ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И РЕЦЕПТУРНЫЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ БЕТОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ. Калашников бетон


бетонная смесь - патент РФ 2435746

Изобретение относится к малоцементным бетонным смесям и может быть использовано в промышленном, гражданском, мелиоративном, транспортном строительстве, преимущественно, в заводской технологии сборных конструкций из железобетона. Технический результат - уменьшение удельного расхода цемента на единицу прочности бетона. Бетонная смесь, включающая портландцемент, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, микрокремнезем с содержанием аморфного-стекловидного кремнезема не менее 75-80%, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок, крупностью до 5 мм, щебень из горных пород с маркой по дробимости 800-1400 и воду, дополнительно содержит молотый кварцевый песок или молотую каменную муку из плотных горных пород с удельной поверхностью (3-5)·10 3 см2/г и очень мелкий кварцевый песок фракции 0,1-0,63 мм при следующем содержании компонентов, кг на 1 м 3 бетонной смеси: портландцемент марки не ниже М500 150-300, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество 0,5-1,5, микрокремнезем, % от массы цемента 10-15, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок 400-550, щебень из указанных горных пород 800-850, молотый кварцевый песок или каменная мука 150-290, очень мелкий кварцевый песок 40-500, вода 140-170. 2 табл.

Изобретение относится к бетонным смесям для получения бетонов с низкими удельными расходами цемента на единицу прочности (отношению расхода цемента в килограммах к прочности бетонов при сжатии в мегапаскалях), не превышающих 4,5 кг/МПа, и может быть использовано в промышленно-гражданском, мелиоративном, транспортном строительстве, преимущественно, в технологии сборных конструкций из железобетона. Оно может быть реализовано в монолитном строительстве жилых, общественных и административных зданий.

Известны бетонные смеси с нормированными расходами цемента для средних марок М300-500, включающие вяжущее, крупный и мелкий заполнитель и воду, содержащие в качестве вяжущего портландцемент марок «400» или «500», в качестве мелкого заполнителя кварцевые или полевошпатовые пески крупностью до 5 мм, в качестве крупного заполнителя щебень, из горных пород или гравий фракции от 5 до 20 мм [Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий сборного железобетона (ОНТП-7-85). Москва, 1986, с.26, таблица 2, стр.6].

Недостатком этих бетонных смесей является то, что изготовленные из них бетоны средних марок М300-М500 содержат повышенные расходы цемента от 270 до 500 кг на 1 м3. Для марок бетонов М300 (30 МПа), М400 (40 МПа), М500 (50 МПа) нормированные расходы цемента для стендовой и агрегатно-поточной технологий, соответственно, составляют 370, 400 и 500 кг/м3. По этой причине в указанных бетонных смесях удельные расходы цемента на единицу прочности имеют относительно большие значения, соответственно 12,3 кг/МПа, 10 кг/МПа и 10 кг/МПа.

Известны также бетонные смеси для бетонов повышенных марок с максимальной прочностью 58-73 МПа с расходами портландцемента М500 - 330-380 кг/м 3, кварцевого песка - 820-880 кг/м3, щебеня гранитного - 920-950 кг/м3, воды - 150-170 кг и модифицирующей добавки - 40-75 кг/м3, в качестве которой используется модификатор МБ, состоящий из суперпластификатора, микрокремнезема и регулятора схватывания [Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И., Шейнфельд А.В., Киселева Ю.А., Пригоженко О.В. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружениях ММДЦ «Москва-Сити». Часть 1 // Строительные материалы. № 10, М., 2006, с.13-16. Таблица 2, С.15. Составы № № с 1 по 5, состав в № 6 - башня А, состав № 7). Удельный расход цемента в этих бетонных смесях составляет от 4,52 до 6,55 кг/МПа.

Недостатком этих бетонных смесей также является относительно большие удельные расходы цемента на единицу прочности.

Кроме того, известна бетонная смесь [RU 2357940, С04В 28/04, С04В 18/04, С04В 24/00, С04В 111/20, 10.06.2009], содержащая портландцемент, песок фракции 0,315-2 мм, щебень фракции 5-20 мм, микрокремнезем, суперпластификатор С-3, тонкомолотый кварцевый песок, воду затворения, кремнийорганическую добавку - смесь метилфенилциклосилоксанов и сажу белую, а вода затворения дополнительно содержит поливиниловый спирт ПВС и подсмольную воду - продукт переработки каменных углей пиролизным способом, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент18,0-20,0
микрокремнезем 1,0-2,0
щебень фракции 5-20 мм 39,98-40,68
песок фракции 0,315-2 мм28,0-32,0
сажа белая 0,9-1,0
суперпластификатор С-3 0,15-0,25
тонкомолотый кварцевый песок0,8-1,0
кремнийорганическая добавка -бетонная смесь, патент № 2435746
смесь метилфенилциклосилоксанов 0,02
поливиниловый спирт0,07-0,15
подсмольная вода 0,4-0,6
вода 6,0-7,0

Недостатком этой бетонной смеси также является относительно большие удельные расходы цемента на единицу прочности.

Наиболее близким к предложенной является бетонная смесь, содержащая на 1 м3 бетона портландцемента - 330 кг, кварцевого песка - 800 кг/м3, щебня гранитного - 850 кг, модификатора МБ - 80 кг, минерального порошка (известняковой муки) - 150 кг, воды - 150 кг [Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И., Шейнфельд А.В., Киселева Ю.А., Пригоженко О.В. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружениях ММДЦ «Москва-Сити». Часть 1 // Строительные материалы. № 10, М., 2006, с.13-16. Таблица 2, с.15. Составы № 6, участок 13 (А1)].

Недостатком и этой бетонной смеси является повышенный удельный расход цемента на единицу прочности, составляющий 4,85 кг/МПа.

Требуемый технический результат заключается в уменьшении расхода цемента на единицу прочности (не более 4,5 кг/МПа).

Требуемый технический результат достигается тем, что бетонная смесь, включающая портландцемент, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, микрокремнезем с содержанием аморфного (стекловидного) кремнезема не менее 75-80%, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок, щебень из горных пород с маркой по дробимости 800-1400 и воду, дополнительно содержит повышенные количества молотого кварцевого песка или молотой каменной муки из плотных горных пород с удельной поверхностью (3-5)·103 см2/г, очень мелкого кварцевого песка узкого гранулометрического состава фракции 0,1-0,63 мм, при следующем содержании компонентов, кг/м3 бетонной смеси:

- портландцемент марки не ниже М500 150-300
- суперпластификатор на основе карбоксилатного бетонная смесь, патент № 2435746
эфира, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество 0,5-1,5
- микрокремнезем, % от массы цемента 10-15
- средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок 400-550
- щебень из плотных горных пород 800-850
- молотый кварцевый песок или каменная мука 150-290
- очень мелкий кварцевый песок 400-600
- вода140-170

Бетонная смесь отличается тем, что удельный расход цемента на единицу прочности бетона, изготовленного на ее основе, не превышает 4,5 кг/МПа. Это достигается, в частности, тем, что введение повышенного количества каменной муки или молотого кварцевого песка (с удельной поверхностью (3-5)·103 см2/г), близкого к расходу цемента или несколько превышающего его, а также добавление значительного количества очень мелкого кварцевого песка фракции от 0,1 до 0,63 мм, формирует в водной среде совместно с цементом и микрокремнеземом специфическую реологическую матрицу течения и обеспечивает сильное разжижение тонкозернистой смеси под действием суперпластификатора. Это позволяет дополнительно наполнить текучую смесь обычным песком и щебнем и существенно снизить удельный расход воды и цемента.

Тончайшие наноразмерные частицы кварца из молотого кварцевого песка или каменной муки из молотых кремнеземосодержащих горных пород - диабаза, андезита, гранита и др. вступают в реакцию с гидролизной известью с образованием гидросиликатов кальция, дополняя положительное действие наноразмерных частиц микрокремнезема (в образовании гидросиликатов и повышении прочности). Реолитовые стекла базальта также участвуют в формировании прочности.

Для изготовления малоцементной бетонной смеси используют следующие материалы.

Портландцемент ПЦ500Д0 по ГОСТ 10178-85 и ГОСТ 30515-97.

Суперпластификатор Melflux F 1641; Melflux F 2641.

Микрокремнезем с содержанием аморфного (стекловидного) кремнезема 79%.

Молотую каменную муку с удельной поверхностью 3100-3500 cм 2/г из плотных горных пород с истинной плотностью: базальта с бетонная смесь, патент № 2435746и=3,05 г/см3, диабаза с бетонная смесь, патент № 2435746и=3,0 г/см3, андезита с бетонная смесь, патент № 2435746и=2,8 г/см3, гранита с бетонная смесь, патент № 2435746и=2,71 г/см3, известняка с бетонная смесь, патент № 2435746и=2,72 г/см3 с маркой по дробимости 800-1400.

Молотый кварцевый песок и молотые горные породы с удельной поверхностью 3500 см2/г.

Очень мелкий кварцевый песок фракции 0,1-0,63 мм.

Средний кварцевый песок крупностью до 5 мм с модулем крупности Мкр=2,2.

Крупный кварцевый песок крупностью до 5 мм с модулем крупности Мкр=2,7.

Средний полевошпатовый песок крупностью до 5 мм с модулем крупности Мкр=2,1.

Щебень гранитный фракции 5-10 мм.

Бетонную смесь готовят в бетоносмесителе принудительного действия.

Испытание бетонной смеси проводят по ГОСТ 10181-2000.

Прочность бетона на сжатие определяют по ГОСТ 10180-90.

Составы бетонной смеси и показатели удобоукладываемости приведены в таблице 1.

Расходы цемента на 1 м3 бетонных смесей, прочность на сжатие бетонов и удельные расходы цемента на единицу прочности бетонов приведены в таблице 2.

Вышеприведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что малоцементная сырьевая смесь по изобретению имеет более низкий удельный расход цемента на единицу прочности бетона, не превышающий 4,5 кг/МПа, и не уступает по прочности бетону по ближайшему и другим аналогам.

Таблица 1
Расходы материалов бетонной смеси, кг/м3 бетона
Наименование материалов Составы бетонных смесей
12 34 56 78 910 1112 Прототип
Портландцемент М500 150180 236300 150182 240296 155183 242298 330
Суперпластификатор Melflux F 16410,9 1,4 -- 1,2- -1,5 -1,5 -1,5 СП С-3+
Суперпластификатор Melflux F 2641- - 1,41,2 -1,2 2,1- 1,1- 1,1- + микрокремнезем (85)
Микрокремнезем22 18 2430 2020 2844 2323 3142
Молотая каменная мука Sуд=3500 см2/г -- -- бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746бетонная смесь, патент № 2435746-
из молотого базальта - -- -181 -- -- 190- --
из молотого диабаза - -- -- 195- -- -- --
из молотого андезита - -- -- -245 -- -276 --
из молотого гранита - -- -- -- 268- -- 273-
из молотого известняка - -- -- -- -178 -- -150
Молотый кварцевый песок Sуд=3500 см2/т 158170 217270 -- -- -- -- -
Очень мелкий кварцевый песок фр. 0,1-0,63 мм 550532 485450 545540 482445 540535 478430 -
Средний кварцевый песок -- -- 545- -- -- -- -
Крупный кварцевый песок -- -- -545 460- -- 465- 800
Средний полевошпатовый песок 550532 480450 -- -460 535538 -455 -
Щебень гранитный830 850 840800 825840 845810 835845 850805 850
Вода 167 162146 160168 165140 158164 165143 156150
Жесткость смеси, секунды 62 30- -52 279 -70 24- --
Осадка конуса, см - -8 12- -- 10- -7 1128
Таблица 2
Наименование показателей Номера составов бетонных смесей
12 34 56 78 910 1112 Прототип
Расход цемента, кг 150180 236300 150182 240296 155183 242298 330
Прочность на сжатие, МПа34 43 6474 3545 6573 3544 6270 68
Удельный расход цемента на единицу прочности, кг/МПа 4,414,19 3,694,05 4,284,04 3,694,05 4,434,16 3,94,14 4,85

Таким образом, предложенная бетонная смесь характеризуется уменьшенным расходом цемента на единицу прочности, не превышающим 4,5 кг/МПа, что доказывает достижение требуемого технического результата.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бетонная смесь, включающая портландцемент, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, микрокремнезем с содержанием аморфного - стекловидного кремнезема не менее 75-80%, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок крупностью до 5 мм, щебень из горных пород с маркой по дробимости 800-1400 и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молотый кварцевый песок или молотую каменную муку из плотных горных пород с удельной поверхностью (3-5)·103 см2 /г и очень мелкий кварцевый песок фракции 0,1-0,63 мм при следующем содержании компонентов, кг на 1 м3 бетонной смеси:

портландцемент марки не ниже М500 150-300
суперпластификатор на основе поликарбоксилатного бетонная смесь, патент № 2435746
эфира, % от массы цемента в пересчете на сухое бетонная смесь, патент № 2435746
вещество 0,5-1,5
микрокремнезем, % от массы цемента10-15
средний или крупный кварцевыйбетонная смесь, патент № 2435746
или полевошпатовый песок 400-550
щебень из плотных горных пород 800-850
молотый кварцевый песок или каменная мука 150-290
очень мелкий кварцевый песок 400-550
вода 140-170

www.freepatent.ru

Володин В.М., Ананьев С.В., Мороз М.Н., Петухов А.В. Технологические и рецептурные основы получения высокоэффективных бетонов нового поколения

Володин Владимир Михайлович1, Ананьев Сергей Викторович2, Мороз Марина Николаевна3, Петухов Андрей Владимирович41ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.2ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.3ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", к.т.н.4ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", студент

Volodin Vladimir Mikhailovich2, Ananyev Sergey Viktorovich3, Moroz Marina Nikolaevna3, Petukhov Andrey Vladimirovich51Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences2Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences3Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of Technical Sciences4Penza State University of Architecture and Construction, student

Библиографическая ссылка на статью:Володин В.М., Ананьев С.В., Мороз М.Н., Петухов А.В. Технологические и рецептурные основы получения высокоэффективных бетонов нового поколения // Современная техника и технологии. 2014. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/11/4943 (дата обращения: 03.10.2017).

В последние годы при производстве высококачественных бетонов реализуется концепция использования реакционно-активных мономинеральных и полиминеральных тонкодисперсных порошков на основе горных пород [1, 2]. Использование таких порошков ознаменовало появление нового класса бетонов, так называемые Reaktionspulverbeton. В связи с этим, необходимо было разработать новую технологию получения таких высокоэффективных бетонов нового поколения.

Такие бетоны являются многокомпонентными, количество компонентов в них может достигать 7–9 наименований. В них отсутствуют крупный заполнитель, а мелкий заполнитель – это особо мелкие пески фракции не более 0,8 мм. Доля каменной реакционно-активной муки в таких бетонах составляет 40-50% от массы цемента при содержании микрокремнезема (МК) до 15–22%. Водо-твердое отношение не превышает 0,09–0,12. Эти бетоны могут быть охарактеризованы как тонкозернистые порошковые бетоны. Содержание воды в тонкозернистых бетонах существенно снижается за счет высокого водоредуцирующего действия суперпластификатора (СП) в дисперсных системах. Водоредуцирующее действие в некоторых тонкодисперсных порошках может достигать значительных величин (1000–1500%), т.е. расход воды при одинаковой гравитационной текучести в дисперсных системах может быть снижен в 10–15 раз по сравнению с обычными суспензиями. Замещение части цемента, крупного и мелкого заполнителей тонкодисперсными микропорошками позволяет максимально реализовать разжижающее действие суперпластификаторов на сульфонафталин- и сульфомеламинфор­мальдегидной основе и, в большей степени, на поликарбоксилатной основе. С введением в такие бетоны стальных волокон в количестве 2,0 – 2,5 % по объему прочность бетона при осевом растяжении может достигать 15 МПа, прочность на растяжение при изгибе – 50 МПа, при прочности на сжатие 180 – 200 МПа.

Разработка многокомпонентных высококачественных бетонов различного функционального назначения обеспечивает неограниченные возможности использования их в строительном комплексе [3-6].

Экономя цемент нельзя получить высококачественные высокопрочные бетоны, особенно из бетонных смесей с высокой пластичностью и текучестью. Их состав необходимо кардинально изменять со значительным добавлением дисперсных компонентов. Экономически-обоснованная рецептура бетонов на настоящем этапе развития науки о бетонах должна преследовать цель не экономию цемента в бетонах старого поколения, а сокращения расхода железобетона в конструкциях за счет его высокой и особо высокой прочности. В этом случае экономятся все компоненты бетона – от цемента до стали.

Сочетание микрокремнезема и суперпластификатора с заменой крупного песка на мелкий с наибольшим размером зерен 0,5 мм, и с использованием базальтового щебня с максимальным размером 8 мм позволяет получить на самоуплотняющемся бетоне с В/Ц=0,18 прочность при сжатии 129 МПа при прочности на растяжение при изгибе 13 МПа. Введение фибры несущественно повышает прочность при сжатии (на 15%), но прочность на растяжение при изгибе возрастает в 2,2 раза. Пропаривание такого бетона в течение двух суток интенсифицирует протекание пуццоланической реакции и прочность на сжатие возрастает до 198 МПа, а на растяжение при изгибе – до 49 МПа т.е. в 3,77 раза по сравнению с бетоном с СП и МК, но не содержащим стальную фибру. Таким образом, невостребованные ранее малопрочные фибробетоны через 25 лет «дождались» особо высокопрочной матрицы, которая была способна обеспечить полное сцепление, как с проволокой диаметром 0,8-1,9 мм, так и с высокодисперсной арматурой, диаметром 0,15-0,25мм. Кроме того, повышение сцепления фибры с бетоном позволило:

1. Уменьшить длину фибры до 6-9 ммбез опасения выдергивания проволоки значительно раньше, чем наступит предел текучести,

2. Отказаться от использования слишком длинной фибры с L>5-15см и исключить комкование и неравномерное распределение с отсутствием недоармированных и переармированных зон, а также уменьшить диаметр стальной фибры вплоть до микроуровня (0,01-0,04 мм),

3. Уменьшить влияние фибры на снижение удобоукладываемости,

4. Уменьшить величины возрастания среднеквадратичных отклонений прочности на изгиб и на осевое растяжение с увеличением степени армирования,

5. Повысить долю заполнителя с наибольшей крупностью зерен 8мм до 60-65% в смеси заполнителей.

Таким образом, добавление к традиционным четырем компонентам бетонной смеси еще трех является  достаточным для превращения обычного бетона в многофункциональный.

Кроме повышения прочности на все виды нагрузок бетон обладает высокой водостойкостью и водонепроницаемостью (W), морозостойкостью (F), солес­тойкостью к воздействию солей обледенителей, стойкостью к проникновению хлорид-ионов, к трехкратному повышению стойкости к карбо­низации. Следует считать, что важнейшая добавка в этой комбинации – суперпластификатор.

Именно он, за счет снижения воды затворения, делает бетон плотным. Микрокремнезем, как высокодисперсная фаза (совместно с молотой горной породой), усиливает водоредуцирующее действие суперпластификаторов повышая, с одной стороны, плотность, а с другой – связывает гидратную известь в гидросиликаты, заполняющие капиллярные поры, что еще в большей степени повышает плотность структуры, а с ней – и прочность бетона.

Как указано выше, появление порошковых бетонов было обусловлено, прежде всего, необходимостью создания плотной и прочной матрицы за счёт уменьшения размеров структурных элементов такого бетона. Отдельные составляющие такого бетона выходят на микро-, и наноуровень (микрокремнезём, наносиликаты и наноуглероды). Такая плотная матрица позволила не только повысить сцепление её с дисперсной арматурой повышенного диаметра 0,5-2 мм, но и малого диаметра 0,1-0,2 мм, можно сказать, на микроуровне. Это позволило полностью использовать свойства высокопрочной дисперсной арматуры с пределом текучести до 3000 МПа и более. В результате использования такой стали удалось существенно уменьшить длину волокон до 6-9 мм без опасения их выдёргивания.

Вся эволюция совершенствования структуры щебеночных бетонов с повышением прочности их связана с уменьшением размеров крупного заполнителя с 20 – 40 мм до 3-10 мм. Последние 10-15 лет большинство высокопрочных и бетонов изготавливаются из саморастекающихся бетонных смесей, в которых максимальная крупность щебёночного заполнителя не превышает 8-12 мм.

Высокая текучесть позволяет изготавливать высокоархитектурные ажурные конструкции, тонкостенные скорлупы, шатровые оболочки, купола и другие филигранные конструкции. Это позволило осуществлять строительство безопорных ажурных мостов.

Еще причиной явилась возможность существенного повышения трещиностойкости дисперсно-армированных порошковых бетонов.

Наиболее веским основанием для перехода от щебёночных, мелкозернистых и песчанистых литых бетонов к порошковым бетонам послужило прогрессирующее развитие ткацкой промышленности в развитых странах (США, Канада, Франция, Германия), способной осуществлять изготовление объёмных мелкосеточных каркасов из полипропиленовых, полиамидных, полиакрилатных и целлюлозных волокон.

Как известно в мировой практике в производстве бетона используются порошки горных пород различного происхождения, однако основные критерии их использования не чётко определены.

Россия, занимая 1/7 часть суши, имеет огромные резервы горных пород различного происхождения. По оценкам компетентных специалистов разных стран из огромного количества сырья используется лишь 2-7 % для получения целевого продукта. Остальное – хранится в отвалах. Новые достижения в области техники и технологии металлургии открыли возможности извлечения полезных ископаемых из истощенных руд.

Основная часть многомиллиардных отходов минерального сырья выбрасывается в дисперсном или даже в высокодисперсном состоянии, остальная – в грубодисперсном виде, после процессов флотации, сухой и мокрой магнитной сепарации, отсевов камнедробления. Если принять минимальный суммарный расход электроэнергии на дробление и помол 10 квт час (дробление 3-5 кВт·час, помол – 15-25 кВт·час) на одну тонну каменных пород, то годовые энергетические затраты на измельчение 100 мдрд. тонн минеральных пород составят 1015 Вт·час. (1000 ТВт·час). Ежегодно такое количество энергии безвозвратно аккумулировано для образования высокой свободной поверхностной энергии дисперсных отходов в отвалах.

Эффективные бетоны, правильно называют бетонами нового поколения, но это название относят только к высокофункциональным, к высокопрочным и особовысокопрочным бетонам. Это бетоны будущего [7] . По нашему мнению с учетом предложенной ранее терминологии  [8], к ним необходимо отнести и бетоны рядовых марок с прочностью 20-50 МПа, выпускаемых в количестве 96-97% от всего выпуска бетона в мире, и бетоны с повышенной прочностью Rсж=60-100 МПа. Но такие бетоны можно называть лишь тогда бетонами нового поколения, когда в них удельный расход цемента на единицу прочности на сжатие будет не выше 4-4,5 кг/МПа. Почему именно этот показатель является основным критерием подразделения бетонов на бетоны нового поколения, бетоны переходного и старого поколения. Этот критерий является и технико-экономическим и экологическим по следующим причинам.

Во-первых, высокопрочные (ВПБ) и, особенно, сверхвысокопрочные (СВБ) бетоны с прочностью 100-200 МПа и более являются «экзотикой» и не появятся в короткие сроки в преимущественных объемах, в высоконагруженных зданиях и сооружениях. По мере перехода строительства на использование ВПБ и СВБ для уникальных зданий и сооружений будет сохраняться производство бетонов старого поколения с удельным расходом цемента 8-10 кг/МПа. Эти бетоны с прочностью 20-60 МПа необходимо заменить в короткие сроки высокоэкономичными бетонами нового поколения  с  удельным расходом цемента на единицу прочности ≤4,5 кг/МПа с расходами цемента на 1 м3 бетона не более 150-300 кг вместо 300-600 кг. В этом случае не потребуется дополнительных наращиваний объемов производства портландцемента и строительства новых цементных заводов с длительными сроками окупаемости.

Во-вторых отказ от строительства цементных заводов – это исключение дополнительной эмиссии углекислого газа СО2 в атмосферу от известняка и отходящих газов цементных печей, что является частичным решением экологической проблемы.

В связи с этим организация производств бетонов нового поколения в любом регионе России – важная народно-хозяйственная задача. И тот из руководителей крупных строительных управлений, который поймет, что переход на производство бетонов нового поколения будет определять высокую эффективность работы своего подразделения. Если говорить в целом об экономике строительства из бетона и железобетона в России, то строительство из высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона – это глобальная экономика. Она имеет свои специфические критерии.

Библиографический список
  1. Калашников В.И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов.  Строительные материалы. 2008. № 3. С. 20-23.
  2. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч.3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего.  Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22.
  3. Калашников В.И., Тараканов О.В., Белякова Е.А., Мороз М.Н. Новое направление использования зол ТЭЦ в порошково-активированных бетонах нового поколения. Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 22-27.
  4. Мороз М.Н., Калашников В.И., Суздальцев О.В., Янин В.С. Высокопрочные декоративно-отделочные поверхностно-гидрофобизированные бетоны. Региональная архитектура и строительство. 2014. № 1. С. 18-23.
  5. Калашников В.И., Тараканов О.В., Кузнецов Ю.С., Володин В.М., Белякова Е.А. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей.  Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 47-53.
  6. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием.  Строительные материалы. 2009. № 6. С. 59-61.
  7. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102.
  8. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения. Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.

Все статьи автора «Мороз Марина Николаевна»

technology.snauka.ru

Тяпкин В.А., Калашников В.И., Ерофеева И.В. Получение термолита из опочного гравия и бетона на его основе (Часть 2)

Тяпкин Вячеслав Александрович1, Калашников Владимир Иванович2, Ерофеева Ирина Владимировна31ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, к.т.н.2ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, д.т.н.3ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, аспирант

Tyapkin Vyacheslav Aleksandrovich2, Kalashnikov Vladimir Ivanovich3, Erofeeva Irina Vladimirovna31Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of technical sciences2Penza State University of Architecture and Construction, doctor of technical sciences3Penza State University of Architecture and Construction, postgraduate student

Библиографическая ссылка на статью:Тяпкин В.А., Калашников В.И., Ерофеева И.В. Получение термолита из опочного гравия и бетона на его основе (Часть 2) // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/51698 (дата обращения: 14.01.2018).

Легкие бетоны старого поколения включают: “цемент+песок+легкий заполнитель+вода”, а переходного поколения – с суперпластификаторами. Но суперпластификаторы плохо разжижают бетонную смесь из-за малого наличия цементно-водной суспензии. В бетонах нового поколения в соответствие с [1-5] для увеличения суспензионной составляющей к цементу добавляется значительное количество какой-либо молотой  плотной породы [6- 10].

Для высокопрочных бетонов может быть использована комплексная добавка: микрокремнезем+обожженная молотая опока в соотношении 30:70 по массе. Для обычных бетонов-молотая опока. В первом случае затраты на микрокремнезем снижаются в 3 раза.

Исходя из гранулометрического состава опочно-кварцевой смеси выскажем свои соображения по использованию мелких и тонких фракций. Самая тонкая фракция менее 0,315 мм и тонкая фракция 0,315 – 0,63 мм – готовый тонкозернистый песок для растворов.

Наличие мелких частиц более легкой опоки уменьшает расслоение кладочных и штукатурных растворов. Тонкие частицы опоки являются реакционно-активной добавкой и связывают гидролизную известь в дополнительные цементирующие гидросиликаты кальция

Зернистая опока с фракцией 1,25 – 2,5 мм, как было сказано выше, должна обжигаться совместно с дробленой опокой.

Рис. 1. Номенклатура материалов из опоки

Таким образом, из намывной опоки по безотходной технологии может быть получено несколько материалов. Соотношение между различными фракциями зерен в опоке может варьироваться также как и количественный выход различных материалов.

Влажность намывного опочного гравия существенно варьирует. Намывная опока, отобранная из гидроциклона, имеет максимальную влажность, равную длительному водонасыщению, которое может достигать 30 – 35% по массе. Если опочный гравий будет отбираться  из конуса под гидроциклоном и складироваться на отдельном складе, то влажность будет снижаться за счет естественного высыхания. Опочный гравий обладает высокой открытой пористостью и быстро высыхает на воздухе. В летний период влажность может снижаться до 5 –10%. При этом светлые разности гравия имеют большую влажность.

Для определения открытой пористости темные и светлые разности опоки испытывались на водопоглощение. Для этого опочный гравий фракции 20 – 40 мм высушивался до постоянного веса и подвергался естественному водопоглощению с периодическим взвешиванием через определенные промежутки времени. Результаты представлены в таблице 1.

Как следует из таблицы, уже через 10 мин. нахождения в воде светлая опока поглощает 18% воды, а через 3 суток водопоглощение достигает 30%. Темные разности опочного гравия имеют водопоглощение на всех временных этапах в 1,5 раза ниже.

Таблица 1. Водопоглощение опочного гравия

Вид

опоки

Через 10 мин

Через 20 мин

Через 42 час

Через 72 час

Через 7 сут

М, гр

W,%

М,гр

W,%

М,гр

W,%

М,гр

W,%

М,гр

W,%

Темная

94,52

13,57

96,7

16,2

100,02

20,2

100,42

20,67

101,14

21,53

101,02

21,4

Светлая

130,42

18,32

134,94

22,4

142,74

29,26

143,82

30,5

145,26

31,8

145,12

31,66

По результатам водопоглощения была определена средняя плотность в куске и пористость опоки. Для этого водонасыщенный гравий протирался тканью и погружался в мерный цилиндр с водой. По результатам вытесненного объема воды вычислялась средняя плотность.Она находилась в пределах ρср=1450 – 1550 кг/м3. Пористость в абсолютно сухом состоянии составила 36 – 40%.

Прокаливанием абсолютно сухого опочного гравия при температуре 1000оС определили потери при прокаливании (ППП). Они составили 2,0–2,5%. для светлых и темных разностей гравия. Органические примеси в опоке обычно отсутствуют. Поэтому при прокаливании удалялась химически связанная вода.  При молекулярной массе SiО2, равной 60, доля воды составит 0,08 – 0,01 Н2О, т.е. можно с некоторым приближением принять вещество аморфного кремнезема, соответствующего формуле SiО2•0,1 Н2О.

Уменьшение сухой массы опочного гравия при обжиге не превышает 2 – 3%, т.е. с 1 т гравия получится 970 – 980 кг термолита. Расход сырья на 1т термолита составит 1,03 тонны.

Изучение свойств обожженного опочного гравия и легкого бетона на его основе и реакционно-активной добавки – высокодисперсного термолита

Опочный гравий фракции 10 – 40 мм обжигался с 20оС до 1000оС по режиму: подъем до t = 1000оС – 0,5 часа; выдержка при температуре t = 1000оС – 20 мин.; охлаждение до 20оС – 0,4 часа. После обжига опочный гравий дробили на щековой дробилке, а затем рассеивали на 3 фракции: 10 – 20 мм, 5 –10 мм, и 0 – 5 мм. После дробления количество щебня из гравия фракции 5 – 20 мм оказалось 80%, а фракции 0 – 5 мм – 20 мм.

В связи с тем, что на кафедре не имеется лабораторной конусной и валковой дробилок для дробления лещадных пород, дробление осуществлялось на щековой дробилке. Щековая дробилка не пригодна для дробления лещадных пород, какой является лещадный опочный гравий. После дробления содержание лещадных зерен во фракции 10 – 20 мм составило 47%, а во фракции 5 – 10 мм – 41%.

Насыпная плотность смеси двух фракций 5 – 10 и 10 – 20 мм в соотношении 1:3 составляет 770 кг/м3, в уплотненном состоянии – 890 кг/м3; средняя плотность обожженного опочного гравия в куске – 1472 кг/м3, а истинная – 2,5 г/см3.

Раздельный обжиг темной и светлой опоки не выявил различий в их окраске. Это свидетельствует о близком содержании оксидов железа, окисляемых при обжиге.

Изучено водопоглощение смеси обожженной светлой и темной опоки фракций 5 – 10 мм и 10 – 20 мм при соотношении 1:3.

Как следует из результатов, водопоглощение через 16 часов составляет 83% от четырех суточного. Это свидетельствует о значительном количестве сообщающихся капиллярных пор легко заполняемых водой. При полной пористости 41%, через 4 суток 65% всех пор насыщаются водой.

При приготовлении бетонной смеси на таком пористом щебне важно знать водопоглощение через первые 10-15 минут, т. к. щебень обезвоживает бетонную смесь и снижает ее пластичность. Поэтому содержание воды необходимо заведомо увеличивать. Водопоглощение опоки через 10-15 мин. зависит от размеров зерен. В смеси указанных фракций водопоглощение через 10-15 мин. находится в пределах 10-12% по массе, что составляет 43%-45% от 28-ми суточного водопоглощения.

На обожженном термолите был изготовлен легкий конструктивный бетон. Бетон был изготовлен на Пензенском портландцементе «Азия-Цемент» ЦЕМ 42,5 Н. Использовался песок Сурский с Мкр=1,52, две фракции термолита фр. 5-10 мм – 211 кг/м3 и фр. 10-20 мм – 492 кг/м3. В качестве пластификатора использовали СП Хидетал 9γГ. В/Т-отношение было 0,667, при котором бетонная смесь получилась малопластичной марки П-1 с осадкой конуса 3 см. Образцы-кубы 100х100х100 мм твердели в влажных условиях  и испытывались через 2 и 28 суток (рис. 1). Получен легкий бетон М400 с классом по прочности В35  плотностью в абсолютно-сухом состоянии 1780 кг/м3.

Кроме легкого заполнителя термолита при его производстве от дробления опоки получается мелкая фракция 0-5 мм, которая после обжига должна измельчаться до высокой дисперсности более 10000 см2/г.

Таблица 2. Легкий бетон на термолите

Наименование

компонентов

На 1 м3, кг

Объемна 1 м3, л

В/Ц,

В/Т

ρ,   кг/м3

Прочность при одноосномсжатии, Rсж, МПа

2 сутки

28 сутки

Азия-цемент 42,5 Н (Ц)

401,8

129,6

В/Ц=

0,667

ρвл..=1956

30,2

42,5

Песок Сурский (Пз)сМкр=1,52

602,7

227,4

Термолит фр. 5-10 мм

210,9

143,5

Осадкаконуса 3 см

ρабс.сух..=1780

Термолит фр. 10-20 мм

492,2

334,8

Хидетал 9γГ 1% от массы цемента

4,0

5,1

∑сух

1711,6

-

Вода

267,9

267,9

Мб.с.

1979,5

-

Vб.с

-

1108,4

Реакционно-активный порошок – высокодисперсный термолит (ВДТ) имеет розовый цвет и состоит из безводных соединений, преимущественно из видоизмененного активного SiO2, дегидратированных алюмосиликатов и твердых растворов железистых соединений. В небольшом количестве содержатся алюмосиликатов кальция и натрия.

Оценка реакционной активности молотой термоактивированной опоки осуществлялась в сравнении с активностью микрокремнезема. Бетоны были изготовлены из Пензенского цемента ЦЕМ 42,5 Н, песка Сурского и щебня гранитного фр. 5-10 мм, очень дешевого суперпластифкатора Fortreis Strong. Результаты сравнения показаны в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Бетон с высокодисперсным термолитом

Наименование

компонентов

На 1 м3,кг

 Объемна 1 м3,л

В/Ц,

В/Т

ρ,  кг/м3

Пз/Ц

Прочность на изгиб и сжатие,Rизг, Rсж, МПа, после пропаривания,через сутки

4

7

28

Азия-цемент 42,5Н(Ц)

348,4

112,4

В/Ц-0,532

ρвл..=

2324

(через1 сут)

2,03

Rизг=

6,9

Rизг=

7,0

Rизг=7,8

Песок Сурский (Пз) с Мкр=1,52

706,5

266,6

В/Т=0,084

ВДТ/Ц

0,11

Rсж = 51

Rсж = 54,8

Rсж = 64,6

Щебень гранитный (Щ) фр. 5-10 мм

1113,0

412,2

Осадкаконуса

1 см

ρтеор.=2385

 удельный расход цемента на единицу прочности=5,4 кг/МПа

Высокодисперсный термолит (ВДТ)

Sуд=13944 см2/г

(11% от Ц)

38,7

26,3

Vвд=324 л;Свд=32,3%

Vр=590л;Ср=59%

СП Fortreis Strong.

4,3

4,0

∑сух

2206,6

-

Вода

185,5

185,5

Мб.с.

2392,1

-

Vб.с

-

1003

Прочность бетона после пропаривания с дисперсной термоактивированной опокой оказалась всего на 9 % ниже, чем у бетона с микрокремнеземом и составляла 64,6 МПа.

Таблица 4. Бетон с микрокремнеземом

Наименование

компонентов

На

1 м3, кг

Объем на 1 м3, л

В/Ц,

В/Т

ρ,  кг/м3

П/Щ

Щ/Ц

Прочность на изгиб и сжатие, Rизг, Rсж, МПа, после пропаривания, через сутки

4

7

28

Азия-цемент 42,5 Н(Ц)

349,7

112,8

В/Ц=

0,532

ρвл..=

2321

(через1 сут)

2,03

3,19

Rизг=

8,1

Rизг=

8,3

Rизг=8,9

Песок Сурский (Пз) с Мкр=1,52

709,1

267,6

В/Т=

0,084

МК/Ц

0,11

Rсж= 53,0

Rсж= 54,7

Rсж= 71,1

Щебень гранитный (Щ) фр. 5-10 мм

1117,0

413,7

Ж=10-15сек

ρтеор.=2404

Vвд=317 л;Свд=31,8 %

Vр=584 л;             Ср=58,5 %

МикрокремнеземЛипецкий (11%от Ц)

38,9

18,5

СПFortreis Strong

3,29

2,9

∑сух

2214,6

-

Вода

186,2

186,2

Мб.с.

2400,8

-

Vб.с

-

998,8

Таким образом, пропаренный бетон с реакционно-активным высокодисперсным термолитом хорошо относится к тепловой обработке. Обожженный термолит очень легко размалывается до Sуд=11000-14000 см2/г и при такой дисперсности легко связывает гидролизную известь в гидросиликаты кальция.

Объемы производства высокодисперсного термолита для Пензенских заводов ЖБИ можно ориентировочно рассчитать, учитывая то, что дозировка её составляет 8-10 % от массы цемента. При перспективном производстве сборного железобетона в объеме 200 тыс. м3 в год ВДТ потребуется 7-8 тыс. тонн, в сутки 20-25 тонн.

 

Библиографический список
  1. Калашников В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения [Текст]/В.И. Калашников//Бетон и железобетон. -2012. -№ 1. -С. 82.
  2. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов//Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102-107.
  3. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения//Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.
  4. Калашников В.И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов//Строительные  материалы. 2008. №3. С. 20-22.
  5. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 3: От высокопрочных и особо высокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего//Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22-26.
  6. Ерошкина Н.А., В.И. Калашников, Коровкин М.О. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавкой шлака, и бетон на его основе//Региональная архитектура и строительство. 2011. -№ 2. -С. 62-65.
  7. Калашников В.И., Мороз М.Н., Тараканов О.В., Калашников Д.В., Суздальцев О.В. Новые представления о механизме действия суперпластификаторов, совместно размолотых с цементом или минеральными породами//Строительные материалы.  2014.  № 9.  С. 70.
  8. Калашников В.И. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей/В.И. Калашников [и др.]//Инженерно-строительный журнал. -2012. -№8(34). -С. 47-53.
  9. Калашников В.И., Москвин Р.Н., Белякова Е.А., Белякова В.С., Петухов А.В. Высокодисперсные наполнители для порошково-активированных бетонов нового поколения//Системы. Методы. Технологии.  2014.  № 2 (22).  С. 113-118.
  10. Мороз М.Н., Калашников В.И., Суздальцев О.В., Янин В.С. Высокопрочные декоративно-отделочные поверхностно-гидрофобизированные бетоны//Региональная архитектура и строительство.  2014.  № 1.  С. 18-23.
Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Тяпкин Вячеслав Александрович»

web.snauka.ru

автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород

Автореферат диссертации по теме "Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород"

На правах рукописи

Калашников Сергей Владимирович

ТОНКОЗЕРНИСТЫЕ РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВЫЕ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пенза 2006

Работа выполнена на кафедре «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» и в институте строительных материалов и конструкций Мюнхенского технического университета.

Научный руководитель -

Доктор технических наук, профессор Валентина Серафимовна Демьянова

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Владимир Павлович Селяев

Доктор технических наук, профессор Олег Вячеславович Тараканов

Ведущая организация - ОАО «Пензастрой», г. Пенза

Защита состоится 7 июля 2006 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.184.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Автореферат разослан 5 июня 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

В. А. Худяков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 при одноосном сжатии 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 крайне 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 59%. Волокна при вибрационных воздействиях проливают непластифициро-ванными "жирными" высокоусадочными цементно-песчаными растворами состава цемент-песок — 14-И :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 водоредуци-рующее действие до 60% с использованием суперпластификаторов олиго-мерного состава и гиперпластификаторов полимерного состава. Эти достижения не стали основой для создания дисперсно-армированных высокопрочных железобетонных, или тонкозернистых порошковых бетонов из литых самоуплотняющихся смесей. Между тем, передовые страны активно развивают новые поколения реакционно-порошковых бетонов, армированных дисперсными волокнами. Порошковые бетонные смеси используются

для заливки форм с уложенными в них ткаными объёмными тонкосеточными каркасами и комбинацией их со стержневой 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, высокопрочной матрицей, получаемой литьем при сверхнизком водосодержа-нии, обеспечивающими изготовление бетонов с вязким характером при разрушении и высокой прочностью на растяжение при изгибе;

— разработать методологию оценки реологических свойств воднодис-персных систем, тонкозернистых порошковых дисперсно-армированных композиций; исследовать их реологические свойства;

— выявить структурную топологию композиционных вяжущих и дисперсно-армированных тонкозернистых композиций, получить математические модели их структуры для оценки расстояний между частицами наполнителя и геометрическими центрами армирующих волокон;

— 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 с1 = 0,1 мм и I = 6 мм с минимальным содержанием, достаточным для повышения растяжимости бетона, технологию приготовления и установить влияние рецептуры на текучесть, плотность, воз-духосодержание 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 микрокремнезёмом, со значительным увеличиванием 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 твердения композиционных цементных вяжущих, усиливающийся по мере увеличения содержания наполнителя или значительного увеличения дисперсности его по сравнению с дисперсностью цемента.

5. Изучены процессы сгруктурообразования тонкозернистых порошковых бетонов. Показано, что порошковые бетоны из суперпластифицированных литых самоуплотняющихся бетонных смесей значительно плотнее, кинетика нарастания их прочности интенсивнее, а средняя прочность существенно выше, чем бетонов без СП, спрессованных при том же водосодержа-нии 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. 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 диаметром 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 Всерос-

сийских 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), «Ресурсе- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно строительном процессе» (Москва-Казань, 2003 г), «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2004 г), «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоёмкие 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 3 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе посвященной аналитическому обзору литературы, проведен анализ зарубежного и отечественного опыта применения высококачественных бетонов и фибробетонов. Показано, что в зарубежной практике высокопрочные бетоны с прочностью до 120-140 МПа начали выпускаться, в основном, после 1990 г. В последние шесть лет выявлены широкие перспективы в повышении прочности высокопрочного бетона с 130150 МПа и перевода их в разряд особо высокопрочных с прочностью 210250 МПа, благодаря отработанной годами тепловой обработке бетона, достигшего прочности 60-70 МПа.

Отмечается тенденция деления особо высокопрочных бетонов по "зернистости заполнителя на 2 вида: мелкощебёночные с максимальной крупностью зёрен до 8-16 мм и тонкозернистые с зёрнами до 0,5-1,0 мм. И те и другие в обязательном порядке содержат микрокремнезём или микродегид-ратированный каолин, порошки прочных горных пород, а для придания бетону дуктильности, ударной прочности, трещиностойкости - фибру из различных материалов. В особую группу можно отнести тонкозернистые порошковые бетоны (Reaktionspulver beton-RPB или Reactive Powder Concrete) с максимальным размером зёрен 0,3-0,6 мм. Показано, что такие бетоны при прочности на осевое сжатие 200-250 МПа с коэффициентом армирования максимально 3-3,5% по объёму, имеют прочность на растяжение при изгибе до 50 МПа. Такие свойства обеспечиваются, прежде всего, подбором высокоплотной и высокопрочной матрицы, позволяющей повысить сцепление с фиброй и полностью использовать её высокую прочность на разрыв.

Анализируется состояние исследований и опыт производства фибробе-тонов в России. В отличие от зарубежных разработок, российские исследования ориентированы не на использование фибробетонов с высокопрочной матрицей, а на увеличение процента армирования до 5-9% по объёму в малопрочных трёх- четырёхкомпонентных бетонах классов В30-В50 для повышения прочности на растяжение при изгибе до 17-28 МПа. Всё это является повторением зарубежного опыта 1970-1976 г.г., т.е. тех лет, когда не использовались эффективные суперпластификаторы и микрокремнезёмы, и фибробетон был в основном трёхкомпонентным (песчанистым). Рекомендуются к изготовлению фибробетоны с расходами портландцемента 7001400 кг/м3, песка - 560-1400 кг/м3, фибры - 390-1360 кг/м3, что является крайне расточительным и не учитывается достигнутый прогресс в развитии высококачественных бетонов.

Выполнен анализ эволюции развития многокомпонентных бетонов на различных революционных этапах появления особых функционально-определяющих компонентов: фибры, суперпластификаторов, микрокремнезёма. Показано, что шести- семикомпонентные бетоны - основа высокопрочной матрицы для эффективного использования основной функции фибры. Именно такие бетоны становятся полифункциональными.

Формулируются основные мотивации появления высокопрочных и особо высокопрочных реакционно-порошковых бетонов, возможности получения «рекордных» значений водоредуцирования в бетонных смесях, особого реологического состояния их. Формулируются требования к порошкам и

распространённость их, как техногенных отходов горнорудной промышленности.

На основании проведённого анализа формулируется цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов и описаны методы исследования, Использовались сырьевые материалы Германского и Российского производства: цементы СЕМ 1 42,5 R HS Werk Geseke, Werk Bernburg СЕМ 1 42,5 R, Weisenau СЕМ 1 42,5, Вольский ПЦ500 ДО, Старооскольский ПЦ 500 ДО; песок Сурский классифицированный фр. 0,14-0,63, Балашейский (г. Сызрань) классифицированный фр. 0,1-0,5 мм, песок Halle фр. 0,125-0,5'мм; микрокремнезёмы: Eikern Microsilica 940 с содержанием Si02> 98,0 %, Silia Staub RW Fuller с содержанием Si02> 94,7 %, БС-100 (объединение "Сода") с ЗЮ2 > 98,3 %, Челябинского ЭМК с содержанием SiO; = 84-90 %, фибру немецкого и российского производства с d = 0,15 мм, 7 = 6 мм с пределом прочности на разрыв 1700-3100 МПа; порошки горных пород осадочного и вулканического происхождения; супер- и гиперпластификаторы на нафталиновой, меламиновой и поликарбоксилатной основе.

Для приготовления бетонных смесей использовали высокоскоростной смеситель фирмы Eirich и турбулентный смеситель каф. ТБКиВ, современные приборы и оборудование германского и отечественного производства. Ренттеноструктурный анализ осуществляли на анализаторе Seifert, элек-тронномикроскопический анализ на микроскопе ESEM фирмы Philips.

В третьей главе рассматривается топологическая структура композиционных вяжущих и порошковых бетонов, в том числе, дисперсно-армированных. Структурная топология композиционных вяжущих, в которых объёмная доля наполнителей превышает долю основного вяжущего, предопределяет механизм и скорость протекания реакционных процессов. Для расчёта средних расстояний между частицами песка в порошковых бетонах (или между частицами портландцемента в сильно наполненных вяжущих) принята элементарная кубическая ячейка с размером грани А и объёмом А3, равному объёму композита.

С учётом объёмной концентрации цемента C4V, среднего размера частиц цемента <1ц, объёмной концентрации песка С„, и среднего размера частиц песка d„, получено:

для межцентрового расстояния между частицами цемента в композиционном вяжущем:

Ац =^-3/я-/б-Су =0,806-^-3/1/^ " (1)

для расстояния между частицами песка в порошковом бетоне:

З/тг/6 -Ст = 0,806 • ап-щуст (2)

Принимая объёмную долю песка с фракцией 0,14-0,63 мм в тонкозернистой порошковой бетонной смеси, равную 350-370 литров (массовый расход песка 950-1000 кг), получено минимальное среднее расстояние между геометрическими центрами частиц, равное 428-434 мкм. Минимальное расстояние между поверхностями частиц составляет 43-55 мкм, а при крупности песка 0,1-0,5 мм — 37-44 мкм. При гексагональной упаковке частиц это расстояние увеличивается на коэффициент К = 0,74/0,52 = 1,42.

Таким образом, в процессе течения порошковой бетонной смеси, величина зазора, в котором размещается реологическая матрица из суспензии цемента, каменной муки и микрокремнезёма, будет варьироваться в пределах от 43-55 мкм до 61-78 мкм, с уменьшением фракции песка до 0,1-0,5 мм прослойка матрицы будет изменяться от 37-44 мкм до 52-62 мкм.

Топология дисперсных волокон фибры длиной / и диаметром с? определяет реологические свойства бетонных смесей с фиброй, их текучесть, среднее расстояние между геометрическими центрами волокон, предопределяет прочность при растяжении армированного бетона. Расчётные средние расстояния используются в нормативных документах, во многих научных работах по дисперсному армированию. Показано, что эти формулы противоречивы и расчёты по ним существенно отличаются.

Из рассмотрения кубической ячейки (рис.1) с ,длиной грани / с размещенными в ней волокнами

фибры диаметром б/, при общем содержании во-11локон /V, определено число волокон на грани

!П = и расстояние о =

учетом объёма всех волокон У„ = fE.iL. /. дг и коэф-Рис. 1 4

фициента армирования /л = (100- л • с11 • ы)/4 ■ I1, определено среднее'расстояние:

5 = (/ - й?) / 0,113 ■ • л/уц -1 (3)

а

Выполнены расчёты 5 по формулам Ромуапьди И.Р. и Менделя И.А. и по формуле Мэк Ки. Значения расстояний представлены в табл.1. Как видно из табл.1, формулу Мэк Ки применять нельзя. Так, расстояние 5 при увеличении объёма ячейки с 0,216 см3 (/ = 6 мм) до 1000 м3 (/ = 10000 мм) возрас-

тает в 15-30 раз при одинаковом ц, что лишает эту формулу геометриче-' ского и физического смысла. Формулу Ромуапьди можно использовать с учётом коэффициента 0,64. :

Таким образом, полученная формула (3) из строгих геометрических построений, является объективной реальностью, которая проверяется по рис. 1. Обработка по этой формуле результатов собственных и зарубежных исследований позволила выявить варианты малоэффективного, по существу, неэкономичного армирования и оптимального армирования.

Таблица 1

Значения расстояний 8 между геометрическими центрами дисперсных _ волокон, рассчитанных по различным формулам_

Диаметр, с), мм Б мм при различных ц и / по формулам Отношение расстояний ЗА^М, вычисленных по формуле автора и МэкКи Отношение расстояний вычисленных по формуле автора и Ромуальди

По формуле автора По формуле Мэк Ки 5^=3^=26.<г|1 По формуле Ромуальди

А 1 /и

1=6 мм 1 = 6 мм При всех / = 0-*»

ц-0,5 ц-1,0 ц-3,0 ц=0,5 и-1,0 Ц-3,0 11=0.5 ¡1=1,0 ц=3,0 (1-0,5 (1-1,0 ц-3,0 (»=0,5 ц=1,0 (1*3,0

0,01 0,127 0,089 0,051 0,092 0,065 0,037 0,194 0,138 0,079 1,38 1,36 1,39 0,65 0,64 0,64

0,04 0,49 0,37 0,21 0,37 0,26 0,15 0,78 0,55 0,32 1,32 1,40 1,40 0,62 0,67 0,65

0,15 2,64 1,66 0,55 1,38 0,98 0,56 2,93 2,07 1,20 1,91 1,69 0,98 0,90 0,80 0,46

0,30 9,66 4,69 0,86 1,91 1,13 5,85 4,14 2,39 2,45 0,76 1,13 0,36

0,50 15,70 1,96 3,25 1,88 6,90 3,96 1,04 0,49

0,80 4,05 5,21 3,00 6,37 1,40 0,67

1,00 11,90 3,76 7,96

/= 10 мм /= 10 мм

0,01 0,0127 0,089 0,051 0,118 0,083 0,048 Значения расстояний без изменений 1,07 1,07 1,06 0,65 0,67 0,72

0,04 0,53 0,37 0,21 0,44 0,33 0,19 1,20 1,12 1,10 0,68 0,67 0,65

0,15 2,28 1,51 0,82 1,67 1,25 0,72 1,36 1,21 1,14 0,78 0,73 0,68

0,30 5,84 3,51 1,76 3,35 2,51 1,45 1,74 1,40 1,21 1,70 1,13 0,74

0,50 15,93 7,60 2,43 5,58 4,19 2,41 2,85 1,81 1,01 1,63 2,27 0,61

0,80 23,00 3,77 6,70 3,86 3,43 0,98 2,01 0,59

1,00 9,47 4,83 1,96 1,18

1= 10000 мм 1= 10000 мм

0,01 0,125 0,089 0,053 3,73 0,033 0,64

0,04 0,501 0,354 0,215 14,90 0,034 0,64

0,15 1,88 1,33 0,81 37,40 0,050 0,64

0,30 3,84 2,66 1,61 56,00 0,068 0,66

0,50 6,28 4,43 2,68 112,ОС 0,056 0,65

0,80 10,02 7,09 4,29 186,80 0,053 0,64

1,00 12,53 8,86 5,37 373,6С 0,033 0,64

Четвёртая глава посвящена изучению реологического состояния супер-пластифицированных дисперсных систем, порошковых бетонных смесей (ПБС) и методологии оценки его.

У ПБС должна быть высокая текучесть, обеспечивающая полное растекание смеси в формах до образования горизонтальной поверхности с выделением вовлечённого воздуха и с самоуплотнением смесей. Учитывая, что бетонная порошковая смесь для производства фибробетонов должна иметь дисперсную арматуру, расплыв такой смеси должен мало уступать расплы-ву смеси без фибры.

Бетонная смесь, предназначенная для заливки форм с объёмным многорядным мелкосеточным тканым каркасом с размерами сетки в свету 2-5 мм, должна легко проливаться до дна формы через каркас, растекаться вдоль формы, обеспечивая после наполнения её с формированием горизонтальной поверхности.

Для разграничения сравниваемых дисперсных систем по реологии, разработаны простые методы оценки предельного напряжения сдвига и текучести.

Рассмотрена схема действующих сил на ареометр, находящийся в су-перпластифицированной суспензии. Если жидкость обладает пределом текучести т0, ареометр не полностью погружается в неё. Для т„ получено уравнение:

где ¿/-диаметр цилиндра; т — масса цилиндра; р -плотность суспензии; ^-ускорение силы тяжести.

Показана простота выводов уравнений для определения г0 при равновесии жидкости в капилляре (трубе), в зазоре между двумя пластинками, на вертикальной стенке.

Установлена инвариантность методов определения т0 для цементных, базальтовых, халцедоновых суспензий, ПБС. Комплексом методов определено оптимальное значение т0 у ПБС, равное 5-8 Па, которые должны хорошо растекаться при заливки их в формы. Показано, что наиболее простым прецезионным методом определения та является ареометрический.

Выявлено условие растекания порошковой бетонной смеси и самовыравнивания поверхности её, при котором все неровности поверхности полусферической формы сглаживаются. Без учёта сил поверхностного натяжения, при нулевом угле смачивания капель на поверхности объемной жидкости, т0 должно быть:

Te<d-p-gj 6 (5)

где d — диаметр полусферических неровностей.

Выявлены причины очень малого предела текучести и хороших реотех-нологических свойств ПБС, которые заключаются в оптимальном выборе зернистости песка 0,14-0,6 мм или 0,1-0,5 мм, его количества. Это улучшает реологию смеси по сравнению с мелкозернистыми песчанистыми бетонами, в которых крупные зерна песка разделены тонкими прослойками цемента, существенно увеличиваюшими г„ и вязкость смесей.

Выявлено влияние вида и дозировки различных классов СП на т„ (рис.4), где 1-Woerment 794; 2-СП С-3; 3-Melment FIO. Растекаемость порошковых смесей определяли по конусу от встряхивающего столика, установленному на стекло. Выявлено, что расплыв конуса должен быть в пределах 25-30 см. Растекаемость понижается с увеличением содержания вовлечённого воздуха, доля которого может доходить по объёму 4-5 %.

В результате турбулентного перемешивания образующиеся поры имеют размер, преимущественно, 0,51,2 мм и при г0=5-7Па и расплыве 2730 см, способны удаляться до остаточного содержания 2,5-3,0%. При использовании вакууме месителей содержание воздушных пор уменьшается до 0,8-1,2%.

Выявлено влияние сеточного препятствия на изменение расплыва порошковой бетонной смеси. При блокировании растекания смесей сеточным кольцом диаметром 175 мм с сеткой с диаметром в свету 2,8x2,8 мм установлено, что степень уменьшения растека-

а 35

i 30

25 20 15 10 5 0

3 ,

1

\ *

\ ^ л.

\ 4 S __

1 2

Содержание СП, %

Рис. 4

ния значительно возрастает при возрастании предела текучести и при уменьшении контрольного расплыва ниже 26,5 см.

Изменение отношения диаметров свободного с1с и блокированного рас-

плывов от Лс, иллюстрируется на рис. 5.

Для порошковых бетонных смесей, заливаемых в формы с ткаными каркасами, расплыв должен быть не менее 27-28 см.

Выявлено влияние вида фибры на уменьшение расплыва дисперсно-

армированной смеси.

24 26 28 30

¿с, см Для использованных трех видов

^ фибр с геометрическим фактором

равным: 40 (сИ),15 мм; 1=6 мм; //=1 %), 50 (¿/= 0,3 мм; /=15 мм; зигзагообразной ц = 1 %), 150 (с1- 0,04 мм; / =6 мм -микрофибра со стеклянным покрытием ц — 0,7 %) и значениях контрольного расплыва с1н на изменение расплыва армированной с1а смеси показано в табл. 2.

Наиболее сильное снижение рас-текаемости выявлено у смесей с микрофиброй с й = 40 мкм, несмотря на более низкий процент армирования ц по объёму. С увеличением степени армирования текучесть ещё более понижается. При коэффициенте армирования //=2,0% фиброй с <1 = 0,15 мм, расплыв смеси понизился до 18 см при контрольном расплыве 29,8 см с увеличением содержания воздуха до 5,3 %. Для восстановления расплыва до контрольного необходимо было увеличить В/Т с 0,104 до 0,12 или снизить содержание воздуха до 0,8-1%.

Пятая глава посвящена изучению реакционной активности горных пород и исследованию свойств реакционно-порошковых смесей и бетонов.

Реакционная активность горных пород (Гп): кварцевого песка, кремнезёмистых песчаников, полиморфных модификаций 5/02 — кремня, халцедона, гравия осадочного происхождения и вулканического — диабаза и базальта изучена в малоцементных (Ц:Гп = 1:9-4:4), обогащенных цементом сме-

Таблица 2

Контрольный . расплыв <1т см с/,/г/^лри различных 1/(1

40 50 150

25,0 1,28 1,35 1,70

28,2 1,12 1,14 1,35

29,8 1,08 1,11 1Д2

■ 9Д •

сях (Ц:Гп). Использовались порошки горных пород грубодисперсные с Syd = 100-160 м2/кг и высокодисперсные с Syo = 900-1100 м2/кг.

Установлено, что наилучшие сравнительные показатели по прочности, характеризующие реакционную активность горных пород, получены на композиционных малоцементных смесях состава Ц:Гп = 1:9,5 при использовании высокодисперсных пород через 28 суток и в длительные сроки твердения в течение 1,0-1,5 лет. Высокие значения прочности 43-45 МПа получены на нескольких породах — молотых гравии, песчанике, базальте, диабазе. Однако для порошковых бетонов высокой прочности необходимо использовать лишь порошки из высокопрочных горных пород.

Рентгеноструктурным анализом установлен фазовый состав некоторых горных пород, как чистых, так и образцов из смеси цемента с ними. Образование совместных минеральных новообразований в большинстве смесей со столь малым содержанием цемента не обнаружено, наличие CjS, тобермо-рита, портландита идентифицируется отчётливо. На микрофотографиях промежуточного вещества отчётливо видна гелеобразная фаза тобермори-топодобных гидросиликатов кальция.

Основные принципы подбора состава РПБ состояли в выборе соотношения истинных объёмов цементирующей матрицы и объбма песка, при котором обеспечиваются наилучшие реологические свойства смеси и максимальная прочность бетона. Исходя из установленной ранее средней прослойки х = 0,05-0,06 мм между частицами песка со среднем диаметром dcp, объём матрицы, в соответствии с кубической ячейкой и формулой (2), будет:

vM={dcp+x?-7t-d3/6 = A3-x-d3/6 (6)

Принимая прослойку* = 0,05 мм и dcp = 0,30 мм, получено соотношение Vu ¡Vп = 2 и объёмы матрицы и песка на 1 м3 смеси будут, соответственно, равны 666 л и 334 л. Принимая массу песка постоянной и варьируя соотношением цемента, базальтовой муки, МК, воды и СП, определяли текучесть смеси и прочность бетона. В дальнейшем изменяли размер частиц песка, величину средней прослойки и осуществляли аналогичные вариации в компонентном составе матрицы. Удельную поверхность базальтовой муки принимали близкой к цемента, исходя из условий заполнения пустот в песке частицами цемента и базальта с преимущественными размерами их

15-50 мкм. Пустоты между частицами базальта и цемента заполнялись частицами МК с размерами 0,1-1 мкм

Разработана рациональная процедура приготовления РПБС при строго регламентируемой последовательности введения компонентов, продолжительности гомогенизации, "отдыха" смеси и окончательной гомогенизации для однородного распределения частиц МК и дисперсной арматуры в смеси.

Окончательная оптимизация состава РПБС осуществлялась при постоянном содержании количества песка с варьированием содержания всех остальных компонентов. Всего было изготовлено 22 состава по 12 образцов в каждом, из них 3 на отечественных цементах с заменой поликарбоксилат-ного ГП на СП С-3. Во всех смесях были определены расплывы, плотности, содержание вовлечённого воздуха, а в бетонах - прочность на сжатие через 2,7 и 28 суток нормального твердения, прочность на растяжение при изгибе и раскалывании.

Установлено, что расплыв изменялся от 21 до 30 см, содержание вовлеченного воздуха от 2 до 5 %, а у вакуумированных смесей - от 0,8 до 1,2 %, плотность смеси изменялась от 2390-2420 кг/м3.

Выявлено, что в период первых минут после заливки, а именно после 1020 мин, из смеси удаляется основная доля вовлечённого воздуха и происходит уменьшение объёма смеси. Для лучшего удаления воздуха необходимо покрывать бетон плёнкой, препятствующей быстрому образованию плотной корочки на его поверхности.

На рис. 6, 7, 8, 9 показано влияние вида СП и его дозировки на расплыв смеси и прочность бетона в 7-ми и 28-ми суточном возрасте. Наилучшие результаты получены при использовании ГП Woerment 794 при дозировках 1,3-1,35 % err массы цемента и МК. Выявлено, что при оптимальном количестве МК = 18-20%, текучесть смеси и прочность бетона максимальны. Установленные закономерности сохраняются и в 28-ми суточном возрасте.

FM794 FM787 С-3

Рис. 6

Отечественный СП обладает меньшей редуцирующей способностью, особенно при использовании особо чистых МК марок БС - 100 и БС - 120 и

при содержании их до 20%. Расплыв смеси снижается до 21 см с понижением прочности (рис. 6).

При использовании специально изготовленных композиционных ВНВ с аналогичными расходами сырьевых компонентов, кратковременно размо-о,9 ¡,1 1.з ),5 1,7 лотых с С-3, получен дисперсно-[гэдц+мк)1 loo армированный бетон с прочностью

Рис.7 121-137 МПа.

Выявлено влияние дозировки ГП на текучесть РПБС (рис.7) и прочность бетона через 7 сут (рис. 8) и 28 сут (рис. 9).

[ГЩЦНИКЯЮО [ГЩЦ+МК)] 100

Рис. 8 Рис. 9

Обобщённая зависимость изменения от исследуемых факторов, полученная методом математического планирования экспериментов, с последующей обработкой данных по программе "Градиент", апрокеимирована в виде: Д = 100,48 - 2,36 • л, + 2,30 • - 21,15 • - 8,51 • х\ где х, - отношение МК/Ц; хз - отношение [ГП/(МК+Ц)]-100. Кроме того, исходя из сущности протекания физико-химических процессов и использования пошаговой методики, удалось существенно снизить количество варьируемых факторов в составе математической модели без ухудшения её оценочного качества.

В шестой главе представлены результаты изучения некоторых физико-технических свойств бетона и их экономическая оценка. Приведены результаты статических испытаний призм из порошковых армированных и неар-мированных бетонов.

Установлено, что модуль упругости в зависимости от прочности изменяется в пределах (440-^470)-102 МПа, коэффициент Пуассона неармиро-ванных бетонов составляет 0,17-0,19, а у дисперсно-армированных 0,310,33, что характеризует вязкий характер поведения бетона под нагрузкой по сравнению с хрупким разрушением неармированных бетонов. Прочность бетона при раскалывании повышается в 1,8 раза.

Воздушная усадка образцов у неармированных РПБ составляет 0,60,7 мм/м, у дисперсно-армированных снижается в 1,3-1,5 раза. Водопогло-щение бетонов за 72 часа не превышает 2,5-3,0 %.

Испытания на морозостойкость порошкового бетона по ускоренной методике показали, что после 400 циклов переменного замораживания-оттаивания коэффициент морозостойкости составил 0,96-0,98. Все проведённые испытания свидетельствуют о том, что эксплуатационные свойства порошковых бетонов высоки. Они хорошо зарекомендовали себя в стойках малого сечения балконов взамен стали, в балконных плитах и лоджий при строительстве домов в г. Мюнхене. Несмотря на то, что дисперсно-армированный бетон дороже обычного бетона марок 500-600 в 1,5-1,6 раза, целый ряд изделий и конструкций из него обходится на 30-50 % дешевле за счёт значительного снижения объёма бетона.

Производственное апробирование при изготовлении из дисперсно-армированного бетона перемычек, оголовков свай, смотровых колодцев на ООО "Пензенский завод ЖБИ" и производственной базе железобетонных изделий ЗАО "Энергосервис" подтвердили высокую экономичность использования таких бетонов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Анализ состава и свойств дисперсно-армированных бетонов, производимых в России, свидетельствует о том, что они не в полной мере отвечают техническим и экономическим требованиям, в связи с невысокой прочностью бетонов на сжатие (М 400-600). В таких трёх- четырёх- и редко пятикомпонентных бетонах недоиспользуется не только дисперсная арматура высокой прочности, но и обычной прочности.

2. Основываясь на теоретических представлениях о возможности достижения максимальных водоредуцирующих эффектов суперпластификаторов в дисперсных системах, не содержащих грубозернистых заполнителей, высокой реакционной активности микрокремнезёмов и порошков горных пород, совместно усиливающих реологическое действие СП, обосновано создание семикомпоненгаой высокопрочной тонкозернистой реакционно-порошковой бетонной матрицы для тонкой и относительно короткой дисперсной арматуры с1 = 0,15-0,20 мкм и / = 6мм, не образующей "ежей" при изготовлении бетонов и мало снижающей текучесть ПБС.

3. Показано, что основным критерием получения высокоплотной ПБС является высокая текучесть очень плотной цементирующей смеси из цемента, МК, порошка горной породы и воды, обеспечиваемая добавкой СП. В связи с этим разработана методология оценки реологических свойств дисперсных систем и ПБС. Установлено, что высокая текучесть ПБС обеспечивается при предельном напряжении сдвига 5-10 Па и при содержании воды 10-11 % от массы сухих компонентов.

4. Выявлена структурная топология композиционных вяжущих и дисперсно-армированных бетонов и даны их математические модели структуры. Установлен ионно-диффузионный сквозьрастворный механизм твердения композиционных наполненных вяжущих. Систематизированы методы расчёта средних расстояний между частицами песка в ПБС, геометрическими центрами фибры в порошковом бетоне по различным формулам и при различных параметрах ¡1, 1, с1. Показана объективность формулы автора в отличие от традиционно используемых. Оптимальное расстояние и толщина прослойки цементирующей суспензии в ПБС должна быть в пределах

мкм

37-44^43-55при расходах песка 950-1000 кг и фракциях его 0,1-0,5 и 0,140,63 мм, соответственно.

5. Установлены реотехнологические свойства дисперсно-армированной и неармированной ПБС по разработанным методикам. Оптимальный расплыв ПБС из конуса с размерами £> = 100; г!= 70; А = 60 мм должен быть 25-30 см. Выявлены коэффициенты уменьшения растекаемости в зависимости от геометрических параметров фибры и уменьшение расплыва ПБС при блокировании его сеточным ограждением. Показано, что для заливки ПБС в формы с обьёмно-сеточными ткаными каркасами расплыв должен быть не менее 28-30 см.

6. Разработана методика оценки реакционно-химической активности порошков горных пород в малоцементных смесях (Ц:П -1:10) в образцах, спрессованных при давлении экструзионного формования. Установлено, что при одинаковой активности, оцениваемой по прочности через 28 суток и в длительные

скоки твердения (1-1,5 года), предпочтение при использовании в РПБС следует отдавать порошкам из высокопрочных пород: базальту, диабазу, дациту, кварцу.

7. Изучены процессы структурообразования порошковых бетонов. Установлено, что литые смеси в первые 10-20 мин после заливки выделяют до 40-50 % вовлечённого воздуха и требуют для этого покрытия плёнкой, препятствующей образованию плотной корочки. Смеси начинают активно ~ схватываться через 7-10 часов после заливки и набирают прочность через 1 сутки 30-40 МПа, через 2-ое суток — 50-60 МПа.

8. Сформулированы основные экспериментально-теоретические принципы подбора состава бетона с прочностью 130-150 МПа. Кварцевый песок для обеспечения высокой текучести ПБС должен быть тонкозернистым фракции 0,14-0,63 или 0,1-0,5 мм с насыпной плотностью 1400-1500 кг/м3 при расходе 950-1000 кг/м3. Толщина прослойки суспензии цементно-каменной муки и МК между зернами песка должна находиться в пределах 43-55 и 37-44 мкм, соответственно, при содержании воды и СП, обеспечивающих расплыв смесей 25-30 см. Дисперсность ПЦ и каменной муки должны быть примерно одинаковыми, содержание МК 15-20 %, содержание каменной муки 40-55 % от массы цемента. При варьировании содержания указанных факторов, оптимальный состав выбирается по необходимому расплыву смеси и максимальным показателям прочности на сжатие через 2, 7 и 28 суток.

9. Оптимизированы составы тонкозернистых дисперсно-армированных бетонов с прочностью при сжатии 130-150 МПа с использованием стальной фибры при коэффициенте армирования /4=1%. Выявлены оптимальные технологические: параметры: перемешивание должно осуществляться в высокоскоростных смесителях специальной конструкции, желательно вакуумируемых; последовательность загрузки компонентов и режимы перемешивания, "отдыха", строго регламентированы.

10. Изучено влияние состава на текучесть, плотность, воздухосодержание дисперсно-армированных ПБС, на прочность при сжатии бетонов. Выявлено, что расгекаемосгь смесей, как и прочность бетона, зависят от целого ряда рецептурных и технологических факторов. При оптимизации установлены математические зависимости текучести, прочности от отдельных, наиболее значимых факторов.

11. Изучены некоторые физико-технические свойства дисперсно-армированных бетонов. Показано, что бетоны с прочностью при сжатии 120-150 МПа имеют модуль упругости (44-47)-103 МПа, коэффициент Пуассона- 0,31-0,34 (0,17-0,19 - у неармированного). Воздушная усадка дис-

персно-армированных бетонов в 1,3-1,5 раза ниже, чем у неармированных. Высокая морозостойкость, низкие водопоглощение и воздушная усадка свидетельствуют о высоких эксплуатационных свойствах таких бетонов.

12. Производственное апробирование и технико-экономическая оценка свидетельствуют о необходимости организации производств и широкого внедрения в строительство тонкозернистых реакционно-порошковых дисперсно-армированных бетонов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУ ЮЩИХПУБЛИКАЦИЯХ

1. Калашников, С-В. Разработка алгоритма и программного обеспеченна для обработки асимптотических экспоненциальных зависимостей [Текст] / C.B. Калашников, Д.В. Квасов, Р.И. Авдеев // Материалы докладов 29 научно-технической конференции. - Пенза: Изд-во Пензенского гос. ун-та архит. и стр-ва, 1996. - С. 60-61.

2. Калашников, C.B. Анализ кинетических и асимптотических зависимостей с использованием метода циклических итераций [Текст] / А.Н. Бобрышев, C.B. Калашников, В.Н Козомазов, Р.И. Авдеев // Вестник РААСН. Отделение строительных наук, 1999. - Вып. 2. - С. 58-62.

3. Калашников, C.B. Некоторые методологические и технологические аспекты получения ультрадисперсных наполнителей [Текст] / Е.Ю. Селиванова, C.B. Калашников Н Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. науч. трудов междунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2002. - С. 307-309.

4. Калашников, C.B. К вопросу оценки блокирующей функции суперпластификатора на кинетику твердения цементов [Текст] / B.C. Демьянова, A.C. Мишин, Ю.С. Кузнецов, C.B. Калашников Н Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб, науч. трудов междунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2003. - С. 54-60.

5. Калашников, C.B. Оценка блокирующей функции суперпластификатора на кинетику твердения цементов [Текст] / В.И. Калашников, B.C. Демьянова, C.B. Калашников, И.Е. Ильина // Труды годичного собрания РААСН «Ресурсо- и энергосбережения как мотивация творчества в архитектурно строительном процессе». - Москва-Казань, 2003. - С. 476-481.

6. Калашников, C.B. Современные представления о саморазрушении сверхплотного цементного камня и бетона с низким волосодержанием [Текст] / В.И. Калашников, B.C. Демьянова, C.B. Калашников // Вестник. Сер. Волжского регионального отделения РААСН, - 2003. Вып. 6. - С. 108-110.

7. Калашников, C.B. Стабилизация бетонных смесей от расслоения полимерными добавками [Текст] / В.И. Калашников, B.C. Демьянова, Н.МДубошина, C.B. Калашников // Пластические массы. - 2003. - №4. - С. 38-39.

8. Калашников, C.B. Особенности процессов гидратации и твердения цементного камня с модифицирующими добавками [Текст] / В.И. Калашников, B.C. Демьянова, И.Е. Ильина, C.B. Калашников // Известия Вузов. Строительство,- Новосибирск: 2003. - №6 - С. 26-29.

9. Калашников, C.B. К вопросу оценки усадки и усадочной трещиностойкости цементного бетона, модифицированного ультрадисперсными наполнителями [Текст] / B.C. Демьянова, Ю.С. Кузнецов, IO.M. Баженов, Е.Ю. Миненко, C.B. Калашников // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. науч. трудов междунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2004. - С. 10-13.

10. Калашников, C.B. Реакционная активность силицитовых горных пород в цементных композициях [Текст] / B.C. Демьянова, C.B. Калашников, И.А. Елисеев, Е.В. Подрезова, В.Н. Шиндин, В.Я. Марусенцев // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. науч. трудов междунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2004. - С. 81-85.

11. Калашников, C.B. К теории твердения композиционных цементных вяжущих [Текст] / C.B. Калашников, В.И. Калашников // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». — Саранск, 2004. -С. 119-124.

12. Калашников, C.B. Реакционная активность измельченных горных пород в цементных композициях [Текст] / В.И. Калашников, B.C. Демьянова, Ю.С.Кузнецов, C.B. Калашников // Известия. ТулГУ. Серия «Строительные материалы, конструкции и сооружения». - Тула. -2004. - Вып. 7. - С. 26-34.

13. Калашников, C.B. К теории гидратации композиционных цементных и шлаковых вяжущих [Текст] / В.И. Калашников, Ю.С. Кузнецов, В.Л. Хвастунов, C.B. Калашников И «Вестник». Серия отделение строительных наук. - Белгород: - 2005. -№9-С. 216-221.

14. Калашников, C.B. Многокомпонентность как фактор обеспечения полифункциональных свойств бетона [Текст] / Ю.М. Баженов, B.C. Демьянова, C.B. Калашников, Г.В. Лукьяненко. В.Н. Гриньков // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. статей меж-дунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2005. - С. 4-8.

15. Калашников, C.B. Ударная вязкость высокопрочного дисперсно-армированного бетона [Текст] / B.C. Демьянова, C.B. Калашников, Г.Н. Казина, В.М. Тростянский // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. статей междунар. науч.-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2005. - С. 18-22.

16. Калашников, C.B. Топология смешанных вяжущих с наполнителями и механизм их твердения [Текст] / Юрген Шуберт, C.B. Калашников // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. статей междунар. научно-технической конференции. - Пенза: ПДНТП, 2005. - С. 208-214.

17. Калашников, C.B. Тонкозернистый порошковый дисперсно-армированный бетон [Текст] I В.И. Калашников, C.B. Калашников // Достижения. Проблемы и перспективные направления развития. Теория и практика строительного материаловедения. Десятые академические чтения РААСН. - Казань: Изд-во Казанского гос. арх.-сгроител. ун-та, 2006. - С. 193-196.

18. Калашников, C.B. Многокомпонентные дисперсно-армированные бетоны с улучшенными эксплуатационными свойствами [Текст] / B.C. Демьянова, C.B. Калашников, Г.Н. Казина, В.М. Тростянский // Достижения. Проблемы и перспективные направления развития. Теория и практика строительного материаловедения. Десятые академические чтения РААСН. - Казань: Изд-во Казанского гос. арх.-сгроител. ун-та, 2006.-С. 161-163.

Калашников Сергей Владимирович

ТОНКОЗЕРНИСТЫЕ РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВЫЕ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОРНЫХ ПОРОД

05.23.05 - Строительные материалы и изделия Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 5.06.06 г Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Уч. изд. л. 1 . Тираж 100 экз.

Заказ №.114 _

Издательство ПГУАС.

Отпечатано в цехе оперативной полиграфии ПГУАС.

440028. г. Пенза, ул. Г. Титова, 28.

tekhnosfera.com


Смотрите также