Высокодисперсные наполнители для порошково-активированных бетонов нового поколения
В.И. Калашников , С. В. Ананьев , Р.Н. Москвин , Е.А Белякова , В.С. Белякова , А.В. Петухов
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Ключевые слова: тонкодисперсные наполнители, каменная мука, зола, прочность, самоуплотняющиеся бетоны.
Введение: Под порошково-активированными бетонами нового поколения (термин «порошковоактивированные бетоны» введен нами и охарактеризован в работах [8, 9]) понимаются сверхпрочные, высокопрочные бетоны и бетоны с традиционной прочностью. Они включают 7-9 компонентов и имеют низкий удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем уд ЦR = 3,5-6 кг/МПа. Бетонные смеси таких бетонов состоят из набора сухих компонентов с непрерывной гранулометрией частиц от макро- до пикомасштабного уровней. В порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонах нового поколения наиболее важными компонентами, определяющими реологию, являются реологически-активные дисперсные добавки, цемент и каменная мука с частицами близкого микрометрического масштабного размера. Для более прочных бетонов используют нанометрические добавки (рис. 1). Таким образом, водная дисперсия данных компонентовбетона под действием супер- и гиперпластификаторов формирует реологические матрицы бетонной смеси
Рис. 1. Компоненты порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения с микро- и наномасштабными наполнителями
В.И. Калашников , С. В. Ананьев , Р.Н. Москвин , Е.А Белякова , В.С. Белякова , А.В. Петухов
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Ключевые слова: тонкодисперсные наполнители, каменная мука, зола, прочность, самоуплотняющиеся бетоны.
Введение: Под порошково-активированными бетонами нового поколения (термин «порошковоактивированные бетоны» введен нами и охарактеризован в работах [8, 9]) понимаются сверхпрочные, высокопрочные бетоны и бетоны с традиционной прочностью. Они включают 7-9 компонентов и имеют низкий удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем уд ЦR = 3,5-6 кг/МПа. Бетонные смеси таких бетонов состоят из набора сухих компонентов с непрерывной гранулометрией частиц от макро- до пикомасштабного уровней. В порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонах нового поколения наиболее важными компонентами, определяющими реологию, являются реологически-активные дисперсные добавки, цемент и каменная мука с частицами близкого микрометрического масштабного размера. Для более прочных бетонов используют нанометрические добавки (рис. 1). Таким образом, водная дисперсия данных компонентовбетона под действием супер- и гиперпластификаторов формирует реологические матрицы бетонной смеси
Рис. 1. Компоненты порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения с микро- и наномасштабными наполнителями
Реологические матрицы. Тонкодисперсные матрицы в бетонных смесях для обычных, высокопрочных и особовысокопрочных бетонов по функциональному действию можно разделить на следующие виды.
1. Матрица будет реологически-активной, если в результате ее применения произойдет усиление реологического действия СП в цементно-водноминеральной суспензии или его сохранение по сравнению с цементно-водной. Данный эффект обуславливается повышенным водоредуцирующим действием СП на цементную матрицу, наполненную каменной мукой (известняк, мрамор, доломит), и, как следствие, снижением расхода воды. При этом она уменьшается в объеме, становится более плотной и более прочной, сопоставимой с прочностью крупного заполнителя (гранита, плотного известняка и т. п.). Снижение расхода цемента в традиционных бетонах марок М200-500 и уменьшение его роли в формировании прочности бетона компенсируется повышением плотности, и, как следствие, увеличением прочности. Если же такие матрицы получают значительным наполнением бетона каменной мукой, усиливающей реологическое действие СП, и объем матрицы заметно возрастает, то прочность бетона существенно увеличивается.
2. Реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие делает возможным реализовать реакционно-химическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью и другими продуктами гидратации портландцемента или, в некоторых случаях, твердеть самостоятельно. При этом реотехнологические показатели при использовании некоторых пористых пород могут быть ухудшены, т. к. происходит поглощение воды и загущение системы. Например, при введении обожженного и природного диатомита в количестве 10-20 % от массы цемента в цементноминеральную суспензию водотвердое отношение увеличится на 15-30 % при сохранении подвижности [2, 13]. Другими пористыми реакционно-активными породами являются опоки, трепелы, вулканические туфы.
3. Реологически- и реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие позволяет усиливать не только реологическое и водоредуцирующее действие СП, но и дает возможность реализовать реакционнохимическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью портландцемента. Некоторые техногенные отходы (шлак, зола) твердеют самостоятельно. К горным породам, обладающим реакционно-химической способностью, относятся кремень, халцедон, андезит, базальт, дацит, некоторые вулканические пеплы истекла, трассы, молотый гравий и другие. К искусственным материалам относятся отходы от производства некоторых видов керамики, кварцевого стекла, МК, микрокаолин, некоторые золы и шлаки и др. Все эти компоненты являются незаменимыми в составе высокопрочных бетонов. И эффективность от их применения обуславливается не только видом каменной муки, т. е. ее реакционной активностью, но и дисперсностью, которая должна быть на субмикроразмерном уровне.
Обоснование решения. Исходя из анализа проведенных исследований [1, 4], установлено, что порошково-активированные песчаные или щебеночные бетоны могут быть изготовлены без этих реакционноактивных добавок, если не требуется высокая прочность. Основную функцию выполняют реологически-активные наполнители: цемент, каменная мука и тонкий песок, которые дают возможность получить большой объем цементно-минерально-водной суспензии, определяющей течение бетонных смесей.
Реакционно-активный микрокремнезем (МК) в количестве 10-15 % от массы цемента повышает прочность бетонов на 15-25 % и в основном играет роль компонента, связывающего выделяющуюся в бетоне известь – портландит и повышающего долю гидросиликатного цементирующего вещества. Он в количестве до 25 %, имея высокую дисперсность (2500- 5000 м 2 /кг по прибору ПСХ), в смеси с цементом практически не загущает цементно-минеральных пластифицированных суспензий и позволяет получить прирост прочности, незначительно увеличивая содержание водно-дисперсной суспензии. Повышенное содержание МК свыше 25 % приводит к потере агрегативной устойчивости с ухудшением реологических свойств.
Так, при рассмотрении бетонов переходного поколения, состоящих из цемента, песка-заполнителя, щебня и воды с добавлением суперпластификатора, реологической матрицей будет являться водноцементная или водно-дисперсная суспензия (VВЦ). В бетонной смеси состава: цемента 310 кг/м3 (ρ = 3,1 г/см3 ), щебня 1200 кг/м3 (ρ = 2,7 г/см3 ), песка заполнителя 830 кг/м3 (ρ = 2,65 г/см3 ), СП 1 % от Ц и воды в количестве 140 л объем цементной суспензии составит:
Vвд=310/3.1+140=240л
, что занимает 24 % от объема бетонной смеси. При добавлении микрокремнезема (ρ = 2,3 г/см3 ) в количестве 10 % от массы цемента, уменьшении расхода песка для сохранения объема бетонной смеси 1000 л объем Vвд, как было сказано
Vвд=310/3.1+31/2.3=253.5 л
, или 25,4 %, т. е. произойдет увеличение объема дисперсной реологической матрицы на 1,4 %. При дальнейшем увеличении количества МК до 25 % необходимо увеличение количества воды до 150 л на 1 м3 при сохранении заданной подвижности смеси. Тогда Vвд увеличится:
Vвд=310/3.1+77.5/2.3+150=283.7 л
, или 28,4 % от общего объема бетонной смеси.
Как видно, в бетонах переходного поколения объем водно-дисперсной реологической матрицы в данном случае может составлять от 24 до 28 %, что является недостаточным для обеспечения высоких реотехнологических показателей бетонных смесей. Высокопластичные бетонные смеси с маркой П4 получить без их расслоения невозможно. Для увеличения текучести необходимо увеличить объем дисперсной суспензии VВД. Это достигалось повышением расхода цемента до 500 кг на 1 м 3 и получением марок бетонной смеси по пластичности П5 с осадкой конуса 20-22 см.
Для получения высокопластичных бетонных смесей старого и переходного поколений с расходом цемента до 200-250 кг/м3 существовал и существует реологический «запрет», связанный с низкой эффективностью суперпластификаторов, вне зависимости от их дозировки, и невозможностью получить подвижные бетонные смеси без дальнейшей расслаиваемости. Рассмотрим реологические возможности щебеночных бетонов нового поколения без использования реакционно-активных нанокомпонентов. Определим объемы реологических матриц различного уровня при аналогичном расходе цемента в щебеночном бетоне нового поколения следующего состава на 1 м3 :
цемент – 310 кг,
микрометрический наполнитель – 220 кг,
тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм – 360 кг,
песок-заполнитель фр. 0,63-5,0 мм – 450 кг,
щебень фр. 5-10 мм – 1000 кг,
гиперпластификатор – 0,8 % от Ц – 2,5 кг,
вода – 150 л.
Как известно из работ профессора В.И. Калашникова [7, 10], в бетонах нового поколения присутствуют реологические матрицы нескольких уровней. Матрица I уровня представляет собой водную суспензию цемента и микрометрического наполнителя; объем ее в бетонной смеси без использования МК составляет:
Vвд=310/3.1+220/2.65+150=333 л
, или 33,3 % объема бетонной смеси, что на 47 % больше, чем у бетона старого поколения.В матрице II уровня в объем водно-дисперсной суспензии добавляется тонкий песок. В этом случае объем водно-дисперсной суспензии Vвдт составит:
Vвдт=310/3.1+220/2.65+360/2.65+150=469 л
, что составляет 47 % от объема бетонной смеси. Как видно, объем реологической матрицы в бетонах нового поколения без микрокремнезема в 1,5-2,0 раза больше, чем в бетонах старого и переходного поколений. Это позволяет получать бетонные смеси с расходами цемента 200-350 кг/м3 , осадкой стандартного конуса 25-26 см и прочностью при сжатии 40-120 МПа по сравнению с 15-40 МПа для бетонов переходного поколения, изготовленных из малопластичных бетонных смесей [2 – 5, 8, 7, 14].
Сырьевая база. Анализ технической литературы и внедрений результатов диссертационных работ по порошково-активированным бетонам нового поколения [1, 3, 4, 6, 14, 15] показал, что многие проведенные исследования преследовали цель использования при проектировании составов бетонов в качестве тонкодисперсных минеральных добавок кварцевые пески как наиболее распространенные во многих регионах России. В связи с тем, что в большинстве областей страны, кроме кварцевых песков, имеются месторождения осадочных пород, таких, как известняки, доломитизированные известняки, доломиты, песчаники, использование их в качестве дисперсных наполнителей является весьма актуальным. При дроблении щебня известняковые или доломитовые отсевы на карьерах часто размалываются, и каменная мука используется в качестве раскислителей почвы или дисперсного наполнителя в асфальтобетоны. Применение их является также чрезвычайно важным с позиции энерго- и материалосбережения. Эти отходы содержат овеществленный труд: на них затрачена энергия на добычу и дробление. Если взять регионы с месторождениями вулканических пород, например, гранитами, диабазами и базальтами, то на карьерах отходы камнедробления накапливаются в значительно бóльшем количестве. Они редко используются в качестве дисперсных минеральных добавок при изготовлении асфальтобетона [15, 11, 16] и совершенно не используются для улучшения почв, т. к. являются кислыми. Для таких регионов применение отходов для производства бетонов решает не только весьма важную экологическую задачу – уменьшение площади отчуждаемых земель под хранение отходов, но и техническую задачу – утилизации их в производстве строительных материалов [12]. На современном этапе развития технологии бетона решающую роль сыграли выявленные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов микрометрическими реологически-активными добавками. Они кардинально изменяют структуру бетонных смесей, их реологические свойства, плотность, прочность и проницаемость затвердевшего бетона, а вместе с тем уменьшают негативные воздействия различных агрессивных сред. Реакционнохимическая активность дисперсных наполнителей из многих горных пород вулканического происхождения в настоящее время практически не выяснена, по крайней мере, в ранний период твердения. Естественно, что глубинные кварцсодержащие породы, включающие в своем составе свободный кварц, будут потенциально реакционно-активными в длительные сроки твердения, что требует изучения изменений физико-технических свойств во времени.
Отдельно нужно отметить группу добавок, проявляющих свойства самостоятельного твердения, например, металлургические шлаки, золы ТЭЦ и др. Способность тонкомолотых металлургических шлаков образовывать твердеющие структуры при затворении водой зависит от степени их основности и стеклования при остывании. Наиболее пригодными являются стекловидные гранулированные шлаки, получаемые охлаждением жидкого расплавленного шлака водой.
В свою очередь активность зол зависит от состава, температурного режима сжигания топлива, а также от размера его частиц и продолжительности пребывания в зоне высоких температур.
Нормативная база. При производстве современных бетонов минеральные наполнители получили широкое распространение. Их классификация и применение регламентируются соответствующими стандартами. Так, в России согласно ГОСТ 24211-2008 минеральной добавкой считается дисперсная неорганическая добавка природного или техногенного происхождения, вводимая в смеси в процессе их приготовления с целью направленного регулирования их технологических свойств и/или строительно-технических свойств бетонов и растворов, и/или придания им новых свойств. Минеральные добавки в зависимости от характера взаимодействия с продуктами гидратации цемента подразделяют на типы [5]:
− тип I – активные минеральные;
− тип II – инертные минеральные.
Активные минеральные добавки подразделяют на следующие группы:
− обладающие вяжущими свойствами;
− обладающие пуццолановой активностью;
− обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью.
В соответствии с классификацией по Европейскому стандарту EN 206-1 [17] минеральные добавки бывают:
− инертные (или почти инертные), не вступающие в реакцию с гидролизной известью, которая выделяется портландцементом в процессе гидратации. Они в этом случае могут быть просто наполнителями. Минеральные наполнители должны отвечать требованиям EN 1260;− пуццоланические, или с замедленной пуццоланической реакцией (активные добавки). Они связывают гидролизную известь портландцемента в гидросиликаты кальция (зола-унос EN 450, и микрокремнезем – EN 13263). В конце 80-х годов комитет 73-SBC RILEM представил вариант классификации минеральных добавок техногенного происхождения, которая выполнена по таким критериям, как пуццолановая активность и вяжущие свойства. Эта классификация позволяет оценить материалы с точки зрения их воздействия на цементные системы, поэтому представляется более объективной, чем обычная классификация минеральных добавок по их происхождению.
Заключение По нашему мнению, в порошково-активированных бетонах нового поколения с СП не может быть инертных добавок. В соответствии с этим добавки делятся на реакционно-активные, реологическиактивные и гидратационно-твердеющие. Некоторые реологически-активные добавки могут обладать замедленной (латентной) реакционной активностью в зависимости от тонкости помола. Однако не все добавки можно четко отнести к той или иной группе. Все кварцсодержащие породы: гранит, диабаз, базальт вулканического происхождения могут содержать кварц как в кристаллическом, так и в стекловидном состоянии. Есть породы, которые нельзя отнести к реакционно-активным горным породам (известняк и доломит). Но они являются хорошей подложкой в виде центров кристаллизации. Эпитаксиальное наращивание делает эти породы, хотя и не реакционно-способными в плане образования новой фазы, но хорошими подложками для кристаллизации гидросиликатов кальция вследствие значительного разнообразия габитусов кристаллов. Таким образом, предлагаемая рецептура порошковоактивированных пластифицированных бетонов нового поколения открывает большие возможности прогресса в технике и технологии бетонов. Однократный помол дисперсных наполнителей в разы экономичнее, чем двукратное дробление, двукратный помол (сырья и клинкера), высокотемпературный обжиг при производстве цемента. Важно то, что неиспользуемые отсевы горных пород фр. 5-10 мм имеются лишь в некоторых регионах, а пески и известняки – в большинстве, и они децентрализованы, в отличие от централизованных производств портландцемента. До тех пор, пока в России не будет налажен выпуск дисперсных наполнителей, не будет развиваться и производство высокоэффективных порошковоактивированных бетонов нового поколения
Литература
1. Ананьев С.В. Состав, топологическая структура и реотехнологические свойства реологических матриц для производства бетонов нового поколения: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2011. 148 с.
2. Белякова Е.А. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2013. 190 с.
3. Валиев Д.М. Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения на реакционно-порошковой связке: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2013. 167 с.
4. Володин В.М. Порошково-активированный высокопрочный песчаный бетон и фибробетон с низким удельным расходом цемента на единицу прочности: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2012. 160 с.
5. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 16 с.
6. Гуляева Е.В. Реотехнологические характеристики пластифицированных цементно-минеральных дисперсных суспензий и бетонных смесей для производства эффективных бетонов: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2012. 178 с.
7. Калашников В.И. Через рациональную реологию – в будущее бетонов // Технологии бетонов. 2007. № 5. С. 8-10; 2007. № 6. С. 8-11; 2008. № 1. С. 22-26.
8. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103-106.
9. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-72.
10. Калашников В.И. Бетоны: макро-, нано- и пикомасштабные сырьевые компоненты. Реальные нанотехнологии бетонов // Дни современного бетона. От теории к практике: сб. докл. конф. Запорожье, 2012. С. 38-50.
11. Калашников В.И., Троянов И.Ю., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Суздальцев О.В., Каледа В.Н. Трехслойные крупноформатные стеновые блоки из высокопрочного реакционнопорошкового бетона // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. междун. науч.-технич. конф. Пенза: ПДЗ, 2013. С. 39-42.
12. Калашников В.И., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Ибрагимов Р.А. Приоритетные направления в технологии бетонов // Там же. С. 34-38.
13. Калашников В.И., Тараканов О.В., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Тростянский В.М. Стабилизация водной суспензии высокодисперсного биокремнезема для использования в производстве растворов и бетонов // Там же. С. 21-24. 14. Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2006. 163 с.
15. Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф, Коллепарди М. Добавки в бетон: справ. пособие. М.: Стройиздат, 1988. 286 с.
16. Хозин В.Г., Морозов Н.М., Степанов С.В., Боровских И.В. Высокопрочные цементные бетоны для дорожного строительства // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 15-17.
17. DIN EN 206-1 Norm, 2001-07. Beton – Teil 1: Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat. Deutsche Fassung EN 206- 1:2000, Beuth Verlag. Berlin. 72 p.
1. Матрица будет реологически-активной, если в результате ее применения произойдет усиление реологического действия СП в цементно-водноминеральной суспензии или его сохранение по сравнению с цементно-водной. Данный эффект обуславливается повышенным водоредуцирующим действием СП на цементную матрицу, наполненную каменной мукой (известняк, мрамор, доломит), и, как следствие, снижением расхода воды. При этом она уменьшается в объеме, становится более плотной и более прочной, сопоставимой с прочностью крупного заполнителя (гранита, плотного известняка и т. п.). Снижение расхода цемента в традиционных бетонах марок М200-500 и уменьшение его роли в формировании прочности бетона компенсируется повышением плотности, и, как следствие, увеличением прочности. Если же такие матрицы получают значительным наполнением бетона каменной мукой, усиливающей реологическое действие СП, и объем матрицы заметно возрастает, то прочность бетона существенно увеличивается.
2. Реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие делает возможным реализовать реакционно-химическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью и другими продуктами гидратации портландцемента или, в некоторых случаях, твердеть самостоятельно. При этом реотехнологические показатели при использовании некоторых пористых пород могут быть ухудшены, т. к. происходит поглощение воды и загущение системы. Например, при введении обожженного и природного диатомита в количестве 10-20 % от массы цемента в цементноминеральную суспензию водотвердое отношение увеличится на 15-30 % при сохранении подвижности [2, 13]. Другими пористыми реакционно-активными породами являются опоки, трепелы, вулканические туфы.
3. Реологически- и реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие позволяет усиливать не только реологическое и водоредуцирующее действие СП, но и дает возможность реализовать реакционнохимическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью портландцемента. Некоторые техногенные отходы (шлак, зола) твердеют самостоятельно. К горным породам, обладающим реакционно-химической способностью, относятся кремень, халцедон, андезит, базальт, дацит, некоторые вулканические пеплы истекла, трассы, молотый гравий и другие. К искусственным материалам относятся отходы от производства некоторых видов керамики, кварцевого стекла, МК, микрокаолин, некоторые золы и шлаки и др. Все эти компоненты являются незаменимыми в составе высокопрочных бетонов. И эффективность от их применения обуславливается не только видом каменной муки, т. е. ее реакционной активностью, но и дисперсностью, которая должна быть на субмикроразмерном уровне.
Обоснование решения. Исходя из анализа проведенных исследований [1, 4], установлено, что порошково-активированные песчаные или щебеночные бетоны могут быть изготовлены без этих реакционноактивных добавок, если не требуется высокая прочность. Основную функцию выполняют реологически-активные наполнители: цемент, каменная мука и тонкий песок, которые дают возможность получить большой объем цементно-минерально-водной суспензии, определяющей течение бетонных смесей.
Реакционно-активный микрокремнезем (МК) в количестве 10-15 % от массы цемента повышает прочность бетонов на 15-25 % и в основном играет роль компонента, связывающего выделяющуюся в бетоне известь – портландит и повышающего долю гидросиликатного цементирующего вещества. Он в количестве до 25 %, имея высокую дисперсность (2500- 5000 м 2 /кг по прибору ПСХ), в смеси с цементом практически не загущает цементно-минеральных пластифицированных суспензий и позволяет получить прирост прочности, незначительно увеличивая содержание водно-дисперсной суспензии. Повышенное содержание МК свыше 25 % приводит к потере агрегативной устойчивости с ухудшением реологических свойств.
Так, при рассмотрении бетонов переходного поколения, состоящих из цемента, песка-заполнителя, щебня и воды с добавлением суперпластификатора, реологической матрицей будет являться водноцементная или водно-дисперсная суспензия (VВЦ). В бетонной смеси состава: цемента 310 кг/м3 (ρ = 3,1 г/см3 ), щебня 1200 кг/м3 (ρ = 2,7 г/см3 ), песка заполнителя 830 кг/м3 (ρ = 2,65 г/см3 ), СП 1 % от Ц и воды в количестве 140 л объем цементной суспензии составит:
Vвд=310/3.1+140=240л
, что занимает 24 % от объема бетонной смеси. При добавлении микрокремнезема (ρ = 2,3 г/см3 ) в количестве 10 % от массы цемента, уменьшении расхода песка для сохранения объема бетонной смеси 1000 л объем Vвд, как было сказано
Vвд=310/3.1+31/2.3=253.5 л
, или 25,4 %, т. е. произойдет увеличение объема дисперсной реологической матрицы на 1,4 %. При дальнейшем увеличении количества МК до 25 % необходимо увеличение количества воды до 150 л на 1 м3 при сохранении заданной подвижности смеси. Тогда Vвд увеличится:
Vвд=310/3.1+77.5/2.3+150=283.7 л
, или 28,4 % от общего объема бетонной смеси.
Как видно, в бетонах переходного поколения объем водно-дисперсной реологической матрицы в данном случае может составлять от 24 до 28 %, что является недостаточным для обеспечения высоких реотехнологических показателей бетонных смесей. Высокопластичные бетонные смеси с маркой П4 получить без их расслоения невозможно. Для увеличения текучести необходимо увеличить объем дисперсной суспензии VВД. Это достигалось повышением расхода цемента до 500 кг на 1 м 3 и получением марок бетонной смеси по пластичности П5 с осадкой конуса 20-22 см.
Для получения высокопластичных бетонных смесей старого и переходного поколений с расходом цемента до 200-250 кг/м3 существовал и существует реологический «запрет», связанный с низкой эффективностью суперпластификаторов, вне зависимости от их дозировки, и невозможностью получить подвижные бетонные смеси без дальнейшей расслаиваемости. Рассмотрим реологические возможности щебеночных бетонов нового поколения без использования реакционно-активных нанокомпонентов. Определим объемы реологических матриц различного уровня при аналогичном расходе цемента в щебеночном бетоне нового поколения следующего состава на 1 м3 :
цемент – 310 кг,
микрометрический наполнитель – 220 кг,
тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм – 360 кг,
песок-заполнитель фр. 0,63-5,0 мм – 450 кг,
щебень фр. 5-10 мм – 1000 кг,
гиперпластификатор – 0,8 % от Ц – 2,5 кг,
вода – 150 л.
Как известно из работ профессора В.И. Калашникова [7, 10], в бетонах нового поколения присутствуют реологические матрицы нескольких уровней. Матрица I уровня представляет собой водную суспензию цемента и микрометрического наполнителя; объем ее в бетонной смеси без использования МК составляет:
Vвд=310/3.1+220/2.65+150=333 л
, или 33,3 % объема бетонной смеси, что на 47 % больше, чем у бетона старого поколения.В матрице II уровня в объем водно-дисперсной суспензии добавляется тонкий песок. В этом случае объем водно-дисперсной суспензии Vвдт составит:
Vвдт=310/3.1+220/2.65+360/2.65+150=469 л
, что составляет 47 % от объема бетонной смеси. Как видно, объем реологической матрицы в бетонах нового поколения без микрокремнезема в 1,5-2,0 раза больше, чем в бетонах старого и переходного поколений. Это позволяет получать бетонные смеси с расходами цемента 200-350 кг/м3 , осадкой стандартного конуса 25-26 см и прочностью при сжатии 40-120 МПа по сравнению с 15-40 МПа для бетонов переходного поколения, изготовленных из малопластичных бетонных смесей [2 – 5, 8, 7, 14].
Сырьевая база. Анализ технической литературы и внедрений результатов диссертационных работ по порошково-активированным бетонам нового поколения [1, 3, 4, 6, 14, 15] показал, что многие проведенные исследования преследовали цель использования при проектировании составов бетонов в качестве тонкодисперсных минеральных добавок кварцевые пески как наиболее распространенные во многих регионах России. В связи с тем, что в большинстве областей страны, кроме кварцевых песков, имеются месторождения осадочных пород, таких, как известняки, доломитизированные известняки, доломиты, песчаники, использование их в качестве дисперсных наполнителей является весьма актуальным. При дроблении щебня известняковые или доломитовые отсевы на карьерах часто размалываются, и каменная мука используется в качестве раскислителей почвы или дисперсного наполнителя в асфальтобетоны. Применение их является также чрезвычайно важным с позиции энерго- и материалосбережения. Эти отходы содержат овеществленный труд: на них затрачена энергия на добычу и дробление. Если взять регионы с месторождениями вулканических пород, например, гранитами, диабазами и базальтами, то на карьерах отходы камнедробления накапливаются в значительно бóльшем количестве. Они редко используются в качестве дисперсных минеральных добавок при изготовлении асфальтобетона [15, 11, 16] и совершенно не используются для улучшения почв, т. к. являются кислыми. Для таких регионов применение отходов для производства бетонов решает не только весьма важную экологическую задачу – уменьшение площади отчуждаемых земель под хранение отходов, но и техническую задачу – утилизации их в производстве строительных материалов [12]. На современном этапе развития технологии бетона решающую роль сыграли выявленные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов микрометрическими реологически-активными добавками. Они кардинально изменяют структуру бетонных смесей, их реологические свойства, плотность, прочность и проницаемость затвердевшего бетона, а вместе с тем уменьшают негативные воздействия различных агрессивных сред. Реакционнохимическая активность дисперсных наполнителей из многих горных пород вулканического происхождения в настоящее время практически не выяснена, по крайней мере, в ранний период твердения. Естественно, что глубинные кварцсодержащие породы, включающие в своем составе свободный кварц, будут потенциально реакционно-активными в длительные сроки твердения, что требует изучения изменений физико-технических свойств во времени.
Отдельно нужно отметить группу добавок, проявляющих свойства самостоятельного твердения, например, металлургические шлаки, золы ТЭЦ и др. Способность тонкомолотых металлургических шлаков образовывать твердеющие структуры при затворении водой зависит от степени их основности и стеклования при остывании. Наиболее пригодными являются стекловидные гранулированные шлаки, получаемые охлаждением жидкого расплавленного шлака водой.
В свою очередь активность зол зависит от состава, температурного режима сжигания топлива, а также от размера его частиц и продолжительности пребывания в зоне высоких температур.
Нормативная база. При производстве современных бетонов минеральные наполнители получили широкое распространение. Их классификация и применение регламентируются соответствующими стандартами. Так, в России согласно ГОСТ 24211-2008 минеральной добавкой считается дисперсная неорганическая добавка природного или техногенного происхождения, вводимая в смеси в процессе их приготовления с целью направленного регулирования их технологических свойств и/или строительно-технических свойств бетонов и растворов, и/или придания им новых свойств. Минеральные добавки в зависимости от характера взаимодействия с продуктами гидратации цемента подразделяют на типы [5]:
− тип I – активные минеральные;
− тип II – инертные минеральные.
Активные минеральные добавки подразделяют на следующие группы:
− обладающие вяжущими свойствами;
− обладающие пуццолановой активностью;
− обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью.
В соответствии с классификацией по Европейскому стандарту EN 206-1 [17] минеральные добавки бывают:
− инертные (или почти инертные), не вступающие в реакцию с гидролизной известью, которая выделяется портландцементом в процессе гидратации. Они в этом случае могут быть просто наполнителями. Минеральные наполнители должны отвечать требованиям EN 1260;− пуццоланические, или с замедленной пуццоланической реакцией (активные добавки). Они связывают гидролизную известь портландцемента в гидросиликаты кальция (зола-унос EN 450, и микрокремнезем – EN 13263). В конце 80-х годов комитет 73-SBC RILEM представил вариант классификации минеральных добавок техногенного происхождения, которая выполнена по таким критериям, как пуццолановая активность и вяжущие свойства. Эта классификация позволяет оценить материалы с точки зрения их воздействия на цементные системы, поэтому представляется более объективной, чем обычная классификация минеральных добавок по их происхождению.
Заключение По нашему мнению, в порошково-активированных бетонах нового поколения с СП не может быть инертных добавок. В соответствии с этим добавки делятся на реакционно-активные, реологическиактивные и гидратационно-твердеющие. Некоторые реологически-активные добавки могут обладать замедленной (латентной) реакционной активностью в зависимости от тонкости помола. Однако не все добавки можно четко отнести к той или иной группе. Все кварцсодержащие породы: гранит, диабаз, базальт вулканического происхождения могут содержать кварц как в кристаллическом, так и в стекловидном состоянии. Есть породы, которые нельзя отнести к реакционно-активным горным породам (известняк и доломит). Но они являются хорошей подложкой в виде центров кристаллизации. Эпитаксиальное наращивание делает эти породы, хотя и не реакционно-способными в плане образования новой фазы, но хорошими подложками для кристаллизации гидросиликатов кальция вследствие значительного разнообразия габитусов кристаллов. Таким образом, предлагаемая рецептура порошковоактивированных пластифицированных бетонов нового поколения открывает большие возможности прогресса в технике и технологии бетонов. Однократный помол дисперсных наполнителей в разы экономичнее, чем двукратное дробление, двукратный помол (сырья и клинкера), высокотемпературный обжиг при производстве цемента. Важно то, что неиспользуемые отсевы горных пород фр. 5-10 мм имеются лишь в некоторых регионах, а пески и известняки – в большинстве, и они децентрализованы, в отличие от централизованных производств портландцемента. До тех пор, пока в России не будет налажен выпуск дисперсных наполнителей, не будет развиваться и производство высокоэффективных порошковоактивированных бетонов нового поколения
Литература
1. Ананьев С.В. Состав, топологическая структура и реотехнологические свойства реологических матриц для производства бетонов нового поколения: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2011. 148 с.
2. Белякова Е.А. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2013. 190 с.
3. Валиев Д.М. Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения на реакционно-порошковой связке: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2013. 167 с.
4. Володин В.М. Порошково-активированный высокопрочный песчаный бетон и фибробетон с низким удельным расходом цемента на единицу прочности: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2012. 160 с.
5. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 16 с.
6. Гуляева Е.В. Реотехнологические характеристики пластифицированных цементно-минеральных дисперсных суспензий и бетонных смесей для производства эффективных бетонов: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2012. 178 с.
7. Калашников В.И. Через рациональную реологию – в будущее бетонов // Технологии бетонов. 2007. № 5. С. 8-10; 2007. № 6. С. 8-11; 2008. № 1. С. 22-26.
8. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103-106.
9. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-72.
10. Калашников В.И. Бетоны: макро-, нано- и пикомасштабные сырьевые компоненты. Реальные нанотехнологии бетонов // Дни современного бетона. От теории к практике: сб. докл. конф. Запорожье, 2012. С. 38-50.
11. Калашников В.И., Троянов И.Ю., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Суздальцев О.В., Каледа В.Н. Трехслойные крупноформатные стеновые блоки из высокопрочного реакционнопорошкового бетона // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. междун. науч.-технич. конф. Пенза: ПДЗ, 2013. С. 39-42.
12. Калашников В.И., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Ибрагимов Р.А. Приоритетные направления в технологии бетонов // Там же. С. 34-38.
13. Калашников В.И., Тараканов О.В., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Тростянский В.М. Стабилизация водной суспензии высокодисперсного биокремнезема для использования в производстве растворов и бетонов // Там же. С. 21-24. 14. Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2006. 163 с.
15. Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф, Коллепарди М. Добавки в бетон: справ. пособие. М.: Стройиздат, 1988. 286 с.
16. Хозин В.Г., Морозов Н.М., Степанов С.В., Боровских И.В. Высокопрочные цементные бетоны для дорожного строительства // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 15-17.
17. DIN EN 206-1 Norm, 2001-07. Beton – Teil 1: Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat. Deutsche Fassung EN 206- 1:2000, Beuth Verlag. Berlin. 72 p.
