CC BY
33УДК 691.33
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, Д.М. ВАЛИЕВ, инженер, Д.В. КАЛАШНИКОВ канд. техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства; Н.В. МАСЛОВА, канд. техн. наук, Тольяттинский государственный университет (Самарская обл.)
Роль тепловой обработки порошково-активированного мелкозернистого бетона для достижения сверхвысокой прочности
Задача повышения прочности бетона во все периоды его развития была главенствующей. В последние двадцать лет эта проблема касается получения высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона с прочностью более 150 МПа, в том числе самоуплотняющегося (СУБ), и реализации их в строительстве. Опыт получения бетона с прочностью 400—500 МПа в лабораторных условиях имеется начиная с 1970 г. По этой проблеме за рубежом бетонными и цементными ассоциациями подготовлено достаточно много публикаций и отчетов [1]. Почти все лабораторные исследования создания бетона со сверхвысокой прочностью связаны с прессованием малых образцов из горячих порошковых смесей при высоком давлении и длительной выдержкой их при высокой температуре под механическим давлением. Однако бетон с прочностью более 250 МПа пока не нашел широкой реализации в отечественной практике строительства. Хотя в зарубежной практике высокопрочный бетон и фибробетон применяются при возведении различных объектов [2, 3].
В России в 2010 г. впервые использован реакционно-порошковый бетон с прочностью 180—200 МПа при возведении памятника Победе и обелиска «Аллея Победы» [4]. Позже сверхвысокопрочный бетон был использован при изготовлении сверхлегких трехслойных стеновых панелей для северных регионов России с массой 1 м2 130—140 кг, термическим сопротивлением 5,5 м2-°С/Вт. Кроме того, сверхвысокопрочный бетон использован при изготовлении пустотелых архитектурно-декоративных заборов со снижением массы в 5—8 раз по сравнению с традиционными ограждениями территорий. Приведенные примеры реализации сверхвысокопрочного бетона и фибробетона показывают неограниченные экономические возможности использования его в строительстве.
Прогресс в технике и технологии бетона достигнут за рубежом и в России путем применения значительного количества микрометрических частиц размером 1—100 мкм, добавляемых к цементу [5]. Такую технологию назовем микротехнологией бетона. Добавление реакционно-активного микрокремнезема с 50% содержанием частиц размером 100—400 нм усиливает реологическое действие микрометрических частиц и способствует более быстрому связыванию извести в дополнительное количество гидросиликатов кальция. Такое же действие оказывает добавление нанометрических частиц аморфного кремнезема (микросилика, белая сажа, силикатный дым), при этом образуются наногидроси-ликаты кальция размером 10—100 нм. В этом случае технология бетона становится микронанотехнологией.
Расширение рецептуры высокопрочного бетона нового поколения с введением активных тонкодисперсных компонентов микромасштабного уровня и тонко-
зернистого песка фракции 0,1—0,5 мм открыло новую эру порошковой активации бетона. Эффективные суперпластификаторы превращают суспензии таких порошков в реологически активные, высокоагрегативно-устойчивые при низкой объемной концентрации жидкой фазы. Высокая объемная концентрация твердой фазы в смеси при сохранении текучести является тем критерием, который отличает бетон нового поколения. Эталоном реологического состояния бетонных смесей должны быть самоуплотняющиеся смеси, которые имеют высокую объемную концентрацию твердой фазы при высокой прочности бетона. Оценочным показателем оптимального состава бетонных смесей должны быть удельная осадка конуса бетонной смеси (ОК— или удельный расплыв (Р-уд) из стандартного конуса. Эти показатели — отношение осадки и расплыва конуса к процентному содержанию воды от массы сухих компонентов самоуплотняющихся смесей должны быть высокими. Естественно, что такие показатели будут различными для реакционно-порошкового бетона и порошково-активированного щебеночного и песчаного бетона. Чем они выше в своей группе бетонов, тем совершеннее рецептура, технология и в целом выше культура производства.
В настоящих исследованиях порошково-активиро-ванный щебеночный самоуплотняющийся бетон для изготовления бордюрного камня имел расход цемента М500Д0 — 315 кг/м3 и прочность при сжатии 131 МПа. Водосодержание бетонной смеси 4,9% от массы сухих компонентов, осадка конуса 25 см. Удельная осадка конуса на 1% использованной воды равна 5,1 см/%. Объемная концентрация твердой фазы С—=87%, удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии 2,42 кг/МПа. Можно также охарактеризовать этот бетон отношением прочности к использованной воде: Р— =28,4 МПа/%.
Таким образом, для качественного анализа рецептуры, реологического состояния бетонных смесей и характеристики бетона нового поколения необходимо использовать несколько оценочных критериев: ОКуд, Руд,
Отдельные публикации зарубежных исследователей посвящены повышению прочности бетона нового поколения при длительной тепловой обработке. В основном это касается особо высокопрочного бетона с повышенным количеством микрокремнезема (МК) [6]. В [6] бетон подвергали длительному пропариванию в течение 48 ч. Сделан вывод, что в результате длительной термообработки происходит существенное повышение прочности. Было исследовано семь составов фибробетона. Порошково-активированный щебеночный фибробетон с расходом цемента 630 и 830 кг/м3, МК — 25—31% массы цемента, с армированием фиброй 2,5 об. % имел
научно-технический и производственный журнал Щ^ИУЙ
10 октябрь 2013 ~ Л1] ®
Характеристики Значение характеристик
ПАМБ-48 ПАМБ-49
Расход цемента, кг 475 475
В/Ц 0,33 0,29
В/Т 0,072 0,063
Консистенция смеси П-5 Ж-1
RCЖ через 28 сут, МПа 110,4 114,8
RCЖ через 500 сут, МПа 130 144
Прочность после ТВО в течение 10 ч, МПа 98 102,8
Прочность пропаренного бетона после 27 сут последующего твердения, МПа 106 111,2
Прочность после ТВО в течение 72 ч, МПа 138 147
Прирост прочности после ТВО в течение 72 ч по отношению к прочности бетона после 10 ч ТВО, % 41 43
Цуд после 72 ч ТВО, кг/МПа 3,5 3,2
прочность 180—200 МПа после пропаривания в течение 2 сут при температуре 90оС. Удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии составлял для первого бетона 4—4,4, для второго — 3,4—3,5 кг/МПа. Если микрокремнезем отнести к компоненту цементно-микрокремнеземного вяжущего, то удельный расход такого вяжущего на единицу прочности при сжатии будет равен 4,9—5,5 и 4,5—4,6 кг/МПа. Эта оценка удельного расхода композиционного вяжущего более объективна, так как стоимость МК у различных производителей равна или выше стоимости цемента. Реакционно-порошковый фибробетон с расходом цемента 900 кг/м3, МК — 25% (225 кг/м3) имел прочность после пропаривания 255 МПа. При этом Ц^ =3,5 кг/МПа, а удельный расход композиционного вяжущего КВ^ =5,5 кг/МПа.
В данной работе приведены результаты исследования двух составов порошково-активированного мелкозернистого (песчаного) бетона (ПАМБ) без микрокремнезема со средним расходом цемента 475 кг/м3 при двух различных водоцементных отношениях (В/Ц). Содержание остальных компонентов было одинаковым. Важно было оценить, в какой мере будет прирост прочности бетона без МК, но с повышенным содержанием микрокремнезема ^Уд=320 м2/кг) после пропаривания при температуре 80оС продолжительностью изотермии 72 ч. Для сравнения ряд образцов пропаривали с изотер-мией в течение 10 ч при той же температуре. Эта серия пропаренных образцов была испытана через 27 сут последующего нормального твердения. Контрольные образцы твердели 28 сут при нормальных условиях твердения. Результаты приведены в таблице.
Как следует из таблицы, оба вида бетона как из высокопластичной, так и из жесткой бетонных смесей имели через 28 сут близкие значения прочности 110,4 и 114,8 МПа.
За 500 сут хранения образцов прочность возросла соответственно до 130 и 144 МПа, а приросты прочности по отношению к 28-суточной составили 17 и 28%.
Прочность при сжатии пропаренного бетона в течение 10 ч изотермической выдержки при температуре 80оС немного уступала 28-суточной. Были достигнуты высокие коэффициенты при пропаривании, равные 0,89 и 0,9. За 27 сут нормального твердения пропаренный бетон практически достигал прочности бетона
нормального твердения. Это свидетельство того, что разработанные составы не подвержены сильному влиянию деструктивных процессов при тепловой обработке и
не обнаруживают существенного недобора прочности в сравнении с нормально твердеющим бетоном.
Пропаривание бетона в течение 72 ч позволило получить прочностные показатели, незначительно превышающие показатели бетона, твердевшего 500 сут в естественно-воздушных условиях при колебаниях температуры 17—25оС. Важно отметить, что удельный расход цемента в бетоне, пропаренном в течение 72 ч, равный 3,2—3,5 кг/МПа, был значительно ниже, чем удельный расход композиционного вяжущего (^д =4,41—6,09 кг/МПа) в сверхвысокопрочном РПБ, разработанном немецкими учеными [6].
Проведенный эксперимент позволил выявить возможности повышения прочности при длительной тепловой обработке ПАМБ без присутствия высокореакционно-активной пуццоланической добавки — микрокремнезема. Заменителем его в пропаренном бетоне может быть и тонкомолотый кварцевый песок, если не требуется получения сверхвысокой прочности бетона.
Естественно, что длительная температурная обработка является очень энергоемкой. Она будет перспективна в будущем при использовании возобновляемых источников энергии — солнечной, ветроэнергетики, энергии волн, энергии приливов и отливов. В настоящее время реально использовать автоклавирование в течение 10—18 ч при 191оС и давлении водяного пара 1,2 МПа. Повышение показателей прочности при этом может быть более значительным. Известно, что в условиях высокой температуры и повышенного давления водяного пара молотый кварцевый песок полностью связывается с Ca(OH)2 и превращается в низкоосновные гидросиликаты.
Таким образом, можно прогнозировать, что дальнейшее развитие порошково-активированного бетона будет связано с автоклавированием при высокой температуре и давлении водяного пара, с последующим перепуском пара и сухим прогревом изделий.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, микротехнология, микронанотехнология, порошковая активация, качественные критерии, тепловая обработка.
Список литературы
1. Burg R.G., Ost B.W. Engineering properties of commercially available high-strenght concretes // Portland cement association. Bulletion RDYD 4 TS. 1992. № 1914. Pp. 56.
2. Мировая премьера в Австрии — арочный разводной мост из высокопрочного фибробетона // CPI. Международное бетонное производство. 2011. № 1. С. 132-134.
3. Ибук Х.Буровая коронка из сверхвысокопрочного бетона // CPI. Международное бетонное производство. 2012. № 3. С. 28-30.
4. Калашников В.И. Бетоны старого и нового поколений. Состояние и перспективы // Наука: 21 век. 2012. № 1. С. 60-74.
5. Калашников В.И. Бетоны: макро, микро- и пикомас-штабные сырьевые компоненты. Реальные нанотех-нологии бетонов: Сб. докладов конф. «Дни современного бетона. От теории к практике». Запорожье, 2012. С. 42-46.
6. Schmidt M. Ultra-Hochfester Beton: Perspective fur die Betonfertigteil industrie. / M. Schmidt, E. Fehling, Th. Teichmann, K. Bunje, R. Bornemann // Beton-werk+Fertigteil-Technik. 2003. № 3. Рр. 16-29.
научно-технический и производственный журнал J4JJ ® октябрь 2013 TT
