CC BY
168УДК 691.31:678.06
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Что такое порошково-активированный бетон нового поколения
Многими специалистами считается, что в традиционных четырехкомпонентных бетонных смесях старого поколения состава цемент—песок—щебень—вода основой их высокой пластификации являются только высокоэффективные суперпластификаторы (СП). Действие современных СП оценивается по водоредуцирующему эффекту. Максимальный водоредуцирующий эффект в бетоне с высоким расходом цемента может достигать 30—35%. Механизм действия как старых, так и новых СП практически изучен. Он связан с адсорбцией молекул СП, с изменением ионно-электростатического одноименного заряда частиц и электрического потенциала и со стерическими эффектами. Но в бетоне старого поколения (БСП) эти механизмы работают только на дисперсной фазе — цементе, так как определяет текучесть и пластичность бетонной смеси цементно-водная дисперсия. Когда в бетоне мало цемента, то и водно-дисперсной фазы, которая обеспечивает реологическое действие СП, тоже мало. Поэтому повышенное пластифицирование и водоредуцирование обеспечиваются только в жирном бетоне. По уровню водоредуцирова-ния можно условно классифицировать пластифицированные бетонные смеси с разным расходом цемента следующим образом:
— расход цемента 150—200 кг/м3 — водоредуцирующий
эффект 5—7%;
— расход цемента 250—300 кг/м3 — 10—15%;
— расход цемента 400—600 кг/м3 — 20—35%.
Из этого следует вывод: ни пластификаторы старого поколения, ни пластификаторы нового поколения неэффективны или малоэффективны в бетоне с расходом цемента до 200—300 кг/м3. Для повышения эффективности в бетонные смеси необходимо добавлять значительное количество дисперсной фазы в виде более дешевых дисперсных наполнителей с Sуд = 300—400 м2/кг.
Таким образом, бетонные смеси старого поколения необходимо не только реологически активировать или модифицировать добавками СП, но и осуществлять порошковую активацию или модификацию их для усиления пластифицирующих и водоредуцирующих эффектов.
Термин «порошково-активированныей бетон» с СП был предложен в [1] исходя из необходимости введения значительного количества дисперсных компонентов, получения новой рецептуры и топологической структуры такого бетона. Этот термин аналогичен термину «порошково-модифицированный бетон». Необходимо отметить, что без СП невозможно активировать бетон старого поколения значительными количествами дисперсных порошков в связи с существенным понижением прочности.
В обычном четырехкомпонентном бетоне старого поколения (БСП) присутствует лишь один порошок — цемент. В таком бетоне абсолютная объемная доля этого порошка может быть различной в зависимости от расхода цемента. При расходе цемента 200—500 кг/м3 и истинной плотности его 3,1 г/см3 абсолютная объемная доля находится в пределах 65—161 л (6,5—16,1%).
Дисперсные наполнители, которые раньше вводили взамен портландцемента для его экономии [2], увеличивали объем порошкообразной фазы пропорционально разнице плотностей цемента и наполнителя. Учитывая, что истинная плотность плотных горных пород находится в пределах 2,6—3,1 г/см3, абсолютный объем порошкообразной смеси или не менялся (наполнители базальт, диабаз, габбро), или незначительно возрастал (кварц, известняк).
Так, замена 100 кг цемента от его расхода в 500 кг/м3 молотым кварцевым песком плотностью 2,7 г/см3 увеличивает абсолютный объем смешанного порошка всего на 4,7 л, т. е. на 2,9%. Естественно, что от такой замены цемента реологические свойства от действия СП практически не менялись.
Осуществим порошковую активацию малоцементного БСП с расходом цемента 180 кг/м3 (58 л/м3) добавлением 190 кг/м3 (70,4 л/м3) молотого песка плотностью 2,7 г/см3. Тогда суммарная абсолютная объемная доля порошковых тонкодисперсных компонентов в виде молотого песка и цемента составит 12,8% (128 л в 1000 л смеси), т. е. в 2,13 раза превысит объемную долю чистого цемента при его расходе в бетоне 180 кг/м3. Если дополнительно ввести микрокремнезем (МК) в количестве 10% массы цемента, то суммарный объем порошков составит 137 л и объемная доля дисперсных компонентов возрастет до 13,1%. Кроме молотого наполнителя и МК в бетон добавим тонкий песок фр. 0,16—0,63 мм в количестве 500 кг/м3, содержание которого составит 185 л. Общее содержание тонкозернистого и порошкового компонентов цемента, молотого песка, МК и тонкого песка будет 322 л, что в 5,55 раза выше, чем абсолютный объем цемента при его содержании 180 кг/м3. Это количество порошка от объема 1000 л бетона составит 32,2%, что в два раза выше, чем объем цементного порошка в бетоне с расходом цемента 500 кг/м3. Таким образом, содержание порошковых компонентов в тощем порошково-активированном бетоне существенно выше, чем в жирном бетоне старого поколения. Именно такое значительное содержание порошкообразной фазы описывает термин «порошковая активация» бетона с крупным и мелким заполнителями. Он созвучен термину «реакционно-порошковый бетон», в котором кроме цемента присутствуют реакционно-активный МК, молотый наполнитель и тонкий песок.
Все дисперсные и тонкозернистые наполнители можно разделить на два вида в соответствии с их функциями: реакционно-активные и реологически-активные. Термин «реакционно-активный» (МК, дегидратированный каолин, белая сажа и т. п.) характеризует достаточно интенсивную пуццолановую реакцию взаимодействия аморфного кремнезема с портландитом. Молотые кварцевые или кварцесодержащие наполнители — базальт, диабаз, гранит, сиенит, кварцевый песок реакционно-активны с известью, но с замедленным, более продолжительным (латентным) периодом взаимодействия с портландитом. Другие дисперсные напол-
70
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2012
нители — известняк, доломит являются условно-неактивными, так как не образуют прочных продуктов с известью. В самоуплотняющемся бетоне реакционно-активные и реологически-активные добавки выполняют важнейшую реологическую функцию: способность под действием диспергаторов превращаться из состояния структуры геля в золь с высвобождением значительного количества свободной воды из структуры геля. Этот переход осуществляется под действием ионно-электростатических СП в водно-тонкодисперсной системе со значительной иммобилизацией воды из структуры геля в золь. Он сопровождается лавинообразным снижением предела текучести и вязкости системы с сохранением самопроизвольной гравитационной растека-емости. В бетонных смесях старого поколения такому переходу подвержена лишь одна дисперсная система — цементно-водная. Такой реологически-активной системы в БСП мало, что требует введения тонкодисперсных наполнителей. В связи с этим дисперсные и тонкозернистые наполнители были названы реологически-активными, усиливающими в бетонной смеси действие всех видов пластификаторов.
Именно порошково-активированный многокомпонентный бетон с оптимизированным содержанием дисперсных наполнителей и тонкого песка, с кардинальным изменением рецептуры является бетоном нового поколения. Порошковая активация эффективна для экономически невыгодного и технически малоприемлемого песчаного бетона старого поколения. Большие перспективы ожидаются при производстве порошково-активированного керамзитобетона и стек-лосферобетона. Высокая эффективность порошковой активации выявлена для особо тяжелого бетона для защиты от радиации.
Новая рецептура порошково-активированного бетона определяет и новую топологическую структуру.
В соответствии с основными теоретическими положениями о структуре и топологии порошково-активированных бетонных смесей, разработанных на кафедре «Технология бетонов, керамики и вяжущих», щебеночные бетоны содержат в своем составе три разделенные по масштабному уровню дисперсности, реологические матрицы. С этих позиций топологическая структура высокопрочного и особовысокопрочного бетона нового поколения должна кардинально отличаться от структуры обычного и малоцементного бетона старого поколения. В соответствии с правилом равенства абсолютных объемов составляющих бетона при добавлении в малоцементный (140—170 кг/м3) бетон нового поколения более чем одно-двукратного количества дисперсного наполнителя и более чем трехкратного количества тонкого песка фр. 0,16—0,63 мм существенно снижается суммарное количество обычного мелкого заполнителя и щебня. При этом реализуется «плавающее» размещение песка-заполнителя в тонкозернисто-дисперсной водной суспензии, а щебня — в растворной смеси. Таким образом, такой бетон должен быть малощебеночным и малопесчаным, если под песком понимать песок как стандартный мелкий заполнитель. Содержание щебня в бетоне сокращается до 700—900 кг/м3, а в фибробетоне до 500—700 кг/м3.
К бетону нового поколения обычно относят высокопрочный, ультравысокопрочный, высокофункциональный, реакционно-порошковый, самоуплотняющийся, самонивелирующийся. Тем не менее он является высокоэкономичным и экологичным, если его оценить по величине известного критерия. Этот критерий — удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии (ЦУД= Ц/R, кг/МПа).
Естественно, что высокопрочный и сверхвысокопрочный бетон будет высокоэкономичным, если этот
критерий не будет превышать 4—5 кг/МПа. При строительстве комплекса Москва-Сити бетон отвечал этому требованию (ЦуД = 5 кг/МПа). Фирмой Duckerhoff на портландцементе ЦЕМ52,5Д0, что равнозначно ПЦ600Д0, изготовлен фибробетон с ЦУД = 3,1 кг/МПа. При этом бетон без фибры и МК имел ЦУД = 3,7 кг/МПа. Реакционно-порошковый бетон прочностью 180—200 МПа, использованный для возведения памятника Победы в 2010 г. в г. Красноярск-45, имел ЦуД = 3,6-3,8 кг/МПа.
Доля такого уникального бетона в мире не превышает 4-5%.
Чрезвычайно актуальным является производство бетона общестроительного назначения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Это возможно лишь при внедрении наукоемкой порошковой активации бетона, который должен быть многокомпонентным (7-8 составляющих) в отличие от 4-5 компонентного бетона старого поколения с СП.
В заключение приведены результаты достижения высоких показателей свойств порошково-активиро-ванного бетона, полученного на кафедре ТБКиВ, состава, кг/м3: цемент ЦДС 0,9% МеШих 265Ш (Красноярск)
— 319; песок ртищевский молотый (ПМ) = 3200 см2/г
— 235; песок тонкий ртищевский фр. 0,16—0,63 (ПТ) — 351; МК новокузнецкий (7% массы цемента) — 22,2; песок крупный из трех фракций (ПЗ) (Красноярск) (фр. 0,63—1,25 мм = 22,4%; фр. 1,25—2,5 мм = 16,2%; фр. 2,5—5 мм = 61,4%; рнас =1550 кг/м3; Мкр = 3,3) — 510; щебень гранитный (30% фр. 5—10 мм) — 308; щебень габбро-диабаз (70% фр. 10—20 мм) — 720; вода —120. При этом В/Ц = 0,376, В/Т = 0,048, осадка конуса 22 см. Бетон через сутки имел прочность при сжатии 66 МПа в пересчете на базовые размеры кубов 150x150x150 мм. Через 28 сут достигнута прочность 133,6 МПа на тощем по содержанию цемента в бетоне высокопластичной бетонной смеси ((Ш+ЕП)/Ц = 6,65). Достигнута очень высокая плотность бетона, равная в образцах бетона через сутки 2534 кг/м3. Рассчитаны все безразмерные параметры соотношений сырьевых компонентов и критерии условных реологических матриц: ЕП/Ц = 3,75; МК/Ц = 0,07;
И^ = 2,42; Ищщ = 2,39; ИЩ = 1,7; Ц£д = 2,39 кг/МПа; Я™ = 0,418 МПа/кг; Ц^ = 21,3 кг/МПа; Rи/Rс = 0,112.
Необходимо отметить, что изменение этих критериев в сторону незначительного уменьшения или повышения их приводит к снижению прочностных показателей на 10—20%. Важно то, что достигнут чрезвычайно низкий удельный расходцемента на единицу прочности бетона при сжатии (Цд^ = 2,39 кг/МПа) и растяжении при изгибе = 21,3 кг/МПа).
Производство бетона нового поколения возможно только тогда, когда центр тяжести будет перенесен на производство и подготовку качественных наполнителей и заполнителей, и чем раньше будет реализована такая техническая политика, тем быстрее появится в практике строительства бетон нового поколения.
Ключевые слова: порошково-активированные бетоны, гиперпластификаторы, дисперсные наполнители, плотность, прочность.
Список литературы
1. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103—106.
2. Соломатов В.И. и др. Высокопрочный бетон с активированным минеральным наполнителем // Бетон и железобетон. 1986. № 12. С. 10—11.
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2012
71
