Введение. В РФ последнее время наблюдается дефицит цемента. Хотя в 2024 году было изготовлено 64,9 млн. т. портландцемента, это количество не удовлетворило возросшую потребность в 66,7 млн. т. [1]. Это связано с тем, что темпы роста объемов производства бетона превышают объемы производства портландцемента, что особенно актуально в связи с необходимостью восстановления разрушенного жилья в течение 2022-2026 годов на территории РФ. Выполнение требований по объему выпуска бетона можно обеспечить за счет снижения расхода цемента, благодаря использованию цементосберегающих технологий. К ним относятся: применение добавок пластифицирующего действия, минеральных наполнителей, эффективных методов приготовления бетонных смесей и др. Наилучший результат достигается путем сочетания нескольких технологических приемов [2–4]. Применение минеральных добавок, вводимых в бетонные смеси, оказывает существенное влияние на комплекс свойств: способность разжижаться или снижать водопотребность бетонной смеси при помощи суперпластификаторов, кинетику твердения и структурообразование бетона, состав гидратных фаз, что в итоге оказывает влияние на технологию изготовления железобетонных изделий и области их использования [5–8]. Ввод минеральных добавок может происходить либо в процессе производства смешанных цементов, либо раздельно при приготовлении бетонных смесей [9–13]. Второй вариант обладает рядом преимуществ, так как дает возможность выбирать добавки по экономическим или технологическим показателям, использовать местное сырье, в том числе и отходы производства, осуществлять оптимальное дозирование в зависимости от ряда параметров: прочности бетона, вида и дисперсности наполнителей, условий твердения и др. [14–15]. С точки зрения экономии портландцемента посредством применения минеральных наполнителей известны два подхода. Первый основан на замещении части портландцемента на равное количество минеральной добавки, что чаще всего сопровождается снижением прочности при относительно несущественном уменьшении водопотребности. Второй заключается в замещении минеральной добавкой не только доли портландцемента, но и частично мелкого заполнителя, что является более эффективным способом в плане экономии цемента и обеспечения требуемых прочностных характеристик [16-17]. Применение минеральных добавок в бетонах характеризуется закономерным проявлением свойств композита, обусловленных расходом вяжущего, В/Ц, дозировками добавок и т.д. [15, 18] В этой связи целью данной работы является исследовать закономерности влияния расхода портландцемента и крупности мелкого заполнителя на эффективность минеральных добавок и возможность экономии вяжущего. Методика. Исследования проводили на образцах мелкозернистого бетона 3×3×3 см, моделирующих составы с расходом цемента 190–450 кг/м3, и цементного камня. Тонкодисперсный кварц вводили в количестве 40 и 70 % от массы портландцемента взамен доли мелкого заполнителя (≈7–14 %). Для регулирования содержания кварцевого песка вводили дробленый гранит (2,5–5 мм). Суперпластификатор (СП) вводили в количестве 0,4 % от массы порошковой части (ПЦ+МД) бетонной смеси, так как дисперсный наполнитель является компонентом цементного теста и значительно адсорбирует воду по сравнению с крупным и мелким заполнителем. Водотвердое отношение подбирали по ГОСТ 310.4-81, при сохранении равной подвижности бетонных смесей. Образцы после изготовления твердели в лабораторной пропарочной камере КУП-1А по режиму 2+3+8+остывание (t=80 °С). Испытания на прочность проводили на лабораторном гидравлическом прессе ПГМ-100 МГ4 по 6 образцов каждого состава (ГОСТ 10180–2012). Образцы цементного камня 3×3×3 см изготавливали из теста нормальной густоты (310.3-76). В работе использовали: кварцевый песок «Формматериалы» (Мкр=1,62 и 2,15; ГОСТ 8736-2014) г. Воронеж; гранит 2,5–5 мм Павловского карьера (Воронежская обл.); тонкодисперсный кварц (Sуд = 170, 250, 380, 550 кг/м2), тонкодисперсный кварцитопесчаник (Sуд = 400, 500 и 600 кг/м2) Лебединского ГОКа, портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ЗАО «Осколцемент» (τн.схв=230 мин; НГ=26 %, C3S=61,59 %, C2S=14,2 %, C3A=6,83 %, C4AF=3,73 %); суперпластификатор «Полипласт ПК тип S» (30 %-й р-р, ТУ 20.59.59-098-58042865-2022, ГОСТ 24211). Гранулометрию тонкодисперсных компонентов определяли с помощью прибора MicroSizer 201. Основная часть. Для исследования возможности экономии портландцемента использовали подход, при котором минеральная добавка (МД) заменяет часть мелкого заполнителя и часть портландцемента. В качестве контрольных выбраны составы с соотношением Ц:Гр:П:Дм (Цемент: Гранит: Песок: Добавка минеральная) – 1:3,9:3,8:0; 1:2,7:2,6:0 и 1:2,0:1,9:0; моделирующие расход вяжущего приблизительно 250, 350 и 450 кг/м3 и содержание мелкого заполнителя в реальных бетонных смесях. Бетонные смеси характеризовались нормальной консистенцией по ГОСТ 310.4-76 (РК=106-115мм). В табл. 1 и на рис.1 приведены результаты испытаний. Результаты исследований показали, что применение минерального наполнителя взамен части цемента и мелкого заполнителя, обусловливает эффективное снижение водопотребности на 35–40 %, благодаря увеличению объема цементного теста и концентрации частиц (ПЦ+МД). При этом повышается однородность структуры бетона и уплотнение цементной матрицы. Указанный эффект проявляется в разной степени при различном содержании вяжущего. В смесях, отличающихся низким расходом цемента, повышение объема смешанной цементной дисперсии путем ввода МД усилило водоредуцирующее действие суперпластификатора на 35 %. С дальнейшим ростом содержания цемента и дисперсной фазы эффективность водоредуцирующего действия суперпластификатора возросла до 40 %. В качестве показателя эффективности минерального наполнителя использовали удельную экономию портландцемента Эц на единицу прочности бетона контрольного состава [17]: Эц=Цк/Rк-Цi/RiЦк/Rк∙100%                     (1) где Цк , Rк – расход цемента и прочность бетона контрольного состава; Цi , Ri – расход цемента и прочность бетона с различным содержанием МД. Применение показателя удельной экономии цемента Эц позволяет оценить эффективность применения минеральной добавки в бетонах. Установлены характерные зависимости Эц от расхода вяжущего и дозировок МД. Полученные данные (табл. 1) свидетельствуют о том, что при низком содержании вяжущего (составы № 1-8), целесообразно вводить максимальное количество добавки (70 %). При этом обеспечивается повышение прочности (на 12–55 %) по сравнению с контрольным составом. Достижение удельной экономии портландцемента до 33,4–58,8 % (в абсолютных единицах 20-60 кг/м3) свидетельствует о наличии резерва экономии цемента с сохранением требуемой прочности. При снижении расхода портландцемента от 350 до 330–310–290 кг/м3 (составы 2.1-2.8), микронаполняющий эффект МД варьировался в зависимости от дозировки. Наблюдалось повышение Эц от 10,2 до 27,8 % (при МД=70 %) и снижение Эц от 32,7 до -2,8 % (при МД=40 %) по мере снижения расхода вяжущего от 330 до 290 кг/м3. При минимальном содержании цемента (290 кг/м3) и наибольшем содержании МД (70%) прочность бетона не только не уступала контрольному составу, но и заметно превосходила на 25 %. В бетонах с высоким содержанием цемента (составы 3.1-3.8) (450–390 кг/м³) наблюдается снижение оптимального количества микронаполнителей, целесообразно использовать 40 % МД. При этом обеспечивается увеличение прочности на 30,5–39,3 % при одновременной удельной экономии цемента Эц=24,3-42,8 %. Расчет сокращения выбросов СО2 производили с учетом того, что объем выделяемого углекислого газа при производстве 1 т портландцемента составляет 0,83 т [18]. При экономии портландцемента 20-60 кг/м3 выбросы СО2 снижаются на 16-50 кг на 1 м3 бетона.   Таблица 1 Составы и свойства бетонов с различным расходом вяжущего и МД № сост. Ц:Гр:П:Дм В/Т Ц, кг/м3 Ц+Дм, кг/м3 Rcжтво, МПа Э,  кг/м3/% Эц,  % 1 1:3,8:3,7:0 0,76 250 250 4,8 - - 2К 1:3,9:3,8:0 0,71 250 250 6,5 - - 3 1:4,2:3,9:0,4 0,51 230 322 4,6 20/4,4 -29,1 4 1:4.2:3,6:0,7 0,42 230 391 14,5 20/4,4 58,8 5 1:4,6:4,5:0,4 0,54 210 294 5,1 40/8,8 -6,5 6 1:4,6:4,2:0,7 0,43 210 357 9,8 40/8,8 44,6 7 1:5,1:5,1:0,4 0,57 190 266 3,1 60/13,3 -19,3 8 1:5,1:4,8:0,7 0,46 190 323 7,4 60/13,3 33,4 2.1 1:2,6:2,6:0 0,55 350 350 16,8 – – 2.2К 1:2,7:2,6:0 0,50 350 350 17,7 – – 2.3 1:2,9:2,5:0,4 0,36 330 462 24,8 20/4,4 32,7 2.4 1:2,9:2,2:0,7 0,29 330 561 18,6 20/4,4 10,2 2.5 1:3,0:2,8:0,4 0,36 310 434 18,4 40/8,8 14,8 2.6 1:3,0:2,5:0,7 0,29 310 527 21,7 40/8,8 27,7 2.7 1:3,3:3,0:0,4 0,37 290 406 12,1 60/13,3 -2,8 2.8 1:3,3:2,8:0,7 0,30 290 493 23,6 60/13,3 27,8 3.1 1:1,9:1,9:0 0,38 450 450 16,0 – – 3.2К 1:2,0:1,9:0 0,33 450 450 21,3 – – 3.3 1:2,1:1,7:0,4 0,24 430 602 35,6 20/4,4 42,8 3.4 1:2,1:1,4:0,7 0,22 430 731 22,7 20/4,4 10,3 3.5 1:2,2:1,9:0,4 0,24 410 574 31,4 40/8,8 61,8 3.6 1:2,2:1,6:0,7 0,22 410 697 17,8 40/8,8 -9,1 3.7 1:2,3:2,1:0,4 0,25 390 546 24,4 60/13,3 24,3 3.8 1:2,3:1,8:0,7 0,21 390 663 21,8 60/13,3 15,3     Анализ полученных результатов (рис. 1) свидетельствует о закономерном влиянии количества минеральной добавки на прочность бетона при сжатии в зависимости от содержания цемента. Отчетливо выражено уменьшение рационального содержания минеральной добавки по мере роста расхода вяжущего, характеризующееся нелинейной зависимостью. Прочность бетонов с низким расходом вяжущего (190–230 кг/м³) повышается при введении МД в наибольшей дозировке (70 %). В этом случае микронаполняющий эффект с ростом дозировки возрастает, добавка эффективно компенсирует недостаток цемента, что способствует уплотнению структуры цементной матрицы. В то время как в области высокого расхода цемента (390–430 кг/м³) характерна тенденция к снижению оптимального содержания МД и достигаемого эффекта. С повышением расхода цемента положительный микронаполняющий эффект ослабевает, так как увеличение содержания добавки приводит к разбавлению цемента, препятствует формированию непосредственных контактов между частицами цемента, что ослабляет цементную матрицу, прочность при этом уменьшается. Однако, следует учитывать, что влияние МД сводится не только к структурообразованию и прочностным показателям, но и значительно модифицирует взаимодействие компонентов цементных систем на микроуровне, включая процессы гидратации. В области среднего расхода вяжущего (290–330 кг/м³) наблюдается вариабельность оптимальных дозировок. Приведенный анализ показывает, что оптимальное количество добавки является откликом системы «цемент+минеральная добавка» на структурирование дисперсионной среды в бетоне, при ее оптимальном насыщении. Оптимальное количество минеральной добавки в бетоне может увеличиваться по мере снижения расхода вяжущего. В бетонах с низким расходом вяжущего (<В15-В22,5) минеральные добавки дают наилучший эффект, при этом экономия цемента может достигать 60 кг/м3 и выше.     Рис. 1. Зависимость прочности бетона от расхода вяжущего и соотношения ПЦ:МД   Далее исследовали взаимосвязь между удельной поверхностью тонкодисперсной минеральной добавки и крупностью мелкого заполнителя, и их совокупным влиянием на прочность композита. Использовали молотый кварц различной степени измельчения с удельной поверхностью 170, 250, 386 и 550 м2/кг. В качестве мелкого заполнителя применяли кварцевый песок: мелкий с модулем крупности Мкр=1,6 и крупный с Мкр=2,1. Гранулометрия молотого кварца с различной удельной поверхностью приведена на рис. 2. С увеличением удельной поверхности тонкодисперсного кварца (Sуд = 380 и 550 м2/кг) интегральные гранулометрические кривые закономерно смещаются в область более тонких частиц относительно ПЦ (рис. 3, № 3 и 4). Интегральная гранулометрическая кривая кварца с Sуд = 170 м2/кг отличается наиболее грубодисперсным составом, а гранулометрическая кривая измельченного кварца с Sуд = 250 м2/кг практически совмещается с кривой ПЦ.     Рис. 2. Интегральные гранулометрические кривые тонкодисперсного кварца (№1-4) и ПЦ (№5): 1) Sуд=170 м2/кг; 2) Sуд=250 м2/кг; 3) Sуд=380 м2/кг; 4) Sуд=550 м2/кг; 5) 320 м2к/г   Изготавливали образцы бетона состава Ц:Гр:П:Дм=1:3,3:2,8:0,7, моделирующие бетон с расходом цемента 290 кг/м3 и содержанием тонкодисперсного кварца 70 %. Контрольный состав (9К) использован для оценки потенциала экономии цемента, соответствует бетону с расходом 350 кг/м3 без МД. Результаты исследований показали, что сочетание дисперсности мелкого заполнителя и тонкодисперсной добавки оказывает большое влияние на прочность бетона (таблица 2).   Таблица 2 Влияние комбинирования дисперсности мелкого заполнителя и наполнителя на прочность № Ц, кг/м3 МД, кг/ м3 (%) Sуд МД, м2/кг Мкр песка СП, % В/Т Rcж, МПа (ТВО) ∆Rcж, % 1 290 203 (70) 170 2,15 0,6 0,27 25,4 +30,3 2 290 203 (70) 250 2,15 0,6 0,27 15,1 -17,2 3 290 203 (70) 380 2,15 0,6 0,27 22,4 +20,9 4 290 203 (70) 550 2,15 0,6 0,27 22,8 +22,4 5 290 203 (70) 170 1,62 0,6 0,3 13,6 -30,1 6 290 203 (70) 250 1,62 0,6 0,3 13,8 -28,3 7 290 203 (70) 380 1,62 0,6 0,3 23,6 +25,0 8 290 203 (70) 550 1,62 0,6 0,3 23,4 +24,4 9К 350 - - 1,62 0,6 0,3 17,7 -   Исследования показали, что первостепенное значение играет степень совмещения гранулометрии МД с гранулометрией портландцемента (рис. 3). Если их гранулометрический состав достаточно близок, то крупность применяемого мелкого заполнителя не играет существенной роли (составы № 2 и 6). При этом ввод наполнителя (70 %) не повышает прочность композита, и, соответственно, не дает экономию вяжущего. Если используется наполнитель с низкой удельной поверхностью 170 м2/кг (состав №1 и 5), у которого гранулометрия заметно смещается в сторону грубодисперсных фракций, то необходимо использовать крупный песок (Мкр=2,1). В комбинации с мелким кварцевым песком (Мкр=1,62) прочность резко снижается, так как происходит перенасыщение системы мелкими частицами песка и наполнителя, размерность которых может совпадать. Наполнитель с высокой степенью дисперсности – 380 и 550 см2/г, у которого гранулометрия смещена в область более мелких фракций (рис. 3), хорошо сочетается как с мелким, так и крупным песком. С мелким песком прочность несколько выше, приблизительно на 5,4 %.   Рис. 3. Гранулометрия портландцемента и тонкодисперсного кварца с Sуд: а) 250 м2/кг, б) 550 м2/кг   Ценным практическим выводом является то, что можно эффективно использовать грубодисперсный наполнитель в сочетании с крупным кварцевым песком для обеспечения требуемой прочности при экономии портландцемента, что дает существенную экономию энергетических затрат на помол наполнителя. При этом необходимо осуществлять рациональный выбор кварцевых песков по крупности. В качестве альтернативного варианта исследовали эффективность применения минеральных добавок путем замещения части вяжущего. Для этого применяли минеральные наполнители на основе отсева дробления кварцитопесчаника (ОДКВП) Лебединского ГОКа. Минеральную добавку ОДКВП предварительно измельчали до удельной поверхности 400, 500 и 600 м2/кг (таблица 3). Композиционное вяжущее (КВ) получали путем ввода 20 и 50 % минеральной добавки в предварительно размолотый цемент (Sуд= 400 и 600 м2/кг). Изготавливали образцы 3×3×3 см с различным содержанием МД из теста нормальной густоты, которые твердели 28 сут в нормальных условиях. В качестве контрольных использовали образцы чистого цементного камня (состав № 5). Установлено, что наибольший прирост прочности наблюдался у цементного камня на основе КВ с заменой 20 % цемента на минеральную добавку ОДКВП: ∆Rсж = 33,9 и 38,0 % (при Sуд ПЦ=400 и 600 м2/кг). Анализ показателей прочности композиционных вяжущих с 20 и 50 % МД показал, что увеличение удельной поверхности МД до 600 м2/кг является нецелесообразным, так как не приводит к существенному повышению прочности, при этом значительно повышаются энергетические затраты на помол. Приоритетную роль играет степень измельчения вяжущего. Таблица 3 Прочность композиционного вяжущего № п/п Состав Sуд, м2/кг R28сж, МПа   ∆Rсж, % ПЦ ОДКВП 1 КВ20 400 400 51,8 -5,8 500 83,0 +33,9 600 72,4 +24,3 2 600 400 59,8 +8,4 500 88,4 +38,0 600 78,2 +29,9 3 КВ50 400 400 46,8 -17,1 500 71,4 +23,2 600 66,0 +16,9 4 600 400 53,1 -3,2 500 78,0 +29,7 600 69,8 +21,5 5 ПЦ 330 - 54,8 - Примечание: КВ20 (50) – замена цемента на 20 и 50 % МД. Полученные результаты исследований подтверждают, что оптимальные дозировки зависят от степени дисперсности: чем выше удельная поверхность МД, тем меньше ее оптимальное содержание. При высокой степени измельчения МД увеличивается содержание пылевидных фракций, повышающих водопотребность бетонной смеси, усиливается агрегирование частиц наполнителя, приводящее к увеличению числа «сухих» контактов между ними и несбалансированному распределению в цементной системе. Это существенно сказывается на структуре, микропористости и физико-механических свойствах композита. Выводы Подтверждено, что оптимальное количество минеральной добавки определенной дисперсности зависит от расхода вяжущего в бетоне, что согласуется с законом оптимального насыщения системы минеральным дисперсным компонентом. Учет этого фактора дает возможность целенаправленно модифицировать цементные композиты, эффективно снижать водопотребность, обеспечивая тем самым повышение прочности системы или существенную экономию вяжущего. Установлено, что ввод МД (70 %) взамен мелкого заполнителя и цемента в бетонных смесях с низким содержанием вяжущего (190–230 кг/м³) позволил повысить прочность на 12–55 % по сравнению с контрольным составом при удельной экономии Эц 33,4–58,8 %, что указывает на наличие резерва экономии цемента. С повышением расхода портландцемента от 290 до 330 кг/м3 наблюдалось повышение Эц от 10,2 до 27,8 % (при МД=70 %) и снижение Эц от 32,7 до -2,8 % (при МД=40 %). В бетонах с высоким содержанием цемента (430-390 кг/м³) увеличение прочности на 39,3–30,5 % при одновременной экономии цемента Эц=24,3-42,8 % наблюдалось при дозировке МД 40 %. Если удельные поверхности МД и ПЦ достаточно схожи и при этом гранулометрия наполнителя почти совпадает с гранулометрией цемента, то ввод наполнителя не повышает прочность и, соответственно, не гарантирует экономию вяжущего. Высокодисперсный наполнитель можно использовать как с мелкими, так и крупными песками. Грубодисперсный наполнитель хорошо совмещается с крупным песком. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании составов бетонов различного назначения, что имеет принципиальное значение в условиях ресурсосбережения и снижения экологической нагрузки стройиндустрии.