2.1 Характеристика сырьевых материалов

В исследованиях по разработке составов высокопрочных дисперсно- армированных бетонов и фибробетонов использовались цементы без добавочные ПЦ500 ДО нескольких цементных заводов. Характеристики, свойства химический и минералогический состав цементов по ГОСТ 10178- 85 приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Физико-технические характеристики и минералогический состав используемых цементов

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 ситах 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 SiO2 не менее 95% и пески чистые формовочные ЛГОК (Московская область) с модулем крупности 0,97. Для оценки высокой эффективности очень чистого кварца с содержанием SiO2 не менее 99,7% использовали тонкомолотые кварцевые наполнители Silverbond компании Si- belco (производитель Раменский ГОК) трех марок Silverbond 30 с дисперсностью менее 34 мкм, Silverbond 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 поверхностью по прибору ПСХ-2 460 м2/г, с насыпной плотностью 420 кг/м3 и микрокремнезем порошкообразный с удельной поверхностью 5500 м2/г и с насыпной плотностью 175 кг/м3 (табл. 2.2)) и Липецкий с содержанием SiO2 не менее 88 % с насыпной плотностью 170 кг/м3 с удельной поверхностью 5100 м2/кг, Челябинский микрокремнезем с насыпной плотностью 280 кг/м3 с удельной поверхностью по прибору ПСХ-2 – 2700 м2/г.

Также использовался Братский микрокремнезем от производства высокочистого кремния с содержанием аморфного SiO2 = 78-84 %, углерода – 1,4-2,5 %, с насыпной плотностью 195 кг/м3 и удельной поверхностью 5100 м2/кг (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Характеристики Новокузнецкого и Братского микрокремнеземов

В связи с развитием нанотехнологий для производства бетонов нового поколения использовали аморфные нанокремнеземы: Белая сажа БС-100 (с удельной поверхностью по ВЕТ не менее 100 м2/г) и БС-50 (с удельной поверхностью по ВЕТ не менее 50 м2/г) (ООО «Стройинжиниринг») и Newsil 125 производства WUXI QUE CHEN SILICON CO, LTD (Китай) с содержанием аморфного SiO2 не менее 98 % с удельной поверхностью по ВЕТ – 123 м2/г.

В качестве заменителей высокоэффективных микрокремнеземов использовали модифицированный диатомовый порошок производства Диатомового комбината (г. Инза, Ульяновской области). Массовая доля аморфного SiO2 не менее 83 % с содержанием Fe2O3 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 техуглерод и резина» с удельной поверхностью 14-18 м2/г (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Свойства углерода технического П803 производства ОАО «Ивановский техуглерод и резина»

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 МПК «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 Н10Т-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 НЕ, 20 Gold. Для сравнения использовали суперпластификатор немецкий на меламиновой основе Melment F10 и российские поликарбоксилатный гиперпластификатор «Хидетал 9γ» (г. Новозыбков, Брянская область) «ПОЛИПЛАСТ» (Новомосковск) и С-3

«СУПЕРПЛАСТ», (г. Владимир).

2.2 Методы исследований, приборы и оборудование

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 домолу 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 воды и суперпластификатора.

Определение реологических и реотехнологических (консистометрических) свойств систем. Пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига определяли на немецком вискозиметре Reotest 2. Для сопоставления

Рис. 2.1 Процедура приготовления бетонов нового поколения.

Рис. 2.2 Устройство для определения предела текучести по толщине слоя стекшей суспензии

предела текучести тонкодисперсных смесей, уточнения его использовали более точный метод – стекание суспензий с вертикальной пластинки (рис. 2.2).

Теория метода разработана академиком С.В. Нерпиным при решении дифференциальных уравнений гидродинамики и проверена простейшим рассмотрением схемы действующих сил В.И. Калашниковым [ ]:

Для более точного определения использовали прецизионный миниареометрический (нереологический) метод, разработанный В.И. Калашниковым [ ].При использовании миниареометра диаметром 2-3 мм, t определяется по массе ареометра – «m», глубине погружения – «h»,

плотности суспензии – « p » и ускорения силы тяжести – « g ». Процесс измерения занимает 2 минуты.

При использовании в качестве ареометра тонкой пластинки в уравнение входят дополнительно кроме массы пластинки толщина и ширина «а» ее:

Оптимальную растекаемость смесей, способность их самоуплотняться за счет самопроизвольного всплывания пузырьков вовлеченного воздуха, определяли по расплыву смесей из конического вискозиметра из формы- конуса Хагерманна.

Конус Хегерманна фирмы немецкой фирмы «ТЕSTING Bluhm & Feuer- herdt Gmbh», который состоит из 3-х составных частей: конуса Хегерманна, воронки для его заполнения и стеклянного основания диаметром 300 мм и толщиной 5 мм (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Конус Хегерманна

Конус Хагерманна от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4-81 при помощи воронки заполнялся суспензией или раствором. Затем он медленно вертикально поднимается таким образом, чтобы содержимое могло равномерно вытечь на стеклянное основание. Смесь равномерно растекалась по основанию без встряхивания. После растекания штангенциркулем измеряется диаметр расплыва.

Расчет относительной степени растекания Г определяли по формуле:

При изготовлении смесей для определения расплыва по немецкому тесту параллельно определялся расплыв смесей из цилиндра диаметром 4 см и высотой 4 см для выявления корреляции с расплывом конуса Хагерманна.

Для корректировки реотехнологических свойств в соответствие с российскими стандартами использовались показатели осадки стандартного конуса ОК (см) и расплыв на встряхивающем столике.

После установления оптимального расплыва смеси (рис. 2.4) из конуса изготавливались порошковые дисперсно-армированные бетоны с окончательной корректировкой содержания воды с учётом введения стальной фибры.

Рис. 2.4 Расплыв смеси из формы-конуса

Содержание вовлеченного воздуха при перемешивании определяли в литровом мерном цилиндре. В цилиндр заливали 500 мл порошковой бетонной смеси и доливали 500 мл воды. После перемешивания смеси и взвешивания ее, цилиндр устанавливали в вакуум-шкаф, вакуумировали и определяли содержание воздуха по уменьшению объема в цилиндре.

В лаборатории кафедры «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» для изготовления бетонов использовались формы-балочки 40×40×160 мм. Образцы твердели в полиэтиленовых мешках при относительной влажности воздуха 95-98 % в течение одних суток, затем распалубливались, обмерялись, взвешивались, дополнительно твердели в тех же условиях 27 суток и подготавливались к испытанию.

Деформации усадки определялись по стандартной методике ГОСТ 24544–81. Для определения усадки в торцевые поверхности образцов заформовывались репера из нержавеющей стали. Образцы хранились во влажных условиях в течение 28 суток, затем устанавливались в индикаторные стойки (рис.2.5) и помещались на воздух с естественно- колеблющейся переменной относительной влажностью воздуха, преимущественно, в диапазоне 60±5 %.

Рис. 2.5 Индикаторные стойки для определения воздушной усадки и набухания призм 40×40×160 мм, 70×70×280 мм и 100×100×400 мм.

Изменение размеров образцов фиксировали до относительной стабилизации изменений их, как правило, через 170-210 суток. Одновременно с определением усадки взвешиванием образцов фиксировалась потеря воды. После завершения усадочных деформаций образцы погружали в воду и периодически фиксировали увеличение размеров и поглощение воды в течение 150-200 суток.

Нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста определяли по ГОСТ 310.3-76. Определение марки цемента осуществляли на образцах- балочках 40х40х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора нормальной консистенции состава 1:3 с использованием стандартного крупного песка.

Определение прочности при сжатии осуществляли через 2, 7 и 28 суток на образцах 10×10×40 см на гидравлических прессах. Испытания на растяжение при изгибе осуществляли по трех и четырехточечной схеме, соответственно на балочках 40×40×160 мм и 100×100×400 мм.

Определение морозостойкости проводили в соответствии с ГОСТ 10060-95, а определение водопоглощения, плотности по ГОСТ 12730.1-78 ГОСТ 7025-78

Микроскопические исследования структуры выполнены на микроскопе QX3 фирмы Digital Blue. В отдельных случаях дисперсионный анализ сверхтонких частиц выполнялся на лазерном анализаторе размеров частиц Analysette 22 Nano Tech производства фирмы FRITSCH.