Статья посвящена одной из основных проблем технологии бетона – определению возможности производства качественных, прочных бетонов и изделий на их основе с применением в качестве крупных заполнителей горных пород, образующихся при проходке и строительстве инженерных сооружений.

УДК 666.9.01

М.Я. БИКБАУ, академик РАЕН, доктор техн. наук, гендиректор ОАО «Московский ИМЭТ», В.Н. ПАНАФИДИН, гендиректор ООО «ТрансИСПроект»

Ключевые слова: наноцемент, бетон, заполнитель, щебень, гранит, прочность, помол, смесь
Keywords: nano cement, concrete, aggregate, gravel, granite, strength, grinding, mixture

Основную массу бетона обычно составляет крупный заполнитель – щебень в виде дробленных изверженных, глубинных интрузивных и излившихся горных пород: гранитов, диабазов, базальтов, габбро, а также осадочных пород: известняков, доломитов, кварцитов, песчаников и отдельных метаморфических пород – мраморов, гнейсов и др. [1].

Выбор в каждом регионе крупных и мелких заполнителей для бетона определяется – помимо требований к качеству и соответствию стандартов – логистикой, так как транспортировка материалов значительно удорожает производство бетона.

Так, если для г. Москвы и Московской области при изготовлении бетонов низких марок (В22,5 по ГОСТ 26633) применяются известняковые щебни Калужской и Владимирской областей, то для производства более прочных бетонов используют гранитный щебень из Карелии со значительно более высокой стоимостью.

Исследование возможности применения слабых и недостаточно морозостойких щебней, продуктов переработки горных пород, вскрышных пород и местного нерудного сырья является ключевым направлением снижения транспортных затрат и, соответственно, затрат на строительство жилья, объектов соцкультбыта и инженерных сооружений. Только в России ежегодно укладывается несколько сотен миллионов кубометров бетона, для производства которого перевозятся сотни миллионов тонн щебня и песка.

Весьма сложная ситуация сложилась в свое время на знаковых стройках олимпийских и сопутствующих объектов в районе г. Сочи. В связи со значительным размахом строительных работ и необходимой потребности в качественных бетонах в этот регион ввозились большие объемы нерудных заполнителей. Так, стоимость привозных гранитных щебней в регионе достигала 1500 руб. за тонну, а стоимость строительного песка – 1300 руб. за тонну материала.

В Крымском регионе транспортные трудности также вызвали повышение стоимости привозного щебня до 1500 руб. и строительного песка до 2000 руб. за тонну.

Настоящее исследование посвящено попытке решения проблемы получения качественных, в том числе прочных и высокопрочных бетонов на основе сырьевых материалов в виде грунтов горных выработок и местного нерудного сырья в районе строительства совмещенной автомобильной и железной дороги г. Адлер – ст. Альпика-Сервис (Краснодарский край).

Основные классы цемента, выпускаемые цементными заводами во всем мире последние десятилетия, колеблются в пределах от 32,5 МПа до 52,5 МПа с преобладанием класса 42,5 и общим недостатком – сроком гарантии качества цемента не более 2 месяцев. Цементники во всем мире исчерпали свои возможности по повышению марочности основного материала строительства и уступили перспективы совершенствования бетонов предприятиям по их производству.

Технология обеспечения качества требуемых бетонов в настоящее время предусматривает вариации составов бетонных смесей с применением значительного числа различных минеральных и химических добавок, позволяющих модифицировать бетоны и достигать необходимых показателей.

Такой подход значительно ужесточает требования к применяемым цементам (тонина помола, оптимальная минералогия, отсутствие вредных примесей, соблюдение небольших – не более двух месяцев – сроков хранения), к крупным заполнителям – высокая прочность, низкая истираемость, морозостойкость, кубовидная форма с минимальным количеством лещадных частиц, к мелким заполнителям – строительным пескам – требования определенной гранулометрии, минимального содержания глинистых примесей.

Применение химических добавок, к сожалению, значительно удорожает стоимость бетона и часто сопровождается нежелательными последствиями при эксплуатации построенного жилья, как это подтверждается во многих регионах страны, жители новых домов в которых задыхаются от запаха аммиака.

Создание в России наноцементов позволило достичь высоких строительно-технических свойств бетонов без традиционного подхода к ужесточению требований к нерудным составляющим бетонных смесей и практически без необходимости применения дорогостоящих и зачастую вредных химических добавок в бетонные смеси.

Результаты многолетних испытаний строительно-технических свойств таких бетонов на наноцементах приведены в [2-7]. Доказанное повышение базовых вяжущих характеристик наноцементов является новой перспективой применения портландцементов для производства современных высокопрочных бетонов, а при получении ординарных бетонов дает радикальную экономию расхода цементов и снижение себестоимости изделий. В процессе работ с наноцементами открываются новые возможности уникального материала.

Так, соблюдение сегодняшних требований ГОСТ 8267-93 для щебня и ГОСТ 8736-93 для песка при производстве бетонов вызывают необходимость значительных затрат на перевозку крупных и мелких заполнителей, соответствующих требованиям ГОСТов.

Традиционные бетоны, так же как и все остальные продукты на основе связующего – портландцемента, включают обязательным компонентом кварцевый песок, частички которого играют роль не только «мелкого заполнителя», но и реагента, вступающего в химическую реакцию с продуктами гидратации портландцемента с образованием на конечной стадии основных минералов – гидросиликатов кальция, обеспечивающих бетонам прочность и долговечность.

Строительный песок характеризуется наличием весьма крупных частиц кремнезема и кремнеземистых минералов. Размер подавляющего объема частиц составляет от сотен до нескольких тысяч мкм, что делает поверхность реакции частичек песка и значительно более мелких частиц цемента весьма небольшой – не превышающей 50-70 кв. м на 1 кг цементно-песчаной смеси, при средней удельной поверхности портландцемента в России 300 кв.м/кг, а за рубежом – 400 кв.м/кг.

Согласно Техническому заданию был проведен комплекс исследований по получению опытных партий малоклинкерных наноцементов различных составов по ТУ 5745-067-05442286-99 на основе портландцемента завода «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент» и строительного песка Майкопского карьера в экспериментальном цехе ЗАО «ИМЭТСТРОЙ».

На основе опытных партий СМС и поставленных заказчиком продуктов горной переработки и местных нерудных материалов были выполнены работы по исследованию материалов, подбору и испытаниям составов бетонных смесей.

Оптимизированные составы бетонных смесей на некондиционном сырье были использованы для получения бетонов требуемых характеристик, на которых в испытательной лаборатории ГУП «НИИМосстрой» были проведены комплексные работы по определению по действующим стандартам строительно-технических свойств бетонов, таких как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость и др.

Основными недостатками продуктов горной выработки, вскрышных пород и распространенного местного сырья являются:

– для щебней: низкая прочность и высокая истираемость, значительная масса лещадных частиц и слабых зерен, низкая морозостойкость, наличие глинистых включений, неоднозначность соответствия минералогического состава;

– для песков: низкое содержание кремнеземистых составляющих, в первую очередь кварца, значительное количество слабых частиц обломочных и сопутствующих пород, примеси глинистых фаз, возможность присутствия гидратационно активных минералов.

Методика исследований и испытаний

Анализ минералогического состава материалов выполнялся с помощью установки Дрон-3 М методом рентгеновского количественного анализа (РКА) с использованием внешнего стандарта – α-кварца и с применением компьютерных программ для обработки спектров радиометрических определителей, картотек, эталонных дифрактограмм.

Подготовка анализируемых проб после просушки включала:

– отбор средней пробы путем квартования массой до 5 г;
– измельчение в металлической ступке до размера частиц ≤1 мм;
– помол в механической ступке в течение 5 мин.;
– просеивание через сито 006;
– дотирание остатка в агатовой ступке до полного прохождения материала через сито 006;
– смешивание и усреднение полученного порошка многократным просеиванием через крупное сито с отверстиями 1 мм;
– набивка образца, смоченного этиловым спиртом, в кювету и формирование рабочей поверхности.

Удельная поверхность дисперсий определялась стандартным методом на приборе ПСХ-2. Плотность бетонных смесей определялась по ГОСТ 10181.2-81, подвижность бетонных смесей – по осадке стандартного конуса по ГОСТ10181.1-81. Прочностные показатели и плотность бетонов определяли по стандартным методикам ГОСТ 10180-90, водонепроницаемость образцов бетона – по ГОСТ 12730.5-84. Морозостойкость – по ГОСТ 10060.1-95 Базовый метод определения морозостойкости и по ГОСТ 10060.2-95 Ускоренные методы определения морозостойкости, по способам 2 и 3.

Задачи исследований

В настоящей работе была поставлена задача по получению максимально экономичных бетонов на основе малоклинкерных наноцементов с крупным заполнителем (грунт карьера Южный портал, щебень карьера Каменский) и песков Волжского, Майкопского (Майского), «Выбор-С», «Титан», «Альфа», «Август» и Хромцевского карьеров – местного сырья Краснодарского края, в районе Сочи.

Работы по подбору составов бетонных смесей выполнялись с учетом получения на представленном некондиционном сырье бетонов классов от В7,5 до В45 с различными заданными подвижностями смесей, прочностью, водонепроницаемостью и морозостойкостью бетонов при минимальных расходах портландцемента и химических добавок.

Крупные заполнители для бетонов

Для проведения работ получено два вида щебня фракции 5-20 мм – с Каменского карьера и карьера Южный портал Краснодарского края. Полученные щебни были испытаны на прочность и морозостойкость ускоренным методом. Мелкие заполнители были выбраны с учетом применения местного сырья.

Щебень из грунта карьера Каменский, по данным рентгенофазового качественного и количественного анализов, оказался известняковым. РКА фракций такого щебня показал, что в более мелких частицах материала содержание примесных фаз возрастает.

Испытания по известной методике в солях, выполненные в ГУП «НИИМосстрой», подтвердили низкую морозостойкость обоих видов щебней и весьма небольшую прочность щебня с карьера Каменский (не более М-300) при значительной истираемости.

Разработанные составы бетонных смесей включают в виде крупного заполнителя грунт выработки тоннеля №3 Южного портала ж/д в виде щебня фракции 5-20 мм с маркой по дробимости М-300, содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы 17% масс., остатку на сите 5 83,2%, содержанию пылевидных и глинистых частиц 3,5% масс. Низкие прочностные показатели крупного заполнителя из породы тоннельной выработки были подтверждены соответствующими испытаниями в ГУП «НИИМосстрой», так же как и недостаточная морозостойкость щебня (далее – щебень Южного портала).

Щебни из грунта карьера Каменский и карьера Южный портал не соответствуют ГОСТ 8267-93, ГОСТ 26633-91 по гранулометрии – остатку на сите с d=5 мм, по большому содержанию пылевидных и глинистых частиц – 5,1% масс. при ограничениях содержания по ГОСТ не более 2%, а также по морозостойкости, составившей всего 25 циклов (табл. 1). Испытание проводилось по ГОСТ 8269-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Метод физико-механических испытаний».

Таблица 1. Результаты испытаний проб щебня в испытательной лаборатории ГУП «НИИМосстрой»

Вх. № лаб.	Наименование пробы согласно письму и паспорту	Размер фракций в мм	Морозостойкость. Потеря массы в % после попеременного замораживания и оттаивания:
			F25	F50
80	Щебень карьера Каменский ЗАО «Сочинеруд»	10-20	5,06	17,20
81	Щебень из грунта Южного портала ж/д. Тоннель №3	10-20	3,53	7,60
Требования ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»			Не более 10	Не более 5

Исследование минералогии грунта выработки тоннеля №3 – щебня Южного портала методом рентгеноструктурного фазового количественного анализа показало, что в качестве основной минеральной фазы (около 80% масс.) он содержит анальцим – Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O, а также до 10% масс. кальцита, до 5% масс. полевого шпата и до 5% масс. каолинита. Содержание в виде основной фазы водосодержащего минерала анальцима объясняет невысокую прочность и низкую морозостойкость щебня.

Мелкие заполнители для бетонов

Мелкие заполнители были выбраны с учетом применения прежде всего местного недорогого сырья. Для проведения исследований заказчиком были представлены пески различных карьеров – как Краснодарского края и близлежащих районов, так и привозные, например песок Хромцевского карьера, поставляемый из Ивановской области:

— песок ООО «Майкопская нерудная компания» (документ о качестве №508, №601, сертификат гигиенический, сертификат соответствия, протокол №177/8, протокол №96-1 с приложением №2, протокол лабораторных исследований №17228);
— песок ООО «Волжское ГТП №1» (протокол испытания от 10.05.2011 г., документ о качестве №151);
— песок карьера Хромцевский (протокол испытаний №147, сертификат соответствия);
— песок ООО «Титан» (документы о качестве №170, №171, №163);
— песок карьера «Выбор-С» (протокол испытаний №150, документ о качестве №208, сертификат соответствия);
— песок ООО «Альфа-строй» (протокол испытаний №151, гигиенический сертификат, протокол №32-10с, протокол от 18.11.2010 г.);
— песок карьера ООО «Август» (протоколы испытаний №149, №21/П, паспорт №27).

Результаты выполненного ситового анализа мелких заполнителей представлены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты ситового анализа исследованных песков по зерновому составу

Наименование видов песка	Зерновой состав песка, остатки на сите, % по массе					Отсев
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16
Раменский	0,5	13,5	33,0	30,5	20,0	2,5
Титан	24,0	9,5	16,0	31,5	15,0	4,0
Хромцевский	15,5	10,0	31,0	33,5	8,5	1,5
Выбор-С	18,5	10,5	14,5	22,3	25,5	8,7
Август	28,6	6,6	13,2	36,2	15,4	—
Альфа	0,6	1,1	13,1	65,4	15,8	4,0
Волжский	18,5	6,0	12,5	36,5	20,0	6,5

Рентгеновский качественный и количественный анализ как наиболее перспективных местных песков, так и широко применяемого строительного песка карьера «Титан» показал изменение количественного соотношения минеральных фаз в зависимости от дисперсности песков (табл. 3).

Таблица 3. Изменение количественного соотношения минеральных фаз в зависимости от дисперсности исследованных песков, по данным РКА

Карьер	Проба, размер фракций	Фаза
		Кварц β-SiO2 ±5%	Плагиокл ±3%	Хлорит ±2%	Слюда ±2%	Цеолит ±1%	Кальцит ±3%
Альфастрой	ПАС-1 <1,25 мм	50	13	8	11	> 1	7
Альфастрой	ПАС-2 >1,25 <2,5 мм	40	12	11	6	> 1	6
Альфастрой	ПАС-3 ≥2,5 мм	36	8	10	5	> 1	26
Выбор-С	ПВС-1 <1,25 мм	58	21	7	8	3	—
Выбор-С	ПВС-2 >1,25 >2,50 мм	52	20	9	4	4	—
Выбор-С	ПВС-3 ≥2,5 мм	46	18	10	4	4	—
Август	ПАТ-1 <1,25 мм	80	9	5	4	2	—
Август	ПАТ-2 >1,25 >2,50 мм	68	12	9	4	3	—
Август	ПАТ-3 ≥2,5 мм	65	12	7	2	5	—
Титан	ПТ-1 <1,25 мм	87	14	4	5	> 1	—
Титан	ПТ-2 >1,25 <2,5 мм	85	14	6	2	> 1	—

В качестве общей закономерности можно отметить увеличение содержания кварца в мелких заполнителях по мере снижения размера частиц, и наоборот – увеличение содержания сопутствующих и примесных фаз в более крупных частицах песков.

Такими крупными частичками чаще всего бывают различные обломочные и осадочные породы – плагиоклазы, хлориты, слюды, цеолиты и кальцит. Максимальное содержание β-кварца – в строительных песках карьеров «Титан» и «Август».

Производство наноцементов

Выпуск опытно-промышленных партий наноцементов осуществлялся на опытно-промышленной мельнице по ТУ 5745-067-05442286-99. Было получено несколько партий наноцементов на основе портландцемента завода «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент» и кварцевого песка Раменского карьера, а также песка Майкопского карьера. Партии наноцементов различных классов были отправлены в г. Сочи, на промышленную базу ООО «Север-Строй».

Результаты исследований

Проведенные исследования позволили определить оптимальные соотношения изученных мелких и крупных заполнителей в бетонных смесях на основе наноцементов.

Лабораторные исследования позволили разработать составы бетонных смесей и бетонов, соответствующие заданным заказчиком требованиям по получению на некондиционных нерудных материалах бетонов строительно-технических характеристик от В7,5 до В45, с соответствующими удобоукладываемостью бетонных смесей, водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Для приготовления бетонных смесей применяли наноцементы с различным содержанием портландцемента Новороссийского цементного завода, а также щебни Каменского карьера, карьера Южный портал и различные пески.

Приготовление бетонных смесей осуществлялось в бетономешалке БС-4 с принудительным перемешиванием валом с лопастями механического завода №268, г. Иваново.

При расчете бетонных смесей учитывались требования заказчика по регулированию подвижности в значительном диапазоне. Подвижность смеси определялась по стандартному методу по осадке конуса. Прочностные характеристики бетонов определялись по стандартной методике в соответствии с требованиями Технического задания.

Из бетонных смесей оптимальных составов были изготовлены стандартные образцы для определения строительно-технических свойств бетонов и их последующих испытаний и сертификации в испытательной лаборатории ГУП «НИИМосстрой».

Расход портландцемента в оптимизированных бетонных смесях варьировался от 80 до 350 кг на м³ бетона для получения бетонных изделий с вариацией строительно-технических свойств в широком диапазоне, с требуемыми водонепроницаемостью и морозостойкостью. Образцы после распалубки испытывались по стандартным методикам и требованиям ГОСТ на современном испытательном оборудовании в ГУП «НИИМосстрой».

Составы, подвижность бетонных смесей и результаты испытаний бетонов на некондиционных щебнях в ГУП «НИИМосстрой»

Состав бетонной смеси №1, кг/м³:

Наноцемент 90 Н (на портландцементе ОАО «Новорос­цемент»)- 395 (355 кг портландцемента)
Щебень фракции 5-20 из породы тоннельной выработки (грунт тоннеля Южного портала), М-300 , F-25 – 921
Песок строительный Раменского карьера – 920
Вода – 145
Водотвердое отношение – 0,36
Осадка конуса, см – 3

Таблица 4. Характеристики бетона состава №1

№ п/п	Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси, кг	ОК, см	Прочность бетона нормального твердения в различные сроки, МПа: в числ. – при сжатии, в знам. – при изгибе			Характеристики бетонов после окончания испытаний
			3 сут.	7 сут.	28 сут.	D, кг/м3	W	F
1	Наноцемент-90 Н – 395 в том числе: портландцемент – 355 молотый песок – 40 + в бетонной смеси: песок Раменский (Московская обл.), Мкр – 2,63 – 920 грунт Южного портала ж/д тоннеля №3,М-300 – 921 вода – 145 (вход. № лаб. 97-1)	3	57,6 4,3	64,2 4,6	72,4 7,0	2415	16	300

Состав бетонной смеси №10, кг/м³:

Наноцемент-90 Н (на портландцементе ОАО «Новоросцемент») — 384 (342 кг портландцемента)
Щебень фракции 5-20 из породы тоннельной выработки (грунт тоннеля Южного портала), М-300, F-25 – 897
Песок карьера ООО «Волжское ГТП №1» – 897
Вода – 193
Водотвердое отношение – 0,50
Осадка конуса, см – 5

Таблица 5. Характеристики бетона состава №10

Вх. № лаб. НИИМосстрой	Плотность (кг/м3), прочность при сжатии/изгибе (МПа)						Марка по водонепроницаемости
	3 сут.		7 сут.		28 сут.
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа
105-10	2370	38,4 3,7	2350	47,9 —	2360	53,3 5,9	W20

Состав бетонной смеси №7, кг/м³:

Наноцемент-50 Н (на портландцементе ОАО «Новоросцемент») — 380 (190 кг портландцемента)
Щебень 5-20 из породы тоннельной выработки (грунт тоннеля Южного портала), М-300, F-25 – 887
Песок строительный Раменского карьера – 887
Вода – 165
Водотвердое отношение – 0,43
Осадка конуса, см – 7

Таблица 6. Характеристики бетона состава №7

Вх. № лаб.	Плотность (кг/м3), прочность при сжатии/изгибе (МПа)						Марка по водонепроницаемости
	3 сут.		7 сут.		28 сут.
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа
99-7	2318	35,6 3,7	2345	43,0 4,1	2350	43,5 4,6	W20

Состав бетонной смеси №5, кг/м³:

Наноцемент-75 Н (на портландцементе ОАО «Новоросцемент») — 286 (215 кг портландцемента)
Щебень 5-20 из породы тоннельной выработки (грунт тоннеля Южного портала), М-300, F-25 – 938
Песок строительный Волжского карьера – 857
Вода – 196
Водотвердое отношение – 0,68
Осадка конуса, см – 8

Таблица 7. Характеристики бетона состава №5

Вх. № лаб.	Плотность (кг/м3) и прочность при сжатии/изгибе (МПа)
	7 сут.		28 сут.		в насыщенном состоянии		после F200
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа
99-5	2276	19,8 2,8	2300	23,0 2,7	2345	20,5	2300	21,2

Состав бетонной смеси №17, кг/м³:

Наноцемент-75 Н (на портландцементе ОАО «Новоросцемент») — 393 (298 кг портландцемента)
Щебень 5-20 из породы тоннельной выработки (грунт тоннеля Южного портала), М-300, F-25 – 917
Песок карьера ООО «Майкопская нерудная компания» – 917
Вода – 184
Водотвердое отношение – 0,46
Осадка конуса, см – 25

Таблица 8. Характеристики бетона состава №17

Вх. №лаб.	Плотность (кг/м3), прочность при сжатии/изгибе (МПа)									Марка по водонепроницаемости
	3 сут.		7 сут.		28 сут.		в насыщ. сост.	после F, циклов
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	МПа	300	400
112-17	2410	27,4 3,7	2370	41,7 4,4	2375	50,1 5,2	52,5	55,2 МПа	50,8 МПа	W20

Состав бетонной смеси №16, кг/м³:

Наноцемент-50 Н (на портландцементе ОАО «Новоросцемент») — 394 (197 кг портландцемента)
Щебень карьера Каменский, М-600, F-25 – 917
Песок карьера Майкопской нерудной компании – 917
Вода – 193
Водотвердое отношение – 0,48
Осадка конуса, см – 9

Таблица 9. Характеристики бетона состава №16

Вх. № лаб.	Плотность (кг/м3), прочность при сжатии/изгибе (МПа)									Марка по водонепроницаемости
	3 сут.		7 сут.		28 сут.		в насыщ. сост.	после F
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	МПа	300	400
112-16	2420	12,2 2,1	2360	16,6 3,2	2380	21,9 4,3	22,5	22,9 МПа	22,4 МПа	W6

Состав бетонной смеси №6, кг/м³:

Наноцемент-50 Н (на портландцементе ОАО «Новорос­цемент») – 290 (145 кг портландцемента)
Щебень Каменского карьера, М-600 , F-25 – 946
Песок строительный Волжского карьера – 866
Вода – 198
Водотвердое отношение – 0,68
Осадка конуса, см – 12

Таблица 10. Характеристики бетона состава №6

Вх. № лаб.	Плотность (кг/м3) и прочность при сжатии/изгибе (МПа)
	7 сут.		28 сут.		в насыщ. состоянии		после F200
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа
99-6	2301	16,2 2,8	2310	20,1 3,0	2320	17,5	2335	18,1

Состав бетонной смеси №2, кг/м³:

Наноцемент-50 Н (на портландцементе ОАО «Новорос­цемент») – 370 (185 кг портландцемента)
Щебень Каменского карьера, М-600 , F-25 – 864
Песок строительный Волжского карьера – 864
Вода – 135
Водотвердое отношение – 0,36
Осадка конуса, см – 3

Таблица 11. Характеристики бетона состава №2

Вх. № лаб.	Плотность (кг/м3) и прочность при сжатии/изгибе (МПа)
	3 сут.		7 сут.		28 сут.
	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа	кг/м3	МПа
97-2	2232	32,9 3,6	2208	33,8 4,4	2255	45,3 4,6

Разработанные составы бетонных смесей №1, №5, №7, №10 и №17 включают в виде крупного заполнителя грунт выработки тоннеля №3 Южного портала ж/д в виде щебня фракции 5-20 мм, с маркой по дробимости М-300, с содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы 17% масс. Остаток на сите 5 – 83,2%, содержание пылевидных и глинистых частиц – 3,5% масс., морозостойкость F-25 делают его не соответствующим требованиям ГОСТ 8267-93, 26633-91 и 8269-97.

Низкие прочностные показатели крупного заполнителя из породы тоннельной выработки были подтверждены приведенными выше результатами испытаний в ГУП ­«НИИМосстрой», так же как и недостаточная морозостойкость щебня (обозначен как «грунт тоннеля Южного портала»).

Проведенные исследования по подбору составов бетонных смесей на наноцементах различных классов позволили подобрать оптимальные составы бетонов заданной прочности, водонепроницаемости и морозостойкости.

В процессе выполненных работ и испытаний удалось не только применить некондиционный крупный заполнитель для получения высокопрочных и качественных бетонов, но и значительно уменьшить удельный расход портландцемента для различных классов бетонов до рекордно низких значений – с 355 до 145 кг на м³ бетонных смесей.

Полученные высокие результаты с применением некондиционного крупного заполнителя связаны с высокой гидравлической активностью наноцементов, образованием плотного контакта цементно-песчаного камня даже на слабых зернах щебня и формированием высокопрочной непроницаемой микроструктуры цементного камня, что подтверждается интенсивным набором прочности образцов бетона уже в первые сроки твердения, необычно высокими показателями прочности, водонепроницаемости и морозостойкости новых бетонов на некондиционном нерудном сырье.

Всего 335 кг портландцемента, превращенного в наноцемент, даже с таким не пригодным по основным показателям крупным заполнителем, оказалось достаточно, чтобы произвести без введения дорогостоящих химических добавок в бетонную смесь быстротвердеющий (80% прочности в первые трое суток твердения) бетон класса В55 с водонепроницаемостью W16 и морозостойкостью более 300 циклов (состав №1, лаб. вх. «НИИМосстрой» 97-1).

Анализ микроструктуры полученных бетонов методом оптической микроскопии подтверждает правильность научного обоснования свойств наноцементов. Так, на рис. 1 приведена типичная фотография микроструктуры поверхности скола образца бетона после механических испытаний с рекордными показателями прочности, морозостойкости и водонепроницаемости.

Наблюдение сколов образцов бетона практически всех исследованных составов показало структуру цементного камня с высокоплотной контактной зоной на границе с зернами крупного заполнителя, формирующейся уже в начальные сроки твердения бетонов (рис. 1, 2).

Результаты исследований и испытаний показали, что наноцементы позволяют получить качественный цементный камень и бетоны практически на любом строительном песке, на слабых, неморозостойких щебнях за счет интенсивной реакции взаимодействия материала наноцемента и присутствующего в нем молотого до уровня дисперсий цемента кремнеземистого компонента:

3CaO∙SiO₂+3H₂O+SiO₂=2(CaO∙SiO₂∙H₂O)+Ca(OH)₂

В исследованных бетонах на наноцементах, набирающих прочность уже в начальные сроки твердения, намного быстрее, чем в обычных бетонных смесях на портландцементе, формируется высокопрочная матрица: наноцемент – тонкомолотый до уровня наноразмеров кварцевый песок.

Это способствует получению плотной, высокопрочной, непроницаемой для воздуха и воды микроструктуры цементного камня и бетона, что весьма положительно влияет на все строительно-технические свойства, а прежде всего – на прочность и долговечность цементного камня и бетона на основе наноцементов.

Бетоны с крупным заполнителем из щебня Каменского карьера и мелкими заполнителями различных месторождений

Известняковый щебень (по данным РКА, содержащий 96% масс. кальцита) фракции 5-20 мм ЗАО «Сочинеруд» карьера Каменский, маркой по дробимости М-600 и морозостойкостью F-50 (по данным лаборатории ООО «Север-Строй», c содержанием пылевидных и глинистых частиц 5,1% вместо не более 2% по ГОСТ и значительным содержанием зерен пластинчатой и игольчатой формы – 29% масс.) также не соответствует требованиям к крупным заполнителям для бетонов по ГОСТ 8267-93 и ГОСТ 26633-91.

Несмотря на использование некондиционного и разнообразного нерудного сырья, малоклинкерные наноцементы формируют высокопрочный плотный цементный камень и водонепроницаемые морозостойкие бетоны (рис. 3).

28 суток нормального твердения

Как показали проведенные исследования и испытания, малоклинкерные наноцементы позволяют получить все необходимые классы бетонов, в том числе быстротвердеющих и высокопрочных. Помимо получения всех необходимых строительно-технических свойств бетонов применение разработанных составов малоклинкерных наноцементов позволяет снизить до минимума удельный расход портландцемента на кубометр бетона.

Так, разработанный состав №2 бетонных смесей при снижении расхода портландцемента до 185 кг на 1 м³ бетонной смеси и применении его в виде наноцемента позволил получить высокую прочность в начальные сроки твердения: в 3 суток нормального твердения – 32,9 МПа на сжатие и 3,6 МПа на изгиб, прочность в 28 суток – 45,3 МПа на сжатие и 4,6 МПа на изгиб.

Расход портландцемента на 1 м³ бетонной смеси, сниженный до рекордного уровня 145 кг, в составе бетонной смеси №6 со щебнем Каменского карьера и песком Волжского карьера при высокой подвижности позволил получить бетоны с заданной прочностью в 28 суток нормального твердения на уровне 20 МПа на сжатие и 3,0 МПа на изгиб с морозостойкостью более 200 циклов.

Исследования по подбору составов бетонных смесей с применением весьма слабого по прочности и морозостойкости известнякового щебня Каменского карьера подтвердили высокие строительно-технические свойства бетонов на малоклинкерных наноцементах различных классов. Состав бетонной смеси №16 с таким щебнем, обнаружившим при испытаниях в ГУП «НИИМосстрой» морозостойкость в пределах от 25 до 50 циклов, позволил получить в бетонах класса В15, при заданной прочности, морозостойкость более 400 циклов.

Такие высокие результаты, полученные впервые в мировой практике бетоноведения, связаны с уже отмеченными особенностями применения малоклинкерных наноцементов – высоким темпом твердения в начальные сроки, значительной прочностью при рекордно низких расходах портландцемента и обеспечением высокой подвижности бетонных смесей, исключением необходимости применения химических добавок.

Несмотря на отсталость отраслевой науки и консерватизм цементных заводов России, не признающих отечественных достижений науки и технологий, Росстандартом принят национальный предварительный стандарт «Портландцемент наномодифицированный. Технические условия» [8], открывающий в соответствии с приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №561-ст от 16 ноября 2011 г. о принятии ГОСТ Р1.16.2011 «СТАНДАРТЫ НАЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ» возможности для широкого освоения самого выдающегося достижения цементной науки за всю историю цементного промышленности.

Выводы:

Применение наноцементов позволяет не только экономить значительное количество цемента при производстве бетонов, но и, как показали исследования последних лет ОАО «Московского ИМЭТ», дают возможность применять для получения качественных бетонов вместо дорогого привозного – местное сырье: нерудные материалы, не соответствующие даже принятым ГОСТам, в том числе продукты горных выработок и мелкозернистые пески.

Реализация производства и широкое применение наноцементов в технологии бетонов и строительстве сделает возможным радикальный пересмотр существующих ГОСТов в сторону максимального использования местных, сегодня считающихся некондиционными нерудных заполнителей, с внедрением в практику мирового строительства при значительной экономии средств и уменьшении транспортных расходов.

Библиографический список

1. Баженов Ю.М. Технология бетона, – М.: Высшая школа, 1978, – 456 с.

2. Бикбау М.Я. Нанотехнологии в производстве цемента. – М., ОАО «Московский ИМЭТ», 2008, – 787 с.

3. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. Доп. – М., 1998, – 768 с.

4. Томас Дейзе. Применение стандартных цементов в практике производства бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами // Бетонный завод, 2009, №3, с. 4-11.

5. Бикбау М.Я. Малоклинкерные цементы. Энергосбережение и качество // Международное аналитическое обозрение ALITinform «Цемент. Бетон. Сухие смеси», 2008, №3-4 (04), с. 21-27.

6. Бикбау М.Я. Тонкое измельчение цемента с кремнеземистыми добавками – перспектива будущего / Современный цементный завод. Сборник докладов, вып. 2, 2006, с 33-37.

7. Бикбау М.Я. Свойства и структура бетонов на наноцементах / В сб. «Бетон и железобетон – взгляд в будущее». Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону. – Москва, 12-16 мая 2014 г., том 6, с. 158-170.

8. Бикбау М., Блинов В., Юдович Б., Илясова И. Наноцемент: от науки к широкой практике // Качество в строительстве, 2015, вып. 3, с. 61-65.