Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Эволюция бетонов от жестких до самоуплотняющихся и значение новой рецептуры смесей в прорывных технологиях 10
1.1 Отечественный и зарубежный опыт производства высокопрочных и самоуплотняющихся бетонов различного назначения 10
1.2 Бетоны, модифицированные минеральными добавками и суперпластификаторами в отечественных исследованиях и практике ... 22
1.3 Классификация суперпластификаторов и механизм их действия. Методы оценки эффективности 33
1.4 Значение реологических свойств в создании самоуплотняющихся бетонов 44
ГЛАВА 2 Исходньш материалы, методы исследований, приборы и оборудование 54
2.1 Характеристика сырьевых материалов 54
2.2 Методы исследований, приборы и оборудование 60
ГЛАВА 3 Реологическая активность супер- и гиперпластификаторов в цементных, минеральных и цементно-минеральных дисперсных суспензиях 67
3.1 Влияние вида цемента, супер- и гиперпластификатора на растекаемость цементных суспензий 72
3.2 Влияние сухого предадсорбционного нанесения СП на повышение водоредуцирующего эффекта 78
3.3 Влияние дозировки супер- и гиперпластификатора на реотехнологические свойства цементных суспензий 82
3.4 Влияние супер- и гиперпластификаторов на реотехнологические свойства минеральных суспензий 86
3.5 Влияние супер-и гиперпластификатора на реотехнологические свойства цементно-минеральных суспензий 93
Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. Реотехнологические свойства бетонных смесей нового поколения и прочностные свойства пластифицированньгх цементно-минеральных дисперсных суспензий и бетонов 103
4.1. Влияние содержания воды, вида СП и ГП на растекаемость суспензий и прочностные свойства цементного камня 103
4.2 Влияние реакционно-активных добавок на прочностные свойства пластифицированного цементного камня 106
4.3 Влияние вида СП и ГП на реотехнологические характеристики реакционно-порошковых бетонных смесей, прочностные и деформативные свойства бетонов 109
4.4 Высокопрочные реакционно-порошковые фибробетоны Ц4
4.5 Влияние дозировки гиперпластификатора на реотехнологические свойства порошковых бетонных смесей и их прочностные
характеристики 118
4.6. Самоуплотняющиеся бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности бетона 126
4. 6. 1. Подбор составов реологических матриц для бетонов нового поколения 101
4. 7 Морозостойкость малоцементных порошково-активированных щебеночных бетонов 142
Выводы по главе 4 146
ГЛАВА 5. Возможности использования оптимизированных реологических матриц для получения особо тяжелых бетонов, легких бетонов и высокопрочных клеёв 147
5.1. Классификационные схемы составов эффективных порошково-активированных бетонов нового поколения 147
5.2 Различные виды бетонов с использованием реологически и реакционно-активных компонентов 152
5.2.1. Особо тяжелые бетоны 152
5.2.2 Легкие и особо легкие бетоны 155
5.3 Реакционно-порошковая связка для высокопрочных клеев
Выводы по главе 5 161
ГЛАВА 6. Экономический эффект от внедрения реакционно-порошковых и порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов нового поколения 162
6.1. Технологическая схема производства порошковой связки 1^2
6.2. Оценка стоимости компонентов реакционно-порошковых, порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов по сравнению с существующих аналогами ... 163
Выводы по главе 6 166
Основные выводы и рекомендации 166
Библиографический список
- Бетоны, модифицированные минеральными добавками и суперпластификаторами в отечественных исследованиях и практике
- Влияние сухого предадсорбционного нанесения СП на повышение водоредуцирующего эффекта
- Влияние супер- и гиперпластификаторов на реотехнологические свойства минеральных суспензий
- Влияние вида СП и ГП на реотехнологические характеристики реакционно-порошковых бетонных смесей, прочностные и деформативные свойства бетонов
Введение к работе
Актуальность темы. В 2009-2012 гг. были модернизированы цементные заводы во многих регионах России - в Рязанской, Ульяновской, Волгоградской областях - строятся заводы в городах Курске и Пензе.
Значительное увеличение объемов выпуска цемента удовлетворит рынок спроса его в России. Дальнейший рост объемов строительства в стране потребует дополнительного выпуска цемента. Повышенный выпуск цемента рассчитан на изготовление бетонов с четырехкомпонентной рецептурой старого поколения, в том числе с суперпластификаторами (СП), и не учитывает развивающегося революционного этапа в технологии и технике бетонов нового поколения. Бетоны старого поколения марок М 150-600 с СП, выпуск которых в России составляет 97-98 % от всего объема, требуют высокого расхода цемента на 1 м бетона. Оценим расходы цемента по очень информативному технико-экономическому оценочному показателю, характеризующему прогресс в технологии бетонов, - по удельному расходу цемента в кг на единицу прочности при сжатии в МПа (Цд , кг/МПа). В настоящее время удельный расход цемента
для пластифицированных щебеночных бетонов с RcyK 20 МПа составляет 11,20=10-12, с Ясж 50 МПа - Ц,5о=7-8 кг/МПа; для цементоёмких песчаных
бетонов с Ясж 20 МПа Ц^=14-16 кг/МПа, с Ясж50 МПа -Щ=9-12 кг/МПа.
В бетонах нового поколения должна быть принципиально новая рецептура, ориентированная на повышение реологического действия супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП). Она должна быть радикально изменена как в бетонах традиционных марок М 200 - М 600, так и в высокопрочных и сверхвысокопрочных - марок М 1000 - М 1600.
Уменьшение доли цемента в бетоне приводит к снижению не только энергоемкости в производстве портландцемента, расходов органического топлива и электроэнергии при добыче сырья и его переработке, транспортных перемещениях цемента и сырья, но и, что наиболее актуально, эмиссии углекислого газа в атмосферу при обжиге карбонатосодержащего сырья и перевозке материалов автотранспортом. Исходя из этого совершенно очевидно, что дальнейший прогресс в технике бетона будет постоянно направлен на снижение удельного расхода цемента на единицу прочности бетона. Если достигнуть величины удельного расхода цемента на единицу прочности при сжатии, равной 3-4 кг/МПа, то количество цемента на производство пластифицированного бетона общестроительного назначения можно будет снизить в 2-2,5 раза, а высокопрочного -в 3-4 раза, возместив его недостаток безобжиговыми тонкомолотыми горными породами, что является чрезвычайно актуальным для экономики.
При разработке оптимальной рецептуры бетонов из самоуплотняющихся бетонных смесей нового поколения основную роль играют реотех-
нологические исследования водно-дисперсных матриц, определяющих растекаемость бетонных смесей.
Цели и задачи исследований. Цель диссертационной работы -получить эффективные бетоны с оптимизированными реотехнологичес-кими характеристиками реакционно-порошковых матриц с различным соотношением компонентов. Показать возможности получения песчаных и щебеночных бетонов, в том числе самоуплотняющихся (с низким удельным расходом цемента на единицу прочности), легких бетонов, клеев на основе реакционно-порошковых связок.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
проанализировать реакционно-порошковые, порошково-активиро-ванные щебеночные и песчаные бетонные смеси по составам и объемам цементно-водно-минеральных матриц в зависимости от расходов цемента и классов прочности бетонов;
исследовать влияние вида цемента, СП и ГП на реотехнологические показатели - расплывы цементных суспензий и установить водоредуциру-ющие эффекты;
установить диапазон В/Ц-отношения на структурные переходы цементных и минеральных суспензий из состояния жестких паст в гравитационно-растекающиеся суспензии при дефиците воды для поликарбокси-латных ГП нового поколения;
изучить влияние вида СП и ГП на растекаемость минеральных суспензий, как компонентов состава порошково-активированных бетонов, и водоредуцирующие эффекты в них;
определить влияние соотношения цемент: каменная мука на реологические свойства цементно-минеральных суспензий и изучить влияние вида СП и ГП на реологические свойства бинарных систем (цемент + микрокремнезем (МК));
выявить влияние СП и ГП на физико-технические свойства цементного камня из пластифицированных саморастекающихся суспензий и цементного камня из теста нормальной густоты;
изучить реотехнологические и прочностные свойства реакционно-порошковых матриц с различными соотношениями компонентов для получения бетонов различного назначения: щебеночных, песчаных и легких;
изучить влияние дозировки СП и ГП на реотехнологические свойства бетонных смесей и физико-механические свойства реакционно-порошковых и порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов.
Научная новизна работы
- осуществлено тестирование различных цементов и пластификаторов
по реотехнологическому показателю - растекаемости водно-цементных
суспензий из стандартного конуса Хегерманна - и водоредуцирующим эффектам. Установлено, что определяющими тестируемыми показателями для цементов являются реотехнологический показатель - диаметр расплы-ва пластифицированных цементных суспензий при В/Ц-отношениях не более 0,2 - и высокие водоредуцирующие эффекты. Регламентировано, что СП и ГП для бетонов нового поколения должны обеспечивать расплыв суспензий в пределах 260-350 мм при В/Ц-отношениях 0,15-0,18 и водоредуцирующие эффекты не менее 2,5;
выявлена высокая эффективность зарубежных поликарбоксилатных СП и отечественного ГП Хидетал 9у при оптимальных дозировках 0,8-1,0% от массы цемента к большинству цементов с разным минералогическим составом для получения самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности (менее 6 кг/МПа);
экспериментально обоснована низкая эффективность применения СП и ГП при дозировках менее 0,5 % от массы цемента, не позволяющая временно заблокировать процесс гидратации цемента из-за недостатка адсорбента, вызывающего коагуляцию системы и её загустевание;
выявлено влияние малых добавок цемента, не превышающих 5 % от массы порошков из кислых минеральных пород, на перезарядку их поверхности за счет образующегося портландита Са(ОН)2, вызывающего сильное разжижение водных дисперсий с поликарбоксилатными СП;
определены оптимальные безразмерные соотношения сухих компонентов в водных системах «цемент - каменная мука - песок тонкий -вода», кардинально изменяющиеся в зависимости от расхода цемента и проектируемого класса бетона по прочности для получения бетонов с низкими расходами цемента на единицу прочности;
разработан новый подход к последовательности подбора составов порошково-активированных бетонов всех классов прочности с достижением консистенции самоуплотняющихся бетонных смесей для бетонов с максимальной прочностью и последующим перерасчетом состава смесей с малыми пластичностями и высокими жесткостями с обязательным сохранением безразмерных критериев отношения объёмов сухих компонентов.
Практическая значимость работы. Получены эффективные порош-ково-активированные песчаные и щебеночные бетоны с выявленными оптимальными соотношениями «цемент - каменная мука - песок тонкий» в цементно-порошковых связках.
Разработаны самоуплотняющиеся порошково-активированные песчаные и щебеночные бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности бетона (2,2-6 кг/МПа).
Установлена возможность применения не только кварцевых песков, но и тонких молотых полевошпатовых песков из гравийно-песчаных смесей,
включая и тонкие пески с модулем крупности менее 1,2, которые не востребованы в бетонах старого поколения
Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Саман» (г. Тольятти), «Новые технологии в строительстве» (г. Москва) и 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. Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами, полученными в ходе проведения многочисленных экспериментов с использованием вычислительной техники, и анализами структуры, выполненными микроскопическим методом. Методика проведения исследований и результаты расчетов достаточно корректны. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований реотехнологических характеристик цементных, цементно-минеральных дисперсных суспензий, реакционно-порошковых и порошково-активированных бетонных смесей;
экспериментальное обоснование малоэффективного применения СП и ГП в бетонах при дозировках менее 0,5 % от массы цемента;
принципы оптимизации состава реакционно-порошковых матриц для производства самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов по показателям их прочности;
теоретическое обоснование нового подхода к последовательности подбора менее пластичных и жестких составов бетонных смесей путем использования рецептур самых пластичных самоуплотняющихся смесей с сохранением безразмерных соотношений сухих компонентов в последних.
Личный вклад автора состоит в выборе темы и направления исследования, анализе литературных источников, проведении экспериментальных исследований, получении результатов, их обобщении и анализе.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на всероссийских и международных НТК: «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г. Пенза, 2011); «Композиционные строительные материалы. Теории и практика» (г. Пенза, 2011, 2012); на V и VI, VII Всероссийских конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов (г. Пенза, 2010, 2011, 2012); на 1-м и 2-м Международных семинарах-конкурсах молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ (г. Москва, 2010, 2011); на Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (г. Ульяновск, 2011).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 24 работы, в том числе в журналах по перечню ВАК РФ - пять работ.
Конкурсы. В 2008 году получена медаль «За лучшую научную студенческую работу» по итогам открытого конкурса на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ. В 2011-2012 гг. - исполнитель гранта Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Малоцементные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности» Министерства образования и науки Российской Федерации, номер контракта 14.740.11.1254.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 134 наименований. Изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 33 таблицы.
Бетоны, модифицированные минеральными добавками и суперпластификаторами в отечественных исследованиях и практике
При анализе отечественного и зарубежного опыта производства бетонов эффективность их необходимо оценивать по удельному расходу цемента на единицу прочности при сжатии Ц = U/RC, при растяжении при изгибе Ц =iyRH, при осевом растяжении. Эти критерии должны проходить «красной нитью» в любых научно-исследовательских разработках при создании новых бетонов, и следованиях, предлагающих новые пластифицирующие добавки или добавки наноразмериого уровнях по нанотехнологиям. Оценить эффективность высоких достижений в технологиях бетонов можно по противоположному критерию, а именно - удельной прочности на единицу затраченного цемента Д/ МПа/R (R 1 = 1/U,RA). Значения этих
критериев могут существенно отличаться при одинаковых расходах цемента в бе-топах, изготовленных при различных консистенциях смесей. В жестких и сверхжестких бетонах уплотняемых вибрацией или вибрацией с пригрузом, они могут сильно отличаться от этого критерия в бетонах, изготовленных из пластичных или высоко пластичных бетонных смесей. Это соответствие соблюдается при расходе цемента на 1 м бетона более 300 кг/м . По классификации кафедры ТБКиВ 4-х компонентные бетоны, содержащие цемент, песок, щебень и воду отнесены к бетонам старого поколения. К бетонам переходного периода отнесены бетоны с.вышеуказанной рецептурой с добавлением слабых, умеренных и сильных суперпластификаторов (СП). Освоение их началось с 1930г. при использовании пластификаторов типа ЛСТ (лигносульфонаты). В тощих бетонных смесях старого поколения с расходом цемента 200 кг и менее даже жесткое вибрационное уплотнение не позволяет достигнуть высоких значений Ц адекватных для высокопластичных бетонов нового поколения. К бетонам нового поколения разработанным на кафедре «Технология бетонов керамики и вяжущих» [19, 52-54, 63] относятся порошково-активированные бетоны на порошковой или реакционно-порошковой связке, включающих цемент, молотый наполнитель, тонкий песок фракции 0,16-0,63, содержащий в отдельных случаях микрокремнезем (МТС). Выпускаемые в настоящее время бетоны со старой рецептурой с добавлением СП и МК, являются также переходными, от бетонов нового поколения их отличает отсутствие дисперсных наполнителей и тонкого кварцевого песка добавляемы в значительном количестве.
Бетоны с высокой прочностью начали разрабатываться в России М.Ы. Ах-вердовым [7], Михайловым В.В. [91,92], Михайловым К.Б. [88-90]. Но высокопрочные бетоны того периода не могли быть изготовлены из литых и высокопла-сгичных бетонных смесей и имели целый ряд дефектов, обусловленных недоуп-лотиенисм. И, хотя, появились эффективные суперпластификаторы (СП) на нафталиновой и меламиновой основе, рецептура бетонов была четырехкомпонентпой и бетонные смеси не могли быть предельно разжижены и высокоредуцируемы из-за малого содержания цементно-водной дисперсии и предельного наполнения бетонной смеси песком и щебнем.
В ранних публикациях по высокопрочным бетонам (1960-1975) основными факторами, определяющими достижения высокой прочности считалось интенсивное виброуплотнение (преимущественно с пригрузом) жестких смесей с низким водоце-ментным отношением.
Гончаровой Л.С. [27] было отмечено, что в начале 70-х годов XX века высокопрочные тяжелые бетоны М600-700 получали за счет использования высокоактивных цементов, бетонных смесей с низкими В/Ц, интенсивного уплотнения, повторного вибрирования и вибропрессоваиия. Приготовление жестких бетонных смесей (жестокое іьіо 75-100 сек) для высокопрочных бетонов при В/Ц=0,3 производилось в бетономешалках принудительного перемешивания, уплотнение требовало использования вибромашин с частотой 4500-6000 кол/мин, поличастотного вибрирования, виброуплотнения с пригрузом. Для элементов труб большого диаметра состав бетона марки 600 и 700, в качестве исходных материалов содержал портландцемент М600 І Іово-Здолбуновского цементно-шиферного комбината с нормальной густотой НГ=26,5% (C3S-58%; C2S- 20%; С3А-7%; C,AF-14%), гранитный мытый щебень фракции 5-20мм Карельского карьера «Питісяранта» марки 1200, кварцевый у песок Академического карьера с Мкр=2,68; пластификатор ССБ. Ыа 1 м бетонной смеси для получения бетона М600 расходовали: цемента 590 кг (Ц д=9,8 кг/МПа), песка- 450кг, щебня -1260 кг, воды -180л; для получения бетона М700: цемента-620 кг (ЦІ11 =8,9 кг/МПа), песка -400кг, щебня -1320кг, воды -164 л, ССБ 0,93 кг.
Рубеж прочности в ІООМГІа был преодолен в 1982-1984гг, когда в производстве активно начали внедряться высокоэффективные суперпластификаторы па нафталиновой основе. Серьезные изменения произошли и при выборе портландцемента для высокопрочных бетонов. Они касались, прежде всего, активности цемента. Она не должна быть ниже 50МПа. Повышению активности цемента было посвящено большое количество работ.
Авторами [83] была проведена работа по определению механических свойств тяжелых бетонов марок 900 и 1000. Применялся цемент марки М600 в количестве 550-600кг/м , пластификатор ССБ - 0,25% от массы цемента. В соответствии с нашим расчетом удельный расход цемента па единицу прочности составил 6 кг/МПа. Водоцементное отношение бетонной смеси составляло 0,3, жесткость смеси 50-55с. Установлено, что величина модуля упругости бетонов марок 900 и 1000 мало отличается от бетонов более низких марок, однако отношение модуля упругости к соответствующей призменной прочности с повышением марки бетона резко снижается. Исследованные бетоны обладают удельной ползучестью, характерной для бетонов средней прочности (марок 400 и 600).
Одними из первых исследователей использовавшими дисперсные наполните-ли (8уд=180-500м7кг) в значительном количестве были В.И. Соломатов и его школа [105]. Ими получены высокопрочные бетоны с использованием наполненного цементного вяжущего с пластифицирующей добавкой С-3, с содержанием наполнителя 20, 50, 100%) от массы цемента. В работе применялся цемент М 600 Д 0. Бетонная смесь имела жесткость от 5 до 11с. Расход цемента в бетонах с наполнителем варьи У
ровался от 300 до 500кг/м , при этом прочность бетонов составляла 72-ЮЗМПа. По нашему расчету удельный расход цемента был 4,16-4,85кг/МПа, причем низкое значение l.\Jtn характерно для бетона с расходом цемента 300 кг/м3 бетона с наполнением минеральной добавкой 100% от массы цемента.
Влияние сухого предадсорбционного нанесения СП на повышение водоредуцирующего эффекта
В рамках проделанной работы А. Иоани, X. Жилажи [1] определены свойства самоуплотняющегося бетона с содержанием СП 1,15-1,55% от массы цемента в свежеприготовленном виде: текучесть, вязкость, заполнение густоармировап-ных форм, расслаиваемость. Расплыв конуса составлял от 665мм до 770 мм, время расплыва конуса до Д5оо 2,5-3,5с, время прохождения смеси через V образную воронку от 6 до 12,5 сек, коэффициент прохождения по L боксу 0,83-0,96.
Для получения архитектурного СУБ под белый мрамор с подвижностью смеси 700мм авторы применяли белый цемент (400кг/м ) известняковую муку 25% от массы цемента, дробленый мрамор с размером зерен 0-16мм. В ходе экспериментов проводилась оценка сохраняемости подвижности бетона в течение бОмин. Расплыв смеси с 700мм за указанный промежуток времени уменьшился лишь до 650мм. Для получения высокопрочного бетона использовался цемент СЕМ 42,5R, микрокремнезем в количестве 14% от массы цемента, подвижность смеси спустя 5 и 60 мин составляла 730 и 600мм. Удельный расход цемента на единицу прочности бетона составил 4,9кг/МПа. Столь низкий расход цемента па единицу прочности объясняется использованием значительного количества микрокремнезема и песка фр. 0-6мм. На следующем этапе авторами рассмотрена возможность получения СУБ с индексом подвижности 700-800мм для неармировап-пых монолитных бетонных конструкций. Расход цемента составлял 300-307кг/м , содержание золы уноса 41% от массы цемента, для избегания расслоения в составы вводился сверхмелкий аморфный коллоидный кремнезем. Водоцементное от 52 ношение составляло 0,58. Удельный расход цемента 7,5кг/МПа. Для всех составов наблюдалась устойчивое сохранение подвижности во времени. Для контрольного состава без кремнезема отделение цементного молока составило 0,11%, с содержанием кремнезема 2% отделение сократилось до значения 0,07%.[123]
Анализ литературы как зарубежной, так и отечественной показывает, что получить бетоны с низким удельным расходом, в том числе и самоуплотняющиеся возможно только лишь с изменением топологической структуры бетона, а именно используя реологические и реакционно-активные наполнители и эффективные суперпластификаторы.
В более ранних работах [4,116,56] проделанных на кафедре ТБКиВ приводятся топологические структуры бетонов старого и нового поколения, а также их принципиальные отличия. Так в работе [4] реологические матрицы бетонов нового поколения предлагается классифицировать следующим образом: - для порошковых или реакционно-порошковых бетонов с МК матрица первого рода состоит из цемента, молотого наполнителя, (реациошю-порошковой пуццо-ланической добавки МК, или дегидратированного микрометакаолина и наномет-рического аморфного SiCb) и воды; - для порошково-активированных песчаных (мелкозернистых) бетонов матрица второго рода включает матрицу первого рода и тонкий наполнитель фр. 0,1-0,5 или 0,16-0,63 мм; - для порошково-активированных щебеночных бетонов матрица третьего рода включает матрицу первого, второго рода и песок заполнитель фр. 0,1-5,0 мм или 0,63-5,0 мм.
Матрица первого рода обеспечивает необходимую оптимальную прослойку между частицами топкого песка в порошковых бетонах для беспрепятственного перемещения частиц этого песка без соприкосновения их друг с другом.
Матрица второго - обеспечивает оптимальную прослойку между частицами песка-заполнителя (желательно среднего или крупного) для беспрепятственного перемещения частиц его без соприкосновения друг с другом. Матрица третьего рода обеспечивает оптимальную прослойку между зернами щебня (аналогично известному коэффициенту раздвижки зерен при подборе состава тяжелого бетона по Б.Г. Скрамтаеву-Ю.М. Баженову) для беспрепятственного перемещения зерен щебня без зацепления их друг с другом в малощебеночных бетонах.
Как следует из обзора, в зарубежной практике используются самоуплотняющиеся бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента па единицу прочности
В работе [94] представлена зависимость предельного напряжения сдвига цементного теста, характеризующего текучесть смесей, от вида цемента и дозировки добавки. Для цементной суспензии при дозировке в пей добавки от 0,05 до 0,15% ГП колебания предельного напряжения сдвига находится в диапазоне 18-7 Па, при увеличении дозировки добавки от 0,15 до 0,3% значение предельного напряжения сдвига меняется в диапазоне от 21 до 8Па. Авюром приводятся экономические расчеты по эффективности использования добавок поликарбоксилатов в указанных дозировках при получении самоуплотняющихся бетонов. Однако мы считаем, что данные эксперименты, проведенные только на цементах, нуждаются в проверке. В зарубежной и оіечесівенной литературе не приводятся составы самоуплотняющихся и высокопрочных бетонов с содержанием гиперпластификаторов ниже 0,6-1%.
Исходя из анализа отечественной и зарубежной литературы, и практики производства отдельных видов пластифицированных бетонов была выдвинута рабочая гипотеза: большинство видов бетонов старого и переходного поколений различного функционального назначения (керамзитобетоны, стеклосферобетоны, пепобетоиы, газобетоны, тяжелые и особо тяжелые бетоны для защиты от ядерных излучений и для захоронения ядерных отходов, отдельные виды специальных бетонов - сульфато-стойкис, биостойкие и др.) могут быть трансформированы в бетоны нового поколения за счет порошковой активации, обеспечивающей высокие реотехнологические свойства бетонных смесей.
Влияние супер- и гиперпластификаторов на реотехнологические свойства минеральных суспензий
В последние годы при производстве высококачественных бетонов реализуется концепция использования реакционно-активных нанометрических мономинеральных и полиминеральных тонкодисперсных порошков на основе горных пород. Поэтому получение бетонов нового поколения основано на существенном изменении традиционного состава и рецептуры бетона. Новые составы с суперпластификаторами должны, во-первых, обеспечить полную реализацию реологического действия СП за счет адсорбции их полианионов на минеральных дисперсных частичках, изменения электрокинетического потенциала и возникновения одноименных поверхностных зарядов. Агрега-тивно-неустойчивая водно-дисперсная система при этом превращается в аг-регативно-устойчивуго. Наибольшее реологическое действие ионно-электростатических диспергаторов проявляется в минеральных водно-дисперсных системах. Во-вторых, в бетонной смеси необходимо иметь достаточное количество агрегативно-устойчивой высококонцентрированной водно-дисперсной смеси (матрицы). При этом необходимо руководствоваться основным правилом: увеличение объема дисперсной фазы обеспечивается без увеличения расхода цемента, а добавлением порошкового наполнителя к цементу в количестве 40-70%, а в малоцементном бетоне - до 90-140% [53]. Таким образом, основой получения бетонов нового поколения является высокая разжижающая способность СП и ГП водных дисперсно-тонкозернистых матриц. Исследования реотехнологических свойств таких матриц является чрезвычайно актуальным.
Задача исследования состояла в определении текучести цементно-минеральных суспензий с СП и ГП. В работе применялись следующие мате-риалы: Красноярский цемент ПЦ 500 ДО, микрокварц товарный SW=260M /кг со следующим соотношением Ц/Микрокварц = 1:0,5; 1:0,75; 1:1; 1:1,25, а также ряд отечественных и зарубежных суперпластификаторов. Количество СП и ГП во всех составах принималось равным 0,9% от массы цемента. В ряде экспериментов использовался молотый полевошпатовый песок мука известняковая и молотый доломит. Для предварительной оценки водоредуци-рующего эффекта в цементных суспензиях СП и ГП использовали конус Хе-германна. По равновеликим расплывам различных пластифицированных и непластифицированных суспензий, рассчитаны водоредуцирующие эффекты по формуле 3.6. Результаты исследований представлены в табл. 3.7.
Как видно из представленных данных действие всех суперпластифика торов в смеси цемент-микрокварц-вода различно. Немецкий гиперпластификатор Melflux в суспензии обеспечил самый высокий водоредуцирующий эффект при самом низком водотвердом отношении. Следует отметить, что с увеличением содержания микрокварца в смеси от соотношения 1:0,5 до 1:1,25 В/Т увеличилось незначительно с 0,187 до 0,216 соответственно. Гиперпластификаторы Sika ViscoCrete 20Gold, Ergomix 6000, Movecrete PR-33, Movecrete PR-32 незначительно уступают немецкому ГП. Для данных добавок также было установлено, что увеличение содержания наполнителя мало влияет на его пластифицирующую способность - водоредуцирующий эффект остается достаточно высоким. Отечественный гиперпластификатор Хидетал 9у ГП в смеси с соотношением компонентов Ц/Микрокварц 1:0,5 при низком водотвердом отношении, равном 0,206 имел также высокий водоредуцирующий эффект. Однако с увеличением содержания микрокварца до соотношений 1:0,75; 1:1; 1:1,25 наблюдается существенное снижение эффективности действия данного гиперпластификатора, повышение водотвердого отношения до 0,3. Гиперпластификатор Хидетал 9а менее избирателен, с увеличением содержания тонкодисперсного порошка в цементно-кварцевой смеси2 раза водотвердое отношение увеличилось всего на 4%.
Суперпластификатор С-3 (г. Новомосковск) по всем показателям уступает отечественным и зарубежным гиперпластификаторам на поликарбокси-латной основе.
Самые высокие водоредуцирующие эффекты наблюдались при использовании доломита черного молотого, частицы которого заряжены положительно. На самом эффективном ГП МеШих водоредуцирующий эффект составил 3,18. При использовании в качестве наполнителя известняковой муки цементно-минеральная суспензия при низком В/Т отношении имела достаточно высокий водоредуцирующий эффект, равный 2,77. Для того же ГП при том же соотношении Ц:микрокварц водоредуцирующий эффект составил 2,5. Таким образом, в качестве наполнителей к бетону могут использоваться различные минеральные молотые горные породы.
Как уже отмечалось, основным компонентом современных высокоэффективных бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности являются реакционно-активные добавки. Добавки этой группы обладают высокой дисперсностью и плохо пластифицируются даже самыми эффективными гиперпластификаторами. В связи с этим было изучено влияние их количества на реотехнологические свойства цементно-минеральных дисперсных суспензий. Содержание ГП и СП во всех опытах составляло 0,9% от массы цемента. Результаты экспериментов представлены в таблице 3.8
Как видно из данных таблицы. 3.8 увеличение количества вводимой реакционно-активной добавки приводит к увеличению водопотребности це-ментно-минеральной системы. Следует отметить, что наиболее эффективным ГП оказался зарубежный МеШих. Sika ViscoCrete -20GOLD незначительно ему уступает. Отечественный ГП Хидетал показал самые низкие водоредуцирующие эффекты среди добавок на поликарбоксилатной основе.
Влияние вида СП и ГП на реотехнологические характеристики реакционно-порошковых бетонных смесей, прочностные и деформативные свойства бетонов
Эволюционное развитие и совершенствование бетонов нового поколения -это повышение уровня наукоемкости в технологии и увеличения числа компонентов бетонной смеси. Производство бетонов станет наукоемкой химической технологией получения уникальных композиционных бетонных смесей для бетонов широкого функционального назначения.
В связи с этим была проведена классификация тяжелых бетонов нового поколения всех видов по составу в нем компонентов. Схема представлена на рисунке. 5.1, 5.2, и 5.3. Все виды бетонов включают в свой состав свои условные реологические матрицы. В порошковых бетонах (рисунок 5.1). Это вода, суперпластификатор, цемент и каменная мука. Они образуют стабилизированную водно-дисперсную систему для порошково-зернистого бетона. В реакционно-порошковом бетоне дополнительным компонентом является реакционно-активный микрокремнезем, содержащий около 50% нанометрических частиц верхнего масштабного уровня. Порошково-активированные песчаные бетоны (рисунок 5.2) включают в свой состав порошковую и реакционно-порошковую с МК бетонную смесь (реологическую матрицу второго рода) и песок заполнитель.
Порошково-активированные щебеночные бетоны включают наибольшее количество компонентов, достигающих восьми. В них самая сложная семикомпо-нентная условная реологическая матрица-растворная смесь. В бетонах старого поколения она содержит 4 компонента, в бетонах переходного поколения-5.
В последние годы с развитием строительной химии появляются новые добавки. В последние три года на рынке появились сильно адсорбирующие полимеры (SAP) для внутреннего ухода за бетоном [84], центры кристаллизации - нано-метрические гидросиликаты кальция [17] для ускорения набора прочности в первые часы твердения и производства сборного бетона без тепловой обработки, на 148 нометрические кремнеземы. Бетоны нового поколения будут постоянно совершенствоваться. Для их модификации, улучшения функциональных свойств бетонных смесей и бетона потребуются новые минеральные и органические добавки (рисунок 5.1, 5.2, 5.3). Содержание их по массе будет невысоким, но эффект от их применения будет существенным.
Как видно из представленных схем, отличительной особенностью модифицированных бетонов нового поколения от бетонов нового поколения является наличие модифицирующих органических добавок для внутреннего ухода за бетоном, добавок снижающих аутогенную усадку, которые особенно актуальны в реакционно-порошковых бетонах со сверхвысокой прочностью, с пониженным содержанием воды. Уже в настоящее время введение добавок для компенсации аутогенной усадки и нанометрических гидросиликатов кальция число компонентов в порошково-активированных щебеночных бетонов достигло 11.
Таким образом, из структурных схем состава бетонов нового поколения видно, что обязательными компонентами порошковых бетонов являются цемент, каменная мука, СП или ГП, песок тонкий и вода, для порошково-активированных песчаных бетонов к перечисленным компонентам добавляется фракционированный песок заполнитель, к порошково-активированным щебеночным - песок заполнитель и щебень.
Развитие науки, особенно в области энергетики, космических и ядерных технологий способствует созданию новых, техногенных источников радиоактивного излучения. Они могут содержать радиоактивные вещества, полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. На Земле имеются участки территории со значительно повышенным уровнем радиационного фона, однако там не наблюдается серьёзного отрицательного воздействия радиации на здоровье населения, поскольку для них это является естественной средой [109]. Вопросы защиты от проникающей радиации приходится решать при проектировании любых медицинских учреждений: кабинетов рентгенографии, томографии, стоматологических кабинетов с наличием рентгеновского оборудования. Кроме того, ионизирующее излучение является частым спутником современных исследовательских и испытательных центров, производственных цехов и лабораторий Материалы, ограждающие людей от вредного воздействия радиации, призваны снижать её уровень до допустимых значений. Эти материалы должны обладать высокой плотностью, поскольку именно от неё главным образом зависит длина пробега радиоактивных частиц в среде распространения [109]. Хорошей защитой от радиоактивных излучений являются экраны из тяжёлых металлов, в частности свинца и свинцовых материалов. Но, надо заметить, они являются достаточно вредными для здоровья человека. Использование специальных радиационнозащитных сверхвысокопрочных бетонов для строительства защитных над атомными электростанциями входит в программу безопасности атомной энергетики.
В связи с этим была показана возможность получения особо тяжелых щебеночных бетонов по схеме (рисунок 5.3). Отличие этих бетогов состоит в том, что все компоненты от каменной муки, до песка тонкого, песка заполнителя и щебня должны быть высокой плотности. Перерасчет состава необходимо осуществлять по объемным соотношениям компонентов.
В качестве примера был разработан состав белее тяжелого бетона для утяжеления газопроводов. Исходными компонентами были: цемент Красноярский ПЦ 500 ДО, совместно домолотый с ГП Melflux, микрокремнезем в количестве 10% от массы цемента, песок молотый, песок тонкий, песок -заполнитель и круп-ный заполнитель, полученные из жадеита (р=3500кг/м ). Состав, реотехнологиче-ские показатели бетонной смеси и прочностные свойства бетона представлены в таблице 5.1.
Из табличных данных видно, что, используя в бетоне наполнители и заполнители высокой плотности, удалось получить особо тяжелый бетон с плотностью 2820 кг/м . При расходе цемента 296 кг/м бетон имел прочность 139 МПа, удельный расход при этом составил 2,13 кг/МПа! Таким образом, полученный бетон в очередной раз показывает универсальность данной рецептуры и значение реологических матриц в получении утяжеленных бетонов.
