Эволюция строительного бетона в Канаде — 50 лет опыта и современные вызовы

РЕФЕРАТ. За последние полвека бетон, применяемый в строительной отрасти в Канаде, эволюционировал из категории «просто надежного и неприхотливого строительного материала» в современный композиционный материал с выдающимися физико-техническими характеристиками. Благодаря разработке эффективных водоредуцирующих добавок и использованию микрокремнезема прочность бетона удалось поднять с рядовых значений порядка 30 МПа до 200 МПа. В данной статье* описана эволюция строительного бетона в ходе разработки новых бетонных технологий, благодаря которым становилось возможным возведение уникальных зданий и сооружений. Также затронуты проблемы, связанные с эффективным и безопасным применением портландцементов с добавками и поликарбоксилатных суперпластификаторов в современных бетонных композициях.

Ключевые слова: бетон, высокопрочный бетон, сверхвысокопрочный бетон, водоредуцирующая добавка, пластификатор, суперплас­тификатор, микрокремнезем, цемент с добавками.

Keywords: concrete, high performance concrete, ultra-high strength concrete, water reducer, plasticizer, superplasticizer, silica fume, blended cement.

Введение

В данной статье рассматриваются развитие бетонной индустрии в Канаде, достижения в этой области за последние полвека и некоторые актуальные задачи последних лет. Эволюция строительного бетона объясняется с позиций оптимизации микроструктуры цемент­ного теста, достигнутой вследствие разработки и внедрения в практику нескольких ключевых технологий, способствовавших возведению в стране уникальных зданий и инженерных сооружений в 1970—2000 годах.

Сегодня с увеличением доли использования портландцементов с минеральными добавками и появлением на рынке нового семейства суперпластификаторов у бетонной индустрии появляются новые задачи, связанные с внедрением данных технологий в практику.

За отправную точку рассматриваемой нами эволюции бетона в Канаде примем время, предшествовавшее возведению знаменитой CN Tower в Торонто (рис. 1), строительство которой началось в 1973 году.

Рис. 1. CN Tower, Торонто.

Фото: Х. Де Вааль

Период лигносульфонатных пластификаторов

До возведения CN Tower основной объем производимого в Канаде строительного бетона с вовлеченным воздухом характеризовался прочностью при сжатии на уровне 30 МПа и осадкой конуса 100 мм. При его производстве использовались малоэффективные водоредуцирующие добавки на основе лигносульфонатов: они обеспечивали сокращение количества воды затворения на 5—8 %. Основой добавок были отходы предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.

Несмотря на это, при строительстве CN To­wer инженерам удалось на основе цемента с замедленным тепловыделением и средней сульфатостойкостью (содержащего около 6 % C₃A) произвести бетон с вовлеченным воздухом, демонстрирующий проектную прочность на уровне 50 МПа. Выбор цемента был обусловлен требованиями ограничить температурные деформации массивных конструкционных элементов толщиной более 1 м, составляющих часть фундамента будущей башни.

При этом выбор цемента с пониженным тепловыделением непреднамеренно привел к проявлению другого положительного эффекта, оказавшего ключевое влияние на успех бетонных работ [1]. Благодаря низкому содержанию алюминатной фазы (являющейся приоритетной мишенью для сорбции активного вещества лигносульфонатных водоредуцирую­щих добавок) большее количество добавки оказалось доступным для диспергирования основной массы цемента, а это, в свою очередь, повысило удобоукладываемость бетона.

С наступлением осени и понижением среднесуточной температуры было принято решение о постепенном замещении (с шагом 10 %) части цемента с низким тепловыделением на общестрои­тельный портландцемент. Таким образом, бетон для последних 100 м башни был изготовлен на основе рядового портланд­цемента.

До постройки небоскреба Burj Khalifa в Дубаи CN Tower являлась самым высоким свободно стоящим сооружением в мире. Бетон башни пережил испытание временем: здание эксплуа­тируется по сей день.

Период полисульфонатных пластификаторов

В 2007 году в Японии и Германии прак­тически одновременно были открыты дис­пергирующие свойства двух полимерных соединений — полинафталинсульфоната (polynapthtalene sulfonate, PNS) и полимеламинсульфоната (polymelamine sulfonate, PMS). Оба эти вещества имеют четко выраженную структуру, поэтому многочисленные промышленные пластификаторы на их основе отличаются в основном степенью полимеризации целевого продукта, степенью сульфонирования и долей сульфогрупп, находящихся в β-положении, что определяется качеством синтеза и чистотой исходного нафталина и меламина, использую­щихся при их производстве.

Изначально новые суперпластификаторы использовались исключительно для повышения подвижности смеси при укладке товарного бетона. Первым крупным объектом в Канаде, при строительстве которого были применены суперпластификаторы, поставляемые в то время из Европы, стал олимпийский стадион в Монреале (рис. 2).

Рис. 2. Олимпийский стадион, Монреаль.

Фото: Х. Абдаллах

Однако вскоре уже канадская компания Handy Chemicals стала мировым лидером среди производителей PNS‑суперпластификаторов. Ее продукт характеризовался степенью полимеризации около 10 и числом сульфогрупп в β-положении порядка 80 %. Продукция компании нашла широкое применение в строительной отрасли Канады и США.

Довольно быстро стало понятно, что суперпластификаторы можно использовать не только для повышения подвижности бетонной смеси, но и для одновременного снижения ее водопотребности, что в конечном счете привело к созданию нового класса строительных материалов — ​высокопрочного бетона (High Performance Concrete, HPC).

Вместе с тем практика применения полисульфонатных суперпластификаторов показала, что различные виды портландцемента по-разному реагируют на присутствие добавки в составе бетона. В некоторых случаях бетоны демонстрировали нормальное поведение, и осадка конуса сохранялась на протяжении 1,5 ч; при иных комбинациях портландцемента и суперпластификатора первоначальная подвижность бетона терялась уже через 15 мин. Дозировка суперпластификатора также странным образом влияла на свойства бетона: иногда незначительные изменения его количества приводили к расслоению бетонной смеси или резкой потере подвижности, а в других случаях даже существенное изменение содержания добавки в бетонной смеси практически не оказывало влияния на осадку конуса [2].

Для описания наблюдаемых явлений были введены следующие понятия: «совместимые» и «несовместимые», «чувствительные» и «нечувствительные» комбинации.

В то время казалась удивительной ситуа­ция, когда два цемента, соответствующие одним и тем же техническим требованиям, при взаимо­действии с одним и тем же пластификатором демонстрировали различное поведение. Для объяснения наблюдаемых эффектов было выполнено множество исследовательских работ. Со временем выяснилось, что «совместимость» и «чувствительность» смесей в основном связана с содержанием и активностью фазы C₃A, тонкостью помола цемента и растворимостью его сульфатного компонента [3].

В конечном счете стало понятно, что корнем «проблемы» были условия проведения стандартизованных испытаний. Сегодня при испытаниях цемента стандартным подходом является изготовление раствора при фиксированном В/Ц, равном 0,5, без применения каких-либо пластификаторов. При столь значении этого параметра реология растворной смеси определяется в основном количеством воды: гидратация цемента в ранний период не влия­ет на подвижность, поскольку частицы не взаимодействуют между собой вслед­ствие значительного расстояния между ними в приготовленной смеси. Работающие в подобных условиях цементы оптимизированы по своим основным характеристикам (составу, тонкости помола, содержанию сульфатной добавки) в первую очередь для обеспечения требуемых сроков схватывания и ранней прочности, а не реологии растворной/бетонной смеси в первые часы.

Однако при пониженном В/Ц и, как след­ствие, более плотной упаковке частиц цемента рост количества образующихся на них продуктов гидратации приводит к взаимо­действию последних между собой, что существенно влияет на подвижность смеси. Для таких бетонов первоочередное влияние на реологию оказывает скорость образования C—S—H-геля и роста крис­таллов эттрингита на поверхности зерен, а не содержание воды. Управление сохраняемос­тью подвижности бетонов низкой водопотребности может оказаться нетривиальной задачей, и в некоторых случаях добиться сохранения исходной осадки конуса спустя 1,5 ч удается лишь путем замены цемента в рецептуре. Применяя цементы с низкой активностью, можно достичь требуемой живучести бетона даже при В/Ц, близком к 0,2.

Бетоны с полисульфонатными пластификаторами и микрокремнеземом

Микрокремнезем образуется в виде побочного продукта при выплавке кремния или кремнийсодержащих сплавов в электродуговых печах. Микрокремнезем, производимый на предприятиях Квебека, стали применять при изготовлении бетона в начале 1980-х годов. Его введение позволило создавать бетоны с проч­ностью свыше 100 МПа [4], первые образцы которых использовались при устройстве экспериментальных колонн 22-этажного здания штаб-квартиры компании SNC — Lavalin в Монреале (рис. 3). Вплоть до 1998 года, когда был построен пешеходный мост Passerelle de Sherbrooke, данный бетон удерживал пальму первенства по прочности среди всех бетонов, произведенных в Канаде [5, 6]. В то время микрокремнезем не являлся компонентом цемента, а добавлялся в бетонную смесь непосредственно при ее изготовлении.

Рис. 3. Несущая (ACTIVE) и экспериментальная (MOCK) колонны (а) и следы отбора кернов из экспериментальной колонны (б) в здании Lavalin, Монреаль.

Фотографии предоставлены П.-К. Айчином

При возведении в Торонто Scotia Plaza, первого в Канаде небоскреба, для производства высокопрочного бетона с прочностью 70 МПа (без воздухововлечения) было применено сочетание PNS, микрокремнезема и шлака. Композиционное вяжущее содержало 65 % ПЦ, 28 % шлака и 7 % микрокремнезема [7].

Стройка велась на протяжении двух лет. В летние месяцы заполнитель и цемент нагревались до неприемлемых температур, причем даже использование льда не позволяло поддерживать температуру бетона ниже 25 °C; для решения этой проблемы пришлось применять жидкий азот (рис. 4).

Рис. 4. Охлаждение бетона жидким азотом (а) при строительстве небоскреба Scotia Plaza в Торонто (б, в).

Фотографии предоставлены Дж. Бикли (а, б) и Э. Риветтом (в)

Оценив очевидные преимущества введения микрокремнезема в состав бетона, производители цемента в Квебеке вскоре стали предлагать потребителям готовый композиционный цемент с 7—8 % микрокремнезема, получивший наименование Type 10 SF. Его использование совместно с суперпластификаторами позволяло в то время довольно легко производить бетон, характеризующийся проч­ностью 70—100 МПа и осадкой конуса 200 мм при В/Ц 0,3 и менее [8]. Данный цемент использовался в большинстве проектов в Западной Канаде, где применялся высокопрочный бетон.

Период цементов с добавкой микрокремнезема и PNS

Первые мосты в Квебеке из высокопрочного бетона. В Квебеке цемент типа Type 10 SF в сочетании с PNS производства компании Handy Chemicals применялся при производстве бетона для ряда мостовых со­оружений в 1992—1995 годах (рис. 5—7) [9— 14].

Рис. 5. Мост Portneuf (построен в 1992 году с использованием 140 м³ бетона) (а) и укладка бетона при его строительстве при помощи ковша (б).

Фотографии предоставлены П.-К. Айчином

Рис. 6. Эстакада Montée St-Rémi (построена в 1993 году с использованием 450 м³ бетона).

Фотография предоставлена П.-К. Айчином

Рис. 7. Мост Jacques Cartier (построен в 1995 году с использованием 2 тыс. м³ бетона).

Фотография предоставлена П.-К. Айчином

В ходе строительства этих объектов бетон укладывали при помощи бетонораздаточного ковша (рис. 5, б), что помогало сохранить необходимую структуру воздушных пор. В течение первой недели осуществлялся уход за свеже­уложенным бетоном во избежание усадки.

Морская гравитационная платформа Hibernia. Это сооружение (рис. 8) является крупнейшей в мире (по массе) нефтяной платформой. Она спроектирована и построе­на с применением высокопрочного бетона для противостояния воздействию крупных айс­бергов и других неблагоприятных факторов окружающей среды на одноименном нефтяном месторождении [15—17].

Рис. 8. Платформа Hibernia в ходе строительства.

Фотография предоставлена Р. Элимовым

На этапе возведения в связи с повышением расчетной массы механического оборудования по сравнению с первоначальной выявилась необходимость снизить плотность бетона, чтобы повысить плавучесть платформы. Предлагались два варианта решения проблемы: 1) увеличить содержание воздуха в бетоне на 1 %, что поз­волило бы снизить плотность последнего на 25 кг/м³, или 2) заменить половину объема тяжелого крупного заполнителя на легкий. После продолжительных обсуждений решили использовать сразу оба варианта с учетом возможного увеличения массы оборудования платформы в будущем. Был незначительно повышен объем вовлеченного воздуха; легкий заполнитель для бетона основания платформы доставили из Техаса, США. Чтобы предотвратить потерю подвижности бетонной смеси при использовании легкого пористого заполнителя, рабочий штабель постоянно опрыскивали водой в течение всего периода производства бетона.

Результаты первых испытаний полученного бетона показали, что вопреки ожиданиям проч­ность при сжатии и модуль Юнга не только не снизились, но даже незначительно возросли в сравнении со свойствами первоначально разработанного тяжелого бетона. Как выяснилось впоследствии, это объяснялось тем, что насыщенный водой легкий заполнитель способен отдавать ее по всему объему твердеющего высокопрочного бетона, снижая усадку и повышая степень гидратации цемента, т. е. осуществляя «уход за бетоном изнутри».

Мост Конфедерации. Этот мост (рис. 9) был построен в 1993—1997 годах. Переправа длиной 12,9 км, соединяющая провинцию Нью-Брансуик и остров Принца Эдуарда, целиком смонтирована из блоков заводского изготовления, выполненных из нескольких различных типов высокопрочного бетона [18, 19]. Цемент и крупный заполнитель для проекта поставлялись из провинции Новая Шотландия, песок и суперпластификатор — ​из Квебека, един­ственными «местными» компонентами бетона стали вода и воздух.

Рис. 9. Мост Конфедерации (а) и ледовый щит на его опоре (б).

Права на фотографии, выполненные А. Бойли (а) и Д.Дж. МакДжинном (б), приобретены С. Кроссингом

Разработка рецептур некоторых типов бетона для проекта оказалась непростой задачей. Особенно трудно было подобрать состав для ледовых щитов опор моста, в зимний период подверженных циклам замораживания—оттаи­вания в приливной зоне, а весной испытывающих очень серьезную абразивную нагрузку в период ледохода [19]. Для противодействия ледовой нагрузке было решено повысить проч­ность при сжатии бетона путем максимального снижения В/Ц. При замещении 15 % цемента золой-уносом, уменьшении В/Т до 0,25 и содержании вовлеченного воздуха на уровне 5 % (после перекачки) прочность полученного бетона достигла в среднем 93 МПа [20].

Вместе с тем перекачка негативно влияла на распределение воздушных пор в уложенном бетоне. Расстояние между порами (фактор расстояния) превышало 220 мкм, т. е., соглас­но действовавшему в то время стандарту CSA A23.1, бетон не обладал требуемой морозостойкостью. Шербрукский университет и исследовательский центр компании Lafarge выполнили ряд исследований, чтобы определить максимально допустимый фактор расстояния для предусмотренного в проекте высокопрочного бетона, который позволил бы поднять его морозостойкость до уровня, соответствующего 500 циклам замораживания—оттаивания согласно стандарту ASTM C666 (процедура A).

На основе используемых в проекте сырье­вых материалов были разработаны 5 различных рецептур бетона. Изменяя доли воздухововлекающей добавки в составе бетонной смеси, изготовили бетоны с фактором расстояния 180—450 мкм. По результатам испытаний на морозостойкость лишь бетон с фактором 450 мкм не выдерживал 500 цик­лов, в то время как бетоны с фактором менее 350 мкм прошли испытания без каких-либо проблем. Было решено, что бетон для ледовых щитов должен иметь фактор расстояния менее 350 мкм, для чего потребовалось повысить воздухововлечение изготавливаемого бетона до 6 %, чтобы компенсировать снижение этого показателя до 5 % при перекачке к месту укладки.

Бетоны, выдержавшие 500 циклов, были подвергнуты дальнейшим испытаниям, результаты которых показали четкую тенденцию повышения морозостойкости при уменьшении фактора расстояния; бетон с фактором 180 мкм выдержал 1956 циклов.

На основе полученных данных и результатов других исследований в этой области, проведенных Шербрукским университетом и Университетом Лаваля в Квебеке, было решено пересмот­реть требования стандарта CSA A23.1 в части требований к фактору расстоя­ния в сторону увеличения его допустимого значения при оценке морозостойкости высокопрочных бетонов, и сегодня оно составляет 270 мкм. Однако даже если это значение для конкретного бетона на практике оказывается недостижимым, можно руководствоваться методикой, описанной в процедуре А стандарта ASTM C666, и принимать за порог требований по морозостойкости 300 или 500 циклов замораживания—оттаивания в зависимости от фактических условий в месте эксплуатации бетона в холодное время года.

В настоящее время ведется мониторинг износа бетона ледовых щитов Моста Конфедерации. Согласно результатам замеров, продолжительность жизненного цикла данного бетона составляет 300 лет.

Сверхвысокопрочные бетоны на основе реакционноспособных порошков

В стремлении к дальнейшему повышению прочности материала было установлено, что слабым звеном в рецептурах высокопрочных бетонов является крупный заполнитель.

В 1994 году двое исследователей из французской компании Bouygues описали новую концепцию сверхвысокопрочных бетонов, получивших в то время название «Бетон на основе реакционноспособных порошков» (Reactive Powder Concrete, RPC) [21]. Чтобы обойти огра­ничение конечной прочности бетона, связанное с прочностью применяемого крупного заполнителя, предлагалось просто исключить его из рецептуры. Таким образом, RPC представляет собой тонкодисперсную растворную смесь, с добавкой стальной фибры, играющей роль, аналогичную роли стальной арматуры в традиционном железобетоне [22].

RPC характеризуются очень плотной упаковкой частиц, типичное В/Т для таких бетонов составляет около 0,2 и менее. После ухода в особом режиме, предусматривающем нагрев до температуры 90 °C в 3—4-е сутки хранения, удается получить бетон с прочностью 200 МПа. При замене кварцевого наполнителя на порошок железа такого же гранулометрического состава изобретателям RPC удалось достичь прочности при сжатии в 800 МПа. Мельчайшие частицы железа играли роль твердых включений, упрочняя микроструктуру полученного композита.

Первой конструкцией, построенной с применением сверхвысокопрочного бетона, в 1998 году стал пешеходный мост в Шербруке (рис. 10) [23, 24]. С момента постройки каждые 5 лет выполняются замеры резонансных частот колебаний его конструкции. Полученные данные сравниваются с теоретически рассчитанными значениями и экспериментальными данными, полученными спустя год после введения моста в строй, что позволяет оценить ее состояние. После 18 лет эксплуатации мост находился в отличном состоянии [25].

Рис. 10. Пешеходный мост в Шербруке, Квебек).

Фотография предоставлена П.-К. Айчином

В 1980 году федеральное правительство Канады запустило программу создания сетей центров передовых технологий (Networks of Centres of Excellence) с целью объединить научных работников и промышленных специалистов для повышения уровня развития прикладных исследований в Канаде и помощи в трансферте технологий. Одна из 14 созданных сетей получила название Concrete Canada; ее деятельность существенно способствовала распространению технологий высокопрочного бетона по всей стране [26, 27]. Описанные выше проекты, такие как платформа Hibernia, мост Конфедерации и пешеходный мост в Шербруке, были реализованы при непосредственном участии данной структуры.

Период поликарбоксилатных суперпластификаторов

Первые водоредуцирующие добавки являлись побочными промышленными продуктами и характеризовались низкими показателями стоимости и эффективности. Обнаружение диспергирующей способности полисульфонатов изменило представление о добавках в бетон как о побочных продуктах. Более дорогие полимерные добавки, синтезированные целенаправленно для применения в составе растворов и бетонов, доказали свою высокую эффективность и с технологической, и с коммерческой точек зрения. Сегодня химические добавки применяются не только для диспергирования частиц цемента и снижения водопотребности, но и для модифицирования вязкости, снижения усадки, создания напрягающих и расширяющих композиций, противодействия коррозионным воздей­ствиям и улучшения других эксплуатационных характеристик бетона.

Добавки для улучшения перекачивания бетона и модификаторы вязкости. Изначально добавки для улучшения перекачки были разработаны, чтобы облегчить перемещение традиционного бетона бетононасосами и для его заливки под водой без риска вымывания компонентов и сегрегации бетонной массы. Довольно скоро обнаружилось, что, корректируя дозировку добавки, можно управлять растекаемостью смеси вплоть до получения самоуплотняющегося бетона. Бетоны такого класса впервые разработали в Японии с целью снизить стоимость строительных работ, сегодня они находят широкое применение по всему миру. В большинстве случаев при возведении высотных зданий основание пола формируется из самоуплотняющегося бетона с прочностью 30—40 МПа, подаваемого бетононасосом в нужное место; обычно при этом после заливки в арматуре возникают напряжения.

В Канаде одним из первых крупных объек­тов, построенных из бетона с применением модификаторов вязкости, стал мост Конфедерации: здесь самоуплотняющийся бетон, модифицированный велановой камедью, использовался для заливки под водой оснований опор моста.

Полимеры на основе эфиров поликарбоксилатов. Примерно в 1990 году у нового семейства полимеров была открыта способность к высокоэффективной диспергации частиц цемента. Сегодня они широко известны в строительной среде как полиакрилатные (polyacrylate, PAE) и поликарбоксилатные (polycarboxylate, PCE) суперпластификаторы. Большинство поликарбоксилатов обладают более выраженным водоредуцирующим эффектом по сравнению с полисульфонатами при одинаковой дозировке и при этом в меньшей степени замедляют схватывание цемента и набор ранней прочности.

В общем случае молекулы PCE состоят из основной цепи, к которой прикрепляются боковые цепи (рис. 11). Основным механизмом их работы, в отличие от полисульфонатов, является не электростатическое, а стерическое (пространственное) отталкивание частиц, покрытых пластификатором [22].

Рис. 11. Типичная гребенчатая структура молекулы PCE‑суперпластификатора.

Иллюстрация предоставлена Р. Флаттом

В то время как PNS и PMS имеют четко определенную структуру молекул, структура PCE отличается многообразием, обусловленным множеством возможных способов комбинаций основных и боковых цепей различной природы и длины, плотностью навески боковых цепей. Таким образом, термин PCE носит собирательный характер и относится к широкому спектру полимерных структур. Сегодня нельзя однозначно определить наиболее удачную комбинацию структурных и химических факторов, обусловливающих высокую эффективность суперплас­тификаторов данного типа [28].

Помимо сильного пластифицирующего эффекта было обнаружено, что PCE способствуют вовлечению воздуха в состав растворов и бетонов, причем в отличие от специализированных воздухововлекающих добавок, стабилизирующих размер воздушных пузырьков на уровне десятков микрометров, PCE захватывают и сохраняют воздух в смеси в виде полостей неправильной формы размером в сотни микрометров.

Данный эффект может вызывать некоторые негативные последствия, например:

⋅ при использовании суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов бетоны могут характеризоваться объемом захваченного воздуха 2,5—3,0 %, в то время как обычно этот показатель для бетонов без воздухововлекающих добавок находится в пределах 1,0—1,5 %. При этом известно, что введение упрочнителей для промышленных полов создает риски отслаивания верхней обработанной поверхности напольного покрытия после нескольких месяцев эксплуа­тации, если содержание воздуха в смеси превышало 3 %. В этой связи рекомендуется применять добавки, позволяющие снизить объем воздуха в смеси до уровня 1,5 % (пеногасители) и ликвидировать крупные воздушные пустоты, возникающие из-за применения поликарбоксилатов;

⋅ для бетонов с заданной проектом морозостойкостью необходимо определять фактор расстояния между воздушными мик­ропорами. При этом нельзя основываться лишь на связанном с ним общем объеме пор в бетоне, поскольку значительная его часть обусловлена наличием в составе бетона PCE. Например, из 6 % измеренного воздуха (что является индикатором высокой морозостойкости для бетонов с PNS‑пластификаторами) 1,5 % приходится на механически захваченный воздух (крупные поры), еще 1,5 % — ​на воздух, захваченный благодаря действию PCE. Лишь оставшаяся половина всего объема воздуха может использоваться для формирования защитной сети микропор. Таким образом, изготовление бетона с высокой морозостойкостью с применением PCE требует повышенного внимания и осторожности, в отличие от PNS, которые не имеют тенденции захвата воздуха и формирования больших (размером в десятые доли миллиметра) воздушных каверн в теле бетона.

Период цементов с минеральными добавками

Сегодня перед цементной промышленнос­тью и строительной отраслью в целом стоит задача снизить «углеродный след» при возведении объектов из бетона. Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является частичная замена цемента в бетоне или клинкера в составе цемента на минеральные добавки — ​инертные или обладающие пуццоланическими либо скрытогидравлическими свойствами. Замещение каждого килограмма цемента соответствует снижению выбросов CO₂, сопровождающих его производство, на 0,6—1,0 кг. Однако замена цемента добавкой с гораздо меньшей гидравлической активностью приводит к существенному падению ранней прочности бетона, а в случае применения, например, известняка возникают также вопросы долговременной коррозионной устойчивости полученного камня.

Существует несколько основных подходов к компенсации этих факторов и получению удовлетворительной ранней прочности:

⋅ повышение доли C₃A и C₃S в составе клинкера для изготовления цемента с минеральными добавками;

⋅ повышение тонины помола (удельной поверхности) цементов с добавками с целью повысить их реакционную способность;

⋅ повышение плотности изготавливаемых растворов и бетонов, например, за счет применения пластифицирующих добавок и снижения В/Т.

Рассмотрим эти подходы по отдельности.

Чтобы повысить в составе клинкера долю C₃S — компонента, ответственного за формирование ранней прочности цемента, — необходимо повышать коэффициент насыщения сырьевой смеси, т. е. увеличивать долю карбонатного компонента в ее составе, что автоматически повышает сопутствующие выбросы CO₂. Отчасти это компенсируется снижением удельных выбросов за счет снижения доли такого клинкера в составе цемента с добавками, однако данное решение представляется не совсем удачным.

C₃A играет важную роль в формировании первичной структуры цементного камня за счет образования эттрингита. Однако при увеличении доли C₃A в составе клинкера остро встают вопросы сульфатостойкости камня на его основе, особенно в условиях поступления сульфат-ионов в бетон из внешней среды в ходе его эксплуатации. Таким образом, данный подход к повышению ранней активности цемента также не может быть рекомендован.

Помол цемента для повышения его активности, безусловно, приведет к повышению удельных энергозатрат на работу мельничного оборудования, что также приведет к росту непрямых выбросов CO₂.

По нашему мнению, наиболее подходящим решением для увеличения ранней прочности бетонов на основе цементов с минеральными добавками является повышение плотности упаковки частиц в цементной матрице. В раннем возрасте минеральные добавки в цемент­ном камне играют роль твердого микронаполнителя, повышая интегральную прочность цементной матрицы и снижая необходимый для заполнения пустот между частицами объем гидратных новообразований.

В настоящее время наиболее эффективной практикой увеличения ранней прочности смешанных цементов, вероятно, следует признать совокупность двух методик: незначительного повышения тонины помола и снижения В/Т.

Что касается другой крайне важной характеристики бетона — ​долговечности, то она тесно связана со способностью камня сопротивляться миграции воды и ионов по поровой структуре камня; т. е. основными принципами повышения долговечности являются повышение плотнос­ти бетона и снижение связанной пористости. Применение этого подхода на практике стало возможным благодаря появлению пластифицирующих добавок, позволяющих снизить количество воды в бетонной массе и уплотнить укладку его твердых компонентов. В конечном счете появившийся недавно класс сверхвысокопрочных бетонов продемонстрировал возможность создания практически абсолютно непроницаемой структуры, исключающей миграцию воды и ионов через тело искусственного камня. Применение в составе бетонов микрокремнезема или иных пуццоланических добавок, снижение В/Т и повышение плотности материала также, как известно, способствуют увеличению срока его службы.

Заключение

За последние полвека строительная индус­трия Канады сумела воспользоваться преимуществами, появившимися в результате реализации нескольких прорывных технологий в области создания бетонов повышенной прочности и долговечности. Их применение позволило воплотить в жизнь ряд уникальных строительных проектов.

Сегодня в строительной индустрии активно применяются композиционные цементы и новейшие химические добавки, такие как поликарбоксилатные суперпластификаторы. Оба этих фактора оказывают значительное влияние на микроструктуру связующей матрицы бетона, поэтому новейшим вызовом, ответ на который не терпит отлагательств, становится наработка опыта по их совместному использованию в рецептурах бетонов. Авторы данной статьи полагают, что эффективное решение этой задачи потребует объединения усилий специалистов цементной, бетонной промышлености и индус­трии химических добавок, а также научного сообщества.

* Перевод статьи публикуется с любезного разрешения Canadian Journal of Civil Engineering.