Рядовой бетон. Есть ли выход?

| 08 Сентября 2011

Между тем еще до Боломея с конца XIX века было известно [3], что ничуть не меньше, если не больше, чем цементо-водное отношение, на прочность бетона влияет пористость, или содержание воздуха в камне. Она же является основной причиной перерасхода цемента и неадекватного коэффициента вариации. Снижение содержания воздуха в бетоне за счет соответствующего выбора состава и количества сырьевых компонентов – самый эффективный путь снижения себестоимости и вариации.

Считается, что пористость – необходимая составляющая цементного камня и бороться с ней бессмысленно. Почему-то умалчивается, что на практике главная причина воздуха в смеси – объем пустот смеси заполнителей больше объема цементного теста. Кроме потери прочности, водонепроницаемости и морозостойкости это приводит к таким хорошо известным последствиям, как расслаиваемость смесей, низкий класс поверхности бетонов. Попытки решить проблему применением пластификаторов приводят к обратному эффекту – из-за водоредуцирования объем цементного теста еще более уменьшается. В этом контексте выглядят смешными попытки достижения необходимого коэффициента уплотнения и водопоглощения в жестких смесях мелкозернистых бетонов увеличением давления пресса, подбором параметров вибрирования, поиском чудодейственных добавок и т. п. Типичный пример: расход цемента 450 кг/м3, В/Ц 0,3, песок Мкр 3,0. Пустотность песка в уплотненном состоянии 0,32, объем цементного теста, как нетрудно высчитать, 280 л/м3. Таким образом, объем воздуха в смеси при любых ухищрениях не может быть меньше 40 л/м3. В результате – бетон по прочности и водопоглощению не удовлетворяет требованиям ГОСТ 17608-91. Эту проблему, возникшую у предприятия ООО «Феникс – Рыбинск», удалось решить заменой песка его смесью с песком Мкр 0,16 в оптимальном отношении, обеспечивающем минимальную пустотность. Причем расход цемента был уменьшен до 405 кг/м3. Да и мелкий песок дешевле крупного. Но это полумера. На самом деле в рядовых бетонах расход цемента не должен быть выше 250–300 кг на м3. А для этого надо минимизировать пористость бетона в целом, включая цементный камень, использовать химические и механические методы активации цемента и оптимизировать В/Ц. Именно оптимизировать, а не минимизировать, как полагают рекламные агенты пластификаторов. Зависимость прочности от цементо-водного отношения не линейна, а унимодальна. Оптимум соответствует необходимому для наиболее полной гидратации цемента количеству воды. Это количество соответствует 27–28% от веса цемента усредненного состава [4]. Если воды меньше, количество гидратировавшего цемента уменьшается, и прочность падает. Смесь без воды не имеет прочности. И не стоит забывать, что, уменьшая воду, для сохранения объема смеси приходится увеличивать расходы цемента и заполнителей, а вода – самый дешевый компонент бетона.

Имеем следующую концепцию компоновки оптимального по цене и параметрам бетона:

– вяжущее должно включать цемент максимальной активности, количество воды и свойства цемента должны обеспечивать максимальную гидратацию к расчетному сроку;

– для уменьшения расхода вяжущего пустотность заполнителя должна быть минимальна;

– стоимость заполнителей должна быть много меньшей стоимости цемента.

Эти три метода аддитивны, эффективность их применения складывается. Их можно применять по отдельности или в сочетании.

Увеличить активность цемента изготовитель бетона может двумя способами – механическим и химическим. Механический заключается в изменении гранулометрии цемента. Цемент, как правило, состоит из частиц с максимальным размером 100 мкм, средним 20–25 мкм. На рис. 1 представлены дифференциальные распределения размеров частиц цементов турецкого CEM I 42,5N и ЦЕМ II/А-П 32,5 Н ОАО «Мордовцемент», полученные методом лазерного исследования. Известно, что в нормальных условиях твердения к обычному проектному возрасту частицы цемента гидратируют на глубину не более 5–6 мкм [5]. Частицы размером более 10–15 мкм бесполезны для образования клея. С другой стороны, существует гипотеза: «Все известные опыты проводились в том случае, когда в составе вяжущего были как крупные частицы – более 25 мкм, так и мелкие, ниже 5–10 мкм. Это все и путает. Если разделить вяжущее на фракции и отдельно на каждую фракцию подать нужное количество воды, то к удивлению обнаружите как отсутствие избыточной водопотребности, так и примерно равные скорости начала кристаллообразования. Но как только фракции смешаете в одном флаконе – то получаете все негативные факторы вместе. Физика процесса проста: с 40 до 5 мкм – огромные рост как удельной поверхности, так и кривизны этой самой поверхности. Вода под действием сил поверхностного натяжения скатывается с крупных частиц к мелким, крупные не успевают гидратировать. Следовательно, чтобы доставить воду на крупные частицы – нужен ее избыток, иначе им никогда не гидратировать. Но этого мало, так как мелкие частицы быстро прогидратировав начинают процесс кристаллообразования, а он связан с резким (в разы) увеличением плотности в локальной микрообласти. Вокруг этой области кардинально изменяется напряженно-деформированное состояние системы, когда в центре кристаллообразования образуется состояние всестороннего сжатия, значит, вокруг этой области – состояние растяжения. Из области кристаллообразования начинает выдавливаться несвязанная вода под диким давлением и с дикой скоростью. Это приводит к локальному разрушению близлежайшей области начавшей формироваться матрицы. Из-за неодновременного начала кристаллообразования вся структура подвергается диким градиентам различной природы, что приводит от образования микродефектов к их росту в макродефекты» [6]. Мы разделяем эту гипотезу, следовательно, оптимальным считаем как можно более узкое распределение размеров частиц цемента в границах 10–15 мкм.

Внедрению механоактивирующих аппаратов в технологию изготовления бетона препятствуют мифы, порожденные попытками использования для этой цели дезинтеграторов. Главные – «механоактивированный цемент теряет активность при хранении в течение нескольких часов» [7]. «Механоактивация цемента приводит к существенному росту прочности в раннем возрасте, но не влияет на прочность в дальней перспективе».

На самом деле, существенное влияние на свойства цемента оказывает способ формирования разрушающего воздействия. Крайних из возможных способов два – ударный и сдвиговый. При ударном способе разрушения, как это имеет место в дезинтеграторах, происходит не столько измельчение материала, сколько искажение поверхности цемента. Это и приводит к негативным последствиям. Существует альтернатива – цемент, измельченный сдвиговым воздействием [8]. Он теряет активность с обычной скоростью 5–10% в месяц, имеет практическое одинаковое преимущество в активности по сравнению с исходным в любом возрасте бетона.

Сдвиговый способ, в комбинации с ударным, реализуется в шаровых мельницах. Однако их применение связано с неприемлемым удорожанием подготовки сырья. В этом году ООО «Рим» планирует начало серийного выпуска роторно-инерционных мельниц для активации цемента, основанных на формировании чисто сдвигового воздействия. Пилотные экземпляры в течение более чем года проходят успешную апробацию на двух предприятиях в Ярославской области. Мельницы имеют производительность 5 т/ч при потребляемой мощности 25 кВт, обеспечивают прирост активности цемента на 25–35%. На рис. 1 показана гранулометрия цемента после помола, на рис. 2 – внешний вид мельницы. Применяются два варианта доставки активированного цемента к месту хранения – периодический, с помощью пневмокамерного насоса (монжуса) и непрерывный – инжекторным насосом. Процесс активации автоматизирован и не требует присутствия оператора. К недостаткам следует отнести необходимость изменения технологической схемы изготовления бетона и переоборудования системы воздухоотделения для улавливания тонких фракций цемента.

Возможность химического воздействия на активность цемента связана с распространением в последнее время полимерных добавок. В основном применяются добавки пластифицирующего принципа действия. С 30-х годов применяются добавки с активными сульфогруппами – лигносульфонаты, нафталин – меламин формальдегиды. Основной принцип действия – диспергирующий, связанный с увеличением сольватной оболочки цементных частиц с мощным одноименным зарядом поверхности этой оболочки. В принципе действия заложен порок – увеличение разобщенности частиц, затрудняющее кристаллообразование. Действительно, эти добавки хорошо пластифицируют, но одновременно снижают активность цемента, попавшего в их раствор. Кроме того, сомнительна с точки зрения совместимости с бетоном химическая природа добавок, основанных на сульфатах. Все это, с нашей точки зрения, ставит под сомнение перспективы применения сульфатных добавок.

От этих недостатков свободны добавки, основанные на карбоксильных группах. Их принцип действия связан с уменьшением межслойного трения бетонной смеси за счет величины и формы гидрофильных полимерных хвостов молекул. Таким образом, основное действие – опять пластифицирующее.

В рядовых бетонах увеличивать активность цемента предпочтительнее, чем пластифицировать – водоредуцировать. Бесконечно снижать содержание воды в бетоне не имеет смысла ни с технической, ни с экономической точек зрения. В последнее время на рынке появились добавки, основное действие которых – увеличение активности цемента, попавшего в их раствор [9]. Серийное производство таких добавок под маркой ПКФ-70 освоено ООО «ВПК». Действующее вещество – олигомеры с активными фосфоновыми группами. Они имеют гораздо меньшие размеры молекул, чем известные полимерные добавки в сочетании с энергетической эффективностью, сопоставимой с сульфонатами. В силу высокой энергозаряженности добавки активно сорбируются на зародышах кристаллообразования, образуют с ними растворимые комплексы, препятствуя очаговому кристаллообразованию. Этим обеспечивается однородность формирования кристаллов по мере потери воды из-за гидратации.

Для обеспечения оптимального водоредуцирования в сочетании с увеличением активности цемента перспективна модификация пластификаторов олигофосфонатами. Например, ПКФ-70П – продукт модификации лигносульфоната, относится к пластификаторам, но одновременно увеличивает прочность, по сравнению с образцом без добавки, на 20–30% при одинаковом В/Ц. Применение добавки при изготовлении безопалубочных плит методом экструзионного формования на Воскресенском заводе ЖБКиИ позволило снизить требования к прочности бетона при снятии натяжения с канатов с 350 до 280 кг/см2. На наш взгляд это свидетельствует о значительном улучшении свойств цементного теста из-за однородности.

В полусухом вибропрессовании мелкозернистых бетонов, для которого характерна повышенная пустотность заполнителя, лучшей на рынке оказывается добавка ПКФ – 70В – сочетание олигофосфоната с воздуходиспергирующим компонентом. Ее применение приводит к увеличению прочности и уменьшению водопоглощения продукции в сочетании с уменьшением расхода цемента. Применение добавки позволило Воскресенскому заводу ЖБКиИ сэкономить свыше 25% цемента при формовании изделий на прессе «Бессер».

Если не принимать во внимание возможность использования мытых фракционированных заполнителей, минимизировать пустотность можно расширением диапазона размеров частиц в сочетании с оптимизацией гранулометрической характеристики их распределения. Верхняя граница крупности заполнителя ограничена толщиной изделия и технологией работ. Для обычно используемой смеси песка и щебня нижняя граница приблизительно соответствует 100 мкм. При использовании смеси из двух компонентов, даже оптимизируя их соотношение, трудно добиться пустотности менее 0,25. Уменьшить пустотность можно введением компонентов с меньшим размером частиц. Критериями выбора являются цена, адгезия с цементным камнем, водопотребность. По цене возможно применение кремнийсодержащих заполнителей – шлаков, зол и карбонатсодержащих – известняк, мел. По соображениям адгезии и водопотребности применение карбонатов предпочтительнее. Мел дороже чем известняк, но размер его частиц соответствует необходимому. Известняк требует помола.

Частицы рассматриваемого размера склонны к агломерированию, что способствует попаданию воздуха из агломератов в бетонную смесь. В работе обоснован способ ввода карбонатных пород в бетонную смесь в виде водной суспензии. Однако для увеличения степени наполнения суспензии в применялся лигносульфонат, что помешало раскрыть возможности введения карбоната в полной мере. Дело в том, что лигносульфонат – не лучший диспергатор для карбоната, кроме того, способствует воздухововлечению. Для обоснования способа ввода заполнителя в смесь был поставлен эксперимент с целью определения вовлеченного воздуха по ГОСТ. Изготовлены и уплотнены с помощью лабораторной виброплощадки образцы цементного теста равной подвижности Пк2 на цементе ЦЕМ I 42,5Н оскольского завода. Первый – контрольный, из цемента и воды. В остальных использовалась смесь цемента и мела МТД-2 в соотношении 9:1. В одном случае мел вводился в сухом виде. В других – в виде 70- процентной суспензии, с применением низкомолекулярного полиакрилового диспергатора Orotan 734K фирмы Rhomen&Haas и олигофосфонового диспергатора ПКФ-70Д, не имеющего пенообразования. Результаты измерения объема вовлеченного воздуха приведены в таблице.

Роторно-инерционные мельницы измельчают как сухие, так и жидкие материалы. При применении мельниц РИМ для помола суспензий карбонатов отпадает необходимость в смесителе для их изготовления. Мельница сама обеспечивает необходимую гомогенность при раздельной подаче компонентов на ее входы.

Лабораторные результаты определения экономического эффекта обнадеживают – замена цемента вяжущим на основе оптимального сочетания карбоната в виде водной суспензии на ПКФ-70Д и цемента приводят к экономии средств от 500 руб/1 м3 бетона. Изменением пропорций цемента и суспензии можно добиться оптимальной активности вяжущего для любой марки бетона. Опытное внедрение метода с целью промышленной апробации осуществляется в ООО «Волжский ЖБК» в настоящее время.

С точки зрения минимизации пустотности оптимальным соотношением размеров компонентов является в 6 – 8 раз [14], в то время как разница в размерах между мелом и песком – в пятьдесят раз. Необходимо введение еще одного компонента. Материал необходимых размеров был получен измельчением карьерного песка с Мкр=2,5 в мельнице РИМ. На рис. 4 показаны его гранулометрические характеристики. Кроме успешного применения в тяжелых бетонах, такие размеры позволяют удешевить тяжелую составляющую легких бетонов без потери прочности. Вместо цемента прослойки между легким заполнителем целесообразно формировать из смеси цемента, суспензии мела и молотого на мельнице «РИМ» песка в соотношениях, обеспечивающих минимальную пустотность заполнителя.

Таким образом, эффективно снизить себестоимость бетона, уменьшить коэффициент вариации можно за счет изменения схемы подготовки сырья с использованием роторно-инерционных мельниц, применением современных модификаторов активности цемента и расширением сырьевого ассортимента карбонатами.