Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические предпосылки получения бетонов нового поколения с новой рецептурой и топологической структурой и практический опыт производства высококачественных бетонов и фибробетонов для строительства
1.1. Опыт производства высококачественных бетонов в России и за рубежом 10
1.2. Теоретические предпосылки создания многокомпонентных бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности 18
Глава 2. Исходные материалы, методы исследований, приборы и оборудование 30
2.1. Характеристика сырьевых материалов 30
2.2. Методы исследований, приборы и оборудование 34
Глава 3. Реотехнологические характеристики порошковых бетонных смесей и порошковые бетоны на их основе 41
3.1. Топологическая структура порошковых бетонов, порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов нового поколения 41
3.2. Особенности реологии высокопластифицированных порошковых смесей 50
3.3. Влияние вида и дозировки гиперпластификатора на растекаемость реакционно-порошковых смесей и свойства бетонов 56
3.4. Влияние содержания микрокремнезема на повышение прочности реакционно-порошковых бетонов 64
Выводы по главе 3 70
Глава 4. Физико-технические свойства реакционно-порошковых фибробетонов и особенности топологической структуры порошково-активированных бетонов /3
4.1. Особенности выбора рационального диаметра фибры с учетом топологии при размещении ее. Свойства высокопрочных фибробетонов 76
4.2. Влияние углеродных волокон на прочность порошкового бетона с микрокремнеземом 86
4.3. Влияние тонкости помола кварцевого песка и качества его на проч-ностные свойства порошкового бетона 89
4.4. Капиллярная усадка порошковых бетонов и влияние на ее масштаб-ного фактора 96
4.5. Соотношение компонентов в порошково-активированных бетонах нового поколения различной прочности в зависимости от объема реологических матриц 107
Выводы по главе 4 120
Глава 5. Экономические критерии строительства из высокопрочного и особовысокопрочного бетона и перспективы использования реакционно-порошковых сухих бетонных смесей в строительстве 122
5.1. Экономические показатели РПБ и экономические критерии строительства из высокопрочного и особовысокопрочного бетона 122
5.2. Перспективы использования реакционно-порошковых сухих бетонных смесей в строительстве 129
Выводы по главе 5 136
Основные выводы и рекомендации 136
Библиографический список 138
- Опыт производства высококачественных бетонов в России и за рубежом
- Характеристика сырьевых материалов
- Топологическая структура порошковых бетонов, порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов нового поколения
- Особенности выбора рационального диаметра фибры с учетом топологии при размещении ее. Свойства высокопрочных фибробетонов
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ технико-экономического сравнения бетонов по показателю удельного расхода цемента Ц^д, производимых в России, свидетельствует о больших расходах цемента как для тяжелых бетонов классов В15- В40, так и для В50-В60, равных Ц^д = 8-12 кг/МПа. Если
говорить о пластифицированных бетонах классов В70-В80 с современными гиперпластификаторами (ГП), которые выпускаются эпизодически, то
удельных расход хотя существенно снижается до Ц^д = 6-7 кг/МПа, но
значительно уступает по расходу цемента в бетонах развитых стран.
Причина таких перерасходов цемента связано с использованием устаревших рецептур бетонов, в которых не могут полностью реализоваться пластифицирующие свойства ни слабых, ни средних, ни сильных суперпластификаторов (СП), ни гиперпластификаторов (ГП) всех поколений, из-за малого содержания дисперсной фазы. Исходя из положений физикохи-мии и реологии минеральных дисперсных систем реализация высоких пластифицирующих свойств суперпластификаторов, как анионактивных дис-пергаторов, возможна только в дисперсных системах, максимальный размер частиц дисперсной фазы которых, по крайней мере, не превышает ЮОмкм. К таким системам относится цементные суспензии или композиционные цементно-минерально-водные дисперсии, являющиеся реологической матрицей порошковых бетонов. Порошковые бетоны - это самые прочные бетоны будущего, в которых отсутствуют большие поверхности раздела между цементирующей матрицей и заполнителем и наполнителем. Они к сожалению не осваиваются в России, как особые специфические бетоны для создания более эффективных фибробетонов. В бетонных смесях для песчаных и щебеночных бетонов нового поколения пластифицирующей матрицей служит порошковая тонкозернисто-дисперсная минерально-цементная смесь, в которую с недостатком помещены песчаные или песча-но-щебеночные заполнители оптимальной гранулометрии. Объем порошковой или реакционно-порошковой матрицы в различных бетонах нового поколения заполнителей должно быть не менее 45-65%. В такой матрице в присутствии СП и ГП осуществляется структурно-топологический переход из состояния геля в состояние золя за счет иммобилизации свободной воды из межагрегатного (межкластерного) пространства и перехода части физически-связанной (адсорбционной) воды в свободное состояние.
Снижение избытка воды в водно-цементно-минеральной матрице -стратегическое направление в приближении прочности затвердевшей матрицы к прочности мелкого и крупного заполнителя, к получению, как бетонов с классами по прочности В15-В60, так и высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов классов В80-В160 с Ц^д <5 кг/МПа. Концепция снижения расхода цемента в полной мере соответствует глобальной стра-
тегии уменьшения эмиссии углекислого газа при производстве портландцемента, которая оценивается в количестве более 5% от всех выбросов С02 в мире.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка составов тонкозернисто-дисперсных цементно-минеральных предельно концентрированных реологических матриц, исследование и оптимизация топологической структуры и реотехнологических свойств и подбор составов бетонов нового поколения на их основе с оценкой основных физико-технических показателей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить влияние соотношения цемента и микрокварца при равных
дисперсностях на растекаемость разжиженных цементно-песчаных суспен
зий, в том числе с добавками микрокремнеземов, при максимальной кон
центрации твердой фазы и высоком водоредуцировании;
получить порошковые и реакционно-порошковые предельно-наполненные бетонные смеси с низким пределом текучести и вязкостью, обеспечивающие саморастекание их при испытании на различных реотехнологических приборах;
оценить топологические параметры порошковых бетонов на кварцевых наполнителях, разработать реологические критерии оценки смесей с ГП и установить влияние дисперсности компонентов на формирование высокой текучести;
исследовать значение процедуры введения компонентов, параметров перемешивания на текучесть и формирование прочности;
исследовать влияние пуццоланических добавок МК и высокодисперсных наносиликатов, термически-активированных диатомитов в малых и повышенных количествах на формирование прочности и другие физико-механические свойства реакционно-порошкового бетона; установить пределы высокой прочности при оптимизации всех параметров;
исследовать порошковые бетонные смеси с дисперсным армированием стальной фиброй и микрофиброй, углеродной фиброй из отходов производства и их комбинацией на изменение реологических свойств; выявить оптимальные структурно-топологические параметры размещения фибры в теле бетона из порошковых смесей; установить пределы высокой прочности при различном содержании фибры.
установить закономерности изменения в соотношении компонентов и реологических критериев для порошково-активированных щебеночных бетонов различных марок;
осуществить ТЭО эффективности новых видов бетонов.
Научная новизна работы. Систематизированы составы бетонов высокой прочности по рецептуре и топологической структуре.
Обосновано с позиций физико-химии и реологии предельно-разжиженных, предельно-наполненных пластифицированных водно-дисперсных систем, кардинальное изменение состава и топологической структуры бетонных смесей, с преобразованием их состава от 4-5 компонентного к 7-8 компонентному, с низким пределом текучести за счет добавления высокодисперсных и тонкозернистых компонентов.
Выявлено, что в многокомпонентных тяжелых песчаных и щебеночных бетонах нового поколения необходимыми компонентами добавляемыми к цементу, являются тонкодисперсный порошок (микрокварц, молотые плотные известняки и др.) с удельной поверхностью 300-400 м /кг и тонкозернистый песок фракции 0,1-0,6 мм, которые замещают часть реологически-неактивных заполнителя и щебня и в присутствии гиперпластификаторов образуют с цементом в бетонных смесях реологически-активную матрицу с низким пределом текучести.
Разработана классификация реологических матриц и разделения их на 3 вида по степени дисперсности: для порошковых бетонов, для песчаных мелкозернистых бетонов и для щебеночных бетонов. Выявлено объемное содержание матриц в некоторых песчаных и щебеночных бетонах различных марок. Показано назначение матриц: реологическая водно-дисперсная матрица первого рода является высокодисперсной и основной, обеспечивая перемещение тонкозернистых частиц песка в порошковом бетоне, дисперсно-зернистая матрица второго рода - перемещение частиц песка-заполнителя в мелкозернистом песчаном бетоне, а совмещенные матрицы первого и второго рода образуют матрицу третьего рода для свободного перемещения зерен щебня в щебеночном бетоне. Необходимое объемное содержание каждой матрицы предопределяется оптимальной топологией и условными реологическими критериями.
Показано, что водно-дисперсно-зернистая пластифицированная реологическая матрица второго рода при оптимальном соотношении компонентов при предельной концентрации твердой фазы является порошковой бетонной смесью для высокопрочных, а при введении реакционно-активной добавки микрокремнезема - особовысокопрочных бетонов.
Исследованы реотехнологические свойства порошковых бетонных смесей в зависимости от дисперсности молотого песка, вида ГП и СП, вида и количества МК и фибры, времени твердения.
Исследованы физико-технические свойства особовысокопрочных порошковых бетонов и фибробетонов: прочностные показатели, водопогло-щение, морозостойкость, усадка, набухание.
Впервые установлены закономерности изменения в соотношении компонентов и реологических критериев для 2-х составов щебеночных бетонах малоцементного и с повышенным расходом цемента.
Практическая значимость работы. Разработан состав малоцементного щебеночного бетона марки 600 со сниженными расходами цемента в бе-
тоне в 2,0 раза за счет трансформации топологической структуры и оптимизации соотношения между компонентами.
Разработан состав высокопрочного щебеночного бетона М 1500 с низким удельным расходом цемента на единицу прочности Ц^д =3,2 кг/МПа
со снижением дорогостоящего привозного щебня и среднего и крупного песка.
Разработаны составы порошковых бетонов и фибробетонов с МК с прочностью 160-200 МПа с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Использование такого бетона в сжатых стойках, трубах и трубчатых элементах, шахтах лифтов, лотках, в дорожных плитках и в отделочных плитках позволяет в 2-2,5 раза снижать расход бетона, а вместе с тем практически уменьшать в такое же количество раз цемента, песка и добавок.
Выпущена опытная партия фибробетона для покрытий нагруженных полов промышленного здания с уменьшением стоимости одного квадратного метра в 4 раза по сравнению с полимерными покрытиями сходных физико-технических характеристик. Разработаны составы дисперсно-армированного фибробетона с прочностью на сжатие 150 МПа, они прошли промышленную апробацию при изготовлении ажурных заборов под чугунное литье. Разработаны составы бетона с прочностью на сжатие 180 МПа, они прошли промышленную апробацию в ООО «Новые технологии строительства» г.Красноярск изготовлены отделочные фасадные панели с уменьшением стоимости 1 м3 в 3 раза по сравнению с керамогранитными панелями.
Степень достоверности. Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами, полученными автором в результате проведения многочисленных экспериментов с использованием вычислительной техники и анализами структуры: микроскопическим методом. Методика проведения исследований и результаты выполненных расчетов достаточно корректны. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных и особовысокопрочных порошковых бетонов Ml200-1600 и фибробетонов М 1800-2000 как с пуццоланической добавкой микрокремнезема, термически-модифицированного диатомита, а при использовании высокодисперсной водно-минерально-цементной смеси, превращающейся под действием гиперпластификатора в реологически-активную высококонцентрированную дисперсную систему с высокой текучестью;
принципы формирования структурной топологии дисперсно-зернистых смесей с изменяющимся и оптимизированным соотношением для каждого вида бетонов при порошковой активации их состава с переходом це-
ментирующих водно-цементных дисперсий в смешанные композиционные водно-цементно-порошковые дисперсии. Принципы превращения бетонов старого четырехкомпонентного состава (цемент, песок, щебень, вода) или пятикомпонентного бетонов переходного состава (песок, цемент, щебень, вода, супер- или гиперпластификатор) в многокомпонентные бетоны нового поколения (цемент, дисперсный наполнитель, очень тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм, мелкий, крупный заполнитель, гиперпластификатор, вода);
- экспериментальные исследования реотехнологических свойств дисперсий, порошковых бетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов, изучения физико-технических и гигрометрических свойств.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийских и Международных НТК: «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г.Пенза, 2006, 2008, 2009 гг.), «Композиционные строительные материалы. Теории и практика» (г.Пенза, 2007, 2009, 2010 гг.), «Актуальные вопросы строительства» (г.Саранск, 2009 г.), IV Академические чтения (г.Казань, 2010 г.). Статьи были опубликованы в журналах «Строительные материалы» (2009 г.) и Вестник отделения строительных наук (Москва-Иваново, 2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 24 работы. В журналах по перечню ВАК РФ - одна работа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 124 наименований. Изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 24 таблицы.
Опыт производства высококачественных бетонов в России и за рубежом
Последние десятилетия XX и первое десятилетие XXI века ознаменовался значительными исследованиями в области получения бетонов нового поколения. Под бетонами нового поколения понимают высокофункциональные бетоны по определению канадского ученого П.К. Айчина, сформулировавшего это понимание в 1986 г. (High Performance Concrete — НРС). Такие бетоны, с одной стороны, обладают множеством функций (до 10-12), с другой стороны, эти функции являются чрезвычайно высокими. Они отличаются высокими прочностными показателями при действии всех видов нагрузок, трещиностоикостью, водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью ко многим видам газовых и жидких ингредиентов, низкой ползучестью и усадкой и т.п. Такие бетоны являются многокомпонентными для достижения очень высокой плотности, которая определяет указанные высокие функции бетонов.
По существу, являются технологиями 21 века [1,2] таких бетонов, как указывает Ю.М. Баженов [3], должны быть ресурсосберегающими и энергосберегающими. В XXI веке такие бетоны достигнут прочности на сжатие не менее 200МПа, хотя в лабораториях созданы бетоны более 400-500 МПа [3,4].
Технология бетонов нового поколения является наукоемкой и реализует в себе все передовые достижения современного бетоноведения [6,7], позволяющие достигнуть высоких значений плотности и прочности.
Бетоны с высокой прочностью начали разрабатываться в России М.Н. Ахвердовым [8], Михайловым В.Б. [9,10], Михайловым КБ. [10,11,12]. Но высокопрочные бетоны того периода не могли быть изготовлены из литых и высокопластичных бетонных смесей и имели целый ряд дефектов, обусловленных недоуплотнением. И, хотя, появились эффективные суперпластификаторы (СП) на нафталиновой и меламиновой основе, рецептура бетонов была четырехкомпонентной и бетонные смеси не могли быть предельно разжижены и высокоредуцируемы.
Баженов Ю.М. с сотрудниками [13,14] первый предложил изменять рецептуру щебеночных и мелкозернистых бетонов и изготавливать их малощебеночными со значительным добавлением к цементу дисперсных наполнителей, определяющих эффективность пластифицирования бетонных смесей с помощью СП С-3. Именно такое изменение рецептуры с введением тонкодисперсных компонентов позволило получить высококачественный тонкозернистый бетон [13] и многокомпонентный мелкозернистый бетон [14], определяющие высокую долговечность [15] и экономичность пластифицированных бетонов. К сожалению, отсутствие производства чистых дисперсных наполнителей не позволило широко реализовать разработки.
Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе, теорией расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали отечественные и зарубежные ученые А.А. Гвоздев, Ю.М. Баженов, Г.И. Бердичевский, В.Н. Банков, В.В. Бабков, О.Я. Берг, В.М. Бондаренко, И.В.Волков, Ю.В. Зайцев, Б.А. Крылов, Л.Г. Курбатов, Э.Б. Колбаско, И.А. Лобанов, К.В. Михайлов, Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, Л.А. Малинина, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, Б.Г. Скрамтаев, Т.К. Хайдуков, М.М. Холмян-ский, Ф.И. Янкелевич, В.И. Харчевников, Е.М. Чернышев и зарубежные ученые А. Келли, А.И.М. Спейсер, Д.П. Ромуальди, И.А. Мэндель, К.Д. Джонсон, Р.А. Колеман, С. Томас, X. Крепхель, В. Рилей, Д.И. Хеннент, Г. Креп-дель, В. Лос, Г. Лилхолт, М.Р. Пигготт, П.С. Мэнгат, Б.Б. Бруме, Э. By, Г.С. Холистер, СТ. Милейко, Дж. Купер и др.
Высокие темпы строительства жилых и промышленных зданий с новыми уникальными архитектурными формами, возведение специальных особо нагруженных сооружений, таких как большепролетные мосты, небоскребы, морские нефтяные платформы, резервуары для хранения газов и жидкостей под давлением и др., потребовали разработки новых эффективных бетонов [17, 15, 16, 18, 19, 20]. К числу таких бетонов относится дисперсно-армированный высокопрочный фибробетон [21, 22]. Дисперсное фибровое армирование позволяет компенсировать главные недостатки бетона, а именно, низкую прочность на растяжение и растяжение при изгибе, хрупкость разрушения, снизить усадку и ползучесть [23, 24, 25]. В основном фибробе-тоны изготавливались из мелкозернистых бетонных смесей. Порошковые и реакционно-порошковые бетоны, как самостоятельные, начали осваиватся в 1992-1994 г.г. и имели очень узкую сферу использования (монументальная и ландшафтная архитектура, отделочные изделия и т.п.). В основном они изготавливаются в виде фибробетонов.
Были расширены границы исследований по структуре фибробетонов[26] ползучести его [27], а также по использованию углеродной фибры для армирования бетонов [28]. Были рассмотрены практического использования высокопрочных бетонов и дисперсно-армированных растворов и бетонов в строительстве. За рубежом этой же проблеме были посвящены работы [30, 31, 32]. Состоялись международные конгрессы, симпозиумы и работы зарубежных специалистов [35, 28].
В российской практике строительства, в отличие от зарубежной, фибробетон в основном начали применяться для сборных конструкций и для устройства промышленных полов и дорог. Первый практический опыт применения сталефибробетона зарегистрирован в нашей стране в 1979 г. при устройстве монолитного днища прямоугольного резервуара размером 12 х18 м для хранения технической воды на Северной водопроводной станции в Ленинграде [24]. Исследования, проведенные НИИЖБ, Ленз-НИИЭП, ЦНИИпромзданий и др., позволили наиболее полно изучить и практически использовать стале-фибробетоны [5, 33, 39].
Характеристика сырьевых материалов
В исследованиях по разработке составов высокопрочных дисперсно-армированных бетонов и фибробетонов использовались цементы бездобавочные ПЦ500 ДО нескольких цементных заводов. Характеристики, свойства химический и минералогический состав цементов по ГОСТ 10178-85 приведены в табл. 2.1.
Использовался песок Сурский с полным проходом через сито 2,5 мм с модулем крупности 1,5 с содержанием глинистых, илистых и пылеватых примесей - 4,4 %. Для изготовления порошковых бетонов песок промывался на си 31 тах с выделением фракции 0,16-0,63 мм и удалением примесей с размерами частиц менее 0,16 мм. Такая же процедура выделения тонкого песка осуществлялась на Красноярском песке с модулем крупности 1,86. Также использовались промышленные природные чистые мытые пески: Волжский (г. Нижний Новгород), Ширяевский (г. Ульяновск) с модулями крупности 2,06 и 1,87, соответственно. Также использовались чистые классифицированные пески: стекольный Ртищевский с модулем крупности 1,92 и крупный Люберецкий с модулем крупности 3,66 с отсутствием частиц менее 0,16 мм.
Пески использовались не только в качестве тонкого песка фр. 0,16-0,63 мм, но и размалывались в лабораторной шаровой мельнице МЛ 40.
С целью исключения на заводах ЖБИ процедур отмывки, сушки и классификации песков для сверхвысокопрочных бетонов использовались промышленные микрокварцы: кварц молотый по ГОСТ 9077-82 марок А и В с содержанием SiC 2 не менее 95% и пески чистые формовочные ЛГОК (Московская область) с модулем крупности 0,97. Для оценки высокой эффективности очень чистого кварца с содержанием БіОг не менее 99,7% использовали тонкомолотые кварцевые наполнители Silverbond компании Sibelco (производитель Ра-. менский ГОК) трех марок Silverbond 30 с дисперсностью менее 34 мкм, Silver-bond 20 с дисперсностью менее 23 мкм и Silverbond 15 с дисперсностью менее 17 мкм с белизной 92-93%. Последние использовались для получения цветных бетонов на белых цементах, в том числе с пигментами.
В качестве реакционно-химических пуццоланических добавок использовали конденсированные микрокремнеземы заводов ферросплавов ФС-90, ФС-75 Новокузнецкий (микрокремнезем гранулированный) с удельной поверхно-стью по прибору ПСХ-2 460 м /г, с насыпной плотностью 420 кг/м и микрокремнезем порошкообразный с удельной поверхностью 5500 м2/г и с насыпной плотностью 175 кг/м (табл. 2.2)) и Липецкий с содержанием Si02 не менее 88 % с насыпной плотностью 170 кг/м с удельной поверхностью 5100 м /кг, Челя-бинский микрокремнезем с насыпной плотностью 280 кг/м с удельной поверх-ностью по прибору ПСХ-2 - 2700 м /г. Также использовался Братский микрокремнезем от производства высокочистого кремния с содержанием аморфного SiC 2 = 78-84 %, углерода - 1,4-2,5 %, с насыпной плотностью 195 кг/м и удельной поверхностью 5100 м /кг (табл. 2.2).
Наименование материалов Содержание Si02,% Цвет Рист кг/м3 Рнас»кг/м3 Ьуд,см2/г всего ВТОМчислеаморфного ГранулированныйНовокузнецкий сферросплавовФС-90, ФС-75 87-90 85-90 серый 2,43 400-420 4660
Порошкообразный Братский с производства кремния 79-85 78-84 Темно-серый 2,25 195 51000 В связи с развитием нанотехнологий для производства бетонов нового поколения использовали аморфные нанокремнеземы: Белая сажа БС-100 (с удельной поверхностью по BET не менее 100 м /г) и БС-50 (с удельной поверх-ностью по BET не менее 50 м /г) (ООО «Стройинжиниринг») и Newsil 125 производства WUXI QUE CHEN SILICON СО, LTD (Китай) с содержанием аморфного Si02 не менее 98 % с удельной поверхностью по BET - 123 м2/г.
В качестве заменителей высокоэффективных микрокремнеземов использовали модифицированный диатомовый порошок производства Диатомового комбината (г. Инза, Ульяновской области). Массовая доля аморфного БіОг не менее 83 % с содержанием БегОз не более 3%. Удельная поверхность по прибору ПСХ-2 - 2100 м2/кг.
Для изготовления фибробетонов использовали отходы углеродных волокон от производства углерода технического П 803 ОАО «Ивановский тех-углерод и резина» с удельной поверхностью 14-18 м /г (табл. 2.3).
Для микроармирования также использовали уникальные чугунные аморфные волокна диаметром 10-14 мкм, покрытые пленкой стекла толщиной 1,5-2 мкм, единственного производителя в России ООО «НИИЭМП» с временным сопротивлением на разрыв3200 МПа с модулем упругости 227 ГПа. Также использовали металлическую фибру диаметром 0,15 мм и длиной 6 мм Челябинского ООО МІЖ «ВОЛВЕК» и латунированную фибру диаметром 0,20 мм и длиной 12-13 мм Белорусского металлургического завода «РУБ БМЗ». Для сравнения применяли нержавеющую фибру диаметром 0,15 мм и длиной 6-9 мм из стали 12-18 НЮТ-ТС с пределом текучести 764 МПа.
В качестве суперпластификаторов и гиперпластификаторов использовали сухие порошковые поликарбоксилатные пластификаторы серии Melflux 2641 F, 5581 F, 2651 F производства фирмы «BASF» (Германия) и поликарбоксилатные жидкие гиперпластификаторы Siko Visko Create 5-800 AF, 20 HE, 20 Gold. Для сравнения использовали суперпластификатор немецкий на меламиновой основе Melment F10 и российские поликарбоксилатный гиперпластификатор «Хидетал 9у» (г. Новозыбков, Брянская область) «ПОЛИПЛАСТ» (Новомосковск) и С-3 «СУПЕРПЛАСТ», (г. Владимир).
Реакционная активность кварцевого песка с цементом повышается с увеличением его дисперсности. С этой целью некоторые горные породы и кварцевый песок подвергали помолу в лабораторной шаровой мельнице МЛ 40, М 20 и К 6 емкостью 40, 20 и 2 литра до различной удельной поверхности.
Цемент и микрокремнезем использовались как в натуральном виде, так и подвергались дополнительному совместному домолу или совместному до-молу тонкого песка с МК (в гранулированном виде).
Дисперсность молотых наполнителей, и микрокремнезема определяли на приборе ПСХ-2. Было изучено влияние нескольких уровней дисперсности: 250-400 м2/кг; 500-600 м2/кг; 900-1300 м2/ кг и более (для микрокремнеземов).
Бетонные смеси приготавливались в высокоскоростном смесителе кафедры ТБКиВ с числом оборотов в основном диапазоне от 300 до 600 об/мин. Процедура смешения компонентов и продолжительность перемешивания варьировалась в зависимости от вида используемых компонентов и вида бетонов (рис. 2.1).
Литые смеси для порошковых тонкозернистых бетонов, изготавливались с соблюдением разработанной процедуры. Разработка процедуры, последовательности введения компонентов и времени перемешивания, на конечном этапе добавления компонентов, осуществлялась по показателям максимального расплыва при минимуме содержания водьги суперпластификатора.
Топологическая структура порошковых бетонов, порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонов нового поколения
Порошковые и реакционно-порошковые бетоны, содержащие в своем составе единственную реологическую матрицу, которая обеспечивает наименьший предел текучести и низкую вязкость бетонных смесей с тонкозернистым песком фракций 0,16-0,63 мм. В связи с этим при наполнении . этой смеси песком — заполнителем могут быть получены порошково-активированные песчаные бетоны. В; свою очередь при наполнении порош-ково-активированных песчаных смесей щебнем: могут быть /получены по-рошково-активированные щебеночные бетоны. Совершенно очевидно, что при переходе от наиболее цементноемкого ИБ к другим видам бетонов доля цемента будет уменьшаться за счет введения песка и щебня: При этом в;зави-: симости от соотношения семи компонентов и содержания;воды, могут быть получены самоуплотняющиеся, высокопластичные, умеренно пластичные, малопластичные, полужесткие, жесткие и сверхжесткие бетонные смеси. Таким образом, могут быть реализованы бетонные смеси; от марок по консистенции от СЖ до П-5, вплоть до самоуплотняющихся с осадкой конуса 25-28 см. Естественно, что для получения, малоцементных бетонов могут быть использованы малопластичные и жесткие смеси.
При этом, предложенные в [77] безразмерные реологические критерии: избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсной матрицы с МК над абсолютным объемом очень тонкого песка ИцД, избытка абсолютного объема цементно-дисперсно-зернистой матрицы над абсолютным объемом песка, заполнителя (среднего песка) Иц и избытка объема цементно-дисперсно песчаной, т.е. растворной матрицы над объемом щебня - И , должны так же изменяться. При производстве бетонов для заводской технологии сборного железобетона то соотношение компонентов в бетонных смесях, уплотняемых ме 42 ханическими способами различной интенсивности, должно радикально меняться в сравнении с соотношением компонентов в высокопрочных самоуплотняющихся бетонах ( рис.3.1).
Концепция формирования состава при переходе от самоуплотняющихся сверхпрочных бетонов до высокопрочных с более низкой прочностью заключается в трансформации реологических матриц, обеспечивающих рациональную реологию каждого состава. При этом микродисперсные и тонкозернистые компоненты реологической матрицы - каменная мука и очень мелкий песок замещают цемент по мере его уменьшения. При такой трансформации можно получать бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Высокие показатели прочности достигнуты в щебеночных фибробетонах немецкими специалистами. При содержании цемента 630 кг на кубометр бетона, фибры 2,5% по объему, прочность бетона составила 155-172 МПа, а удельный расход цемента на единицу прочности 3,7-4,6 кг/МПа [39].
Немецкий фирмой Dickerhoff разработан и реализован высокопрочный мелкозернистый бетон на цементе СЕМ П/B-S 52,5R с прочностью 155 МПа при расходе цемента 606 кг/м . Удельный расход цемента составил 3,9 кг/МПа [78].
В целом, строительство из высокопрочных бетонов отдельными фирмами в развитых зарубежных странах осуществляется с Ц д3,5-5 кг/МПа, из бетонов повышенной прочности классов В40-В60 с Ц д=5-6 кг/МПа.
Российские результаты являются более скромными, вследствие устаревшей рецептуры с неправильной топологической структурой, бетонных смесей уплотняемых интенсивной вибрацией, в ряде случаев, с пригрузом. В лабораториях НИИ и вузов России были получены бетоны старого поколения с прочностью 100-120 МПа через 28 суток [79]. Достигаемая прочность через 180-360 суток была 130-145 МПа. Бетонные смеси использовались жесткие и особо жесткие. Уплотнение их осуществлялось при интенсивной вибрации с пригрузом.
Новым этапом в развитии техники бетона в России явилось изготовление высокопрочных бетонов на вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), полученных помолом цементного клинкера с сухим суперпластификатором. В НИИЖБ, ВНИИ железобетон, МИСИ и МАДИ были достигнуты прочности 100-120 МПа с удельным расходом цемента Ц д =3,8-4,5 кг/м3. Однако цементные заводы отказались выпускать ВНВ.
Причины большого отставания от передовых стран состоят в использовании устаревших составов плотноупакованных бетонных смесей. Совершенно не используются основные положения физико-химии о возможности предельного разжижения высококонцентрированных дисперсных систем. Методология эффективности оценки СП и ГП, реологических и реотехноло 44 гических свойств осуществляется на бетонных смесях старого поколения. Не учитывается положение, что высокая реологическая активность в присутствии СП и ГП, достигается только при использовании микродисперсных добавок, и в большей мере, чем при использовании 10-20% МК. Необходимо знать, что зернистый песок и кусковой щебень реологически индифферентны и при очень высоком содержании их в бетонных смесях не удается значительно снизить вязкость и предел текучести смесей. Необходима тонкодисперсная реологическая матрица при высоком содержании ее в объеме смесей. Примером достижения достаточно высоких для России физико-технических свойств бетонов из бетонных смесей марки П 5 являются показатели высокопрочного бетона старого поколения, но с добавками МК и СП, использованного при строительстве комплекса «Москва-Сити». Максимальная прочность бетона в конструкциях составляла 95-105 МПа, при удельном расходе цемента Ц д =4,5-4,7 кг/МПа. Бетон был изготовлен с органо минеральной добавкой МБ-С состоящей из высокодисперсного конденсированного микрокремнезема размолотого с СП С-3.
В российской практике производства бетона встречаются отдельные примеры модификаций бетона тонкомолотыми добавками молотого кварцевого песка или известняковой муки. Бетон из бетонной смеси с осадкой ко-нуса 2-5см, с расходом цемента 300-350 кг/м , с добавкой кварцевой муки -10-20% от массы цемента имел прочность на сжатие 60-77 МПа, с удельным расходом цемента 4,2-5,0 кг/МПа.
В целом в России щебеночный бетон является цементно-затратным, а производство его энергоемким. Строительство из бетона очень материалоем-ко. Стратегия снижения объемов бетона в конструкциях за счет высокой прочности не реализуется в России, вследствие использования бетона марок М 150-500, выпускаемых 90-97% от всего производства бетонов. Удельный расход цемента в щебеночных бетонах составляет 8-10 кг/МПа, в песчаных (мелкозернистых) 9-14 кг/МПа. С развитием нанотехнологий в различных отраслях промышленности она получает свое шествие и в технологиях строительных материалов. Известно, что нанометровый диапазон измерений размеров 1-100 нм открывает новые физические и химические свойства веществ. Как отмечает И.П.Суздальцев [80]: «... в этом диапазоне нигде так близко не сходятся физика, химия и биология». В последние десятилетие двадцатого века произошло выделение таких понятий, как нанокластер, наноструктура и связанных с ними явлений в отдельную область физико-химии.
В настоящее время появились нанотехнологий в цементных, гипсовых и известковых технологиях с использованием углеродных частиц — одномерных нанотрубок, фуллеренов, фуллероидов, астраленов. При этом в некоторых публикациях [81] о нанобетонах при введении 1-10 г. наноуглеродных модификаторов достигаются, якобы, очень значительные или значительные эффекты при получении более высокой прочности, морозостойкости, водостойкости и других позитивных свойств бетонов по сравнению с контрольными бетонами. При этом все исследования по изучению действия наноуглеродных добавок часто проводятся в бетонах старого поколения, т.е. без использования гиперпластификаторов (ГП), конденсированных микрокремнеземов и новой топологической дисперсно-зернистой структуры цементирующего вещества. Полученные результаты не выдерживают по свойствам никакой конкуренции с высокопрочными бетонами нового поколения (БНП), в которых не используются наноуглеродные добавки.
Особенности выбора рационального диаметра фибры с учетом топологии при размещении ее. Свойства высокопрочных фибробетонов
Основными факторами создания сверхвысокопрочных фибробетонов являются: - создание плотной и прочной бетонной матрицы с прочностью на ежа-тие до 120-140 МПа и более, обеспечивающей хорошее сцепление с фиброй. - использование стальной фибры с оптимальными геометрическими параметрами, с анкерующей поверхностью или с анкерными концами. Однако в российской практике активно используют толстую фибру диаметром d = 0,5-1,0 мм и длиной 50-70 мм. Такая фибра поставляется из-за рубежа и аналоги ее изготовляется отечественными предприятиями [90].
Расположим фибру идеализированно изометрически вдоль оси изгибаемого элемента, а положение центров цилиндров в кубической упаковке изобразим на рис. 4.1а. Реально фибра в бетоне располагается хаотически. Используем другую идеализацию и расположим фибру в бетоне по трем координатам декартовой системы координат на рассчитанное расстояние между центрами (поперечный и продольный разрезы балки).
Из рис. 4.16 видно, что толстая фибра очень дискретно располагается в бетоне и зародившаяся трещина от изгибающего момента беспрепятственно распространяется по матрице, минуя фибру. Особенно это проявляется при ширине изделия, соизмеримой с длиной фибры (нижняя часть ребра ребристой плиты покрытия). Если трещина зарождается в поле расположения фибры, то она может остановиться от блокирующего действия фибры и, в этом случае, развивается трещина в межфибровом пространстве. Именно по этой причине, используемая в России итальянская, греческая и немецкая толстая фибра, которая поставляется из-за рубежа, не эффективно работает в изгибаемых конструкциях при малом содержании ее в бетоне.
Совершенно очевидно, что если вместо прямой фибры использовать зарубежную фибру Dramix RC-80-60BN (компании Bekert) или фибру Wirand FF3 (компании Maccaferri) с анкерными элементами (рис 4.16), то эти элементы не блокируют развитие трещин при малом содержании фибры.
Как видно из рис. 4.2 армирование фиброй диаметром 0,8мм до степени армирования 0,6; 0,9 и 1,3% различных цементных композиций не дает увеличения прироста прочности на растяжение при изгибе. Исходя из исследований Ю.В, Пухаренко [46]. Эту зону бесполезного армирования он называет «зоной рассеянного армирования». Значит 1,3% фибры, т.е. 101 кг на 1MJ бетона вводится бесполезно только для того, чтобы добавленное количество фибры сверх 1,3% способствовало повышению прочности. А это 2500 руб., затрачены бесполезно. При работе фибробетона с использованием толстой фибры на растяжение при изгибе реализуется самый невыгодный случай нагружения, исходя из результатов экспериментальных испытаний (рис. 4.2). При осевом растяжении наличие одной-трех толстых фибр (с анкерными элементами), расположенных перпендикулярно действующей раскалывающей силы, вносит существенный вклад в сопротивление бетона раскалыва нию. Это убедительно показано в экспериментах, проведенных в [93], когда увеличение степени армирования с 0,198% до 0,226:, т.е. на 0,028% от исходного позволило повысить прочность на раскалывание на 16,6%! Но это лишь один вид нагрузки. Кроме того, такую фибру нельзя использовать в самоуплотняющихся высокопрочных и реакционно-порошковых бетонах, а возможно и самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных бетонах. Фибра должна по геометрическим параметрам приближаться к универсальной. Напрашивается вывод: бетоны необходимо армировать тонкой фиброй, чтобы превратить их в композиты, в которых тонкие волокна расположены очень часто и пути распространения трещин перекрыты. Оценим, какое количество фибры меньшего диаметра можно изготовить из толстой фибры ё=0,8мм при равной их длине, чтобы сделать бетон дисперсно-армированным композитом. Объемы волокон фибры равной длины соотносятся пропорционально квадратам диаметров, т.е d{ /d2 . В табл. 4.2 показано, какое количество более тонкой фибры может получиться из фибры диаметром 0,8мм. Если стальную фибру d = 0,8 мм заменить фиброй 0,2 и 0,15мм, то количество таких фибр, равных по объему фибре диаметром 0,8мм, соответственно, составит 16 и 28шт. В г. Пензе, единственном городе Российской Федерации, осуществляется освоение фибры d=10,0MKM, покрытой стеклянной оболочкой толщиной 1,5-2 мкм. Количество таких фибр в объеме фибры d=0,8MM равной длины будет 3265 шт. Если используется базальтовая или углеродная фибра диаметром 0,008мм (8мкм), то количество фибр возрастает до 10000 шт. Естественно, что при таком количестве фибр плотность расположения ее в бетоне будет настолько высокой, что возникающие трещины не найдут свободного пространства в бетоне и распространение трещин будет тормозится, Если принять степень армирования 0,5% по объему, то можно видеть как изменяется расстояние в зависимости от диаметра фибры (табл 4.2).
