Реальности и перспективы повышения прочности особопрочных бетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.3

И.М. БАРАНОВ, канд. техн. наук, Р.К. ЮСУПОВ, канд. хим. наук,

А.С. ТАРАСОВ, канд. техн. наук, Н.И. СОЛДАТОВА, инженер, ООО «НТЦ ЭМИТ» (Москва)

Реальности и перспективы повышения прочности особо прочных бетонов

Способность сопротивляться механическим воздействиям, т. е. обладать необходимой прочностью — одно из основных свойств любого устройства, конструкции, материала. Об этом не уставал повторять видный отечественный физикохимик П.А. Ребиндер — основоположник нового раздела физико-химической науки — физико-химической механики [1]. Один из соавторов статьи имел честь знать лично Петра Александровича и помнит, как он нередко, доставая из кармана авторучку, говорил: «Ее назначение — писать, но если при письме она рассыпается в руке, то не сможет выполнить своего назначения».

Основная задача, которую решает физико-химическая механика, состоит в установлении количественных взаимосвязей между реологическими и механическими свойствами жидкообразных структур и твердых тел, с одной стороны, и их физико-химическими характеристиками — с другой. Решению этой задачи, в том числе применительно к процессам, происходящим при гидратационном твердении минеральных вяжущих веществ, посвящены многочисленные исследования [2]. В этих исследованиях дисперсных структур центральное место занимает изучение перехода жидкообразных систем, формирующихся при смешивании дисперсии минерального вяжущего вещества с водой, в твердоо-бразное состояние. Физико-химическая механика связывает затвердевание водных дисперсий минеральных вяжущих веществ с принципиальным изменением характера дисперсных структур, происходящим при развитии процессов гидратации, а именно: переходом структур коагуляционного типа, обладающих свойством тиксотропии, т. е. обратимо разрушающихся, что придает системе свойство формуемости, в значительно более прочные и необратимо разрушающиеся кристаллизационные структуры [3]. В основе физико-химического механизма этого перехода лежит столь же коренное изменение характера контактных взаимодействий между частицами дисперсной фазы — переход контактов коагуляционного типа в фазовые кристаллизационные контакты [4].

Эти представления физико-химической механики дисперсных структур явились основанием для применения физико-химической теории прочности относительно цементного бетона [5]. Среди результатов этой разработки можно выделить прогнозирование теоретически достижимых, предельно возможных значений прочности. Соответствующие количественные оценки показали, что при обеспечении высокой дисперсности твердых ингредиентов (цемент, активные минеральные добавки, инертный заполнитель) и их плотной упаковке (низкие В/Ц) в принципе может быть получен бетон с пределом прочности при сжатии в 1000-1500 МПа.

Повышение прочности бетона уже давно находится в центре внимания специалистов бетоноведческой науки. Первые успехи в этом направлении связаны с применением эффективных водопонижающих добавок -

суперпластификаторов, что позволило получать бетоны с пределом прочности при сжатии 80 МПа и более [6]. Дальнейший прогресс был обеспечен благодаря разработке вяжущих низкой водопотребности, обусловивших увеличение прочности бетона до значений выше 100 МПа [7].

В формировании современного состояния проблематики высокопрочных бетонов ведущую роль сыграли зарубежные исследователи. К настоящему времени разработаны так называемые Ultra High Performance Concrete (UHPC), что может быть переведено на русский язык как бетоны высочайшей степени совершенства [8—11]. Эти бетоны характеризуются прочностью при сжатии в пределах 150—250 МПа, а в отдельных экспериментах была зафиксирована прочность до 600 МПа. Базовым представлением зарубежного опыта является тезис о том, что непременными, обязательными компонентами при получении высокопрочных бетонов должны быть, помимо цемента и заполнителя, эффективная пластифицирующая добавка и микрокремнезем. Особенностью микрокремнезема, формирующегося в результате конденсации из газовой фазы и представляющего собой аморфную форму двуокиси кремния с размером частиц около 0,1 мкм (100 нм), является очень высокая пуццолановая активность.

Другое столь же важное представление зарубежного опыта о принципах получения высокопрочных бетонов состоит в отказе от применения крупного заполнителя. Считается, что слабым звеном традиционного бетона (на крупном заполнителе) является контактная зона щебня с растворной частью бетона. Соответственно там зарождаются трещины, лимитирующие прочность.

В данной работе этот анализ физико-химических предпосылок и передового опыта явился основанием для разработки условий и принципов получения высокопрочного бетона, содержащим:

1. Общие принципы получения:

— применение пластификаторов (супер- и гипер-), снижающих значения В/Ц до 0,3;

— применение высокоактивных пуццолановых добавок;

— применение наполнителей, в том числе тонкомолотых, с высокой прочностью (гранит, диабаз и др.);

— применение малой крупности зерен заполнителей;

— снижение (минимизация) дефектов структуры;

— повышение плотности за счет снижения объема воздушных пор и улучшения однородности структуры бетона;

— снижение усадки;

— применение активации вяжущего, песка и интенсивного способа перемешивания смеси с помощью высокоэнергетических аппаратов.

2. Требования к материалам. 2.1. Требования к цементу:

— С3А — менее 5%;

— водопотребность — менее 0,25;

— применение бездобавочного цемента М500 Д0;

50

ноябрь 2013

iA ®

Таблица 1

Вид материала Расход, кг/м3

Портландцемент М500Д0 различных заводов-производителей: - ОАО «Мордовцемент» - ОАО «Красносельскстройматериалы» - ЗАО «Мальцовский портландцемент» - ОАО «Новотроицкий цементный завод» - ОАО «Вольскцемент» - ЗАО «Осколцемент» - ЗАО «Белгородский цемент» - ООО «Тульский цементный завод» 620-940

Портландцемент М400Д20 - ОАО «Воскресенскцемент» 730

Расширяющая добавка РД-н 110

Микрокремнезем марок МК-85 и МКУ-85 (компания «Сибирь») 120-360

Зола-унос ТЭЦ-22, метакаолин 170-250

Гель кремниевой кислоты 30-45

Диабазовая мука 170-250

Песок кварцевый (фракции 0,3-0,6 мм, 0,4-0,8 мм, 0,315-1,25 мм, 0,8-3 мм) 770-1100

Щебень гранитный (фракции 3-10 мм) 960-1240

Стеклосфера (для приготовления легкого бетона) 200

Фибра: - полипропиленовая - базальтовая - стальная 3-20 10-20 40-150

Пластификаторы: - У1всосге1е 25Ш, У1всосге1е 5NEW - Ме!Аих 5581Р, 6681Р, РР 100Р - А1рИа1№ Нуре^^ 2025 РМ и 2030 1_Б РМ - Одолит марок К и Т - Мигар!ав1 РК 63 и MC-Powerflow 1180, 2695, 3100 - Глениум марок 115, СКАЙ 591, 51 - РОХ-8Н - С-3 8-21

Полимерное связующее (акриловая эмульсия «Лакротэн Э-52Б» 3-5

Вода 110-190

— сочетаемость с пластификаторами;

— низкая экзотермия.

2.2. Требования к щебню (гранитный, базальтовый, габбро):

— фракция 2—8 мм, предпочтительно 2—3 мм;

— низкое содержание щелочей;

— низкое содержание фракций менее 0,125 мм.

2.3. Требования к песку:

— фракция 0,15—0,6 мм, предпочтительно 0,1—0,4 мм;

— низкое содержание щелочей.

2.4. Требования к дисперсным волокнам:

— длина 6 и 12 мм минеральных и стальных волокон;

— дозировка минеральных волокон до 3 и более %, а стальных не более 5%.

2.5. Требования к кремнеземистым добавкам.

2.5.1. Требования к тонкодисперсным добавкам:

— содержание пыли с размером частиц 1—5 мкм до 30% в пуццолановых добавках (кислая зола-унос, метакаолин);

— обязательное применение тонкодисперсных фракций микрокремнезема с размером частиц 0,1— 0,2 мкм — вводится до 30% к цементу;

— применение геля или золя кремнезема.

2.5.2. Требования к тонкомолотым добавкам:

— применение тонкомолотых фракций с размером частиц 5—25 мкм (каменная мука — диабазовая, кварцевая — вводится до 50—70% к цементу).

Примечания:

— кремнеземистые тонкомолотые добавки применяются для обеспечения заполнения пор между частицами цемента, улучшения реологических свойств бетонной смеси, интенсификации процессов структурообразования за счет вторичных продуктов гидратации благодаря пуццолановой реакции с портландитом;

— рекомендуемое соотношение между микрокремнеземом и золой-уноса — 1:1.

2.6.Требования к пластификаторам:

— сочетание с цементом;

— разжижающее действие;

— сохраняемость бетонной смеси;

— отсутствие замедляющего действия добавок на гидратацию цемента.

При выборе пластифицирующих добавок контролируется:

— снижение водопотребности (водоредуцирование >30%);

— повышение подвижности;

— сохраняемость бетонной смеси.

2.7. Требования к технологии:

— постоянный контроль влажности заполнителей;

— высокая точность дозировки;

— использование смесителей с высокой интенсивностью смешивания;

— учет времени транспортировки, т. е. обеспечение требуемой сохраняемости смеси;

— определение правил дополнительной дозировки пластификатора на строительной площадке;

— обеспечение требуемой подвижности смеси;

— влажностный уход за бетоном в первые 3 сут;

— применение микродобавок, содержащих свободную воду, для уменьшения аутогенной усадки и трещинообразования в начальные сроки твердения;

— необходимость применения полимеров, обладающих высокой абсорбирующей способностью и играющих роль накопителей влаги, что диктует целесообразность применения полимеров в виде порошка;

— применение фибры.

Разработанные и изложенные выше условия и принципы получения высокопрочных бетонов, представления, сформированные в рамках физико-химической механики дисперсных структур применительно к цементным системам (бетонам), а также последние достижения бетоноведческой науки на данном направлении, прежде всего зарубежные, послужили основанием для подготовки своих методик для решения задач гидротехнического строительства в нашей стране. Они использовались, дополнялись и совершенствовались применительно к отечественной практике строительства. При этом основное внимание уделялось высокопрочным бетонам общего назначения. Вместе с тем разрабатывали и специальные виды высокопрочных бетонов — торкрет-бетоны, бетон для подводного бетонирования, ремонтные составы бетона, легкие бетоны повышенной прочности [12].

В этой работе при решении поставленных задач к известным уже условиям и принципам получения высокопрочных бетонов добавились еще и другие принципы:

— применение специально разработанных смесителей

с изменяемыми оборотами рабочего органа и высокоэнергетическим воздействием на бетонную смесь

Ы ®

ноябрь 2013

51

Таблица 2

Наименование показателей Строительно-технические свойства

Мелкозернистый тяжелый бетон Тяжелый бетон с крупным заполнителем Легкий мелкозернистый бетон

Консистенция бетонной смеси, см, по: - погружению конуса СтройЦНИЛ, - осадке стандартного конуса 8-12 14-19 8-12

Плотность бетона, кг/м3 2350-2450 2450-2550 1600-1650

Предел прочности при сжатии после твердения 28 сут в камере нормального твердения, МПа 140-190 130-140 70-85

Предел прочности на растяжение при изгибе после твердения 28 сут в камере нормального твердения, МПа, для: - неармированного бетона - дисперсно-армированного бетона 25-30 35-45 20-25 10-15

Коэффициент призменной прочности 0,80-0,85 - -

Морозостойкость, цикл 800-1000 - -

Водопоглощение, % 0,3 - 1-2

Водонепроницаемость, ати 18 - -

Коэффициент конструктивного качества, Ясж/плотность 0,77 0,55 0,51

(смеситель-дезинтегратор и смеситель-активатор), обеспечивая при этом ее:

• высокоэффективное перемешивание, активацию и равномерное распределение по объему дисперсно-армирующих волокон;

• вакуумирование для повышения плотности, уменьшения капиллярной и воздушной пористости;

• выгрузку и подачу к месту укладки с помощью сжатого воздуха;

— определение последовательности загрузки компонентов смеси и соответствующей продолжительности смешивания;

— снижение хрупкости бетона путем введения в его состав эластичного и водостойкого полимерного связующего;

— использование специально разработанной практической методики определения рационального состава бетона по содержанию и соотношению заполнителей [13];

— использование специально разработанной методики оценки свойств бетонных смесей специальных бетонов по реологическим характеристикам [14]. Перечень использованных в работе материалов представлен в табл. 1; там же приведены и базовые составы разрабатываемых материалов, а их строительно-технические свойства приведены в табл. 2. Консистенция смесей, результаты испытаний которых приведены в табл. 2, составляет 8—19 см погружения конуса СтройЦНИЛа. Прочность бетона при сжатии после 28 сут твердения образцов в камере нормального твердения — 140—190 МПа.

Однако кроме традиционной технологии получения высокопрочного тяжелого бетона из пластичной смеси в наших исследованиях разрабатывалась и технология торкрет-бетонирования.

Торкретирование с каждым годом расширяет области своего применения, в числе которых: изготовление геометрически сложных конструкций (оболочки, своды, бассейны), строительство элементов гидротехнических сооружений, восстановление и усиление строительных конструкций (в том числе гидротехнических, мостовых), устройство тоннелей.

Свои научно-экспериментальные исследования по разработке высокопрочного торкрет-бетона проводили путем разработки составов для нанесения мелкозерни-

стой бетонной смеси методом торкретирования мокрым способом с подачей ускорителя схватывания в жидком виде непосредственно в сопло.

Основные преимущества мокрого способа перед сухим заключаются в получении бетонов с повышенными физико-механическими характеристиками за счет предварительного приготовления смесей в эффективных смесителях, в том числе активаторах, с постоянным расходом воды, в возможности вводить в составы смесей суспензии, любые современные добавки в сухом и жидком виде (гиперпластификаторы, стабилизаторы, полимерные дисперсии и т. д.), в сокращении отскока до 5%. Именно мокрый способ позволяет улучшить свойства за счет применения комплекса добавок, методик рационального подбора составов, эффективных смесителей, обеспечивая однородность состава смеси и свойств бетона при большой производительности выполняемых торкрет-работ.

В основном свойства применяемых смесей для торкретирования на сегодняшний день ограничены значениями показателей по прочности 70 МПа, водонепроницаемости '16, морозостойкости Б300. Разработанные составы мелкозернистых смесей позволяют получать бетоны с прочностью до 130 МПа, морозостойкостью до 1000 циклов, водонепроницаемостью '20, адгезией к основанию не менее 3 МПа, водопоглоще-нием менее 1%.

Применение особо прочных бетонов и торкрет-бетонов с такими высокими свойствами позволит решать специальные задачи при возведении и восстановлении железобетонных конструкций различного назначения, в том числе и особо ответственных, требующих высокотехнологичных методов и бетонов.

Достигнутый уровень прочностных показателей, конечно, не является предельным. Есть все основания полагать, что он может быть значительно повышен. Это направление исследований является одним из приоритетных в дальнейшей работе.

Применительно к вопросам практической реализации теоретических представлений о возможности повышения прочности особо прочного бетона в направлении достижения им предельно возможных значений прочности следует сказать, что в основном это уже вопросы нанотехнологий.

52

ноябрь 2013

Реализация в полной мере изложенных ранее условий и принципов получения высокопрочного бетона, как это мы понимаем, решает проблему формирования особо плотной его структуры только на макроуровне, а на микроуровне повышать прочность можно только с использованием нанотехнологий. Но на этом уровне можно будет работать, когда все будет реализовано на макроуровне.

Свое поле деятельности на следующем этапе работы мы видим в следующих направлениях:

— изучение возможности применения смачивающих добавок и добавок, повышающих растворимость СаО и 8Ю2;

— изучение возможности увеличения в затвердевшем бетоне доли тоберморитовой и цеолитовой составляющих;

— разработка композиционных дисперсно-армированных минерал-полимерных материалов.

Ключевые слова: особо прочные бетоны, микрокремнезем, повышение прочности, модификация.

Список литературы

1. Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. С. 381.

2. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е., Амелина Е.А. и др. Физико-химические основы гидратационного твердения вяжущих веществ // VI Международный конгресс по химии цемента: Тез. докл. Т. 2. 1976. С. 58—64.

3. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966, 399 с.

4. Shchukin E.D., Amelina E.A. Contact interacton in disperse systems. Advances in colloid and interdace science. 11.3.1979. P. 235-239.

5. Юсупов Р.К. Физико-химическая теория прочности бетонов. II Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону: Бетон и железобетоны — пути развития. Москва. 5-9 сентября 2005 г. Т. 3. С. 623-630.

6. Иванов Ф.М., Батраков В.Г., Силина Е.С., Файнер М.Ш. Суперпластификатор для получения высокомарочных бетонов II Промышленное строительство и инженерные сооружения. 1980. № 4. С. 34-35.

7. Батраков В.Г., Бабаев Ш.Т., Башлыков Н.Ф., Фалик-ман В.Р. Бетоны на вяжущих с низкой водопотребно-стью II Бетон и железобетон. 1988. № 11. С. 4-6.

8. Thomas L. Vaande Voort, Muhannad T.Suleman, Sri Sriha-ran. Desigh and Perfomance Verification of UHPC Piles for Deep Foundations // Final Report. November. 2008.

9. Dean Bierwagen, Ahmad Abu-Hawash. Proceedings of the 2005 Mid II Continent Transpotation Pieseanch Symposium. Ames. Iowa. August. 2005.

10. Ben Ctraybeal. Ultra-High Performance Concrete // Technical Note. March. 2001.

11. Victor Y.Garas. Creep of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) // CEE 8813. 04/13/2007.

12. Баранов И.М. Инновационные материалы для строительства и ремонта мостов II Строительные материалы. 2013. № 3. С. 82—86.

13. Баранов И.М. Практическая методика определения рациональных составов специальных бетонов II Строительные материалы. 2012. № 7. С. 87—93.

14. Баранов И.М. Проблемные вопросы технологии получения высококачественных специальных бетонов II Строительные материалы. 2013. № 7. С. 31—32.

, ООО «ТД «ИНТА-СТРОИ», 644113, Омск, ул. 1 -я Путевая, 100

Тел.: (3812] 35 65 44, 35 65 45. E-mail: [email protected]. Http: www.inta.ru

■ОБВЕНшО ВАН И Е «ИНТА-СТРОИ»

ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ш

ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫЙ «КАСКАД-4»

СМЕСИТЕЛЬ

Основные характеристики:

• производительность, кг/ч - 600;

• установленная мощность, кВт - 7,5;

габариты [дл., шир., выс.), мм - 2009,469,555; масса, кг - 425.

Назначение:

• Подготовка сырья в небольших объёмах для производства керамики.

• «Каскад-4» может использоваться в других отраслях, где необходимо тщательное смешение компонентов с высокой степенью гомогенизации.

Преимущества:

- глубокая переработка сырья;

- высокая степень гомогенизации;

- улучшение характеристик сырья;

- гранулирование;

- получение окрашеных смесей;

- возможность использования отходов (зола ТЭЦ, граншлак и пр.]

Р 4

> <

МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ

МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ

МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ

» <

1м

Ь 4

V,

V <

ZN

' M > <

[м

Реклама

Ы ®

ноябрь 2013

S3