется созданию и производству многокомпонентных цементов за счет повышенного содержания в них минеральных добавок различного генезиса, что связано со снижением энергозатрат и возможностью утилизации крупнотоннажных отходов различных производств.
Эти направления отражены в европейском стандарте EN 197-1, на который переходит и Россия. Этим стандартом предусматривается пять видов цемента.
I - включает портландцемент бездобавочный или с содержанием различных добавок до 5%.
II - портландцемент с минеральными добавками гранулированного шлака, пуццоланы, золы-уноса, нефелинового шлама и известняка от 6 до 20%.
III - шлакопортландцементы с содержанием доменного или электротермофосфорного шлака от 21 % до 65%.
IV - пуццолановый цемент с содержанием добавок от 21 до 35% (пуццолана, зола-унос, глинежи или обожженный сланец).
V - композиционный цемент с содержанием добавок различных видов от 21 до 60%.
Ассортимент цементов по EN 197-1, по сравнению с ныне действующим ГОСТ 10178, значительно расширен в направлении количественного содержания минеральных добавок и их видов.
Согласно EN197-1, цементы по прочности на сжатие в МПа подразделяются на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5 при испытании по европейскому стандарту EN 196-1. По этому стандарту испытания цементов осуществляются на полифракционном песке при постоянном В/Ц=0,5.
С 1 марта 2002 г. введен в действие новый стандарт на методы испытаний цемента - ГОСТ 30744- 2001, гармонизированный с европейским стандартом EN 196-1 как первая стадия подготовки к переходу на требования к цементу по европейскому стандарту EN 197- 1:2000.
В соответствии с постановлением Госстроя России новый стандарт на методы испытаний цемента будет применяться параллельно с действующим ГОСТ 310.1 - ГОСТ 310.4. Новый ГОСТ 30744 должен использоваться в случае, если предусмотрена поставка цемента по EN 197- 1, а ГОСТ 310 - при поставках по действующим российским стандартам. Решение об использовании того или иного метода испытаний принимает само предприятие в зависимости от заключенных контрактов на поставку цемента. Предполагается, что стандарт EN 197-1 будет действовать параллельно с ГОСТ 10178-85. В дальнейшем после накопления достаточного опыта как цементными заводами, так и потребителями цемента, ныне действующие ГОСТ 310.1 -310.4 и ГОСТ 10178 должны быть отменены [1].
По данным, полученным фирмой “Цемискон", соотношение результатов испытаний по EN 196-1 и ГОСТ 310.4 зависит от активности цемента. Чем выше активность при испытаниях по ГОСТ 310.4, тем больше в среднем указанное соотношение, т.е. для высокомарочных цементов разрыв между результатами испытаний по EN196-1 и ГОСТ 10178 сокращается, для низкомарочных, наоборот, возрастает [1].
Наряду с массовым производством и применением цементов общестроительного назначения ожидается увеличение цементов специального назначения: сульфатостойких, дорожных, декоративных, различных видов расширяющихся цементов (безусадочных, напрягающих с различной энергией напряжения и т.п.), поскольку на их основе можно получать бетоны высокой плотности, прочности и долговечности, потребность в которых постоянно растет. НИИЖБом разработана технология получения безусадочных, высокоплотных бетонов на обычных портландцементах путем введения в их составы специальных расширяющихся добавок, что позволяет удешевить их и увеличить объемы производства.
В связи с относительно высокой стоимостью портландцемента, а также наблюдаемым ростом выпуска мелкоштучных изделий для малоэтажного строительства (стеновых блоков, камней и т.д.) необходимо рассмотреть вопрос производства малоклинкерных вяжущих и бетонов на базе использования местных техногенных отходов. Эта проблема, которой уделялось серьезное внимание в 40-50 г. прошлого столетия в период постоянного дефицита цемента в б. СССР, и в настоящее время стоит достаточно остро не только в экономическом, но и в экологическом аспектах - как и прежде, необходимы утилизация крупнотоннажных отходов, сохранение природного минерального сырья и т.д.
Многие техногенные отходы (золы, шлаки и т.д.) наряду с основообразующими оксидами (Si02, Al203 CaO, Fe203) содержат малые примеси, в состав которых входят токсичные элементы, в основном тяжелые металлы (кадмий, кобальт, хром, ртуть, свинец и др.).Отходы могут иметь повышенную радиоактивность. Проблема радиоактивности строительных материалов была практически решена с выходом ГОСТ 30108, в котором приведены методы и критерии оценки этого показателя.
Исследования, проведенные НИИЖБом и НИИЭЧГОС, показали, что опасно не наличие того или иного токсичного элемента в отходе, а опасны соединения, в которых этот элемент находится, и его растворимость в различных средах. В щелочных средах многие токсичные элементы образуют малорастворимые гидраты, и по отношению к ним высокощелочная среда с рН>12, образующаяся при твердении портландцемента, является детоксикантом. Поэтому одним из условий получения экологически чистых бетонов на отходоемких малоклинкерных вяжущих является обязательное наличие в них некоторого количества портландцемента (до 20%) или извести, обеспечивающих получение высокощелочной среды в бетонах.
Производство таких вяжущих может быть осуществлено на установках в виде товарного продукта или готовых изделий на его основе с применением последних достижений в области химии вяжущих и технологии бетонов (механохимическая активизация, применение комплексных модификаторов и т.п.).
В ближайшие десятилетия можно ожидать дальнейшего увеличения производства мелкозернистых бетонов в связи с растущим потреблением дорожных прессованных изделий: плит, бордюрных камней, а также стеновых блоков различных видов, при производстве которых применение мелкозернистых бетонов наиболее эффективно.
СНиП 2.03.01-84 “Бетонные и железобетонные конструкции” рассматривает мелкозернистые бетоны как разновидность обычного бетона. В этом документе приведены основные физико-технические характеристики, что позволяет расширить номенклатуру железобетонных конструкций, особенно в регионах страны с дефицитом крупного заполнителя.
Следует отметить, что по физико-техническим характеристикам мелкозернистые бетоны несколько отличаются от обычных бетонов с крупным заполнителем: такие свойства, как морозостойкость, призменная прочность, прочность при изгибе и растяжении для равных классов бетонов по прочности на сжатие у мелкозернистых бетонов выше при меньшей плотности бетона; однако мелкозернистый бетон имеет большие значения усадки и ползучести.
Развитие производства мелкозернистых бетонов в б. СССР сдерживалось в основном из-за необходимости более высоких расходов цемента (на 100-200 кг/м3) при дефиците цемента в стране, а государственной технической политикой в области строительства были директивные указания по всемерной экономии цемента. В настоящее время основным показателем эффективности производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций является их стоимость, и поэтому применение мелкозернистых бетонов, взамен обычных, может быть вполне оправданным.
Крупнейшим достижением в бетоноведении прошлого столетия стало применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) и комплексных модификаторов.
В 40-50-е годы в бетоны вводили пластификаторы, типичные представители ПАВ, в своем большинстве представляющие отходы и побочные продукты промышленности. В этот период в СССР использовались в основном технические лигносульфонаты в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Начиная с 1949 г. по настоящее время с применением лигносульфонатов уложено более 2 млрд.м3 монолитного бетона и железобетона и произведено более 100 млн.т пластифицированного цемента. В сборном железобетоне использовали в основном комплексы на основе ЛСТ и электролитов, что позволило сократить расход цемента, повысить качество и долговечность конструкций зданий и сооружений.
В эти же годы в ряде областей строительства начали успешно применяться модификаторы воздухововлекающего действия. Впервые они были использованы в дорожном строительстве как средство существенного повышения долговечности бетонного покрытия дорог в суровых климатических условиях. Такие модификаторы успешно применяются в различных областях строительства и в настоящее время.
С конца 50-х годов В. М. Москвиным и В. Г. Батраковым развивалось новое направление, связанное с разработкой модификаторов на основе кремнийорганических соединений для повышения стойкости бетона и исключения вторичной защиты железобетонных конструкций. Комплекс выполненных работ обеспечил создание ряда документов по проектированию бетонов высокой коррозионной стойкости и морозостойкости.
В основе дальнейшего развития работ в области направленного регулирования свойств цементных систем лежат установленные закономерности изменения свойств бетонных смесей и получения бетонов заданных строительно-технических свойств в зависимости от строения модификаторов. Работы включали синтез модификаторов заданного состава и строения, физико-химический анализ, изучение особенностей их взаимодействия с минералами портландцемента и их влияния на свойства цементных систем, анализ полученных результатов с учетом фундаментальных закономерностей физической и коллоидной химии, механизма гидратации вяжущих материалов и формирования гидратационных структур твердения.
Выявление взаимосвязи строения и свойств модификаторов и их влияние на технологические свойства бетонных смесей и строительно-технические свойства бетона позволили обоснованно подойти к созданию отечественных суперпластификаторов (СП). В конце 70-х годов в содружестве с учеными институтов Минхимпрома СССР - НИИПИ и НИИОПиК были разработаны различные СП для разжижения бетонных смесей, а с 1978 г. было начато их промышленное производство. Применение СП позволило в несколько раз снизить трудоемкость формования, в ряде случаев полностью исключить вибрацию или заменить ее на кратковременное встряхивание, на треть сократить расход энергии и до 25%-расход цемента. Большие возможности регулирования водопотребности бетонной смеси обеспечили получение высокопрочных бетонов без наращивания объемов выпуска энергоемких цементов марок 550 и 600, значительно расширилась область применения шлакопортландцементов и пуццолановых портландцемен- тов. Наибольшее распространение в стране получил суперпластификатор С-3 на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида. Создание и освоение промышленного выпуска СП позволили успешно решить проблему получения группы специальных вяжущих с пониженным содержанием клинкера и высокими строительно-техническими свойствами (ЦНВиТМЦ).
В последние годы отмечается значительное возрастание интереса к использованию в качестве модификаторов бетона различных отходов и побочных продуктов промышленности: минеральных удобрений, лесохимической, нефтеперерабатывающей, металлургической и некоторых других. Причины, по которым этот путь представляется перспективным и будет актуальным и в дальнейшем, определяются тем, что в результате решаются не только технико-экономические, но часто и весьма острые экологические вопросы. Правда, без дополнительной химической переработки отходов, как правило, не удается получать высокоэффективные модификаторы. Это обусловлено как нестабильностью состава отходов, так и наличием в их составе примесей, роль которых нередко оказывается ощутимой и далеко не всегда положительной. Более перспективным кажется путь химической переработки крупнотоннажных отходов производств, довольно стабильных по составу.
Дальнейшее повышение эффективности модификаторов будет достигнуто созданием комплексов, содержащих несколько компонентов для одновременного улучшения технологических свойств бетонной смеси, физико-технических свойств бетона и его долговечности.
Применение комплексных модификаторов (ПФМ) является шагом вперед в технологии бетона. Наиболее широко распространенный тип комплексного полифункционального модификатора по своему вещественному составу состоит из пластификатора (суперпластификатора), регулятора процесса структурообразования бетонных смесей и структурообразующего компонента микропеногазообразующего действия, а также, возможно, и специальных компонентов. Состав ПФМ "проектируется" таким образом, чтобы компоненты усиливали эффект, обеспечиваемый каждым из них в отдельности применительно к конкретным условиях эксплуатации конструкций и сооружений.
Многие модификаторы (как индивидуальные, так и комплексные) поставляются строителям в жидком виде в железнодорожных цистернах, что осложняет их прием и хранение и не позволяет применять при небольших объемах работ.
В НИИЖБе разработан способ совмещения органических соединений, в том числе кремнийорганических олигомеров, с электролитами- ускорителями твердения бетона и получения комплексных модификаторов в виде прошкообразного водорастворимого или водоразбавляемого продукта. ПФМ этого типа обладают полифункциональными свойствами: пластифицируют бетонную смесь, повышают морозо- и коррозионную стойкость, а также плотность бетона различных составов и условий твердения с использованием портландцементов разного минералогического и вещественного состава, снижают его проницаемость, повышают защитные свойства бетона по отношению к арматуре, регулируют скорость твердения бетона и повышают его конечную прочность.
В конце 80-х в НИИЖБе были начаты работы по созданию комплексных модификаторов многоцелевого назначения с использованием микрокремнезема. Разработаны комплексные модификаторы нового поколения на органоминеральной основе (торговая марка “Модификатор бетона МБ-01 ”) - порошкообразный продукт, содержащий микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения. С его применением созданы бетоны высоких эксплуатационных свойств, в том числе из бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции на обычном портландцементе марки 400 при расходе до 500 кг/м3 и обычных заполнителях из твердых пород.
При этом достигаются следующие эффекты.
- получение бетона класса по прочности на сжатие В60 и выше;
- повышение водонепроницаемости бетонов до марки W16 и выше;
- повышение коррозионной стойкости (к сульфатной, хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот при рН>3) и морозостойкости (F>1000);
- улучшение перекачиваемости и сохраняемости бетонных смесей, повышение их стабилизирующих и водоудерживающих свойств,
В настоящее время организовано производство новых разновидностей органоминерального модификатора серии МБ-С, в котором до 90% микрокремнезема замещено золой-уноса.
Новым перспективным направлением разработки ПФМ повышенных потребительских свойств, которое в настоящее время развивается в институте, является модифицирование суперпластификаторов посредством введения в их состав фрагментов иной природы. Исследования подтвердили широкие возможности химического модифицирования олигомеров и направленного изменения таким образом свойств цементных систем. Показано, что модифицирование цементных систем соединениями олигомерно-полимерного ряда различного состава и строения позволяет регулировать процессы гидратации и структурообразования клинкерных минералов и портландцемента, технологические свойства бетонной смеси и физико-технические свойства бетона, в том числе его долго- вечность. Регулирование этих свойств существенно зависит от структуры вводимых соединений, наличия и вида функционально активных групп и радикалов, их расположения в молекуле, длины цепи, молекулярной массы. На этой основе разработаны модифицированные суперпластификаторы многоцелевого назначения. К их числу относятся разработанные в последние годы модификаторы нового поколения пластифицирующе-стабилизирующего действия на основе полиакрилатов. Эффективность их действия выражается в сравнительно низких оптимальных дозировках, пониженной чувствительности к виду и составу цемента, длительном сохранении первоначальной консистенции бетонной смеси, ее повышенной связности - нерасслаиваемости. Это открывает новые возможности регулирования как технологических свойств бетонной смеси, так и важнейших физико-технических свойств бетонов с учетом технологии строительных работ и последующих условий эксплуатации конструкций и сооружений.
Разработан ряд нормативных документов по модификаторам цементных систем. ГОСТ 24211-91 “Добавки для бетонов. Общие технические требования” (взамен ГОСТ 24211 - 80) выделяет четыре основных класса модификаторов, позволяющих экономить цемент, регулировать процессы схватывания, создавать бетоны повышенной прочности, стойкости, сниженной проницаемости и бетон со специальными свойствами.
Следует отметить важность развития работ в области разработки модификаторов водоудерживающего и стабилизирующего действия. Потребность в них остро ощущается при производстве сухих растворных смесей различного назаначения на заводах, а также при подводном и подземном бетонировании, при применении бетононасосной техники и технологии бетонирования нагнетанием. Стабилизирующие модификаторы позволяют резко улучшить качество бетонных смесей и бетона, в которых ожидаются высокие скорости сегрегации заполнителей (легких - за счет всплытия, тяжелых - за счет седиментации) и водоотделения.
Актуальной является проблема разработки эффективных пластификаторов путем модифицирования технических лигносульфонатов — крупнотоннажного отхода ЦБК. К числу перспективных направлений модифицирования лигносульфонатов относятся:
- механохимическая обработка;
- мембранное фракционирование с отделением редуцирующих веществ и высокомолекулярных соединений;
- химическое модифицирование молекул J1CT с введением новых функциональных групп;
- замена части дорогого сырья (меламина, нафталина, карбоцепных полимеров) в процессе синтеза суперпластификатора.
Ближайшей перспективой должно явиться решение проблемы создания высокоэффективных регуляторов процесса схватывания и твердения бетонов. Применяемые в настоящее время ускорители твердения на основе хлоридов имеют ряд ограничений, связанных с понижением защитных свойств бетона по отношению к арматуре. Эффект действия бесхлоридных ускорителей твердения типа сульфата натрия, нитрата кальция, а также комплексных электролитов типа ННХК зависит от вида цемента и в ряде случаев значительно уступает СаС12. Задача состоит в создании ускорителей твердения, эффект действия которых должен быть сопоставим с действием СаС12, но в отличие от последнего не вызывающих коррозии арматуры. Работами НИИЖБа намечены основные направления создания такого рода бесхлоридных ускорителей твердения на основе солей органических кислот, модифицированных олигомеров определенного молекулярно-массового распределения. Решение этой задачи откроет путь высокоэффективным комплексным модификаторам поли- функционального действия, позволяющим создать беспропарочные технологии ускоренного твердения бетона, успешно конкурирующие с ТВО. Применение таких ПФМ даст возможность более эффективно и экономично использовать экзотермические процессы гидратации цемента в герметичной опалубке с целью самотермообработки бетона без подачи дополнительного тепла извне.
Одним из наиболее перспективных направлений в начале XXI века в области строительного материаловедения является создание материалов с принципиально новыми характеристиками, приближающими их к металлу, керамике и полимерам. Представляется, что эту серьезную задачу можно решить, привлекая комплексные модификаторы специального назначения, с использованием которых окажется возможным получить и группу специальных вяжущих. Эти материалы должны характеризоваться также высокими прочностными показателями при изгибе и растяжении, а также сверхвысокой плотностью и прочностью при сжатии.
Таким образом, можно выделить следующие перспективные направления, требующие дальнейшего интенсивного развития в области разработки модифицированных цементных систем:
• направленное регулирование свойств бетонных смесей и бетонов введением в их состав модификаторов в виде совмещенного продукта полифункционального многоцелевого назначения на основе ПАВ и электролитов различной природы и механизма действия
• разработка регуляторов процессов схватывания и твердения на основе солей органических кислот и соединений олигомернополимерного состава, в том числе ускорителей твердения, не вызывающих коррозии арматуры
• расширение сырьевой базы для создания и производства эффективных пластификаторов и суперпластификаторов
• модифицирование олигомерной цепи молекул и создание на этой основе продуктов полифункционального действия
• создание материалов нового поколения на основе цемента, специальных вяжущих и модификаторов полифункционального действия, по своим характеристикам приближающихся к металлу, керамике и полимерам.
Общим направлением развития бетоноведения тяжелого бетона на ближайшие десятилетия является дальнейшее повышение его основных физико-технических свойств по сравнению с достигнутым на сегодня уровнем, снижение энергозатрат и трудоемкости на всех технологических переделах производства, ресурсосбережение природных материалов и более активное применение крупнотоннажных минеральных отходов.
Для реализации общего направления необходимо решение ряда конкретных задач:
• разработка композиций (составов) бетонов типа “High Performance Concrete” - высококачественных бетонов с высокими гарантированными физико-техническими свойствами
• создание нового поколения модификаторов различного назначения с целью направленного управления структурой и свойствами бетонов, в том числе из самоуплотняющихся быстротвердеющих бетонных смесей
• разработка новых видов мелкозернистых многокомпонентных бетонов с широким диапазоном физико-технических свойств с максимальным насыщением их составов техногенными отходами
• разработка методик прогнозирования важнейших характеристик бетонов: долговечности, кинетики твердения бетона в изделиях и т.п.
• пересмотр и разработка основных нормативных документов и их гармонизация с международными стандартами.
Для решения перечисленных задач требуются значительные вложения средств на проведение НИР, а также создание автоматизированных заводов нового поколения по производству бетонных смесей.
Поданным норвежских ученых, затраты на науку быстро окупаются, и отдача от каждой вложенной в нее кроны составляет 19 крон, что существенно выше, чем во многих других областях [2].
Бетон и железобетон, 2003 №1