Реконструкция гидротехнических сооружений на основе применения современного модифицированного бетона

Реконструкция гидротехнических сооружений на основе применения современного модифицированного бетона

Московский Государственный Университет Природообустройства

Кафедра "Гидротехническое строительство"

Реконструкция гидротехнических сооружений на основе применения современного модифицированного бетона

Научный руководитель д. т. н.,

профессор Каганов Г. М.

Заведующий кафедры

Румянцев И. С

Москва 2011 г

Содержание

Введение

1.       Бетонные работы

.        Технологии в пластификации бетонных смесей

.        Подходы к усовершенствованию бетона

.        Опытные данные

.        Свойства модифицированного бетона

.        Современный бетон на строительном рынке

Введение

Не секрет, что в настоящее время значительная часть гидротехнических сооружений находится в ограниченно работоспособном состоянии, а некоторые сооружения полностью исчерпали весь свой эксплуатационный ресурс и достигли своих предельных состояний. В сложившейся ситуации остро стоит вопрос о продлении эксплуатационно-технического ресурса сооружений, их модернизации в соответствии с меняющимися технико-экономическими требованиями. Конечно, одним из лучших решений такой задачи является строительство новых сооружений. Однако это сопряжено с большими капитальными затратами которые чаще всего невозможно осуществить, из-за особенностей реальной экономической ситуации. Потому новые технологии ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений в настоящее время выходят на первый план. Особое внимание обращают на себя технологии позволяющие проводить реконструкцию сооружений не выводя, или частично выводя их из эксплуатации. При этом собственники или эксплуатирующие организации сталкиваются с трудностями объективной оценки и подбора тех или иных методов и технологий при планировании реконструкции конкретных объектов. Ведь недостаточно применить дорогостоящие материалы и оборудование, главное сделать это обоснованно и профессионально!

Проявившийся в последнее время повышенный интерес к программам работ в области нанотехнологии вызвал в строительном материаловедении появление своеобразного термина "нанобетон", не имеющего однозначного толкования в научно-технической литературе.

Нанобетон - это группа методов и спектр наноматериалов, использование которых (в совершенно различных сочетаниях) позволяет управлять набором свойств строительных композиций на основе минеральных вяжущих, даже необязательно цементных. Т.е. в принципе возможны нанобетоны на кислотно - зольных вяжущих, но основе гипсов и т.д. Общий признак: нанобетон обладает теми, или иными преимуществами благодаря своей особой структуре, задаваемой на наноуровне. Нанобетонами могут являться и быть названы бетоны совершенно различных классов и марок. При этом разработка рецептур и технологий, использующих этот новый подход находится в настоящее время в начальной стадии. Нанобетон не является каким-то определенным ярким составом, реализующим узкую строительную задачу.

Один из самых важных (на сегодняшний день) операционных переходов в технологии нанобетонов - это направленное использование процесса самоформирования цементного камня (в цементных бетонах), запускааемого специально вводимыми в состав бетона наночастицами-наноинициаторами, либо содержащими какие-то соединения, иницииирующие особенный рост цементного камня, либо обладающими устойчивой анизотропией электрофизических свойств, также вызывающей направленное развитие цементного камня при созревании бетона.

.        Бетонные работы

Часто при реконструкции гидротехнических сооружений существует необходимость проведения бетонных работ. При этом, есть два пути получения бетона: первый - это заказ с ближайшего бетонного узла, в соответствии с определенными проектом, техническими требованиями к бетону; второй - изготовление или модификация бетона в построечных условиях. В первом случае, несмотря на кажущееся соблюдение технических требований производителем бетона, существует вероятность получения бетона с некачественным заполнителем, нарушенным В/Ц отношением (особенно в жаркую погоду), несбалансированностью модифицирующих добавок и их невысоким качеством. Все эти факторы могут быть причиной появления дефектов бетонных конструкций в период эксплуатации. При производстве бетона в построечных условиях можно значительно эффективнее наладить контроль качества и намного улучшить те или иные технические показатели.

Например, для конструкций I категории ответственности при числе циклов попеременного замораживания и оттаивания - 100-150 в год, следует использовать бетон по морозостойкости не ниже F300, для суровых условий эксплуатации (СНиП 2.06.08-87). Марку по водонепроницаемости следует брать в зависимости от градиента напора. Для температуры водной среды свыше плюс 10 оС до плюс 30 оС и при градиенте напора свыше 10 до 20, марка бетона по водонепроницаемости должна быть не ниже W8 (СНиП 2.06.08-87). Указанные требования далеко не самые критические, но даже для соблюдения этих требований требуется изготовить специальный бетон. Такие требования достаточно легко выполнить, изготавливая бетон по собственной рецептуре непосредственно на объекте. Однако для этого следует точно знать особенности применения тех или иных добавок и технологию производства бетона в целом.

Известно, что для увеличения морозостойкости и водонепроницаемости рекомендуется использовать воздухововлекающие добавки, однако не всегда учитывается, что такие добавки влияют на уменьшение прочностных характеристик, а в случае превышения дозировки, происходит формирование нерегулярной структуры частично открытых пор, в результате чего резко увеличивается водопроницаемость бетона. Поэтому для рассматриваемого случая необходимо применить комплексную добавку, в состав которой, помимо воздухововлекающего компонента, будет входить уплотняющий, пластифицирующий и суперпластифицирующий. Также можно внести неактивные добавки типа микрокремнезема, армирующих полимерных волокон. Применяя армирующие волокна, опять же, следует учитывать, что для гидротехнических сооружений не следует применять волокна на основе целлюлозы по причине их биоразлогаемости. При использовании некоторых гидроизолирующих и гидрофобизирующих добавок (при их передозировке) могут проявиться процессы миграции растворимых солей к испаряющим поверхностям, в результате образуются высолы. Иногда процессы образования высолов настолько интенсивны, что приводят к отрыву, практически, любых защитных покрытий с поверхности бетона. Приведенные примеры показывают, насколько важно знать об особенностях свойств тех или иных материалов, особенно новых зарубежных, которые относительно недавно появились на отечественном рынке.

.        Технологии в пластификации бетонных смесей

В настоящее время уже существуют и продолжают разрабатываться рецептуры высокопрочных бетонов для подземного, высотного и гидротехнического строительства. Средняя прочность таких бетонов достигает 100 МПа при подвижности смеси П 4. При стандартном коэффициенте вариации 13,5 % это класс В75, а при снижении коэффициента вариации - В80 или даже В90.

Приготовить такой бетон без использования крупного карьерного песка, используя местный намывной песок, или превратить этот бетон в самоуплоняющийся, безусловно, заманчиво и экономически оправдано. Год назад (2008 г.) это было практически невозможно, а сегодня - вполне реально.

Причина такой настырности кроется не только в моде на нанотехнологии, но и главным образом в том, что благодаря ничтожно малой доле нанокластеров углерода у бетона действительно улучшается целый ряд свойств. Существенно увеличивается прочность, в несколько раз возрастает ударная вязкость, качественно изменяется характер кристаллизации цементного камня. На рисунке 1 приведены фотографии микроструктуры цементного камня, сделанные при помощи электронного микроскопа.

Рис. 1 Микрофотография структуры цементного камня:

а) обычная структура цементного камня, представляющая собой изотропно расположенные чешуйки;

б) фибриллярная структура цементного камня в модифицированной композиции;

На левой показана микроструктура обычного цементного камня, а на правой (при том же увеличении) - микроструктура, образовавшаяся после введения в бетонную смесь гомеопатической дозы углеродных нанотрубок. В данном случае имеет место эффект направленной кристаллизации гидросиликатов и гидроалюминатов кальция на зародышах, роль которых играют углеродные нанотрубки.

К сожалению, не смотря на ряд уникальных эффектов, широкого внедрения наномодификаторов в производство строительных материалов тогда не произошло. Во-первых, кластеры стоили очень дорого, и даже гомеопатическая дозировка приводила к существенному удорожанию. Во-вторых, возникла производственная проблема: как равномерно распределить несколько граммов кластеров в кубическом метре бетонной смеси? Углеродные нанокластеры не растворяются в воде. Можно создать суспензию в щелочном растворе, но она быстро оседает. Для промышленного производства это непригодно.

Попробовали наносить углеродные нанокластеры на поверхность базальтовой микрофибры. Получилось - мост через Волгу в районе г. Кимры, реконструкция которого закончилась в ноябре 2007 года. Покрытие этого моста выполнено из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода.

Известно, что мостостроение является одной из самых консервативных областей строительной отрасли. Обычно, на согласование каких-либо изменений в конструкции моста, касающихся строительных материалов, уходит много лет. Данный случай можно считать исключением из этого правила. В процессе реконструкции, после сокращения числа опор и вызванного этим увеличения длины пролетов, оказалось, что покрытие, выполненное из обычного бетона, чрезвычайно утяжеляет конструкцию. Положение изменило применение легкого фибробетона класса В30 с увеличенной прочностью на растяжение. Это позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть! Километровый мост - это уже серьезный аргумент, но еще не революция.

А в этом году, эволюционно накапливающиеся изменения, наконец, достигли критической массы, и произошел революционный скачок. Благодаря смелой идее сегодня научились получать водный раствор аддуктов углеродных нанокластеров. Если микродозу такого раствора смешать с пластифицирующей добавкой, то пластифицирующая и водоредуцирующая эффективность этой добавки весьма существенно усилится.

Разумеется, за короткий срок мы не могли проверить все пластифицирующие добавки - их сотни. Да этого и не требовалось. Мы модифицировали слабейшую из имеющихся на Санкт-Петербургском рынке пластифицирующую добавку - "Актипласт" и сильнейшую - "Зика Вискокрит". Параллельно, на Полипласте под руководством Любови Дмитриевны Соловьевой попробовали модифицировать их пластифицирующие добавки на основе суперпластификатора С-3. Кардинальное усиление пластифицирующих и водоредуцирующих свойств наблюдалось во всех случаях. Суперпластификаторы превращались в гиперпластификаторы.

Результаты экспериментов с "Актипластом". После добавления гомеопатической дозы нашей присадки добавка четвертой категории приобрела свойства суперпластификатора. При этом вклад присадки в пластификацию бетонной смеси в три раза превысил собственное действие пластифицирующей добавки. Если в бетонную смесь с В/Ц = 0,48, имеющую подвижность 3 см ввести добавку "Актипласт", то подвижность смеси увеличивается до 8 см. Малоподвижная бетонная смесь превращается в подвижную. При добавке "Актипласта", модифицированного аддуктом фуллероидных нанокластеров углерода, подвижность смеси увеличивается до 21 см. Малоподвижная смесь превращается в литую. Для получения аналогичного эффекта путем разбавления смеси водой требуется увеличить В/Ц с 0,48 до 0,60. При одинаковой подвижности прочность бетона, полученного из модифицированной смеси, в 2 раза выше, чем из контрольной.

Следует отметить, что аддукты фуллероидных нанокластеров углерода сами по себе не являются пластифицирующими добавками. При их введении в бетонную смесь без пластифицирующей добавки подвижность не изменяется. По сути - это легирующая присадка к пластифицирующим добавкам, позволяющая весьма существенно усиливать их свойства. При этом усиливающее действие присадки находится в прямой зависимости от величины собственных пластифицирующих и водоредуцирующих свойств модифицируемой добавки.

Обобщение данных, полученных в ходе экспериментов с разными пластифицирующими добавками, позволило сделать следующие выводы. Максимальная эффективность увеличения пластифицирующих и водоредуцирующих свойств (до трехкратной) наблюдается при модификации наиболее слабых добавок. Несколько меньшая (примерно в полтора раза, или на одну категорию) - при модификации суперпластификаторов. Минимальный, но тем не менее весьма существенный эффект наблюдается при модификации гиперпластификаторов, которые, казалось бы, улучшать дальше некуда.

В одном из опытов с гиперпластификатором "Зика Вискокрит" результат оказался отрицательным. Общеизвестно, что дозирование химических добавок осуществляется в процентах от массы цемента по сухому остатку. Но углеродные нанокластеры это не химическая добавка. Это присадка к добавке. Значит, дозировать ее надо от расхода добавки, а цемент тут не при чем. В результате дополнительных экспериментов, была получена зависимость, которая приведена на рисунке 6. Оказалось, что, с учетом экономической и технологической точек зрения, количество присадки должно составлять 2 % от сухого остатка пластифицирующей добавки. Как правило, это не превышает 10 г/м3 бетона. Последующие эксперименты с другими пластифицирующими добавками показали, что данная зависимость имеет не частный, а общий характер, распространяясь на пластификаторы различной химической природы.

Таким образом, раньше существовали четыре категории пластифицирующих добавок и внекатегорийные гиперпластификаторы. Теперь практически любую пластифицирующую добавку можно легко превратить в суперпластификатор, а любой суперпластификатор - в гиперпластификатор. То есть, теперь будет только две категории пластифицирующих добавок: "супер" и "гипер". Для этого необходимо всего около 10 граммов присадки на кубический метр бетона.

Кроме изменения общепринятой классификации пластифицирующих и водоредуцирующих добавок это позволит решить несколько серьезных проблем, возникших в последнее время у Санкт-Петербургских производителей бетонных смесей. Не секрет, что большая часть бетонных заводов Санкт-Петербурга работает на намывном песке. Раньше модуль крупности этого песка незначительно превышал 2, что позволяло относить его к пескам средней крупности. В последнее время модуль крупности намывного песка стал существенно меньше 2, что переводит его в категорию мелких песков. В соответствии с действующими нормативными документами такой песок можно использовать для бетона класса не выше В15.

Разумеется, практически, на мелком песке можно приготовить бетон и более высоких классов, что сейчас и делается, но это приводит к перерасходу цемента, а значит весьма существенно увеличивает себестоимость бетона. В случае замены обычных пластифицирующих добавок на гиперпластификаторы, перерасхода цемента не будет, но себестоимость бетона все равно увеличится за счет несоразмерно высокой стоимости гиперпластификаторов (стоимость импортного гиперпластификатора "Зика Вискокрит" вчетверо превышает цену отечественного суперпластификатора С3). Если вместо импортных гиперпластификаторов на поликарбоксилатной основе использовать отечественные суперпластификаторы с нафталин-формальдегидной основой, модифицированные присадкой аддукта фуллероидных нанокластеров углерода, на мелком песке можно будет приготавливать даже высокопрочные бетоны. Сейчас, с развитием высотного и подземного строительства, где жизненно необходимы высокопластичные бетонные смеси, это становится особенно актуальным.

3. Подходы к усовершенствованию бетона

Инженеры из Национального Института Стандартов и Технологии (NIST) запатентовали метод, который, как ожидается, сможет сделать бетон более долговечным. В основу метода положено использование наноразмерных добавок, которые замедляют процессы проникновения вглубь материала ионов сульфатов и хлоридов - химических компонентов дорожной соли, морской воды и почвы. Уменьшение ионного транспорта в бетоне означает главным образом снижение эксплуатационных затрат и вероятности обрушения бетонных конструкций в результате несчастного случая. Новая технология поможет сэкономить миллионы долларов и много человеческих жизней!

Начало эры производства бетона относят еще к Древнему Риму. Инфраструктура современных государств в очень большой степени основана на использовании бетона: в США из него построены миллионы километров дорог и более 600 тысяч мостов, однако многие из них находятся в аварийном состоянии. К 2007 году Федеральным Управлением автомобильных дорог США 25% мостов были признаны конструкционно неисправными или функционально изношенными. Разрушение инфраструктуры непосредственно отражается на благосостоянии большого числа американских граждан: Американское Общество Гражданских Инженеров в 54 миллиарда долларов оценивает ежегодные затраты на устранение повреждений, причинами которых становится ветхая дорожная инфраструктура.

Хорошо различимая светло-голубая область наверху рентгеновского снимка (среза образца бетона, в состав которого входят наноразмерные добавки, разработанные в NIST) демонстрирует очень незначительное количество хлоридов (зеленый цвет), проникающих вглубь материала.

Поглощение бетоном ионов сульфатов и хлоридов вызывает разрушение структуры материала, что с течением времени неизбежно приводит к появлению трещин и уменьшению его прочности.

Более ранние попытки инженеров преодолеть эту проблему и продлить срок службы бетона основывались на технологиях, увеличивающих плотность и уменьшающих пористость бетонов, но, к сожалению, получаемые материалы имели еще большую склонность к преждевременному разрушению.

Инженеры из NIST применили другой подход к решению проблемы: в рамках проекта VERDICT (бетонная технология по увеличению вязкости и уменьшению диффузии в материале) вместо изменения размера и плотности пор в бетоне была опробована технология изменения вязкости растворов бетона, которая на микроразмерном уровне обеспечивает уменьшение скорости проникновения ионов хлоридов и сульфатов в структуру материала. "Этот принцип можно пояснить с помощью сравнения скорости, с которой можно плыть в бассейне, заполненным медом, а не водой", - комментирует автор подхода, Дэйл Бенц (Dale Bentz).

Идея добавок была продиктована хитростями пищевой индустрии, где довольно популярным методом придания густой текстуры различным соусам, майонезам и мороженому является использование загустителя xanthum gum.

Изучая различные наполнители, инженеры определили, что размер частиц добавок напрямую связан с диффузионными свойствами получающейся субстанции. Большие молекулы, такие как эфир целлюлозы и xanthum gum повышают вязкость, но не изменяют скорость диффузии. Небольшие молекулы, размер которых не превышает 100 нанометров, напротив, замедляют ионную диффузию. Дейл Бенц объясняет, что "Когда молекулы добавки большого размера, но находятся в небольшой концентрации, хлорид-ионам легко диффундировать, проходя рядом с ними. А если добавка будет состоять из небольших молекул в высокой концентрации, то она повысит вязкость, и более эффективно задержит диффундирующие ионы".

Ученые продемонстрировали, что наноразмерные добавки можно вводить в бетон с другими компонентами в процессе непосредственного приготовления раствора, но еще более качественный материал можно получить при предварительном смешивании добавки с наполнителем - облегченным песком. Дальнейшие поиски ученых нацелены на оптимизацию метода - уменьшение концентрации и стоимости добавки, необходимой для увеличения эксплуатационного срока бетона.

Новый бетон разработан с применением нанотехнологий. Специальные добавки - так называемые наноинициаторы - существенно улучшают его физические качества. Механическая прочность нанобетона на 150% выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин в три раза ниже. Кроме того, вес бетонных конструкций, изготовленных с применением подобного бетона, снижается в шесть раз.

Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2-3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

Новый бетон уже начали применять в строительстве. В настоящий момент он используется в строительстве моста через Волгу в городе Кимры.

Это первый в мире автодорожный мост, дорожная плита которого была выполнена из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода. Один из участников проекта, генеральный директор ООО "НТЦ прикладных нанотехнологий" А.Н. Пономарев рассказывает: "При реконструкции моста строители столкнулись с острой необходимостью обеспечить выравнивание дорожной плиты в условиях обязательного повышения судоходности за счет увеличения пролетной части. Принятое решение о применении легкого конструкционного бетона с отказом от выполнения утяжеляющей гидроизоляции было экспериментальным шагом, но практически единственным". Это позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть.

Фибробетон - это разновидность бетона, в котором достаточно равномерно распределены волокна (фибры) из металла, стекла, полимера или другого материала. Фиброволокно выполняет функции армирующего компонента, способствуя снижению удельного веса бетона при повышении его трещино-стойкости и устойчивости к деформациям. В данном случае было использовано базальтовое фиброволокно, на поверхность которого наносились углеродные нанокластеры. Опыты показали, что добавление углеродных нанокластеров даже в количестве менее 0.001 % заметно улучшает свойства бетона. Существенно увеличивается прочность и ударная вязкость, меняется и характер кристаллизации цементного камня - происходит направленная кристаллизация соединений кальция на углеродных нанотрубках.

В ходе работ по реконструкции моста встал вопрос о создании производства наноструктурированных сухих добавок к цементу в условиях действующих бетонных заводов. В 2008 г. в Санкт-Петербурге ввели в эксплуатацию полуавтоматическую линию мощностью до 800 т добавок в год. Это позволило начать работы на следующем объекте, которым стал мост через реку Вятка, также сданный в 2008 г. Сейчас проходят государственную экспертизу еще два крупных проекта.

Добиться упрочения бетона можно и по-другому, используя измельченный песок. Оказалось, что максимально заполнить пустоты в бетонном камне можно при использовании трех фракций наполнителя: Н1 = 6-7 мкм, Н2 = 0.6-0.7 мкм, Н3 = 50-90 нм. При этом эффект упрочения достигается не только за счет заполнения пор, на поверхности частичек песка под электронным микроскопом отчетливо видны игольчатые наросты длиной 0.1-0.3 мкм. Их наличие может свидетельствовать об увеличении прочностных характеристик материала, т.к. они выполняют ту же роль, что и металлическая арматура. Это позволило в лабораторных условиях при введении нанодисперсных составляющих в количестве до 30 кг/м3 или 2-3 % от массы цемента получить бетон с прочностью при сжатии в 3-4 раза больше обычного. И это еще не предел. По мнению специалистов, в течение ближайших 5 лет за счет применения нанотехнологий прочность бетона может быть доведена до 300 МПа, что почти в 10 раз превышает среднюю прочность современных бетонов. Такие материалы должны выдерживать более 3000 циклов замораживания и оттаивания и даже в морской воде служить более 100 лет.

Еще одну возможность для упрочения бетона подсказала природа. Оказалось, что добавление в бетон анаэробных микроорганизмов определенного вида позволяет повысить его прочность на 25 %, а также улучшить его гидроизолирующие свойства. Это происходит потому, что микроорганизмы, продолжая жить внутри гибридного биоматериала, заполняют поры продуктами своей жизнедеятельности.

Конечно, способов создания высококачественных бетонов найдено уже довольно много, подходы эти весьма разнообразны, и они позволяют реализовать инновационные конструкторско-технологические решения, полезные для самых различных областей строительства.

Способы модификации бетона

Еще на одном применении нанотехнологий в области производства бетона, также уже использующемся на практике, нужно остановиться особо. В настоящее время добавки наночастиц TiO2 широко применяются в красках, специальных цементах и других строительных материалах. Дело в том, что под воздействием солнечного света наночастицы оксида титана работают как фотокатализатор, преобразуя атмосферный кислород и пары воды в атомарный кислород. Выделяющегося активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий.

Особенно часто применяются такие светочувствительные катализаторы для самоочищения поверхностей, что позволяет сохранять внешний вид построенных объектов неизменным в течение длительного времени. Ведь главная причина изменения цвета цементных материалов, представляющих собой пористое тело, состоит в накоплении окрашенных органических соединений в их поверхностном слое. Здания из цементных композитов с наночастицами TiO2 сохраняют свой цвет в течение длительного времени даже под воздействием агрессивного городского окружения.

Цементы, модифицированные наночастицами оксида титана, стали применяться с середины 90-х годов прошлого века, когда итальянской фирмой Italcementi был разработан цемент марки Bianco TX Millennium для строительства церкви Dives in Misericordia в Риме. В последующие годы эти цементы были использованы в ряде европейских архитектурных проектов: Cite Musique в Шамбери, Hotel de Police в Бордо, а также других общественных зданиях во Франции, Италии и Бельгии.

Цементные материалы, содержащие TiO2, интересны не только из-за своих свойств самоочищения. Исследования, проводимые в рамках проекта Canyon Main Street (Техас, США), показывают, что такие материалы могут успешно бороться с загрязнениями воздуха в городах. Среди загрязнителей, которые могут быть ими уничтожены, - самые главные "отравители" воздуха в городах: NOx, SOx, NH3, CO, летучие органические углеводороды, такие как бензол и толуол, органические хлориды, альдегиды и конденсированные ароматические соединения. Самыми подходящими местами для использования фотокаталитических цементных материалов являются улицы, перекрестки и площади с интенсивным движением, а также автозаправки. Последние представляют наибольшую опасность, поскольку на их территории в процессе испарения топлива образуется много летучих органических соединений, а их реакции с окислами азота приводят к образованию особо агрессивных веществ. Поэтому в Японии, Италии, Франции, Бельгии и Голландии были проведены многочисленные испытания дорожных покрытий из бетона с добавлением нанокатализаторов. Измерения у шоссе близ Милана при интенсивности дорожного движения 1200 транспортных единиц в час показали, что в безветренную погоду это покрытие способно поглощать до 65 % диоксида азота и монооксида углерода. При этом активность покрытия сохранялась и через год после его укладки. Результаты проверки были подтверждены Национальным исследовательским советом Италии. Поэтому не удивительно, что в Италии уже в 2006 г. общая площадь фотоактивных цементных поверхностей составляла примерно 400 000 м2. Уже упомянутая выше итальянская компания Italcementi несколько лет назад начала продажу цемента с фотокаталитической активностью TX Active®, способного поглощать до 40 % вредных газов, содержащихся в воздухе. Разработан и европейский проект PICADA (Photocatalystic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment), определяющий стратегию снижения загрязнения окружающей среды за счет использования строительных материалов на основе наночастиц TiO2.

В нашей стране также возрастает интерес к подобным строительным материалам. Так, Российской инженерной академией по заказу Правительства Москвы реализуется проект "Разработка составов, технологии изготовления экологически чистых отделочных материалов (плиты, покрытия, штукатурки) на основе гипсоцементных смесей, содержащих адсорбционно-каталитические нанокомпоненты, исследование их строительно-технических свойств и разработка нормативно-технической документации на их применение". Цель проекта - создание составов и отделочных материалов, модифицированных фотокаталитическим диоксидом титана (гипсоцементных, цементно-известковых смесей, полимерцементных растворов и др.). Использование этих материалов должно улучшить экологическую обстановку в зданиях, помещениях, на подземных автостоянках и в автомобильных туннелях. Опытные образцы составов и отделочных материалов будут выпускаться на предприятиях компании MC Bauchemie - Russia.

В Петербурге начинается выпуск бетонов с применением наномодификаторов. Они позволяют сократить количество цемента в бетонной смеси, сохраняя при этом такие параметры, как прочность, стойкость к трещинам и удобство при укладывании.

Под руководством Юрия Пухаренко разработан бетон с применением наномодификаторов, который уже начали производить в промышленных масштабах некоторые предприятия Петербурга, в частности ОАО "Объединение 45", ООО "Бетон" и др.

Еще одна разработка в этой области принадлежит ООО "НТЦ Прикладных Нанотехнологий" - здесь разработан бетон с нанодобавками, который в 1,5 раза легче обычного, особо прочен и стоек к перепадам температур.

Нанобетон тяжелый

Широкий диапазон бетонов: армированные бетоны, тяжелые железобетоны могут быть дополнительно укреплены фуллероидными наномодификаторами

Технические параметры

Параметры Характеристики

Водонепроницаемость 16-20

Прочность на изгиб     50-120 МПа

Прочность на сжатие   140-210 МПа

Пористость         0,5-1,5%

Модуль эластичности  (6-8)х104 МПа

Плотность  Т/м3

Структура обычного цементного камня (слева) и нанобетона Т (справа)

. Опытные данные

Регулирование свойств пластичности и прочностных характеристик литых бетонов

Работа посвящена изучению возможности улучшения потребительских свойств пластификаторов цементных бетонов за счет их микромодификации фуллероидными нанодобавками.

В последние десятилетия в строительной химии появились новые виды пластифицирующих добавок к бетонам, основанных на использовании поликарбоксилатов и их производных, отличающихся чрезвычайно высокой пластифицирующей способностью [2]. Однако их широкое применение сдерживается весьма значительной стоимостью - более 3-8 ам.долларов за кГ. В этих условиях, крайне актуальной задачей является поиск и исследование путей снижения технологических концентраций пластификаторов в цементных растворах. В данной работе рассматривается оригинальная методика решения этой задачи, основанная на практическом использованием принципиально новых физических явлений, связанных с возможностями нанотехнологий.

В работе исследовались свойства следующих пластификаторов:

1- VP 2500, 2-VP 2453, 3-FK-48, 4- FK-63, 5- C-3, 6- Stachement 2000, 7-Cementol Zeta Super-5, 8- Sika Visconcrete 5-800.

Производителями данных суперпластификаторов являются: №1,2 - Degussa AG, Германия; №2,3 - Muroplast^tm , Россия-Германия; №5 - Россия; №6 - Stachema, Австрия; №7 - Dynamon, Чехия, №8 - Sika, Словакия.

Изучалось возможное влияние следующих нескольких типов фуллероидных наномодификаторов [3]:

Полностью синтетический наномодификатор - Астралены^тм, обозначаемый далее как NTC [4];

Наномодификатор на минеральной углеродосодержащей основе, обозначение - NTD (NTD0);

Наномодификатор на минеральной основе, допированный Астраленами, обозначение - NTD1 (1% Астраленов).

Эксклюзивным производителем всех перечисленных наномодификаторов является ООО "НТЦ прикладных нанотехнологий", Санкт-Петербург, Россия.

Во всех случаях при введении наномодификаторов было зафиксировано явление значительного увеличения пластифицирующих свойств пластификаторов рассмотренных марок. В дальнейшем, однако, основное внимание было уделено исследованию наномодификаторов NTD1 и, особенно, NTD0. Это связано с тем обстоятельством, что эти наноматериалы значительно дешевле и доступны в больших количествах, хотя и требуют большей дозировки.

Впервые были выполнены предварительные исследования возможности улучшения потребительских свойств карбоксилатного суперпластификатора VP 2500 производства фирмы "DEGUSSA AG", Германия.

Для этого проводилась модификация состава VP 2500 (далееVP) с помощью микроколичеств фуллероидного наномодификатора марки NTC.

В основном изучались пластифицирующие свойства модифицированного VP 2500, были получены также некоторые характеристики прочности (на балочках 40×40×160 мм). Твердение цементно-песчаной смеси происходило на воздухе (влажность около 90 отн. %) при комнатной температуре в течение двух недель. Пластифицирующие свойства изучались методом измерения величины расплыва конуса, а прочностные характеристики - методом определения усилия сжатия и на изгиб до разрушения (все по ГОСТ 310.4-81). В качестве модельной смеси здесь и далее была выбрана смесь состава цемент: песок = 1: 2, при фиксированном водоцементном соотношении, равном 0,37. Был использован цемент марки М400Д0 (г. Пикалево, Ленинградская область, Россия).

Углеродный наномодификатор вводился в объем суперпластификатора VP 2500 и диспергировался в этом объеме с помощью ультразвуковой диспергатора УЗДН-А ; при этом были получены устойчивые суспензии. Ниже в таблице 1. приведены измеренные нами показатели пластичности и прочности, причем все цифры являются результатом усреднения по двум - трем опытам.

Таблица 1.

Анализ данных, представленных в таблице, доказывает наличие несомненного эффекта - улучшения потребительских свойств пластификатора VP2500 при введении в него каталитических количеств фуллероидного модификатора.

Из Восточной Европы были получены три вида пластификаторов (соответственно №6, 7, 8). Было выполнено исследование возможности улучшения их свойств с помощью фуллероидных наномодификаторов производства ООО "НТЦ прикладных нанотехнологий". В основном изучалось влияние наномодификаторов NTD0 и NTD1 на подвижность цементной смеси. В отдельных случаях были изготовлены балочки 40´40´160 мм и определены прочностные характеристики материала, из которого они изготовлены.

Методика изучения подвижности соответствовала ГОСТ 310.8-81 и заключалась в измерении расплыва конуса с основанием 100 мм.

Эксперимент производился следующим образом. Рассчитанное количество углеродного нанопорошка (типично 200¸400 мг) диспергировалось посредством ультразвукового устройства УЗДН-А в рассчитанном количестве воды (типично 10¸15 мл). Затем эта водная суспензия смешивалась с рассчитанным количеством пластификатора (типично 4¸6 мл) и в таком виде использовалась как добавка к воде затворения цементно-песчаной смеси состава: цемент/песок=1/2 (использовался портландцемент марки 400Д0 производства г. Белгород, Россия). Модуль крупности песка составил М _к = 2,7. Водоцементное отношение составляло величину, равную 0,36.

Был исследован широкий интервал концентраций наномодификаторов (от 0,001 до 0,03 вес. % по отношению к цементу). Однако с целью не затруднять восприятие большим количеством цифр, приводятся (см. таблицу 2) только результаты, соответствующие двум концентрациям (0,01% и 0,013%). Именно в области данных значений наблюдается максимальный эффект действия фуллероидных наномодификаторов.

Кроме того, как уже отмечалось, в отдельных случаях были измерены прочностные характеристики. Однако надо заметить, что полученные значения прочности являются их нижней оценкой, т.к. при использовании модифицированного пластификатора, строго говоря, необходимо было бы уменьшить количество воды.

Другими словами необходимо было бы поддерживать постоянной величину подвижности смеси, а не водоцементное отношение как было сделано. При этом результирующая прочность образцов должна увеличиваться.

Таблица 2

^* - Разность расплывов конуса от величины начального диаметра 100 мм при использовании модификатора и без него/ та же величина в процентах к величине расплыва конуса от 100 мм при использовании чистого модификатора.

^** - Среднее значение прочности для образца с не модифицированным пластификатором составляет R _сж^о =30,3 МПа.

Самые последние данные по сравнительной эффективности действия различных модифицированных пластификаторов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Технологически (на производстве) использование настоящего эффекта может сводиться к следующему. На растворном узле с помощью небольшой ультразвуковой ванны приготовляется суспензия углеродсодержащего порошка в смеси 1:1 пластификатора с водой. Суспензия содержит 1% (по массе) углеродсодержащего нанопорошка и является по сути концентратом, который в соответствующем (рассчитанном) количестве добавляется в воду затворения. Время жизни суспензии составляет от 5 до 8 часов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

. Использование фуллероидных наномодификаторов в каталитических количествах позволяет при всех прочих равных условиях усилить пластифицирующий эффект на величину от 30-ти до 100%.

. Такое же использование наномодификаторов позволяет увеличить прочность бетона на 20 - 25%. Эта величина является нижней оценкой эффекта поскольку при уменьшении В/Ц будет, очевидно, будет получено дополнительное увеличение прочности.

. Пластичность цементной смеси увеличивается в первые 1 - 2 часа после приготовления еще примерно на 20%.

. Время жизни суспензии наномодификатора составляет 5 - 8 часов.

Гарантийный срок хранения сухого наномодификатора составляет1 - 2 месяца.

. Эффект модификации пластификаторов усиливается при понижении температуры.

Направления практического применение исследованных эффектов может быть следующим:

снижение расхода пластификатора на 50 - 60% без ущерба для показателей удобоукладываемости цементной смеси.

увеличение прочности бетона за счет снижения В/Ц на 15 - 20%, которое можно использовать для:

а.) снижения расхода цемента на 20 - 25 %;

б.) уменьшения толщины конструктивных элементов.

Дисперсно-армированный модифицированный бетон

В современном гидротехническом строительстве достаточно широко применяются тонкостенные железобетонные конструкции. Например, стенки каналов и водопропускных сооружений изготавливались толщиной 8-12 см, а корпуса плавучего железобетонного сооружения для снижения веса имеют толщину от 8 до 16 см при большом проценте насыщения стальной арматурой. Бетон тонкостенных сооружений, эксплуатируемых в воде, в том числе морской, испытывают действие всех трех видов коррозии, а также морозные, динамические и биологические воздействия.

Проведенные обследования бетона стенок каналов, конструкций водопропускных сооружений и плавучих доков показали, что наибольшая глубина повреждений бетона наблюдается в зоне попеременного увлажнения и высушивания. В случае применения сульфатостойких портландцементов и обеспечения достаточной водонепроницаемости для обводненных конструкций наилучшее состояние показывали эксплуатируемые в воде бетоны, которые имели прирост прочности до 50-60 % по сравнению с проектной. Эксплуатируемые на воздухе части конструкций имели прирост прочности до 20 %, а в зоне переменного увлажнения и высушивания - до 10 %. Однако в случае применения недостаточно долговечных составов наблюдались разрушение конструкций и потеря прочности до 50 % от проектной [1].

По данным исследований эксплуатируемых в водной и воздушно-сухой среде бетонов тонкостенных сооружений была построена общая зависимость изменения прочности бетона во времени в зависимости от среды эксплуатации и водонепроницаемости: рис. 1.

Рис. 1. Изменение прочности бетона в зависимости от среды эксплуатации и водонепроницаемости

То есть в процессе эксплуатации структура бетона в сооружении подвержена непрерывным изменениям, которые должны быть учтены при проектировании состава бетона. Таким образом, для обеспечения долговечности бетона Будет правильным использовать схему: состав - структура - изменение структуры - свойства.

Целью исследований является разработка основ получения модифицированных бетонов тонкостенных гидротехнических сооружений (ГТС) с высокими эксплуатационными характеристиками и прогнозируемой повышенной долговечностью.

Исследования проводились в несколько связанных этапов:

на первом этапе по результатам натурных исследований состояния бетонов тонкостенных конструкций проанализированы причины их разрушения и сформулированы требования для бетонов тонкостенных ГТС, а также обоснован выбор модификаторов и дисперсного армирования;

на втором этапе исследовалось влияние на свойства мелкозернистого бетона ГТС дозирования цемента, суперпластификатора и кольматирующей добавки, а также зернового состава песка;

на третьем этапе исследовались свойства бетона дисперсно-армированного полимерными фибрами разных видов, а также модифицированного тонкодисперсным наполнителем и разработанной на втором этапе комплексной добавкой (суперпластификатор С-3 + "Пенетрон А").

Максимальную эффективность в уплотнении структуры и повышении водонепроницаемости и морозостойкости бетона показывают современные модификаторы, самыми распространенными из которых в Украине являются "Пенетрон", "Ксайпекс" и "Виатрон", а также суперпластификаторы. Многие системы имеют в своем ассортименте как покрытия для бетонов, так и добавки. Однако в ряде случаев применение первичных мер защиты предпочтительнее вторичной защиты (покрытий). Это объясняется тем, что в отличие от конструкций, на которых применяется только вторичная защита, при механическом повреждении поверхности не возникает фильтрация. Сравнение систем модификаторов показало, что добавки незначительно влияют на прочность бетона, однако более эффективны "Пенетрон Admix" и "Ксайпекс Admix". В наших исследованиях был выбран Пенетрон ввиду его большей технологичности.

На втором этапе исследований было установлено, что за счет введения в состав бетона новой комплексной добавки "Пенетрон А" + С-3 [3] его водонепроницаемость повышается в 1,5-2 раза, достигая для наиболее качественных составов уровня W18. При этом подвижность смесей выдерживалась равной. Морозостойкость материала повышается на 100-150 циклов, достигая для модифицированных мелкозернистых бетонов 550 циклов в морской воде. Прочность композитов, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе, за счет модифицирования несущественно увеличивалась. Для большинства показателей качества композита эффективным оказалось введение суперпластификатора С-3 в количестве 0,8 % от массы цемента.

Учитывая реальные условия сырьевой базы юга Украины исследовалось влияние зернового состава песка на свойства бетона с комплексной добавкой "Пенетрон А" + С-3. Варьировались два фактора состава мелкозернистого бетона:

вид песка: мелкий песок (модуль крупности 0,98), смесь песков или крупный песок (модуль крупности 2,8);

дозирование добавки "Пенетрон А" от 0 до 3 % от массы цемента.

Мелкозернистые бетоны имели дозировку сульфатостойкого портландцемента 700 кг/м3 и были модифицированы суперпластификатором С-3 в количестве 0,8 %. Было установлено, что введение комплексной добавки повышает водонепроницаемость мелкозернистого бетона в 1,5-2 раза: с 4-5 до 9-10•105 Па для композитов из мелкого песка и с 9-10 до 15-16•105 МПа для композитов из крупного песка или из смеси песков с преобладанием крупного. Для составов с максимальным дозированием "Пенетрона" в меньшей мере ощущается влияние вида песка - уровень W изменяется в зависимости от заполнителя не более чем в 1,5 раза (от W10 до W14-15). Максимальную водонепроницаемость имеют составы бетонов из смеси песков с соотношением мелкого и крупного около 1:6, что позволяет рекомендовать такие составы для работающих при постоянном давлении воды тонкостенных бетонных конструкций гидротехнических сооружений.

Для ответственных тонкостенных конструкций всё чаще применяется дисперсное армирование. Фибра позволяет существенно повысить трещино- и ударостойкость бетона, подвергаемого динамическим воздействиям. Однако, ввиду влажной среды эксплуатации и сложности регулирования защитного слоя, в тонкостенных сооружениях следует применять полимерную фибру, которая не подвержена коррозии.

На третьем этапе исследований изучалось влияния на свойства бетона для тонкостенных гидротехнических конструкций следующих факторов:

количество сульфатостойкого цемента, от 500 до 700 кг/м3;

соотношение между крупным и мелким заполнителем (Щ/П) от 1,6 до 2,2. Данный фактор влияет на "защемление" волокон фибры, и, соответственно, на качество совместной работы бетонной матрицы и фибры;

количество наполнителя (молотого песка), от 0 до 8 % от массы цемента. Применение молотого песка в работе направлено на управление водонепроницаемостью и морозостойкостью бетона, а также качеством сцепления матрицы с фиброй;

дозировка полипропиленовой фибры двух видов, в одной серии - Fibermesh от 0 до 5 кг/м3 и в другой - Baucon от 0 до 1,2 кг/м3. Волокно Fibermesh имеет диаметр 200 мкм и длину 13 мм, а Baucon - диаметр 18,7 мкм и длину 12 мм.

Во все составы вводилась комплексная добавка "Пенетрон А" + С-3. Все смеси имели равную подвижность от 16 до 18 см. Введение полимерной фибры увеличивало водопотребность и, соответственно, снижало В/Ц смеси, что влияло на все свойства материала. Анализ изменения показателей качества модифицированного бетона за счет варьирования факторов показал, что введение наполнителя (молотого песка) положительно сказывается на прочностных характеристиках. За счет введения 8 % молотого песка величина прочности при сжатии увеличивается на 6-12 МПа, а растяжения при изгибе - на 1-1,5 МПа, как для бетонов с фиброй Fibermesh, так и для бетонов с фиброй Baucon. Наполнитель увеличивает сплошность среды, уменьшая межзерновое расстояние в бетоне; кроме того, частицы наполнителя могут выполнять роль центров кристаллизации [4].

Введение до 1,2 кг волокон фибры (как Fibermesh, так и Baucon) на 1 м3 бетона несколько повышает прочность бетона на растяжение при изгибе и мало влияет на прочность при сжатии.

Влияние отношения Щ/П, а также количества наполнителя и фибры на водонепроницаемость как один из основных показателей, определяющих долговечность бетона в водной среде, показано на рис. 2. Благодаря введению комплексной добавки уровень W всех составов весьма высок (от W10-12 до W20). Наибольшую водонепроницаемость показали составы с максимальным количеством наполнителя и Щ/П около 2,2.

Рис. 2. Влияние отношения Щ/П, количества молотого песка и фибры на водонепроницаемость бетона: а - составы с фиброй Fibermesh, б - составы с фиброй Baucon)

За счет введения наполнителя водонепроницаемость бетона возрастает, что объясняется улучшением капиллярно-поровой структуры композита. Фибра снижает уровень W, что объясняется формированием направленных капилляров вдоль ее волокон. Однако следует отметить, что при применении до 1,2 кг/м3 фибры водонепроницаемость снижается не более чем на одну марку, что позволяет использовать ее в тонкостенных ГТС, повергаемых динамическим воздействиям.

Изучение структуры модифицированного бетона проводилось, в частности, рентгеноструктурным и дериватографическим анализом. Установлено, что составляющие "Пенетрона A" взаимодействуют с минералами цемента: часть негашеной извести и растворимые силикаты, аморфный кремнезем алюмината и ферриты вместе с водой проникают в поры композита. В порах бетона проходит реакция взаимодействия соединений "Пенетрона" между собой и с соединениями цемента, в частности с ионными комплексами кальция и алюминия, различными оксидами и солями металлов. Образовываются нерастворимые силикаты, алюминаты и ферриты кальция, которые кольматируют поры, формируя кристаллические образования в виде игловидных, хаотично расположенных кристаллов. Если бетон без модификатора является среднепористым, то применение С-3 делает его мелкопористым, а применение комплексного модификатора - микропористым [2].

Результаты исследований прошли промышленную проверку. Разработанные составы модифицированных бетонов использовались при производстве и восстановлении тонкостенных конструкций гидротехнических сооружений мелиорации и плавучих доков. Разработаны и утверждены "Регламент по технологии изготовления и применения бетонов с добавками системы "Пенетрон" и С-3 для изготовления и восстановления гидромелиоративных железобетонных сооружений" и "Регламент по технологии приготовления и применения модифицированного бетона для гидротехнических сооружений мелиорации, водопропускных сооружений и автодорог с применением полимерной фибры". Разработаны рекомендации по технологии приготовления и применения тяжелого судостроительного бетона при постройке морских плавучих железобетонных и композитных сооружений.

В целом можно сделать следующие выводы:

. Проанализированы действия модификаторов на структуру бетонов. Показано, что основные изменения качественных показателей и долговечности бетона обуславливаются возможностью регулирования его капиллярно-пористой структуры и проницаемости. Применение комплексных модификаторов и наполнителя позволяет снизить открытую пористость и уменьшить размеры пор.

. Получены и внедрены бетоны повышенной водонепроницаемости и морозостойкости для тонкостенных гидротехнических сооружений с новой комплексной добавкой "Пенетрон А" + С-3, которая повышает водонепроницаемость в 1,5-2 раза, а морозостойкость - на 100-150 циклов.

. Доказана эффективность применения тонкодисперсного наполнителя для повышения долговечности бетона. Показано положительное влияние наполнителя на структуру композита и его механические свойства.

. Разработана технология изготовления и применения дисперсно-армированного модифицированного бетона для тонкостенных элементов гидротехнических сооружений с гарантированной долговечностью.

Самоуплотняющийся бетон

Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?

Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х - начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60-90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200-250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.

Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.

Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на

применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;

введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;

управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;

создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.

В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал "самоуплотняющийся бетон".

Самоуплотняющийся бетон - Self-Compacting Concrete (SCC) - способен уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC "Долговечность самоуплотняющегося бетона", председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.

Таблица 1 Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов

В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост - Акаши Кайкё - был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.

Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3 бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.

В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.

Таблица 2 Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов

Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India - Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10-16 мм и 16-20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. - 5-7 July 2005].

Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона в начальные сроки твердения

Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения - поликарбоксилат - высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.

За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3-4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.

Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.

Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.

Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6-8 °С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).

Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента

Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.

Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.

В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.

бетон гидротехнический пластификация портландцемент

5. Свойства модифицированного бетона

Отличительной особенностью модифицированного портландцемента является высокая прочность, быстрое твердение при обычных температурных условиях и при тепловлажностной обработке, высокая морозостойкость, водонепроницаемость, что позволяет использовать его как для омоноличивания сборных железобетонных изделий, так и для изготовления самих изделий при строительстве различных объектов.

Вопрос монолитности сооружений из сборных железобетонных конструкций приобретает огромное значение, особенно при строительстве подземных сооружений, находящихся под давлением воды и грунтовых вод, где наряду с прочностью требуется высокая водонепроницаемость.

Опыт омоноличивания сборных конструкций растворами и бетонами на основе обычного портландцемента показывает, что при этом не достигается необходимая монолитность - из-за усадки цементного камня в процессе схватывания и твердения. В местах соединения с бетонными поверхностями нарушается сцепление из-за трещин, образующихся вследствие усадки. Вода, проникающая в эти трещины, вызывает дальнейшее разрушение омоноличивающего материала, что приводит к нарушению монолитности всего сооружения.

Вопрос о выборе устойчивого материала для заделки швов в конструкциях из сборного железобетона, а также об изготовлении самих водонепроницаемых железобетонных изделий является весьма актуальным. Огромный рост гидротехнического строительства, возведения подземных сооружений выдвигает проблему создания несложных по технологии изготовления и доступных по стоимости высокопрочных, водонепроницаемых, быстротвердеющих и стойких в различных температурно-влажностных условиях растворов и бетонов. Решение этой проблемы возможно путём использования модифицированного портландцемента.

Модифицирование - это изменение физико-химической структуры и свойств материала путём введения в его состав различных оксидов или добавлением к нему определённых веществ.

На основе современных представлений о механизме схватывания и твердения портландцемента и о явлениях его усадки и расширения был разработан способ компенсированной усадки путём создания модифицированного портландцемента.

Усадочные деформации при твердении цементного камня. Физико-химические процессы схватывания и твердения обычных цементов сопровождаются суммарной усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объёма твердеющего цемента на протяжении длительного периода.

Усадочные трещины в сооружениях приводят к коррозии арматуры предварительно напряжённых конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям. Наиболее заметно это проявляется в покрытиях дорог и аэродромов.

Компенсация усадочных явлений. Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, достигает 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 мм на 1 м в зависимости от вида и свойств заполнителя. Так, усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше в сравнении с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня. Причём чем выше модуль упругости крупного заполнителя, тем меньше усадочные деформации бетона.

Железобетон в сравнении с обычным бетоном имеет в 2 раза меньшую усадку. Но в целом усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, - на 38-45 % от исходной величины.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций.

Научные основы получения модифицированного цемента, обеспечивающего компенсацию усадки. Поскольку обычный портландцемент при твердении подвержен усадочным явлениям, на протяжении многих лет исследования учёных были направлены на поиск ответов на вопросы: как же избежать усадки цементного камня, как обеспечить расширение цементного камня при твердении, которое бы компенсировало усадку, какие силы обусловливают это явление.

В идеале желательно достичь расширения, равного усадке в любой заданный момент твердения цементного камня. Многочисленные исследования в этой области свидетельствуют о сложности физико-химического процесса и необходимости очень точно регулировать процесс образования эттрингита в цементно-водной системе и обеспечить его долговечность, поскольку фазовые переходы этого соединения могут не обеспечить желаемого результата. В зависимости от условий, определяющих кинетику образования гидросульфоалюмината кальция в период гидратации цемента, структура может упрочняться, расширяться и компенсировать усадку цементного камня. В результате многочисленных лабораторных, полупромышленных и промышленных испытаний был разработан модифицированный портландцемент, который, по сравнению с обычным цементом, обеспечивает улучшение строительно-технических свойств растворов и бетонов.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций

Свойства модифицированного цемента.

Сроки схватывания. Схватывание цементов находятся практически в тех же пределах, что и у обычного портландцемента. Иногда, в зависимости от применяемого расширяющегося компонента, наблюдается ускорение начала схватывания цементного теста. Для замедления схватывания используют борную кислоту, лигносульфонаты модифицированные технические (ЛСТМ).

Прочность цементного камня характеризуется быстрым нарастанием в первые сутки твердения, которое затем, в течение 3-7 сут., несколько замедляется, что связано с интенсивным расширением структуры в этот период. При более длительном периоде твердения (3 мес. и более) по кинетике нарастания прочности безусадочный цемент опережает портландцемент.

Расширение цементного камня при твердении в водных условиях интенсивно развивается в первые сутки, а затем стабилизируется. Твердение цементного камня на воздухе сопровождается усадкой, но в целом расширение цементного камня сохраняется на уровне 0,1 %.

Водопроницаемость. Цементные растворы и бетоны водонепроницаемы. За счёт самоуплотнения в период твердения через 3-7 сут. изделия из бетона выдерживают гидравлическое давление 20 атм.

Морозостойкость. Цементный камень из безусадочных цементов без ограничения их расширения выдерживает 150 циклов, а при механическом ограничении цементного камня (твердение цемента происходит в металлических формах) морозостойкость увеличивается в 2 раза и достигает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Сохранность свойств. При длительном хранении безусадочных цементов (как и портландцемента) наблюдается частичная гидратация и карбонизация продуктов гидратации под воздействием углекислоты и влажного воздуха. При этом прочность цементного камня не снижается.

Масло- и нефтестойкость. Высокие водо- и газонепроницаемости цементного камня из модифицированного цемента, обусловленные его высокой плотностью, обеспечивают его стойкость к воздействию масло- и нефтепродуктов, что позволяет рекомендовать его для строительства хранилищ масло- и нефтепродуктов.

Коррозионная стойкость цементов высокая благодаря формированию плотного цементного камня при твердении. Коэффициент стойкости образцов, хранившихся в различных агрессивных средах через 12 мес. близок к единице, что свидетельствует о высокой стойкости цементного камня против воздействия агрессивных сред.

Цементный камень на основе модифицированного цемента обладает достаточно высокой стойкостью в хлоридной и хлоридно-магнезиальной среде. Это позволяет использовать его при гидроизоляции различных объектов. Добавление к цементам различных полимеров обеспечивает антикоррозийную защиту бетонных сооружений, находящихся под воздействием сильно агрессивных хлоридно-магнезиальных сред. Испытания образцов из безусадочных полимерцементных растворов на промышленных объектах показывают отсутствие сбросов прочности в течение 5 лет. В то же время образцы из цементно-песчаного раствора на портландцементе без расширяющихся добавок к 3 годам хранения в агрессивных средах уменьшили предел прочности при сжатии на 17 % по сравнению с образцами в возрасте 1 года.

Применение модифицированного цемента.

Гидроизоляция и антикоррозийная защита железобетонных конструкций. К объектам химической промышленности, очистным и подземным сооружениям предъявляются повышенные требования по антикоррозионной стойкости, плотности и непроницаемости с целью обеспечения их долговечности и исключения утечки хранимых материалов или, напротив, попадания грунтовых и технологических вод в заглублённые помещения. Опыт эксплуатации таких объектов свидетельствует, однако, о недолговечности традиционных гидроизоляционных покрытий, что ведёт к росту расходов на ремонт, сокращению сроков службы, а в ряде случаев, например ПО "Белорускалий" (г. Солигорск), к преждевременному разрушению бетонных и железобетонных конструкций.

Опыт создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости выявил, что для этих целей успешно может быть применён модифицированный портландцемент. Всего с применением разработанного цемента было выполнено более 20 000 м2 покрытий по железобетонным перекрытиям в главном корпусе обогатительной фабрики 3-го рудоуправления производственного объединения "Белорускалий" и более 3000 м2 покрытий по железобетонным конструкциям при строительстве сгустителей.

Для создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости может быть применён модифицированный портландцемент.

С 1979 г. на ПО "Волковыскцементошифер" был организован промышленный выпуск цемента, который, с добавкой полимеров, применялся для гидроизоляционных покрытий.

Полимерцементная гидроизоляция на основе модифицированного цемента особенно оправдала себя при строительстве сгустителей на ПО "Белорускалий", заменив собой дорогостоящую нержавеющую сталь с малоэффективной защитой. Общая площадь сгустителей с полимерцементной гидроизоляцией составляет 10 000 м2.

Антикоррозионная полимерцементная защита на основе модифицированного цемента успешно применена в банях и прачечных взамен защиты, предусматривающей устройство проволочного каркаса, цементной выравнивающей стяжки, трёхслойной обмазки асфальтовой мастики, штукатурки по сетке и оклейке стеклотканью.

Антикоррозионная защита была выполнена полимерцементными составами, наносимыми торкретированием слоем толщиной 20 мм. Исследования показали, что срок службы полимерцементной изоляции по сравнению с традиционной многослойной изоляцией повышается в 4 раза.

Модифицированный цемент используют при возведении очистных сооружений из сборных элементов без гидроизоляции. Водонепроницаемость отстойников обеспечивалась за счёт омоноличивания стыков бетоном.

Из бетона на модифицированном цементе возводятся насосные станции подачи очищенных стоков с заглублением ниже поверхности земли на 7,5 м, т. е. ниже уровня грунтовых вод.

Из бетона на модифицированном цементе изготавливают кровельные плиты для создания безрулонной кровли при строительстве жилых зданий. Антикоррозийная защита на основе указанного цемента успешно применяется при ремонте очистных сооружений, жилых зданий, спортивных сооружений, при возведении спортивных сооружений: покрытия трибун, ледовых катков, беговых дорожек и плавательных бассейнов. Успешно цементы применяются при ремонте жилых зданий.

Применение безусадочных цементов в метростроении. Обеспечение водонепроницаемых тоннелей метро является одной из важнейших и трудно решаемых задач в метростроении. Цементно-песчаными растворами на основе модифицированного цемента осуществляется чеканка швов между тюбингами. Сложность проведения работ заключается в том, что чеканка производится при наличии постоянного притока воды через стыки и отверстия чеканки. В этих условиях необходимо остановить приток воды за 5-7 мин, что обеспечивается быстросхватывающимся модифицированным цементом. Проведены промышленные испытания по замене чугунной обделки на монолитно-прессованную обделку тоннеля из бетона на основе модифицированного цемента. Марка бетона для монолитно-прессованной обделки по прочности при сжатии составляла М400, а по водонепроницаемости - В12 и выше.

Разработанный цемент применялся при ремонте аэродромных покрытий (Минск, Белоруссия), при строительстве водоводов (Детройт, США), опор мостов (США).

. Современный бетон на строительном рынке

Ситуация

Анализируются наиболее значительные достижения американских, японских, британских, французских и некоторых других институтов и центров, которые развивают технологии производства бетонов и разрабатывают новые его разновидности.

Бетон, как и его природная разновидность - камень, наряду с деревом издревле служат человечеству надежным щитом от неблагоприятных природных явлений. Конструкции из него при качественном исполнении и правильной эксплуатации, как показывает исторический опыт, служат весьма долго, не причиняя вреда ни человеку, ни природе. Это дало право специалистам причислить его к так называемым "биопозитивным" или "природоохранным" материалам. По объемам применения - свыше 6 млрд. т ежегодно, т.е. более 1 т на каждого жителя планеты, бетон прочно держится среди лидеров мирового производства, обладая, практически неограниченными сырьевыми ресурсами, в т.ч. повторного использования. Эти и другие особенности бетона, а также возможность широкого использования отходов его промышленного производства и строительного лома делают его заметным фактором в реализации мировой концепции устойчивого развития мировой экономики.

Однако бетон имеет и известные недостатки, которые ограничивают как объемы, так и области его применения. В основном это технологические трудности изготовления, высокая энергоемкость, невысокое качество поверхности изделий, большой собственный вес. Решением всех вышеназванных проблем занимаются научные центры, технические ВУЗы и научно-производственные национальные и международные организации во многих странах мира. Среди них следует особо выделить Американский институт бетона ACI, который отмечал в прошлом году свое столетие, RILEM, FIB, ERMCO, ISO, а также японские, британские, французские и некоторые другие центры, которые занимаются развитием технологии производства бетона и разработками новых его разновидностей.

Если рассматривать постоянную номенклатуру производимых ныне бетонов на нашем рынке, то приблизительно у всех она одинакова. Производители выпускают лишь те марки, которые востребованы на строительном рынке. В частности, лидеры рынка ("Объединение 45", СЗНК, "Метробетон", "Ленстройдеталь") выпускают одинаковый ассортимент. Однако если определять лидера по конкурентным преимуществам, то вряд ли цена будет доминирующим фактором. Если совсем недавно небольшие компании демпинговали, выпуская сравнительно дешевый (при этом не всегда качественный бетон), а потребители шли на покупку и использование данного продукта, то в последнее время за счет снижения маржи и изменившейся экономической ситуации крупные производители также снизили цены, качество же осталось прежним.

Компания-лидер сегодня - это компания, способная выпускать качественный бетон, широкий ассортимент, гибко подходить к каждому клиенту и удовлетворять его в вопросе стоимости бетона, а также обеспечивать своевременную логистику и развиваться инновационно. Последнее особенно актуально.

Понятно, что среди крупных компаний фактор цены может быть сведен к минимуму, так как по качеству они приблизительно равны. Ценовые войны - удел для мелких производителей, но если исходить из практики, то именно крупные производители сегодня в состоянии предложить наиболее привлекательную цену и достойный сервис. Причина - большое количество производств, как правило, они создаются в разных регионах, так, чтобы максимально покрыть территорию области и города.

Со временем мелкие производители перестанут составлять конкуренцию лидерам рынка, поскольку важными факторами становятся техническое оснащение и наличие квалифицированного персонала. Вопрос закупки сырья, энергетических ресурсов, финансовых вливаний - это то, что крупной компании решить гораздо проще, чем маленькой. Мобильность и цена - уже не козырь. Качество и инновационность - залог успеха.

Однако, надо отдать должное, есть маленькие компании, которые стремятся предложить широкий ассортимент продукции именно за счет инноваций. Экономия цемента и правильный подбор состава смеси, широкий ассортимент работа с различного рода добавками становятся конкурентным преимуществом.

Развитие рынка цемента

Цемент - тот дефицитный материал, которого нам всегда не хватало. В советское время были жесткие квоты, сейчас наблюдается изношенность производства и коррупционный сговор. Многие предприниматели выдавили максимум из производств, не вложив ни копейки в их модернизацию. Такой подход, к сожалению, довольно типичен для России и касается не только цементной отрасли, по сути, отсутствие модернизации стало "хорошим" тоном российского бизнеса.

В текущем развитии мы в основном производим цемент по старой мокрой энергоемкой технологии, что не делает чести нашей строительной отрасли. Но что есть, то есть. Когда наступил цементный кризис, инспирированный группой производителей, многие начали импортировать цемент из-за границы, причем цемент не всегда был качественным. Такой "казус" возник и с китайским, и турецким цементом. При этом надо отдать должное - норвежский цемент у нас шел, так сказать, без купюр. Именно вопрос развития цементной отрасли, обеспечение стабильного качества продукции должны стать заботой не только собственников и строителей, но и государства. Наше отставание в цементной отрасли (как и во многих других стратегически важных отраслях) уже критично.

Развитие рынка добавок

Различного рода добавки хорошо известны нашим производителям. Большая часть из них жидкие, с сухими добавками мы работаем мало: только несколько заводов в Петербурге имеют оборудование для ввода этих материалов в состав бетона. Основная часть этих добавок классическая - нафталиносодержащие. Многие используют и пробуют работать с импортными производителями, такими как Sika и Basf.

К сожалению, с крабоксилатами у нас работают немногие. Приходится признать, что с нашими цементами надо использовать адаптированные российские добавки, чему свидетельствует то, что большинство иностранных производителей свои производства размещают в России.

В части российских передовых технологий особое внимание хочется обратить на разработки НИИЖБ.

Ведущие специалисты в области технологии бетона с конца 80-х годов разрабатывают концепцию бетонов нового поколения, которым отводится важная роль в сложных инженерных сооружениях XXI века. Речь идет о бетонах с высокими эксплуатационными свойствами, так называемые "High Performance Concrete", которые уже сегодня востребованы не только необходимостью выдерживать возрастающие воздействия природного и особенно техногенного характера, но и новыми эстетическими требованиями, предъявляемыми к современным инженерным сооружениям.

Сегодня концепцию бетонов с высокими эксплуатационными свойствами (ВЭС) можно изложить следующим образом:. доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, основанная на использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов;. высокие физико-технические характеристики бетонов - класс по прочности до В80, низкая проницаемость для воды (W12…W20) и газов, низкая усадка и ползучесть, повышенная коррозионная стойкость и долговечность, т.е. свойства, сочетание которых или преобладание одного из которых обеспечивает высокую надежность конструкций в зависимости от условий эксплуатации.

Такой подход вполне обоснован. С одной стороны, бетон должен сохранить все преимущества, сделавшие его основным конструкционным материалом строительства, т.е. изготавливаться, главным образом, из местных ресурсов в непосредственной близости от стройплощадок с небольшими трудозатратами, как при производстве смесей, так и при бетонировании конструкций. С другой стороны, он должен обладать достаточным потенциалом, чтобы воспринимать без "вторичной" защиты повышенные физико-механические нагрузки при эксплуатации конструкций в различных, в том числе сильно агрессивных, средах.

Реализация концепции бетонов (ВЭС) оказалась возможной, прежде всего, благодаря комплексному применению суперпластификаторов и микрокремнезема. Оптимальное сочетание указанных добавок-модификаторов, а при необходимости совмещение с ними в небольших количествах и других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. В основе изменения свойств бетонов - происходящие в цементной системе сложные коллоидно-химические и физические явления, которые поддаются воздействию модификаторов и отражаются в конечном счете на фазовом составе, пористости и прочности цементного камня. Очевидно, поэтому многие специалисты относят производство бетонов (ВЭС) к "высоким технологиям". Известны примеры удачного использования бетонов ВЭС при строительстве уникальных объектов за рубежом. Наиболее эффектные из них: тоннель под Ла-Маншем, комплекс высотных зданий в Чикаго, мост через пролив Нортумберленд (Канада), буровые платформы в Северном море и др.

Однако при всей привлекательности перспективы массового производства бетонов и конструкций нового поколения география объектов строительства с их применением оказалась недостаточно широкой. Главная причина - нетехнологичность важнейшего компонента таких бетонов - микрокремнезема, который, представляя собой пылевидный ультрадисперсный материал насыпной плотностью от 150 до 500 кг/м3, крайне неудобен для транспортирования.

Более совершенная технология производства модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами разработана в России Институтом бетона и железобетона (НИИЖБ). Ее реализация оказалась возможной, благодаря появлению уникального комплексного модификатора МБ-01. Этот порошкообразный продукт содержит микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения, имеет насыпную плотность 750-800 кг/м3 и по ряду свойств превосходит зарубежные аналоги. Среди преимуществ МБ-01 - повышенная насыпная плотность (750-800 кг/м3) и композиционный состав, благодаря чему исключается необходимость в суперпластификаторе и упрощается технология производства бетонов.

Инертные материалы

Развитие горнодобывающей промышленности, и в частности, производства горной массы для щебня и гравия продолжает развиваться. Именно эти материалы и обеспечивают конечную прочность бетонов. Производств в нашей стране достаточно, и разрабатываются новые месторождения. Многие отечественные холдинговые предприятия, занятые в секторе строительства, стремятся к полному циклу производства. В качестве примера можно привести Группу ЛСР. Три их основных предприятия производят сырье для производства цемента: "Гранит Кузнечное" - щебень; "Рудас" - песок; "45" - бетон и растворы. В данной производственной цепочке отсутствует только производство цемента. Но сегодня холдинг строит новый цементный завод, и в ближайшем будущем мы надеемся получить новое производство, цикл будет замкнут.

Причины, по которым предприятия вынуждены производить все строительные материалы, прежде всего, кроются в недоверии к качеству поставляемых строительных материалов.

По аналогичному пути идут и СЗНК, и "Петерасфальт" (ныне "Беатон"). К сожалению, такой системный подход к производству присущ не всем, а единицам.

Сегодня щебень для бетона производят в основном качественный, серьезный вопрос вызывает его фракционирование. Подбор состава смеси в Германии или США осуществляется на 5-7 фракциях. У нас пока вырабатывается порядка трех. Некоторые предприятия сами выполняют дробление. Это и удобнее и проще. Так поступает NСС. С чем связана данная ситуация? Просто такие понятия, как лещадность, пылевидность и др., в течение долгого времени не принимались во внимание.

В щебне нормируют содержание зерен пластинчатой (лещадной - произошло от слова "лещ", т.е. плоский, как лещ) и игловатой форм. К зернам пластинчатой и игловатой форм относят такие зерна, толщина или ширина которых менее длины в три раза и более. По форме зерен щебень подразделяют на четыре группы (содержание зерен пластинчатой и игловатой форм, % по массе):группа "кубовидная" до 10%,группа "улучшенная" до 15%,группа "обычная" до 25%,группа "обычная" до 35%.группа "обычная" до 50%.

Необходимо заметить, что "лещадность" - одна из самых важных характеристик качества щебня. Чем меньше лещадность, тем качественнее считается щебень. Использование щебня кубовидной формы дает наиболее плотную утрамбовку.

Наличие в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению межзерновой пустотности в смеси. Это, в свою очередь, приводит к увеличению расхода связующего компонента, что влечет за собой дополнительные материальные затраты.

Кроме того, кубовидные зерна обладают большей прочностью, чем зерна пластинчатой и игловатой форм. Следовательно, использование кубовидного щебня в производстве экономически целесообразнее.

Сегодня наибольшим спросом пользуется щебень, лещадность в котором не превышает 25%. Для тех потребителей, которые выпускают действительно высококачественные асфальт, бетон и железобетонные (в т.ч. мостовые) конструкции, кому по технологии требуется использование кубовидного щебня, требуется гранитный, базальтовый, габбро-диабазовый щебень, с лещадностью 8%, 12%, 15%, произведенный в Новгородской, Свердловской, Архангельской, Ленинградской областях.

Песок также один из существенных наполнителей бетона. Издревле у нас используют песок карьерного происхождения. Никто не спорит, что при соответствующей подготовке и его можно использовать при подготовке бетона, но предпочтительнее песок намывной, с достаточно высоким модулем крупности. При этом в нем не должны быть включения глины и других материалов, чужеродных песку. В индустриально развитых странах инертные материалы, такие как песок и щебень, моют, у нас это предел мечтания.

Дальнейшее развитие и практика изготовления бетонов на песках (песко-бетонов) была реализована в литых бетонах, именно на песках и ПГС изготавливаются и литые фибро (дисперсно-армированные) бетоны.

Сегодня изготовление и использование инертных материалов высокого качества - одна из главных задач строительной отрасли. Именно создание качественных производств инертных материалов способно реализовать программу дальнейшего развития целого направления отрасли в целом.

В итоге приходится говорить о том, что "благодаря" невозможности широкого ликбеза в бетонной отрасли и внедрения новых технологий, в ближайшие годы мы не сможем выйти на новый уровень развития нашей строительной отрасли. Локомотивами здесь могут выступать только новые проекты и компании, которые ориентированы на высококачественные бетоны.