CC BY
63УДК 693.542.53
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, Е.В. ГУЛЯЕВА (gulyaeva5@gmail.com), Д.М. ВАЛИЕВ (damir_vm@mail.ru), В.М. ВОЛОДИН (vladimir.versus@gmail.com), А.В. ХВАСТУНОВ (alexey-pnz@mail.ru), инженеры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов
В связи с развитием самоуплотняющихся бетонов (СУБ), которые востребованы в монолитном, сборном и дорожном строительстве, важно оценить действие различных суперпластификаторов (СП) на реологию бетонных смесей. За рубежом активно внедряются самоуплотняющиеся бетоны для монолитного строительства, изготовления дорожных конструкций и дорожного полотна. Особенно эффективны бетоны нового поколения для изготовления кольцевых элементов под автомобильные дороги. При их изготовлении использование высокопрочных бетонов позволяет уменьшить расход бетона в 2—3 раза. Традиционные кольцевые железобетонные элементы изготавливают с толщиной стенок 100—150 мм. В странах Западной Европы кольцевые элементы под автодорогами изготавливают с толщиной стенок не более 40—50 мм из бетона классов по прочности В100—В120.
При выборе СУБ важно определить реологические характеристики, учитывая при этом геометрию опалубки, укладку арматуры и технику заливки. Если бетон обладает высокой текучестью, то, например, для щебеночного бетона имеется риск расслоения, для реакционно-порошкового фибробетона — оседания фибры к днищу формы. Если текучесть бетона низкая, то в смеси останется много пузырьков вовлеченного воздуха. Основой получения СУБ является не только использование самых эффективных суперпластификаторов, но и рецептура бетона нового поколения. Присутствие в бетоне
высокодисперсных наполнителей (молотого кварца, известняка) усиливает действие СП.
Реологическое поведение СУБ, как и обычного цементного теста, можно описать уравнением Шведова— Бингама:
ч: = тв+Ля(А/4),
где т — напряжение сдвига; — предельное напряжение сдвига (предел текучести); Ли — пластическая вязкость системы, проявляющаяся после преодоления действующим напряжением сдвига предела текучести; ^е/^ — 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 т0, чем пластифицированное. При этом вязкость пластифицированного теста в динамических условиях может быть значительно выше, чем у не-пластифицированного равной текучести. Эти особенности поведения двух видов цементных суспензий легко выявляются в состоянии вибрационного воздействия на них. Если подобрать одинаковый расплыв цементных суспензий из конуса Хагерманна, равный 350 мм, который для обычной суспензии достигается при В/Ц = 0,4—0,5, а для пластифицированной — при В/Ц = 0,17—0,2, то изменение вязкости при наложении вибрации и прекращении ее принципиально отличается (рис. 1).
П, Пас
105
104
103
102
10 п'пр П'пр
50 г
Покой Вибрация
Покой
Рис. 1. Изменение пластической вязкости непластифицированной (индекс «н») и пластифицированной (индекс «пл») цементных суспензий с равной растекаемостью
40 -
* 30 -
К 20-
10 -
0
150
Т1 = 419,7е(-
♦ Ч»
400
200 250 300 350
Диаметр расплыва смеси из конуса Хагерманна, мм
Рис. 2. Зависимость пластической вязкости от диаметра расплыва смеси из конуса Хагерманна
44
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2011
Таблица 1
Наименование Вид СП, дозировка, % массы цемента В/Ц (В/Т) с СП В/Ц (В/Т) без добавок Расплыв с СП,см Расплыв без добавок, см ВЭФ
Красноярский ПЦ500Д0 (ЦДС), 1-я партия Melflux 5581F, 0,9 0,185 0,5 37 29 2,7
Красноярский ПЦ500Д0 (ЦДС), 2-я партия Melflux 5581F, 0,9 0,185 0,5 32 29 2,7
Красноярский цемент ПЦ500Д0 Visco Crete-20 GOLD, 0,9 0,17 0,52 29 29 2,97
Хидетал 9y, 0,9 0,18 0,52 38 29 2,88
С-3, 0,9 0,34 0,52 24 29 1,53
Glenium, 0,9 0,19 0,52 29 29 2,74
Одолит К, 0,9 0,22 0,52 19 29 2,36
Одолит Т, 0,9 0,22 0,52 20 29 2,36
VistoCrete 5New, 0,9 0, 18 0,52 31 29 2,88
ViscoCrete 25Ru, 0,9 0, 18 0,52 30 29 2,88
Жигулевский цемент ПЦ500Д0 ViscoCrete-20 GOLD, 0,8 0,18 0,5 32 25 2,77
ViscoCrete-20 GOLD, 0,8 0,18 0,5 29 24 2,77
Melflux 5581F, 0,8 0,18 0,5 35 24 2,77
Датский цемент белый СЕМ 52,5 Melflux 5581F, 1 0,17 0,55 30 33 3,94
Датский цемент белый СЕМ 52,5 + МК новокузнецкий негранулированный 7% массы цемента Melflux 5581F, 1 0,17 (0,16) 0,7 27 30 4,37
Вольский цемент ПЦ500Д0 Мelflux 5581F, 0,85 0,165 0,54 37 30 3,27
Хидетал 9y, 0,9 0,17 0,54 32 30 3,17
Glenium, 0,9 0,196 0,54 34 30 2,75
Одолит Т. 0,9 0,233 0,54 28 30 2,3
Одолит К, 0,9 0,233 0,54 26 30 2,3
С-3, 0,9 0,3 0,54 28 30 1,8
ViscoCrete-20 GOLD, 0,9 0,18 0,54 32 30 3
Мордовцемент ПЦ500Д0Н Мelflux 5581F, 0,9 0,18 0,5 38 25 2,77
Шлакопортландцемент М400 (35% шлака) Melflux 5581F, 0,9 0,17 0,5 32 31 2,94
Glenium, 0,9 0,206 0,5 34 31 2,42
Одолит Т, 0,9 0,213 0,5 35 31 2,34
Одолит К, 0,9 0,213 0,5 34 31 2,34
С-3, 0,9 0,3 0,5 35 31 1,66
Хидетал 9y, 0,9 0,2 0,5 37 31 2,5
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 неразрушенной 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 (п пр) осуществляется с уменьшением вязкости на три порядка и более. При прекращении вибрации структура мгновенно восстанавливается и за счет компактной перегруппировки частиц вязкость становится выше, чем до вибрации. Именно поэтому непластифицированные тиксотропные дисперсные системы не обладают в покое послетиксотропным течением.
Пластифицированная цементная суспензия хотя и имеет более высокую концентрацию твердой фазы при В/Ц = 0,18 (Су = 64%), ее 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 дискретными частицами. При прекращении вибрации силовые связи восстанавливаются медленно, что сопровождается продолжительным растеканием.
Необходимо принимать во внимание кроме динамической вязкости п кинематическую где р — плотность суспензии), которая обычно не учитывается. В приведенном выше примере плотность пластифицированной суспензии равна 2,35 г/см3, а непластифици-рованной — 1,94 г/см3. В связи с этим текучесть более тяжелой суспензии будет более высокой. В тяжелой бе-
©teD'AÍZJlhrMS.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2011
45
Таблица 2
Наименование компонентов Масса, Объем, в/ц, р, кг/м3 пм Пт Ж Прочность, МПа, через, сут
кг/м3 л/м3 в/т Ц Ц п3 1 7 28
ЦЦС Цемент красноярский ПЦ500Д0, 0,9% Melflux 5581F 305 98,4 0,417 2456 0,74 1,1 2,01 Яизг = 7,95 /"?изг =11 Яизг= 16
Микрокварц (ПМ), Syfl = 2600 см2/г 226 85,3 0,054 ц 1,0 МК = 0,07 Ш. = 32 Ясж = 52,8 Ясж= 107,2 Ясж= 122
Песок тонкий (Пт), отсеянный из крупного песка Мкр = 2,85 (Красноярск): фр. 0,16-0,315 мм = 25%; рнас = 1385 кг/м3 фр. 0,315-0,63 мм = 75%; руп = 1550 кг/м3 334,3 126 Еп _ Ц 3,43; = 6,64
МК новокузнецкий, 7,0% массы цемента 21,4 9,3
Песок крупный (ПЗ) (Красноярск), отсеянный из товарного песка: Мкр = 2,85 фр. 0,63-1,25 мм = 22%; фр. 1,25-,5 мм = 16%; фр. 2,5-5 мм = 62%; рнас = 1580 кг/м3; рупл = 1740 кг/м3, Пупл = 34,3% 486 184 окст = Дст = 26 см, 62 см Ивд = 2,5; Ивдп = 2,43; И? = 1,73 Ц^ = 2,5 кг/МПа; -Кц = 0,4МПа/кг; Ц^= 19,1 кг/МПа; R„/Rc = 0,13
Щебень, дробленный из гравия: фр. 10-15 мм = 50%; фр. 8-10 мм = 30%; фр. 5-8 мм = 20%; рнас = 1350 кг/м3; рупл = 1565 кг/м3, Пупл = 42% 979 362,6
2Мсух Вода 2352 127 865,6 127
М6.с. 2479 992,6
тонной смеси для изготовления бетона для балластных утяжелителей газопроводов или защиты от радиационных излучений обнаруживается более высокая удобо-укладываемость за счет очень тяжелых заполнителей и наполнителей. В такой бетонной смеси уменьшается расход воды, что дает возможность повысить прочность бетона или снизить расход цемента.
В отечественных лабораториях для определения реологических характеристик смеси обычно используется стандартный конус и конус Хагерманна, который можно использовать для тестирования растекаемости смеси из него. Поэтому исследована взаимосвязь вязкости реакционно-порошкового бетона (РПБ) от расплы-ва смесей из конуса Хагерманна. Использовался РПБ следующего состава: Ц = 700 кг; микрокварц с Syn = 3300 см2/г — 350 кг; тонкий песок фракции 0,16—0,63 мм — 1025 кг; микрокремнезем новокузнецкий - 70 кг; СП Melflux 2651 - 0,9% массы цемента (Ц). Вязкость регулировали содержанием воды 210-245 л. Она определялась на вискозиметре Reotest-2. Зависимость представлена на рис. 2. Как следует из рис. 2, оптимальный расплыв бетонной смеси из конуса Хагерманна 280-380 мм соответствует вязкости 11-12 Па-с. Относительную текучесть (Г) по истечении смеси из конуса Хагерманна (по методике германской фирмы TESTING) определяли: Г = (Др/Дк)2-1, где Др, и Дк - диаметр расплыва и диаметр нижнего основания конуса (100 мм) соответственно.
Для указанных расплывов относительная текучесть Г = 6,8-13,4.
Зависимость п от диаметра расплыва суспензий из конуса (РК) экспоненциальная ^ =419,7 . 0,0127 рк>. Коэффициент корреляции 0,988, стандартная ошибка 5 = 2,255.
Разжижение цементно-водных, минерально-водных и бинарных цементно-минерально-водных систем до низкого значения вязкости - основа получения высоких водоредуцирующих эффектов.
Для предварительной оценки водоредуцирующего эффекта в цементных суспензиях СП использовали конус Хагерманна. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из него был принят равным 260-380 мм, что соответствовало относительной текучести, равной 5,8-13,4.
По равновеликим расплывам различных пластифицированных и непластифицированных суспензий цемента и отдельных смесей рассчитаны водоредуцирую-щие эффекты по формуле: Вэф = (В/Ц)н/(В/Ц)п, где (В/Ц)н и (В/Ц)п - водоцементное отношение непласти-фицированной и пластифицированной суспензий соответственно.
Установлено, что в цементных суспензиях из 6 видов цемента (табл. 1) все СП при дозировке 0,85-0,9% массы цемента обеспечивают водоредуцирующий эффект от 2,5 до 3,3. При этом жизнеспособность суспензий достаточно высокая, потеря текучести через 10-15 мин после первого испытания небольшая и не превышает 5-10%. 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. Наибольший водоредуцирующий эффект выявлен у белого цемента с содержанием C3S = 75% и С3А = 4%.
СП Хидетал 9y более избирателен к вольскому цементу (Вэф = 3,17), но он мало отличается от Вэф = 2,88 в суспензиях на красноярском и жигулевском цементах. Российские СП Одолит К и Одолит Т уступают по водо-редуцирующему действию добавке Хидетал 9у.
Добавление микрокремнезема к портландцементу в количестве 7% массы последнего мало изменяет водоре-дуцирующую эффективность.
Кратковременное смешивание цементов (ЦДС) с МК и сухим СП в мельнице мало влияет на разжижающую способность СП.
Водоредуцирующий эффект СП С-3 в цементных суспензиях не превышает значения 1,75. Суспензии из молотых кварцевых песков и различных микрокварцев имеют близкие водоредуцирующие эффекты (1,15— 1,22) как при сверхнизких дозировках СП (0,05—0,2%), так и при высоких (1%). При этом вид СП и колебания содержания SiO2 в кварцевых или кварцсодержащих породах не играют заметной роли.
Добавление к молотому песку 0,5—1% Са(ОН)2 повышает ВЭф до 2. Это связано с известным механизмом перезарядки отрицательной поверхности кварца и других кислых пород на положительную [1]. Этот механизм остается неизменным и для СП на поликарбоксилатной основе.
В качестве примера высокой эффективности СП при хорошо подобранной рецептуре порошковых компонентов и оптимальном гранулометрическом составе песка-заполнителя и щебня приведен состав малоцементного порошково-активированного щебеночного бетона (табл. 2). Из табл. 2 следует, что при расходе цемента 305 кг/м3 достигнута прочность бетона при сжатии 122 МПа. При этом бетонная смесь была самоуплотняющейся с осадкой конуса 26 см, с расплывом конуса 62 см и соответствовала марке SF1 для СУБ по стандарту европейского руководства [2]. В составе не использовали органические модификаторы вязкости, а высокая растекаемость при низком содержании воды достигнута порошковой активацией щебеночного бетона с помощью добавок микрокварца в количестве 74% массы цемента и 7% микрокремнезема. Но этих дисперсных компонентов было бы недостаточно, если бы мы не использовали очень тонкий песок фр. 0,16— 0,63 мм. Тонкозернистый песок еще в большей степени усиливает действие СП. Соотношения компонентов в бетонной смеси (Пм/Ц; Пт/Ц; Щ/Пз; Пз/Ц; Щ/Ц; ЕП/Ц и Е(П+Щ)/Ц) оказались самыми оптимальными. Высокая реология была обеспечена оптимизацией трех условных реологических критериев, определяющих состояние трех реологических матриц в топологической структуре бетонной смеси (И^; Иц^; Ир*).
Можно с уверенностью утверждать, что будущее бетона будет определяться порошковой активацией любых бетонных смесей, в том числе для высоконагружен-ных автодорог и дорожных конструкций.
Работа выполнена при поддержке гранта федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», номер гос. контракта 14.470.11.1254.
Ключевые слова: порошковая активация, цементы, суперпластификаторы, самоуплотняющиеся бетоны нового поколения, реология, гранулометрия, прочность.
Список литературы
1. Калашников В.И. О реакции различных минеральных композиций на нафталин-сульфокислотные суперпластификаторы и влияние на нее быстрорастворимых щелочей: В мат. III национальной конф. с участием зарубежных представителей «Механика и технология композиционных материалов». София: БАН, 1982.
2. European Praect Group «The European Guidelines for Self - Compacting Concrete. Specification, Production and Use». Joint work by EFNAPC, BJBM, CEMBUREAU, EFCA, ERMACO. May, 2005.
Cj научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2011 47"
