Актуальность темы. Анализ технико-экономического сравнения бетонов по показателю удельного расхода цемента Ц ^уд , производимых в России, свидетельствует о больших расходах цемента как для тяжелых бетонов классов В15- В40, так и для В50-В60,равных Ц ^уд = 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 ^уд = 6-7 кг/МПа, но значительно уступаетпо расходу цементав бетонах развитыхстран. 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 физикохимии и реологии минеральных дисперсных систем реализация высоких пластифицирующих свойств суперпластификаторов, как анионактивных диспергаторов, возможна только в дисперсных системах, максимальный размер частиц дисперсной фазы которых, по крайней мере, не превышает 100мкм. 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 песчано-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 осуществляетсяструктурно-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^уд 5 кг/МПа.

Концепция снижения расхода цемента в полной мере соответствует глобальной стратегии уменьшения эмиссии углекислого газа при производстве портландцемента, которая оценивается в количестве более 5% от всех выбросов СО₂ 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 суспензий, в том числе с добавками микрокремнеземов, при максимальной концентрации твердой фазы и высоком водоредуцировании;

− получить порошковые и реакционно-порошковые предельно-напол- ненные 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-разжи- женных, 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 м²/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. Показаноназначение 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 песчаномбетоне, а совмещенные матрицы первого и второго родаобразуют 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, водопоглощение, 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 бетоне 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 цементана единицу прочности Ц ^уд =3,2 кг/МПа снижением дорогостоящего привозного щебняи 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 прочностьюна 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 получениявысокопрочных и особовысокопрочных порошковых бетонов М1200-1600 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 высокойтекучестью;

− принципы формирования структурной топологии дисперсно-зернистых смесей с изменяющимся и оптимизированным соотношением для каждого вида бетонов при порошковой активации их состава с переходом цементирующих 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 положенияи 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.

ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ