Декоративный высокопрочный мелкозернистый бетон

Описывается технология, вобравшая в себя лучшее от полусухого формования и вибролитья и позволяющая на обычном отечественном сырье (песке, цементе, пластификаторе, пигментах) и стандартном оборудовании (бетоносмесителе и виброплощадке) производить облицовочную плитку, по своему внешнему виду и физико-механическим характеристикам соответствующую мрамору.

 Общепринято под декоративным бетоном понимать бетоны, в состав которых входят декоративные белые цементы, пигменты и иногда специальные заполнители, такие как мраморная крошка разных цветов.

До недавнего времени область применения таких бетонов в основном сводилась к изготовлению так называемых монолитных мозаичных полов или  предварительно изготовленных по той же технологии плиток. Технология включает в себя приготовление цветных бетонов с мраморной крошкой и последующей механической обработкой поверхности шлифовальными машинами. Такая обработка затвердевшего бетона позволяет вскрыть поверхностный слой и проявить структуру мраморного заполнителя и цветной растворной части. 

Как правило, процесс обработки лицевой поверхности бетона занимает много времени, требует больших затрат электроэнергии, специального оборудования и большого расхода воды, которая становится в процессе шлифования грязным отходом и создает экологические проблемы. Кроме того, используемые расходные материалы – шлифовальные камни, специальные пасты и порошки – значительно повышают себестоимость готовой продукции. Что же касается получаемого в конечном итоге качества лицевой поверхности таких изделий, то о нем можно судить по месту, которое занимают эти изделия на рынке облицовочных материалов и их стоимости. Строго говоря, к мозаике такие напольные покрытия никакого отношения не имеют, но название ее за ними закрепилось. Их поверхность имеет вид шлифованного камня, декоративность которого во многом зависит от размеров, качества и количества мраморных включений.

Многолетний опыт эксплуатации таких покрытий выявил существенный недостаток, связанный с различием прочности на истираемость мраморных включений и растворной части. По этой причине в процессе эксплуатации через некоторое время в местах интенсивного прохода людей напольное покрытие становится неровным, с выступающими более плотными и прочными частями заполнителей. Но самый большой проблемой данной технологии является то, что при механической обработке бетона не удается получить лицевую поверхность, сравнимую с полированным природным камнем. Причина этой проблемы заключается в структуре бетона, который по своей природе является пористым материалом. Иными словами, механические способы обработки не позволяют создать плотную глянцевую полированную поверхность бетона.

Несмотря на вышеизложенные недостатки, описанная технология устройства напольных покрытий из декоративного бетона, которая разработана еще в начале двадцатого века, тем не менее, остается очень популярной в мире. Причиной этому, по нашему мнению, является то, что долгое время такая технология оставалась единственно возможной недорогой альтернативой природному камню и керамике. 

Около двадцати лет назад нами была поставлена задача расширить область применения декоративного бетона путем достижения физико-механических характеристик и внешнего вида как у природного мрамора. Для решения этой задачи необходимо было решить как минимум два основных вопроса. Первый из них заключался в том, как создать плотную глянцевую поверхность, которая традиционно достигается методом полирования природного камня. Во-вторых, надо было с минимальными затратами, не прибегая к использованию полимеров, дорогих компонентов, термической и механической обработки, на рядовых цементах достичь прочности мелкозернистого бетона на сжатие 100 МПа и на растяжение при изгибе – более 10 МПа.

Свойство бетона при затвердевании в контакте с поверхностью другого материала выстраивать идентичную структуру легло в основу технологии создания глянцевой бетонной поверхности. Результаты многолетних исследований в области управления структурообразованием новогидратов цементного камня позволили отработать технологию, позволяющую производить бетонные изделия с глянцевой поверхностью, имитирующей полированный мрамор.

В конце восьмидесятых годов прошлого века нами были разработаны полимерные формы с глянцевой рабочей поверхностью для производства облицовочных плиток. Полимерный материал для форм был выбран не случайно. Минимальная адгезия бетона с поверхностью полимерных форм облегчает процесс распалубки. Современные пластики имеют хорошие прочностные характеристики, что позволяет достигать качественной геометрии изделий.

Легкие и удобные в эксплуатации полимерные формы стали открытием для строительной индустрии, их взяли на вооружение многие фирмы мира. Однако до сегодняшнего дня кассетная технология применения полимерных форм, разработанная и запатентованная нами, не имеет аналогов в мире. Отличительной особенностью ее является одновременное формирование глянцевой рабочей лицевой поверхности плитки и обратной поверхности с небольшими сферическими углублениями, имеющими обратный радиус, предназначенными для лучшего сцепления при укладке. Кроме того, в кассете создается благоприятный термовлажностный режим для твердения бетона. Формы герметично соединяются, исключая потери влаги, а массивность кассеты дает возможность более полно использовать экзотермическое тепло, выделяемое при твердении бетона.

 На сегодняшний день компанией СИСТРОМ разработано более 300 видов и типоразмеров полимерных форм для изготовления бетонных декоративных облицовочных изделий размером от 20х20мм до 800х1800мм. Изделия, изготовленные по технологии СИСТРОМ, имеют глянцевую прочную поверхность, вполне сопоставимую по качеству с полированной поверхностью мрамора (рис. 1). Все изделия изготавливаются лицом вниз, что дает возможность в разы повысить прочность рабочей поверхности изделий. Дело в том, что при воздействии вибрации на бетонную смесь, содержащую суперпластификатор С-3, происходит частичное перераспределение компонентов смеси по толщине изделия. Тяжелые частицы песка, перемещаясь к нижнему лицевому слою, выдавливают воздух и воду в верхние слои. При этом речь не идет о явном расслоении смеси, которая в принципе не допустима. Тем не менее, надо отметить, что при средней прочности бетонного изделия, к примеру 80МПа, на лицевом слое прочность может намного превышать этот показатель, что и показали результаты испытаний на истираемость.

Второй вопрос, связанный с получением высоких показателей прочности, оказался намного сложнее. При использование обычного портландцемента марки 400 и стандартного песка, при твердении в нормальных условиях (термообработка полимерных форм исключена) необходимо было через 24 часа достичь прочности бетона на сжатие не менее 40 МПа, а уже в возрасте 14 суток – 100 МПа на сжатие и 10 МПа на растяжение при изгибе. Такая кинетика твердения бетона гарантировала качество изделий и устраняла брак при распалубке. Высокая конечная прочность на сжатие и особенно связанная с ней прочность на растяжение при изгибе открывала возможность создания тонких, толщиной до 3мм, изделий.

В качестве средства для решения этого вопроса мы применяли суперпластификатор С-3. Выбор был сделан не случайно – эта добавка и по настоящее время остается одной из самых эффективных пластификаторов. Особенности применения С-3 изучались нами с 1978 года в процессе составления рекомендаций по использованию добавки в стройиндустрии. В то время в НИИЖБе эту работу возглавляли авторы и разработчики суперпластификатора С-3 – д.т.н., проф. В.Г. Батраков и к.т.н. В.Р. Фаликман. Результаты проведенных лабораторных и промышленных испытаний суперпластификатора С-3 показали, что оптимальным расходом добавки является 0,8% от массы цемента.

При этом было установлено, что с увеличением расхода добавки выше рекомендованных 0,8%, эффективность добавки продолжает увеличиваться, однако при этом так же резко увеличивается и эффект воздухововлечения. При повышенных расходах добавки смесь «закипала» и, как следствие, этот процесс сопровождался резким снижением прочности. Необходимо отметить, что применение суперпластификатора С-3, даже в небольших дозировках произвело революционный переворот в стройиндустрии. Тем не менее многие ученые продолжали вести исследования, понимая, что потенциал С-3 намного выше и до конца не раскрыт.

Примерно через 10 лет, в 1989 году появились работы по вяжущим низкой водопотребности, так называемым ВНВ. Автором этой разработки был к.т.н. Ш.Р. Бабаев. В основу работы легло желание прорваться на большие дозировки С-3 до 5% и тем самым использовать всю мощь суперпластификатора для достижения наименьшего водоцементного отношения, а следовательно и ошеломляющей по тем временам прочности. Сделать это удалось достаточно нестандартным способом. Добавку предлагалась вводить не в смесь с водой затворения, как обычно, а в процессе предварительного совместного помола цемента и С-3 в сухом виде.

Такой способ «втирания» добавки в цементные зерна, по мнению авторов, не только снижал эффект воздухововлечения, позволяя применять большие дозировки С-3, но и помогал домолоть зерна цемента до удельной поверхности 7000кв.см/г. Правда, для достижения таких показателей процесс помола затягивался на несколько часов. Прочность на сжатие бетона,  приготовленного на ВНВ, действительно достигала 100 МПа.  Но многие ученые склонялись к мнению, что в большей степени на формирования структуры и достижения таких прочностных характеристик повлиял эффект тонкости помола цемента.

Роль же суперпластификатора С-3 вообще была сведена к присадке, повышающей эффективность помола за счет устранения эффекта слипаемости зерен цемента, который проявляется в процессе измельчения при удельной поверхности более 5000кв.см/г. И как-то незаметно все исследования пошли в сторону разработки тонкомолотых вяжущих с использованием С-3.

В тоже время специалисты, в частности из НИИЦемента, предупреждали, что бетоны, приготовленные на тонкомолотых вяжущих - это уже совсем другой материал, требующий глубоких дополнительных исследований, особенно в области долговечности и проницаемости. Потребность стройиндустрии в высокопрочных вяжущих была невысокой. Поэтому стали добавлять инертные наполнители, снижающие прочность, но удешевляющие вяжущее. Так появились разные ВНВ-70, 50, 30. Цементная промышленность, традиционно поставляющая миллионы тонн цементов с удельной поверхностью зерен в среднем 3000 кв.см/г, была технически не готова и не заинтересована выпускать тонкомолотый цемент в массовом порядке.

И.В. СИТНИКОВ, ген. директор ООО «СИСТРОМ» (г. Москва), канд. техн. наук