• 8 (499) 677-50-76

    Телефоны в Москве:    

    8(499)677-50-76 8(915)471-04-01

     

    e-mail:

    Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

    Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

    Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.         

БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ч.1

УДК 691.31:678.06

В.И. Калашников,

С.В. Ананьев,

Ю.С. Кузнецов,

В.Л. Хвастунов,

М.Н. Мороз

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

 

бетоны нового поколения с низким удельным расходом

 цемента на единицу прочности

 

1. Малоцементные пластифицированные бетоны с оптимальным соотношением молотых, очень мелких и средних песков в реологической матрице

 

Прогресс в технике высокопрочного бетона 70-80 г.г. ХХ века с прочностью на сжатие 50-70 МПа из жестких бетонных смесей переместился в область особовысокопрочных и сверхпрочных бетонов с прочностью на сжатие 100-200 МПа из нерасслаивающихся жидкотекучих бетонных смесей, с уменьшением предела текучести на 4-5 порядков по сравнению с уплотненными жесткими смесями. Этому способствовали три революционных этапа в эволюции бетона: изобретение супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП), тонкой и прочной фибры и плотных микропуццоланических добавок – микрокремнеземов (МК). Наиболее важное преимущество таких бетонов состоит в достижении ими прочности, превышающей в 1,5-1,6 раза прочность цементного камня из литой суперпластифицированной цементной суспензии с гиперпластификатором. Достижение низкой пористости, высокой прочности, равной 140-150 МПа, с обеспечением значительной трещиностойкости, малой усадки (хотя расход цемента достигает 600-700 кг/м3) такого композиционного материала, в котором отсутствует свободная известь, открывает значительные перспективы для производства малоцементных щебеночных бетонов марок 200-500 с использованием принципов создания высокопрочных бетонов. Это чрезвычайно актуально для России, в которой высокопрочные и особовысокопрочные бетоны классов В100-120, практически не востребованы.

Мы считаем, что четвертым революционным этапом в технологии высокопрочных бетонов, являются реакционно-активные и реологически-активные минеральные порошки, в частности, каменная мука из молотых горных пород, без наличия которой в структуре реологической матрицы невозможно получение бетонов класса В120-150 и более из самоуплотняющихся бетонных смесей. Некоторые материаловеды не соглашаются с таким категоричным утверждением, но без каменной муки эффективные бетоны не будут изготавливаться в будущем вообще.

Это касается и бетонов, изготавливаемых из малопластичных, полужестких и жестких смесей для заводской технологии производства сборного железобетона. В бетонах повышенных марок до М600 и рядовых менее М400, по нашим исследованиям, содержание каменной муки доходит до 100% и более от массы цемента, а по объему – 110-120% с уменьшением расхода цемента до 150-200 кг/м3. Каменная мука или просто минеральные дисперсные наполнители издавна добавлялись в цементы и бетоны в количестве 10-30% при замене цемента без снижения прочности бетона и для улучшения отдельных свойств последнего. В высокопрочных бетонах с гиперпластификаторами при малых расходах цемента каменная мука добавляется нами к цементу в соотношении по массе 1:1,75÷1:2, а по абсолютному объему 1:2-1:2,5. Это уже не добавка, а преобладающий составной компонент вяжущего, определяющий реологию бетонов с СП и водоредуцирующий эффект в них. Важным реологическим компонентом щебеночных бетонов является очень мелкий песок фракции 0,1-0,6 мм, который заполняет пустоты в среднем или крупном песке. В бетонах без СП и ГП каменная мука и очень мелкий песок в таком количестве существенно понижают их прочностные показатели. Без каменной муки в пластифицированных бетонах невозможно новое качественное и количественное изменение структуры и значительный «скачок» прочности их.

Сухие реакционно-порошковые смеси, состоящие из цемента, МК, каменной муки и очень мелкого песка, из которых можно изготавливать высокопрочные (ВПБ) и особовысокопрочные бетоны (ОВБ), согласно нашим исследованиям [1], безусловно, в будущем станут бетонами нового поколения, когда материаловеды освоят технологию их производства, а конструкторы – методы их применения в конструкциях. Если говорить о настоящем времени, то сухие реакционно-порошковые бетонные смеси (СРПБС) – это не просто готовые смеси для высокопрочных бетонов, это самый эффективный вид композиционного вяжущего (цементирующая связка) для различного вида бетонов. В наибольшей степени, это композиционное вяжущее необходимо для бетонов марок М100-М600, производство которых в России достигает 98%. Можно с уверенностью утверждать, что в будущем цементное вяжущее будет заменяться на более прочное, более трещиностойкое сухое реакционно-порошковое вяжущее (СРПВ), исходя из целого ряда позитивных факторов. Сферы применения СРПБС и результаты использования их изложены в [1]. Однако, более поздние экспериментальные работы кафедры ТБКиВ позволили получить за счет изменения рецептуры уникальные бетоны нового поколения с высокими технико-экономическими показателями без использования нанометрических частиц микрокремнезема. Необходимо отметить, что мы не обнаружили сообщений ни в отечественной, ни в иностранной литературе о подобных бетонах.

В связи с этим не следует искать прорывных технологий в производстве бетона, в виде нанотехнологий. Прорывные микротехнологии бетонов уже «лежат на поверхности» с наивысшей технико-экономической эффективностью за всю историю развития бетона и дожидаются своей реализации.

Очень будет жаль тех материальных средств, потраченных на «прорывные нанотехнологии» для модификации наночастицами высокодефектных (макродефектных) бетонов «пробивными» специалистами, оставив вне внимания разработанные технологии малодефектных (нано- и микродефектных) высокопрочных, особовысокопрочных бетонов с повышенными расходами цементов и рядовых бетонов марок 200-500 с расходами цемента 150-210 кг/м3 с использованием основных революционных достижений в эволюции бетонов.

Если говорить о выборе базового материала, следуя ТЭО нанотехнологий, рассмотренного в работе [2], то для бетонов базовой оценкой являются реакционно-порошковые и щебеночные бетоны нового поколения классов В120-150 с каменной мукой, плотными пуццоланическими добавками и с СП и ГП. Для цементов базовой оценкой их прочности в тесте нормальной густоты являются цементные реакционно-порошковые смеси для порошковых бетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, равным 3-5 кг/МПа, водопоглощением по массе 0,5-1,0%!, морозостойкостью более 1000 циклов.

Строящиеся цементные заводы должны своевременно изменить свои приоритеты и не только производить портландцемент для широкого потребителя в больших объемах, но и запланировать производство СРПБС с установкой помольных линий. В структуре цементного завода для этого имеется все необходимое: сушильное оборудование, отходящие газы, помольное оборудование, силосные склады, упаковочные линии.

Сухие реакционно-порошковые смеси должны изготавливаться, как минимум, четырехкомпонентными: цемент, гиперпластификатор, дисперсный молотый наполнитель в виде каменной муки, тонкозернистый песок. В отдельных случаях должен использоваться микрокремнезем в количестве 5-25% к массе цемента.

Чем обусловлена высокая эффективность СРПБС по сравнению с портландцементами, даже высоких марок М550-600 Д0, которые практически не выпускаются в России? Во-первых, в обеспечении высокой текучести и взвешивающей способности, позволяющей не расслаиваться щебеночным бетонам. Во-вторых – в сбалансированности состава, при котором портландит силикатных клинкерных минералов связывается микрокремнеземом тончайшими частицами кремнеземсодержащих реакционно-активных горных пород. При этом «балластный» гидроксид кальция замещается в порах цементного камня высокопрочными гидросиликатами кальция.

Выбор молотого кварцевого песка или горных пород, содержащих кварц или кремнеземсодержащие стекла, наиболее желателен. Тончайшие частицы таких пород связываются с известью в ранние сроки, а более крупные – в поздние сроки твердения, что снижает долю стехиометрически необходимого микрокремнезема или вообще способствуют исключению его. Крупнокристаллический портландит превращается в нанометрический гидросиликат кальция. Молотые известняки, обладающие реологической активностью, но не реагирующие с известью, менее предпочтительны, особенно, для высокопрочных бетонов.

Химико-минералогический диапазон состава, используемой каменной муки, достаточно широк и требование сочетания в ней реакционно-химической и реологической активности может быть необязательным. Для бетонов марок М800-1000, мука может быть лишь реологически активной, например, из плотных и прочных известняков, доломитизированных известняков или доломитов. Для бетонов более высоких марок, хорошее сочетание реакционно-химической и реологической активности, выявлено нами в базальтовой, кварцево-дацитовой, гранитной, андезитовой муке и в ряде других молотых горных пород. Особое положение в ряду активностей занимает молотый кварцевый песок (наиболее распространенная порода во многих регионах), который в индивидуальном виде не обладает реологической активностью, но кардинально повышает ее в смеси с цементом в суспензиях с СП. Реологическая активность молотого кварцевого песка и других кислых пород «пробуждается» в смеси с цементом или с известью в результате перезарядки поверхности с отрицательной на положительную. Механизм перезарядки поверхности дисперсного кварца катионом кальция был выявлен нами в 80-х годах. Поэтому разработанная нами методика тестирования реологической активности каменной муки, предусматривает сравнение текучестей пластифицированных  цементной суспензии и суспензий смешанного порошка из муки и цемента, взятых в соотношении 1:1÷1:2, при одинаковых дозировках гиперпластификатора. При этом определяется количество воды затворения.

Показателем реологической активности является водоредуцирующий эффект, вычисленный по водосодержанию контрольного и пластифицированных составов при одинаковых текучестях или одинаковых расплывах смеси из конуса Хагерманна (расплыв 25-30 см) или из цилиндра диаметром 50 мм и высотой 50 мм (расплыв 150±10 мм). Более высокий водоредуцирующий эффект суспензии на основе смеси цемента и муки по сравнению с цементной, является основным критерием, обеспечивающим получение высокопрочных бетонов. При этом суспензии должны обладать тиксотропным ресурсом продолжительного растекания (установленного нами в 80-х годах), не образовывать на поверхности розлива выступов и впадин, а капли суспензии, нанесенные на поверхность розлива, должны втягиваться в объемную фазу без образования полусферических или шаровых сегментных выступов [3].

Высокопрочные щебеночные бетоны М1000-М1500 получены нами из пластичных и жестких бетонных смесей. Более перспективно использование сухой реакционно-порошковой смеси для получения бетонов как высоких, так и низких марок.

Как указано выше в России 98-99% выпускаемых бетонов имеют марку до М500. Удельный расход цемента (Цуд) на единицу прочности в них более 8-10 кг/МПа. При изготовлении «тощих» бетонов на мелких песках Цуд достигает 10-12 кг и никакие гиперпластификаторы в этом случае не снижают его. В разработанных нами бетонах Цуд не превышает 4,5-5,0 кг/МПа и понижается до 3,5 !

При производстве бетонов для заводской технологии сборного железобетона то соотношение компонентов в бетонных смесях, уплотняемых механическими способами различной интенсивности, должно радикально меняться в сравнении с соотношением компонентов в высокопрочных самоуплотняющихся бетонах (рис. 1).

Рис. 1 Концепция формирования составов высокоэффективных бетонов

 от сверхпрочных самоуплотняющихся до рядовых с различной интенсивностью механического уплотнения

Концепция формирования состава при переходе от самоуплотняющихся сверхпрочных бетонов до высокоэффективных 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.

Приведем несколько примеров реализации принципов создания таких бетонов нового поколения.

Для изготовления бетонов общестроительного назначения марок 250-600 использовали СРПБС, включающую портландцемент Вольский М500 ДО, наиболее эффективный по нашему мнению, поликарбоксилатный гиперпластификатор Melflux 1641 F, молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 3300 см2/г, мелкий кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм и Новокузнецкий гранулированный микрокремнезем. В качестве заполнителей добавляли средний Красноярский полевошпатовый намывной песок и доломитизированный щебень с прочностью по дробимости Д800-1000 или диабазовый щебень с Д1400 фракции 5-10 мм.

Результаты испытания бетонов приведены в таблице 1.

Как следует из табл. 1, фактические показатели прочности с учетом пересчета прочности на базовые образцы-кубы 150×150×150 мм соответствовали маркам М500-М600. Отечественная промышленная практика (а, возможно, и зарубежная) не имела прецедентов получения таких бетонов при расходе портландцемента 236 кг/м3 из пластичной марки П-1 и жесткой марки Ж-1. Характерно то, что снижение дозировки ГП и замена щебня увеличили плотность бетона и повысили прочность на 26%. При этом, предложенные нами [4] безразмерные реологические критерии: избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсной матрицы с МК над абсолютным объемом очень мелкого песка , избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсно зернистой матрицы над абсолютным объемом песка заполнителя (среднего песка)  и избытка объема цементно-водно-дисперсно-песчаной, т.е. растворной матрицы над объемом щебня – , были очень высокими.

Вторая серия бетонов была изготовлена с минимальными расходами цемента 150 и 180 кг/м3.

Использовались сырьевые составы, аналогичные составу №1 (табл. 1). Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Как следует из результатов в бетоне с расходом цемента 150 кг/м3 прочность составила 33,6 МПа, что соответствует марке М300, а в бетоне с расходом цемента 180 кг/м3 – М400. Удельные расходы цемента на единицу прочности, соответственно, были равны 4,46 и 4,18 кг.

Из анализа приведенных в табл. 1 и 2 результатов, а также из результатов испытания 12 составов бетонов с марками по прочности на сжатие М700-М1200 была выявлена закономерность: с уменьшением содержания цемента доля молотого песка должна быть соизмерима с расходом портландцемента и их массовое соотношение должно приближаться к единице, а отношение очень мелкого песка фр. 0,16-0,63 мм к цементу – к 2,5-3,5.


Таблица 1

Составы бетонов, прочностные показатели, рецептурные и реологические параметры

Состав

Расход,

кг/м3

Абсолютн.

объем

компонентов, л

В/Ц

В/Т

консист.

ρ

кг/м3

Прочность, МПа при сжатии/при изгибе,

через (сут)

Ц/R

кг/МПа

1

3

7

28

Состав 1

ПЦ Вольский, ЦДС с

0,9% Melflux 1641

236

75,8

0,62

0,064

2380

13,3

4,1

26,0

6,2

38,5

7,9

52,4

8,7

4,50

Молотый песок (Пм) Sуд=3470 см2

217

82,0

ОК=8

 

Очень мелкий кварцевый песок (Пом) фр. 0,16-0,63 мм

469

117,0

   

Соотношение компонентов и реологические критерии

Микрокремнезем Новокузнецкий (МК)

31,3

13,6

   

ПМ

Ц

Пом

Ц

ПЗ

Ц

Щ

Ц

     

Песок полевошпатовый (П3), средний (г.Красноярск)

472

168,6

   

0,92

1,98

2,0

3,60

1,80

2,91

2,09

Щебень известняковый доломитизированный (Щ) фр.5-10 мм

849

315,0

   

Вода

146

146

   

Состав 2

ПЦ Вольский, ЦДС с 0,75% Melflux 1641

236

75,8

0,62

0,064

Ж-10-15 с

2410

15,0

4,3

30

6,6

43,2

7,6

66,0

9,3

3,57

Молотый песок (Пм) Sуд=3470 см2

217

82,0

   

Соотношение компонентов и реологические критерии

Очень мелкий кварцевый песок (Пом) фр. 0,16-0,63 мм

469

117,0

   

ПМ

Ц

Пом

Ц

ПЗ

Ц

Щ

Ц

     

Микрокремнезем Новокузнецкий (МК)

31,3

13,6

   

0,92

1,98

2,0

3,60

1,80

2,91

2,09

Песок полевошпатовый (П3), средний (г.Красноярск)

472

168,6

   

Щебень известняковый диабазовый (Щ) фр.5-10 мм

849

315,0

                 

Вода

                     
                                           

Таблица 2

Свойства бетонов рядовых марок, прочностные показатели, рецептурные и реологические параметры

Состав

Расход,

кг/м3

Абсолютн.

объем

компонентов, л

В/Ц

В/Т

консист.

ρ

кг/м3

Прочность, МПа при сжатии/при изгибе,

через (сут)

Ц/R

кг/МПа

1

3

7

28

Состав 3

ПЦ Вольский, ЦДС с 0,75 % Melflux 2641

150

48,4

0,103

2390

8,1

2,1

15,1

3,3

20,0

4,6

33,6

6,5

4,46

Молотый песок (Пм) Sуд=3470 см2

158

59,6

0,068

 

Очень мелкий кварцевый песок (Пом) фр. 0,16-0,63 мм

527

199,0

ОК=1-4

 

Соотношение компонентов и реологические критерии

Микрокремнезем Новокузнецкий (МК)

37,6

16,3

   

ПМ

Ц

Пом

Ц

ПЗ

Ц

Щ

Ц

     

Песок полевошпатовый (П3), средний (г.Красноярск)

550

203,7

   

1,05

3,5

3,66

5,53

1,41

2,35

2,22

Щебень известняковый доломитизированный (Щ) фр.5-10 мм

830

307,4

   

Вода

157

157

   

Состав 4

ПЦ Вольский, ЦДС с

0,75% Melflux 2641

180

58

0,92

2360

10

2,6

21,8

5,2

33

7,1

43

8,9

4,18

Молотый песок (Пм) Sуд=3470 см2

170

64

0,071

 

Соотношение компонентов и реологические критерии

Очень мелкий кварцевый песок (Пом) фр. 0,16-0,63 мм

497

187,5

   

ПМ

Ц

Пом

Ц

ПЗ

Ц

Щ

Ц

     

Микрокремнезем Новокузнецкий (МК)

35

15,2

ОК=1-4

 

0,94

2,76

2,95

4,72

1,59

2,42

2,26

Песок средний (П3), средний

(г. Красноярск)

532

200,7

   

Щебень доломитизированный (Щ) фр.5-10 мм

850

303,5

                 

Вода

162

162

                 
                                           


Обобщающим критерием, который определяет зависимость прочности бетона от его значения, является отношение суммы масс молотого песка, очень мелкого песка и МК к массе цемента. Он может быть использован для разработки нового метода расчета состава малоцементных бетонов нового поколения.

В заключении можно надеяться, что рядовые бетоны найдут свое применение в силу их высокой экономичности. Очень мелкие пески, которые невостребованы в бетонах старого поколения, имеются во многих регионах. В Пензенской области имеются несколько месторождений очень мелких песков, отдельные из которых содержат в своем составе 90-95% тонких фракций 0,16-0,63 мм. Помол таких песков существенно снижает расход энергии на измельчение. Бетоны, в которых мы использовали мелкую фракцию, извлеченную из отсевов камнедробления горных пород, имеют близкие значения физико-технических свойств бетонов на кварцевых песках.

Библиографический список

 

  1. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Мороз М.Н., Кузнецов Ю.С., Ананьев С.В., Троянов И.Ю., Хвастунов А.В. Сухие реакционно-порошковые сухие смеси – новые виды вяжущих для создания различных видов бетонов. Сборник статей Международной научно-технической конференции. Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов. Пенза. Приволжский Дом Знаний, 2009. С. 63-69.
  2. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Оценка технико-экономической эффективности нанотехнологий в строительных материалах // Строительные материалы, 2009, №6, С. 66-67.
  3. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны / Научное издание: – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. – 368 с.
  4. Калашников В.И. Расчет составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы, 2008, №10, С. 4-6.
  5. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов // Популярное бетоноведение. Санкт-Петербург, 2008, №3. С. 102-107.
  6. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов // Технологии бетонов, 2007, №5, С.8-10; №6 С. 8-11; 2008, №1 С. 22-26.


Корзина

Итоговая сумма:   0.00 Руб
В корзину

Отложенные

0 Товары - 0.00 Руб
Перейти в отложенные

Обратный звонок

Напишите свое имя и номер телефона и мы с радостью перезвоним Вам.

Яндекс цитирования Яндекс.Метрика