Высокоэффективные порошковоактивированные бетоны нового поколения различного функционального назначения с использованием супер и гиперпластификаторов.
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук,С.В. АНАНЬЕВ, к-т техн. наук, Е.В. ГУЛЯЕВА, Д.М. ВАЛИЕВ, В.М. ВОЛОДИН, А.В. ХВАСТУНОВ, инженеры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В связи с развитием самоуплотняющихся бетонов (СУБ), которые востребованы в монолитном, сборном и дорожном строительстве важно оценить действие различных суперпластификаторов (СП) на реологию бетонных смесей. За рубежом активно внедряются самоуплотняющиеся бетоны для монолитного строительства, изготовления дорожных конструкций и дорожного полотна. Особенно эффективны бетоны нового поколения для изготовления кольцевых элементов под автомобильные дороги. При их изготовлении использование высокопрочных бетонов позволяет уменьшить расход бетона в 2–3 раза. Традиционные кольцевые железобетонные элементы изготавливают с толщиной стенок 100–150 мм. В странах Западной Европы кольцевые элементы под автодорогами изготавливают с толщиной стенок не более 40–50 мм из бетона классами по прочности В100–В120.
При выборе СУБ важно определить реологические характеристики, учитывая при этом геометрию опалубки, укладку арматуры и технику заливки. Если бетон обладает высокой текучестью, то, например для щебеночного бетона имеется риск расслоения, для реакционнопорошкового фибробетона – оседания фибры к днищу формы. Если текучесть бетона низкая, то в смеси останется много пузырьков вовлеченного воздуха. Основой получения СУБ является не только использование самых эффективных суперпластификаторов, но и рецептура бетона нового поколения. Присутствие в бетоне высокодисперсных наполнителей (молотый кварц, известняк) усиливает действие СП.
Реологическое поведение СУБ, как и обычного цементного теста, можно описать уравнением Шведова– Бингама:
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук,С.В. АНАНЬЕВ, к-т техн. наук, Е.В. ГУЛЯЕВА, Д.М. ВАЛИЕВ, В.М. ВОЛОДИН, А.В. ХВАСТУНОВ, инженеры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В связи с развитием самоуплотняющихся бетонов (СУБ), которые востребованы в монолитном, сборном и дорожном строительстве важно оценить действие различных суперпластификаторов (СП) на реологию бетонных смесей. За рубежом активно внедряются самоуплотняющиеся бетоны для монолитного строительства, изготовления дорожных конструкций и дорожного полотна. Особенно эффективны бетоны нового поколения для изготовления кольцевых элементов под автомобильные дороги. При их изготовлении использование высокопрочных бетонов позволяет уменьшить расход бетона в 2–3 раза. Традиционные кольцевые железобетонные элементы изготавливают с толщиной стенок 100–150 мм. В странах Западной Европы кольцевые элементы под автодорогами изготавливают с толщиной стенок не более 40–50 мм из бетона классами по прочности В100–В120.
При выборе СУБ важно определить реологические характеристики, учитывая при этом геометрию опалубки, укладку арматуры и технику заливки. Если бетон обладает высокой текучестью, то, например для щебеночного бетона имеется риск расслоения, для реакционнопорошкового фибробетона – оседания фибры к днищу формы. Если текучесть бетона низкая, то в смеси останется много пузырьков вовлеченного воздуха. Основой получения СУБ является не только использование самых эффективных суперпластификаторов, но и рецептура бетона нового поколения. Присутствие в бетоне высокодисперсных наполнителей (молотый кварц, известняк) усиливает действие СП.
Реологическое поведение СУБ, как и обычного цементного теста, можно описать уравнением Шведова– Бингама:
где – напряжение сдвига; – предельное направление сдвига (предел текучести); – пластическая вязкость системы, проявляющаяся после преодоления действующим напряжением сдвига предела текучести; / – градиент скорости сдвига.
В отличие от обычного цементного теста, обладающего равной растекаемостью с пластифицированным тестом (из цилиндра или конуса), первое обладает более высоким пределом текучести , чем пластифицированное. При этом вязкость пластифицированного теста в динамических условиях может быть значительно выше, чем у непластифицированного, равной текучести. Эти особенности поведения двух видов цементных суспензий легко выявляются в состоянии вибрационного воздействия на них. Если подобрать одинаковый расплыв цементных суспензий из конуса Хагерманна, равный 350 мм, который для обычной суспензии достигается при В/Ц = 0,4–0,5, а у пластифицированной – при В/Ц = 0,17–0,2, то изменение вязкости при наложении вибрации и прекращении ее принципиально отличается (рис. 1).
В отличие от обычного цементного теста, обладающего равной растекаемостью с пластифицированным тестом (из цилиндра или конуса), первое обладает более высоким пределом текучести , чем пластифицированное. При этом вязкость пластифицированного теста в динамических условиях может быть значительно выше, чем у непластифицированного, равной текучести. Эти особенности поведения двух видов цементных суспензий легко выявляются в состоянии вибрационного воздействия на них. Если подобрать одинаковый расплыв цементных суспензий из конуса Хагерманна, равный 350 мм, который для обычной суспензии достигается при В/Ц = 0,4–0,5, а у пластифицированной – при В/Ц = 0,17–0,2, то изменение вязкости при наложении вибрации и прекращении ее принципиально отличается (рис. 1).
Рис. 1. Изменение пластической вязкости непластифицированной (индекс «н») и пластифицированной (индекс «пл») цементных суспензий с равной растекаемостью
Непластифицированная суспензия, у которой концентрация твердой фазы равна 44,5%, является агрегированной, оводненной, но свободная вода, необходимая для перемещения частичек относительно друг друга, находится внутри агрегатов. Топологическая структура такой суспензии представляет собой каркас, у которого вязкость неразрушенной структуры очень велика. При воздействии вибрации по П.А. Ребиндеру каркас разрушается, вода уходит из агрегатов и участвует в снижении вязкости. Структурно-механический переход из состояния неразрушенной структуры (структуры геля) в состояние предельно-разрушенной структуры (η´ пр) осуществляется с уменьшением вязкости на три порядка и более. При прекращении вибрации структура мгновенно восстанавливается и за счет компактной перегруппировки частиц вязкость становится выше, чем до вибрации. Именно поэтому непластифицированные тиксотропные дисперсные системы не обладают в покое послетиксотропным течением.
Пластифицированная цементная суспензия, хотя и имеет более высокую концентрацию твердой фазы при В/Ц = 0,18 (Сv = 64%), но ее контактная структура между частицами существенно разрушена электростатическими силами отталкивания. Поэтому структурномеханической переход сопровождается малым изменением порядка вязкости. Вибрация разрушает остаточную структуру (структуру золя) и слабые контактные связи между дискретными частицами. При прекращении вибрации силовые связи восстанавливаются медленно, что сопровождается продолжительным растеканием.
Необходимо принимать во внимание кроме динамической вязкости η, кинематическую ( , где ρ – плотность суспензии), которая обычно не учитывается. В приведенном выше примере плотность пластифицированной суспензии равна 2,35 г/см3 , а непластифицированной – 1,94 г/см3 . В связи с этим текучесть более тяжелой суспензии будет более высокой. В тяжелой бетонной смеси для изготовления бетона для балластных утяжелителей газопроводов или для защиты от радиационных излучений обнаруживается более высокая удобоукладываемость за счет очень тяжелых заполнителей и наполнителей. В такой бетонной смеси уменьшается расход воды, что дает возможность повысить прочность бетона или снизить расход цемента.
В отечественных лабораториях для реологических характеристик смеси обычно используется стандартный конус и конус Хагерманна, который можно использовать для тестирования растекаемости смеси из него. Поэтому исследована взаимосвязь вязкости реакционно-порошкового бетона (РПБ) от расплыва смесей из конуса Хагерманна. Использовался РПБ следующего состава: Ц = 700 кг; микрокварц с Sуд = 3300 см2 /г – 350 кг; тонкий песок фракции 0,16– 0,63 мм 1025 кг; микрокремнезем новокузнецкий 70 кг; СП Melflux 2651 0,9% массы цемента (Ц). Вязкость регулировали содержанием воды 210–245 л. Она определялась на вискозиметре Reotest-2. Зависимость представлена на рис. 2. Как следует из рис. 2 оптимальный расплыв бетонной смеси из конуса Хагерманна 280–380 мм соответствует вязкости 11–12 Па·с. Относительная текучесть (Г) по истечению смеси из конуса Хагерманна (по методике германской фирмы «TESTING»), определяли по формуле: Г = (ДР/ДК) 2 –1, где ДР, и ДК – диаметр расплыва и диаметр нижнего основания конуса (100 мм) соответственно.
Непластифицированная суспензия, у которой концентрация твердой фазы равна 44,5%, является агрегированной, оводненной, но свободная вода, необходимая для перемещения частичек относительно друг друга, находится внутри агрегатов. Топологическая структура такой суспензии представляет собой каркас, у которого вязкость неразрушенной структуры очень велика. При воздействии вибрации по П.А. Ребиндеру каркас разрушается, вода уходит из агрегатов и участвует в снижении вязкости. Структурно-механический переход из состояния неразрушенной структуры (структуры геля) в состояние предельно-разрушенной структуры (η´ пр) осуществляется с уменьшением вязкости на три порядка и более. При прекращении вибрации структура мгновенно восстанавливается и за счет компактной перегруппировки частиц вязкость становится выше, чем до вибрации. Именно поэтому непластифицированные тиксотропные дисперсные системы не обладают в покое послетиксотропным течением.
Пластифицированная цементная суспензия, хотя и имеет более высокую концентрацию твердой фазы при В/Ц = 0,18 (Сv = 64%), но ее контактная структура между частицами существенно разрушена электростатическими силами отталкивания. Поэтому структурномеханической переход сопровождается малым изменением порядка вязкости. Вибрация разрушает остаточную структуру (структуру золя) и слабые контактные связи между дискретными частицами. При прекращении вибрации силовые связи восстанавливаются медленно, что сопровождается продолжительным растеканием.
Необходимо принимать во внимание кроме динамической вязкости η, кинематическую ( , где ρ – плотность суспензии), которая обычно не учитывается. В приведенном выше примере плотность пластифицированной суспензии равна 2,35 г/см3 , а непластифицированной – 1,94 г/см3 . В связи с этим текучесть более тяжелой суспензии будет более высокой. В тяжелой бетонной смеси для изготовления бетона для балластных утяжелителей газопроводов или для защиты от радиационных излучений обнаруживается более высокая удобоукладываемость за счет очень тяжелых заполнителей и наполнителей. В такой бетонной смеси уменьшается расход воды, что дает возможность повысить прочность бетона или снизить расход цемента.
В отечественных лабораториях для реологических характеристик смеси обычно используется стандартный конус и конус Хагерманна, который можно использовать для тестирования растекаемости смеси из него. Поэтому исследована взаимосвязь вязкости реакционно-порошкового бетона (РПБ) от расплыва смесей из конуса Хагерманна. Использовался РПБ следующего состава: Ц = 700 кг; микрокварц с Sуд = 3300 см2 /г – 350 кг; тонкий песок фракции 0,16– 0,63 мм 1025 кг; микрокремнезем новокузнецкий 70 кг; СП Melflux 2651 0,9% массы цемента (Ц). Вязкость регулировали содержанием воды 210–245 л. Она определялась на вискозиметре Reotest-2. Зависимость представлена на рис. 2. Как следует из рис. 2 оптимальный расплыв бетонной смеси из конуса Хагерманна 280–380 мм соответствует вязкости 11–12 Па·с. Относительная текучесть (Г) по истечению смеси из конуса Хагерманна (по методике германской фирмы «TESTING»), определяли по формуле: Г = (ДР/ДК) 2 –1, где ДР, и ДК – диаметр расплыва и диаметр нижнего основания конуса (100 мм) соответственно.
Рис. 2. Зависимость пластической вязкости от диаметра расплыва из конуса Хагерманна
Для указанных расплывов относительная текучесть Г = 6,8–13,4.
Зависимость η от диаметра расплыва суспензий из конуса (РК) экспоненциальная . Коэффициент корреляции 0,988, стандартная ошибка s = 2,255.
Разжижение цементно-водных, минерально-водных и бинарных цементно-минерально-водных систем до низкого значения вязкости – основа получения высоких водоредуцирующих эффектов.
Для предварительной оценки водоредуцирующего эффекта в цементных суспензиях СП использовали конус Хагерманна. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из него был принят равным 260–380 мм, что соответствовало относительной текучести равной 5,8–13,4.
По равновеликим расплывам различных пластифицированных и непластифицированных суспензий цемента и отдельных смесей, рассчитаны водоредуцирующие эффекты по формуле: Вэф = (В/Ц)н/(В/Ц)п, где (В/Ц)н и (В/Ц)п – водоцементное отношение непластифицированной и пластифицированной суспензий, соответственно.
Установлено, что в цементных суспензиях из 6-ти видов цементов (табл. 1) все СП при дозировке 0,85– 0,9% массы цемента обеспечивают водоредуцирующий эффект от 2,5 до 3,3. При этом жизнеспособность суспензий достаточно высокая и потеря текучести через 10–15 мин после первого испытания небольшая и не превышает 5–10%. Низкие дозировки этих добавок в пределах 0,05–0,2% приводят к заметной или полной потере текучести, а через 20–25 мин дисперсии сильно загустевают. Наибольший водоредуцирующий эффект выявлен у белого цемента с содержанием С3S = 75% и С3А = 4%.
Таблица 1.
Для указанных расплывов относительная текучесть Г = 6,8–13,4.
Зависимость η от диаметра расплыва суспензий из конуса (РК) экспоненциальная . Коэффициент корреляции 0,988, стандартная ошибка s = 2,255.
Разжижение цементно-водных, минерально-водных и бинарных цементно-минерально-водных систем до низкого значения вязкости – основа получения высоких водоредуцирующих эффектов.
Для предварительной оценки водоредуцирующего эффекта в цементных суспензиях СП использовали конус Хагерманна. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из него был принят равным 260–380 мм, что соответствовало относительной текучести равной 5,8–13,4.
По равновеликим расплывам различных пластифицированных и непластифицированных суспензий цемента и отдельных смесей, рассчитаны водоредуцирующие эффекты по формуле: Вэф = (В/Ц)н/(В/Ц)п, где (В/Ц)н и (В/Ц)п – водоцементное отношение непластифицированной и пластифицированной суспензий, соответственно.
Установлено, что в цементных суспензиях из 6-ти видов цементов (табл. 1) все СП при дозировке 0,85– 0,9% массы цемента обеспечивают водоредуцирующий эффект от 2,5 до 3,3. При этом жизнеспособность суспензий достаточно высокая и потеря текучести через 10–15 мин после первого испытания небольшая и не превышает 5–10%. Низкие дозировки этих добавок в пределах 0,05–0,2% приводят к заметной или полной потере текучести, а через 20–25 мин дисперсии сильно загустевают. Наибольший водоредуцирующий эффект выявлен у белого цемента с содержанием С3S = 75% и С3А = 4%.
Таблица 1.
СП Хидетал 9γ более избирателен к вольскому цементу (Вэф = 3,17), но он мало отличается от Вэф = 2,88 в суспензиях на красноярском и жигулевском цементах. Российские СП Одолит К и Одолит Т уступают по водоредуцирующиму действию добавке Хидетал 9γ. Добавление микрокремнезема к портландцементу в количестве 7% массы последнего мало изменяет водоредуцирующую эффективность. Кратковременное смешивание цементов (ЦДС) с МК и сухим СП в мельнице мало влияет на разжижающую способность СП. Водоредуцирующий эффект СП С-3 в цементных суспензиях не превышает значения 1,75. Суспензии из молотых кварцевых песков и различных микрокварцев имеют близкие водоредуцирующие эффекты (1,15– 1,22) как при сверхнизких дозировках СП (0,05–0,2%), так и при высоких (1%). При этом вид СП и колебания содержания SiO2 в кварцевых или кварцсодержащих породах не играет заметной роли. Добавление к молотому песку 0,5–1% Са(ОН)2 повышает ВЭФ до 2. Это связано с известным механизмом перезарядки отрицательной поверхности кварца и других кислых пород на положительную [1]. Этот механизм остается неизменным и для ГП на поликарбоксилатной основе.
Таблица 2.
Таблица 2.
В качестве примера высокой эффективности СП при хорошо подобранной рецептуре порошковых компонентов и оптимальном гранулометрическом составе песка-заполнителя и щебня приведен состав малоцементного порошково-активированного щебеночного бетона (табл. 2). Из табл. 2 следует, что при расходе цемента 305 кг/м3 достигнута прочность бетона при сжатии 122 МПа. При этом бетонная смесь была самоуплотняющейся с осадкой конуса 26 см, с расплывом конуса 62 см и соответствовала марке SF1 для СУБ по стандарту европейского руководства [2]. В составе не использовали органические модификаторы вязкости, а высокая растекаемость при низком содержании воды достигнута порошковой активацией щебеночного бетона с помощью добавок микрокварца в количестве 74% массы цемента и 7% микрокремнезема. Но этих дисперсных компонентов было бы недостаточно, если бы мы не использовали очень тонкий песок фр. 0,16– 0,63 мм. Тонкозернистый песок еще в большей степени усиливает действие СП. Соотношение компонентов в бетонной смеси (Пм/Ц, Пт/Ц, Щ/Пз, Пз/Ц, Щ/Ц, П/Ц и (П+Щ)/Ц) оказались самыми оптимальными. Высокая реология была обеспечена оптимизацией трех условных реологических критериев, определяющих состояние трех реологических матриц в топологической структуре бетонной смеси.
Можно с уверенностью утверждать, что будущее бетона будет определяться порошковой активацией любых бетонных смесей, в том числе для высоконагруженных автодорог и дорожных конструкций.
Ключевые слова: порошковая активация, цементы, суперпластификаторы, самоуплотняющиеся бетоны нового поколения, реология, гранулометрия, прочность.
Список литературы
1. Калашников В.И. О реакции различных минеральных композиций на нафталин-сульфокислотные суперпластификаторы и влияние на нее быстрорастворимых щелочей: В матер. III Национальной конф. с участием зарубежных представителей «Механика и технология композиционных материалов». София: БАН, 1982.
2. European Proect Group «The European Guidelines for Self – Compacting Concrete. Specification, Production and Use». Jjoint work by EFNAPC, BJBM, CEMBUREAU, EFCA, ERMACO. May, 2005.
Можно с уверенностью утверждать, что будущее бетона будет определяться порошковой активацией любых бетонных смесей, в том числе для высоконагруженных автодорог и дорожных конструкций.
Ключевые слова: порошковая активация, цементы, суперпластификаторы, самоуплотняющиеся бетоны нового поколения, реология, гранулометрия, прочность.
Список литературы
1. Калашников В.И. О реакции различных минеральных композиций на нафталин-сульфокислотные суперпластификаторы и влияние на нее быстрорастворимых щелочей: В матер. III Национальной конф. с участием зарубежных представителей «Механика и технология композиционных материалов». София: БАН, 1982.
2. European Proect Group «The European Guidelines for Self – Compacting Concrete. Specification, Production and Use». Jjoint work by EFNAPC, BJBM, CEMBUREAU, EFCA, ERMACO. May, 2005.
