Предпосылкой к широкому применению бетонов в качестве архитектурно-декоративного материала послужило появление высокоэффективных суперпластификаторов нового поколения и тонкодисперсных минеральных наполнителей и заполнителей различного природного происхождения, в том числе цветных. Благодаря этому стало возможным получение бетонов нового поколения, под которыми подразумеваются бетоны высокой и сверхвысокой прочности, повышенной морозостойкости, коррозионной стойкости и, как следствие, высокой долговечности [5-8] . Это в полной мере относится к декоративно-отделочным бетонам.

Оптимальное сочетание добавок-модификаторов, высокодисперсных пигментов, совмещение с ними других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру бетона на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие не только качество и эксплуатационную надежность, но и безграничные архитектурные возможности. 

Ранее в исследованиях [9] автором была дана классификация большого числа видов бетонов нового поколения. Но из программы исследования выпали специальные архитектурно-декоративные и защитно-отделочные бетоны нового поколения. Поэтому с целью понимания технологии и основных принципов производства архитектурно-декоративных бетонов нами была разработана и систематизирована новая терминология, представленная в настоящей главе.

В зависимости от тонкости помола и зернистости наполнителей и заполнителей мы классифицируем архитектурный бетон по возрастанию их дисперсности на: порошковый бетон, реакционно-порошковый, порошково-активированный мелкозернистый и порошково-активированный щебеночный.

Такая классификация позволяет получить более полное представление о виде присутствующих в бетонах наполнителей и их зернистости или дисперсности, а также использованного нанометрического микрокремнезема и пигмента.

Еще одним критерием оценки, по которому мы даем классификацию архитектурно-декоративных бетонов, является водоредуцирующий эффект. Этот показатель в бетонах старого поколения определяется по формуле:

где  (В/Ц)н ‒ водоцементное отношение непластифицированной смеси;

(В/Ц)п ‒ водоцементное отношение пластифицированной смеси.

По водоредуцирующему эффекту пластифицированные бетонные смеси старого поколения с разными расходами цемента, принимая классификацию профессора В.И. Калашникова [9], разделяем следующим образом:

расход цемента 150-200 кг/м³ – В_эф = 5-7%;

расход цемента 250-300 кг/м³ – В_эф = 10-15%;

расход цемента 400-600 кг/м³ – В_эф = 20-35%.

Таким образом, для бетонных смесей старого и переходного поколений применение различных пластификаторов, в том числе дорогих зарубежных гиперпластификаторов нового поколения на поликарбоксилатной основе, является малоэффективным  при небольших расходах цемента, в том числе для архитектурно-декоративных бетонов.

Основными показателями, позволившими дать иную классификацию бетонов нового поколения по водоредуцирующему эффекту, явились результаты экспериментов по определению реологической активности каждого дисперсного компонента в отдельности, в комбинации с цементом и порошковых бетонов по водоредуцирующему эффекту в целом. Целью этих экспериментов было значительное увеличение объема дисперсной фазы за счет добавления порошкового наполнителя и пигмента с присутствием нанометрических частиц для высокого разжижающего действия суперпластификатора. Эти эксперименты подтвердили, что производство эффективных архитектурно-декоративных бетонов нового поколения будет реализовано только тогда, когда основные усилия будут направлены на производство и подготовку качественных наполнителей и заполнителей. Было показано, что повышение эффективности архитектурно-декоративных порошковых бетонов может быть достигнуто добавлением ультравысокодисперсных кальцитов и пигментов. В этом случае водоредуцирующий эффект достигает 50% и более.

Таким образом, в архитектурно-декоративных бетонах нового поколения с высоким содержанием водопотребных высокодисперсных и тонкозернистых наполнителей водоредуцирующий эффект становится очень высоким.

Для архитектурно-декоративных бетонов нового поколения необходимым условием является высокое содержания водно-дисперсных суспензий – Vвд. Объем их определяется из суммарного содержания цемента (Vц) , дисперсного наполнителя (Vдн), высокодисперсных пигментов (Vп) и воды (Vв):

                                            Vвд =   Vц + Vдн +  Vп +   Vв;

Доля водно-дисперсных суспензий  Свд   в объеме бетонной смеси _. определяется по формуле:

                                       Свд = ( Vвд/Vвс ) · 100%;

Она в архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонах находится в пределах 35-40%.

Порошково-активированные и порошковые архитектурно-декоративные бетоны отличаются от песчаных и щебеночных тем, что первые на 50%-70% и более состоят из водно-дисперсных суспензий, а вторые − на 100 % из водно-дисперсно-тонкозернистых суспензий.

Еще одним ключевым критерием, позволяющим классифицировать архитектурно-декоративные бетоны нового поколения, является текстура и форма поверхности, а также способ ее получения. По такому принципу архитектурно-декоративные бетоны нового поколения нами были разделены на следующие виды:

- архитектурно-декоративные бетоны с высокодекоративной глянцевой и матовой поверхностями различного цвета;

- архитектурно-декоративные бетоны с мозаичной декоративной поверхностью под текстуру шлифованного природного камня;

- архитектурно-декоративные бетоны с использованием «игры света и тени» с выступами и углублениями различной формы (конической, цилиндрической, комбинированной формы и т.п.);

- архитектурно-декоративные бетоны с визуализацией графических изображений на поверхности;

- архитектурно-декоративные бетоны поверхности с имитацией под пильный и колотый натуральный камень.

Таким образом, нами сделана попытка расширения терминологии архитектурно-декоративных бетонов с учетом их визуального восприятия и технологической и экономической эффективности.

Подтверждена возможность создания самоуплотняющихся бетонных смесей с добавлением большого количества дробленого песка фр. 0,63-2,5 (5,0) мм без использования дорогостоящих микрокремнеземов и наномодификаторов, с расходом цемента 400 кг/м³ вместо 700 кг/м³. Прочность на сжатие таких бетонов достигает более 100 МПа при расходе цемента 400 кг/м³. Задача создания архитектурно-декоративных окрашенных бетонов решается путем введения пигментов или красителей необходимого оттенка цвета и формированием декоративной поверхности, что придает неповторимый облик изделиям из бетона. При этом удельный расход цемента на единицу прочности составляет всего 3,47 кг/МПа. Это позволяет классифицировать разработанные бетоны как высокоэффективные экономичные бетоны нового поколения [1, 2].

Чтобы оценить экономический эффект от снижения стоимости компонентов при различных расходах на 1 м³, мы представляем сравнительную оценку их стоимости в порошково-активированных песчаных бетонах с расходами цемента 700 кг/м³ и 400 кг/м³ (табл. 1). В данном случае мы рассматривали бетоны на фракционированных наполнителях и заполнителях на основе отсевов дробления известняка. Выбор в пользу этой горной породы был сделан, исходя из наличия месторождений известняка во многих регионах России, в частности на территории Приволжского федерального округа. Стоимость каменной муки и песков фр.0,16-0,63 мм в приведенной таблице весьма условна и взята, исходя из приблизительных расчетов себестоимости производства этих наполнителей с учетом доставки железнодорожным транспортом на расстояние более 500 км. Понятно, что экономическая эффективность бетонов нового поколения в регионах с наличием карьеров нерудных ископаемых будет существенно выше, чем в регионах с отсутствием таких месторождений.

Таблица 1. Сравнительная стоимость компонентов бетонных смесей порошково-активированных песчаных бетонов с ГП Melflux с различным содержанием их в 1 м³ бетона

В данном случае мы не ставили задачу точной калькуляции себестоимости производства 1 м³ порошково-активированного песчаного бетона в конкретном регионе. Значительно важнее на этом этапе исследований было показать экономический эффект от снижения расхода цемента и изменения известняковых наполнителей и заполнителей в 1 м³ при сохранении или незначительном понижении эксплуатационных и физико-технических характеристик порошково-активированного песчаного бетона.

Как видно из анализа табличных данных, экономический эффект от снижения стоимости компонентов порошково-активированных песчаных бетонов с расходами цемента 700 кг/м³ и 400 кг/м³ составляет 64%. При этом стоимость компонентов 1 м³ бетонной смеси достаточно низкая по сравнению с аналогичной стоимостью бетонов с близкими физико-техническими и эксплуатационными характеристиками. И это с учетом того, что стоимость компонентов оценивалась на составах архитектурно-декоративных бетонов, в которых от 80% до 90% стоимости формируют зарубежные дорогостоящие компоненты: белый цемент и ГП Melflux 5581. При отсутствии необходимости создания светлого цвета бетонных изделий и конструкций или изделий, имеющих яркий насыщенный цвет, можно значительно снизить стоимость компонентов 1 м³ бетонной смеси за счет замены белого цемента на серый портландцемент. Так, при замене белого цемента на серый и замене пластификатора Melflux на отечественный Хидетал 9γ стоимость компонентов 1 м³ самоуплотняющихся бетонов с расходом цемента 700 кг/м³ снизится в 2,66 раза, а для бетона с расходом цемента 400 кг/м³ – в 2,26 раза. Для архитектурно-декоративных бетонов высокая стоимость одного кубического метра не является показательной, учитывая малую толщину декоративно-отделочных панелей. Так, если декоративно-отделочные панели имеют толщину 20 мм, а себестоимость изготовления 1 м³ бетона готовых изделий будет в 2-2,5 раза больше, чем стоимость сырьевых материалов, то 1 м² отделочной панели будет стоить 430-615 рублей. Японские производители оценивают стоимость одного квадратного метра декоративной панели из высокопрочного бетона в 1300-2600 рублей.

Таким образом, в результате исследований были получены экономичные высокофункциональные долговечные архитектурно-декоративные порошково-активированные бетоны с использованием отходов камнедробления горных пород. Учитывая то, что эти бетоны являются самоуплотняющимися (СУБ), можно говорить об экологичности и снижении энергопотребления при переходе на технологию производства таких бетонов.

Таким образом, массовое применение высокоэффективных порошково-активированных песчаных бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности формирует предпосылки внедрения в полный производственный комплекс ресурсосберегающих, энергосберегающих и более экологически чистых технологий. Это обеспечивается сокращением выбросов вредных газов в атмосферу; уменьшением расходов энергии и топлива для транспортировки материалов, на их добычу, дробление и помол; уменьшением объемов добычи нерудных полезных ископаемых и сырья для производства цемента; сокращением наращивания чрезвычайно материало- и энергоемкого производства портландцемента; снижением объемов транспортировки компонентов и, как следствие, сокращение затрат логистических систем перевозок сырья; сокращением энергоемкости производства и заменой дорогостоящих привозных заполнителей более дешевыми местными песками или отходами камнедробления, в том числе из местных известняков, доломитов, гравийно-песчаных смесей.