Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные модифицированные мелкозернистые бетоны. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 13
1.1. От традиционных трехкомпонентных к модифицированным многокомпонентным мелкозернистым бетонам 13
1.2. Современные многокомпонентные модифицированные бетоны. Основные виды 14
1.3. Высокопрочные бетоны 18
1.3.1. Понятие высокопрочного бетона 18
1.3.2. Рецептурно-технологические и структурные принципы создания высокопрочных бетонов 19
1.4. Самоуплотняющиеся бетоны 33
1.4.1. Классификация самоуплотняющихся бетонных смесей 33
1.4.2. Особенности рецептуры самоуплотняющихся бетонных смесей 36
1.5. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования 42
Глава 2. Материалы и методы экспериментальных исследований 45
2.1. Применяемые материалы и их свойства 45
2.2. Методы исследований и применяемое оборудование 55
2.3. Математические методы исследования 63
Глава 3. Исследования физико-химической и реотехнологической эффективности рецептур цементных и минеральных систем для разработки модифицированных мелкозернистых бетонов из самоуплотняющихся смесей 67
3.1. Исследование реотехнологической и водоредуцирующей эффективности рецептур цементно-водных и минерально-водных суспензий для разработки самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей 67
3.1.1. Исследование водоредуцирующей эффективности поликарбоксилатного суперпластификатора в цементных суспензиях в зависимости от способа введения 67
3.1.2. Исследование водоредуцирующей и реотехнологической эффективности поликарбоксилатных суперпластификаторов в цементных, минеральных и цементно-минеральных суспензиях в зависимости от вида твердой 70
3.1.2.1. Исследование водоредуцирующей эффективности рецептур суспензий 70
3.1.2.2. Исследование реотехнологической эффективности рецептур суспензий 80
3.1.3. Исследование влияния дозировки поликарбоксилатного суперпластификатора в цементно-водных и цементно-минерально-водных суспензиях на его пластифицирующую способность 87
3.2. Исследование водопотребности природных и техногенных песков и физико-химической эффективности активных минеральных добавок в цементных системах 92
3.3. Выводы по главе 3 104
Глава 4. Экспериментально-теоретические исследования составов и физико-механических свойств модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов без карбонатного наполнителя . 107
4.1. Планирование экспериментального исследования, разработка составов модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов. 107
4.2. Разработка и исследование экспериментально-статистических моделей «состав – свойство» физико-механических характеристик модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов 116
4.3. Оптимизация рецептуры модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов 125
4.4. Выводы по главе 4 131
Глава 5. Экспериментально-теоретические исследования составов и физико-механических свойств модифицированных мелкозернистых бетонов с применением карбонатного наполнителя 134
5.1. Исследование возможности применения рядовых и низкоактивных портландцементов, карбонатного наполнителя, природных и техногенного песков в рецептуре высокопрочных модифицированных мелкозернистых бетонов 134
5.2. Исследование влияния дозировки низкоактивного портландцемента, карбонатного наполнителя, техногенного песка и активных минеральных добавок на физико-механические характеристики модифицированных мелкозернистых бетонов 137
5.2.1. Планирование экспериментального исследования, разработка составов модифицированных мелкозернистых бетонов 137
5.2.2. Разработка и исследование экспериментально-статистических моделей «состав – свойство» физико-механических характеристик модифицированных мелкозернистых бетонов 144
5.3. Выводы по главе 5 152
Глава 6. Физико-технические и гигрометрические свойства модифицированных мелкозернистых бетонов и фибробетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей при оптимизации содержания карбонатного наполнителя 155
6.1. Разработка составов модифицированных мелкозернистых бетонов и фибробетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей при оптимизации содержания карбонатного наполнителя 155
6.2. Плотность, прочностные и деформационные характеристики модифицированных мелкозернистых бетонов и фибробетонов из высоконаполнен-ных самоуплотняющихся смесей 164
6.3. Усадка модифицированных мелкозернистых бетонов и фибробетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей 173
6.4. Водопоглощение и показатели капиллярной пористости модифицированных мелкозернистых бетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей 175
6.5. Морозостойкость и водонепроницаемость модифицированных мелкозернистых бетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей. 180
6.6. Технико-экономическая эффективность внедрения модифицированных мелкозернистых бетонов и технология приготовления высоконаполненных самоуплотняющихся смесей для их получения 184
6.7. Выводы по главе 6 192
Заключение. Итоги выполненного исследования 196
Список литературы 200
Приложение 1. Акты опытно-производственного апробирования 221
Приложение 2. Справка о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс 225
Приложение 3. Патенты 227
- Рецептурно-технологические и структурные принципы создания высокопрочных бетонов
- Исследование водоредуцирующей эффективности рецептур суспензий
- Разработка и исследование экспериментально-статистических моделей «состав – свойство» физико-механических характеристик модифицированных мелкозернистых бетонов
- Технико-экономическая эффективность внедрения модифицированных мелкозернистых бетонов и технология приготовления высоконаполненных самоуплотняющихся смесей для их получения
Введение к работе
Актуальность темы. Во многих регионах Российской Федерации (Поволжье, Центральный район, север европейской части России, Западная Сибирь) ощущается недостаток или отсутствие природных запасов крупного заполнителя, что обусловило повышенный интерес к мелкозернистым бетонам и предопределило развитие исследований по изучению особенностей их структуры, технологии и свойств. Установленные в многочисленных исследованиях недостатки традиционной трехкомпонентной рецептуры (портландцемент, песок, вода) мелкозернистых бетонов (повышенный расход цемента и воды, отсутствие жесткого каменного скелета, предопределяющие высокую пористость и деформативность структуры материала и др.) способствовали разработке высокоэффективных многокомпонентных составов с широким применением различного рода модификаторов цементных систем, позволяющих получать высокопрочные композиты.
При этом до настоящего времени остаются практически не изученными вопросы получения высокопрочных мелкозернистых бетонов (классов В55 и выше) на распространенных во многих регионах РФ рядовых и низкоактивных портландцементах (ПЦ) активностью 3040 МПа. Сниженная активность ПЦ (при производстве или слеживании) требует разработки особых научно-инженерных решений по повышению прочности и трещиностойкости мелкозернистых бетонов через управление их структурой за счет создания и применения в рецептуре композитов эффективных комплексов активных минеральных добавок (АМД), тонкодисперсных реологически активных наполнителей и суперпластификаторов (СП), которое нивелирует высокую водопо-требность порошкообразного минерального компонента, снижая значение В/Ц без ущерба для реологических свойств смесей и темпа нарастания ранней прочности. Таким образом, разработка модифицированных мелкозернистых бетонов и фибробето-нов из самоуплотняющихся смесей на основе распространенных местных рядовых и низкоактивных ПЦ, мелких природных и техногенных песков является актуальным и перспективным направлением, позволяющим расширить номенклатуру и снизить себестоимость перспективных видов бетона за счет более полного использования местной минеральной сырьевой базы, решить вопросы импортозамещения и при этом сохранить высокий уровень свойств и технологичности получения композитов.
Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ №16-33-50103 «Исследование комплексного влияния активных минеральных добавок, суперпластификаторов и дисперсных волокон на формирование структуры цементного камня и свойства высокопрочных фибробетонов» и программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на выполнение НИР «Разработка составов высокопрочных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов с полифункциональными модификаторами с применением заполнителей из отходов вагонолитейного производства».
Степень разработанности темы исследования. При выполнении диссертационной работы был проведен обзор научно-технической литературы по: основным видам современных многокомпонентных модифицированных бетонов (высокопрочным, самоуплотняющимся и др.) и предъявляемым к ним нормативным требованиям; рецептурно-технологическим и структурным принципам создания высокопрочных бетонов; особенностям рецептуры и технологии самоуплотняющихся бетонных смесей (СБС); основным зависимостям, используемым при исследовании реологических и реотехно-логических характеристик СБС. Теоретическими основами работы стали исследования отечественных и зарубежных ученых: И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, В.Г. Батракова, О.Н. Болотских, В.А. Вознесенского, Л.И. Дворкина, В.С. Демьяновой, В.Т. Ерофеева, В.И. Калашникова, С.С. Каприелова, Д.Н. Коротких, В.С. Лесовика, Н.И. Макридина, Г.В. Несветаева, Ф.Н. Рабиновича, Р.З. Рахимова, В.П. Селяева,
Б.Г. Скрамтаева, В.И. Соломатова, О.В. Тараканова, А.В. Ушерова-Маршака, В.Р. Фа-ликмана, В.Л. Хвастунова, В.Г. Хозина, Е.М. Чернышова, А.Е. Шейкина, P.C. Aitcin, O. Bonneau, M.H. Cheyrezy, M. Collepardi, F. De Larrard, G. De Schutter, S.W. Forster, H. Kato, P. Kleingelhfer, E.G. Nawy, A.M. Neville, H. Okamura, M. Ouchi, K. Ozawa, P. Richard, Y.L. Voo, А. Zende и других ученых.
По результатам литературного обзора установлено, что отличительной особенностью рецептуры самоуплотняющихся тяжелых или мелкозернистых бетонов с крупными песками является повышенное содержание реологически активной суспензионной составляющей, количество которой в различных бетонах колеблется от 40 до 50%. Увеличение доли водно-дисперсной суспензии достигается введением тонкодисперсных порошков из горных пород осадочного, вулканического и метаморфического происхождения в количестве до 100150% от массы цемента, которые совместимы с известными разжижителями и являются реологически активными в смеси с цементом. Однако вопросы получения СБС с применением распространенных мелких природных кварцевых песков и обожженных формовочных песков литейного производства с модулем крупности менее 2,0 практически не изучены, особенно в малоцементных смесях с расходом вяжущего до 400 кг/м3, самоуплотнения которых невозможно достигнуть при низком водосодержании и без расслоения при указанных степенях наполнения цементных систем вследствие высокой межзерновой пустотности и водо-потребности указанных мелких заполнителей, а также низкой эффективности пластификаторов в подобных смесях вне зависимости от их дозировки. Описанные трудности требуют разработки научно-теоретических основ повышения пластифицирующей и водоредуцирующей эффективности современных разжижителей в бетонных смесях на мелких водопотребных песках, а также рекомендаций по оптимальной дисперсности и концентрации минеральных наполнителей в подобных системах для достижения их высокой подвижности при минимуме воды затворения.
Целью диссертационного исследования является разработка составов самоуплотняющихся бетонных смесей на основе модифицированных высоконаполненных цементных вяжущих, позволяющих получать мелкозернистые бетоны и фибробетоны, в том числе высокопрочные классов В55В90, на основе рядовых и низкоактивных ПЦ с активностью 3040 МПа, природных кварцевых песков и обожженных формовочных песков литейного производства с модулем крупности от 1,4 до 2,6.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ химического и минерального состава, а также физических
свойств исходных компонентов мелкозернистых бетонов, в том числе местных при
родных кварцевых песков и обожженных формовочных песков литейного производ
ства, рядовых и низкоактивных портландцементов;
-
Исследовать реотехнологическую и водоредуцирующую эффективности рецептур цементных и минеральных систем с учетом влияния вида твердой фазы (ТФ), способа введения и дозировки суперпластификаторов. Выявить наиболее эффективные портландцементы, суперпластификаторы, минеральные добавки и наполнители для повышения подвижности мелкозернистых бетонных смесей;
-
Разработать основные принципы проектирования составов самоуплотняющихся мелкозернистых и тонкозернистых бетонных смесей с карбонатным наполнителем (КН), природными и техногенными песками;
-
На основе физико-химических исследований структуры модифицированного цементного камня выявить наиболее эффективные активные минеральные добавки для повышения прочностных показателей мелкозернистых бетонов;
-
Выявить оптимальное содержание карбонатного наполнителя, суперпластификатора, комплексов активных минеральных добавок и дисперсных волокон для достижения высокой прочности модифицированных мелкозернистых бетонов (ММБ) и
фибробетонов (ММФБ) на рядовых и низкоактивных портландцементах с природными и техногенными песками;
6. Разработать составы ММБ и ММФБ, обладающие комплексом высоких физико-
технических и гигрометрических свойств, на основе модифицированных высокона-
полненных самоуплотняющихся бетонных смесей (ВСБС) с использованием рядовых
и низкоактивных ПЦ, природных и техногенных песков;
7. Определить критерии рецептурно-технологической и технико-экономической
эффективности составов мелкозернистых бетонов и разработать методологию их ко
личественной оценки. Провести критериальный анализ эффективности и опытно-
промышленное апробирование составов ММБ, а также разработать технологию при
готовления самоуплотняющихся смесей для их получения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей, в том числе дисперсно-армированных, на основе бездобавочных портландцементов при использовании водо-потребных природных кварцевых песков и обожженных формовочных песков литейного производства с модулем крупности от 1,4 до 2,6, за счет повышенного (45321% от массы ПЦ) содержания карбонатного наполнителя – микрокальцита (МКМ) и использования оптимальных комплексов минеральных (микрокремнезем, метакаолин, Пенетрон Адмикс) и пластифицирующих добавок, позволяющих обеспечить требуемый объем реологически активной суспензионной составляющей (560610 л/м3).
-
Доказана возможность получения высокопрочных мелкозернистых бетонов классов прочности на сжатие В55В90, в том числе дисперсно-армированных, из подвижных и самоуплотняющихся смесей с В/Ц = 0,290,48 на основе рядовых и низкоактивных портландцементов с активностью от 29 до 41 МПа за счет применения комплексов карбонатного наполнителя (45163% от массы портландцемента), поликар-боксилатного суперпластификатора и активных минеральных добавок (микрокремнезем, метакаолин, Пенетрон Адмикс), позволяющих снизить водосодержание смесей, повысить плотность структуры цементного камня через управление его фазовым составом и пористостью.
3. Установлен синергетический эффект при комплексном использовании разно
масштабных дисперсных волокон в виде полиакрилонитрильной фибры (ПАН) при
длине резки 12 мм (армирование на макромасштабном уровне) и модифицированной
астраленами базальтовой микрофибры (МБМ) длиной 100500 мкм и средним диа
метром 810 мкм (верхний микромасштабный уровень) в соотношении 50/50 мас. ч.,
позволяющий в присутствии метакаолина (6% от массы портландцемента) повысить
прочностные показатели модифицированных мелкозернистых дисперсно-
армированных бетонов при изгибе по сравнению с их раздельным введением.
Теоретическая значимость работы. Представленные в диссертационной работе исследования позволили:
предложить научно-обоснованный подход к разработке составов высокопрочных мелкозернистых бетонов классов В55В90 на основе рядовых и низкоактивных порт-ландцементов с активностью 3040 МПа, основанный на модифицировании структуры композитов эффективными комплексами карбонатного наполнителя, поликар-боксилатного суперпластификатора, активных минеральных добавок и дисперсных волокон;
теоретически обоснована целесообразность и необходимость использования вы-соконаполненных тонкодисперсным карбонатным наполнителем модифицированных цементных вяжущих для получения самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей на основе природных и техногенных кварцевых песков с модулем крупности 1,42,6.
Практическая значимость работы.
Разработана технология приготовления самоуплотняющихся смесей для получения ММБ и ММФБ, отличительными особенностями которой являются дискретное распределение порошкообразного суперпластификатора при его перемешивании с минеральной фазой и двухстадийное порционное водозатворение, позволяющие повысить реотехнологическую и водоредуцирующую эффективность бетонных смесей.
Разработаны рецептуры рациональных составов ММБ и ММФБ, в том числе высокопрочных классов В55В90, из самоуплотняющихся смесей на основе местных порт-ландцементов с активностью 3040 МПа, природных и техногенных песков с модулем крупности от 1,4 до 2,6.
Предложены критерии, позволяющие количественно оценить технико-
экономическую эффективность составов ММБ и ММФБ с учетом их прочностных показателей при изгибе и сжатии, подвижности бетонной смеси, расхода портландцемента, водосодержания и себестоимости составов.
Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили результаты фундаментальных и прикладных научных исследований отечественных и зарубежных ученых в области создания ММБ (высокопрочных, самоуплотняющихся); современные положения теории и практики материаловедения и технологии бетонов; общенаучные методы, базирующиеся на обобщении, экспериментальных исследованиях и анализе полученных данных.
Методическую основу диссертационной работы составляют физико-химические и физико-механические методы испытаний, статистические методы обработки, анализа и оптимизации результатов исследований. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось с применением действующих ГОСТ и современных аналитических способов определения характеристик минеральных дисперсных систем и мелкозернистых цементных бетонов, а также приборов и оборудования, прошедших поверку и удовлетворяющих требованиям действующих стандартов.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования реотехнологической и водоредуцирующей эффектив
ности рецептур цементных и минеральных систем с учетом влияния вида твердой фа
зы, способа введения и дозировки суперпластификаторов;
экспериментально-статистические модели, описывающие изменение реотехноло-гических показателей непластифицированных и пластифицированных цементных и минеральных суспензий в зависимости от их водопотребности и содержания используемых компонентов твердой фазы – бездобавочных портландцементов, порошковых поликарбоксилатных суперпластификаторов, карбонатного наполнителя и активных минеральных добавок;
принципы проектирования составов самоуплотняющихся мелкозернистых и тонкозернистых бетонных смесей с карбонатным наполнителем, природными и техногенными песками и технология их приготовления;
- результаты физико-химических исследований структуры модифицированного
цементного камня с выявлением наиболее эффективных активных минеральных доба
вок для повышения прочности мелкозернистых бетонов;
- экспериментально-статистические модели «состав – свойство» физико-
механических характеристик ММБ и ММФБ с природными и техногенными песками
при наличии и отсутствии карбонатного наполнителя и результаты их многокритери
альной оптимизации;
- составы ММБ и ММФБ из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей и
результаты исследования их физико-технических и гигрометрических свойств;
- критерии эффективности составов мелкозернистых бетонов в виде коэффициентов, представляющих собой отношения рецептурно-технологических и технико-экономических параметров исследуемого состава и соответствующих показателей стандартного контрольного состава мелкозернистого бетона.
Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечивается сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением сертифицированного и поверенного научно-исследовательского оборудования; проведением экспериментальных исследований с достаточной воспроизводимостью; применением научно-обоснованных стандартных и авторских методик испытаний, современных методов исследований (РФА, СТА), математического планирования эксперимента и статистических методов обработки результатов. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.
Апробация результатов исследований. Результаты диссертационного исследования апробированы в ООО «СМУ №1» – при усилении монолитной плиты перекрытия; в ООО «Репер» – при устройстве стяжки пола.
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль «Промышленное и гражданское строительство»), магистров по направлению 08.04.01 «Строительство» (профиль «Фундаментальные основы прогнозирования и повышения надежности, долговечности строительных материалов, конструкций зданий и сооружений») и специалистов по направлению 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» (профиль «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений»).
Основные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г. Пенза, 2015, 2017); «Актуальные вопросы архитектуры и строительства» (г. Саранск, 2016); «Высокопрочные бетоны: технологии, конструкции, экономика (ВПБ-2016) (г. Казань, 2016); «Разработка эффективных авиационных, промышленных, электротехнических и строительных материалов и исследование их долговечности в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов» (г. Саранск, 2016); «Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций» (г. Саранск, 2016); конференциях Нанотехнологического общества России (г. Москва, 2016, 2017, 2018); «Повышение надежности и безопасности транспортных сооружений и коммуникаций» (г. Саратов, 2017); «Химическая технология функциональных наноматериалов» (г. Москва, 2017); «Долговечность и надежность строительных материалов и конструкций в эксплуатационной среде» (г. Балаково, 2017); «Огарвские чтения» (г. Саранск, 2017).
Личный вклад автора состоит в разработке составов ММБ и ММФБ из ВСБС, обладающих улучшенными эксплуатационными показателями; разработке критериев эффективности мелкозернистых композитов; проведении экспериментальных исследований реотехнологической и водоредуцирующей эффективности рецептур цементных и минеральных дисперсных систем, а также основных физико-технических свойств мелкозернистых бетонов; обработке полученных результатов и разработке экспериментально-статистических моделей.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 25 научных публикациях, в том числе в 10 статьях, опубликованных в российских рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК при МОиН РФ, и 2 статьях в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и систем цитирования Web of Science и Scopus. Получены 2 патента РФ (№2649996 и 2657303) на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 228 страницах текста, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 235 наименований и 3 приложений, содержит 45 рисунков и 55 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность представителям кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарва» – заведующему кафедрой, академику РААСН, д-ру техн. наук, профессору В.П. Селяеву, ведущему инженеру В.А. Мирскому за оказанную помощь и научные консультации по отдельным разделам диссертационной работы. Автор благодарит за помощь при проведении части экспериментальных исследований канд. физ.-мат. наук, доцента В.М. Кяшкина и канд. техн. наук, доцента А.И. Родина.
Рецептурно-технологические и структурные принципы создания высокопрочных бетонов
Развитие структурного подхода применительно к проблемам прочности бетонов, установление определяющей роли структуры в процессе деформирования и разрушения бетонов от любых видов нагрузок (механических, химических, термических, влажностных и др.) получено в работах И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, В.В. Белова, Р.И. Будештского, В.А. Вознесенского, А.А. Гвоздева, С.С. Гордона, Г.И. Горчакова, И.М. Грушко, А.Е. Десова, Ю.В. Зайцева, И.А. Иванова, В.И. Калашникова, П.Г. Комохова, Д.Н. Коротких, В.С. Лесовика, Н.И. Макриди-на, В.В. Михайлова, Г.В. Несветаева, Т.А. Низиной, Ю.В. Пухаренко, И.А. Рыбье-ва, В.П. Селяева, Б.Г. Скрамтаева, В.И. Соломатова, Е.М. Чернышова, А.Е. Шей-кина, А.Ф. Щурова, F. Ansari, R. Ballarini, J.J. Beaudoin, H. Dahl, A.S. Ndumu, P.E. Petersson, J.P. Romualdi, R.N. Swamy и др.
В работах Ю.М. Баженова, Е.М. Чернышова и Д.Н. Коротких [6, 94, 182, 183] проведена систематизация существующих положений структурного подхода, в результате которой на основе выделенных парадигм и соответствующих им технологических платформ были разработаны обобщенные принципы формирования структуры цементных бетонов для обеспечения требуемого уровня их прочности и трещиностойкости. При этом были выделены основные виды технологических платформ получения оптимальных структур бетонов, опирающиеся на объем фундаментальных знаний соответствующих им наук – механофизическая платформа с опиранием на закономерности механики и физики, физико-химическая платформа с опиранием на законы физикохимии и механохимии и нанотехноло-гическая, опирающаяся на подходы и принципы наноконцепции структурообра-зования материалов. Принципы и механизмы, заложенные в перечисленных видах технологических платформ, по содержанию соответствуют определяющим парадигмам формирования структур цементных бетонов (табл. 1.1) [6, 94]:
- обеспечения повышенной плотности бетона (увеличения массы бетона в единице его объема);
- достижения оптимальной однородности-неоднородности размещения субстанциональной массы в объеме структуры;
- оптимизации содержания компонент структуры, предопределяющих меру проявления свойств упругости, вязкости, пластичности бетона при деформировании и сопротивлении его разрушению.
Приведенные парадигмы формирования структуры бетонов сопрягаются Е.М. Чернышовым с тремя концептами управления сопротивлением разрушению материалов (табл. 1.1) [184]. Первый концепт учитывает, что потенциал сопротивления разрушению, наряду со способностью трансформации внешней нагрузки во внутренние напряжения, определяется количеством и качеством физических и физико-химических связей между омоноличивающим веществом и частицами наполнителя, а также внутренними связями структурных составляющих самого омоноличивающего вещества и наполняющих частиц. Второй концепт отражает влияние меры однородности-неоднородности конгломератной структуры на формирование в материале поля внутренних напряжений, определяемого кинетикой диссипации, локализации и концентрации, величиной таких внутренних напряжений. Третий концепт отражает возможности торможения трещин за счет различий проявления реологической роли структурных составляющих материала как фактора изменения параметров энергетического баланса в зоне фронта развивающихся трещин при хрупком разрушении его конгломератной структуры.
При рассмотрении обозначенных принципов и парадигм формирования структуры в контексте высокопрочных бетонов в работах [6, 94, 182, 183] выделена центральная и определяющая парадигма, заключающаяся в обеспечении повышения однородности и плотности бетона за счет придерживания основных принципов формирования структуры (создания плотнейших упаковок системы сложения заполнителей, сокращения объема порового пространства) и применения соответствующих технологические решений по управлению механизмами структурообразования: управление зерновым составом заполнителей, применение микронаполнителей, применение ультрадисперсных наполнителей, специальных вяжущих (с компенсированной усадкой, расширяющихся, напрягающих), заполнение объема пор продуктами альтернативной системы твердения и др. (табл. 1.1).
Таким образом, в настоящее время для получения надлежащей структуры бетона и его высокой прочности необходимо выполнить ряд технологических условий, среди которых в работе [9] отмечаются (рис. 1.2):
- использование высококачественных и высокопрочных цементов и заполнителей, а также правильный гранулометрический подбор компонентов твердой фазы с возможностью исключения грубых агрегатов для повышения однородности структуры;
- высокий предельно допустимый расход цемента;
- применение высокодисперсных минеральных наполнителей с высокой пуц-цолановой активностью, комплексных добавок на основе суперпластификаторов, гиперпластификаторов, обеспечивающих, с одной стороны, снижение В/Ц до предельно низких значений, а, с другой стороны, повышение пластичности и текучести смеси;
- введение наноэлементов;
- обеспечение особо тщательного перемешивания и уплотнения бетонной смеси;
- обеспечение наиболее благоприятных условий твердения композита;
- введение дисперсных волокон для увеличения дуктильности бетонов и др.
Как известно, к материалам для приготовления высокопрочного бетона предъявляются значительно более высокие требования, чем к материалам для обычного бетона. Основным требованием при производстве высокопрочного бетона является использование чистого природного кварцевого песка или дробленого из плотных и прочных изверженных пород с модулем крупности более 2,0, а также высокопрочного крупного заполнителя из плотных горных пород с маркой по дробимости не ниже 12001400 и ограниченной крупностью его зерен (1015 мм) для обеспечения однородности структуры бетона [24].
Кроме этого, в рецептуре высокопрочных бетонов особое значение приобретает правильный выбор портландцемента, расход которого обычно является довольно высоким и составляет для бетонов с крупным заполнителем 400500 кг/м3, а для мелкозернистых (песчаных) может доходить до 600700 кг/м3. Стоит отметить, что действующий до недавнего времени ГОСТ 26633-2012 ограничивал расход цемента в высокопрочных тяжелых бетонах до значения 550 кг/м3, в высокопрочных мелкозернистых бетонах – до 750 кг/м3.
Однако, основные требования при выборе портландцемента для получения высокопрочных бетонов касаются, прежде всего, его активности. Известно [9, 24], что для достижения прочности более 80 МПа в рецептуре высокопрочных бетонов, как правило, необходимо использовать цементы активностью свыше 45 МПа, а для бетонов марок 12001500 необходима активность вяжущего свыше 50 МПа. Данное положение подтверждают действующий в настоящее время ГОСТ 26633-2015, который для бетонов класса по прочности на сжатие В60 и выше регламентирует применение портландцемента без минеральных добавок марки не ниже ПЦ 500 или класса не ниже ЦЕМ I 42,5 с содержанием C3A не более 8%.
Значимость активности портландцемента для достижения высокой прочности цементных композитов предопределило исследования по созданию специальных высокопрочных и особо быстротвердеющих цементов (свыше 6070 МПа с 5560% прочностью от нормативной на 3-е суток) в разных странах [9, 24, 38, 95, 144, 209, 219, 225]. Однако Гоуда Г. и Рой Д. еще в 70-х годах 20 века показали, что не всегда высокая прочность бетонов может быть достигнута лишь при использовании сверхактивных портланцементов. Ими продемонстрированы огромные потенциальные возможности обычных цементов, когда на рядовом цементе методом прессования был получен цементный камень прочностью до 700 МПа [206]. Результаты подобных работ подводили исследователей к пониманию того, что помимо повышенной активности цемента, основополагающим фактором в повышении прочности особого вида бетона является высокая плотность цементной матрицы.
Помимо повышения эффективности традиционных компонентов бетонных смесей (портландцемента и заполнителей) в развитии технологии высокопрочных бетонов решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования цементных систем химическими и минеральными добавками.
В соответствии с ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» и ГОСТ Р 56592-2015 «Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия», минеральные добавки в зависимости от характера взаимодействия с продуктами гидратации цемента подразделяют на два типа: активные и инертные (микронаполнители), разделение на которые, прежде всего, обусловлено наличием, степенью аморфности и кристалличности оксидов кремния и алюминия. В свою очередь в данных стандартах активные минеральные добавки подразделяют на следующие группы: обладающие вяжущими свойствами, обладающие пуццолановой активностью (высокой, средней, низкой) и обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью. В ГОСТ Р 56592-2015 выделен в отдельную группу дополнительный класс минеральных добавок – добавки, обладающие расширяющимися свойствами.
В соответствии с классификацией по Европейскому стандарту EN 206-1 минеральные добавки бывают инертными (или почти инертными), не вступающими в реакцию с гидролизной известью, и пуццолановые или с замедленной реакцией гидратации (активные добавки), которые способны связывать гидролизную известь портландцемента в гидросиликаты кальция.
В конце 80-х годов комитет 73-SBC RILEM представил свой вариант классификации минеральных кремнеземсодержащих добавок техногенного происхождения, которая выполнена по таким критериям, как пуццолановая активность и вяжущие свойства. При этом минеральные добавки поделены на 5 видов [84]: обладающие вяжущими свойствами (быстро охлажденные шлаки); обладающие вяжущими и пуццолановыми свойствами (высококальциевые золы уноса (Са 10%)); обладающие высокой пуццолановой активностью (микрокремнезем, золы рисовой шелухи); обладающие нормальной пуццолановой активностью (низкокальциевые золы уноса (СаО 10%)) и прочие (медленно охлажденные шлаки, золы гидроудаления, шлаки котелен и т.д.). Из перечисленных видов минеральных модификаторов наибольшую эффективность для рецептуры высокопрочных бетонов имеют современные высокодисперсные пуццолановые добавки, содержащие аморфный кремнезем и обладающие высокой реакционной активностью [24]: микрокремеземы конденсированные, дегидратированные метакаолины, высокодисперсные золы ТЭС с минимальным содержанием несгоревших остатков, доменные гранулированные шлаки и др.
Применение высокодисперсных активных пуццолановых добавок позволяет достигать ряд позитивных структурных эффектов, среди которых в работе [84] выделено два основополагающих. Первый из них («химический») связан с возможностью изменения качества твердой фазы, образующей скелет структуры цементного камня, путм замещения портландита Ca(OH)2 и высокоосновных гидросиликатами кальция (ГСК) типа C-S-H(II) более прочными низкоосновными ГСК типа C-S-H(I) (по Тейлору [161]): тоберморитовая группа с соотношением C/S0,9: Сa5(Si6Oi8H2) 8Н20 - C5S6H8, Сa5(Si6Oi8H2) 4Н20 - C5S6H4, Сa5(Si6Oi8H2) 2Н20 - C5S6H2; соединения, подобные волластониту с соотношением C/S=1,0…1,3: фошагит Сa4(Si03)3 (ОН)2 - C4S3H2 и ксонотлит Сa SieOn) (ОН)2 - C6S6H2. Согласно исследованиям В.В. Тимашева [163], прочность низкоосновных ГСК тоберморитовой группы, фошагита, ксонотлита достигает 13002000 МПа, что обусловлено преобладанием в них сильной ковалентной связи (Si - О). Прочность высокоосновных ГСК значительно (до 2-х раз) меньше, что связано с преобладанием в них слабой ионной связи (Са - О).
Исследование водоредуцирующей эффективности рецептур суспензий
В исследовании исходными компонентами цементных и минеральных суспензий являлись:
а) вяжущее: портландцементы ЦЕМ I 42,5Б и ЦЕМ I 32,5Б ПАО «Мордовце мент» (р.п. Комсомольский, Республика Мордовия) (Ц1 и Ц2), а также портланд цемент ЦЕМ I 42,5Б производства ПАО «Сенгилеевский цементный завод» (Ц3) (р.п. Цемзавод, Ульяновская область) по ГОСТ 31108;
б) химические добавки: суперпластификаторы Melflux 1641 F (СП 1) и Melflux 5581 F (СП 2);
в) тонкодисперсный карбонатный наполнитель для повышения содержания дисперсной фазы вяжущего – микрокальцит КМ100 (МКМ) компании ООО «Полипарк» (г. Москва); г) активные минеральные добавки: микрокремнезем конденсированный неуплотненный (МК-85) и уплотненный (МКУ-85) производства АО «Кузнецкие ферросплавы», г. Новокузнецк; высокоактивный метакаолин белый (ВМК-б) и серый (ВМК-с) производства ООО «Мета-Д», г. Днепродзержинск; гидроизоляционная добавка в бетонную смесь «Пенетрон Адмикс» (Адмикс), г. Екатеринбург.
Основные характеристики применяемых компонентов приведены в параграфе 2.1 главы 2.
В ходе проведения экспериментального исследования изготавливались не-пластифицированные и пластифицированные цементно-водные и минерально-водные суспензии. При этом изучались реотехнологические свойства не только чистых цементных суспензий, но и суспензий перечисленных минеральных добавок и карбонатного наполнителя (микрокальцита), а также бинарных суспензий (портландцемент + микромрамор).
Исследование влияния вида твердой фазы на водоредуцирующую эффективность поликарбоксилатных суперпластификаторов проводили путем регистрации изменения водопотребности непластифицированных и пластифицированных цементных, минеральных и цементно-минеральных суспензий равной гравитационной текучести с помощью минивискозимерта Суттарда. При этом водосодержание и концентрация твердой фазы суспензий подбирались с учетом достижения ими изореологического состояния, т.е. такого состояния при котором появляется свободное самопроизвольное гравитационное течение дисперсных систем под действием собственного веса с близкими показателями расплыва [72]. Для контрольной непластифицированной суспензии водоцементное и водотвердое отношения устанавливались с учетом достижения ими нормированного расплыва, равного 2931 мм, что соответствует диаметру расплыва из конуса Хегерманна (форма-конус от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4), осадке и расплыву из стандартного конуса Абрамса (ГОСТ 10181) около 280 мм, 25,5 см и 550 мм соответственно [16, 72, 74, 157].
Для приготовления пластифицированных суспензий дозировка поликар-боксилатного суперпластификатора составляла 1% (для цементных, минеральных и цементно-минеральных суспензий с микрокальцитом) и 5% от массы твердой фазы (для минеральных суспензий с микрокремнеземом, метакаолином и «Пене-трон Адмикс», в силу их повышенной водопотребности и способности оказывать угнетающее действие на суперпластификаторы). Учитывая, что абсолютно равнозначные расплывы с непластифицированными суспензиями на пластифицированных системах получить практически невозможно (в силу лавинообразного структурно-механического перехода от твердообразного состояния к жидкообразному при добавлении очень малого количества воды), значения во всех случаях были выше контрольных (в условном интервале 3040 мм – для одинарных суспензий активных минеральных добавок (микрокремнезема, метакаолина и «Пенетрон Адмикс»; 4550 мм – для одинарных цементных и минеральных суспензий с микрокальцитом; 5060 мм – для двойных цементно-карбонатных суспензий («портландцемент – микрокальцит»)), что шло в «запас» реологии суспензий.
На следующем этапе исследования рассчитывались водоредуцирующие эф фекты ( ) и величины объмной концентрации твердой фазы ( ) суспензий со гласно формулам (2.2) и (3.2). Стоит отметить, что водоредуцирующий эффект зависит не только от эффективности применяемых суперпластификаторов, харак теризуемой степенью разжижения цементных и минеральных суспензий в при сутствие СП, но и от водопотребности минеральных компонентов для достижения контрольных значений расплывов суспензий без СП. Поэтому, чем больше воды требуется для растекания непластифицированной цементной или минеральной суспензии при одном и том же показателе расплыва с суперпластификатором, тем больше будет водоредуцирующий эффект от применения разжижителя в силу необходимости дополнительной компенсации повышенной водопотребности портландцемента или другого минерального компонента.
Остановимся подробнее на реотехнологических исследованиях отдельных групп суспензий – одинарных цементных и минеральных, а также двойных цементно-карбонатных (портландцемент + микрокальцит). На первом этапе были проведены исследования по оценке водоредуцирующей эффективности поликар-боксилатного суперпластификатора Melflux 5581 F в суспензиях активных минеральных добавок в изореологическом состоянии – микрокремнезема конденсированного неуплотненного (МК-85) и уплотненного (МКУ-85), высокоактивного метакаолина белого (ВМК-б) и серого (ВМК-с), гидроизоляционной добавки «Пе-нетрон Адмикс» (Адмикс). Результаты представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.1.
Как видно из таблицы 3.2, активные минеральные добавки пуццоланового и гидроизоляционного типа (микрокремнезем, метакаолин, «Пенетрон Адмикс») обладают загущающим эффектом, о чем свидетельствуют низкие показатели объ емной концентрации твердой фазы непластифицированных минеральных суспен зий на границе гравитационной растекаемости = 24,234,8% при высоком их водосодержании В/Т = 0,6751,35. Согласно работе [72] такие дисперсные систе 73 мы стоит относить к слабо- и умеренноконцентрированным cо сниженным объе мом твердой фазы ( 50%).
Незначительно изменяется картина и при введении в минеральные суспензии микрокремнезема, метакаолина и добавки Адмикс поликарбоксилатного СП Melflux 5581 F. Даже при повышенных его дозировках (5% от массы твердой фа 74 зы) данные минеральные компоненты плохо разжижаются в суспензиях, о чем свидетельствуют относительно невысокие значения водоредуцирующего показа теля ( = 1,171,92 отн. ед.). При этом значения объемной концентрации твер дой фазы повышаются на 11,157,1% до показателей = 31,845,7%. Отдельно следует остановиться на реотехнологических характеристиках сус пензий с добавкой Адмикс, для которых зафиксировано наиболее низкое значение водоредуцирующего показателя = 1,17 отн. ед. Низкий уровень исследуемого показателя может быть обусловлен формирующимися при взаимодействии с водой новообразованиями гидросульфоалюминатов и гидрокарбоалюминатов кальция (3CaOAl2O33CaSO431H2O (эттрингит) или 3CaOAl2O3CaSO412H2O и гид-рокарбоалюминатов кальция состава 3СаОAl2О33СаСО311Н2О), установленных по результатам РФА (глава 2) компонентов добавки (монокальциевого алюмината СаОAl2O3, диалюмината кальция СаО2Al2O3, полугидрата гипса CaSO40,5H2O, клинкерных минералов C3S и С3А, а также Са(ОН)2), что подтверждается данными работы [86]. Приведенный химико-минералогический состав добавки Адмикс с повышенным содержанием алюминатов кальция предопределяет резкое снижение реотехнологической и водоредуцирующей эффективности поликарбоксилат-ных СП в таких системах. Исключительно высокая гидратационная активность описанных минералов и образование в результате реакций гидратации фаз с высоким содержанием кристаллизационной воды способствуют объемному захвату частиц СП в твердеющую структуру гидратов и перекрыванию зон стерических эффектов разжижителя. Высокая скорость фазообразования в присутствии СП со снижением объема свободной воды в системе способствуют изменению ионного состава жидкой фазы, усилению коагуляционных процессов и, тем самым, снижению текучести суспензий. При этом «жидкая» стадия сохраняется в течение нескольких десятков секунд, после чего суспензии загустевают. Поэтому для повышения реологической и водоредуцирующей способности поликарбоксилатных суперпластификаторов в подобных системах целесообразно применение веществ, замедляющих быструю гидратацию присутствующих в составе реакционно активных минералов при дефиците жидкой фазы.
Разработка и исследование экспериментально-статистических моделей «состав – свойство» физико-механических характеристик модифицированных мелкозернистых бетонов
На первом этапе по результатам исследований, представленным в параграфе 5.2.1, разрабатывались экспериментально-статистические (ЭС) модели «состав – свойство» прочностных показателей ММБ при изгибе ( изг) и сжатии ( сж) в возрасте 7 и 28 суток от основных рецептурных параметров - расхода низкоактивного портландцемента Ц2 (Ц), водоцементного (В/Ц) и цементно-водного (Ц/В) отношений. При этом зависимости «расход портландцемента - прочностной показатель» и «цементно-водное отношение - прочностной показатель» задавались в виде многочлена первой степени, а зависимость «водоцементное отношение -прочностной показатель» - в виде многочлена второй степени: где ,, - исследуемые прочностные характеристики при изгибе ( изг) и сжатии ( сж) ММБ в возрасте 7 или 28 суток; , , , , , , с - эмпирические коэффициенты; Ц - расход портландцемента; В/Ц, Ц/В - водоцементное и цементно-водное отношения соответственно.
Стоит отметить, что вид полиномиальных уравнений (5.2), (5.3) и (5.4) (линейный, квадратичный и др.) выбирался с учетом обеспечения высокого значения коэффициента детерминации (величины достоверности аппроксимации) разрабатываемых ЭС-моделей на уровне R2 0,85. При этом на начальном этапе исследований проводился анализ используемых для расчета прочности бетона при сжатии известных уравнений Соломатова (5.5), Графа-Беляева (5.6) и Боломея-Скрамтаева (5.7), обобщенных в работе [159]: где прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут, МПа; б, , , , - эм пирические коэффициенты; ц активность цемента; Ц - расход цемента; В/Ц, Ц/В - водоцементное и цементно-водное отношения соответственно.
Корреляционные зависимости «расход портландцемента - прочностной показатель», «водоцементное отношение - прочностной показатель» и «цементно-водное отношение - прочностной показатель» представлены на рис. 5.2. Коэффициенты полиномиальных уравнений (5.2), (5.3) и (5.4) приведены в табл. 5.8.
На втором этапе осуществлялась разработка экспериментально-статистических моделей зависимости исследуемых физико-механических характеристик мелкозернистых бетонов (плотности в нормальных влажностных условиях в возрасте 28 суток, пределов прочности при изгибе и сжатии в возрасте 7 и 28 суток) от содержания активных минеральных добавок МК ( ), ВМК ( ) и Адмикс ( ) (смесь I) с учетом дозировок карбонатного наполнителя МКМ ( ) (компонент II) и техногенного песка П4 ( ) (компонент III).
Данные модели задавались в виде приведенного полинома MICIICIIIQ «смесь I, компонент II, компонент III – свойство» («mixture I, component II, component III – quality»): , , , , , – коэффициенты полиномиального уравнения (i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3; z = 1, 2); , , , , – варьируемые факторы в кодированных величинах (табл. 5.3, 5.4, 5.5), отн. ед.
Приведенный полином (5.8) для описания модели MICIICIIIQ представляет собой многочлен третьей степени относительно трех линейно связанных факторов , задающих смесь I – активные минеральные добавки, и двух линейно не свя занных факторов и , соответствующих дозировкам карбонатного наполните ля (компонент II) и техногенного мелкого заполнителя (компонент III). Коэффициенты регрессии (5.8) имеют четкий физический смысл: каждый из 18-ти коэффициентов , , , , , численно равен величине свойства композита , содержащего одну ( , , ) или пару ( , , ) минеральных добавок; при этом коэффициенты , , , оценивают изменение исследу емой характеристики с учетом содержания карбонатного наполнителя ( и ) и техногенного мелкого заполнителя ( и ).
Перед решением задач по данным моделям выполнялся их полный статистический регрессионный анализ методом наименьших квадратов. Все этапы регрессионного анализа проводились с применением компьютерных технологий в виде разработанной оболочки в программе Microsoft Excel. В результате статистической обработки полиномиальных моделей (5.8) были получены коэффициенты уравнений регрессии, отражающих связь между исследуемыми свойствами композитов и содержанием варьируемых факторов (табл. 5.9).
По уравнению 5.8 и данным таблицы 5.9 были построены графические зависимости в виде треугольных диаграмм Гиббса-Розебома, устанавливающие влияние относительного содержания трех видов минеральных добавок (МК (v±), ВМК (v2) и Адмикс (v3)) на исследуемые физико-механические характеристики. С этой целью из модели yOi, v2,v3; i; 2) (MiCnCmQ) (5.8) были выделены модели «смесь I (минеральные добавки) - свойство» (y(ylt v2,v3); MiQ) при фиксировании рецептурных факторов х± и х2 с учетом уровней их варьирования (табл. 5.5). В результате для каждого физико-механического показателя получено по 9 тре угольных диаграмм Гиббса-Розебома в виде двумерных карт линий уровня (рис. 5.3, 5.4, 5.5) с использованием программы Statistica 10.0.1011.
На заключительном этапе экспериментального исследования методами компьютерной графики для каждой исследуемой физико -механической характеристики производился синтез вторичных моделей y(vi v2 vz) с целью формирования обобщенных систем yOi, v2lv3;x1;x2), представляющих собой дискретный набор 9 треугольников «минеральные добавки - свойство», имеющих соответствующее местоположение в системе координат х±х2. При этом с учетом содержания карбонатного наполнителя (хх) и техногенного песка (х2) массив треугольников y(vi v2 vs) делился на три группы (рис. 5.3, 5.4, 5.5), представленных в параграфе 5.2.1: группа 1 (хг = -1, 0, +1 и х2 = -1), группа 2 (хг = -1, 0, +1 и х2 = 0), группа 3 (o = -1, 0, +1 и х2 = +1).
Технико-экономическая эффективность внедрения модифицированных мелкозернистых бетонов и технология приготовления высоконаполненных самоуплотняющихся смесей для их получения
Многочисленность составов бетонов приводит к необходимости разработки критериев их эффективности и оптимальности. Практика допускает применение разнообразных простых и комплексных, физико-механических, технических, экономических и технико-экономических критериев оптимальности (удельный расход ресурса, отношение удельного расхода ресурса к показателю свойства бетона, удельный стоимостной показатель и др. [55]). В работах [39, 79, 127] в качестве одного из основных критериев эффективности бетона используется обобщенный технико-экономический показатель - удельный расход цемента ( ) на единицу прочности бетона при сжатии ( )
Это обусловлено стремлением повышения эффективности составов через минимизацию расхода цемента как определяющего себестоимость компонента бетонной смеси [127].
В зависимости от значений данного показателя пензенской школой бетоно ведения под руководством В.И. Калашникова [39, 79] принята следующая классификация бетонов: бетоны старого поколения при ( ) г/ бетоны переходного поколения при г/ и бетоны нового поколения при г/
На наш взгляд, несмотря на простоту и эффективность, приведенный показатель требует некоторого уточнения и доработки, так как в данном случае не учитывается одна из основных характеристик вяжущего - его активность. Например, состав высокопрочного бетона прочностью 150 МПа при расходе портланд цемента 600 кг/м3 с активностью 55 МПа согласно данному показателю будет относиться к бетонам нового поколения ( ), а аналогичный состав бетона прочностью 85 МПа с портландцементом активностью 30 МПа – к бетонам старого поколения ( ).
Эффективность составов как высокопрочных, так и рядовых бетонов, по нашему мнению, необходимо оценивать с позиции полноты использования так называемого «рецептурного потенциала» при применении той или иной высокоэффективной технологии изготовления, укладки и твердения композитов. В большей степени это положение можно отнести к раскрытию возможностей вяжущего (портландцемента) в силу его огромного потенциала как основного структурообразующего компонента в бетонах, особенно мелкозернистых. На наш взгляд, тот состав, который за счет оптимальных технологий наиболее полно использует первоначальные рецептурные возможности (вяжущего, мелкого заполнителей, наполнителей, добавок и т.д.) и следует относить к эффективным составам.
Сравнение разнообразных составов мелкозернистых композитов предлагается осуществлять на основе критериев их эффективности, представляющих собой отношение рецептурно-технологических и технико-экономических параметров исследуемого состава и соответствующих показателей стандартного контрольного состава мелкозернистого бетона при оценке активности используемого портландцемента по ГОСТ 310.4-81. При этом предлагается 4 базовых критерия эффективности с учетом влияния основных факторов – прочностных показателей композитов при изгибе и сжатии, подвижности бетонной смеси, расхода портландцемента и водосодержания составов, экономических затрат:
1. Критерий эффективности состава по прочности с учетом использования рецептурного потенциала используемого портландцемента (его активности и расхода) (отн. ед.) где прочность при сжатии в возрасте 28 суток мелкозернистого бетона ис следуемого состава, МПа; сГжОСТ прочность при сжатии в возрасте 28 суток мелкозернистого бетона стандартного контрольного состава по ГОСТ 310.4-81 (активность используемого портландцемента), МПа; Ц расход портландцемента на 1 м3 бетонной смеси исследуемого состава, кг; ГОСТ расход портланд цемента на 1 м3 бетонной смеси стандартного состава по ГОСТ 310.4-81, равный 530 кг (на приготовление 1 м3 цементно-песчаного раствора для определения активности используемого портландцемента).
Данный критерий эффективности является доработанным аналогом показателя (6.7) при учете активности используемого портландцемента, что дает возможность анализа эффективности состава по полноте раскрытия рецептурного потенциала и возможностей вяжущего при его влиянии на прочность композита.
С учетом того, что основная масса высокофункциональных и высокопрочных составов с низкими значениями показателя (6.7) была получена с применением портландцементов активностью 5055 МПа, упомянутая выше классификация бетонов [39, 79] примет вид K1 1,35 – бетоны «старого поколения», K1 = 1,352,0 – бетоны «переходного поколения», K1 2,0 – бетоны «нового поколения».
2. Критерий эффективности состава по трещиностойкости (отн. ед.) где изг прочность при трехточечном изгибе в возрасте 28 суток мелкозернистого бетона исследуемого и стандартного контрольного (ГОСТ 310.4) составов, МПа; , сГжОСТ что и в формуле (6.8), МПа.
Стоит отметить, что согласно данным работ [40, 94] для мелкозернистых бе тонов разных структурных групп по прочности при сжатии отношение изг , как правило, не превышает 0,150,17. При армировании мелкозернистых компо зитов на разных масштабных уровнях их структуры стальной, базальтовой и угле родной фиброй [25, 40, 94] отношение пределов прочности при изгибе и сжатии ( изг ) для наиболее передовых составов может превышать 0,250,3 отн. ед. Принимая с учетом данных таблицы 2 ГОСТ 10178-85 отношение = 0,110,15, критерий эффективности по трещиностойкости мелкозернистых бетонов не превысит 1,41,5 отн. ед., а для указанных со ставов фибробетонов может достигать = 1,72,7 отн. ед. и более.
3. Критерий реотехнологической эффективности состава с учетом его водо содержания (для подвижных составов) (отн. ед.) где распл диаметр расплыва из конуса Хегерманна (форма-конус от встряхива ющего столика по ГОСТ 310.4) мелкозернистой бетонной смеси исследуемого состава, мм; р ас п л диаметр расплыва из конуса Хегерманна мелкозернистой бетонной смеси стандартного контрольного состава по ГОСТ 310.4, равный в среднем 110 мм (106115 мм); В водосодержание 1 м3 мелкозернистой бетон ной смеси исследуемого состава, л; водосодержание 1 м3 мелкозер нистой бетонной смеси стандартного контрольного состава по ГОСТ 310.4, равное 212 л при / ГОСТ = 0,4 и ГОСТ = 530 кг/м3.
Предлагаемый критерий отражает реотехнологическую эффективность использования воды затворения в составах, позволяющую обеспечивать высокие показатели текучести бетонных смесей при сниженном их водосодержании.
Согласно рекомендациям НИИЖБ [142], при применении суперводоредуци рующих добавок и крупных песков (с модулем крупности Мкр = 2,5) рекомендуемый расход воды для получения мелкозернистых бетонных смесей с осадкой стандартного конуса (по ГОСТ 10181-2014) 1620 см (марка П4 по ГОСТ 7473 2010) составляет 240 л/м3, при этом по данным работы [16] указанному диапазону осадки конуса соответствует показатель диаметра расплыва из конуса Хегерманна (по ГОСТ 310.4-81), равный в среднем 220230 мм. Таким образом, с учетом распл = 110 мм / 212 л = 0,52 мм / л, для мелкозернистых бетон ных смесей с маркой по подвижности П4 принятый критерий реотехнологической эффективности составит = 1,81,85 отн. ед.
Стоит отметить, что с увеличением значений показателей (6.8), (6.9) и (6.10) эффективность состава повышается.
Численные значения технико-технологических коэффициентов эффективно сти , и разработанных составов ММБ и ММФБ из высоконаполненных самоуплотнящихся смесей (табл. 6.4) представлены в таблице 6.13. При этом с це лью сравнительного анализа в указанной таблице также приведены аналогичные показатели ( , и ) составов высококачественных модифицированных мел козернистых цементных композитов, разработанных другими авторами и пред ставленных в работах [40, 83, 94, 101, 157, 191].