Научная статья на тему 'Реальности и перспективы повышения прочности особопрочных бетонов'

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

CC BY
153
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Строительные материалы
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ОСОБО ПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ / МИКРОКРЕМНЕЗЕМ / ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ / МОДИФИКАЦИЯ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Баранов И. М., Юсупов Р. К., Тарасов А. С., Солдатова Н. И.

Представлены результаты исследований по разработке составов высокопрочных мелкозернистого тяжелого бетона и тяжелого бетонас крупным заполнителем. Описаны их строительно-технические свойства.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Реальности и перспективы повышения прочности особопрочных бетонов»

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 - -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

» <

Ь 4

V,

V <

ZN

' M > <

Реклама

Ы ®

ноябрь 2013

S3

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.