Фибробетоны удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение (с дуктильным характером разрушения), по трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости [6].
Переход на новые виды современных бетонов обусловлен высокими достижениями в области пластифицирования бетонных и растворных смесей и появлением наиболее активных пуццолановых добавок – микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол. В последние годы при производстве высококачественных бетонов реализуется концепция использования реологически-активных мономинеральных и полиминеральных тонкодисперсных порошков микрометрического масштабного уровня на основе молотых горных пород.
Сочетание суперпластификаторов и особенно гиперпластификаторов на поликарбоксилатной и полигликолиевой основах с дисперсными порошками, позволяет снизить водоцементное отношение до 0,24-0,28 и получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси.
Многокомпонентность современных высококачественных бетонов требует системного подхода к выбору исходных компонентов для его приготовления с целью создания материала различного функционального назначения. Такой подход реализуется путем использования системы критериальных показателей оценки эффективности модифицирующих компонентов и пластифицирующих добавок с целью создания бетонов многофункционального назначения.
Состав и свойства самых распространенных песчаных бетонов
(мелкозернистых или пескобетонов), производимых в России, не отвечают
прогрессивным техническим и экономическим требованиям в связи с повышенным
расходом портландцемента на один кубометр бетона при прочности его на сжатие
(М150–М600). При этом удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии (
, кг/МПа) находится в пределах
8–14 кг/МПа и более. Низкая прочность матрицы не позволяет получать
высокоэффективные фибробетоны и экономить стальную фибру.
На основе теоретических представлений о возможности достижения максимальных водоредуцирующих эффектов суперпластификаторов в дисперсных цементно-водно-минеральных системах показано, что песчаный бетон нового поколения, кроме дисперсного цемента, должен дополнительно включать комбинацию дисперсных и тонкозернистых добавок: молотые природные пески (микрокварц), молотые горные породы вулканического происхождения, молотые известняки, тонкие природные пески или дробленые из горных пород, а также, при необходимости, реакционно-активные пуццоланические добавки, в частности микрокремнезем (МК) и при строго оптимальных соотношениях, совместно усиливающих реологическое действие суперпластификаторов или гиперпластификаторов.
Песчаные бетоны нового поколения должны быть 7-8-компонентными с четырех-пятикомпонентной водной порошково-активированной матрицей, не только с целью повышения прочности бетонов, но и для существенной минимизации расхода цемента, что позволяет называть такие бетоны порошково-активированными [7].
Соотношение компонентов по массе (
, 
,
)
и по объему (
, 
, 
) должно быть строго
оптимизированным, как и значения условных реологических матриц первого рода (
) и второго рода (
) [3, 2].
Выявлено, что в разработанных 7-8-компонентных пластифицированных песчаных бетонах нового поколения путем оптимальных изменений соотношения дисперсных, тонкозернистого, грубозернистого минеральных компонентов, цемента и воды, при расходах цемента 190–720 кг/м3 достигнут низкий удельный расход цемента на единицу прочности 2,94–7,0 кг/МПа для классов бетона по прочности на сжатие В15-В120.
Новая рецептура порошково-активированных песчаных бетонов формирует в бетонной смеси две условные реологические матрицы, классифицируемые по масштабным уровням дисперсности и зернистости компонентов. Показано, что с использованием матриц первого и второго масштабного уровней можно определить условные реологические критерии, характеризующие степень раздвижки зерен тонкозернистого песка фр.0,16–0,63 мм, среднезернистого песка-заполнителя [2, 5]. Исходя из этого, топологическая структура порошково-активированного песчаного бетона характеризуется двумя коэффициентами раздвижки зерен, в отличие от бетонов старого поколения, где коэффициент один.
Впервые установлены численные значения безразмерных соотношений компонентов по массе и объему для 25 составов порошково-активированных песчаных бетонов, а также условные реологические критерии, позволяющие оценить по расходу цемента и свойствам бетона степень оптимальности подбора составляющих бетонов. Для наиболее оптимальных составов с расходами цемента 370–394 кг/м3 получены высокопрочные песчаные бетоны с прочностью до 98-134 МПа из самоуплотняющихся бетонных смесей для бетонирования монолитных конструкций и для заводской технологии сборного железобетона и фибробетона (таблица 1).
Таблица 1
Реотехнологические свойства самоуплотняющейся порошково-активированной песчаной бетонной смеси и физико-технические свойства бетона
|
Наименование компонентов |
На 1 м3, кг |
Объем на 1 м3, л |
В/Ц, В/Т |
ρ, кг/м3 |
|
|
|
Прочность МПа, Rиз/Rсж через, сут. |
|||
|
1 |
7 |
28 |
|||||||||
|
ЦДС Цемент Красноярский ПЦ500 Д0 (Ц), МК Новокузнецкий 10% от ПЦ, ГП Melflux 5581F 0,9% от Ц |
393,3 |
126,8 |
0,45 |
2350
|
0,75 |
1,44 |
2,44 |
5,9 26,4 |
― 65,5 |
10,1 98 |
|
|
39,3
3,4 |
17
3,1 |
||||||||||
|
Песок формо-вочный тонко-зернистый ЛГОК (ПТ), фр. 0,0-0,63мм. |
567 |
214 |
|||||||||
|
Микрокварц ЛГОК (ПМ), Sуд = 4220 см2/г |
295 |
111,3 |
0,078 |
|
|||||||
|
Rи / Rс = 0,103 |
|||||||||||
|
Песок крупный (ПЗ) фр.0,63÷5мм: фр. 0,63÷1,25мм = 22%; фр. 1,25÷2,5мм =19,5%;фр. 2,5÷5мм = 58,5%. |
960,6 |
343,1 |
ОК = 27,5см
СV = 0,82 Купл =0,99 |
|
|||||||
|
|
|||||||||||
|
ΣМсух. ΣVсух. Вода |
2258,6 ― 178 |
― 815,3 178 |
|||||||||
|
Мб.с. |
2436,6 |
― |
|||||||||
|
Vб.с |
― |
993,3 |
|||||||||
= 0,1
= 4,0 кг/МПа;
= 0,249 МПа/кг;
= 38,9 кг/МПа;
= 4,63
Впервые получен сверхвысокопрочный самоуплотняющийся
порошково-активированный песчаный фибробетон с классом по прочности В150 и с
расходом цемента 711 кг/м3(
=3,6
кг/МПа), за счет порошковой и тонкозернистой активации его молотым кварцевым
песком, МК, тонким песком фракции 0,16–0,63 мм с добавлением стальной фибры 3%
и углеродных волокон 0,5% по объему бетона (таблица 2).
Таблица 2
Реотехнологические свойства самоуплотняющейся порошково-активированной песчаной фибробетонной смеси и физико-технические свойства фибробетона
|
Наименование |
На 1 м3, кг |
ρ, кг/м3 |
|
|
|
|
Прочность МПа, Rиз/Rсж через, сут. |
||||
|
1 |
7 |
28 |
|||||||||
|
Цемент белый Датский СЕМ 52,5R |
711,3 |
2491 |
0,4 |
0,9 |
0,6 |
1,9 |
19,9 89,2 |
34,7 160 |
44,3 198 |
||
|
Микрокварц ЛГОК (ПМ) Sуд = 400м2/кг |
284,5 |
В/Ц=0,29 |
В/Т=0,095 |
Rи / Rс = 0,223;
|
|||||||
|
Песок формовочный ЛГОК(Пт), фр. 0,16-0,63мм |
640 |
РКХегерманна 280×305 мм
Купл. = 0,99 СV = 0,78
|
|||||||||
|
Песок ‒ заполнитель (ПЗ) фр. 1,25-2,5мм |
422,3 |
||||||||||
|
Микрокремнезем |
107 |
||||||||||
|
ГП Melfux 5581F |
7,1 |
||||||||||
|
Углерод. волокна, 0,5% от V |
9,0 |
||||||||||
|
Фибра стальная, 3% от V |
236 |
||||||||||
|
ΣМсух. без фибры Вода |
2172 207 |
||||||||||
|
Мб.с. с фиброй |
2624 |
||||||||||
= 3,6 кг/МПа;
= 0,278 МПа/кг;
= 16,0 кг/МПа;
= 9,0 кг/МПа
Впервые изучены гигрометрические свойства порошково-активированных песчаных бетонов и фибробетонов. Для фибробетона усадка равна 0,22–0,30 мм/м; водопоглощение через 3 сут от 0,88 до 1,14% по массе, что позволило получить морозостойкость бетона F1000 без снижения прочности.
Показано, что введение в порошково-активированные песчаные бетоны разработанной нами нанометрической добавки гидросиликатов кальция [4], модифицированной ускорителем твердения и ингибитором коррозии стали, позволяет значительно ускорить набор прочности бетонов через 8–10 ч при нормальном твердении и осуществлять распалубку изделий (таблица 3).
Таблица 3
Прочностные свойства пластифицированного порошково-активированного песчаного бетона с добавкой нанометрическихгидросиликатов кальция и без неё
|
Наименование компонентов и их расход на 1 м3 бетона |
В/Ц, В/Т |
ρ, кг/м3 |
Консистенция |
Прочность, МПа, через |
||||||
|
6 час. |
8 час. |
10 час. |
1 сут. |
7 сут. |
28 сут. |
|||||
|
Контрольный состав |
||||||||||
|
ПЦ 500 Д0 |
400 |
0,387 0,068
|
2370
|
ОК= 28см
|
0,1*
|
1,0
|
4,2
|
43,2
|
88
|
116
|
|
Микрокремнезем |
40 |
|||||||||
|
Микрокварц |
300 |
|||||||||
|
Песок тонкий фр. 0-0,63мм |
560 |
|||||||||
|
Песок средний |
975 |
|||||||||
|
Melflux 5581F |
3,6 |
|||||||||
|
Вода |
155 |
|||||||||
|
Состав с гидросиликатом |
||||||||||
|
ПЦ 500 Д0 |
391 |
0,387 0,068
|
2360
|
ОК= 27см
|
3,2
|
10,6
|
18,2
|
44,4
|
86
|
110
|
|
Микрокремнезем |
39,1 |
|||||||||
|
Гидросиликат кальция |
9,2 |
|||||||||
|
Микрокварц |
293 |
|||||||||
|
Песок тонкий фр. 0-0,63мм |
547 |
|||||||||
|
Песок средний |
956 |
|||||||||
|
Melflux 5581F |
3,5 |
|||||||||
|
Вода |
152 |
|||||||||
* - пластическая прочность.
Как следует из таблицы, действие добавки гидросиликата кальция начинает заметно проявляться между шестью – десятью часами после приготовления смеси. Через 6 часов прочность превышает контрольную в 32 раза, через 8 часов – 10,6 раза и через 10 часов – в 4,3 раза. Через сутки твердения и в дальнейшем прочностные показатели постепенно выравниваются. Важно, что через 9-10 часов возможна распалубливание форм и обеспечение твердения изделий при температуре около 20 °С без проведения тепловлажностной обработки.
Комбинация реологически активных наполнителей микрометрического размера, таких как молотые горные породы, очень тонких песков, суперпластификаторов и наночастиц аморфного кремнезема, наночастицгидросиликатов кальция может вывести микронанотехнологии бетонов на новый, более перспективный этап беспропарочных и малопропарочных производств.
Полученные результаты работы получили внедрение в ООО «Эммануил» г. Красноярске и ООО «Новые технологии в строительстве» г. Москвы.
Рецензенты:БузулуковВ.И., д.т.н., профессоркафедрыфизическойхимии,Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва, г.Саранск;
Люпаев Б.М., д.т.н., проф., зав. кафедрой автомобильных дорог и специальных инженерных сооружений, Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва, г.Саранск.