Цементы будущего доступны уже сейчас!

Семён Спиридонов, технический эксперт Холсим (Россия) по ПФО
Дмитрий Калугин, технический эксперт Холсим (Россия) по ЦФО

Введение

За последние несколько лет строительная отрасль столкнулась с серьезными вызовами:

• кадровый голод;
• дефицит качественных строительных материалов (в т.ч. и импортных);
• ограничения в логистике (особенно ж/д).

Вместе с этим, растут требования со стороны как Государства, так и частных инвесторов по объемам и темпам строительства. Это касается как общегражданского, так и инфраструктурного и индустриального секторов строительства, что приводит к необходимости внедрения инновационных технологий, расширения областей применения более современных технологий. Ярким примером может являться повышение этажности строительства и применением технологии скользящей опалубки для высотных зданий для ускорения строительства. С целью ускорения строительства также начинает внедряться технология возведения зданий из готовых железобетонных модулей, предполагающих в себе уже смонтированные инженерные коммуникации и черновую или чистовую отделку (white box).

Естественно, данные тенденции отражаются и на производителях строительных материалов. Например, растут требования к самому распространенному материалу — бетону. Если еще 2-3 года назад для Московского региона средний класс бетона был В25-В30, то сегодня это уже В35-В40. Для регионов ПФО картина аналогичная — рост от В20-В22.5 до В25-В30. Повышается спрос на высокотехнологичные бетонные смеси — литые и самоуплотняющиеся (В50-В65), в т.ч. обеспечивающие высокое качество поверхности бетона, что снижает затраты ресурсов на дальнейшую отделку или вообще предлагает популярное в зарубежных странах финальное архитектурное решение — «честная бетонная поверхность (fair faced concrete)».

Актуально также упомянуть, о взятом нашей страной курсе на «зеленое строительство» — экологичность и эффективность на всех этапах жизненного цикла проекта. Принимаются собственные нормативные документы о сертификации зданий по ESG принципам. Создаются программы поддержки этого направления. Так с 1-го ноября 2022 года вступят в силу ГОСТ Р 70339-2022 «Зеленые» стандарты. Финансирование строительной деятельности в целях устойчивого развития. Рамочные основы и принципы" и ГОСТ Р 70346-2022 «Зеленые» стандарты. Здания многоквартирные жилые «зеленые».
Методика оценки и критерии проектирования, строительства и эксплуатации«.

В ГОСТ Р 70346-2022 при оценке зданий на соответствие критериям «зеленого здания» 18% от общего количества баллов напрямую относятся к цементосодержащим материалам и принципам использования их на протяжении жизненного цикла здания, т.е. от проектирования, строительства и эксплуатации, до сноса.

В 2023 году должен вступить в силу еще один стандарт на «зеленые здания и сооружения» по системе сертификации проектов коммерческой и некоммерческой недвижимости, который будет распространяться на офисы, гостиницы, ритейл, склады, многофункциональные комплексы, больницы, школы, легкое производство, спортивные сооружения, общественные здания.

Какой путь выбрать?

Каковы способы решения задач по ускорению темпов строительства и соответствию современным требования к строительным материалам, в частности к бетону, как самому тоннажному материалу для строительства?

Первый путь — повышение активности (прочностных характеристик) портландцемента. Таким образом для достижения нужных показателей в бетонах потребуется меньшее количество вяжущего. Но тут же мы сталкиваемся с ограничениями:

• ограниченность производственных возможностей, то есть физически цементные заводы уже не могут производить более активные цементы без существенной модернизации помольных линий (производство «блэндированных» цементов по технологиям раздельного помола);
• проблемы, которые вызваны низким содержанием вяжущего в бетонных смесях и это в первую очередь расслоение бетонных смесей, либо требование дополнительного введения минеральных добавок.

Второй путь — использовать производимый в России клинкер более эффективно. Если повысить качество и количество клинкера уже очень сложно, то с конечным продуктом (цементом) можно работать и добиваться от него повышение эффективности. Идея проста, имея ограниченный объем клинкера вводить в цемент минеральные добавки и тем самым увеличивать как объем производимого цемента, так и придаем ему новые технологические свойства.

Такой подход позволяет отвечать на вызовы рынка по увеличению объемов производства и снижению выбросов углекислого газа на единицу готовой продукции. А для обеспечения высоких темпов строительства дополнительно требуется обеспечение быстрой кинетики набора прочности бетоном, и, соответственно, цементом.

Состоятельность такого подхода доказывает портландцемент с минеральной добавкой ЦЕМ II/А-И 42,5Н (или Б) производимый на производственных площадках компании Холсим Россия в г .Вольск (ООО «Холсим (Рус)»), г. Коломна и п. Ферзиково (ООО «Холсим (Рус) СМ»).

Известняк как минеральный компонент добавочного цемента — инертный или функциональный?

В качестве минеральной добавки в ЦЕМ II/А-И используется известняк, который добывается на тех же карьерах (принадлежащих компании), что и сырье для производства клинкера. В качестве примера можно привести завод в г. Вольск ООО «Холсим (Рус)». За свою 125 летнюю историю завод прославился несравнимым качеством сырьевых материалов. Собственный карьер м-н «Большевик» представляет собой пласт чистейших молодых меловых пород. Разработка карьера ведется селективно с постоянным контролем химического состава сырьевых компонентов. Подается мел строго дозируясь вместе с клинкером и гипсом в цементные мельницы закрытого типа, где происходит совместный помол цемента.

Естественно после ввода известняка/мела как дополнительного компонента свойства цемента меняются.

1. Гранулометрия распределения частиц выравнивается, т.е. стремится к оптимальной. Более мелкие частицы известняка встраиваются в пустоты цементного камня при гидратации, снижая общую пористость. Все это приводит к увеличению прочности и долговечности бетона.
2. Увеличивается удельная поверхность цемента, по сути увеличивается поверхность для реакции гидратации. Это влечет за собой более полную и эффективную гидратацию, увеличивая прочность в ранние сроки.
3. Помимо физических процессов также протекают химические реакции: образуются гидрокарбоалюминаты в небольшом количестве, котороые выступают в т.ч. центрами кристаллизации. Это также влияет на увеличение прочностных показателей.

При использовании цементов ЦЕМ II/А-И 42,5Н(Б) при производстве бетонных смесей дополнительно отмечают следующие свойства:

• улучшение перекачиваемости по трубопроводам и снижение налипания,
• повышение пластичности смеси и улучшение удобоукладываемости,
• снижение водопотребности и водоотделения,
• повышения качества поверхности бетонных изделий,
• снижение риска высолообразования,
• прирост прочности в ранние сроки твердения,
• повышенное сродство к поверхности, арматуре и заполнителю,
• сохраняются те же морозостойкость и стойкость к карбонизации.

Одним из самым ярких и наглядных плюсов ЦЕМ II/А-И 42,5Н(Б) является снижение эффекта водоотделения. На фото ниже представлены результаты испытаний равноподвижных цементно-песчаного растворов на полифракционном песке. Как можно видеть ЦЕМ II/А-И 42,5Н(Б) демонстрирует прекрасную водоудерживающую способность. Через 1 час водоотделение по сравнению с контрольным составом ниже на 21%, а через 2 часа уже на 39%.

Опыт применения ЦЕМ II/А-И 42,5Н «Холсим (Рус)»
При оценке физико-механических характеристик ЦЕМ II/А-И 42.5Н в сравнении с ЦЕМ I 42.5Н, производимых на заводе Холсим (Рус) в г. Вольск (средние значения за период январь-сентябрь 2022) можно отметить следующее:

Какие результаты цементы ЦЕМ II/А-И 42,5Н(Б) демонстрируют в бетонах?

На диаграмме ниже показаны испытания ЦЕМ II/А-И 42,5Н (Холсим (Рус), г. Вольск) в бетонах с разными расходами цемента (250, 350 и 450 кг/м3). Эти испытания позволяют ответить на некоторые вопросы:

1. ЦЕМ II/А-И 42,5Н показывает одинаковую эффективность как при низком, так и при высоком расходе цемента. Т.е. увеличивая или уменьшая расход цемента наблюдается закономерное изменение прочности в допустимых диапазона расхода цемента.
   
2. Динамика набора прочности не меняется после 7 суток и даже не падает после 28 суток. Результаты испытаний демонстрируют прирост прочности как после 7, так и после 28 суток.
3. На бетоне с применением ЦЕМ II/А-И 42,5Н можно достигать класса прочности В50 не используя принципы подбора составов для литых или самоуплотняющихся бетонов.

Следующие примеры демонстрируют как ведет себя ЦЕМ II/А-И 42,5Н в сравнении с ЦЕМ I 42,5Н того же Вольского завода «Холсим (Рус)».

1. При одинаковом расходе цемента.
   

   Прочности на 28 сутки в данном испытании снизились на 6%. В среднем отмечается снижение 3-6%, так же встречались случаи отсутствия разницы.

   Но что касается ранних прочностей она практически всегда остается на том же уровне. Данное свойство можно использовать на производствах, где важна в первую очередь ранняя прочность. Там как правило завышен расход цемента и переход на ЦЕМ II/А-И 42,5Н позволит сохранив расход цемента на прежнем уровне существенно снизить себестоимость, т.к. у него ниже стоимость продажи.

2. При повышении расхода цемента.
   

   Самым простым и часто используемым способом достигать требуемых прочностей при сравнении цементов ЦЕМ I 42.5 и ЦЕМ II 42.5 является увеличение расхода вяжущего. На приведенном примере для выравнивания прочности на 28 сутки потребовалось увеличить расход ЦЕМ II/А-И 42,5Н на 10 кг/м3. Часто достаточно всего 5 кг/м3 для выполнения этой задачи.

   Бетонная смесь приобрела в результате перехода на ЦЕМ II/А-И 42,5Н не только дополнительные положительные свойства, которые дает известняк, но и стала дешевле. Себестоимость в данном примере была уменьшена на 19 руб./м3. В практике такой простой переход способен изменить себестоимость в лучшую сторону вплоть до 50 руб./м3.

   Но в этом способе кроется ловушка мышления. Часто сравнив два цемента на «ходовом составе» и определившись с дельтой между цементами, она транслируется на все остальные составы.
   Как такой подход отразится на результатах проиллюстрирован в примере ниже.

   

   Увеличение расхода цемента на 10 кг/м3 на низком классе бетона дает ненужный прирост прочностей и увеличение себестоимости. Объясняется все просто, 10 кг от 350 это 2,9%, а 10 кг от 220 это уже 4,5%. Т.е. привязываться лучше к некому проценту надбавки в расходе, а не к фиксированной «дельте».

3. При повышении расхода химической добавки-пластификатора.

   Существует иной способ перехода на ЦЕМ II/А-И 42,5Н. Он основывается на свойстве цемента стабилизировать бетонную смесь. Часто бетонным смесям низких классов свойственно расслоение и добавка-пластификатор там иногда вообще не применяют в связи с невозможностью использования его в оптимальных дозировках. Повысив устойчивость смеси к расслоению мы можем увеличить дозировку пластификатора и тем самым улучшить В/Ц (водоцементное отношение) для достижения требуемых прочностей не прибегая к увеличению расхода вяжущего. На данном примере увеличив дозировку пластификатора с 0,7% до 0,9% удалось выйти в нужные параметры прочности на сжатие. Такой подход позволил снизить себестоимость бетона на 35 руб/м3. Этот способ применим практически ко всем классам бетона.

Позиционирование относительно рынка.
Разговор о цементе не был полным без оглядки на предложения рынка цементной промышленности. Ниже приведены результаты испытаний программы бенчмаркинга компании Холсим среди некоторых доступных цементов в ПФО.

ЦЕМ II/А-И 42,5Н в подвижных смесях (П4) показывает результаты выше или на уровне некоторых других производителей. Отмечены следующие отличия:

• Более низкая водопотребность (размер кружка тем меньше, чем меньше воды пошло на затворение смеси)
• Более эффективная работ пластифицирующих/водоредуцирующих добавок
• Хорошая сохраняемость бетонной смеси во времени.

Такие же испытания проводятся и в режиме термовлажностной обработки.

ЦЕМ II/А-И 42,5Н опережает практически все добавочные цементы рынка. Так же он способен на равных конкурировать с цементами ЦЕМ I и ЦЕМ 0 класса прочности 42.5. Это видно как по программе бенчмаркинга, так и на практике при испытании у клиентов. Такой пример ниже.

ЦЕМ II/А-И 42,5Н показывает сопоставимые результаты с ЦЕМ 0 52,5Н конкурента при равных расходах цемента. При этом остается даже поле для снижения расхода цемента в сравнении с другими цементами.

При решении задач по увеличению высотности строительства в ЦФО, также изучена возможность ЦЕМ II/А-И 42,5Н в качестве вяжущего в технологии СУБ, без использования наполнителя (минерального порошка и пр.). В результате подтверждено предположение о том, что известняка в составе цемента достаточно для выхода на повышенные дозировки суперпластификатора (на основе РСЕ) и не требуется введение дополнительного стабилизирующего компонента.

Результаты испытаний ниже. Смесь отвечала всем требованиям к самоуплотняющимся бетонным смесям. При этом важно также отметить отсутствие налипания СУБ на рабочие поверхности.

Заключение

Цементы ЦЕМ II/А-И 42.5Н(Б) Холсим Россия по своей эффективности в большинстве сулучаев является полным аналогом цементов ЦЕМ I 42.5Н как в товарном бетоне, так и в производстве ЖБИ. Его отличают: — Улучшенная технологичность

• Пониженное водоотделение
• Лучший внешний вид поверхности
• Возможность раскрыть потенциал химических добавок

Использование ЦЕМ II/А-И 42.5Н(Б) позволяет в полной мере обеспечить сегодняшние и «завтрашние» требования к бетонам на строительной площадке.