ОСНОВНОЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НАСТОЯЩЕГО И БУДУЩЕГО

Развитие экономики страны реализуется, главным образом, через наращивание строительной деятельности. Это в очередной раз демонстрируют названные президентом национальные проекты. В свою очередь, уровень и эффективность строительства напрямую связано с производством строительных материалов и зависит от их качества.
Среди строительных материалов в прошлом столетии лидирующее место во всем мире занимал бетон. В ХХ веке только в России было использовано более 21 млрд. кубометров бетона и железобетона. На его производство ушло более 70% всего выпущенного цемента и 30% нерудных строительных материалов. В стоимостном выражении на бетон и железобетон приходится около 60% от стоимости всех применяемых в строительстве материалов. В этой отрасли занято примерно 400 тыс. работников, а доля продукции составляет 2% от общего валового продукта Российской Федерации (вся промышленность стройматериалов – 3%).
Таким образом, эффективность функционирования отрасли производства бетона и железобетона в значительной мере определяет уровень всей промышленности стройматериалов.
На смену безграничному «техническому прогрессу» мировое сообщество выдвинуло концепцию устойчивого развития современной цивилизации, учитывающую интересы грядущих поколений. В этих условиях материалам и технологиям в области строительства должны быть присущи все признаки пятого технологического уклада в мировом развитии, который уже утвердился в развитых странах. Этот уклад предполагает гуманизацию и экологизацию технологий, высокий уровень автоматизации и компьютеризации процессов, ресурсо- и трудосберегающий тип воспроизводства, деконцентрацию производства.
Применительно к производству бетона концепция устойчивого развития может быть расшифрована как применение:
долговечных бетонов, требующих в процессе эксплуатации минимальных затрат на ремонт;
бетонов с высоким потенциалом переработки, как в подвижном, так и в затвердевшем состоянии;
бетонов с высоким уровнем использования местных материалов, отходов других производств и минимальной транспортировкой составляющих.
Обеспечение долговечности бетона является серьезной проблемой во всех странах. Снижение долговечности происходит вследствие переноса через тело бетона агрессивных агентов и их взаимодействие с компонентами бетона, в том числе с продуктами гидратации цемента. На химические реакции, медленно протекающие во времени, накладывается образование микротрещин из-за усадочных, температурных или силовых воздействий, а также электрохимические процессы, связанные с коррозией арматуры.
Моделирование указанных явлений и разработка критериев их численной оценки могут стать ключом к созданию методов прогнозирования долговечности бетона и соответственно к управлению этой долговечностью. Не менее важной задачей является разработка общей теории морозостойкости бетонов и создание надежной и доступной методики определения этого показателя для разнообразных условий эксплуатации.
Почти все проблемы бетона, так или иначе, связаны с его цементной составляющей. Цементная промышленность предлагает широкую гамму различных вяжущих. Помимо наиболее распространенных портландцемента и шлакопортландцемента выпускаются различные модификации цементных вяжущих, в том числе быстротвердеющие, расширяющиеся, тонкомолотые и др. За последние годы НИИЖБом совместно с рядом других организаций были выполнены комплексные исследования по технологии многокомпонентных цементов, завершившиеся по существу созданием нового класса вяжущих: тонкомолотые многокомпонентные цементы (ТМЦ) и цементы низкой водопотребности (ЦНВ).
Важным результатом исследований стали также расширяющиеся вяжущие, предназначенных для производства бетонов с компенсированной усадкой. Новые модификации этого класса вяжущих могут быть получены непосредственно при приготовлении бетонной смеси путем введения с обычным портландцементом расширяющих добавок. В бетонах на этих вяжущих нет деформации усадки, что исключает образование трещин в процессе твердения бетона, что особенно важно для протяженных монолитных конструкций, таких как дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов, спортивные сооружения и т. п. Благодаря особенностям структуры, такие бетоны являются практически водонепроницаемыми, обладают высокой морозостойкостью и устойчивостью к воздействию агрессивных сред, что существенно снижает эксплуатационные затраты.
Следует отметить, что, к сожалению, несмотря на переход цементной промышленности к условиям рынка, и, казалось бы, ожесточение конкуренции, качество рядовых отечественных цементов пока существенно уступает качеству цементов, производимых в технологически развитых странах.
Между тем изготовление бетона по своей природе – это химическое производство, ибо твердение бетона осуществляется путем сложных химических реакций, поэтому прочность затвердевшего бетона радикально зависит от соотношения и качества, использованных для его приготовления исходных материалов. Отсюда неизбежно вытекает необходимость строгого контроля свойств всех исходных сырьевых компонентов и технологических переделов.
К сожалению не только цементы, но и отечественные природные заполнители (песок, щебень), поставляемые для производства бетона, также нередко не отвечают техническим требованиям, прежде всего, по предельному содержанию примесей и гранулометрическому составу. Уже много лет стоит проблема применения фракционированных и чистых заполнителей, но сдвиги пока невелики.
Проблему низкого качества компонентов и состава бетонных смесей усугубляет неразбериха с техническим регулированием. Вместо энергичного продвижения вперед в решении стоящих задач специалисты отрасли втянуты в многолетнюю дискуссию о том, кто должен утверждать нормативные требования, с тем чтобы они были для всех обязательными.
По-прежнему для многих является экзотикой применение в бетонных смесях химических добавок и, тем более, многоцелевых модификаторов.
Между тем все чаще появляются бетоны, требующие к себе высокотехнологичного подхода. Например бетоны, к которым может быть отнесено определение high-performance должны обладать высокой транспортабельностью и удобоукладываемостью на стадии свежеприготовленной смеси, а в затвердевшем виде - быстрым набором прочности, способностью противостоять длительным статическим, динамическим и ударным воздействиям, износостойкостью, низкой паро-, водо-, газопроницаемостью, пожаро- и морозостойкостью. Применение таких бетонов практически снимает проблему преждевременного исчерпания эксплуатационного ресурса железобетонных конструкций, что нередко имеет место в нашей действительности.
Или взять архитектурный бетон на новых видах цемента, который предназначен для разнообразной наружной и внутренней отделки зданий. Этот бетон отличает высокое качество поверхности с разнообразием фактуры. По своим архитектурно-строительным и эксплуатационным свойствам такой бетон не уступает природным каменным материалам и может широко применяться для изготовления архитектурных деталей и малых форм, скульптурных композиций и т. п.
Новым словом в технологии железобетона является применение самоуплотняющихся бетонных смесей. Применение таких смесей, уплотняющихся под действием собственных сил тяжести без применения вибрации или прессования, позволяет получать изделия повышенной прочности и долговечности. Впервые самоуплотняющиеся смеси начали применять в Японии, а в настоящее время они завоевывают все большую популярность в Европе и в Америке. Принципиальным при проектировании составов таких смесей является применение тонкодисперсных наполнителей и новых видов добавок - гиперпластификаторов.
Одной из серьезных проблем современного строительства являются возросшие требования к теплотехническим свойствам ограждающих конструкций. Исследования показали, что одним из наиболее эффективных и экономичных утепляющих материалов являются бетоны, состоящие из поризованного цементного теста и легкого заполнителя. Если в таких бетонах-утеплителях использовать еще и облегченный цемент, то может быть получено уникальное соотношение между прочностью и массой материала.
В настоящее время широкое распространение имеют мелкоштучные изделия из бетонов с объемной массой 400-600 кг/м3. Их изготавливают в производственных условиях и доставляют на стройку в качестве готовых изделий. Необходимость такой технологии вызвана тем, что для приготовления поризованного бетона, как правило, используется больше воды, чем должно быть в готовом материале при эксплуатации. Для решения этой проблемы обычно применяют сушку или выдерживают изделия в воздушно-сухих условиях в течение некоторого времени.
Специалистами НИИЖБ разработана экономически целесообразная технология, позволяющая приготавливать высокопоризованный бетон, не требующий последующей сушки. Это открывает широкую перспективу для применения монолитного поробетона и позволяет по-новому подойти к строительству из железобетона жилых, общественных и многоэтажных производственных зданий.
Важной составляющей концепции «устойчивого развития» является экологическая оценка эффективности применения различных материалов для строительных целей. Здесь учитываются экологические последствия добычи сырья, экологическая безопасность промышленного производства материала, эксплуатационные последствия и возможность послеэксплуатационной переработки.
Чрезвычайно важно с экологической точки зрения, что в производстве бетона могут в широких масштабах использоваться крупнотоннажные промышленные отходы энергетики, металлургии и других отраслей. Пока в нашей стране накопление этих отходов со всеми неблагоприятными последствиями существенно опережает объемы их переработки.
Техногенные отходы, в том числе золы, могут содержать высокотоксичные элементы и иметь повышенную радиоактивность. Во многих золах был обнаружен широкий спектр различных токсичных соединений, что свидетельствует об их потенциальной экологической опасности. В то же время установлено, что опасно не наличие того или иного токсичного элемента, а его подвижные, водорастворимые соединения и их возможная эмиссия в окружающую среду.
Проблема возможной эмиссии токсичных веществ из бетона в окружающую среду в течение нескольких лет изучалась в ряде европейских странах в рамках программы, финансируемой Европейской комиссией. Исследования велись несколькими лабораториями параллельно. Была исследована эмиссия из бетона 32 химических элементов, в том числе таких, как мышьяк, кадмий, хром, ванадий. Исследовались также бетоны, имевшие в своем составе искусственно повышенную концентрацию тяжелых металлов.
Результаты экспериментов показали, что бетоны обычных составов, в том числе с использованием золы, давали очень слабую эмиссию радиации и токсичных веществ, а те бетоны, в которых концентрация тяжелых металлов была искусственно завышена, продемонстрировали способность к их химическому и физическому связыванию.