Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные представления и основные принципы получения высококачественных порошковых бетонов 11
1.1 Зарубежный и отечественный опыт применения высококачественных бетонов и фибробетонов 15
1.2 Многокомпонентность бетона, как фактор обеспечения функциональных свойств 25
1.3 Мотивация появления высокопрочных и особо высокопрочных реакционно-порошковых бетонов и фибробетонов 33
1.4 Высокая реакционная активность дисперсных порошков - основа получения высокачественных бетонов 36
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2 Исходные материалы, методы исследований, приборы и оборудование 42
2.1 Характеристики сырьевых материалов 42
2.2 Методы исследований, приборы и оборудование 47
2.2.1 Технология подготовки сырьевых компонентов и оценка реакционной активности их 47
2.2.2 Технология изготовления порошковых бетонных смесей и методы их испытаний 48
2.2.3 Методы исследований. Приборы и оборудование 51
ГЛАВА 3 Топология дисперсных систем, дисперсно-армированных порошковых бетонов и механизм их твердения 58
3.1 Топология композиционных вяжущих и механизм их твердения 58
3.1.1 Структурно-топологический анализ композиционных вяжущих ... 59
3.1.2 Механизм гидратации и отвердевания композиционных вяжущих - как результат структурной топологии композиций 64
3.1.3 Топология дисперсно-армированных тонкозернистых бетонов 75
Выводы по главе 3 83
ГЛАВА 4 Реологическое состояние суперпластифициро-ванных дисперсных систем, порошковых бетонных смесей и методология оценки его 85
4.1 Разработка методологии оценки предельного напряжения сдвига и текучесть дисперсных систем и тонкозернистых порошковых бетонных смесей 85
4.2 Экспериментальное определение реологических свойств дисперсных систем и тонкозернистых порошковых смесей 92
Выводы по главе 4 104
ГЛАВА 5 Оценка реакционной активности горных пород и исследование реакционно порошковых смесейи бетонов 106
5.1 Реакционная активность горных пород в смеси с цементом ..- 106
5.2 Принципы подбора состава порошкового дисперсно-армированного бетона с учетом требований к материалам 122
5.2.1 Содержание песка-заполнителя 122
5.2.2 Содержание микрокремнезема 123
5.2.3 Содержание каменной и кварцевой муки 124
5.2.4 Содержание воды 124
5.2.5 Содержание СП и ГП 125
5.2.6 Содержание стальных волокон 125
5.2.7 Содержание портландцемента 126
5.3 Рецептура тонкозернистого порошкового дисперсно-армированного бетона 127
5.4 Приготовление бетонной смеси 128
5.5 Влияние составов порошковых бетонных смесей на их свойства и прочность при осевом сжатии 131
5.5.1 Влияние типа суперпластификаторов на растекаемость .бетонной смеси и прочность бетона 131
5.5.2 Влияние дозировки суперпластификатора 132
5.5.3 Влияние дозировки микрокремнезема 138
5.5.4 Влияние доли базальта и песка на прочность 141
Выводы по главе 5 146
ГЛАВА 6 Физико-технические свойства бетонов и их технико-экономическая оценка 148
6.1 Кинетические особенности формирования прочности РПБ и фибро-РПБ.. 148
6.2 Деформативные свойства фибро-РПБ , 152
6.3 Объёмные изменения порошковых бетонов 154
6.4 Водопоглощение дисперсно-армированных порошковых бетонов 158
6.5 Технико-экономическая оценка и производственная реализация РПБ. 159
Основные выводы и рекомендации 161
Библиографический список 164
- Зарубежный и отечественный опыт применения высококачественных бетонов и фибробетонов
- Структурно-топологический анализ композиционных вяжущих
- Разработка методологии оценки предельного напряжения сдвига и текучесть дисперсных систем и тонкозернистых порошковых бетонных смесей
- Реакционная активность горных пород в смеси с цементом
Введение к работе
Актуальность темы. С каждым годом в мировой практике производства бетона и железобетона стремительными темпами возрастает выпуск высококачественных, высоко и особо высокопрочных бетонов и этот прогресс стал объективной реальностью, обусловленной значительной экономией материальных и энергетических ресурсов.
Со значительным повышением прочности бетона на сжатие неминуемо снижается трещиностойкость и возрастает опасность хрупкого разрушения конструкций. Дисперсное армирование бетонов фиброй исключает эти негативные свойства, что позволяет выпускать бетоны классов выше 80-100 с прочностью 150-200 МПа, обладающие новым качеством - вязким характером разрушения.
Анализ научных работ в области дисперсно-армированных бетонов и их производства в отечественной практике показывает, что основная ориентация не преследует целей использования в таких бетонах высокопрочных матриц. Класс дисперсно-армированных бетонов по прочности на сжатие остаётся чрезвычайно низким и ограничивается В30-В50. Это не позволяет обеспечить хорошего сцепления фибры с матрицей, полностью использовать стальную фибру даже с невысокой прочностью на разрыв. Более того, в теории разрабатываются, а на практике выпускаются бетонные изделия со свободно уложенными волокнами со степенью объёмного армирования 5-9%; проливают их под действием вибрации непластифицированными "жирными" высокоусадочными цементно-песчаными растворами состава: цемент-песок -1:0,4+1:2,0 при В/Ц = 0,4, что является чрезвычайно расточительным и повторяет уровень работ 1974 г. Значительные научные достижения в области создания суперпластифицированных ВНВ, микродисперсных смесей с микрокремнезёмами, с реакционно-активными порошками из высокопрочных горных пород, позволили довести водоредуцирующее действие до 60% с использованием суперпластификаторов олигомерного состава и гиперпластификаторов полимерного состава. Эти достижения не стали основой для создания высокопрочных железобетонных, или тонкозернистых порошковых бетонов из литых самоуплотняющихся смесей. Между тем, передовые страны активно развивают новые поколения реакционно-порошковых бетонов, армированных дисперсными волокнами, ткаными проливными объёмными тонкосеточными каркасами, комбинацией их со стержневой или стержневой с дисперсной арматурой.
Все это определяет актуальность создания высокопрочных тонкозернистых реакционно-порошковых, дисперсно-армированных бетонов марок 1000-1500, отличающихся высокой экономичностью не только при строительстве ответственных уникальных зданий и сооружений, но и для изделий и конструкций общего назначения.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программами института строительных материалов и конструкций Мюнхенского технического университета (ФРГ) и инициативными работами кафедры ТБКиВ ПГУАС и научно-технической программой Минобразования России "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" по подпрограмме "Архитектура и строительство" 2000-2004 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка составов высокопрочных тонкозернистых реакционно-порошковых бетонов, в том числе, дисперсно-армированных бетонов, с использованием измельчённых горных пород.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс следующих задач:
- выявить теоретические предпосылки и мотивации создания многокомпонентных тонкозернистых порошковых бетонов с очень плотной, высоко 7 прочной матрицей, получаемой литьем при сверхнизком водосодержании, обеспечивающими изготовление бетонов с вязким характером при разрушении и высокой прочностью на растяжение при изгибе;
- выявить структурную топологию композиционных вяжущих и дисперсно-армированных тонкозернистых композиций, получить математические модели их структуры для оценки расстояний между грубыми частицами наполнителя и между геометрическими центрами армирующих волокон;
- разработать методологию оценки реологических свойств воднодис-персных систем, тонкозернистых порошковых дисперсно-армированных композиций; исследовать их реологические свойства;
- выявить механизм твердения смешанных вяжущих, изучить процессы структурообразования;
- установить необходимую текучесть многокомпонентных тонкозернистых порошковых бетонных смесей, обеспечивающую заполнение форм смесью с низкой вязкостью и сверхнизким пределом текучести;
- оптимизировать составы тонкозернистых дисперсно-армированных бетонных смесей с фиброй d = 0,1 мм и / = 6 мм с минимальным содержанием, достаточным для повышения растяжимости бетона, технологию приготовления и установить влияние рецептуры на текучесть, плотность, воздухосодер-жание их, прочностные и другие физико-технические свойства бетонов. Научная новизна работы.
1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения высокопрочных тонкозернистых цементных порошковых бетонов, в том числе, дисперсно-армированных, изготавливаемых из бетонных смесей без щебня с тонкими фракциями кварцевого песка, с реакционно-активными порошками горных пород и микрокремнеземом, со значительным увеличива-нием эффективности суперпластификаторов до содержания воды в литой самоуплотняющейся смеси до 10-11% (соотвествущей без СП полусухой смеси для прессования) от массы сухих компонентов.
2. Разработаны теоретические основы методов определения предела текучести суперпластифицированных жидкообразных дисперсных систем и предложены методики оценки растекаемости порошковых бетонных смесей при свободном растекании и блокированном сеточным ограждением.
3. Выявлена топологическая структура композиционных вяжущих и порошковых бетонов, в том числе, дисперсно-армированных. Получены математические модели их структуры, определяющие расстояния между грубыми частицами и между геометрическими центрами волокон в теле бетона.
4. Теоретически предсказан и экспериментально доказан преимущественно сквозьрастворный диффузионно-ионный механизм отвердевания композиционных цементных вяжущих, усиливающийся по мере увеличения содержания наполнителя или значительного увеличения дисперсности его по сравнению с дисперсностью цемента.
5. Изучены процессы структурообразования тонкозернистых порошковых бетонов. Показано, что порошковые бетоны из суперпластифицированных литых самоуплотняющихся бетонных смесей значительно плотнее, кинетика нарастания их прочности интенсивнее, а нормативная прочность существенно выше, чем бетонов без СП, спрессованных при том же водосодержании под давлением 40-50 МПа. Разработаны критерии оценки реакционно-химической активности порошков.
6. Оптимизированы составы тонкозернистых дисперсно-армированных бетонных смесей с тонкой стальной фиброй диаметром 0,15 и длиной 6 мм, технология их приготовления, очерёдность введения компонентов и продолжительность перемешивания; установлено влияние состава на текучесть плотность, воздухосодержание бетонных смесей, прочность при сжатии бетонов.
7. Изучены некоторые физико-технические свойства дисперсно-армированных порошковых бетонов и основные закономерности влияния на них различных рецептурных факторов.
Практическая значимость работы заключается в разработке новых литых тонкозернистых порошковых бетонных смесей с фиброй для заливки форм для изделий и конструкций, как без, так и с комбинированным стержневым армированием или без фибры для заливки форм с готовыми объемными ткаными тонкосеточными каркасами. С использованием высокоплотных бетонных смесей возможно производство высокотрещиностойких изгибаемых или сжатых железобетонных конструкций с вязким характером разрушения при действии предельных нагрузок.
Получена высокоплотная, высокопрочная композиционная матрица с прочностью при сжатии 120-150 МПа для повышения сцепления с металлом с целью использования тонкой и короткой высокопрочной фибры 0 0,04-0,15 мм и длиной 6-9 мм, позволяющей снизить расход её и сопротивление течению бетонных смесей для литьевой технологии изготовления тонкостенных филигранных изделий с высокой прочностью на растяжение при изгибе.
Новые виды тонкозернистых порошковых дисперсно-армированных бетонов расширяют номенклатуру высокопрочных изделий и конструкций для различных видов строительства.
Расширена сырьевая база природных наполнителей из отсевов камнед-робления, сухой и мокрой магнитной сепарации при добыче и обогащении рудных и нерудных полезных ископаемых.
Экономическая эффективность разработанных бетонов состоит в значительном снижении материалоёмкости за счёт сокращения расходов бетонных смесей для изготовления высокопрочных изделий и конструкций.
Реализация результатов исследований. Разработанные составы прошли производственную апробацию в ООО «Пензенский завод ЖБИ» и на производственной базе сборного железобетона ЗАО «Энергосервис» и используются в г. Мюнхене при изготовлении балконных опор, плит и других изделий в жилищном строительстве.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: «Молодая наука - новому тысячелетию» (Набережные Челны, 1996 г), «Вопросы планировки и застройки городов» (Пенза, 1996 г, 1997 г, 1999 г), «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998 г), «Современное строительство» (1998 г), Международных научно-технических конференциях «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», (г. Пенза, 2002 г., 2003 г., 2004 г., 2005 г), «Ресурсо- и энергосбережения как мотивация творчества в архитектурно строительном процессе» (Москва-Казань, 2003 г), «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2004 г), «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2005 г), Всероссийской научно-практической конференции «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья» (Тольятти, 2004 г), Академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Казань, 2006 г).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 27 работ (в журналах по списку ВАК 2 работы).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, приложений и списка используемой литературы из 160 наименований, изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 33 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь при выполнении работы докторам технических наук Калашникову В.И. и Бобрышеву А.Н.
Зарубежный и отечественный опыт применения высококачественных бетонов и фибробетонов
В последние годы во всех индустриально развитых странах расширяется производство высококачественных бетонов. Под высококачественными бетонами понимаются все виды бетонов функционального назначения, которые по показателям качества соответствуют или превышают наиболее высокие качественные критерии, регламентированные стандартами различных стран [5,6,9,10,26].
Современное строительство немыслимо без использования высококачественных бетонов и доля их в общем выпуске бетонов постоянно повышается [35].
Информация об объемах мирового производства бетона и железобетона крайне противоречива. В отдельных публикациях сообщается, что оно дос-тигло 2,0 млрд. м в год, в других - превысило 2,5 млрд.м . Эти цифры не соответствуют мировому производству портландцемента. Если принять во внимание, что мировое производство цемента в 2005 г составило 2,0 млрд.т. и учесть, что 80-90% цемента используется в производстве бетона, то при среднем расходе цемента на один кубометр бетона в количестве 400-500 кг годовой объем производства бетона и железобетона в мире составит не менее 4 млрд. м3. Объем производства высококачественных бетонов по разным странам в 2000 г. варьировал в пределах от 1,0 до 10% от общего объема производства бетона [26, 27, 112]. Можно полагать, что за последние четыре года он значительно увеличился в общем объеме производства. Вместе с тем высококачественный бетон -самый сложный, в отличии от обычного бетона марок 300-600, искусственный композиционный материал, который может обладатель совершенно уникальными свойствами. Он может гармонично сочетаться с окружающей средой, иметь неограниченную сырьевую базу, низкую стоимость по сравнению с равнопрочной сталью Ст.З, и несравненно высокую долговечность с последней во многих коррози-онно действующих естественных средах (в почве, в пресной и морской воде, на воздухе, в газовых средах промышленных цехов и т.п.) [10,124].
К этому следует добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность технологии, возможность широкого использования местного сырья и утилизации техногенных отходов при производстве, малую энергоемкость и экологическую безопасность. Именно поэтому такие бетоны станут основными, суперконструкционными материалами в будущем [107,110,111,120,73].
Появление одного из группы высококачественных бетонов, высокопрочных бетонов с прочностью до 150 МПа - открыло новую эру в строительстве уникальных зданий и сооружений. Реализация особых технических свойств позволила построить такие строительные объекты, как тоннель под Ла-Маншем, 125-зтажный небоскреб в Чикаго, мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом 1990 м (мировой рекорд 1990 г), сдвоенный небоскреб «Петронас» в Кауле-Лумпуре (Малайзия) и многие другие объекты [121].
Широкой областью применения высокопрочных бетонов, является также строительство морских платформ для добычи нефти, возводимых в Северном море. Объемы бетона для отдельных платформ превышали 150 тыс.м .
Выдающимся примером реализации концепции высококачественных бетонов является построенная в 1995 году в Норвегии платформа для добычи нефти на месторождении Тролл в Северном море. Ее полная высота - 472 м, в том числе высота железобетонной части, в основном ниже уровня моря -370 м. Платформа установлена на участке моря глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м. Несмотря на очень высокие силовые воздействия шторма, жесткие аг 17 рессивные воздействия морской воды, солевой состав которой является активнейшим инициатором коррозии арматурной стали, расчетный срок эксплуатации платформы прогнозируется специалистами на 70 лет [121].
Все более широкое применение высокопрочный бетон находит в сборных железобетонных конструкциях заводского или построечного изготовления. И последние пять лет выявили широкие перспективы в повышении прочности высокопрочного бетона и перевода его в разряд особо высокопрочных с прочностью выше 150 МПа. Раньше максимальная прочность сборных конструкций не достигала таких значений, как в монолитных конструкциях из высокопрочного бетона. Все примеры экспериментального применения относятся к бетону с прочностью 80-100 МПа в сборных предна-пряженных железобетонных конструкциях [121]. В последние годы и в производстве сборных изделий особо высокопрочный бетон выходит на промышленную реализацию, благодаря отработанной годами тепловой обработке. Процесс изготовления элементов в заводских, условиях тщательно контролируется и при этом исключается действие погоды и других факторов. Кроме того, в заводских условиях бетонные изделия могут подвергаться любой тепловой обработке. Это чрезвычайно важно для особо высокопрочного бетона в связи с заметным возрастанием прочности высокопрочного бетона при пропаривании его при температуре 90С [120]. Возрастание прочности (до 180-210 МПа), особо проявляется при пропаривании высокопрочного бетона в течении 2-х суток. Для высокопрочных бетонов доказана интересная особенность [125]: максимальное повышение прочности достигается тогда, когда тепловая обработка начинается через 4-5 суток после нормального предварительного твердения при 20С. Это не технологично при производстве сборных конструкций в заводских условиях. До пропаривания бетонные изделия должны выдерживаться в помещении. С другой стороны, это позитивное свойство дает возможность доводить прочность высокопрочного бетона (ROK= 130-150 МПа) до прочности особо высокопрочнбго бетона (ROK= 210-250 МПа) в тепловых воздействий на бетон при монолитном твердении, когда у бетона уже сформировалась заметная начальная прочность до 60-70 МПа. Оперирование с бетоном с такой прочностью при укладке (обмотке) электронагревательных полотен и теплоизоляции не вызывает осложнений. Это направление, вне сомнения, будет использоваться в будущем и возможно реализация его в теплых странах при использовании дешевой солнечной энергии наиболее вероятно в ближайшее время.
Многообещающие совершенствования высокопрочных бетонов - это доведение их структуры до, так называемых свободных от микродефектов бетонов (Micro-Defect-Free Concrete), теоретически предсказанных еще в 1977 г. [114] с возможностью достижения прочности при сжатии 1000 МПа. Структура таких бетонов должна быть, по существу, гелево-пористой за счет низкого В/Ц - отношения, не превышающего 0,15-0,20. Пористость такого бетона не превышает 4-6%, а характер пористости меняется до тех пор, пока полностью не пройдет пуццоланическая реакция. Хотя специалисты в области бетона считают, более экономичными бетоны с максимальными размерами зерен заполнителей от 0,5-16 мм с прочностью на сжатие 200-250 МПа, самыми прочными многокомпонентными бетонами должны стать тонкозернистые (порошковые). В связи с использованием микрокремнеземов, на наш взгляд, должна быть изменена номенклатура выпускаемых цементов для высокопрочных бетонов. Они должны содержать очень высокое количество алита, возможно до 70-75%, малое количество белита, а для пропариваемых бетонов очень незначительное количество трехкальциевого алюмината.
Структурно-топологический анализ композиционных вяжущих
Механизм твердения гидратационных вяжущих-цемента и шлака до настоящего времени окончательно не выяснен. Со времени формулирования первых 2-х теорий гидратации и твердения минеральных вяжущих веществ, выдвинутых Ле Шателье и Михаэлисом, прошло более 100 лет. Однако до сих пор между сторонниками растворной и топохимической теорий не прекращаются дискуссии о главенствующих механизмах гидратации вяжущих. Эти дискуссии породили компромиссный (смешанный) механизм гидратации вяжущих. На IV Международном конгрессе по химии цемента (Москва, 1974 г.) большинство докладчиков высказывалось в пользу топохимического или смешанного механизма гидратации. Однако некоторые ученые считают, что гидратация происходит в растворе. В частности Дж. Бернал, учитывая, что энергия кристаллической решетки безводных вяжущих существенно выше, чем энергия решетки гидратов, приходит к выводу о неизбежном растворении (надо понимать в ионной форме) вяжущего, а затем гидратации и за-родышеобразования гидратов. О.П. Мчедлов-Петросян [67] высказывает мнение, что в гипсовых вяжущих в связи с близостью структур полугидрата и двугидрата гидратация может протекать по топохимическому механизму, а в портландцементе гидратация идет в растворе. Согласно Н.А. Торопову [90] кристалллохимическая структура цементных минералов исключает прямое внедрение молекул воды и поэтому силикатные составляющие вяжущих веществ растворяются в воде с образованием геля кремниевой кислоты, который оседает в порах твердеющей системы. По П.А. Ребиндеру, Б.В. Ратинову, А.Ф. Полаку [72] процесс гидратации невозможен без стадии растворения, образования пересыщенных растворов и выделения гидратов из пересыщенных растворов. И. П. Выродов [29], М. И.Стрелков [88], Р. Кондо и М. Даймон [71] являются сторонниками топохимической теории гидратации.
Большое число исследователей (А.В. Волженский, Ю.С. Малинин, С.Д Окороков, А.А.Пащенко, М.М.Сычев, Н.Декамп, Е.Тило, А.Г.Грудемо, Р.Фельдман, Лохер, С.Уэда, Р. Маньян, Г.Функ и др.) [22] склоняются к гипотезе о смешанном механизме взаимодействия вяжущих веществ с водой, когда гидратация их протекает одновременно как с растворением исходного вещества, так и топохимически, т.е. на поверхности раздела твердой и жидкой фаз.
А. В. Волженский [22] сформулировал основные предпосылки к топохимическому механизму, т.е. к прямому присоединению воды к твердой фазе и он тем вероятнее, чем: 1) - реакционноспособнее вяжущее при взаимодействии с водой; 2) - больше внешняя и внутренняя энергия частиц вяжущего; 3) - меньше воды в смеси с вяжущим; 4) - выше температура реакционной смеси.
Если рассматривать гидратацию шлаков, то по мнению В.Д. Глуховского и его сотрудников [30, 99] гидратация шлака через растворение нереальна. Главным процессом в механизме твердения шлакощелочных вяжущих является присоединение воды к безводной системе без растворения ее компонентов.
Необходимо отметить, что большинство исследователей, предпосылку о малом количестве воды в системе считают основной для обоснования твердофазного механизма, хотя всем известно, что при уменьшении количества воды (например, в прессованных полусухих системах) скорость гидратации существенно уменьшается, а прочность может достигать 200-300. МПа. Все сторонники этой гипотезы, очевидно, считают, что в малом количестве воды не может раствориться достаточного количества вяжущего. Однако они забывают о том, что в малом количестве воды очень быстро достигается пересыщение, образование предшественников новой фазы и кристаллизация ее.
Не вдаваясь в анализ и детальное рассмотрение всех представлений о механизмах гидратации, можно заключить, что предметом дискуссии служит по сути дела самая начальная стадия гидратации-механизм образования гидрата и роль акта растворения в этом процессе. С помощью обычно используемых методов для исследования гидратации невозможно получить однозначную информацию о топохимическом механизме в прямом эксперименте, поскольку присутствие жидкой воды в качестве обязательного компонента реакции не позволяет исключить растворение вяжущего вещества, как первичный акт. Поэтому основанием для заключений о механизме образования гидратной фазы служат в большинстве случаев теоретические соображения, основанные на особенностях кристаллохимической структуры реагирующих веществ, или на данных обработки результатов по изучению кинетики гидратации и составу образующихся продуктов. Чрезвычайная трудность доказательства того или иного механизма твердения, постоянные дискуссии и споры между учеными, отсутствие до сегодняшнего времени строго обоснованной и признанной теории являются результатом того, что все ученые рас 67 сматривали и рассматривают гидратацию чистых вяжущих. В этом случае топологическая структура соответствует взаимному контактированию частиц друг с другом через тонкие прослойки воды. Если бы исследователи изменили топологию твердеющей системы и разделили частицы вяжущего тысячами более мелких частиц наполнителя, при этом наиболее инертного и не взаимодействующего с вяжущем, все исследователи пришли бы к единому мнению, проанализировав значения прочности.
Без анализа кинетики формирования прочности многие представления являлись результатом логических обобщений экспериментальных данных, не имеющих прямой цели изучения механизма возникновения прочности твердеющих дисперсных систем.
Разработка методологии оценки предельного напряжения сдвига и текучесть дисперсных систем и тонкозернистых порошковых бетонных смесей
Ареометрический метод дает сопоставимые результаты с методом выдергивания пластинки. Метод оценки то по толщине слоя стекшей суспензии с вертикальной поверхности теряет свою инвариантность при грубомолотой дисперсной фазе и становится точным при высокой дисперсности частиц (масляные краски, меловые суспензии, суспензии тонкомолотых цементов, пигментов, халцедона и т.п.). Поэтому То тонкозернистых порошковых бетонных смесей необходимо определять ареометрическим методом.
Из табл. 4.1 видно, что по результатам определения То можно оценить селективность СП по отношению к минералогической природе порошка. Так, халцедон, несмотря на высокую удельную повкрхность при использовании СП Woerment 794 имеет при более низкой водопотребности меньшие значения т0, чем базальт. Однако, порошковый бетон с хорошо подобранной гранулометрией обладает высокой способностью к разжижению в суспензии.
Таким образом, критерием высокой агрегативной устойчивости является способность суперпластифицированных дисперсий течь через малые капилляры, оставляя тонкие пленки жидкости после стекания с наклонных и вертикальных поверхностей при высокой объемной концентрации твердой фазы. В свою очередь критерием эффективности суперпластификатора может быть принята способность к формированию малоструктурных суспензий с предельно-высокой концентрацией твердой фазы.
Этот критерий может быть выражен как отношение предельного напряжения сдвига к объемной концентрации твердой фазы и имеет физический смысл показателя структурной прочности на один процент объемной концентрации твердой фазы:
Так для пластифицированной суспензии Вольского цемента с В/Ц = 0,16 и с пределом текучести то = 20 Па объемная концентрация твердой фазы Су составила 66%. Эффективность суперпластификатора по разжижению и концентрированию будет равна: Для Мордовцемента портландцемента с суперпластификатором предел текучести 30 Па получен при В/Ц = 0,23 и объемной концентрации 57,6% Действие суперпластификатора в суспензии Мордовцемента значительно ниже, поскольку показатель структурной прочности на один процент объемной концентрации возрос до 0,40 Па/%. На изменение удельного показателя структурной прочности при равных объемных концентрациях твердой фазы суспензий существенное влияние оказывает дисперсность частиц. С возрастанием дисперсности при неизменном водосодержании, уменьшается толщина зазора между частицами, возрастает вероятность фиксации частиц в положении ближнего энергетического минимума, уменьшается агрегативная устойчивость и возникают коа-гуляционные контакты. В связи с этим критерием высокой эффективности суперпластификаторов следует считать усредненную минимальную толщину зазора между частицами, при котором сохраняется текучесть при действии поля силы тяжести, а, следовательно, и агрегативная устойчивость (табл. 4.2). Видно, что некоторые минеральные вещества хорошо диспергируются суперпластификатором С-3 в силу своей химико-минералогической природы и адсорбирующего действия к молекулам СП в водных высоконцентриро-ванных суспензиях и не теряют способности к течению в поле силы тяжести при усредненной прослойке жидкости между частицами 28 = 0,2-0,4 мкм (оксид цинка, халцедон). Реально толщина этого слоя значительно меньше, потому, что, во-первых, частицы полидисперсны, а, во-вторых, большая часть воды расходуется на заполнение межзерновых пустот. По И.Н. Ахвердову [3] вода в слое 0,3 мкм на поверхности частиц портландцемента в суспензиях без СП является уже сильно связанной твердой фазой и не является средой, обеспечивающей текучесть суспензии. Действительно, цементная паста при В/Ц = 0,16 по данным [3] представляет собой в виброуплотненном состоянии жесткую пасту с пределом текучести 10 Па. В присутствии СП толщина адсорб-ционно-связанной становится менее 0,1 мкм, а межчастичная прослойка 25 менее 0,2 мкм. Несмотря на сильное уменьшение толщины прослойки она обеспечивает гравитационное течение высококонцентрированных суспензий мела и окиси цинка. Тонкозернистые порошковых бетоны на Вольском и Старооскольском цементах с базальтовой мукой, имея усредненную удельную поверхность, соответственно, 3260 см 2/г и 3100 см /г, хорошо растекаются при межчастичных прослойках 25, равных 0,68 и 0,74 мкм, т.е. ведут себя как высокодисперсные суспензии несмотря на присутствие песка фракции 0,14-0,63 мм в количестве. Водоредуцирующее действие СП в тонкозернистых бетонных смесях с использованием различных порошков горных пород, определенное по формуле Ви = Ви/Вп, находится в пределах 3,5-4,5. Этот показатель в 2,0-2,5 раза превышает Вн цементных суспензий и в более чем 3 раза - в щебеночных бетонах. Объемная концентрация твердой фазы в порошковых бетонных смесях при В/Т = 0,1 равна: Такое значение объемной концентрации твердой фазы в порошковых бетонах значительно превышает концентрацию многих порошковых дисперсных систем, изученных в работе [42]. Она превышает объемные концентрации всех чистых и композиционных цементных вяжущих низкой водопо- требности и является на сегодняшний день для бетонных смесей с зернистым заполнителем «рекордной». Объемная концентрация идеализированной одномодальной гексагональной упаковки шаров равна 74 %. Таким образом, гранулометрический состав порошкового бетона подобран так, что в нем частицы имеют несколько мод от тонкозернистой до нанодисперсной. В такой высококонцентрированной воднодисперсной системе с низким пределом текучести 5 Па (рис. 4.9) относительный показатель изменения структурной прочности на один процент объемной концентрации чрезвычайно мал (4.17).
Реакционная активность горных пород в смеси с цементом
Установлено, что для порошков оксидов металлов прослеживается обратно пропорциональная зависимость между водоредуцирующим эффектом СП С-3 и энергией ионизации. Это позволяет предполагать, что полиминеральные горные породы для порошковых бетонов следует подбирать не только по их гидравлической активности в.смеси с цементом, но и по величине водоредуцирующей эффективности.
Изучена реакционная активность грубо- и тонкодисперсных порошков некоторых горных пород в цементных композициях по показателям прочности. Показано, что при использовании грубодисперсных порошков в малоцементных композициях с содержанием цемента 9,5-10 % значения прочности в 28-ми и 180-ти суточном возрасте мало отличаются между собой (за редким исключением). При высоком содержании цемента (90%) показатели прочности композиций на тонкодисперсных порошках также мало отличаются между собой. Более объективная информация получена при испытании малоцементных смесей с тонкодисперсными горными породами.
Результаты испытаний показали, что 28-суточная прочность малоце-ментно-диабазовых образцов оказалась равной 21,6 МПа, а 550-суточная -43,6 МПа. Аналогичные по составу цементно-базальтовые образцы имели, соответственно, 22,3 и 44,9 МПа. В связи с более высокой селективностью це-ментно-базальтовых композиций к суперпластификаторам С-3 и Woerment в качестве каменной муки в порошковых бетонах использована базальтовая мука. 4. Рентгеноструктурным анализом выявлен элементный и фазовый состав некоторых горных пород, как чистых, так и затвердевших смесей с цементом. Образование совместных минеральных новообразований в большинстве смесей с очень малым количеством цемента не обнаружено, но реакционные процессы фиксируются по исчезновению линий некоторых соединений в составе породы в смеси с цементом. 5. Сформулированы требования к гранулометрии и крупности тонкозернистого песка, составу микрокремнезема, качеству СП и ГП, качеству каменной муки, геометрическим параметрам фибры и ее прочности, качеству цемента. 6. Сформулированы принципы подбора семикомпонентного порошкового бетона с прочностью 130-150 МПа, заключающиеся в расчете оптимальной дисперсной цементирующей прослойки между частицами песка. В соответствии с выведенной формулой толщина прослойки, обеспечивающая низкий предел текучести 5-8 Па и пластическую вязкость 35-100 Па с рас-плывом смеси 25-30 см, должна быть от 37 до 55 мкм. Важным критерием назначения количества песка является отношение объема пустот в песке к его абсолютному объему, находящееся впределах 0,83-0,88. 7. Установлена рецептура фибро-ПБС, отработана очередность загрузки компонентов, продолжительность и скорость смешивания, условия предварительного хранения для беспрепятственного удаления вовлеченного воздуха. 8. Изготовлена 22 состава фибро-РПБ (прочность 100-150 МПа) на Российских и Германских материалов. Установлены взаимосвязи свойств бетонных смесей и прочности бетонов от вида и содержания СП и ГП, содержания МК, каменной муки и песка. Выявлена обобщенная математическая модель. В основе формирования прочности порошковых бетонов заложен не только хорошо оптимизированный компонентный состав, но и плотность. Насколько велика роль плотности, показан проведенный нами сравнительный эксперимент по выявлению прочностных значений бетона, изготовленного из литой суперпластифицированной бетонной смеси и прессованной смеси того же состава, но без суперпластификатора. Использовался состав табл. 5.13 порошкового бетона с 55% наполнителя халцедона с очень селективным к нему СП в количество 2%. Водотвердое отношение у пластифицированного литого было 0,12, у непластифицированного прессованного при давлении 40 МПа составляло 0,10. На рис. 6.1 представлена кинетика набора прочности бетонов. Как следует из графиков, литой бетон твердеет значительно быстрее, чем прессованный и через 4 месяца его прочности на 45% выше. Учитывая, что плотность прессованного бетона была 2260 кг/м3 и не достигла при дав-лении 40 МПа плотности литого бетона - 2330 кг/м , физико-химические силы, обусловленные влиянием СП на компактное распределение частиц, действуют значительно эффективнее, чем силы осуществляющие упаковку час 149 тиц прессующим давлением 40 МПа. В этом состоят физико-химические закономерности структурообразования предельно разжиженных водно-дисперсных систем, независимо от того, являются ли эти системы цементными, цементно-минеральными или чисто минеральными порошками. Как видно из сравнении макроструктуры бетонов (рис.6.2 а и б) видно, что распределение микрокремнезема в литом бетоне более однородное, в то время, как в прессованном видны локальные области агрегатов МК. Кроме того, в прессованном бетоне имеется области недоуплотнения, в литом про сматриваются сферические воздушные поры.
