Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение и перспективы высокопрочного бетона. Цель и задачи исследования диссертации 12
1.1. Применение высокопрочного бетона в современном строительстве 12
1.2. Применение микрокремнезема в производстве бетона за рубежом и во вьетнаме 22
1.2.1. Применение микрокремнезем в производстве высокопрочных бетонов за рубежом 22
1.2.2. Применение микрокремнезема в производстве высокопрочных бетонов во Вьетнаме 26
1.3. Преимущества применения высокопрочного бетона и тенденция их использования в будущем 28
1.3.1. Преимущества применения высокопрочных бетонов 28
1.3.2. Высокопрочный бетон в XXI веке 28
1.4. Цель и задачи исследований диссертации 33
1.4.1. Научная гипотеза 33
1.4.2. Цель работы 36
ГЛАВА 2. Материалы, использованные в работе. Методики исследований 38
2.1. Материалы, использованные в работе 38
2.2. Методики исследований 44
ГЛАВА 3. Исследование состава, структуры и свойств золы рисовой шелухи и обоснование состава органоминеральных модификаторов на ее основе 53
3.1. Обоснование возможности использования золы рисовой шелухи в качестве минеральной добавки для получения высокопрочного бетона вовьетмаме 53
3.2. Основные свойства золы вьетнамской рисовой шелухи 57
3.2.1. Химический состав и активность золы рисовой шелухи ... 57
3.2.2. Структура частиц золы рисовой шелухи 61
3.2.3. Тонкость помола золы рисовой шелухи и ее способность заполнять пространство между частицами цемента 63
3.2.4. Влияние золы рисовой шелухи на физические свойства цементного теста 63
3.2.4.1. Влияние концентрации золы рисовой шелухи на водопотребность цементного теста 63
3.2.4.2. Влияние золы рисовой шелухи на структуру цементного камня 66
3.2.4.3. Влияние золы рисовой шелухи на сроки схватывания цементного теста 66
3.3. Обоснование составов комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи 68
3.3.1. Обоснование возможности применения комплексных
органоминеральных модификаторов бетона на основе золы рисовой шелухи 68
3.3.2. Определение индекса активности комплексных
органоминеральных модификаторов бетона 76
3.3.3. Влияние добавление комплексных органоминеральных
модификаторов на водопотребность цементного теста 78
3.4. ВЫВОДЫ 79
ГЛАВА 4. Исследование основных эксплуатационных свойств высокопрочных бетонов, содержащих комплексные органоминеральные модификаторы на основе золы рисовой шелухи 81
4.1. Исследование кинетики твердения высокопрочных бетонов, содержащих комплексные органоминеральные модификаторы 81
4.2. Влияние комплексных органоминеральных модификаторов на водонепроницаемость бетонов 85
4.3. Влияние комплексных органоминеральных модификаторов на прочность бетонов 88
4.4. Исследование бетонов, содержащих комплексные органоминеральные модификаторы, на диффузионную проницаемость хлорид-ионов 91
4.5. Выводы 98
ГЛАВА 5. Технология получения золы рисовой шелухи и расчет технико-экономической эффективности применения полученных результатов исследований 99
5.1. Способы получения золы рисовой шелухи 99
5.1.1. Описание технологии получения золы рисовой шелухи 99
5.1.2. Способ самосжигания рисовой шелухи 100
5.1.3. Непрерывный способ двухступенчатого сжигания рисовой шелухи 102
5.2. Расчет технико-экономической эффективности применения полученных результатов исследований 108
5.3. Выводы 112
Основные выводы 113
Список литературы 115
Приложение 128
- Преимущества применения высокопрочного бетона и тенденция их использования в будущем
- Химический состав и активность золы рисовой шелухи
- Обоснование составов комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи
- Влияние комплексных органоминеральных модификаторов на прочность бетонов
Введение к работе
Актуальность.
Много лет высокопрочный бетон (ВПБ) использовался для сооружения колонн многоэтажных зданий. В последние годы, ВПБ также стал использоваться для возведения мостов, для которых прочность и долговечность являются основными эксплуатационными показателями. Основная причина применения именно ВПБ для этих целей состоит в том, чтобы получать более экономичные изделия и конструкции с более высокими эксплуатационными показателями.
В начале XXI века одним из наиболее перспективных направлений в области строительного материаловедения является создание материалов с принципиально новыми характеристиками, приближающими их к металлу, керамике и полимерам. Представляется, что эту серьезную задачу можно решить, привлекая комплексные органоминеральные модификаторы специального назначения, с использованием которых окажется возможным получить многокомпонентные вяжущие вещества. Такие новые строительные материалы должны характеризоваться также высокими прочностными показателями при изгибе и растяжении, а также высокой плотностью и прочностью при сжатии.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ «ФГБОУ МГСУ» и планом НИР Министерства строительства Вьетнама.
Цель и задачи работы.
Основной целью данной работы является получение высокопрочного бетона с применением комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи (ЗРШ), золы-уноса (ЗУ) и суперпластификатора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать возможность использования ЗРШ в качестве активной кремнеземной добавки для получения ВПБ.
2. Разработать составы новых комплексных органоминеральных модификаторов бетона, которые будут отличаться эффективностью действия и расширенной сырьевой базой.
3. Исследовать влияние разработанных модификаторов на параметры структуры цементного камня.
4. Из числа разработанных модификаторов выбрать наиболее эффективные.
5. Исследовать эксплуатационные характеристики высокопрочных бетонов, содержащих разработанные модификаторы.
6. Осуществить внедрение разработанных высокопрочных бетонов и провести оценку технико-экономической эффективности их применения.
Научная новизна.
Высокие физико-технические свойства бетонов в значительной степени предопределяются структурой цементного камня, направленное регулирование свойств которой осуществляется с помощью органоминеральных модификаторов (МБ). Высокопрочная структура цементного камня может быть получена за счет изменения его фазового состава, то есть баланса между кристаллогидратами, из которых сформирован скелет цементного камня, а также за счет снижения В/Ц и уменьшения капиллярной пористости.
Фазовый состав и капиллярная пористость цементного камня зависят как от состава неорганической части модификатора бетона, так и от природы его органической составляющей. Химико-минералогический состав неорганической части модификатора, в частности, содержание в нем SiO2, Al2O3, CaO, а также степень его дисперсности являются основными факторами, предопределяющими качество скелета цементного камня.
Известно, что, благодаря присутствию в тоберморитовом геле, образующемся при гидратации цемента, рентгено-аморфмных минералов, состоящих из оксидов кремния и алюминия, в гидратных цементных новообразованиях преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH(I), отличающиеся повышенной прочностью.
В случае, когда неорганическая часть МБ состоит из микрокремнезема или его смеси с кислой зола-уноса, то в ходе гидратации цемента доминирует пуццолановый процесс. В свою очередь, если неорганическая часть представлена ЗРШ или её смесью с ЗУ, то в процессе гидратации пуццолановый процесс выражен не так ярко, но в такой системе возможно возникновение других гидросиликатов кальция, отличных от СSH(I).
В свою очередь, основным фактором, влияющим на пористость цементного камня, является степень эффективности действия водоредуцирующего компонента – суперпластификатора, представляющего органическую часть модификатора бетона.
В неорганической части разработанного нового модификатора самый дорогостоящий и наиболее активный, благодаря повышенному содержанию аморфного SiO2 и высокой степени его дисперсности, компонент - микрокремнезем (МК) заменен на более дешевую ЗРШ и неорганические техногенные продукты с более низкой пуццолановой активностью (золу-уноса), а органическая часть состоит из более эффективной по сравнению с сульфированным нафталиноформальдегидом С-3 пластифицирующе-водоредуцирующей добавки на основе поликарбоксилатов.
Снижение пуццолановой активности из-за уменьшения содержания SiO2 при замене МК на ЗРШ в составе разработанных модификаторов бетона, а также недостаточно высокая степень дисперсности ЗРШ, приводящая, соответственно, к не столь значительному изменению баланса между кристаллогидратами в сторону преобладания более прочных гидросиликатов кальция типа CSH (I), компенсируется эффектом от использования более активного водоредуцирующего агента-суперпластификатора, который выражается в значительном снижении капиллярной пористости, повышении плотности и прочности структуры цементного камня.
Эффект повышения плотности и прочности цементного камня при использовании водоредуцирующего агента на основе поликарбоксилатов при оптимальном соотношении компонентов модификатора и его вещественном составе должен привести к следующим результатам:
- увеличению эффективности действия разработанных органоминеральных модификаторов бетона в цементной системе;
- улучшению их физических и технических характеристик (насыпной плотности, сыпучести и др.).
Практическая значимость работы заключается в том, что:
- разработана технология получения золы рисовой шелухи с высоким содержанием аморфного диоксида кремния;
- получены комплексные органоминеральные модификаторы на основе золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификатора;
- с помощью разработанных модификаторов получены высокопрочные бетоны с прочностью на сжатие 60 МПа и высокой водонепроницаемостью;
Внедрение результатов.
Основные результаты исследований использованы при разработке "Рекомендаций по повышению эксплуатационных свойств тяжелых бетонов в условиях Вьетнама". Производственное опробование «Рекомендаций», проведенное в Ханойском институте строительных наук и технологий, показало эффективность применения разработанных комплексных органоминеральных добавок на основе золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификатора, приведшего к значительному повышению прочностных характеристик и водопроницаемости бетона, а также экономическую эффективность за счет замены импортного микрокремнезем на местные золу рисовой шелухи и золу-уноса.
Апробация
Основные положения работы были опубликованы в научно-техническом журнале «Вестник МГСУ» № 1 за 2012г. и доложены на Одиннадцатой Международной научно-практических конференциях молодых учёных, аспирантов и докторантов МГСУ "Строительство-формирование среды жизнедеятельности" в 2008г.
На защиту выносятся:
- Обоснование возможности получения высокопрочных бетонов путём использования комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификатора;
- состав и технология получения комплексных органоминеральных модификаторов для улучшения технологических свойств бетонных смесей и эксплуатационных свойств бетонов;
- Обоснование возможности совместного помола портландцемента и комплексных органоминеральных модификаторов с целью получения композиционного вяжущего;
- технология приготовления композиционного вяжущего с использованием комплексных органоминеральных модификаторов;
- результаты изучения влияния комплексных органоминеральных модификаторов на свойства цементного теста, бетонной смеси и бетона;
- Основные эксплуатационные характеристики бетона с использованием комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификатора;
- способы получения золы рисовой шелухи с высоким содержанием аморфного диоксида кремния;
- экономический эффект применения разработанных комплексных органоминеральных модификаторов бетона на основе золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификатора
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературой из 125 наименования, и приложений. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 34 таблицы.
Преимущества применения высокопрочного бетона и тенденция их использования в будущем
В 1993 году Европейский комитет по бетонам (ЕКБ) принял решение о новой классификации бетонов, согласно которой ВПБ считают бетоны, изготовленные из высокоподвижных бетонных смесей с водоцементным отношением менее 0,4, обладающие прочностью на сжатие в возрасте двух суток 30-50 МПа или в возрасте 28 суток 60-150 МПа, морозостойко- стью - БбОО и выше, водонепроницаемостью - 9712 и выше, водопоглощением - менее 1-2%; истираемостью - не более 0,3-0,4 г/см2 [6, 82, 101, 102].
Российские документы не предусматривают такую классификацию [4, 5,8,9]. Однако профессор Баженов Ю.М. считает бетон высокопрочным, если он отвечает четырем требованиям: - высокой прочности; - долговечности; - удобоукладываемости; - устойчивости объема. При этом, высокая прочность является одной из наиболее важных характеристик ВБК. Несмотря на то, что высокопрочный бетон часто рассматривается как относительно новый строительный материал, его развитие было постепенно, в течение многих лет. С течением времени менялось и определение высокопрочного бетона. В 50-х годах, бетон с прочностью на сжатие 34,5 МПа считался высокопрочный. В 60-х годах во многих странах в промышленном масштабе начали применять бетон с прочностью порядка 41 - 53 МПа. В начале 70-х годов был создан бетон с прочностью 62 МПа, в 1982 г. - 75 МПа, в 1987 г. - 117 МПа и, наконец, в 1988 г. - 133 МПа. К середине 90-х годов XX века в зданиях из монолитного бетона была достигнута прочность на сжатие до 138 МПа [68, 73, 78, 121, 122].
Шведские нормы предусматривают верхний предел прочности бетона на сжатие до класса В75, что эквивалентно М900-М1000, японские нормы - до класса В80, британские нормы ВБ 8110 - до класса С80 (В80), технические инструкции Румынии СК 116-78 - до марки М800, российские нормы ГОСТ 26633-91 - до класса В80, однако, в американских нормах АС1 318 не указаны верхние границы прочности. При этом, согласно определению Американского Института Бетона 1988 года, бетоны прочностью на сжатие выше 41 МПа являются высокопрочными [82,84].
Наибольшее распространение в строительной практике ВПБ получил в США, Норвегии, Японии и Франции.
Во Франции пионером их практического применения стала фирма «Буиг», построившая в 1984г. из такого бетона малый мост на автодороге А86. Внедрение и кредитование производства ВПБ во Франции происходило в рамках Национального научно-технического проекта при поддержке Министерства промышленности. В результате уже в 1993 г. страна выпускала 11 % мирового объема ВПБ. В новые французские нормы проектирования ВАЕЬ 91 и ВРЕЬ 91 вошли ВПБ прочностью до 60 МПа, в настоящее время разрабатываются нормативы для таких бетонов прочностью до 80 МПа [89, 110, 112].
Переоценка понятия «высокопрочный бетон» наиболее наглядно проявляется на примере Международных рекомендаций ЕКБ - ФИП. Если в редакции 1970г. не содержится упоминаний о высокопрочном бетоне, то в редакции 1978г. под таким бетоном подразумевается бетон класса С50 (средняя прочность образца-кубика размером 150x150x150 мм должна составлять 62,5 МПа), а в редакции 1990г. под высокопрочным бетоном уже подразумевается бетон класса С80 (кубическая прочность - 100 МПа) [86, 104, 105].
В конце 80-х годов в НИИЖБ были начаты работы по созданию комплексных модификаторов бетонов многоцелевого назначения с использованием микрокремнезема [12,13]. Были разработаны комплексные модификаторы нового поколения на органоминеральной основе - порошкообразные продукты, содержащие микрокремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения. С их помощью были созданы бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, в том числе, на основе бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции на обычном портландцементе марки -і 400 при его расходе 500 кг/м и обычных заполнителях из твердых пород. Основные свойства разработанных бетонов: - класс бетона по прочности на сжатие - В60 и выше; - марка по водонепроницаемости - \\П 6 и выше; - повышенная коррозионная стойкость к сульфатной и хлоридной коррозии, а также к воздействию слабых кислот с pH 3; - повышенная морозостойкость (Р 1000); - улучшенная транспортабильность и сохраняемость бетонных смесей. Широкое применение высокопрочный бетон получил в колоннах при строительстве многоэтажных зданий. По рапорту № 5 [82] комиссии Чикаго по высотным заданиям, начиная с 1972 г. больше 30 зданий в Чикаго были построены с колоннами, имеющими прочность на сжатие 60 МПа. Рост прочности бетона при строительстве зданий и сооружений в городах США, Канады, Австралии и Российской Федерации приведен в таблице 1.1 [53, 54, 55, 56, 59, 66, 67, 73, 78, 79, 92, 93, 94, 106, 108, 119].
Кроме строительства многоэтажных зданий, ВПБ широко применяется в производстве предварительно-напряженных сборных железобетонных мостовых конструкций. Эффект использования высокопрочного бетона в четырех различных балках различного профиля с твердой секцией был описан Карпентером [73]. В таблице 1.2 приведены некоторые мосты в США, Канаде и Японии, построенные с применением высокопрочного бетона [53,54,55,56,57].
Химический состав и активность золы рисовой шелухи
Для приготовления бетонной смеси использовали водопроводную питьевую воду, отвечающую требованиям ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия» Также можно использовать любую другую воду, имеющую водородный показатель pH не менее 4 и неокрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет. Вода не должна содержать сульфатов более 2700мг/л (в пересчете на 804 ) и всех солей более 5000мг/л. В сомнительных случаях пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять путем сравнительных испытаний образцов, изготовленных на данной воде и на обычной водопроводной. Для поливки бетона следует применять воду такого же качества, как и для приготовления бетонной смеси.
Содержание 8Ю2, площадь удельной поверхности, насыпная плотность, влажность и активность полученных модификаторов бетона определялись по ТУ 5743-083-46854090-98.
Нормальная густота и сроки схватывания вяжущего определялись по ГОСТ 310.3 «Цементы. Методы определения нормальной густота, сроков схватывания и равномерности изменения объема».
Основные характеристики сырьевых материалов определяли в соответствии с действующими стандартами России. Экспериментальные исследования проводили в лабораториях НИИЖБ иМГСУ. При проведении натурных и лабораторных исследований бетонные смеси изготовляли в смесителях принудительного действия (рис. 2.1 и Встряхивающий столик в лаборатории НИИЖБ Определение плотность бетона. Плотность бетона определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1-70, по формуле: Рц,=у\Ш (2.1) где т - масса образца, определяемая взвешиванием с погрешностью не более 0,2 г по методике ГОСТ 10180; V - объем образца, см3 (по ГОСТ 10180). Прочность бетонов при сжатии определяли по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Прочность бетона при сжатии определяли на образцах-кубиках размером 100x100x100 мм с помощью измерительной системы СИ-2-2000-УХЛ 4.2 в лаборатории НИЖЖБ (рис. 2.5) НИЖЖБ
Призменная прочность бетона при сжатии определяли по ГОСТ 10180-90 на образцах-призмах размером 100x100x400 мм с помощью испытательной машины Electro-Hydraulic Compression Testing Machine модель Yes - 2000 (Китай) в лаборатории МГСУ (рис. 2.6). » 3 -F.I соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы, Водонепроницаемость бетона определяли по ГОСТ 12730.5-84 (1994) «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости», приложение 4 с помощью ускоренного метода определения водонепроницаемости бетона по его воздухопроницаемости прибором «АГАМА-2Р» на образцах цилиндрах размером 150x150мм.
Сохраняемость бетонных смесей будет определяться по ГОСТ 101812000. Условия твердения и испытания образцов осуществляли в соответствии с ГОСТ 10180-90. Индекс активности добавок или модификаторов определяют по аналогии с определением индекса активности микрокремнезема по ТУ 5743048-02495332-96, т.е. сопоставлением результатов по прочности при сжатии растворных образцов-кубиков при нормальном твердении и пропаривании размерами 70x70x70 мм, с использованием 90% цемент и 10% добавки (к массе вяжущего), и стандартных цементных образцов. Выполненных по ГОСТ 310.4 (начальное В/Ц - 0,4; соотношение цемент-песок - 1:3; требуемая подвижность смеси по расплыву конуса на встряхивающем столике - 106-114 мм). Индекс активности добавок определяют по формуле: К = 111сж/ К2сж х 100%, где: 1 4сж - прочность при сжатии растворных образцов, выполненных с использованием 90% цемента и 10% добавки к массе вяжущего, МПа; К-2сж - прочность при сжатии растворных образцов, выполненных с использованием 100% цемента, МПа; Исследование бетонов на диффузионную проницаемость хлорид- ионов проводили с помощью косвенного (электрического) метода по ГОСТ Р 52804-2007. Настоящий метод предназначен для использования при разработке технологии и составов бетона, обеспечивающего длительную безремонтную эксплуатацию конструкций в агрессивных средах, содержащих хло 51 риды. Метод основан на аналогии между диффузионным потоком вещества и электрическим током в теле бетона. Оценка диффузионной проницаемости бетона позволяет: - оценить проницаемость бетона для хлоридов; - рассчитать период, в течение которого через защитный слой бетона проникнут хлориды в количестве, способном вызвать коррозию стальной арматуры; - назначать составы и технологию изготовления бетонов для железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в средах, содержащих хлориды.
Обоснование составов комплексных органоминеральных модификаторов на основе золы рисовой шелухи
Ученые - рисоводы считают, что необходимым компонентом почвы для нормального развития растения является кремнезем. Низкое содержание кремнезема в почве создает благоприятные условия для развития насекомых, вредителей. Полевые испытания показывают, что применение соответствующих кремнистых смесей в почве значительно уменьшает появление насекомых, уничтожающих растения, и одновременно увеличивает рост риса.
Анализы японских ученых Yoshida и Sabuni [120, 113] показывают, что кремний, в виде монокремниевой кислоты, глубоко проникает в растения риса через их корневую систему. Эта растворимая форма кремния переходит на поверхность растения и зерна риса. Там она собирается для формирования мембраны целлюло-кремнезема. Исходя из анализов, кремний после проникновения в растения риса, существенно концентрируется на корке зерна риса и является главным компонентом, составляющим часть неорганического вещества РШ.
Индийский ученый Mehta [101] показывает, что при сжигании РШ в контролируемых режимах времени и температуры получается зола, содержащая аморфный кремнезем. Аморфный кремнезем является основным компонентом МК, получаемого при производстве ферросилициевых сплавов. Исследования Hamad и Khattab [90] подтверждают, что ЗРШ, полу 55 ченная в температурном интервале 500-600С содержит аморфный диоксид кремния. При повышении температуры до 800С начинает формироваться кристобалит. Это форма кристального диоксида кремния с более низкой химической активностью по сравнению с аморфным кремнеземом. Многие авторы [61, 99, 75], базируясь на данных рентгеновских анализов утверждают, что при 700С в течение различного времени сжигания РШ (даже в течение 30 часов) еще получается аморфный кремнезем. Исследования Джам и Рао [96] также показывают, что при температуре менее 700С, независимо от времени сжигания, кремнезема в кристаллическим виде полученная зола не содержит. Даже при 800С в течение 18 часов, получается также аморфный кремнезем, и только небольшое количество кристаллического диоксида кремния образуется при увеличении времени сжигания до 30 часов.
Таким образом, основой для предложения использовать ЗРШ в качестве импортной минеральной добавки для получения высокопрочного бетона во Вьетнаме являются следующие соображения: 1. Рисовое растение концентрирует с высоким содержанием кремнезем в рисовой шелухе. 2. Получение ЗРШ как активной минеральной добавки путем сжигания РШ не требует сложной технологии; 3. Металлургическая промышленность Вьетнама в настоящее время развита недостаточно и, поэтому, пока не может обеспечить получение достаточного количества побочных продуктов, которые можно использовать в качестве активных минеральных добавок в бетон; 4. В настоящее время во Вьетнаме возводится много сооружений, которые требуются применения бетонов, в состав которых для придания требуемых специальных свойств необходимо вводить содержащих активные минеральные добавки.
Вид получаемого диоксида кремния (аморфный или кристаллический) зависит от режима сжигания РШ. Исследования различных авторов [61, 99, 75, 90] приводят к единому мнению, что после сжигания РШ при температуре менее 700С получается аморфный кремнезем, а при температуре более 700С отчасти диоксид кремния переходит в менее активное кристаллическое состояние. Исходя из этого, активность ЗРШ зависит от режима сжигания РШ.
Известно, что аморфный кремнезем играет важнейшую роль в механизме взаимодействия между активным микронаполнителем и соединениями, получаемыми при гидратации цемента. При затворения цементнозольной смеси водой протекают химические и физико-химические процессы [98], к которым относятся: - процесс гидратации и твердения клинкерных минералов самого вяжущего с образованием гидратированных продуктов, в виде гидросиликатов, гидроалюминатов, гидросульфоалюминатов, гидроферритов и гидроксида кальция:
Влияние комплексных органоминеральных модификаторов на прочность бетонов
Начиная с 2009 года, все большее использование в монолитном железобетонном строительстве получили высокопрочные бетоны, характеризующиеся повышенным расходом цемента, который является главным компонентом, отвечающим за прочностные и деформативные характеристики бетона, а также его тепловыделение во время твердения. В современном строительстве к бетонным смесям и бетонам предъявляется комплекс требований, среди которых основными являются высокая подвижность и сохраняемость бетонной смеси, а также высокая прочность, долговечность, эксплуатационная надежность и доступная цена самого бетона [2, 18, 19].
Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений является комплексное использование различных органических и неорганических соединений в качестве добавок в бетон, которые существенно влияют на химические процессы формирования структуры цементного камня, обеспечивают повышение физико-технических свойств бетона, в том числе, прочности, плотности, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и др. Такие добавки именуются комплексными органоминеральными модификаторами бетонной смеси и бетона. Их органическая часть состоит из суперпластификатора, а неорганическая - из тонкодисперсного наполнителя, содержащего аморфный диоксид кремния, например, из микрокремнезема, золы-уноса ТЭС или золы, образующейся в результате сжигания рисовой шелухи [57, 72, 80, 81, 116, 117].
Предыдущие исследования показали, что механизм действия модификаторов в цементных системах является двояким [12, 15, 29, 43, 72]. С одной стороны, имеет место «физический» фактор воздействия. Он связан с тем, что микрокремнезем, обладает рядом свойств, в основе которых лежат молекулярные процессы и явления в поверхностном слое твердой частицы ультрадисперсного материала, обладающего высоким соотношением площади поверхностного молекулярного слоя к общему объему частицы. Тонкодисперсные частицы микрокремнезема заполняют объем между «грубодисперсными» частицами цемента. При этом, образуются многочисленные коагуляционные контакты, а также сокращается объем свободной воды, которая определяет текучесть системы и ее тиксотропность. Сокращение объема свободной воды и заполнение пространства между кристаллогидратами ведет к уменьшению капиллярной пористости цементного камня с одновременным увеличением количества гелевых пор.
Вторым фактором действия модификаторов в цементных системах является, так называемый, «химический» фактор. С одной стороны, микрокремнезем и зола-унос содержат в своем составе диоксид кремния аморфной модификации, способный вступать в реакцию с продуктами гидратации цемента. С другой стороны, высокая дисперсность золы рисовой шелухи и микрокремнезема предопределяет повышенную химическую реакционную способность 8102. Следствием этого является процесс формирования более дисперсной, по сравнению с обычным бетоном, структуры цементного камня, а также увеличение содержания более прочных и устойчивых вторичных гидратов. При этом, за счет преобладания низкоосновных гидросиликатов кальция типа С8Н(1) повышается прочность и плотность бетона.
Известно, что, благодаря присутствию в тоберморитовом геле, образующимся при гидратации цемента, ренгеноаморфмных минералов, состоящих из оксидов кремния и алюминия, источником которых служат компоненты неорганической части модификаторов бетонов, в цементном камне будут преобладать низкоосновные гидросиликаты кальция типа С8Н(1), отличающиеся повышенной прочностью [28,29, 30].
В свою очередь, основным фактором, влияющим на пористость цементного камня, является степень эффективности действия водоредуцирующего компонента - суперпластификатора, представляющего органическую часть комплексного модификатора бетона [50, 71].
Микрокремнезем - высокореакционная добавка, вызывающая эффект упрочнения твердеющего раствора, связывающая интенсивнее свободный Са(ОН)2, чем другие добавки, что позволяет получать бетоны с более вы 70
сокой ранней прочностью при их твердений в нормальных условиях. Кроме того, использование микрокремнезема позволяет экономить до 20% цемента, что существенно снижает стоимость бетона.
Микрокремнезем обладает уникальной способностью позитивно влиять на свойства бетона, улучшая его качественные характеристики: уменьшает водопоглощение, до 50% снижает водопроницаемость, увеличивает прочность, морозоустойчивость, химическую стойкость, износостойкость, позволяет повысить долговечность бетона и его сопротивляемость внешним воздействиям, стойкость к сульфатной (в 2 раза) и хлорид- ной коррозии, воздействию слабых кислот, а также морской воды [21].
В середине 90-х годов XX в., коллективом сотрудников НИИЖБ под руководством С.С. Каприелова были разработаны комплексные органоминеральные модифицирующие добавки серии МБ и МБ С[31], которые представляют собой двух- или трехкомпонентные гранулированные добавки на основе аморфного микрокремнезема, золы-уноса и суперпластификатора С-3 [3]. Существует четыре марки модификатора МБ-01: МБ 8-01, МБ 10-01, МБ 12-01, МБ 14-01. Первый цифровой индекс соответствует процентному содержанию суперпластификатора С-3. Наиболее широко применяется модификатор серии МБ 10-01. Он на 90% состоит из аморфного микрокремнезема и на 10% из суперпластификатора С-3. Пример условного обозначения модификатора бетона: «МБ 10-50С». Первый цифровой индекс в обозначении указывает на содержание пластификатора в массе модификатора (%), второй - на содержание золы-уноса в массе минеральной части модификатора (%).
