Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние и перспективы исследований и производства бетонов с улучшенными физико-техническими свойствами 11
1.1 О теоретических и практических задачах развития технологии бетона и его производства в Российской Федерации 11
1.2 Отечественный и зарубежный опыт производства бетонов с улучшенными техническими показателями 20
1.3 Бетоны нового поколения на основе эффективных минеральных добавок, тонкозернистых песков, фибры и супер-, гиперпластификаторов 36
1.4 Цели и задачи исследования 49
ГЛАВА 2 Исходные материалы, методы исследований, приборы и оборудование 52
2.1 Характеристика сырьевых материалов 52
2.2 Методы исследований, приборы и оборудование 56
ГЛАВА 3 Экспериментально-теоретические исследования составов, структуры и физико-технических свойств порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения 70
3.1 Теоретические представления о бетонных смесях с порошковой активацией, усиливающей реологическую активность супер- и гиперпластификаторов 70
3.2 Принципы подбора составов щебеночных бетонов с различными расходами цементов и порошковых добавок 77
3.3 Анализ рецептуры порошково-активированных щебеночных бетонов, физико-технические и пирометрические свойства бетонов 88
Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Физико-технические свойства порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности 111
4.1 Теоретические и практические основы выбора реакционно-активных дисперсных и микроармирующих наполнителей 111
4.2 Прочностные и деформационные характеристики порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов 119
4.2.1 Определение динамического модуля упругости порошково-активированного бетона и фибробетона ультразвуком 127
4.3 Прочность порошково-активированного высокопрочного бетона и фибробетона с низким удельным расходом цемента на единицу прочности при осевом растяжении и срезе 128
4.4 Деформации усадки и ползучести порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов 132
4.5 Эксплуатационные свойства порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов 135
4.5.1 Трещиностойкость порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов 135
4.5.2 Ударостойкость порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности 141
4.5.3. Сцепление арматуры с порошково-активированным бетоном и фибробетоном 145
4.5.4 Конструкционные свойства железобетонных и железофибробетонных балок на основе порошково-активированного высокопрочного бетона с низким удельным расходом цемента на единицу прочности 149
4.5.5 Исследование железобетонных плит из высокопрочного бетона и фибробетона на продавливание 252
Выводы по главе 4 159
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность внедрения порошково-активированных щебеночных бетонов в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций 161
5.1. Технологическая схема производства порошково-активированных щебеночных бетонов и фибробетонов и процедура их приготовления 161
5.2 Технико-экономическая эффективность внедрения порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения 162
Основные выводы и рекомендации 167
Библиографический список 170
Приложения 179
- О теоретических и практических задачах развития технологии бетона и его производства в Российской Федерации
- Методы исследований, приборы и оборудование
- Теоретические представления о бетонных смесях с порошковой активацией, усиливающей реологическую активность супер- и гиперпластификаторов
- Теоретические и практические основы выбора реакционно-активных дисперсных и микроармирующих наполнителей
Введение к работе
Актуальность темы. Порошковая активация бетонных смесей для получения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов классов В100 - В160 с низким удельным расходом цемента на единицу прочности не более 4-5 кг/МПа становится реальностью в зарубежной и в Российской практике. Для бетона как материала, входящего по объемам производства в первую пятерку самых материалоемких, уменьшение его объемов в 2-4 раза за счет повышения прочности в 3-5 раз определяет глобальную экономику не только в строительстве, но и в отраслях, ему сопутствующих: горнодобывающей рудной и нерудной, цементной, в авто- и железнодорожном транспорте, энергетической, в обеспечении экологической безопасности и др. Но такой революционный этап наступит лишь тогда, когда все конструкционные бетоны будут высокопрочными и сверхвысокопрочными. Для этого необходимо, чтобы технология бетонов стала химической технологией, нанокремнеземистой и наногидросиликаткальциевой технологией производства. Естественно, что переход на высокопрочные и сверхпрочные бетоны будет постепенным и на этом эволюционном пути по-прежнему будут выпускаться в значительно больших объемах бетоны с классами прочности В15-В60. Снижение стоимости их производства на переходном этапе будет определять основные технико-экономические показатели в строительстве из бетона и железобетона. Уменьшение стоимости бетона общестроительного назначения классов В15-В45 и более переходного периода с традиционной четырехкомпонентной рецептурой, но с эффективными супер- и гиперпластификаторами СП и ГП может быть осуществлено за счет порошковой активации традиционного состава. Выпуск многокомпонентных бетонов нового поколения позволит снизить расходы цемента за счет введения в состав реологически-активных реакционно-активных дисперсных добавок, нанокремнеземистых добавок и тонкозернистого песка фр.0,1-0,5-Ю, 16-0,63 мм, улучшающих в совокупности с цементом реологическое и водоредуцирующее действие гиперпластификаторов. Это позволит снизить расходы цемента в 2-3 раза на 1 м бетона и уменьшить расход воды за счет оптимизации состава трех реологических матриц, которые свойственны порошково-активированным щебеночным бетонам. Снижение удельных расходов цемента в малоцементных бетонах на единицу прочности при сжатии Ц^д до 2,5-4,0 кг/МПа, вместо 6-10 кг/МПа - важная народнохозяйственная задача. В связи с новой стратегией превращения бетонов старого и переходного поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения оптимизация состава последних, изучение их физико-механических свойств является чрезвычайно актуальной задачей.
Учитывая, что современные фибробетоны с недостаточно прочной цементной бетонной матрицей традиционного пятикомпонентного состава «цемент-песок-щебень-СП-вода» являются не столь эффективными, разработка порошково-активированных высокопрочных бетонов и фибробетонов нового поколения при уменьшении расхода цемента в 1,8-2 раза с высокопрочной матрицей является не менее актуальной.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка оптимизированных составов высокопрочных бетонов и фибробетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, не превышающим 4,5 кг/МПа и исследование их основных физико-технических и гигрометрических показателей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-систематизировать составы четырехкомпонентных щебеночных бетонов старого поколения и переходного поколения с супер- и гиперпластификаторами из жестких, полужестких и пластичных бетонных смесей по технико-экономическому показателю - удельному расходу цемента на единицу прочности бетона при сжатии;
-установить в составах 7-ми и 8-ми компонентных бетонов нового поколения содержание каждого компонента в системах «цемент - молотый кварцевый песок (микрокварц) - тонкий кварцевый песок - песок-заполнитель - щебень - ГП(СП) - вода» и «цемент - микрокремнезем - молотый кварцевый песок (микрокварц) - тонкий кварцевый песок - песок-заполнитель - щебень - ГП(СП) - вода»;
-выявить изменение объема реологических матриц по уровням их дисперсности и зернистости и оптимизировать наиболее эффективные составы по прочности;
-разработать составы 7-8-ми компонентных щебеночных бетонов с тонкодисперсной и тонкозернистой активацией с низкими удельными расходами цемента на единицу прочности не превышающими 4,5 кг/МПа с увеличивающейся прочностью от класса В20 до В120;
-установить для бетонов различных классов по прочности численные соотношения сухих компонентов, содержание воды и условных реологических критериев по объему реологических матриц 1-го, 2-го и 3-го рода;
-оптимизировать гранулометрический состав вяжущего, наполнителя, тонкозернистого песка, песка-заполнителя и крупного заполнителя для бетонных смесей;
-получить многофакторные математические модели, выражающие зависимости средней насыпной плотности порошково-активированной смеси и пустотности от расхода вяжущего, наполнителей и заполнителей;
-выявить реакционно-активные тонкодисперсные минеральные компоненты, позволяющие заменить микрокремнезем без существенного снижения прочности;
-выявить оптимальные количественные соотношения компонентов в матрицах бетонной щебеночной смеси с целью получения наилучших реотехнологических свойств в соответствии с разработанными условными реологическими критериями;
-исследовать основные физико-механические и гигрометрические свойства порошково-активированного щебеночного бетона и фибробетона;
-разработать методики и установки для определения отдельных физико-механических свойств порошково-активированных щебеночных бетонов, в том числе для изучения работы бетона в узле сопряжения плиты перекрытия с колонной из высокопрочного бетона и фибробетона с расходом цемента 400 кг/мЗ (для безригельной бескапительной схемы опирання). Научная новизна работы.
Систематизированы составы четырех-пяти компонентных щебеночных бетонов старого (без суперпластификаторов) и переходного поколений с супер- и гиперпластификаторами по технико-экономическому показателю удельного расхода цемента на единицу прочности. Показано, что такие бетоны являются цементоемкими с удельными расходами цемента не менее 7-10 кг/МПа с классами по прочности В40-В60.
Разработаны 7-8-ми компонентные щебеночные бетоны нового поколения с расходами цемента от 176 до 480 кг/м с низкими удельными расходами цемента в пределах 2,5-4,5 кг/МПа, с классами по прочности от В15 до В120 за счет порошковой активации, позволяющей усилить действие СП и ГП в бетоне.
Установлено, что составы порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения должны быть многокомпонентными, со строгими для каждого класса бетонов соотношениями компонентов, иметь новую рецептуру, в которой представлены три реологические матрицы, определяющие три коэффициента раздвижки зерен (в отличие от одного для бетонов старого поколения): матрица 1-го рода - высокодисперсная цементно-водная минеральная; матрица 2-го рода - водно-цементно-тонкозернистодисперсная; матрица 3-го рода, включающая матрицу 2-го рода и песок-заполнитель.
Выявлено, что для бетонов различных классов по прочности безразмерные соотношения компонентов по массе и условных реологических критериев должны быть строго определенными и изменяться от класса к классу для получения заданных гранулометрических свойств, соответствующих разработанным условным реологическим критериям. Впервые установлены оптимальные численные значения безразмерных массовых соотношений компонентов и условных реологических критериев для бетонов с диапазоном расхода цемента от 290 до 320 кг/м3 (ЦІД =2,24-2,96 кг/МПа) с прочностью при осевом сжатии 100-135 МПа (В80-В100), что чрезвычайно важно для конструкционных бетонов и для бетонирования массивных конструкций с уменьшенной экзотермией.
Выявлены реакционно-активные тонкодисперсные минеральные компоненты на основе измельченного халцедона и металлургического гранулированного шлака, содержащие частицы нанометрического уровня, позволяющие заменить микрокремнезем без снижения прочности.
Исследованы прочностные свойства порошково-активированных малоцементных щебеночных бетонов общестроительного назначения с чрезвычайно низкими расходами цемента от 140 до 250 кг/м3 (1(^=3,1-5,0 кг/МПа).
Впервые выявлены физико-механические и пирометрические свойства порошково-активированного высокопрочного щебеночного бетона и фибробетона нового поколения (прочности на осевое сжатие и растяжение, на срез, при раскалывании, растяжение при изгибе, ударная прочность, трещиностойкость, статический и динамический модули упругости, коэффициенты Пуассона и интенсивности напряжений, сцепления бетона с арматурой, усадка, ползучесть, набухание, водопоглощение, параметры пористости) с использованием разработанных установок и методик.
Впервые получены результаты изучения работы различных видов бетона в узле сопряжения плиты перекрытия с колонной из высокопрочного бетона и фибробетона с расходом цемента 400 кг/м (для безригельной бескапительной схемы опирання) на разработанной и изготовленной испытательной установке. Установлено превышение продавливающей силы на 33-35% по сравнению с традиционными бетонами и фибробетонами.
Практическая значимость работы
Для малоцементных бетонов класса В20-В60 уменьшен расход цемента в 1,5-2 раза, что определяет снижение потребления цемента в регионах и уменьшение объемов выбросов СОг.
При использовании высоко- и сверхвысокопрочных бетонов классов В100-В130 уменьшается сечение изделий и конструкций за счет их высокой прочности со снижением расхода бетона до 2-3 раз; при этом расход цемента снижен в 2-3 раза, расход среднего и крупного песка снижен в 1,7-2 раза, щебня в 1,3-1,5 раза.
В производство вовлекаются тонкие пески с модулем крупности 1,2 и ниже, которые не востребованы в бетонах старого поколения, а также многотоннажные отходы молотых шлаков, взамен микрокремнезема.
Предлагается целый комплекс физико-механических и пирометрических показателей порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента 2,5-5,0 кг/МПа как для бетонов низких классов В20-В60, так и высокопрочных бетонов В80-В120 для реализации их в проектных институтах и производственных предприятиях с целью проектирования и изготовления широкой номенклатуры высокоэффективных бетонных, железобетонных и фибробетонных изделий и конструкций.
При массовом применении высокоэффективных порошково-активированных бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности представляется возможность внедрения в весь сырьевой комплекс ресурсосберегающих и более экологически-чистых технологий за счет ограничения наращивания чрезвычайно материало- и энергоемкого производства портландцемента, снижения объемов выпуска некачественных мелкого и крупного заполнителей и наполнителей, с заменой их на качественные фракционированные и на наращивание производства качественных дисперсных наполнителей и тонких песков.
Результаты диссертационной работы получили внедрение в ООО «ПУС» с разработкой ТР на длинномерные сборные железобетонные сваи безопалубочного формования, 000 «Бессоновский домостроительный комбинат» г.Пензы и Пензенской области, 000 «Новые технологии строительства» г.Красноярска в производстве преднапряженных плит перекрытий, длинномерных свай, дисперсноармированных дорожных плит на линиях безопалубочного формования, а также тротуарных плит и бордюрного камня по агрегатно-поточной технологии.
Экономическая эффективность разработанных бетонов состоит в значительном снижении материалоёмкости за счёт сокращения расходов бетонных смесей для изготовления высокопрочных изделий и конструкций.
Результаты используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство».
Степень достоверности результатов.
Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса не только стандартных, но и разработанных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям, некоторые из которых разработаны за рубежом и в ведущих российских организациях. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.
На защиту выносятся:
- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных бетонов и фибробетонов классов В20-В120 с пуццоланической добавкой микрокремнезема, микроволластонита, микрокварца, молотого халцедона, шлака при использовании высокодисперсной водно-минерально-цементной смеси, превращающейся под действием гиперпластификатора в реологически-активную высококонцентрированную
дисперсную систему с высокой пластичностью;
принципы оптимизации структурной топологии дисперсно-зернистых смесей с изменяющимся соотношением для бетона и фибробетона при порошковой активации их состава с переходом цементирующих водно-цементных дисперсий в смешанные композиционные водно-цементно-порошковые дисперсии.
принципы превращения бетонов старого четырехкомпонентного состава (цемент, песок, щебень, вода) или пятикомпонентного бетонов переходного поколения (песок, цемент, щебень, вода, супер- или гиперпластификатор) в многокомпонентные щебеночные бетоны нового поколения (цемент, дисперсный наполнитель, МК, тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм, мелкий, крупный заполнитель, гиперпластификатор, вода);
экспериментальные исследования реотехнологических свойств бетонных смесей по-рошково-активированнных бетонов и фибробетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных бетонов и фибробетонов с изучением физико-технических и гигромет-рических свойств (прочности на осевое сжатие и растяжение, растяжение при изгибе, на срез, при раскалывании, ударная прочность, трещиностойкость, статический и динамический модули упругости, коэффициенты Пуассона и интенсивности напряжений, сцепление бетона с арматурой, усадка, ползучесть, набухание, водопоглощение, параметры пористости).
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийских и Международных НТК: «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г.Пенза, 2005, 2006, 2007, 2008, 2011 гг.), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г.Пенза, 2003, 2007, 2009, 2010 гг.), «Эффективные строительные конструкции. Теория и практика» (г.Пенза, 2004, 2006, 2008 гг.), «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов», 2-ая Всероссийская конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г.Пенза, 2007 г.), «Актуальные вопросы строительства» (г.Саранск, 2004, 2008 г.), Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве» SIB-2008, «Современные проблемы строительного материаловедения и технологии» (г.Воронеж, 2008 г).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 36 работ. В журналах по перечню ВАК РФ - две работы.
Конкурсы.
В 2005 году получен диплом Министерства образования и науки РФ по итогам Открытого конкурса на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах Российской Федерации, в 2006 году завоевано первое место на всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006», в 2007, 2009 годах получены дипломы: II степени Самарского государственного архитектурно-строительного университета за успешное участие во втором туре смотра-конкурса дипломных работ; участника финального тура всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007»; Министерства Образования Пензенской области как победитель конкурса молодежных проектов; оргкомитета IV межригиональной специализированной выставки «ПромЭкс-по»; Федерального агентства по делам молодежи за участие во всероссийском конкурсе «Россия-Ответственность-Стратегия-Технологии».
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемой литературы из 197 наименований и приложений, изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 53 таблицы, 37 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь и научные консультации при выполнении диссертационной работы доктору технических наук, профессору Хвастунову В.Л..
О теоретических и практических задачах развития технологии бетона и его производства в Российской Федерации
Мировая практика современного строительства показала, что оно не мыслимо без цемента, изобретенного почти два столетия назад и по объему ежегодного выпуска в мире приближающегося к 3,5 млрд. тонн, а также бетона на его основе, выпуск которого в мировом масштабе приблизился к 11 млрд. м3 в год. Приведенный объем выпуска бетона свидетельствует о том, что это один из самых многотоннажных массовых строительных материалов современности. Это обусловлено тем, что он совмещает в себе целый комплекс качеств, среди которых важнейшими являются простота и доступность технологии, малая энергоемкость, особенно при использовании местных материалов и техногенных отходов, эксплуатационная надежность, экологическая безопасность и многие другие [2,4,6,11,12,15,18,19,27,35,41,49,50,52,60,70,73,76,84,92,99,114,121,125,126,137,155, 156,163,165,170,182,184,185,194]. Широкое применение бетона и железобетона позволило значительно сократить в строительстве расход металла, древесины. Массовое строительство из бетона и железобетона началось во второй половине XIX века и продолжается наиболее интенсивно по настоящее время. Технологические процессы приготовления бетонной смеси и бетонов на ее основе, включающие выбор и подготовку исходных компонентов, подбор состава, дозирование, перемешивание, формование, уплотнение, выдержку изделий в нормальных условиях и в условиях тепловлажностной обработки и др., на протяжении длительного времени поиска и исследований видоизменялись, что приводило к позитивных изменениям прежде всего его прочностных свойств. Проблемами совершенствования свойств цемента, бетона и конструкций на его основе занимались и занимаются в настоящее время многие отечественные и зарубежные ученые: Александрии И.П., Ахвердов И.Н., Абраме Д., Алимов В.А., Белелюбский НА., Беляев Н.М., Баженов Ю.М., Батраков В.Г., Берг О.Я., Бабков В.В., Баранова Т.И., Боло-мей И., Бутт Ю.М., Волженский А.В., Воронин В.В., Горяйнов К.Э., Горчаков Г.И., Гвоздев А.А., Граф О., Десов А.Е., Демьянова B.C., Ерофеев В.Т., Житкевич Н.А., Зайцев Ю.В., Залесов А.С., Звездов А.И., Иванов И.А., Иванов Ф.М., Иващенко Ю.Г., Крылов Б.Н., Комохов П.Г., Калашников В.И., Карпенко Н.И., Каприелов С.С., Комар А.Г., Королев Е.В., Ле Шателье X., Лесовик B.C., Логанина В.И., Лю-паев Б.М., Малюга И.Г., Михаэлис В., Миронов С.А., Мчедлов-Петросян О.П., Малинина Л.А., Москвин В.М., Мощанский Н.А., Михайлов В.В., Михайлов К.В., Макридин Н.И., Магдеев У.Х., Мещерин В.П., Некрасов К.Д., Орентлихер Л.П., Овчинников И.Г., Попов Н.А., Пащенко А.А., Прошин А.П., Пухаренко Ю.В., Пауэре Т.К., Рахимов Р.З., Рабинович Ф.Н., Рой Д.М., Скрамтаев Б.Г., Саталкин А.В., Симонов М.З., Соломатов В.И., Селяев В.П., Соколова Ю.А., Степанова В.Ф., Свиридов Н.В., Серых Р.Л., Тимашев В.В., Тараканов О.В., Тейлор Х.Ф.В., Ушеров-Маршак А.В., Федосов СВ., Фаликман В.Р., Фере Р., Хердтл Р., Хинце Г.У., Хозин В.Г., Хайдуков Г.К., Холмянский М.М., Чернышов Е.М., Черкасов В.Д., Шуляченко А.Р., Шестоперов СВ., Шейкин А.Е., Шмидт К., Щербаков Е.Н., Ямбор Я. и др. [6,7,8,9,12,13,16,18,19,22,24,29,30,31,35,38,40,42,43,48,53,56,60,62, 63,73,75,80,81,84,87,90,92,96,97,98,101,105,108,19,114,118,124,127,130,131,132,135, 143,144,146,152,153,156,157,159,161,163,164,168,172,173,183,191,192].
В отечественной истории наука о бетоне и железобетоне получила широкое развитие в послевоенный период, особенно после постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 19 августа 1954г. «О развитии производства железобетонных конструкций и деталей для строительства». В бывшем СССР насчитывалось около 6000 предприятий, выпускавших 150 млн. м3 изделий и конструкций. Создание промышленности сборного железобетона сопровождалось созданием новых видов вяжущих и бетонов, производством и широким применением химических и минеральных добавок, совершенствованием подборов составов различных бетонов и технологии их изготовления [2,6,7,10,12,14,15,18,22,24,27,28,31,33, 35,36,42,50,52,53,57,60,73,79,85,92,96,98,106,107,111,114,125,126,129,130,131,132,1 36,137,147].
В начале 90-х годов прошлого века, в связи с распадом СССР, производство сборного и монолитного бетона и железобетона в России значительно сократилось. В мировой практике строительства последнее 20-летие ознаменовалось бурным развитием производства цемента, особенно в Китае (в 2010-2011гг - 1,8-2,0 млрд. тонн цемента в год) и соответственно производством сборного и монолитного бетона и железобетона. В России в современных условиях бетон и железобетон также остается наиболее массовым строительным материалом.
В проекте долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов, изделий и конструкций на период до 2020г., составленного структурами Минрегионразвития РФ [78] в качестве системной проблемы производства и потребления стройматериалов в Российской Федерации принят наметившийся дисбаланс между растущими объемами потребления стройматериалов и объемами их производства из-за ряда факторов, в том числе высокого уровня физического износа основных фондов, низкой производительности труда, значительной зависимостью от цен на продукцию и услуги монополий (РАО «ЕЭС России», РАО «Газпром», ОАО «РЖД») и др.
По одному из критериев разрешения этой проблемы, предусматривающему ликвидацию дефицита на рынке основных строительных материалов, Стратегией предусматривается достижение ежегодного уровня производства к 2020г.: цемента - 194 млн.т., сборных железобетонных изделий и конструкций - 104 млн.м3, нерудных строительных материалов - 1,38 млрд. м3 и др. Для этого до 2020г. необходимо ввести дополнительных производственных мощностей по выпуску це-мента - 143 млн.т., сборных железобетонных изделий и конструкций - 79 млн. м , нерудных строительных материалов - 1,23 млрд. м3 [78]. От наличия этих основных материалов, изделий и конструкций зависит возможность увеличения объемов строительства, в том числе и жилищного. Для достижения указанных целей Стратегией предусмотрено решение нескольких задач, в том числе увеличение объемов использования вторичных ресурсов и крупнотоннажных отходов смежных отраслей промышленности при производстве строительных материалов, а также создание новых энергоресурсосберегающих, экономически эффективных и экологически безопасных производств.
Академиком РААСН Баженовым Ю.М. [12,15,16] сформулированы основные направления дальнейшего развития технологии бетона и его производства, основными из которых являются: разработка и организация производства эффективных видов вяжущих, арматурной стали, качественных заполнителей, химических добавок, минеральных наполнителей, развитие способов проектирования многокомпонентных бетонов с целью обеспечения их высокого качества, разработки и внедрения в строительство новых прогрессивных видов изделий и конструкций с использованием разнообразных бетонов; применение ресурсосберегающих и безотходных технологий, в том числе за счет широкого использования отходов промышленности и энергетики; использование всех достижений строительного материаловедения и резервов производства с целью экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов и создания конкурентоспособной отечественной продукции для замещения импортных аналогов и др.
Методы исследований, приборы и оборудование
При проведении исследований использовались как стандартные методы, регламентированные ГОСТ, так и нестандартные методики, разработанные автором на кафедре технологии бетонов, керамики и вяжущих ПГУАС (рис.2.2-2.20).
Изучение процесса помола шлака, кварцевого песка и минеральных пород производилось с использованием лабораторных мельниц типа МЛ, МБЛ и «Pulverisette». Общая дисперсность продуктов помола оценивалась по величине удельной поверхности, которая определялась на приборе ПСХ-2. Взвешивание производилось на лабораторных технических весах типа Т-1000 с точностью до 0,02 гр. Смешивание компонентов, например, цемента с порошкообразным суперпластификатором, осуществлялось в мельнице с небольшим количеством шаров в течение 10 минут. Перемешивание компонентов осуществлялось в емкостях объемом 10-50 л с помощью смесителя с регулируемым числом оборотов вращения от 100 до 800 об/мин. Изучение прочностных и деформативных характеристик осуществлялось путем испытания образцов-кубов 50х50 50 мм, 70x70x70 мм, ЮОхЮОхЮО мм, образцов-балочек 50x50x300 мм, 40x40x160 мм, 70x70x280 мм, 100x100x400 мм, армированных образцов-балок 60x120x1000 мм, образцов-цилиндров диаметром и высотой 50х 100 мм.
Реологические и прочностные характеристики вяжущих, растворных, бетонных смесей и бетонов на их основе оценивались согласно ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4.-81 «Цементы. Методы определения прочности на растяжение при изгибе и сжатии», ГОСТ 7473-94 «Смеси бетонные. Технические условия», ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний», ГОСТ 28013-98 «Растворы строительные. Общетехнические условия», ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний», ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка», ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия», ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия», ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», ГОСТ 13015.0-83, ГОСТ 13015.1-81, ГОСТ 13015.2-81, ГОСТ 13015.3-81, ГОСТ 13015.4-81 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные».
Кажущаяся энергия активации процессов синтеза прочности (разрушения) и гидратации определялись путем анализа прочностных данных и количества гидратной воды образцов, твердеющих при различных температурах с ис- пользованием уравнения Аррениуса In— нения концентрации ионов; Е - энергия активации, кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная кДж/моль; Т - абсолютная температура; К; В - постоянная реакции. Количество гидратной воды определялось по разнице масс проб, высушенных при 105 С и прокаленных при 900-1000 С. Образцы испытывали на лабораторном прессовом оборудовании гидравлического типа УММ-50. Уплотнение бетонной смеси производили на стандартной виброплощадке. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях. Для исключения влагопотерь образцы хранились в полиэтиленовых пакетах. Для сушки образцов использовалась лабораторная муфельная печь типа СНОЛ-1,6-2,5 1/11-Из.
В соответствии со СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» и ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые» основными нормируемыми и контролируемыми показателями качества бетона являются: класс по прочности на сжатие В, класс по прочности на осевое растяжение Bt, марка по морозостойкости F, марка по водонепроницаемости W, марка по средней плотности D. Основными прочностными характеристиками бетона являются нормативные значения: сопротивления бетона осевому сжатию RB, и осевому растяжению RBt,n. Основными деформационными характеристиками бетона являются нормативные значения: предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и растяжении ь0,п и Ы0,п начального модуля упругости бетона Еь ; относительных деформаций ползучести бетона Єсг ; относительных деформаций усадки бетона Єshr. Показатели прочности определяли по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения проч 58 ности по контрольным образцам», ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе». Плотность бетонов и фибробетонов определялась по ГОСТ 12730.1-78, водопоглощение - по ГОСТ 12730.3-78. Пористость и характеристика пор бетонов и фибробетонов определялась согласно ГОСТ 12730.4-78 по кинетике их водопоглощения дискретным методом на образцах-кубах и образцах-призмах. В качестве параметров, характеризующих пористость, принимался средний размер пор Я, и показатель степени однородности пор а. Условно-закрытая пористость определялась по разнице масс образцов, насыщенных до постоянной массы при атмосферном давлении и в условиях форвакуума в вакуумном шкафу типа HZV польской фирмы «HORIZONT».
Исследования фазового состава исходных материалов и цементно-бетонных композиций производились с помощью рентгенофазового анализа. Рентгенограммы снимались на дифрактометре ДРОН-7, трубка БСВ-29-Cu, длина волны рентгеновского излучения - 1,5418 А, напряжение 40 кВ, ток анода 40 тА, щели: Соллера, №1-4 мм; №2 - 0,25 мм; №3 - 0,25 мм; №4 - 6 мм, диапазон скорости счетчика 1/100 имп/сек, постоянная времени - 2,5; скорость вращения счетчика - 1 град/мин., шаг метки - 1 град, скорость диаграммной ленты - 720 мм/час, съемка с вращением образца. Микроскопический анализ поровой структуры осуществлялся на микроскопе QX3 фирмы Digital Blue. Дисперсионный анализ сверхтонких частиц выполнялся на лазерном анализаторе размеров частиц Analysette 22 Nano Tech производства фирмы FRITSCH.
Деформации усадки и ползучести образцов определялись по стандартной методике ГОСТ 24544-81 «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести» на специально изготовленных пружинных установках (Рис. 2.14). Параллельно фиксировалась потеря массы образцов. Методика предусматривает определение деформаций усадки на призмах сечением 70x70x280 мм или 100x100x400 мм. Усадочные деформации измеряли с помощью индикаторов часового типа с ценой деления основной шкалы 0,001 мм. Фиксируя результаты по усадке материала, параллельно измеряли температуру и влажность воздуха.
Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона определяли по ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона» на образцах призмах размерами 40x40x160 мм, 70x70x280 мм и 100x100x400 мм (рис.2.4).
Теоретические представления о бетонных смесях с порошковой активацией, усиливающей реологическую активность супер- и гиперпластификаторов
В связи с этим, дисперсные и тонкозернистые наполнители были названы реологически-активными, усиливающими в бетонной смеси действие всех видов пластификаторов.
В западных странах эффективные бетоны выпускаются с добавлением молотых наполнителей. Тонкие пески обычно специально не вводятся, но используемые мелкие пески с максимальным размером частиц 0-1 -0-2 мм, в которых неизбежно присутствуют фракции с частицами тонкого песка. Но доля тонких песков фр. 0,1-0,5-Ю, 16-0,63 мм в зарубежных щебеночных бетонах не регламентируется.
Именно порошково-активированные многокомпонентные бетоны с заполнителями с кардинальным изменением рецептуры являются бетонами нового поколения. Новая рецептура определяет и новую топологическую структуру.
В соответствии с основными теоретическими положениями о структуре и топологии порошково-активированных бетонных смесей, разработанных на кафедре ТБКиВ, щебеночные бетоны, содержат в своем составе три разделенных по масштабному уровню дисперсности реологических матрицы. С этих позиций топологическая структура высокопрочных и особовысокопрочных бетонов нового поколения должна кардинально отличаться от структуры малоцементных бетонов нового поколения. В соответствии с правилом равенства абсолютных объемов со-ставляющих бетона 1000 л, при добавлении в малоцементный (140-170 кг/м ) бетон нового поколения более чем двукратного количества дисперсного наполнителя и более чем трехкратного количества тонкого песка фр.0,16-0,63, должно существенно снизить суммарное количество песка и щебня с «плавающим» размещением песка-заполнителя в тонкозернисто-дисперсной водной суспензии и щебня -в растворной смеси. Таким образом, такой бетон должен быть малощебеночный и малопесчанный, если под песком понимать песок, как мелкий заполнитель.,
К бетонам нового поколения за рубежом обычно относят высокопрочные (Hochfestigerbeton), ультра высокопрочные (Ultrahochfestigerbeton), высокофункциональные (High Perfomance Concrete), реакционно-порошковые бетоны (Reakinspulverbeton - RPB; Reactive Powder Concrete - RPC), самоуплотняющиеся бетоны (Selbstverdichtender Beton - SVB), самонивелирующиеся UHLB (Ultraho-chleistung Beton), как правило с большими расходами цемента. Тем не менее, они являются высокоэкономичными и экологичными, если их оценить по величине давно известного критерия, принятого на кафедре ТБКиВ для характеристики не только высокопрочных, но и всех классов бетонов от В15 до В180. Этот критерий - удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии (ЦУД =Ц/Я, кг/МПа). Естественно, что высокопрочные бетоны, известные из литературы и реализованные в практике будут позитивно отвечать этому показателю, если он не будет превышать 4-5 кг/МПа. Так фирмой Duckerhoff на ЦВМ 52,5Д0 (что равнозначно ПІД 600ДО) изготовлен фибробетон с Ця = 3,1 кг/МПа. При этом бетон без фибры и МК имел ЦУЯД = 609 /165 = 3,7 кг/МПа. Но доля таких уникальных бетонов в мире не превышает 4-5%. Для массового перехода на такие бетоны в России потребуется несколько десятилетий. В этот период по-прежнему будут выпускать бетоны классов В15-В60. Но если они будут производится с ЦУД =8-10 кг/МПа, экономика России многое потеряет и Россия будет постоянно наращивать производство цемента, которое требует огромных капитальных вложений и является экологически грязным. Следовательно, чрезвычайно актуальным является производство бетона общестроительного назначения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, равным или меньшим, чем в высокопрочных бетонах. А это возможно лишь при внедрении наукоемкой порошковой активации бетонов, которые должны быть многокомпонентными (7-8 составляющих), в отличие от 4-5 компонентных бетонов старого поколения с СП или ГП, которые отнесены нами к бетонам переходного поколения. Бетоны нового поколения не отрицают нанотехнологии их изготовления, а напротив, используют их. Но нанотехнологии, можно с уверенностью сказать, будут в первую очередь нанокремнеземистыми и наногидро-силикатными. Первые определяются реакционным процессом наработки дополнительного количества прочных гидросиликатов в структуре бетона, вторые - ускоренным набором распалубочной прочности в течении 6-8 часов твердения для исключения энергоемкой тепловой обработки.
Топологические структуры бетонов старого и нового поколения БСП и БНП изображены на рис 3.1 а,б, из которого следует, что бетоны старого поколения включают твердые компоненты с тремя усредненными масштабными уровнями: цемент имеет средний размер частиц -20 мкм, песок-заполнитель -2000 мкм и щебень фракции 5-40 со средним размером 20 мм=20000 мкм. Размер частиц цемента и песка-заполнителя отличаются на два десятичных порядка (рис.3.1а). В порошково-активированном бетоне (рис.3.16) появление тонкого песка со средним размером зерен 200-300 мкм определяет постепенное возрастание размеров частиц от цемента до щебня и оно изменяется от фракции к фракции только на один порядок. Таким образом наличие фракции тонкого песка не только усиливает реологию СП и ГП, но и способствует более полному заполнению пустот в песке-заполнителе, что способствует получению более плотной и прочной растворной матрицы.
Все водно-минеральные матрицы, заполняющие пустоты между частичками наполнителя и заполнителя, классифицированы по дисперсно-зерновому составу. Они являются реологическими матрицами I, II и III рода. В структуре бетонной смеси старого поколения присутствуют только две реологические матрицы: I и III рода в связи с отсутствием тонкого песка и существенным изменением размера частиц на 2 десятичных порядка.
В структуре бетонов нового поколения (рис.3.16) имеются 3 реологических матрицы I, II и III рода. I и III реологические матрицы принципиально отличаются от аналогичных матриц бетонов старого поколения. I матрица практически не отличается по дисперсности (без наличия МК), но существенно отличается по составу, т.к. в ней находится цемент и равнодисперсный молотый наполнитель. II матрица БНП отличается как по дисперсно-зернисто-масштабному уровню, так и по составу. Реологическая матрица первого рода в БСП состоит из цемента и воды и объем ее в малоцементных бетонах очень мал. Как следует из приведенного выше расчета для бетона с расходом цемента 240 кг/м объема этой матрицы может не хватать для того, чтобы заполнить пустоты в песке, особенно если насыпная плотность его не превышает 1300-1350 кг/м . Из таких бетонов невозможно получить нерасслаивающиеся бетонные смеси с ОК более 10-12 см, т.е. смеси марки ПЗ. Реологическая матрица III рода в БСП, включающая объемы матрицы первого рода и абсолютный объем песка-заполнителя обеспечивает раздвижку зерен щебня. Объема ее всегда хватает для заполнения пустот в щебне и некоторой раздвижки зерен щебня. Но недостаток ее наличия в тощих бетонах состоит в том, что она не является реологи- (водно-цементно- (водно-цементно- (растворная система) Г"1 минерально-дисперсная і дисперсно-тонкозернистая і з система) система) г -ческой в полном смысле этого слова. В жирных бетонах она выполняет свою функцию для перемещения зерен щебня, если обеспечен повышенный коэффициент а раздвижки зерен щебня.
Теоретические и практические основы выбора реакционно-активных дисперсных и микроармирующих наполнителей
Общеизвестен факт положительного влияния минеральных добавок (микрокремнезема, метакаолина, халцедона, микроволластонита, зол, шлаков, тон-коизмельченного кварцевого песка, известняка, базальта, гранита и других горных пород) на снижение расхода клинкерного цемента, повышение прочности и плотности, долговечности, стойкости бетона в агрессивных средах [7,11,12,15,18,24,35,40,41,42,56,60,131,135,136,141,146,152,155]. Большую роль минеральные добавки играют в обеспечении реологических свойств бетонной смеси, уплотнении структуры цементного камня и бетона, связывании гидроокиси кальция в низкоосновные гидросиликаты, интенсификации ранней гидратации, регулировании температурных и объемных изменений твердеющих композиций [15,57,60,61,65,73,74,82,85,117,118,121,139,143,153,155,162,165, 170,178,184,186,192].
Обладая высокой удельной поверхностью, наполнители наряду с прямым химическим воздействием, влияют на физико-химические процессы у поверхности раздела фаз. В соответствии с учением Гиббса-Фольмера, энергия образования зародышей кристаллов значительно уменьшается при наличии центров кристаллизации, которыми могут служить частицы наполнителя. Уменьшая радиус зерен наполнителя и поверхностное натяжение на границе «твердое вещество - жидкая фаза», можно значительно повысить вероятность зарождения новой фазы. При оптимальной концентрации и дисперсности наполнителя образуется мелкозернистая структура связующего, что благоприятно отражается на технических свойствах искусственного камня. При введении наполнителя в систему «цемент - вода» скорость твердения и прочность возрастают до тех пор, пока все зерна наполнителя остаются окруженными продуктами гидратации. Поэтому важны более подробные сведения о применяемых наполнителях, особенно в высокопрочных порошково-активированных бетонах. В своих исследованиях мы использовали микрокремнезем, микроволластонит, молотый кварцевый песок, халцедон, гранулированный шлак.
Из литературных данных [4,12,41,61,74,136,141,146,152,183,184,185] МК известен как активная пуццолановая добавка к цементным смесям, оптимальное содержание которого в бетонах рекомендовано до 5-20% от массы цемента. Механизм действия активного кремнезема обусловлен реакцией пуццоланиза-ции, в результате которой происходит химическое связывание гидроксида кальция Са(ОН)2, образовавшегося в ходе гидролитического разложения основных клинкерных материалов, с выделением дополнительных кристаллов гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, составляющих цементный гель. Благодаря высокой удельной поверхности и наличию кремнезема в аморфном состоянии микрокремнезем является ценным сырьем для производства высокопрочных бетонов.
Для частиц кремнезема степень наполнения можно определить по количеству СаО, которое может связать 1г наполнителя. Степень наполнения, рассчитанная таким образом, колеблется от 5 до 10% массы цемента, что подтверждается исследованиями, выполненными под руководством СВ. Федосова [146].
Согласно классификации минералов [32], халцедон как разновидность двуокиси кремния, относится к семейству кремнезема, на долю которого приходится около 12,6%) от массы земной коры. Это важнейшие породообразующие минералы различных магматических, осадочных и метаморфических пород. В настоящее время установлено 12 полиморфных модификаций кристаллического кремния: а-кварц (846К); а-кварц (1143К); а-кварц (-89,5К); Sr тридимит (333-348К); 82-тридимит (388К); 83-тридимит (523К); S4(P2)-тридимит (1143К); а-кристобалит (473-548К); Р-кристобалит (1973К); Китит (653-858К) при давлении 35-126 МПа; Коэсит (773-1073К) при давлении 3,5 ГПа; Стишовит (1746К) при давлении 16 ГПа. К тонковолокнистым разновидностям кремнезема Si02 относятся: халцедон, кварцин, люцетин, люссатит, люссатин; к аморфным - опал и лешательерит. Химический состав халцедона представлен содержанием следующих оксидов в % по массе: Si02 - в пределах 90-99%; Fe203 - до 3,2%; А1203 - до 3%; СаО и MgO - более 1%; Н20 - до 5,5%; присутствие оксидов Мп, соединений Ni.
Микроскопические исследования обнаруживают тонковолокнистое, сфе-ро-литовое строение халцедона. Отдельные волокна имеют длину 10" —10" см и редко достигают величины, при которой их видно невооруженным глазом. Ориентированы они обычно удлинением перпендикулярно к слоистости. Под электронным микроскопом обнаруживаются мельчайшие поры диаметром порядка 0,1 мкм, размеры и концентрация которых могут различаться, даже в одном натечном образовании от слоя к слою.
Химический состав и высокая дисперсность металлургических пылей обуславливает перспективность их использования как сырьевых материалов и в особенности как корректирующих и модифицирующих добавок в производстве вяжущих. В процессе гидратации и твердения портландцемента с измельченным доменным шлаком участвуют шлаковая и клинкерная составляющая. В начальный период процесса гидратации в результате гидролиза минералов-силикатов образуется пересыщенный раствор Са(ОН)2, который в сочетании с гипсом оказывает активизирующее влияние на взаимодействие с водой шлакового стекла. Наряду с обычными продуктами при твердении образуется гелеоб-разные гидратные соединения с преобладанием низкоосновных гидросиликатов кальция. Затвердевший цементный камень характеризуется меньшим содержанием кристаллического Са(ОН)2, частично связанного зернами шлака и более плотной гидросиликатной гелевой структурой. Этими особенностями структуры объясняется высокая прочность, водонепроницаемость и устойчивость к агрессивным средам. Тонкоизмельченные шлаки, обладающие гидравлической активностью в виде способности связывать Са(ОН)2, уже при нормальной температуре являются эффективными наполнителями в цементных бетонах.
Установлено, что добавка в количестве 5-9 мае. % волластонита приводит к увеличению прочности цементного камня на 20% как в условиях нормального твердения, так и после тепловой обработки. Волластонит представляет собой однокальциевый силикат CaSio3(CaOSi02), родственный по составу клинкерным минералам портландцемента (алит, белит), что обуславливает его эффективную совместимость с продуктами гидратационного твердения цемента. Плотность волластонита составляет 2,915 г/см . Положительное влияние волластонита на прочностные свойства цементного камня может быть объяснено образованием новых соединений (кристаллогидратов) при действии достаточно сильного адсорбционного поля частиц волластонита и его игольчатым строением кристаллов, оказывающих армирующее действие на затвердевший цементный камень.
