Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические предпосылки получения порошково-активированных песчаных бетонов нового поколения с новой рецептурой и топологической структурой и практический опыт производства высококачественных бетонов и фибробетонов для строительства 11
1.1 Порошковая активация щебеночных бетонов и реализация их в производстве 11
1.2 Песчаные бетоны и фибробетоны старого поколения, переходного и нового поколений. Состав и классификация 17
1.3 Перспективы перехода на производство порошково-активированные бетоны и фибробетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности 26
ГЛАВА 2. Исходные материалы, методы исследований, приборы и оборудование 35
2.1 Характеристика сырьевых материалов 35
2.2 Методы исследований, приборы и оборудование 41
ГЛАВА 3. Оптимизация составов порошково активированных песчаных бетонов по соотношению безразмерных параметров 47
3.1 Теоретические представления о бетонных смесях с порошковой активацией, усиливающей реологическую активность супер- и гиперпластификаторов 47
3.2 Разработка составов порошково-активированных песчаных бетонов с учетом оптимизации реакционно-порошкового и порошково-активированного щебеночного бетона 50
3.3 Обеспечение оптимальной топологии порошково-активированного песчаного бетона с низким удельным расходом цемента 55
3.4 Анализ рецептуры порошково-активированных песчаных бетонов, физико-технические и пирометрические свойства бетонов 64
3.5 Малоцементные порошково-активированные песчаные бетоны на смеси двух гиперпластификаторов 81
3.6 Порошково-активированные песчаные бетоны: макро-, микро-, нано и пикомасштабные сырьевые компоненты 83
Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4. Физико-технические свойства порошково активированных песчаных бетонов и фибробетонов с низким удельным расходом цемента на единицу объема 98
4.1 Высокоэффективные порошково-активированные высокопрочные и сверхпрочные мелкозернистые бетоны и фибробетоны
4.2 Осевое растяжение фибробетона нового поколения
4.3 Критерии экономической оценки фибробетонов
4.4 Долговременная прочность, капиллярное насыщение и усадка порошково-активированных бетонов и фибробетонов 121
Выводы по главе 4 139
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность внедрения порошково-активированных песчаных бетонов в производстве бетонных изделий 141
5.1. Экономические показатели ПАПЕ и экономические критерии строительства из высокопрочного бетона 141
5.2 Технологическая схема производства порошково-активированных песчаных бетонов и фибробетонов и процедура их приготовления 143
Основные выводы и рекомендации 147
Библиографический список 150
Приложения
- Перспективы перехода на производство порошково-активированные бетоны и фибробетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности
- Методы исследований, приборы и оборудование
- Обеспечение оптимальной топологии порошково-активированного песчаного бетона с низким удельным расходом цемента
- Осевое растяжение фибробетона нового поколения
Введение к работе
Актуальность темы. Песчаные бетоны (мелкозернистые или пескобе-тоны) практически не используются в заводской технологии для изготовления несущих конструкций и в сборном монолитном строительстве. Наибольшая сфера их применения в настоящее время - это изготовление мелкоштучных изделий методами силового прессования или вибропрессования в связи с насыщением рынка вибропрессующими линиями «Besser», «Hess», «Zenith», «HenKis» или агрегатами отечественного производства, преимущественно «Рифей».
В прошлые годы (начиная с 1970г.) и в настоящее время песчаные фибробетоны используются, как правило, для дорожных и аэродромных покрытий, полов промышленных зданий. Но они являются неэффективными из-за перерасходов фибры вследствие малой прочной бетонной матрицы в трехкомпонентных бетонах старого поколения (цемент + песок + вода) без суперпластификаторов (СП) или в четырехкомпонентных бетонах переходного поколения с СП.
Для более широкого использования песчаных бетонов, изготовленных способами вибрационного уплотнения из жестких, полужестких и пластичных песчаных смесей, необходимо существенное увеличение содержания цемента в таких бетонах, т.к. бетоны классов В40 - В50 являются цементоемкими. Цементоемкость существенно возрастает с использованием очень мелких песков. Удельный расход цемента (IIrc) на единицу
прочности при сжатии (МПа) не бывает ниже 7-14. Повышенное содержание цемента при этом является причиной значительной усадки и ползучести бетонов, особенно из высокопластичных бетонных смесей, что ограничивает использование песчаных бетонов для изготовления несущих конструкций. Если бы эти бетоны имели деформативно-прочностные показатели, сопоставимые с щебеночными бетонами марок М200 - М500, тогда было бы возможно использовать такие бетоны во многих регионах, имеющих мелкие и средние пески без применения привозного и достаточно дорогого щебня. Тогда бы экономика строительства из бетона существенно улучшилась, т.к. местные природные пески в различных регионах имеют стоимость от 100 до 400 руб. за кубометр, а привозные щебни - от 1000 до 2000 руб. за кубометр.
Создание таких эффективных бетонов возможно за счет порошковой активации их при использовании СП и ГП. Принципы порошковой активации щебеночных бетонов разработаны на кафедре «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» (ПГУАС), а эффективность их подтверждена практикой. При такой активации песчаные бетоны из трех- или четырехкомпонентных (с СП) превращаются в семи- или восьмикомпонентные (цемент, молотый песок, тонкий песок фракции 0,1-0,5 или 0,16-0,63 мм, мелкий или средний песок, микрокремнезем, ГП, вода). При этом открываются широкие возможности использования тонких песков с Мкр 0,8-1,2, запасы
которых во многих регионах значительны и не могут быть использованы в бетонах старого поколения из-за перерасхода цемента.
Чрезвычайно актуально создание не только порошково-активирован-ных бетонов нового поколения с низкими удельными расходами цемента, но и фибробетонов с более прочной матрицей по сравнению с бетонами старого поколения, которая позволит существенно понизить расход фибры.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка новых по составам и топологической структуре, оптимизированных составов пластифицированных песчаных бетонов общестроительного назначения М200 - М600, высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов (М700 - Ml300 и более) с помощью порошковой активации, с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, не превышающим 6,0 кг/МПа, и исследование их основных физико-технических и гигрометрических показателей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
систематизировать составы трех- и четырехкомпонентных песчаных бетонов старого поколения и переходного поколения (с СП и ГП) из жестких, полужестких и пластичных бетонных смесей и сравнить с бетонами нового поколения, включая самоуплотняющиеся (СУБ), по прочности и технико-экономическому и экологическому показателю - удельному расходу цемента на единицу прочности бетона при сжатии;
выявить в составах многокомпонентных порошково-активированных песчаных бетонов нового поколения содержание каждого компонента, изменение объема реологических матриц по уровням их дисперсности и зернистости и оптимизировать наиболее эффективные составы по прочности;
разработать составы многокомпонентных песчаных бетонов, в том числе с синтезированными нанометрическими гидросиликатами кальция, с низкими удельными расходами цемента на единицу прочности, не превышающими 4-5 кг/МПа;
оптимизировать гранулометрический состав дисперсного наполнителя, тонкого песка и песка заполнителя для бетонных смесей по численным значениям безразмерных критериев соотношений сухих компонентов по массе и по объему и условных реологических критериев по значениям реологических матриц 1-го и 2-го рода в бетонных смесях;
в соответствии с установленными условными реологическими критериями получить наилучшие реотехнологические свойства с использованием реакционно-активных, тонкодисперсных минеральных компонентов;
исследовать основные физико-механические и гигрометрические свойства порошково-активированных песчаных бетонов и фибробетонов;
теоретически обосновать на перспективу экономические критерии выбора стальной фибры в зависимости от временного сопротивления стали, допускаемого сопротивления на срез, диаметра фибры, длины анкеров-
ки ее в бетоне, сцепления с бетоном и от наличия концевых анкерных элементов.
Научная новизна работы
Систематизированы составы трех- четырехкомпонентных песчаных бетонов старого и переходного поколений (с СП и МК) по прочности и технико-экономическому показателю удельного расхода цемента на единицу прочности. Показано, что бетоны старого поколения являются цементоемки-ми с удельным расходом цемента на единицу прочности 10-14 кг/МПа, а переходного поколения - с удельным расходом цемента - 8-12 кг/МПа.
Впервые установлено, что составы порошково-активированных песчаных бетонов нового поколения должны быть многокомпонентными, со строгими для каждого класса бетонов безразмерными соотношениями компонентов по массе и объему.
Разработаны закономерности получения 6-7-компонентных песчаных бетонов нового поколения с расходами цемента от 190 до 748 кг/м с низкими удельными расходами цемента в пределах 3,4-7,5 кг/МПа, с классами по прочности от В20 до В160 за счет порошковой активации, позволяющей увеличить объем водно-дисперсной цементирующей матрицы и усилить пластифицирующее действие СП и ГП в бетонных смесях.
Впервые установлены оптимальные численные значения безразмерных соотношений компонентов по массе и объему и условных реологических критериев для самых эффективных бетонов с диапазоном расхода цемента от 365 до 391 кг/м3 (Цяс = 3,37...4,37 кг/МПа) с прочностью при осевом сжатии 90-116 МПа (В70-В90), что чрезвычайно важно для конструкционных бетонов и для бетонирования массивных конструкций с уменьшенной экзотермией.
-Разработана эффективная комплексная нанометрическая добавка, включающая гидросиликат кальция, - центр кристаллизации, ускоритель твердения для ускоренного набора распалубочной прочности, равной 15-18 МПа через 8-10 ч нормального твердения, и ингибитор коррозии стальной фибры.
- Для самых эффективных самоуплотняющихся песчаных бетонов и
фибробетонов установлены чрезвычайно высокие физико-технические
свойства, далеко превосходящие свойства щебеночных бетонов старого и
переходного поколений: с прочностью на сжатие 120-200 МПа, с прочно
стью на растяжение при изгибе 17-40 МПа, усадкой - 0,2-0,3 мм/м, водо-
поглощением 0,8-1,5%, морозостойкостью более 500 циклов.
- Установлено, что в фибробетоне с прочностью на сжатие более
200 МПа тонкая гладкая и волнистая стальная фибра на 92-98% выдерги
вается из фибробетона при изгибном разрушении его. Дано теоретическое
обоснование использованию фибры с анкерующими концами для умень
шения расхода стали в бетоне.
Практическая значимость работы. Для малоцементных песчаных бетонов класса В20-В60 уменьшен расход цемента в 1,5-2 раза, что определяет снижение потребления цемента в регионах и уменьшение объемов выбросов С02.
При использовании высоко- и сверхвысокопрочных бетонов классов В100-В130 уменьшается сечение изделий и конструкций со снижением расхода бетона до 2,5-4,0 раз; при этом снижается не только расход цемента в 1,5-3,0 раза, но и расход средних и крупных песков - в 1,7-2,0 раза; расход дорогостоящих привозных щебней в 1,3-1,4 раза. В производство вовлекаются распространенные тонкие пески с модулем крупности 0,8-1,2 и ниже, не востребованные в производстве бетонов старого поколения.
Представляется возможность внедрения в весь сырьевой комплекс ре-сурсо- и энергосберегающих и более экологически чистых технологий за счет ограничения наращивания чрезвычайно материало- и энергоемкого производства портландцемента, уменьшения энергоемких процессов добычи сырья и его транспортных перемещений.
Результаты диссертационной работы получили внедрение на ООО «Новые технологии в строительстве» (г. Москва), на ООО «Новые технологии строительства» (г. Красноярск), ООО «Бессоновский домостроительный комбинат» (г. Пенза).
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. 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, часть из которых выявлена за рубежом и в ведущих российских организациях. Выводы и рекомендации, полученные в работе, официально апробированы и внедрены в строительную практику.
Личный вклад автора: заключается в анализе эволюции изменения прочности песчаных бетонов, в выборе направлений и методов исследования, в проведении экспериментальных исследований и обработке результатов, их анализе и обсуждении, а также в работе по формулировке выводов.
На защиту выносятся:
- результаты исследования составов и свойств песчаных бетонов общестроительного назначения, высокопрочных и сверхвысокопрочных песчаных многокомпонентных бетонов и фибробетонов нового поколения
классов В20-В160, с микрометрической добавкой молотого песка, с нано-метрическими добавками МК, белой сажи и гидросиликата кальция, образующими в совокупности с цементом, под действием гиперпластификатора, реологически активную высококонцентрированную водно-дисперсную систему, являющуюся высокоплотной реологической матрицей бетонных смесей;
принципы оптимизации структурной топологии дисперсно-зернистых песчаных смесей с изменяющимися безразмерными соотношениями компонентов по массе и объему для бетонов с различным содержанием цемента с порошковой активацией их состава;
экспериментальные исследования реотехнологических свойств бетонных смесей для порошково-активированных песчаных бетонов и фиб-робетонов, результаты исследований подбора состава бетонов.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийских и Международных НТК: «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г.Пенза, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г.Пенза, 2010, 2011, 2012 гг.), «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов», 5-й Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г.Пенза,
2010 г.), «Актуальные вопросы строительства» (г.Саранск, 2010 г.), на
Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, рабо
тающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (г.Москва,
Выпуск № 6, 2010 г.), «Социальные стандарты качества жизни в архитек
туре, градостроительстве и строительстве» (Москва-Орел, 2011), Междуна
родном цементном форуме, Международном конгрессе по технологии бе
тона и Международной неделе сухих строительных смесей (Москва,
2011 г.), «Дни современного бетона» (Хортица, 2012).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 29 работ, из них в журналах по перечню ВАК РФ - семь работ.
Конкурсы. В 2010 г. - проект «Сухие тонкозернисто-порошковые бетонные смеси нового поколения» признан лучшей научно-исследовательской работой на Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва); 2010 г. - победитель программы «У.М.Н.И.К.» («Участник молодежного научно-инновационного конкурса») по направлению «Химия, новые материалы, химические технологии» в МГУ города Саранска; 2011 г. - победитель федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» государственный контракт № 14.740.11.1254; 2011 г. - Лауреат премии по поддержке талантливой молодежи, установленной Указом Президента Российской Федерации от 6 апреля 2006 г. № 325 «О мерах государственной поддержки талантливой молодежи»; 2012 г. - исполнитель гранта Президента Россий-
ской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук per. № 01201257495.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 150 наименований. Изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 32 таблицы.
Перспективы перехода на производство порошково-активированные бетоны и фибробетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности
Песчаные бетоны (мелкозернистые или пескобетоны) практически не используются в заводской технологии для изготовления несущих конструкций и в сборном монолитном строительстве. Наибольшая сфера их применения в настоящее время - это изготовление мелкоштучных изделий методами силового прессования или вибропрессования в связи с насыщением рынка вибропрессующими линиями «Besser», «Hess», «Zenith», «HenKis» или агрегатами отечественного производства, преимущественно «Рифей».
Во многих исследованиях [86, 26, 87, 88, 89, 57, 90] изготавливались песча-ные бетоны старого поколения с расходом цемента 430-570 кг/м с прочностью бетона меньшей или равной той марке цемента, которая определяется в составах 1:3 (Ц:П) на Вольском мытом и просеянном песке. Удельный расход цемента при этом достигал очень большого значения равного 12-17 кг/МПа. Естественно, что использование очень мелких песков приводило к понижению прочности. В связи с этим строго регламентировалась оценка марки цемента на фракционированных чистых песках, ибо понижение прочности при переходе на пески с Мкр = 1,4-1,5 приводило к снижению на 1,5-2 марки бетона.
В работах Ю. Сторка [91] приводятся серии составов песчаного бетона MDK с содержанием цемента от 448 до 818 кг/м3 при уплотнении образцов на встряхивающем столике, что для некоторых образцов оказалось недостаточным. Удельные расходы цемента на единицу прочности бетона при сжатии, рассчитанные нами, представлены только на первые сутки и составляет от 28 до 102 кг/МПа.
При строительстве города Надыма широко применяли мелкозернистые бетоны старого поколения [92] на местных мелких песках. Использование таких бето нов на севере страны, где температура зимой достигает - 10 С и выше, потребовало определения их морозостойкости. Исследование проводили в СибНИ ПНгосстрое при методическом руководстве НИИЖБ на мелкозернистых бетонах, приготовленных на местных мелких песках, с различными составами, В/Ц и удобоукладываемостыо. Морозостойкость определяли по первому методу ГОСТ 10060-76, по ускоренному методу того же ГОСТ.
Для изготовления бетона использовался портландцемент с содержанием C3S - 60%, C2S - 21%, С3А - 8% , C4AF - 13%) Коркинского завода активностью 43,5 МПа с нормальной густотой цементного теста 23,5%), началом схватывания 160, концом - 270 мин. Заполнителем служил кварцевый песок Анареевского карьера Мкр = 1,3, с содержанием отмучиваемых частиц 2%, в том числе глинестых -0,5% , водопотребностьго - 12,8%, объемной насыпной массой 1484 кг/м пустот-ностыо 44%о. Мелкозернистую смесь изготовляли в лабораторном смесителе принудительного действия, уплотняли на вибростоле с частотой колебаний 30 с"1 и амплитудой 0,35 мм. Подвижность смеси оценивали погружением конуса Строй-ЦНИЛ. Изготовленные образцы балочки размером 4x4x16 см пропаривали в лабораторной пропарочной камере по режиму 4+4+6+2 ч при температуре предварительной выдержке 15-20С и изотермической выдержке 85С. Затвердевшие образцы замораживали при - 45С и от - 15 до - 20С в течение 4 ч в воздушной среде и оттаивали при + 20С в воде в течение того же времени.
Из приведенных результатов в работе [92] видно, что при стандартном испытании при -15С морозостойкость превышает 200 циклов, является результатом повышенного содержания в них остаточного воздуха в смеси (Vn). В мелкозернистых смесях при подвижности 1,5-8 см VD не превышает 4% . На мелком песке при тех же значениях подвижности VD = 8% , т.е. в 2 раза больше. Морозостойкость мелкозернистых бетонов [92] на мелких песках может достигать 165 циклов, при испытаниях при - 45С и более 200 циклов, испытанных при - 15 до -20С.
Применение микронаполнителей (зол ТЭЦ, молотых минеральных горных пород, диатомита и др.) позволяет экономить цемент [93, 94, 95]. Тем не менее, в некоторых случаях эти добавки лишь повышают водопотребность бетонной смеси, вследствие чего экономия цемента оказывается незначительной или вовсе отсутствует. Объясняется это недостаточной изученностью добавок непосредственно в бетонах и отсутствием четкого представления о механизме их действия.
Экспериментальные исследования о механизме повышения прочности мелкозернистого бетона при введении микронаполнителя представлены в экспериментальных результатах работы [93]. В опытах использовали цемент Воскресенского завода марки М 400; речной песок с Мкр = 1,65 и 1,7; золу Ступинской ТЭЦ (Зі) с удельной поверхностью SyiJ = 344 м7кг и содержанием СаО 1,8%; золу Новосибирской ТЭЦ (Зг), Sya = 480 м2/кг с СаО 26,8%; диатомит Уренгойского ме-сторождения (Д) и молотый песок Пм, Syfl = 400 м /кг. Образцы с добавками Пм, Зі и Зг твердели в нормальных условиях, а с добавкой Д - в тех же условиях после предварительного пропаривания. Определяли также среднюю плотность уплотненной смеси у, объем остаточного воздуха VB и прочность при сжатии R, а также рассчитывали расход цемента и плотность упаковки зерен смеси d.
Из результатов [93] следует, что при добавке Пм и Зі в мелкозернистые бетоны (составы 1...7) в оптимальных количествах в сравнении с бетонами без добавок (эталоном) R возросло в 1,4... 1,8 раза. Прочность у эталонного бетона на 28 сутки составляла 13,2 МПа, при расходе цемента 453 кг/м , а удельный расход цемента на единицу прочности оказался чрезвычайно высоким Цк = 34,3 кг/МПа. При введении Пм в количестве 25% от массы цемента, прочность повысилась до 16,4 МПа, удельный расход цемента составил 26,3 кг/МПа. При повышении содержания Пм до 50%, прочность повысилась до 20 МПа, удельный расход цемента составил 20,6 кг/МПа. Прочность у эталонного бетона (состав 4) на 28 сутки составляла 18,3 МПа, при расходе цемента 382 кг/м , а удельный расход цемента на единицу прочности Цк = 20,8 кг/МПа. При введении Зі в количестве 34% от массы цемента, прочность повысилась до 28 МПа, удельный расход це мента составил 15 кг/МПа, при повышении содержания 3j до 53%, прочность повысилась до 34 МПа, удельный расход цемента составил 14,2 кг/МПа. При этом В/Ц оставалась для каждого вида бетона постоянным. При добавке Зг и Д (составы 8... 14) R возросло в 1,9...2,6 раза при одновременном значительном увеличении В/Ц. На составе 10 была получена самая большая прочность, равная 47,4 МПа, при этом добавка 32 вводилась 1:2 к цементу, удельный расход цемента достиг 6,2 кг/МПа.
Методы исследований, приборы и оборудование
Реакционная активность кварцевого песка с цементом повышается с увеличением его дисперсности. С этой целью некоторые горные породы и кварцевый песок подвергали помолу в лабораторной шаровой мельнице МЛ 40, М 20 и К 6 емкостью 40, 20 и 2 литра до различной удельной поверхности. 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 10-30 минут. Перемешивание компонентов осуществлялось в емкостях объемом 10-50 л с помощью смесителя с регулируемым числом оборотов вращения от 100 до 800 об/мин.
Цемент и порошкообразный микрокремнезем использовались как в натуральном виде, так и подвергались дополнительному совместному домолу или совместному домолу тонкого песка с МК (в гранулированном виде).
Анализ гидросиликатной добавки (рисунок 2.2) производили на рентгеновском дифрактометре X Pert PANalitical, условия съемки рентгенограмм: моно-хроматизированное СиКа- излучение (графитовый монохроматор на дифрагированном излучении), режим работы рентгеновской трубки: V = 50 kV, I = 40 mA, время набора импульсов 0,5 с.
На рентгенограмме гидросиликата кальция, модифицированного нитратами кальция и натрия отчетливо вырисовывается широкое галло ренгеноаморфных гидросиликатов кальция в области углов 17-38. Отчетливый самый основной пик высокой интенсивности (3,039А) с угловым отражением 29,39 можно отнести с малой вероятностью к водному гидросиликату 2CaO-SiO2 0,35H2O, если бы он не накладывался как и два других 1,90А и 1,88А на пик нитрата натрия, для которого еще имеется 5 отчетливых отражения: 2,127; 2,31; 2,53; 2,807 и 2,89, подтверждающие его наличие. Поэтому, с наибольшей вероятностью можно утверждать, что гидросиликаты кальция находятся в аморфном состоянии.
Литые смеси для порошково-активированных бетонов изготавливались с соблюдением разработанной процедуры. Разработка процедуры, последовательности введения компонентов и времени перемешивания, на конечном этапе добавления компонентов, осуществлялась по показателям максимального расплыва при минимуме содержания воды и суперпластификатора. Уплотнение бетонных малопластичных и жестких смеси производили на стандартной виброплощадке.
Рентгенограмма нанометрического гидросиликата кальция Оптимальную растекаемость порошково-активированных песчаных бетонных смесей, способность их самоуплотняться за счет самопроизвольного всплы-вания пузырьков вовлеченного воздуха определяли по расплыву смесей из конического вискозиметра из формы-конуса Хегерманна (рисунок 2.3 и 2.4). Осадку и расплыв смесей из него по Евростандарту определяли по стандартному конусу.
Конус Хегерманна немецкой фирмы «TESTING Bluhm & Feuerherdt Gmbh», который использовался для тестирования растекаемости по Евростандарту, состоит из 3-х составных частей: конуса, воронки для его заполнения и стеклянного основания диаметром 350 мм и толщиной 5 мм.
Конус Хегерманна от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4-81 при помощи воронки заполнялся суспензией или раствором. Затем он медленно вертикально поднимался таким образом, чтобы содержимое могло равномерно вытечь на стеклянное основание. Смесь равномерно растекалась по основанию без встряхивания. После растекания штангенциркулем измерялся диаметр расплыва. Расчет относительной степени растекания Г определяли по формуле: r=( /F0)2-l (2Л) где F0 - диаметр конуса (равный 100 мм); F — диаметр расплыва. При изготовлении фибробетонных смесей вначале изготавливали матричную смесь. После установления ее оптимального расплыва из конуса изготавливалась аналогичная по составу смесь с добавленим фибры, и после определения расплыва осуществлялась окончательная корректировка содержания воды с учетом вве 45 дения стальной фибры. В определенных случаях при малой дозировке фибры фибробетонные смеси изготавливались без добавления воды.
Изучение прочностных и деформативных характеристик осуществлялось путем испытания образцов-кубов 100x100x100 мм, образцов-балочек 40x40x160 мм. 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.
Образцы испытывали на лабораторном прессовом оборудовании гидравлического типа УММ-50. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях. Для исключения влагопотерь образцы хранились в двойных полиэтиленовых пакетах. Для сушки затвердевших образцов использовалась лабораторная муфельная печь типа СНОЛ-1,6-2,5 1/11-Из. с последующим определением водопоглощения.
Обеспечение оптимальной топологии порошково-активированного песчаного бетона с низким удельным расходом цемента
Самоуплотняющиеся порошково-активированные песчаные бетоны нового поколения имеют структуру, существенно отличающуюся от бетонов старого поколения марок Ml50 - М600. Они должны изготавливаться с малыми расходами среднего или крупного песков.
Использование самоуплотняющегося бетона в индустрии сборных ЖБИ передовых зарубежных фирм существенно увеличилось по сравнению с началом 1990-х, когда этот материал только появился на рынке. По оценкам, более 50% бетона, используемого сегодня в Европе для производства сборных железобетонных изделий-это СУБ [116, 117, 118]. Ситуация в индустрии товарных бетонных смесей иная: здесь СУБ составляет менее 10% произведенного бетона. Причина кроется в необходимости иметь большее количество дисперсных компонентов на БСУ, а следовательно, большее количество силосов для достижения требуемых свойств самоуплотнения. Разработана концепции Smart Dynamic Concrete (SDC) или Интеллектуальный динамичный бетон [119] при производстве СУБ с низким содержанием тонкой фракции и инновационным модификатором вязкости, которая позволяет отрасли производства товарных бетонных смесей увеличить эффективность, достичь более высокой долговечности продукта, более рационально организовать строительный процесс, снизить выделение СОг, а также увеличить производительность.
В бетонных смесях для самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных бетонов беспрепятственное перемещение частиц песка в дисперсной системе «цемент - каменная мука - микрокремнезем - вода» обеспечивается наличием достаточных прослоек реологических матриц между тонкозернистым песком и грубыми частицами песка.
Новая рецептура - это повышенное содержание дисперсной фазы за счет добавления тонкомолотых, реологически-активных в смеси с цементом и суперпластификаторами нового поколения молотых горных пород. Содержание их в бетонах по результатам наших исследований варьирует от 40 до 130 % к массе цемента, увеличиваясь при уменьшении содержания цемента. В бетонах нового поколения каменная мука может заменяться на 7-20% и более пуццоланическими добавками микрокремнезема, метакаолина и т.п., что будет показано ниже.
В новой рецептуре порошково-активированных щебеночных бетонах доля тонкого песка фракции 0,1-0,6-Ю, 1-0,5 мм доходит до 200-320% от массы цемента. Он в смеси цементом и суперпластификатором усиливает реологическое действие последнего. Содержание тонкого песка в порошково-активированных песчаных бетонах нового поколения, как будет показано, может изменяться от 250 до 400% к массе цемента. Новая рецептура предусматривает снижение доли крупного или среднего песка
Какая же должна быть топологическая структура такого бетона? В соответствии с новой рецептурой должна формироваться и новая топологическая структура, в которой существенно увеличивается объем реологической составляющей в бетонных смесях, обеспечивающий их пластичность и растекае-мость. Если для заводской технологии не требуются пластичные смеси, то их реология изменяется содержанием воды. При этом в топологической структуре песчаных бетонов условно выделяются две реологические матрицы, отличающиеся содержанием в их объеме высокодисперсных, тонкозернистых наполнителей и мелкого заполнителя: - основная высокодисперсная условная реологическая матрица I рода состоит из высокодисперсных частиц цемента, молотого наполнителя и микрокремнезема;
- реологическая матрица II рода состоит из матрицы первого рода и тонкого песка.
Реологическая матрица второго рода - это порошковая или реакционно-порошковая (с микрокремнеземом) бетонная смесь, из которой могут быть получены высокопрочные и сверхвысокопрочные порошковые и реакционно-порошковые бетоны с прочностью 150-200 МПа. Прочность их зависит от гранулометрии тонкого песка и его насыпной плотности в уплотненном состоянии. Чем меньше его пустотность, тем выше прочность бетонов. Тонкозернистые частицы песка фракций 0,1-0,6 мм в порошковой бетонной смеси раздвигаются друг от друга реологической матрицей первого рода по декартовским осям координат между поверхностями частиц. Среднее расстояние X, в соответствии с формулой [120]. Это расстояние зависит от типа упаковки: X = a-d-3/l7c7-d (ЗЛ) где d - средний диаметр частиц песка; Су - объемная концентрация песка в порошково-активированной песчаной бетонной смеси; а - коэффициент, зависящий от плотности упаковки, принимаемый для простой кубической с плотностью 0,523 равным 0,806; для случайной с плотностью упаковки 0,64 - 1,0; для гексагональной с плотностью 0,74 - 1,145. В таблице 3.3 и 3.4 приведены усредненные расстояния между зернами тонкозернистого песка и песка заполнителя при различной топологии частиц их в оптимальных порошково-активированных песчаных бетонах. В соответствии с нашей гипотезой при определении узкой гранулометрии используемого песка можно определить объемную концентрацию для наиболее вероятной случайной упаковки. Из выше приведенной формулы для определения среднего расстояния между частиц Л = ас1 л/ Lv-d можно вычислить оптимальную объемную концентрацию, той или иной фракции песка или щебня. В результате несложных преобразований получим:
Осевое растяжение фибробетона нового поколения
Эффективность действия ВНВ обеспечивалась за счет его сверхтонкого измельчения и повышения доли нанометрических частиц верхнего масштабного уровня. Несмотря на это, высокопластичные бетонные смеси на ВНВ-30 и ВНВ-25 с содержанием вяжуще-го в бетоне 400-440 кг/м (содержание клинкерного цемента 100-130 кг/м ) были расслаивающимися. Для получения высокопрочных самоуплотняющихся бетонов, в соответствии с нашими представлениями о реологии бетонных смесей, необхо-димо было использовать ВНВ-70 в количестве 500-700 кг/м . Но без достаточного количества тонкого песка фракции 0,1-0,5 мм (или 0,16-0,63 мм по ситовому стандарту на пески) достижение прочностных показателей, равных 130-150 МПа и выше не представлялось возможным. Поэтому мы считаем тонкие пески важным компонентом в создании бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Содержание их во всех видах пластифицированных бетонов обязательно. В соответствии с этим необходимо провозгласить на настоящем этапе развития технологии бетона - первенство микротехнологий!
Обращаясь к рисунку 3.9, охарактеризуем другие микро- и нанометрические компоненты бетонов нового поколения. Это, прежде всего, суперпластификаторы нового поколения на поликарбоксилатной основе, называемые в России гиперпластификаторами (хотя от греческого слово hyper и латинского super имеют один и тот же смысл «сверх», т.е. высшая степень чего-либо). Они имеют более высокую молекулярную массу, являются водорастворимыми полимерами и располагаются преимущественно по размерам молекул в среднем нанометрическом масштабном уровне. Гиперпластификаторы позволяют течь цементным суспензиям при В/Ц = 0,16-0,18 с объемной концентрацией твердой фазы 63-67%. Суперпластификаторы на меламиновой и нафталиновой основе обеспечивают аналогичную растекаемость цементных суспензий (из конуса Хегерманна) диаметром 350-380 мм при В/Ц = 0,23-0,27, т.е. при содержании воды на 40-60% выше. Для самоуплотняющихся бетонов невысокой прочности за рубежом начинают использовать органические стабилизаторы и модификаторы от расслоения бетонных смесей [119]. Это высокомолекулярные продукты, аналоги эфиров целлюлозы, модифицированные декстраны, декстрины и т.п.
Нанометрическими реакционно-химическими компонентами бетонов нового поколения являются чистые аморфные кремнеземы с содержанием последних до 98-99%. Частицы их по масштабному уровню размещаются от нижнего до. верхнего нанометрического диапазона. К нижнему и среднему нанометрическому диапазону относятся пирогенные нанокремнеземы - аэросилы, к среднему - осажденные кремнеземы и кремнезоли. Они пока редко используются в технологии бетонов нового поколения, хотя за ними большое будущее. Размеры частиц аэросилов сродни наноуглеродным объектам - нанотрубкам, нанофуллеренам, наноастрале-нам, от которых, пока безуспешно, ждут высоких эффектов некоторые исследователи бетонов. Нанометрические синтетические микрокремнеземы, в отличие от МК, имеют поверхностные активные группы ОН. Размеры первичных и вторичных частиц могут отличаться более чем на 1-2 порядка. Самую высокую удельную поверхность (500-700 м2/г) имеет свежеосажденный кремнезем. Однако их высокая дисперсность является препятствием реализовать эффективное действие ГП. Поэтому такие нанокремнеземы необходимо вводить в бетон в количестве 1,0-2,0%, комбинируя их с нанокремнеземами среднего и верхнего нанометрического масштабного уровней или тонкомолотыми гранулированными шлаками верхнего масштабного уровня.
В связи с совершенствованием техники помола и с созданием планетарных мельниц недостаток микро- и нанокремнеземов может быть восполнен сверхтонким помолом металлургических шлаков, зол и вулканических стекол с достаточным количеством частиц верхнего нанометрического уровня.
Нанотехнологии бетонов будут развиваться с существенным уменьшением содержания доли цемента в бетонах с повышением его прочности, со значительным уменьшением объемов бетона в конструкциях. В бетонах нового поколения диапазон размеров твердых минеральных компонентов значительно расширяется за счет присутствия реакционно-активных наноси-ликатов от 5-Ю нм до 40-70 мм (от 5-10 9 до 5-Ю 2 м), то есть до семи десятичных порядков. В бетонах старого поколения диапазон размеров твердых компонентов в основном равен пяти порядкам. Но бетоны нового поколения с низкими расходами цемента не могут быть получены из бетонов старого поколения добавлением 5-20% наносиликатных частиц с размерами 5-50 нм и гиперпластификаторов. Для них важен не столько дополнительный синтез гидросиликатов кальция за счет протекания из-вестково-пуццоланической реакции в бетоне, сколько реологическая активность, обеспечиваемая наличием значительного количества микрометрических частиц (1-100 мкм) и тонкой фракции песка (0,1-0,6 мм).
Приведены результаты прочностных свойств пластифицированного порош-ково-активированного песчаного бетона с использованием разработанной на кафедре ТБКиВ добавки наногидросиликатов кальция. Разработки синтезированных гидросиликатов кальция и применения их в сборных железобетонных конструкциях представлены в работах [124,125].
В гранулометрическом составе гидросиликатов кальция, синтезированным на кафедре ТБКиВ 60% частиц имели размер 450-500 нм, остальное количество частиц с размерами 120-450 нм. Для получения самоуплотняющихся бетонных смесей использовали портландцемент М 500 ДО, микрокремнезем Новокузнецкий в количестве 10% от массы цемента, микрокварц с S 71= 422 м7кг, тонкозернистый песок фракции 0-0,63 мм и средний гравийный песок фракции 0,63-5,0 мм с модулем крупности 2,45. Для пластифицирования смеси применяли немецкий гиперпластификатор Melflux 558IF. Прочностные показатели определяли через 6; 8; 10 часов и через 1; 7; 28 суток нормального твердения. Результаты испытания бетонов приведены в таблице 3.12.
