Реактивный порошковый бетон (РПБ) был разработан во Франции под торговой маркой DUCTAL в начале 1990-х годов в лаборатории «Буиг» (Bouygues) во Франции [1]. Первая в мире конструкция из РПБ, мост Шербрук в Канаде, была возведена в июле 1997 г. РПБ представляет собой композиционный материал сверхвысокой прочности, высокой плотности и долговечности. РПБ относится к специальным бетонам, микроструктура которых оптимизирована за счет точно подобранной гранулометрии всех частиц в смеси для достижения максимальной плотности. РПБ в целом можно рассматривать как модель для дальнейшего развития традиционных бетонов с переходом на более высокий уровень дисперсности. Для достижения высоких физико-механических характеристик в составе РПБ применяется микрокремнезем, обладающий пуццоланическими свойствами, а также портландцемент с оптимизированным химическим составом.

Высокое содержание цемента РПБ (порядка до 800 кг/м3 и более) определяет относительное увеличение содержания воды в смесях для обеспечения необходимой удобоукладываемости, что, в свою очередь, вызывает тенденцию к увеличению усадки и деформаций ползучести. В статье представлена возможность получения РПБ с использованием так называемого высокопрочного вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) с замещением части цемента активными минеральными добавками (метакаолин, шлак). Основным принципом изготовления ВНВ, изобретенного в 1984 г. является механическая и химическая активация рационально подобранной сырьевой смеси, включающей компонент клинкера, минеральные добавки, гипс (или портландцемент) сорганическими модификаторами, содержащими водоредуцирующую добавку [2].

Производство вяжущего низкой водопотребности осуществляется при заданных условиях в мельницах, которые традиционно используются в цементной промышленности, то есть в трубчатых мельницах со специальными шаровидными мелющими телами [3][4]. Использование механохимической активации обеспечивает значительное увеличение темпов твердения и прочности портландцемента, который, в свою очередь, будет использоваться в качестве основы для композиционных вяжущих с активностью 80–100 МПа в зависимости от исходного качества цемента; это соответствует повышению прочности примерно на 41–53 % через 28 дней, примерно на 30–70 % через 2–7 дней и более двух раз за 1 день. Наряду с вышесказанным обеспечивается существенное снижение (на 17–25 %) водопотребности цементного раствора, несмотря на повышение дисперсности вяжущего по сравнению с исходными цементами [5]. Удельный расход заполнителей (УРЗ), согласно Пауэрсу [6] выраженный как весовое соотношение заполнитель + наполнители к цементу, применительно к бетонам на ВНВ по этому показателю значительно превосходит обычные портландцементы (до 13 для цемента против 27 для ВНВ), что позволяет рассматривать ВНВ как вяжущее нового поколения [7].

Как известно, в бетоне самым дорогостоящим компонентом является вяжущее, содержание которого в РПБ достигает до 800 кг на м3 и более. Применение недорогих и доступных тонкодисперсных минеральных добавок позволяет существенно сэкономить при производстве бетона. Кроме того, высокие расходы цемента приводят к загрязнению окружающей среды из-за выброса CO2 в атмосферу цементными заводами. Замещение цемента минеральными добавками позволяет во многом решить эти проблемы [8][9].

Тонкодисперсные минеральные добавки, применяемые в качестве компонента композиционных вяжущих, условно можно разделить на инертные и активные [10][11].

Для производства композиционных вяжущих широко используются доменный гранулированный шлак [12–15]. Это обусловлено его высокой гидравлической активностью, позволяющей создавать вяжущие с минимальным содержанием цементного клинкера, а также положительным влиянием на большинство характеристик коррозионной стойкости бетонов.

Еще одной тонкодисперсной минеральной добавкой, в последнее время широко применяемой при изготовлении композиционных вяжущих для высокофункциональных бетонов, является метакаолин, представляющий собой дегидроксилированную форму глинистого минерала каолинита Al2O3∙ 2SiO2∙ 2H2O [16][17].

Целью исследования является разработка составов и технологии изготовления реактивных порошковых бетонов с сниженной материалоемкостью за счет расширения сырьевой базы при помощи замещения части клинкерного компонента высокоэффективными активными минеральными добавками (метакаолин, доменный гранулированный шлак).

Используемые материалы

В работе использовали доступное местное сырье, а именно чистоклинкерный портландцемент марки CEM I 52,5 (М600 по ГОСТ 10178-85), природный кварцевый песок, просеянный до фракции 0,16–0,5 мм (модуль крупности Мкр = 1,01, насыпная плотность 1396 кг/м3) и высокодисперсный микрокремнезем (МК, удельная поверхность Sуд = 24 700 см2/г), шлак гранулированный (удельная поверхность Sуд = 4500 см2/г), метакаолин (МК, удельная поверхность Sуд = 19 000 см2/г). Для приготовления ВНВ путем совместного измельчения с указанным портландцементом применяли суперпластификатор на основе полиметиленполинафталинсульфонатов (ПНС).

Методы исследования

Контроль качества РПБ смесей и бетона производился в соответствии с действующими стандартами, в том числе:

Проведены исследования по оценке влияния на технологические свойства бетонных смесей для получения реактивных порошковых бетонов (РПБ) таких факторов, как виды, дозировка и способы введения различных минеральных добавок.

В работе оценивали возможность использования метакаолина в качестве минеральной добавки. Результаты определения влияния добавки метакаолина в составе вяжущего на технологические свойства бетонных смесей одинаковой подвижности и прочность реактивных порошковых бетонов приведены в табл. 1. и на рис. 1–5.

Проведенные испытания показали, что частичная замена микрокремнезема метакаолином не приводит к существенному увеличению водопотребности – наблюдается даже некоторый пластифицирующий эффект: расплыв конуса при сопоставимом расходе воды не только не уменьшается, но даже увеличивается по сравнению с составом, не содержащим метакаолин – со 147 до 203 мм. Однако при этом следует отметить, что полученный результат относится к показателю удобоукладываемости по ГОСТ 310.4-81,предусматривающему определение расплыва при встряхивании. Этот метод отражает способность смеси к тиксотропному разжижению, однако при отсутствии механических воздействий смесь на ВНВ-75 с метакаолином (состав 2) характеризуется более высокой вязкостью. Еще в большей степени это отличает смеси на ВНВ-75 с полной заменой микрокремнезема метакаолином (состав 3). В этом случае даже при значительном (с 215 до 261 л/м3, т. е. на 21 %) увеличении расхода воды затворения наблюдалось существенное загустевание бетонной смеси, а расплыв конуса при встряхивании не превысил 180 мм (рис. 1, 2). Плотность бетонной смеси на вяжущем с частичной заменой микрокремнезема метакаолином возрастает, а при полной замене – несколько уменьшается (рис. 3), что может быть связано с существенным ростом водопотребности бетонной смеси и морфологией метакаолина.

Характер влияния добавки метакаолина на прочность РПБ зависит от возраста бетона. В возрасте 1 сут нормального твердения прочность бетона возрастает с увеличением содержания метакаолина в вяжущем, что может быть связано с наличием в нем не только силикатной, но и алюминатной и щелочной фаз. В возрасте 2 сут показатели прочности выравниваются, а в более поздние сроки все больше возрастает прочность бетона с микрокремнеземом, очевидно, вследствие повышения роли пуццолановой реакции в процессе твердения (рис. 4). После автоклавной обработки, способствующей наиболее интенсивному и полному протеканию пуццолановой реакции, прочность РПБ как в раннем возрасте, так и в возрасте 28 сут возрастает с увеличением содержания МК в вяжущем (рис. 5).

Частичная (50 %) замена микрокремнезема метакаолином приводит к относительно небольшому снижению прочности – со 135,8 до 125,6 МПа (т. е. на 8 %) в возрасте 2 сут и со 144,7 до 134,3 МПа (т. е. на 7 %) в возрасте 28 сут.

Так называемый «индекс цементирующей эффективности» метакаолина, в зависимости от его расхода, составляет 1,52–2,27, тогда как для микрокремнезема он составляет 2,15–2,93. В связи с этим при полной замене микрокремнезема метакаолином снижение прочности носит резкий характер и составляет во все сроки около 30 %.

Если метакаолин, характеризующийся высокой дисперсностью (около 24 000 см2/г) и потенциальной гидравлической активностью, рассматривался как материал для замены микрокремнезема в РПБ, то шлак использовался для замены в вяжущем цементной составляющей. При этом долю микрокремнезема в составе вяжущего во всех случаях принимали постоянной и равной 25 %. Шлак вводили в вяжущее в количестве 10, 22,5 и 37,5 % с соответствующим уменьшением расхода цемента (портландцемент марки 600). В экспериментах использовали молотый шлак производства «Тулачермет» с удельной поверхностью 4430 см2/г. Составы и результаты испытаний бетонных смесей и бетонов, включая прочность при нормальном твердении и после автоклавной обработки,на ВНВ-75 с частичной заменой цементной составляющей молотым шлаком приведены в табл. 2 и представлены на рис. 6–8.

Полученные данные показывают, что при постоянных параметрах изготовления вяжущих и постоянном значении водо/вяжущего отношения, равном 0,2, замена цемента в вяжущем соответствующим количеством молотого шлака сопровождается снижением водопотребности бетонных смесей: расплыв конуса возрастает с 147 до 186–209 мм (рис. 6). Замена до половины цементной составляющей в составе вяжущего шлаком не приводит к существенному снижению прочности: в возрасте 1 сут нормального хранения снижение прочности бетона на вяжущем с максимальной заменой цементной составляющей шлаком составляет 36 %, а в возрасте 28 сут – только около 8 %. Соответствующие значения для бетонов, подвергнутых автоклавной обработке, составили 21и 17 % (2 и 28 сут соответственно) (рис. 7–8).

Анализ экспериментальных данных показывает, что наиболее эффективным способом применения метакаолина при получении РПБ является его использование в качестве компонента вяжущего при частичной замене им микрокремнезема. В этом случае обеспечивается повышение технологических свойств бетонных смесей без существенного снижения прочностных свойств и темпов твердения бетона.

Установлено, что добавление в состав вяжущего молотого доменного гранулированного шлака может являться эффективным средством снижения вредных воздействий на окружающую среду за счет уменьшения цементной составляющей в ВНВ и, как следствие, выбросов CO2 в атмосферу в связи с тем, что на цементную промышленность приходится примерно 7 % всех глобальных выбросов диоксида углерода в атмосферу. Это особенно актуально с учетом повышенного содержания вяжущего в РПБ-смесях, составляющего 800–1000 кг/м3. В этом случае замена шлаком 50 % цементной составляющей вяжущего соответствует экономии 300–400 кг цемента на 1 м3.