Инновации технологиях минеральных вяжущих веществ и бетонов на их основе

Существует значительное количество разнообразных вяжущих веществ, предназначенных для образования связующего вещества (матрицы) в композиционных материалах, к которым относится подавляющее число строительных и других материалов. Строительные вяжущие делят на две основные группы: неорганические (минеральные) и органические. Строительными минеральными вяжущими веществами, важнейшие из которых – портландцемент и его разновидности, известь, гипс и др., называют порошковидные материалы, которые после смешения с водой (а в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образуют массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние. Почти все минеральные вяжущие вещества получают путем грубого и тонкого измельчения исходных материалов и полупродуктов с последующей термической обработкой при разных температурах. В этих условиях протекают разнообразные физико-химические процессы, обеспечивающие получение продукта с требуемыми свойствами. Обожженный материал подвергают тонкому измельчению. Большинство минеральных вяжущих твердеет в результате возникновения гидратных новообразований при взаимодействии вяжущего вещества с водой. Лишь в некоторых случаях твердение происходит в итоге взаимодействия вяжущего, например гашеной воздушной извести, с углекислотой воздуха и одновременной перекристаллизации гидроксида кальция.

Вяжущие используют в подавляющем большинстве случаев в смеси с так называемыми заполнителями – минеральными (а иногда и органическими) материалами, состоящими из отдельных зерен, кусков, волокон разных размеров, а также тонкодисперсными наполнителями. Вяжущие в смеси с мелким заполнителем (песком) дают растворы, в смеси с мелкими и крупными заполнителями (гравием, щебнем и т. п.) – бетоны. Использование вяжущих в смеси с заполнителями обусловлено двумя основными причинами. Первая причина экономического характера – стоимость вяжущих относительно высока, поэтому для снижения стоимости изделия или конструкции их необходимо изготовлять с минимальным расходом вяжущего. Для каждого вида изделий и конструкций расход вяжущего определяется рядом требований, предусматривающих необходимую строительную прочность, надежность и долговечность того или иного сооружения. Вторая причина – технического характера. Дело в том, что вяжущие вещества в виде теста без заполнителей обнаруживают повышенную склонность к усадке и набуханию как при твердении, так и под влиянием тепловлажностных факторов. Это зачастую приводит к образованию трещин и ускоренному разрушению конструкций и сооружений. Кроме того, прерывный (дискретный) компонент – заполнитель и наполнитель соответственно на уровне макро- или микроструктуры – является упрочняющим (армирующим) или выполняющим другую функцию (изоляционную, защитную и т. д.). Цемент – один из базовых строительных материалов, который называют «хлебом строительства». Являясь основным вяжущим компонентом, цемент находит широкое применение в производстве бетона, железобетона, строительных растворов, а также в асбестоцементной, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Он пользуется спросом при возведении новых промышленных объектов, реконструкции и строительстве зданий и сооружений, в том числе гидротехнических объектов, в индивидуальном строительстве. Уникальные свойства цемента позволяют на его основе изготавливать специальные конструкции, такие как железнодорожные шпалы, строительные блоки, панели и плитки и многие другие изделия. Цементная промышленность – одна из ведущих отраслей производства строительных материалов. Выпускаются различные виды цемента: портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, специальные цементы (декоративные, тампонажный, глиноземистый, сульфатостойкий, цемент для гидротехнических сооружений, быстротвердеющий цемент и др.).

Промышленность вяжущих материалов играет важную роль в создании материально-технической базы страны, обеспечении дальнейшего роста материального и культурного уровня жизни народа, успешной реализации программы строительных работ. От темпов роста выпуска вяжущих материалов зависят масштабы капитального строительства, его экономичность и технический уровень. Цементы принадлежат к немногим важнейшим видам продукции народного хозяйства, объем выпуска которых определяет экономический потенциал страны, уровень технического прогресса. Применение вяжущих веществ не ограничивается их использованием в строительстве. Без них не может существовать ни одна область техники.

Цементная промышленность в нашей стране отличается высокой концентрацией производства, которая в определенной степени улучшает технико-экономические показатели работы отрасли: повышается производительность труда, снижается себестоимость единицы продукции, сокращаются удельные капитальные затраты, достигается значительная экономия трудовых затрат. Дальнейшее увеличение выпуска цементов и других вяжущих материалов обеспечивается реконструкцией и расширением действующих предприятий, строительством новых, интенсификацией технологических процессов, повышением мощности как заводов в целом, так и отдельных технологических агрегатов, автоматизацией производства. Одновременно с совершенствованием технологии производства расширяется и ассортимент выпускаемых вяжущих материалов. Еще в начале века для строительства подземных и гидротехнических сооружений начали применять пуццолановый портландцемент с повышенной водостойкостью. Развитие металлургии дало цементной промышленности возможность использовать для изготовления шлакопортландцемента и других видов шлаковых вяжущих доменные шлаки. Производство многокомпонентных цементов в наши дни приобрело важное значение, поскольку это простой и надежный путь экономии топливно-энергетических ресурсов. Современная строительная техника предъявляет к вяжущим материалам новые высокие требования. Для производства железобетонных изделий и конструкций нужны быстротвердеющие портландцементы; для сооружения бетонных дорог – цемент, обладающий повышенной деформативной способностью и морозостойкостью, для декоративных целей требуются белые и цветные цементы, а для ремонтных работ – расширяющиеся цементы.

Сегодня цементная промышленность имеет ключевое значение для экономического развития всего мира, поскольку производит основной вид строительных материалов для жилищного, промышленного строительства и для строительства объектов инфраструктуры. Темпы ее развития в 1,5–2 раза выше, чем темпы роста мирового ВВП.

Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, которое состоит на 70...80 % из высокоосновных силикатов кальция (алита и белита), получаемое обжигом при температуре 1450°С сырьевой смеси известняка и глины, взятых в соотношении примерно 3:1, с последующим помолом продукта обжига (клинкера) в тонкий порошок совместно с гипсом и минеральными добавками.

Основные требования, предъявляемые к современным видам портландцемента изложены в ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия», а также в ГОСТ 30515-2013 «Цементы. Общие технические условия».

Для производства цементов применяют портландцементный клинкер, минеральные добавки, а также гипс или другие материалы, содержащие сульфат кальция, для регулирования сроков схватывания. В цемент допускается вводить специальные добавки для регулирования отдельных строительно-технических свойств цемента и специальные и технологические добавки для улучшения процесса помола и (или) облегчения транспортирования цемента по трубопроводам.

Общие требования к материалам (основным и вспомогательным)

Портландцементный клинкер (Кл) Для производства цементов применяют портландцементный клинкер, в котором суммарное со держание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов (3CaОSiО₂ + 2CaОSiО₂) составляет не менее 67 % массы клинкера, а массовое отношение оксида кальция к оксиду кремния (CaО/SiО₂) — не менее 2,0. Содержание оксида магния (МgО) в клинкере не должно быть более 5,0 % массы клинкера.