+7 908 166 83 91
bepors@rambler.ru
bepors@rambler.ru
ГЛАВА 3. РЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВЫХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ПОРОШКОВЫЕ БЕТОНЫ НА ИХ ОСНОВЕ
3.1. Топологическая структура порошковых бетонов, порошковоактивированных песчаных и щебеночных бетонов нового поколения
Порошковые и реакционно-порошковые бетоны, содержащие в своем составе единственную реологическую матрицу, которая обеспечивает наименьший предел текучести и низкую вязкость бетонных смесей с тонкозернистым песком фракций 0,16-0,63 мм. В связи с этим при наполнении этой смеси песком – заполнителем могут быть получены порошково-активированные песчаные бетоны. В свою очередь при наполнении порошково-активированных песчаных смесей щебнем могут быть получены порошково-активированные щебеночные бетоны. Совершенно очевидно, что при переходе от наиболее цементноемкого ПБ к другим видам бетонов, доля цемента будет уменьшаться за счет введения песка и щебня. При этом в зависимости от соотношения семи компонентов и содержания воды могут быть получены самоуплотняющиеся, высокопластичные, умеренно пластичные, малопластичные, полужесткие, жесткие и сверхжесткие бетонные смеси. Таким образом, могут быть реализованы бетонные смеси от марок по консистенции от СЖ до П-5, вплоть до самоуплотняющихся с осадкой конуса 25-28 см. Естественно, что для получения малоцементных бетонов могут быть использованы малопластичные и жесткие смеси.
При этом, предложенные в [84] безразмерные реологические критерии: избытка абсолютного объема цементно-водно-дисперсной матрицы с МК над абсолютным объемом очень тонкого песка П т ИЦД , избытка абсолютного объема цементно-дисперсно-зернистой матрицы над абсолютным объемом песка заполнителя (среднего песка) Пз ИЦДЗ и избытка объема цементнодисперсно-песчаной, т.е. растворной матрицы над объемом щебня – ЩИр , должны так же изменяться. 42 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.3.1).
Рис. 3.1. 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 высокопрочных 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.
Высокие показатели прочности достигнуты в щебеночных фибробетонах немецкими специалистами. При содержании цемента 630 кг на кубометр бетона, фибры 2,5% по объему, прочность бетона составила 155-172 МПа, а удельный расход цемента на единицу прочности 3,7-4,6 кг/МПа [39].
Немецкий фирмой Dickerhoff разработан и реализован высокопрочный мелкозернистый бетон на цементе СЕМ П/В-S 52,5R с прочностью 155 МПа при расходе цемента 606 кг/м3. Удельный расход цемента составил 3,9 кг/МПа [85].
В целом, строительство из высокопрочных бетонов в развитых зарубежных странах осуществляется с расходом цемента 3,5-5 кг/МПа, из бетонов повышенной прочности классов В40-В60 с Цуд=5-6 кг/МПа.
Российские результаты являются более скромными, вследствие устаревшей рецептуры с неправильной топологической структурой, бетонных смесей уплотняемых интенсивной вибрацией, в ряде случаев, с пригрузом. В лабораториях НИИ и вузов России были получены бетоны старого поколения с прочностью 100-120 МПа через 28 суток [86]. Достигаемая прочность через 180-360 суток была 130-145 МПа. Бетонные смеси использовались жесткие и особо жесткие. Уплотнение их осуществлялось при интенсивной вибрации с пригрузом.
Новым этапом в развитии техники бетона в России явилось изготовление высокопрочных бетонов на вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), полученных помолом цементного клинкера с сухим суперпластификатором. В НИИЖБ, ВНИИ железобетон, МИСИ и МАДИ были достигнуты прочности 100-120 МПа с удельным расходом цемента Цуд =3,8-4,5 кг/м3. Однако цементные заводы отказались выпускать ВНВ.
Причины большого отставания от передовых стран состоят в использовании устаревших составов плотноупакованных бетонных смесей. Совершенно не используются основные положения физико-химии о возможности предельного разжижения высококонцентрированных дисперсных систем. Методология эффективности оценки СП и ГП, реологических и реотехнологических свойств осуществляется на бетонных смесях старого поколения. Не учитывается положение, что высокая реологическая активность в присутствии СП и ГП, достигается только при использовании микродисперсных добавок, и в большей мере, чем при использовании 10-20% МК. Необходимо знать, что зернистый песок и кусковой щебень реологически индифферентны и при очень высоком содержании их в бетонных смесях не удается значительно снизить вязкость и предел текучести смесей. Необходима тонкодисперсная реологическая матрица при высоком содержании ее в объеме смесей.
Примером достижения достаточно высоких для России физико- технических свойств бетонов из бетонных смесей марки П≥5 являются показатели высокопрочного бетона старого поколения, но с добавками МК и СП, использованного при строительстве комплекса «Москва-Сити». Максимальная прочность бетона в конструкциях составляла 95-105 МПа, при удельном расходе цемента Цуд=4,5-4,7 кг/МПа. Бетон был изготовлен с органо-минеральной добавкой МБ-С состоящей из высокодисперсного конденсированного микрокремнезема размолотого с СП С-3.
В российской практике производства бетона встречаются отдельные примеры модификаций бетона тонкомолотыми добавками молотого кварцевого песка или известняковой муки. Бетон из бетонной смеси с осадкой конуса 2-5см, с расходом цемента 300-350 кг/м3, с добавкой кварцевой муки – 10-20% от массы цемента имел прочность на сжатие 60-77 МПа, с удельным расходом цемента 4,2-5,0 кг/МПа.
В целом в России щебеночный бетон является цементно-затратным, а производство его энергоемким. Строительство из бетона очень материалоемко. Стратегия снижения объемов бетона в конструкциях за счет высокой прочности не реализуется в России, вследствие использования бетона марок М 150-500, выпускаемых 90-97% от всего производства бетонов. Удельный расход цемента в щебеночных бетонах составляет 8-10 кг/МПа, в песчаных (мелкозернистых) 9-14 кг/МПа.
С развитием нанотехнологий в различных отраслях промышленности она получает свое шествие и в технологиях строительных материалов. Известно, что нанометровый диапазон измерений размеров 1-100 нм открывает новые физические и химические свойства веществ. Как отмечает И.П.Суздальцев [87]: «… в этом диапазоне нигде так близко не сходятся физика, химия и биология». В последние десятилетие двадцатого века произошло выделение таких понятий, как нанокластер, наноструктура и связанных с ними явлений в отдельную область физико-химии.
В настоящее время появились нанотехнологии в цементных, гипсовых и известковых технологиях с использованием углеродных частиц — одномерных нанотрубок, фуллеренов, фуллероидов, астраленов. При этом в некоторых публикациях [88] о нанобетонах при введении 1-10 г. наноуглеродных модификаторов достигаются, якобы, очень значительные или значительные эффекты при получении более высокой прочности, морозостойкости, водостойкости и других позитивных свойств бетонов по сравнению с контрольными бетонами. При этом все исследования по изучению действия наноуглеродных добавок часто проводятся в бетонах старого поколения, т.е. без использования гиперпластификаторов (ГП), конденсированных микрокремнеземов и новой топологической дисперсно- зернистой структуры цементирующего вещества. Полученные результаты не выдерживают по свойствам никакой конкуренции с высокопрочными бетонами нового поколения (БНП), в которых не используются наноуглеродные добавки.
Бетоны старого поколения содержащие в своем составе не только высокоэффективные гиперпластификаторы, но и высокодисперсные реакционно-химические пуццалонические добавки – микрокремнезем и дегидратированный каолин и т.п. также имеют повышенную прочность. Более дорогие, чем цемент дефицитные наноразмерные (верхний нанометрический уровень от 100 до 1000 нм) пуццалонические добавки, вводимые в бетон в относительно малых количествах 10-20% от массы цемента, обеспечивают пониженный удельный расход цемента на единицу прочности не менее Ц УД = 5-6 кг/МПа, но лишь в бетонах с высоким расходом цемента от 500 кг/м3 и более. В «тощих» щебеночных бетонах с расходом цемента 150-250 кг/м3, когда содержание мелкого и крупного заполнителя превышает 2000 кг/м3, нельзя обеспечить удельный расход цемента менее 5-6 кг/МПа. Для таких щебеночных бетонов переходного этапа нужна новая рецептура наполнителей и заполнителей, включающая дешевые и доступные микрометрические добавки, которые «лежат» на земле. Новая рецептура для щебеночных бетонов нового поколения – это обязательное присутствие в составе дополнительного и значительного количества дисперсных микроразмерных (нижний и средний микрометрический уровень от 1 до 100 мкм) наполнителей, увеличивающих совместно с цементом (той же или более высокой дисперсности) объем водно-дисперсной реологической матрицы. Таким образом, порошкообразные микрометрические наполнители являются реологически- активными добавками в смеси с цементно-водной пластифицированной дисперсией. Наноразмерными добавками, определяющими более эффективные нанотехнологии в бетоне, могут быть только наносиликатные кремнеземы – конденсированные, пирогенные и химически-осажденные. Механизм их действия связан не столько с нанометрическим зародышеобразованием на их поверхности предшественников кристаллов новообразований, а с химический реакцией с ними гидролизной извести. Только эта реакция позволит получить дополнительное количество цементирующего вещества в «пустом» пространстве капиллярных и гелевых пор (ранее занятых малопрочным Са(ОН)2) в виде прочного тоберморита, а при прогреве, и более прочных ксонотлита, трускотита с малым количеством гидратной воды. Еще в 2004 г. на смеси микрокремнезема с цементом и тонким песком были получены реакционно-порошковые бетоны прочностью 202-370 МПа с расходами цемента ( Ц УД =2,1-4,56 кг/МПа) [89].
В производстве был реализован фибробетон с расходом цемента 616 кг/м3 без микрокремнезема с прочностью 195 МПа, (Ц УД =3,16 кг/МПа) [89], а в Австрии состоялась «премьера» в мостостроении, где реализован фибробетон классов по прочности С165-С185 [90].
В щебеночных бетонах старого поколения, состоящих из цемента, песка,
щебня и воды, ни супер-, ни гиперпластификаторы не в состоянии кардинально изменить топологическую структуру бетона, кроме некоторого уменьшения капиллярной пористости и получения более компактной упаковки частиц цемента, песка и мелко- и крупнозернистого щебня. Поэтому бесполезны попытки бетоноведов-исследователей существенно снизить расход цемента в бетонах старого поколения, особенно с малыми расходами цемента, за счет СП и ГП и достигнуть высокой удельной прочности на единицу расхода цемента. Четырехкомпонентные бетоны с эффективными супер- и гиперпластификаторами, которые производились начиная с 1970 г и еще производятся, в своем большинстве, сегодня, являются бетонами переходного этапа.
Кроме оптимального количества микрометрических и частично нанометрических частиц наполнителей в бетонах нового поколения должен присутствовать тонкий песок фракции 0,1-0,6 мм (особенно при отсутствии микрокремнезема), усиливающий реологическое и водоредуцирующее действие суперпластификаторов (СП). Такой песок может специально и не добавляться, если его доля в песке-заполнителе достаточна для данной марки бетона.
Естественно, что макрометрические песок-заполнитель, крупный заполнитель должны иметь оптимальную гранулометрию. Поэтому все классические принципы подбора гранулометрии песка и щебня по насыпной плотности их в уплотненном состоянии, разработанные Ю.М.Баженовым [2] и другими учеными, остаются и являются незыблемыми. Если в бетонах старого поколения и в бетонах переходного этапа заполнители должны были обеспечивать плотноупакованную контактную структуру зерен с небольшой раздвижкой и с наименьшим количеством пустот, то в структуре бетонов нового поколения зерна значительно раздвигаются в трехмерном пространстве за счет уменьшения содержания песка-заполнителя и щебня- заполнителя.
Рассмотрим топологическую структуру бетонов старого поколения, порошково-активированных бетонов нового поколения и классификацию реологических матриц по дисперсно-зернистому масштабному уровню.
а)
Рис.3.2 Топологическая структура бетонов старого поколения
(в том числе СП) (а) и порошково-активированного бетона нового поколения (щебень условно не показан) (б)
Как следует из рис.3.2.а реологической матрицей первого масштабного уровня является цемент,вода (и возможно СП) с малым их объемом. В порошковом бетоне объем реологической матрицы первого рода возрастает вдвое за счет размещения частиц молотого песка между частицами цемента (цемент:песок – 1:1) при равной их дисперсности (рис. 3.2.б). Для повышения эффективности СП дополнительно вводится тонкий песок фракции 0,16- 0,63мм для получения порошкового бетона − дисперсно-тонкозернистой реологической матрицы второго рода. При введении песка заполнителя получаем порошково-активированный щебеночный бетон с реологической матрицей третьего рода. И мелкозернистый и щебеночный бетоны при этом являются малопесчаными (с песком более 0,63мм) и малощебеночными.
Как наглядно следует из рис. 3.2 а,б переход от одного вида бетонов нового поколения к последующим реализуется за счет добавления дополнительных компонентов и изменения реологических матриц. Таким образом, реологические матрицы в бетонах нового поколения с СП и ГП можно классифицировать следующим образом:
– для порошковых или реакционно-порошковых бетонов с МК матрица первого рода состоит из цемента, молотого наполнителя, (реационно- порошковой пуццоланической добавки МК, микродегидратированного метакаолина и нанометрического аморфного SiO2) и воды;
– для порошково-активированных песчаных (мелкозернистых) бетонов матрица второго рода включает матрицу первого рода и тонкий наполнитель фр. 0,1-0,5 или 0,16-0,63 мм;
–для порошково-активированных щебеночных бетонов матрица третьего рода включает матрицу первого, второго рода и песок заполнитель фр. 0,1-5,0 мм или 0,63-5,0 мм.
Матрица первого рода обеспечивает необходимую оптимальную прослойку между частицами тонкого песка в порошковых бетонах для беспрепятственного перемещения частиц этого песка без соприкосновения их друг с другом.
Матрица второго обеспечивает оптимальную прослойку между частицами песка-заполнителя (желательно среднего или крупного) для беспрепятственного перемещения частиц его без соприкосновения их друг с другом.
Матрица третьего рода обеспечивает оптимальную прослойку между зернами щебня (аналогично известному коэффициенту раздвижки зерен при подборе состава тяжелого бетона по Б.Г. Скрамтаеву-Ю.М. Баженову) для беспрепятственного перемещения зерен щебня без зацепления их друг с другом в малощебеночных бетонах.
3.2 Особенности реологии высокопластифицированных порошковых смесей.
В связи с развитием самоуплотняющегося бетона (СУБ) в первую очередь порошкового, позволяющего получать из него очень тонкостенные изделия, многие архитекторы рассматривают такой бетон, не только как основным материалом, но и как материал, таящий в себе уникальные возможности с точки зрения формы. Выбор в пользу СУБ делается из-за сложной геометрии формы и нестандартной укладки арматуры.
При выборе СУБ важно определить реологические характеристики, учитывая при этом геометрию, укладку арматуры и технику заливки. Если бетон обладает высокой текучестью, то для щебеночных бетонов имеется риск расслоения, для реакционно-порошковых – оседание фибры к днищу формы. Если текучесть бетона низкая в смеси останется много пузырьков вовлечения воздуха.
Реологическое поведение СУБ, как и обычного цементного теста, можно описать уравнением Шведова-Бингама:
где τ – напряжение сдвига;
τо – предельное направление сдвига (предел текучести);
ηп – пластическая вязкость системы, проявляющаяся после преодоления действующим напряжением сдвига предела текучести;
dε/dt – 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 τо, чем пластифицированное. При этом вязкость пластифицированного теста в динамических условиях может быть 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 суспензий из конуса Хагерманна, равный 350 мм, который для обычной суспензии достигается при В/Ц=0,40, а у пластифицированной - при В/Ц=0,18, то изменение вязкости при наложении вибрации и прекращении ее принципиально отличается (рис.3.3).
τо – предельное направление сдвига (предел текучести);
ηп – пластическая вязкость системы, проявляющаяся после преодоления действующим напряжением сдвига предела текучести;
dε/dt – 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 τо, чем пластифицированное. При этом вязкость пластифицированного теста в динамических условиях может быть 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 суспензий из конуса Хагерманна, равный 350 мм, который для обычной суспензии достигается при В/Ц=0,40, а у пластифицированной - при В/Ц=0,18, то изменение вязкости при наложении вибрации и прекращении ее принципиально отличается (рис.3.3).
Рис.3.3 Изменение пластической вязкости не пластифицированной и пластифицированной 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 неразрешенной 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 3 порядка и более. При прекращении вибрации структура мгновенно восстанавливается и за счет компактной перегруппировки частиц вязкость становится выше, чем до вибрации. Именно поэтому непластифицированные дисперсные системы, обладая высокой тиксотропией, не обладают в покое послетиксотропным течением.
Пластифицированная суспензия, хотя и имеет более высокую консистенцию твердой фазы при В/Ц = 0,18 (Сv = 64%), но её контактная структура между частицами существенно разрушена электростатическими силами отталкивания. Поэтому структурно-механической переход сопровождается малым изменением порядка вязкости. Вибрация разрушает остаточную структуру (структуру золя) и слабые контактные связи между частицами. При прекращении вибрации связи постепенно восстанавливаются, что сопровождается продолжительным растеканием. Послетиксотропный ресурс течения пластифицированных систем, введенный на кафедре ТБКиВ в 1979 г. [56], в настоящее время учитывается в иностранных тестах контроля растекаемости во времени.
Необходимо принимать во внимание кроме динамической вязкости η, кинематическую( ν = η , 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 тяжелый суспензии будет более высокой. В тяжелых бетонных смесях для изготовления бетонов для баластных утяжелителей газопроводов или для защиты от радиционных излучений, их высокоя удобоукладываемость за счет очень тяжелых заполнителей позволяет уменьшать расход воды и повышать прочность или снижать расход цемента.
За рубежом начинают активно внедряться самоуплотняющиеся бетоны. По оценкам специалистов [91] более 50% бетона, используемого сегодня в Европе для производства сборных железобетонных изделий, это самоуплотняющийся бетон. Ситуация в индустрии товарных бетонных смесей иная. СУБ составляет менее 1% произведенного бетона. Причина кроется, главным образом, в высокой стоимости материала, который зачастую поставляется с высокой механической прочностью.
Европейские руководства [92] определяют типы СУБ по характеристикам бетонных смесей, независимо от состава бетона. В соответствии со стандартами выделяют 3 уровня самоуплотнения, соответствующих следующим значениям расплыва конуса:
SF1: от 550 до 650 мм.
SF2: от 660 до 750 мм.
SF3: от 760 до 850 мм.
Кроме того, выделяют два уровня вязкости по реотехнологическим параметрам (которые называют инженерными характеристиками) по значению Т50 - время протечки 50%-ного объема бетонной смеси через V– образную воронку или ТV – время протечки всего объема смеси через воронку.
Также выделяют2 уровня проходимости смеси в L – образном ящике.
В рекомендациях, составленных Японским обществом гражданских строителей [4] выделяются три варианта получения СУБ: с использованием тонких фракций наполнителей (Тип Р), модификаторов вязкости (Тип V) или смешанного применения тех и других (Тип С).
Зависимости между фундаментальными реологическими показателями вязкости τ0 и реотехнологическими параметрами расплыва конуса, Т50 и ТV находятся с использованием производственных реометров или вискозиметров, которыми оборудуются заводские лаборатории.
В России пока не используются тестирующие приборы Евросоюза. В наших лабораториях обычно используется стандартный конус и конус Хагерманна. Поэтому мы исследовали взаимосвязь вязкости реакционно- порошкового бетона от расплыва конуса Хагерманна. Использовался РПБ следующего состава: Ц=700 кг; микрокварц с Sуд=3300 см2/г – 350кг; тонкий песок фракции 0,16-0,63 мм – 1025кг; микрокремнезем Новокузнецкий – 70кг; гиперпластификатор Melflux 2651 0,.9% от Ц. Вязкость регулировалась содержанием воды и варьировалась от 210 до 245 л. Зависимость представлена на рис. 3.4. Как следует из рис. 3.4 оптимальный расплыв бетонной смеси из конуса Хагерманна 280-380мм соответствует вязкости 11– 2 Па∙с.
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 неразрешенной 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 3 порядка и более. При прекращении вибрации структура мгновенно восстанавливается и за счет компактной перегруппировки частиц вязкость становится выше, чем до вибрации. Именно поэтому непластифицированные дисперсные системы, обладая высокой тиксотропией, не обладают в покое послетиксотропным течением.
Пластифицированная суспензия, хотя и имеет более высокую консистенцию твердой фазы при В/Ц = 0,18 (Сv = 64%), но её контактная структура между частицами существенно разрушена электростатическими силами отталкивания. Поэтому структурно-механической переход сопровождается малым изменением порядка вязкости. Вибрация разрушает остаточную структуру (структуру золя) и слабые контактные связи между частицами. При прекращении вибрации связи постепенно восстанавливаются, что сопровождается продолжительным растеканием. Послетиксотропный ресурс течения пластифицированных систем, введенный на кафедре ТБКиВ в 1979 г. [56], в настоящее время учитывается в иностранных тестах контроля растекаемости во времени.
Необходимо принимать во внимание кроме динамической вязкости η, кинематическую( ν = η , 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 тяжелый суспензии будет более высокой. В тяжелых бетонных смесях для изготовления бетонов для баластных утяжелителей газопроводов или для защиты от радиционных излучений, их высокоя удобоукладываемость за счет очень тяжелых заполнителей позволяет уменьшать расход воды и повышать прочность или снижать расход цемента.
За рубежом начинают активно внедряться самоуплотняющиеся бетоны. По оценкам специалистов [91] более 50% бетона, используемого сегодня в Европе для производства сборных железобетонных изделий, это самоуплотняющийся бетон. Ситуация в индустрии товарных бетонных смесей иная. СУБ составляет менее 1% произведенного бетона. Причина кроется, главным образом, в высокой стоимости материала, который зачастую поставляется с высокой механической прочностью.
Европейские руководства [92] определяют типы СУБ по характеристикам бетонных смесей, независимо от состава бетона. В соответствии со стандартами выделяют 3 уровня самоуплотнения, соответствующих следующим значениям расплыва конуса:
SF1: от 550 до 650 мм.
SF2: от 660 до 750 мм.
SF3: от 760 до 850 мм.
Кроме того, выделяют два уровня вязкости по реотехнологическим параметрам (которые называют инженерными характеристиками) по значению Т50 - время протечки 50%-ного объема бетонной смеси через V– образную воронку или ТV – время протечки всего объема смеси через воронку.
Также выделяют2 уровня проходимости смеси в L – образном ящике.
В рекомендациях, составленных Японским обществом гражданских строителей [4] выделяются три варианта получения СУБ: с использованием тонких фракций наполнителей (Тип Р), модификаторов вязкости (Тип V) или смешанного применения тех и других (Тип С).
Зависимости между фундаментальными реологическими показателями вязкости τ0 и реотехнологическими параметрами расплыва конуса, Т50 и ТV находятся с использованием производственных реометров или вискозиметров, которыми оборудуются заводские лаборатории.
В России пока не используются тестирующие приборы Евросоюза. В наших лабораториях обычно используется стандартный конус и конус Хагерманна. Поэтому мы исследовали взаимосвязь вязкости реакционно- порошкового бетона от расплыва конуса Хагерманна. Использовался РПБ следующего состава: Ц=700 кг; микрокварц с Sуд=3300 см2/г – 350кг; тонкий песок фракции 0,16-0,63 мм – 1025кг; микрокремнезем Новокузнецкий – 70кг; гиперпластификатор Melflux 2651 0,.9% от Ц. Вязкость регулировалась содержанием воды и варьировалась от 210 до 245 л. Зависимость представлена на рис. 3.4. Как следует из рис. 3.4 оптимальный расплыв бетонной смеси из конуса Хагерманна 280-380мм соответствует вязкости 11– 2 Па∙с.
Рис 3.4 Зависимость пластической вязкости от диаметра расплыв аиз конуса Хагерманна
Зависимость η от диаметра расплыва конуса РК экспоненциальная η =419,7 ×e(-0,0127×РК), коэффициент корреляции 0,988, стандартная ошибка s=2,255.
Разжижение цементно-водных, минерально-водных и бинарных цементно-минерально-водных систем до низких значений вязкости – основа получения высоких водоредуцирующих эффектов. Часто в литературе считается, что суперпластификаторы старого поколения, типа С-3 могут удачно сочетаться с тем или иным видом цемента, поставляемым в регион. Так в статье [95] отмечается «… величина критериев (эффективности) в большей степени зависит от цемента и в значительно меньшей степени от партии СП, результаты оценки для региона будет достаточно стабильны». Не отрицая синергизма СП с цементом, в частности, С-3 (Полипласт СП-1), на который указывают авторы, С-3 Полипласт никогда не будет перспективным для получения бетонов нового поколения, если надеяться лишь на вероятность возможного сочетания его с одним цементом и антогонизм с другим. Необходимы более универсальные суперпластификаторы, которые, не проявляя синергизма к различным цементам значительно выше по эффективности, чем тот, который проявляет высокий синергизм к тому или иному цементу. Такими являются СП, поставляемые из-за рубежа ГП серии
«Melflux, Sika Visco Crete, Glenium и др. ». Для предварительной оценки водоредуцирующего эффекта использовали минивисказиметр типа Суттарда диаметром 13 мм и высотой 36 мм. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из него был принят равным 45-55 мм, что соответствовало расплыву смесей из конуса Хагерманна, равного 280-320 мм.
В табл. 1 Приложения представлены диаметры расплывов различных пластифицированных и непластифицированных суспензий и расчитаны водоредуцирующие эффекты. Из табл. 1 видно, что все гиперпластификаторы при дозировке 0,8-0,9% от массы цемента обеспечивают водоредуцирующий эффект от 2 до 2,6. При этом жизнеспособность суспензий достаточно высокая и потеря текучести через 10-15 мин – небольшая. 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.
Водоредуцирующий эффект СП С-3 не превышает значения 1,75. Суспензии из молотых кварцевых песков и различие микрокварцев имеют близкие водоредуцирующие эффекты (1,15-1,22) как при сверхнизких дозировках ГП (0,05-0,2 %), так и при высоких дозировках (1%). При этом вид СП или ГП и содержание SiO2 в кварцевых или кварцсодержащих породах не играет заметной роли.
Добавление к молотому песку 0,5-1,0% Са(ОН)2 повышает Вэф до 2,0. Это связано с известным механизмом перезарядки отрицательной
поверхности кварца и других кислых пород на положительную, установленном проф. В.И. Калашниковым в 1982 г [5]. Этот механизм остается неизменным и для ГП на поликарбоксилатной основе.
В бинарных цементно-минерально-водных системах действие СП С-3 и современных ГП на поликарбоксилатной основе далеко неравноценно. Суперпластификатор С-3 имеет низкий водоредуцирующий эффект (1,2-1,22) в цементно-диатомовых суспензиях с необожженным и обожженным диатомитом. При использовании Melflux Вэф возрастает почти в 2 раза. Действие ГП в цементно-кварцевых суспензиях является более высоким (на 39- 46%), чем С-3. Таким образом, суперпластификатор С-3 «устарел» и надеяться на его высокую перспективность – остановиться в движении к прогрессу в технологии бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
3.3. Влияние вида и дозировки гиперпластификатора на растекаемость реакционно-порошковых смесей и свойства бетонов.
Различные мнения о оптимальной дозировке супер- и гиперпластификаторов для достижения необходимого реологически водоредуцирующего действия высказываются в литературе и в научно- исследовательских статьях. В рекламных проспектов дан широкий спектр дозировок от 0,2 до 1,8% от массы цемента. Нижнее значение дозировок производители уменьшают до минимума намеренно, особенно для очень дорогих СП и ГП, чтобы привлечь потребителей. Естественно, что потребители, используя гиперпластификаторы в малом количестве, не обеспечивают сколь - либо заметного эффекта. В некоторых научных статьях также делаются выводы об эффективности малых дозировок суперпластификаторов ГП в бетоне по результатам испытания цемента с малыми добавками ГП, так в статье [94] при дозировке самых эффективных ГП Melflux 2641, 2651, 5581, Glenium 51 в количестве 0,05-0,15% от массы цемента цементные суспензии имеют низкий предел текучести 7-10 Па. Из неправильных результатов исследований цементов делается вывод о высокой эффективности и малой стоимости ГП в бетоне, несмотря на значительную дороговизну их. При этом в статье [94] такие результаты обосновываются высоким синергизмом ГП с тем или иным цементом: «В зависимости от индивидуальной сочетаемости ГП и цемента удорожание бетонной смеси при применении ГП Melflux 5581 может быть незначительным». Используя полученные малые дозировки ГП, авторы приводят гистограмму, на которой удорожание стоимости самоуплотняющегося бетона составляет от 180 до 780 рублей в зависимости от вида цемента.При стоимости Melflux 5581 400 рублей за 1 кг минимальное количество ГП должно составить 180:400 = 0,45 кг/м3. Таким образом, при расходе цемента300-400 кг дозировка ГП должна быть 0,11-0,15%. Максимальная дозировка ГП при удорожании бетона на 780 рублей составит 0,48-0,65%.
Ошибочная ориентация на низкие дозировки ГП Melflux 5581 в количестве 0,15-0,25% от массы цемента связана с тем, что кратковременная оценка реологии цементных суспензий с малым количеством ГП не учитывает быстрой потери ее текучести. Бетонные смеси быстро загустевают и самоуплотняющийся бетон переходит в разряд малопластичного.
Для доказательства быстропротекающего процесса загустевания и потери текучести на двух цементах, белом датском и подольском были изготовлены суспензии с 0,1 и 0,2% Melflux 5581. Контрольная суспензия на подольском цементе с 0,9% ГП имела расплыв 155 мм из цилиндра диаметром 4мм и высотой 4мм. Она сохраняла свою жизнеспособность в течении 40 минут и имела поля перемешивания расплыв 140мм. Суспензия обоих цементов с добавкой 0,1% загустели при перемешивании в течении 7 минут. Суспензии с добавкой 0,2% ГП имели после двухминутного перемешивания расплыв 90 – 130мм и загустели через
10 минут до пастообразного состояния. Загустевания явилось причиной недостаточного количества адсорбирующего вещества для образования более объемного по толщине адсорбционного слоя ГП для стабилизации цементных частиц от коагуляции. В связи с этим оптимальная дозировка ГП должна подбираться с проверкой сохраняемости расплыва суспензии.
Другим подтверждением недостаточного количества ГП Melflux является изготовление реакционно-порошковых бетонов одинаковых составов при разных дозировках Melflux – 0,9% и 0,4% от массы цемента. Составы бетонных смесей, их консистенции и прочностные свойства представлены в таблице 3.1 и 3.2.
Как следует из табл. 3.1, первый состав порошковой смеси с 0,9% ГП был жидкотекучим, имел расплыв из конуса Хагерманна 300мм. Бетон через сутки имел плотность 2320 кг /м3, прочности при сжатии - 56 МПа. Через 28 суток прочность на растяжении при изгибе – 20,4 МПа, при сжатии – 147 МПа.
Второй состав с 0,4% ГП при одинаковом количестве воды получился жестким и его повторили увеличив В/Ц с 0,33 до 0,47, т.е. на 42%. Смесь получилась малопластичной «кашеобразной». Расплыв из конуса Хагерманна был 115-120 мм. Существенно, на 6,5%, возрос выход бетонной смесей за счет воздухововлечения при перемешивании. Суточная прочность уменьшилась в 1,5 раза, 28 суточная – в 1,7 раза, а прочность на растяжении при изгибе – в 1,64 раза.
Наряду с такими негативными последствиями превращение высокопрочного самоуплотняющего порошкового бетона в малопластичного с высокой пористостью и, практически, с двукратным увеличением удельного расхода цемента на единицу прочности, у последнего двукратно возросли усадочные деформации. Если у первого состава усадка за 125 суток составила 0,244 мм/м, т.е. литой высокодисперсный бетон стал менее усадочным, чем щебеночные бетоны из жестких бетонных смесей. Бетон второго состава за тот же период потерял в 2,5 раза большее количество воды (2,65%) и имел усадку 0,52 мм/м, т.е. в 2,1 раза более высокую. В статье [95] констатируется, что в самоуплотняющихся бетонах усадка может быть более, чем в 2 раза выше, чем в щебеночных бетонах из смесей П2. Мы не видим никакого возрастания усадки в 2 и более раза у самоуплотняющегося бетона, о чем говорится в публикации [95].
Зависимость η от диаметра расплыва конуса РК экспоненциальная η =419,7 ×e(-0,0127×РК), коэффициент корреляции 0,988, стандартная ошибка s=2,255.
Разжижение цементно-водных, минерально-водных и бинарных цементно-минерально-водных систем до низких значений вязкости – основа получения высоких водоредуцирующих эффектов. Часто в литературе считается, что суперпластификаторы старого поколения, типа С-3 могут удачно сочетаться с тем или иным видом цемента, поставляемым в регион. Так в статье [95] отмечается «… величина критериев (эффективности) в большей степени зависит от цемента и в значительно меньшей степени от партии СП, результаты оценки для региона будет достаточно стабильны». Не отрицая синергизма СП с цементом, в частности, С-3 (Полипласт СП-1), на который указывают авторы, С-3 Полипласт никогда не будет перспективным для получения бетонов нового поколения, если надеяться лишь на вероятность возможного сочетания его с одним цементом и антогонизм с другим. Необходимы более универсальные суперпластификаторы, которые, не проявляя синергизма к различным цементам значительно выше по эффективности, чем тот, который проявляет высокий синергизм к тому или иному цементу. Такими являются СП, поставляемые из-за рубежа ГП серии
«Melflux, Sika Visco Crete, Glenium и др. ». Для предварительной оценки водоредуцирующего эффекта использовали минивисказиметр типа Суттарда диаметром 13 мм и высотой 36 мм. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из него был принят равным 45-55 мм, что соответствовало расплыву смесей из конуса Хагерманна, равного 280-320 мм.
В табл. 1 Приложения представлены диаметры расплывов различных пластифицированных и непластифицированных суспензий и расчитаны водоредуцирующие эффекты. Из табл. 1 видно, что все гиперпластификаторы при дозировке 0,8-0,9% от массы цемента обеспечивают водоредуцирующий эффект от 2 до 2,6. При этом жизнеспособность суспензий достаточно высокая и потеря текучести через 10-15 мин – небольшая. 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.
Водоредуцирующий эффект СП С-3 не превышает значения 1,75. Суспензии из молотых кварцевых песков и различие микрокварцев имеют близкие водоредуцирующие эффекты (1,15-1,22) как при сверхнизких дозировках ГП (0,05-0,2 %), так и при высоких дозировках (1%). При этом вид СП или ГП и содержание SiO2 в кварцевых или кварцсодержащих породах не играет заметной роли.
Добавление к молотому песку 0,5-1,0% Са(ОН)2 повышает Вэф до 2,0. Это связано с известным механизмом перезарядки отрицательной
поверхности кварца и других кислых пород на положительную, установленном проф. В.И. Калашниковым в 1982 г [5]. Этот механизм остается неизменным и для ГП на поликарбоксилатной основе.
В бинарных цементно-минерально-водных системах действие СП С-3 и современных ГП на поликарбоксилатной основе далеко неравноценно. Суперпластификатор С-3 имеет низкий водоредуцирующий эффект (1,2-1,22) в цементно-диатомовых суспензиях с необожженным и обожженным диатомитом. При использовании Melflux Вэф возрастает почти в 2 раза. Действие ГП в цементно-кварцевых суспензиях является более высоким (на 39- 46%), чем С-3. Таким образом, суперпластификатор С-3 «устарел» и надеяться на его высокую перспективность – остановиться в движении к прогрессу в технологии бетонов нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
3.3. Влияние вида и дозировки гиперпластификатора на растекаемость реакционно-порошковых смесей и свойства бетонов.
Различные мнения о оптимальной дозировке супер- и гиперпластификаторов для достижения необходимого реологически водоредуцирующего действия высказываются в литературе и в научно- исследовательских статьях. В рекламных проспектов дан широкий спектр дозировок от 0,2 до 1,8% от массы цемента. Нижнее значение дозировок производители уменьшают до минимума намеренно, особенно для очень дорогих СП и ГП, чтобы привлечь потребителей. Естественно, что потребители, используя гиперпластификаторы в малом количестве, не обеспечивают сколь - либо заметного эффекта. В некоторых научных статьях также делаются выводы об эффективности малых дозировок суперпластификаторов ГП в бетоне по результатам испытания цемента с малыми добавками ГП, так в статье [94] при дозировке самых эффективных ГП Melflux 2641, 2651, 5581, Glenium 51 в количестве 0,05-0,15% от массы цемента цементные суспензии имеют низкий предел текучести 7-10 Па. Из неправильных результатов исследований цементов делается вывод о высокой эффективности и малой стоимости ГП в бетоне, несмотря на значительную дороговизну их. При этом в статье [94] такие результаты обосновываются высоким синергизмом ГП с тем или иным цементом: «В зависимости от индивидуальной сочетаемости ГП и цемента удорожание бетонной смеси при применении ГП Melflux 5581 может быть незначительным». Используя полученные малые дозировки ГП, авторы приводят гистограмму, на которой удорожание стоимости самоуплотняющегося бетона составляет от 180 до 780 рублей в зависимости от вида цемента.При стоимости Melflux 5581 400 рублей за 1 кг минимальное количество ГП должно составить 180:400 = 0,45 кг/м3. Таким образом, при расходе цемента300-400 кг дозировка ГП должна быть 0,11-0,15%. Максимальная дозировка ГП при удорожании бетона на 780 рублей составит 0,48-0,65%.
Ошибочная ориентация на низкие дозировки ГП Melflux 5581 в количестве 0,15-0,25% от массы цемента связана с тем, что кратковременная оценка реологии цементных суспензий с малым количеством ГП не учитывает быстрой потери ее текучести. Бетонные смеси быстро загустевают и самоуплотняющийся бетон переходит в разряд малопластичного.
Для доказательства быстропротекающего процесса загустевания и потери текучести на двух цементах, белом датском и подольском были изготовлены суспензии с 0,1 и 0,2% Melflux 5581. Контрольная суспензия на подольском цементе с 0,9% ГП имела расплыв 155 мм из цилиндра диаметром 4мм и высотой 4мм. Она сохраняла свою жизнеспособность в течении 40 минут и имела поля перемешивания расплыв 140мм. Суспензия обоих цементов с добавкой 0,1% загустели при перемешивании в течении 7 минут. Суспензии с добавкой 0,2% ГП имели после двухминутного перемешивания расплыв 90 – 130мм и загустели через
10 минут до пастообразного состояния. Загустевания явилось причиной недостаточного количества адсорбирующего вещества для образования более объемного по толщине адсорбционного слоя ГП для стабилизации цементных частиц от коагуляции. В связи с этим оптимальная дозировка ГП должна подбираться с проверкой сохраняемости расплыва суспензии.
Другим подтверждением недостаточного количества ГП Melflux является изготовление реакционно-порошковых бетонов одинаковых составов при разных дозировках Melflux – 0,9% и 0,4% от массы цемента. Составы бетонных смесей, их консистенции и прочностные свойства представлены в таблице 3.1 и 3.2.
Как следует из табл. 3.1, первый состав порошковой смеси с 0,9% ГП был жидкотекучим, имел расплыв из конуса Хагерманна 300мм. Бетон через сутки имел плотность 2320 кг /м3, прочности при сжатии - 56 МПа. Через 28 суток прочность на растяжении при изгибе – 20,4 МПа, при сжатии – 147 МПа.
Второй состав с 0,4% ГП при одинаковом количестве воды получился жестким и его повторили увеличив В/Ц с 0,33 до 0,47, т.е. на 42%. Смесь получилась малопластичной «кашеобразной». Расплыв из конуса Хагерманна был 115-120 мм. Существенно, на 6,5%, возрос выход бетонной смесей за счет воздухововлечения при перемешивании. Суточная прочность уменьшилась в 1,5 раза, 28 суточная – в 1,7 раза, а прочность на растяжении при изгибе – в 1,64 раза.
Наряду с такими негативными последствиями превращение высокопрочного самоуплотняющего порошкового бетона в малопластичного с высокой пористостью и, практически, с двукратным увеличением удельного расхода цемента на единицу прочности, у последнего двукратно возросли усадочные деформации. Если у первого состава усадка за 125 суток составила 0,244 мм/м, т.е. литой высокодисперсный бетон стал менее усадочным, чем щебеночные бетоны из жестких бетонных смесей. Бетон второго состава за тот же период потерял в 2,5 раза большее количество воды (2,65%) и имел усадку 0,52 мм/м, т.е. в 2,1 раза более высокую. В статье [95] констатируется, что в самоуплотняющихся бетонах усадка может быть более, чем в 2 раза выше, чем в щебеночных бетонах из смесей П2. Мы не видим никакого возрастания усадки в 2 и более раза у самоуплотняющегося бетона, о чем говорится в публикации [95].
Таким образом, нельзя уменьшать расход гиперпластификаторов до минимума, заботясь о снижении его стоимости в бетонах. Работая на долях и половинных эффектах СП и ГП, нельзя получить высокопрочные самоуплотняющиеся реакционно-порошковые бетоны нового поколения. Тоже самое относится к порошково-активированным щебеночным и песчаным бетонам, т.к. супер- и гиперпластификаторы диспергируют и разжижают высокодисперсные суспензии, являющиеся реологическим матрицами бетонных смесей.
Оптимальные дозировки суперпластификаторов в бетонах никогда небыли ниже 0,5-0,6% от массы цемента. Появившиеся гиперпластификаторы второго и третьего поколения существенно улучшают реологические свойства по сравнению с СП на нафталиновой и меламиновой основе. Но для достижения высоких эффектов дозировка их в цементных системах остается на уровне 0,6-1,0% [96]. Лишь нетвердеющие суспензии молотых горных пород могут разжижаться, как установлено ранее (раздел 3.1), современными ГП при дозировках 0,1-0,2%. Возможно, при таких низким дозировках, будет достигнут высокий эффект в очень малоцементных композициях с содержанием цемента 5-10%.
Используемые в своем большинстве отечественные суперпластификаторы типа «Полипласт», «Суперпласт» и другие на нафталиновой основе, заметно ухудшились по качественным характеристикам, по сравнению с выпускаемым СП С-3. Они не могут обеспечить высоких водоредуцирующих эффектов в цементных суспензиях при тестировании цементов. Поэтому низкая реологическая активность их в цементах не позволяет достигнуть высокого водоредуцирующего действия при получении СУБ.
Наиболее высокие разжижающие эффекты на цементных, цементно- кремнеземистых и фиброцементно-кремнеземистых смесях достигаются при использовании зарубежных ГП «Melflux» и «Sika Visco». В таблицах 2-7 Приложения представлены составы цементных суспензий на двух видах цементов с использованием двух видов ГП, конденсированного микрокремнезема, белой сажи БС-50 и углеродной фибры. Из таблицы 2 Приложения видно, что введение ГП позволяет получить расплыв цементного теста 287 мм и текучесть Г=7,2, интенсивный набор ранней прочности и высокую прочность через 28 суток.
Цементное тесто нормальной густоты с В/Ц =0,26 при том же количестве цемента имело более высокий выход и пониженную плотность (2178 кг/м3). Прочностные показатели цементного камня были в 1,76 раза! ниже чем у цементного камня с ГП.
Цементный камень на белом цементе с 7% МК (табл.4 Приложения) имел прочность через 1 и 7 суток, соответственно 120 и 140 МПа. Текучесть его была пониженной, в связи с тем, что В/Ц=0,17 было очень низким.
При таком же В/Ц – отношении был изготовлен фиброцементный камень. В начальные сроки прочность на сжатие несколько уступала составу ЦДСА – 6, а прочность на растяжение при изгибе сохранялась. Но через 28 суток прочность при сжатии за счет фибры возросла на 11%, а на растяжение при изгибе – на 57%. Осталось не выясненным, почему возросла текучесть. Можно полагать, что ее увеличение было связано с более продолжительным перемешиванием фиброцементной смеси.
Было выявлено влияние особо чистых аморфных кремнеземов на текучесть суспензий и прочность цементного камня. Предварительный эксперимент с нанодисперсной БС-120 показал, что она в количестве 2% от массы цемента вызывает быстрое загустевание цементной суспензии. Поэтому использовали БС-50 с более низкой удельной поверхностью. Использование её в количестве 3% от массы цемента позволило при В/Т=0,16 получить более высокую текучесть суспензии, чем на цементе без неё. при этом прочность на сжатие возросла незначительно, а прочность на растяжение при изгибе повысилась на 30 %, по сравнению с составом ЦДС-6.
Замена ГП «Melflux» на «Sika Visco» с увеличением содержания БС до 5% позволило сохранить текучесть суспензии и увеличить прочность на растяжение при изгибе на 46%, по сравнению с составом ЦДСА -8 .
Таким образом, можно полагать, что использование белой сажи БС-50 и высокоэффективных ГП позволяет создать нанокремнеземистые технологии производства бетонов нового поколения при значительно меньших количествах нанодисперсных добавок, чем конденсированные микрокремнеземы от производства ферросилиция.
Суперпластификаторы старого поколения типа С-3 (Полипласт С-1) существенно ухудшают текучесть реакционно-порошковых смесей, требуют дополнительного введения воды, что значительно повышает прочность бетонов.
Как следуе тиз табл. 8 (Приложение) реакционно-порошковая смесь с ГК «Sika Visco» при В/Ц=0,29 имела расплыв из конуса Хагерманна 270мм, а в бетоне была достигнута прочность при сжатии 126 МПа, а при растяжение при изгибе – 17,6 МПа. Плотность бетона составила 2340 кг/м3. Замена ГП на суперпластификатор С-3 потребовала добавления воды на 83 литра на 1м3 бетона. При этом смесь обладала текучестью и показала расплыв на встряхивающем столике 173-180 мм. Объем бетонной смеси за счет воздухововлечения увеличился по сравнению с теоретическим, что понизило плотность его до 2208 кг/м3. Прочность на сжатие через 28 суток снизилась на 32%, а на растяжение при изгибе – на 39%. Самое важное то, что бетонная смесь из самоуплотняющейся превратилась в малопластичную. Для доведения её до самоуплотняющейся равной по растекаемости со смесью ПБ- 138 необходимо было ввести дополнительное количество воды. Это привело бы к дополнительному понижению прочности и к ещё большему возрастания водопоглощения и усадочных деформаций. Проведенный эксперимент использования С-3 в бетонах еще раз убедительно доказал, что СП С-3 не может быть использован для создания СУБ нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
3.4 Влияние содержания микрокремнезема на повышение прочности реакционно-порошковых бетонов
Еще в период создания реакционно-порошковых бетонов в 1992-94 гг. Richard P. и Cheyrezy M.H. доказали [59], что для создания бетонов с высокой прочностью содержание МК должно составлять в литых бетонах 25-30% от массы цемента. При этом в порисованных бетонах с прочностью при сжатии до 400 МПа с длительным пропариванием при t=90оС. Позднее в 2004 году было показано, [89] что из смеси цемента и микрокремнезема в соотношении до 1:1, при добавлении 1000 кг очень мелкого песка менее 0,5 мм путем прессования, выдержки в воде в течение 8 суток, последующей выдержки в воде с t=90оС и сушке при t=270 оС были получены бетоны с прочностью 280-370 МПа. Литые бетоны в зависимости от содержания МК прочностью от 193 до 280 МПа. Естественно, что такие расходы МК, доходящие до 1000 кг/м3, а также жесткие тепловые режимы крайне не экономичны, и они пригодны лишь для науки с целью показать возможности реакционно- порошковых смесей при синтезе самых низкоосновных гидросиликатов. Реальные режимы пропаривания для литых РПБ – 85-95 оС [48].
В последние годы высказываются теоретические мнения относительно низкого ингибирующего действия арматуры в малощелочной среде бетонов, в который весь портландит связан в гидросиликаты кальция. В связи с этим предлагается вводить МК в количестве 10-15% от массы цемента. Следуя этому мнению в работе доля МК не превышала 20%. В целом ряде зарубежных работ для получения РПБ с прочностью 190-200 МПа рекомендуется вводить 25-30% МК.
Контрольный состав изготавливался из порошкового бетона без микрокремнезема (ПБ-7) на Подольском цементе М500 ДО, который предварительно смешивался с ГП Melflux в сухом виде в смесителе с последующей активацией в шаровой мельнице в течение 5 мин. Ранее было установлено, что такая обработка практически не увеличивает дисперсность (не более 20-40 см2/г), но повышает однородность.
Второй, третий и четвертый составы (ПБ-3, ПБ-4, ПБ-5) изготавливались, соответственно с 5, 10 и 15% МК от массы цемента. Процедура приготовления сухой цементно-микрокремнеземистой смеси с ГП, аналогичной контрольному составу: компоненты активировались в мельнице, в течение 5 мин.
Результаты исследований представлены в табл. 3.2. В составе ПБ-7 смесь была умеренно-текучей с показателем растекаемости Г=7. Порошковый бетон без МК на Подольском цементе обладает достаточно высокой прочностью на сжатие, но повышенной хрупкостью с невысоким условным коэффициентом трещиностойкости. Удельный расход цемента выше 5 кг/МПа.
Введение 5% МК мало увеличивает прочность как на сжатие, так и на изгиб. При одинаковых значениях В/Ц и В/Т, реотехнологических показателях плотность бетонной смеси практически не увеличилась, но содержание вовлеченного воздуха в бетоне с МК было 3,2%, в то время как в контрольном составе 2,5%.
Добавление в бетон 10% МК с некоторым понижением В/Ц (на 1,17%), при неизменном В/Т, сохраняет консистенцию контрольного состава, плотность бетона и повышает прочность на сжатие и растяжение при изгибе. Если сравнить прирост прочности по сравнению с первым составом, то она возрастает, соответственно, на 17 и на 10%.
Реакционно-порошковый бетон с 15% МК при неизменном реотехнологическом показателе по сравнению со вторым составом интенсивно набирал прочность во времени и существенно повысил прочность на растяжение при изгибе на 38%. Прочность на сжатие возросла незначительно. Возможно, прочностные показатели были бы и выше, но в бетонной смеси содержалось больше воздуха (3,9%) чем в других составах, а плотность бетона была наименьшей (2283 кг/м3). Поэтому повышение
Оптимальные дозировки суперпластификаторов в бетонах никогда небыли ниже 0,5-0,6% от массы цемента. Появившиеся гиперпластификаторы второго и третьего поколения существенно улучшают реологические свойства по сравнению с СП на нафталиновой и меламиновой основе. Но для достижения высоких эффектов дозировка их в цементных системах остается на уровне 0,6-1,0% [96]. Лишь нетвердеющие суспензии молотых горных пород могут разжижаться, как установлено ранее (раздел 3.1), современными ГП при дозировках 0,1-0,2%. Возможно, при таких низким дозировках, будет достигнут высокий эффект в очень малоцементных композициях с содержанием цемента 5-10%.
Используемые в своем большинстве отечественные суперпластификаторы типа «Полипласт», «Суперпласт» и другие на нафталиновой основе, заметно ухудшились по качественным характеристикам, по сравнению с выпускаемым СП С-3. Они не могут обеспечить высоких водоредуцирующих эффектов в цементных суспензиях при тестировании цементов. Поэтому низкая реологическая активность их в цементах не позволяет достигнуть высокого водоредуцирующего действия при получении СУБ.
Наиболее высокие разжижающие эффекты на цементных, цементно- кремнеземистых и фиброцементно-кремнеземистых смесях достигаются при использовании зарубежных ГП «Melflux» и «Sika Visco». В таблицах 2-7 Приложения представлены составы цементных суспензий на двух видах цементов с использованием двух видов ГП, конденсированного микрокремнезема, белой сажи БС-50 и углеродной фибры. Из таблицы 2 Приложения видно, что введение ГП позволяет получить расплыв цементного теста 287 мм и текучесть Г=7,2, интенсивный набор ранней прочности и высокую прочность через 28 суток.
Цементное тесто нормальной густоты с В/Ц =0,26 при том же количестве цемента имело более высокий выход и пониженную плотность (2178 кг/м3). Прочностные показатели цементного камня были в 1,76 раза! ниже чем у цементного камня с ГП.
Цементный камень на белом цементе с 7% МК (табл.4 Приложения) имел прочность через 1 и 7 суток, соответственно 120 и 140 МПа. Текучесть его была пониженной, в связи с тем, что В/Ц=0,17 было очень низким.
При таком же В/Ц – отношении был изготовлен фиброцементный камень. В начальные сроки прочность на сжатие несколько уступала составу ЦДСА – 6, а прочность на растяжение при изгибе сохранялась. Но через 28 суток прочность при сжатии за счет фибры возросла на 11%, а на растяжение при изгибе – на 57%. Осталось не выясненным, почему возросла текучесть. Можно полагать, что ее увеличение было связано с более продолжительным перемешиванием фиброцементной смеси.
Было выявлено влияние особо чистых аморфных кремнеземов на текучесть суспензий и прочность цементного камня. Предварительный эксперимент с нанодисперсной БС-120 показал, что она в количестве 2% от массы цемента вызывает быстрое загустевание цементной суспензии. Поэтому использовали БС-50 с более низкой удельной поверхностью. Использование её в количестве 3% от массы цемента позволило при В/Т=0,16 получить более высокую текучесть суспензии, чем на цементе без неё. при этом прочность на сжатие возросла незначительно, а прочность на растяжение при изгибе повысилась на 30 %, по сравнению с составом ЦДС-6.
Замена ГП «Melflux» на «Sika Visco» с увеличением содержания БС до 5% позволило сохранить текучесть суспензии и увеличить прочность на растяжение при изгибе на 46%, по сравнению с составом ЦДСА -8 .
Таким образом, можно полагать, что использование белой сажи БС-50 и высокоэффективных ГП позволяет создать нанокремнеземистые технологии производства бетонов нового поколения при значительно меньших количествах нанодисперсных добавок, чем конденсированные микрокремнеземы от производства ферросилиция.
Суперпластификаторы старого поколения типа С-3 (Полипласт С-1) существенно ухудшают текучесть реакционно-порошковых смесей, требуют дополнительного введения воды, что значительно повышает прочность бетонов.
Как следуе тиз табл. 8 (Приложение) реакционно-порошковая смесь с ГК «Sika Visco» при В/Ц=0,29 имела расплыв из конуса Хагерманна 270мм, а в бетоне была достигнута прочность при сжатии 126 МПа, а при растяжение при изгибе – 17,6 МПа. Плотность бетона составила 2340 кг/м3. Замена ГП на суперпластификатор С-3 потребовала добавления воды на 83 литра на 1м3 бетона. При этом смесь обладала текучестью и показала расплыв на встряхивающем столике 173-180 мм. Объем бетонной смеси за счет воздухововлечения увеличился по сравнению с теоретическим, что понизило плотность его до 2208 кг/м3. Прочность на сжатие через 28 суток снизилась на 32%, а на растяжение при изгибе – на 39%. Самое важное то, что бетонная смесь из самоуплотняющейся превратилась в малопластичную. Для доведения её до самоуплотняющейся равной по растекаемости со смесью ПБ- 138 необходимо было ввести дополнительное количество воды. Это привело бы к дополнительному понижению прочности и к ещё большему возрастания водопоглощения и усадочных деформаций. Проведенный эксперимент использования С-3 в бетонах еще раз убедительно доказал, что СП С-3 не может быть использован для создания СУБ нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности.
3.4 Влияние содержания микрокремнезема на повышение прочности реакционно-порошковых бетонов
Еще в период создания реакционно-порошковых бетонов в 1992-94 гг. Richard P. и Cheyrezy M.H. доказали [59], что для создания бетонов с высокой прочностью содержание МК должно составлять в литых бетонах 25-30% от массы цемента. При этом в порисованных бетонах с прочностью при сжатии до 400 МПа с длительным пропариванием при t=90оС. Позднее в 2004 году было показано, [89] что из смеси цемента и микрокремнезема в соотношении до 1:1, при добавлении 1000 кг очень мелкого песка менее 0,5 мм путем прессования, выдержки в воде в течение 8 суток, последующей выдержки в воде с t=90оС и сушке при t=270 оС были получены бетоны с прочностью 280-370 МПа. Литые бетоны в зависимости от содержания МК прочностью от 193 до 280 МПа. Естественно, что такие расходы МК, доходящие до 1000 кг/м3, а также жесткие тепловые режимы крайне не экономичны, и они пригодны лишь для науки с целью показать возможности реакционно- порошковых смесей при синтезе самых низкоосновных гидросиликатов. Реальные режимы пропаривания для литых РПБ – 85-95 оС [48].
В последние годы высказываются теоретические мнения относительно низкого ингибирующего действия арматуры в малощелочной среде бетонов, в который весь портландит связан в гидросиликаты кальция. В связи с этим предлагается вводить МК в количестве 10-15% от массы цемента. Следуя этому мнению в работе доля МК не превышала 20%. В целом ряде зарубежных работ для получения РПБ с прочностью 190-200 МПа рекомендуется вводить 25-30% МК.
Контрольный состав изготавливался из порошкового бетона без микрокремнезема (ПБ-7) на Подольском цементе М500 ДО, который предварительно смешивался с ГП Melflux в сухом виде в смесителе с последующей активацией в шаровой мельнице в течение 5 мин. Ранее было установлено, что такая обработка практически не увеличивает дисперсность (не более 20-40 см2/г), но повышает однородность.
Второй, третий и четвертый составы (ПБ-3, ПБ-4, ПБ-5) изготавливались, соответственно с 5, 10 и 15% МК от массы цемента. Процедура приготовления сухой цементно-микрокремнеземистой смеси с ГП, аналогичной контрольному составу: компоненты активировались в мельнице, в течение 5 мин.
Результаты исследований представлены в табл. 3.2. В составе ПБ-7 смесь была умеренно-текучей с показателем растекаемости Г=7. Порошковый бетон без МК на Подольском цементе обладает достаточно высокой прочностью на сжатие, но повышенной хрупкостью с невысоким условным коэффициентом трещиностойкости. Удельный расход цемента выше 5 кг/МПа.
Введение 5% МК мало увеличивает прочность как на сжатие, так и на изгиб. При одинаковых значениях В/Ц и В/Т, реотехнологических показателях плотность бетонной смеси практически не увеличилась, но содержание вовлеченного воздуха в бетоне с МК было 3,2%, в то время как в контрольном составе 2,5%.
Добавление в бетон 10% МК с некоторым понижением В/Ц (на 1,17%), при неизменном В/Т, сохраняет консистенцию контрольного состава, плотность бетона и повышает прочность на сжатие и растяжение при изгибе. Если сравнить прирост прочности по сравнению с первым составом, то она возрастает, соответственно, на 17 и на 10%.
Реакционно-порошковый бетон с 15% МК при неизменном реотехнологическом показателе по сравнению со вторым составом интенсивно набирал прочность во времени и существенно повысил прочность на растяжение при изгибе на 38%. Прочность на сжатие возросла незначительно. Возможно, прочностные показатели были бы и выше, но в бетонной смеси содержалось больше воздуха (3,9%) чем в других составах, а плотность бетона была наименьшей (2283 кг/м3). Поэтому повышение
прочности произошло из-за более высокой плотности и прочности высококремнеземистой матрицы.
В целом при увеличении содержания Новокузнецкого МК, в соответствии с проведенными экспериментами, наблюдается больший прирост прочности на растяжение при изгибе, чем на сжатие.
Из анализа таблиц 3.2 видно, что с повышением содержания МК по мере увеличения прочности бетонов, величина условного реологического критерия Пт возрастает с 1,33 до 1,73, а объем тонкого песка, определяющего структуру топологической матрицы, уменьшается с 416 л до 368 л. При насыпной плотности песка в уплотненном состоянии 1,53 кг/л и пустотности песка 42,3% (423 л), коэффициент, равный отношению объема песка к объему пустот в нем и характеризующий компактность структуры при сохранении оптимального объема для размещения реологической матрицы первого рода, равен 0,87 [59].
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
1.Состав обычных пластифицированных бетонов должен трансформироваться из 4-5 компонентного в 7-8 компонентный, с дополнительными компонентами в виде дисперсной каменной муки (микрокварц, молотый песок, плотный известняк, доломит и др.), и тонкозернистого кварцевого песка фракции 0,1-0,5÷0,16-0,63 мм, которые замещают часть реологически-неактивного – обычного песка и щебня и в присутствии суперпластификаторов образуют совместно с цементом и водой в бетонных смесях реологически-активную матрицу с низким пределом текучести и низкой вязкостью. Объем такой матрицы должен быть 45-65% от объема смеси, превращая бетоны в малощебеночные и малопесчаные (песок фракции более 0,63 мм) с «плавающей» структурой щебня и песка.
2. Разработана классификация реологически-активных матриц в бетонных смесях и подразделение их на 3 рода по уровням дисперсности и зернистости: для порошковых бетонов,песчаных и щебеночных. Показано назначение каждой из матриц и их роль в обеспечении необходимой консистенции бетонных смесей. Структурная топология порошково- активированных бетонов кардинально изменяется по сравнению с обычными бетонами старого поколения. Выявлено необходимое объемное содержание каждой матрицы, исходя из оптимальной топологии, межзерновых расстояний для обеспечения оптимальных условных реологических критериев.
3.Показано, что водно-дисперсно-тонкозернистая цементная пластифицированная реологическая матрица второго рода при оптимальном соотношении компонентов и при предельной объемной концентрации твердой фазы, равной 76-79%, является самоуплотняющейся порошковой бетонной смесью для бетонов с прочностью 110-130 МПа, а при введении МК – реакционно-порошковой смесью для бетонов с Rсж = 130-180МПа.
4. Для отдельных порошковых бетонных смесей установлены фундаментальные реологические свойства – предел текучести и вязкость, а для всех смесей – реотехнологические, консистометрические. Выявлены значения их для тестирования реологического отклика цементных суспензий порошковых смесей на действие СП и ГП, тестирование слабых, сильных СП и ГП. Для тестирования растекаемости цементных суспензий, цементно- минеральных суспензий, порошковых и реакционно-порошковых смесей необходимо использовать конус Хагерманна, имеющийся во всех лабораториях заводов ЖБК, вместо рекомендуемых мини-конусов, цилиндров типа Суттарда различных размеров.
5.Выявлено влияние вида и дозировки СП и ГП на растекаемость РПБ- смесей и свойства бетонов. Показано, что минимальные дозировки ГП в количестве 0,1-0,3% от массы цемента не приемлемы для получения не только СУБ, но и бетонов старого поколения, в связи с быстрым загустеванием смесей.
6. Установлено влияние добавок конденсированного МК и высокочистого аморфного микрокремнезема – белой сажи БС-50. Использование белой сажи увеличивает прочностные показатели РПБ при значительно меньших дозировках (3-5% от массы цемента), чем МК, что позволило создать нанокремнеземистые технологии бетонов нового поколения.
7.Показано, что водоредуцирующее действие СП С-3 значительно уступает действию ГП на поликарбоксилатной основе. На основе СП С-3 нельзя создать высокоэффективные высокопрочные самоуплотняющиеся бетоны и порошково-активированные бетоны нового поколения повышенной прочности из вибрируемых бетонных смесей с низким удельным расходом цемента 2,5-4,0 кг/МПа.
В целом при увеличении содержания Новокузнецкого МК, в соответствии с проведенными экспериментами, наблюдается больший прирост прочности на растяжение при изгибе, чем на сжатие.
Из анализа таблиц 3.2 видно, что с повышением содержания МК по мере увеличения прочности бетонов, величина условного реологического критерия Пт возрастает с 1,33 до 1,73, а объем тонкого песка, определяющего структуру топологической матрицы, уменьшается с 416 л до 368 л. При насыпной плотности песка в уплотненном состоянии 1,53 кг/л и пустотности песка 42,3% (423 л), коэффициент, равный отношению объема песка к объему пустот в нем и характеризующий компактность структуры при сохранении оптимального объема для размещения реологической матрицы первого рода, равен 0,87 [59].
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
1.Состав обычных пластифицированных бетонов должен трансформироваться из 4-5 компонентного в 7-8 компонентный, с дополнительными компонентами в виде дисперсной каменной муки (микрокварц, молотый песок, плотный известняк, доломит и др.), и тонкозернистого кварцевого песка фракции 0,1-0,5÷0,16-0,63 мм, которые замещают часть реологически-неактивного – обычного песка и щебня и в присутствии суперпластификаторов образуют совместно с цементом и водой в бетонных смесях реологически-активную матрицу с низким пределом текучести и низкой вязкостью. Объем такой матрицы должен быть 45-65% от объема смеси, превращая бетоны в малощебеночные и малопесчаные (песок фракции более 0,63 мм) с «плавающей» структурой щебня и песка.
2. Разработана классификация реологически-активных матриц в бетонных смесях и подразделение их на 3 рода по уровням дисперсности и зернистости: для порошковых бетонов,песчаных и щебеночных. Показано назначение каждой из матриц и их роль в обеспечении необходимой консистенции бетонных смесей. Структурная топология порошково- активированных бетонов кардинально изменяется по сравнению с обычными бетонами старого поколения. Выявлено необходимое объемное содержание каждой матрицы, исходя из оптимальной топологии, межзерновых расстояний для обеспечения оптимальных условных реологических критериев.
3.Показано, что водно-дисперсно-тонкозернистая цементная пластифицированная реологическая матрица второго рода при оптимальном соотношении компонентов и при предельной объемной концентрации твердой фазы, равной 76-79%, является самоуплотняющейся порошковой бетонной смесью для бетонов с прочностью 110-130 МПа, а при введении МК – реакционно-порошковой смесью для бетонов с Rсж = 130-180МПа.
4. Для отдельных порошковых бетонных смесей установлены фундаментальные реологические свойства – предел текучести и вязкость, а для всех смесей – реотехнологические, консистометрические. Выявлены значения их для тестирования реологического отклика цементных суспензий порошковых смесей на действие СП и ГП, тестирование слабых, сильных СП и ГП. Для тестирования растекаемости цементных суспензий, цементно- минеральных суспензий, порошковых и реакционно-порошковых смесей необходимо использовать конус Хагерманна, имеющийся во всех лабораториях заводов ЖБК, вместо рекомендуемых мини-конусов, цилиндров типа Суттарда различных размеров.
5.Выявлено влияние вида и дозировки СП и ГП на растекаемость РПБ- смесей и свойства бетонов. Показано, что минимальные дозировки ГП в количестве 0,1-0,3% от массы цемента не приемлемы для получения не только СУБ, но и бетонов старого поколения, в связи с быстрым загустеванием смесей.
6. Установлено влияние добавок конденсированного МК и высокочистого аморфного микрокремнезема – белой сажи БС-50. Использование белой сажи увеличивает прочностные показатели РПБ при значительно меньших дозировках (3-5% от массы цемента), чем МК, что позволило создать нанокремнеземистые технологии бетонов нового поколения.
7.Показано, что водоредуцирующее действие СП С-3 значительно уступает действию ГП на поликарбоксилатной основе. На основе СП С-3 нельзя создать высокоэффективные высокопрочные самоуплотняющиеся бетоны и порошково-активированные бетоны нового поколения повышенной прочности из вибрируемых бетонных смесей с низким удельным расходом цемента 2,5-4,0 кг/МПа.
Общество с ограниченной ответственностью
"Научно-производственное объединение
"КОПОН"
Юридический адрес (в соответствии с Учредительными документами):
142517, Московская область, г.о. ПавловоПосадский, д. Улитино, д. 46
Адрес производства:
600020, г. Владимир, улица Большая Нижегородская, д 88 (территория КПП)
Телефон: +7-908-166-83-91
+7-4922-37-73-11
Адрес электронной почты: bepors@rambler.ru
Сайт: bepors.ru
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ
