архив» все записи»

Автор: М. Я. Бикбау
Дата: 08.09.2012
«СтройПРОФИ» № 6
Рубрика: Бетоны и ЖБК


Новые бетоны для аэродромных покрытий, дорог и инженерных сооружений

Аннотация

Бетоны. Приводятся новые данные по получению бетонов с высокими строительно-техническими свойствами на основе наноцементов. Приводятся данные испытаний бетонов, показавшие практическую возможность снижения расхода цемента в бетонах до 150 кг на куб. м с получением бетонов марки В45–В50, водонепроницаемостью W20 и морозостойкостью более 300 циклов. Дается объяснение полученных результатов на атомарном и молекулярном уровне. На примерах некондиционного нерудного сырья регионов Краснодарского края, Северной Осетии, Хабаровского Края и Подмосковья показана возможность получения высококачественных бетонов на наноцементах. Наноцементы позволят радикально уменьшить объемы транспортных перевозок нерудных материалов, значительно снизят стоимость бетонов.

Бетоны на основе наноцементов могут значительно повысить эффективность строительства монолитных и сборных аэродромных полос, автомобильных дорог и площадок.Приводятся данные по разработке впервые в мире дренирующих бетонов для оснований аэродромных и дорожных покрытий, получаемых по технологии капсуляции зерен крупных заполнителей цементным раствором.

Конструкции. Предлагаются новые конструкции для аэродромного и дорожного круглогодичного строительства из сборных элементов: аэродромные и дорожные преднапряженные плиты, коробчатые балки эстакад и мостов, опорные колонны, длинномерные ригели и арки на основе трубобетона.

Технологии. Описываются первая в мире новая технология производства дренирующих бетонов капсуляцией и укладкой с омоноличиванием крупных заполнителей на грунт и технология постнапряжения (post-tension) железобетонных конструкций стягиванием и напряжением стальных канатов и их пучков для круглогодичного сборного строительства аэро-дромных и дорожных покрытий, инженерных сооружений в виде эстакад и мостов, большепролетных ангаров, вышек, зданий и сооружений любого назначения со значительной экономией затрат и времени строительства.

Бетоны

Портландцемент является основной составляющей бетонов, определивших практически все области строительства: жилье и дороги, плотины и аэродромы, причалы и мосты. Поверхность планеты непрерывно покрывается конструкциями и покрытиями из миллиардов куб. м бетона благодаря производству уже более 2-х млрд тонн цемента.
Доля стоимости цемента в бетонных смесях составляет около 60–70%, и вопросы снижения его расхода — в числе ключевых проблем уменьшения себестоимости строительства. Желание строителей снизить расход цемента находится в противоречии с возрастанием требований к строительно-техническим свойствам и долговечности бетонов.

Во всем мире наблюдается переход на более высокие марки бетонов. Новые бетоны получили в мировой практике строительства название High Performanфce Concrete (HPC). НРС должны обеспечивать срок службы изделий и конструкций не менее 200 лет, а в перспективе и 500 лет. Высококачественные бетоны радикально увеличили возможности строительства для возведения небоскребов, мостов, тоннелей, плотин, шахт и подводных сооружений.

Можно, однако, констатировать, что совершенствование строительно-технических свойств портландцементов во всем мире уже несколько десятков лет не позволяет сколько-нибудь ощутимо повысить их активность более классов по прочности 42,5–52,5, а возрастание требований к качеству бетонов с высокими и сверхвысокими эксплуатационными свойствами вызвало развитие и оптимизацию подбора составов бетонных смесей.

В настоящее время такие бетоны, с высокими характеристиками, производятся с применением тщательно подобранных компонентов смесей, минимальным их загрязнением глинистыми, ограничениями по гранулометрии и морфологии мелких и крупных заполнителей, использованием достаточно дорогих химических добавок и микрокремнезема.
Попытки получения более активных цементов для высокопрочных бетонов предпринимаются во многих странах, можно указать на первый такой специальный цемент — Nanodur CEM II/B-S 52,5 R, производимый более тонким измельчением цемента и кварцевого песка без ввода микрокремнезема, однако требующий значительных расходов цемента (более 600 кг на куб. м бетона) и специальных добавок для получения бетонов UHPC [1].

В отличие от этого подхода, механо-химическая активация цемента в сочетании с нанокапсуляцией (целесообразно такие материалы назвать наноцементами) — новое направление регулирования строительно-технических свойств и получения высококачественных бетонов типа НРС с вышеуказанными свойствами, которое наиболее конкурентоспособно с обычным модифицированием бетонных смесей, упрощает требования к крупному и мелкому заполнителям, исключает применение микрокремнезема и дорогих химических добавок, позволяет существенно снизить стоимость бетона, отказаться от его тепловой обработки.

Наноцементы — это такие цементы, которые характеризуются наличием сплошной нанокапсулы (оболочки) на частичках модифицированного полимерного вещества толщиной в несколько десятков нанометров [2].

Разработанная российскими учеными технология производства наноцементов позволяет значительно (до марок М 72,5 — М 82,5) повысить марочность чистоклинкерных портландцементов, а также организовать переход промышленности на производство малоклинкерных цементов с минеральными добавками, что дает возможность радикального уменьшения удельных энергозатрат на тонну цемента за счет снижения содержания портландцементного клинкера в таких цементах до 35–45% с сохранением высоких строительно-технических свойств материалов [2–4].

При производстве малоклинкерных наноцементов открывается возможность эффективного использования минеральных добавок не только в виде различных природных пуццолановых пород, не пригодных для бетонов мелких кварцевых песков, отходов вскрыши и т. п., но и техногенных отходов — зол и шлаков различных производств, переработка которых превратилась в значительную экологическую проблему.

Значительный потенциал наноцементов позволил подойти к возможности применения некондиционных местных мелких и крупных заполнителей для производства качественных бетонов. В настоящее время значительную часть в стоимости бетонов составляют затраты на перевозку кондиционного песка и щебня, зачастую, на тысячу и более км.

Нерудные строительные материалы производятся практически во всех регионах страны, но распределение производств не соответствует уровню активного строительства в федеральных округах. Это связано с массированным завозом высокопрочного щебня из скальных пород в Центральный федеральный округ и Южный округ (Сочи) из Северо-Западного (Ленинградская обл., Республика Карелия) и Уральского (Свердловская и Челябинская обл.) федеральных округов. Причем стоимость перевозки часто в несколько раз превышает цену щебня, что обусловлено отсутствием в ЦФО и ЮФО выходов скальных пород. Так, стоимость гранитного щебня, доставляемого в Сочи из разных регионов России, составляет в настоящее время около 1 500 руб., строительного песка — около 1 300 руб. за каждую тонну. Для производства более чем десятка млн куб. м бетона в Москве и Московской области из далеких регионов (Кольский полуостров, Урал и т. п.) ввозятся многие млн т щебня, в то время как в Московской области и недалеко от нее существуют десятки карьеров с известняковым щебнем, вполне пригодным для получения не только ординарных, но и высокопрочных долговечных бетонов. Стоимость таких щебней не превышает 500 руб. за тонну, местных песков — не более 200–300 руб. за тонну.

Использование некондиционного сырья для получения высокомарочных и прочных бетонов на основе наноцементов — ключевое достижение ОАО «Московский ИМЭТ», имеющее мировое значение в технологии бетонов. По заказу ФГУП АГАА и ОАО УСК «МОСТ» в течение 2009–2010 гг. институтом были выполнены исследования по подбору составов бетона широкого назначения на сырьевых материалах регионов России, в том числе и на некондиционных мелких и крупных заполнителях. Строительно-технические свойства бетонов, в соответствии с пожеланиями заказчиков, определялись испытательной лабораторией ГУП «НИИМосстрой» (автор приносит глубокую благодарность сотрудникам ГУП «НИИМосстрой»: к. т. н. В. Ф. Афанасьевой, к. т. н. С. В. Машковской, А. А. Моргуновой и др., проводившим испытания).

Было приготовлено два состава сухих механоактивированных смесей (СМС) по ТУ 5745-067-05442286-99: СМС-40, включающий 40% портландцемента, 46% кварцевого песка, 7% доменного шлака и 7% золы ТЭС; СМС-90, включающий 90% портландцемента и 10% кварцевого песка.

В качестве исходного портландцемента для получения СМС-40 и СМС-90 применялся цемент Мордовского завода: М-500, Д 0 Н, для бетонных смесей применяли щебень Павловского карьера М-1200 и строительный песок Раменского карьера Мкр 2,5, соответствующие требованиям ГОСТ на нерудное сырье для бетонов.

Результаты, полученные нами при испытаниях в ГУП «НИИМосстрой» малоклинкерных наноцементов значительно превышают высшие мировые достижения. В табл. 1 приводятся составы бетонных смесей без применения каких-либо химических добавок. Полученные основные характеристики бетонов достаточно красноречивы. По пожеланию заказчика работ в ГУП «НИИМосстрой» были проведены также испытания наноцементов в бетонах после года хранения испытанной партии в бумажной таре на складе заказчика (результаты испытаний также приведены в табл. 1).

Табл. 1. Результаты испытаний бетонов на основе наноцементов и кондиционном нерудном сырье составов СМС-40 и СМС-90 «Московского ИМЭТ» в ГУП «НИИМосстрой» по заказу ФГУП АГАА

Результаты испытаний бетонов 

Анализ результатов сравнительных испытаний позволяет констатировать следующее: энергосберегающие малоклинкерные наноцементы отличаются высокими строительно-техническими свойствами и при содержании 40% портландцемента в бетонах малоклинкерные наноцементы при фактическом расходе портландцемента 148 кг на 1 куб. м бетона позволяют достичь уже за 3 суток нормального твердения класса В 35, за 7 суток — В 40 и за 28 суток нормального твердения — В 50, при высокой морозостойкости и водонепроницаемости — W 20.

Наноцементы с небольшим количеством (10% масс.) минеральных добавок позволяют уже за одни сутки нормального твердения достичь класс бетона В 25, за 3 суток — В 35, а за 28 суток — В 60.

В испытательной лаборатории ГУП «НИИМосстрой» по заказу ОАО УСК «МОСТ» были проведены также работы по определению строительно-технических свойств бетонов на малоклинкерных наноцементах из механоактивированных портландцементов различных заводов и некондиционных нерудных материалах в виде щебней горных выработок и местных строительных песков.

В таблицах 2 и 3 приводятся результаты подбора составов тяжелых бетонов на малоклинкерных наноцементах и нерудном сырье различных регионов, включая продукты переработки горных пород.

В качестве исходного портландцемента для производства наноцементов (СМС) использовали портландцемент М-500, Д 0 Н, ОАО «Новоросцемент» и кварцевый песок Раменского карьера Московской обл. Портландцемент Новороссийского цементного завода, по данным выполненного рентгеновского количественного анализа фазового состава (РКА), относится к высокоалитовым с минералогическим составом, % масс.: алита — 60, белита — 20, алюминатов кальция — около 5 и алюмоферритов кальция — около 13. Обнаружено присутствие небольшого количества гипса, следы шпинели и периклаза. Для приготовления бетонных смесей на малоклинкерных наноцементах в качестве крупного заполнителя применяли фракции 5–20 щебней и грунтов горной выработки различных регионов с местными строительными песками.

Попытки получения качественных бетонов на местном, часто некондиционном, нерудном сырье, помимо необходимости перерасхода портландцемента, даже при применении дорогостоящих химических добавок зачастую не обеспечивают требуемых качеств бетонов при строительстве в том же регионе различных сооружений, а также дорог, мостов, тоннелей и эстакад.

Наноцементы — качественный скачок в технологии бетонов. Их применение позволяет радикально ускорить темп твердения бетонов, отказаться от энергозатратной пропарки, получить бетоны класса НРС и изделия на их основе с меньшими затратами энергии и труда, повысить технологический уровень всех областей применения бетонов (как монолитных, так и сборных), упростить технологии формирования изделий и конструкций с применением современных достижений безопалубочного формования. Бетоны на наноцементах имеют более низкую стоимость (по расчетам специалистов ОАО УСК «МОСТ»): за счет снижения расхода портландцемента и применения местных нерудных достигается экономия затрат в пределах от 500 до 700 руб. на куб. м бетонной смеси.

Приведенные доводы подтверждаются результатами многолетних испытаний наноцементов в бетонах, которые уже в первые сутки нормального твердения на кондиционных заполнителях показали класс В 30, за трое суток — класс В 40, за 7 суток — класс В 50 и за 28 суток — класс В 65, при высокой морозостойкости и водонепроницаемости — W 20 (табл. 1).

Как показали результаты исследований и испытаний, применение малоклинкерных наноцементов позволяет получать высокопрочные быстротвердеющие бетоны с пониженными расходами портландцемента даже на некондиционных крупных и мелких заполнителях.

Так, состав бетонной смеси №1 (табл. 2) включает в виде крупного заполнителя грунт Южного портала ж/д тоннеля № 3 фракции 5–20 мм с маркой по дробимости 300, с содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы 17% масс., по остатку на сите 83,2%, по содержанию пылевидных и глинистых частиц 3,5% масс., с морозостойкостью F — 25, что делает его не соответствующим требованиям ГОСТ 8267-93 и 26633-91. Исследование минералогии грунта методом рентгеноструктурного количественного анализа показало, что в качестве основной минеральной фазы (около 80% масс.) он содержит анальцим — Na2OAl2O3 6 SiO2 2 H2O, а также до 10% масс. кальцита, до 5% масс. полевого шпата и до 5% масс каолинита. Всего 335 кг портландцемента, превращенного в наноцемент, даже с таким крупным заполнителем оказалось достаточно, чтобы произвести быстротвердеющий (80% прочности в первые трое суток твердения) бетон класса В 55 с водонепроницаемостью W 16 и морозостойкостью более 300 циклов (состав 1, табл. 2).

Применение более прочного крупного заполнителя в виде щебня горной выработки ТО №12 «Бамтоннельстроя» Хабаровского края позволяет из 307 кг наноцемента получить бетон также с высокими показателями (состав 2, табл. 3): марка — более 700, прочность на изгиб — 7,5 МПа, водонепроницаемость — W 20 и морозостойкость — более 300 циклов. Известняковый щебень (по данным РКА, содержащий 96% масс. кальцита) с маркой по дробимости 600 и морозостойкостью F 50, c содержанием пылевидных и глинистых частиц 5,1% (вместо не более 2% по ГОСТ) фракции 5–20 мм из грунта ЗАО «Сочинеруд» карьера Каменский при снижении расхода портландцемента до 190 кг на куб. м бетонной смеси и применении его в виде наноцемента позволил получить высокую прочность в начальные сроки твердения при классе бетона В 35, водонепроницаемости W 20 и высокой морозостойкости (состав 3).

Литература
1. Томас Дейзе «Переход от технологии Mikrodur к технологии Nanodur. Применение стандартных цементов в практике производства бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами». // «Бетонный завод», №3, 2009 г.
2. Бикбау М. Я. «Нанотехнологии в производстве цемента». — М.: ОАО «Московский ИМЭТ». 2008 г.
3. Бикбау М. Я. «Малоклинкерные цементы. Энергосбережение и качество». Международное аналитическое обозрение «Цемент. Бетон. Сухие строительные смеси». Alitinform. № 3–4, 2008 г.
4. Бикбау М. Я. «Тонкое измельчение цемента с кремнеземистыми добавками — перспектива будущего» / Сб. докладов «Современный цементный завод». Вып. 1, 2006 г.

(Табл. 2, 3 приводятся в продолжение статьи)

 Продолжение в СтройПРОФИ №7, 2012 г.


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад