Особенности подбора материалов при разработке составов и технологии высокопрочных бетонов. Особо высокопрочные бетоны


Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Значениетерминов «высокопрочный», «особо высокопрочный», «суперпрочный» бетон постоянноменялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в Россиимаксимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным,не превышала марки М1000.

Впрактике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии,Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этихстран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистыереакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностьюна растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объемеконструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрическийфактор L/d = 30–60), будут постояннорасширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классовВ30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяетэкономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимоэтого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижаетсямасса зданий и сооружений.

ВРоссии особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их полученияхотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективныеотечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающаяпромышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельнойповерхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеютдостаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростнымисмесительными агрегатами.

Втеории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей сраплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Неизучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложеннаяранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонныхсмесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающихминимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основныепринципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов ссупер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивнымидобавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицахбетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходамипортландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- игиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема(МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное длясоздания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители вбетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетонамаксимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в «тощих»составах на 10–15 %, а в «жирных» — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можносвязать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочностьбетона на 20–50 %. В итоге общее увеличение прочности может быть полуторо-двукратным.Используя для бетона М500 экономичный состав с соотношением компонентов Ц:П:Щ =1:1,5:2 при расходе цемента 500 кг с маркой его М550, можно при В/Ц=0,38 получить маркубетона 500. При введении суперпластификатора и снижении расхода воды до 20–25 %можно повысить прочность до 65–75 МПа. При введении МК в количестве 15–20% отмассы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнутьпрочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным длятрадиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемаякак отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м3 бетона, будеточень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

В статье[5] приводятся результаты испытания высокопрочного бетона, изготовленного сиспользованием ВНВ-100 активностью 92 МПа, мытого гранитного щебня, крупного пескаи МК. Бетон имел к 28 сут. нормального твердения прочность при сжатии всего 86МПа. Это является доказательством того, что дальнейшее повышение прочностиневозможно без кардинального изменения состава и топологической структурыбетона. Новая рецептура и структура высокопрочных бетонов должна увеличить объемреологической водно-дисперсной матрицы (Vдп) первого рода, состоящей из цемента,добавки МК и воды. Эта более объемная матрица должна обеспечить свободноеперемещение частиц песка в водно-дисперсной системе.

Повышениекоэффициента раздвижки зерен песка можно осуществить за счет добавления воды.Но это приводит к расслаиванию бетонной смеси и снижению прочности бетона.

Вбетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличиватьдобавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрическогомасштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не всостоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истиннаяплотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объемдисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долюцемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии ссуперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этомслучае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость приминимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержаниеводно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительномдобавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперснойматрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинствапортландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые видыкарбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием(соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратноеуменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжениемсдвига 5–10 Па.

Второйважный для обеспечения «высокой» реологии бетонных смесей для высокопрочных бетоновфактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчанойреологической матрицы второго уровня. Онадолжна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной(растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

Прирасчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональнойреологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицамипеска и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулахрасчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня ,который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можноза счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случаебетон становится «запесоченным», с пониженной прочностью. Во втором — бетонстановится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличениясодержания цемента.

Длявысокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м3является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, атакже МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Такимобразом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетоновпринципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебняв цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывнойгранулометрии щебня, «незыблемый» для традиционных бетонов, не является обязательным.Иными словами, бетон должен быть с «плавающей» структурой песка и щебня, тоесть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такойструктуры критерий избытка абсолютного объемовреологической дисперсной матрицы над абсолютным объемомпеска и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчанойматрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

где— абсолютные объемы цемента,каменной муки, МК, песка, щебня и воды соответственно.

Объемыкомпонентов на 1 м3в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуреобычного (а) и высокопрочного (б) бетонов

Проведеннымиисследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до1,6, — от 1,15 до 1,5, тодля ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до3,5, а — от 2,2 до 2,5. Вотдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5–3,9, =3,0–3,5.

В табл.1 представлены расчеты критериев и для ВПБ, ОВПБ ибетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3),изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкойбольшого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетоноввзяты из статьи [6]. Состав бетона повышенной прочности (состав 4),изготовленного из бетонной смеси на ВНВ-100 (содержание СП не указывается) с 10% МК от массы цемента, взяты из статьи [5].

№ состава

Расход материалов на 1 м3, кг/л

В/Ц

В/Ц+Д

 бетонной смеси, кг/м3 (без

фибры)

Объемы матриц, л

Rсж, МПа, НУ

Rсж, МПа,ТО

Ц

П

Щ

Добавка (Д)

Ф

В

СП

МК

КМ*

**

**

1

630***

203

433

166,5

867

289

158***

60,8

197

82,2

192

24,6

151

151

8,0

0,24

0,153

2449

3,04

2,33

155-172

182–184

2

580***

188

354

136

711

237

177

73,7

325

125

194

24,9

163

163

9,2

0,28

0,150

2383

527

663,7

3,9

3,53

191–202

3

722***

233

425

163

850

283

181

69,6

118

49

192

24,6

157

157

8,0

0,22

0,154

2430

509

672

3,12

2,37

192–210

4

569****

183

617

233

901

334

57

24

194

194

ВНВ

0,34

0,31

2338

301

634

1,72

1,90

86,0

5

500•

161

620

234

1132

419

180

180

4,0

0,36

341

575

1,46

1,37

69,5

6

450•

145

616

232

1140

422

50•

22

180

180

5,2

0,40

0,36

347

579

1,49

1,37

73,4

7

400

129

600

230

1150

426

200

200

0,50

2350

329

559

1,43

1,31

32,0

8

400

129

692

266

1134

420

168

168

4,0

0,40

2394

303

569

1,14

1,35

38,0

Таблица 1. Сравнение составов высокопрочных и обычных бетонов ианализ реологических матриц

Примечания:

1. Составы бетона с метакаолином приведены в [1].

2. Расчет критериев и выполнен по формулам1 и 2.

3. Составы 1–3и их прочностные показатели приведены в [6].

4. Состав 4и его значение прочности приведены в [5].

Бетон общего назначения (составы 7,8)без и с СП, с увеличением расхода песка на 10 % и без уменьшения расхода щебняна 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациямиНИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Какследует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительногодобавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперснойдобавкой МК [5] объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть иувеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, носущественно ниже, чем должны быть в структуре супербетонов. Таким образом,цемент низкой водопотребности, который обычно обеспечивает в суспензии высокий ВИ(по нашим исследованиям, 2,1–2,5), не в состоянии сделать бетон высокопрочным.Поэтому для достижения высокой прочности бетона на ВНВ его необходимо такжеиспользовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологическойструктуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП вВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперснойфазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня вдостаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности болееэффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000кг на 1 м3бетона.

Встатье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Какследует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повыситьпрочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались натом же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Такимобразом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальноеповышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом имногокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии идополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структурецементного камня.

2. Улучшениереологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованиемэффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением вбетонных смесях.

3. Использованиеэффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетоноврационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условиемнеобходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержанияцементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночныхбетонных смесей.

4. Увеличениеобъема цементно-водной матрицы, а вместе с ней и прочности, можно достигнутьповышением содержания цемента до 800–1000 кг на 1 м3 бетона. Однакотакие бетоны с пониженным содержанием крупного заполнителя являются сильно усадочными,нетрещиностойкими и недолговечными. Они обладают повышенной ползучестью.

5. Дляувеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесяхнеобходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышаяее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющаясостав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечитсвободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Невсякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологическойматрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должнабыть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечиватьболее высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действиемсобственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такойсуспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижениис сохранением текучести.

7. Водоредуцирующийиндекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый приравной текучести с непластифицированной, равный ВИ=Вн/Вп,где Вн и Вп — водосодержание муки без СП и с СП в % кмассе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большеечисло раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердойфазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокаяреологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (болеевысокую) активность смеси «цемент — мука» в их суспензии ссуперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффектадействия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее кводосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменноймуки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре спортландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарнойводно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшимпределом текучести (5–10 МПа).

9.Реализация более высокой прочности за счет синтеза дополнительного количествагидросиликатов в структуре бетона достигается добавками активного МК, ММК или кислойзолы мультициклонов (с минимальным количеством несгоревших остатков), доля которыхсоставляет 10–30 % и зависит от содержания портландцемента.

10.Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличиеот природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомити т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активностьминерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрическогомасштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и мукимикрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяетпринцип оптимальной гранулометриипортландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливаютвзвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11.Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, посравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. Всвязи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг имикрокремнезема 100–200 кг на 1 м3 бетонной смеси общая массаминерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными,то есть с «плавающей» структурой песка в дисперсной матрице и щебня взернисто-дисперсной матрице.

12.Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетонапревращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперснуюкомпоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смесиобеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещениючастиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабнымиуровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочнымидеформациями и ползучестью под нагрузкой.

13.Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБявляются критерии избытка абсолютного объемареологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объемареологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится впределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонахвысокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительнойтепловой обработке, может повышаться до3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14.Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных иплотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП иобезвоживания бетонной смеси в процессе ее приготовления и укладки.

15.Щебень для изготовления бетонов должен обладать высокой прочностью.Предпочтительна фракция щебня 3–10 или 3–12 мм с минимальным количествомлещадных и игловатых частиц.

16.Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбраннойпроцедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов.Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители спеременной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Длямикрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразноиспользовать бетоносмесители немецкой формы «Eirich».

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетоннаясмесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокойаутогенной усадкой, величина которой может достигать 0,8–1,0 мм/м и более.Причина ее связана не с испарением воды, а с повышенной химической контракцией иконтракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицахдисперсной фазы, содержание которой значительно выше, чем в обычных бетонах.Этот процесс определяет формирование высокой плотности и прочности.

18.В процессе интенсивного перемешивания бетонной смеси с суперпластификаторомнеизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушныепузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи сбыстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотногослоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и немешающей удалению пузырьков воздуха.

19.Отформованные изделия из бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ в большей степени нуждаютсяв защите от обезвоживания в связи с малым содержанием воды.

20. Для получения пропаренных изделий с болеевысокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использоватькварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловойобработки (до 90–95 °С) с большой продолжительностью изотермии (до 24–36 ч).

21. Высокая прочность на осевое сжатие ВПБ и ОВПБ(а вместе с ней и высокая хрупкость и непропорционально низкая прочность наосевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армированиятаких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемныхстепенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевоерастяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

Литература:

1. ДворкинЛ. И., Лушникова Н. В. Свойства высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина //Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. — С. 78–83.

2. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсныереологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологиибетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

3. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 2. Виды реологическихматриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона нового поколения// Технологии бетонов. — 2007. — № 6. — С. 8–11.

4. КалашниковВ. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных иособовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общегоназначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. ФаликманВ. Р., Калашников О. О. «Внутренний уход» за особовысокопрочными быстротвердеющимибетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

6. Schmidt M. et al. Ultra-Hochfester Beton: Perspektive fur die Betonfertigteilingindustrial // Betonwerk+Fertigtal-Technik. — 2003. — № 3. — S. 16–29.

www.allbeton.ru

Значение терминов «высокопрочный», «особо высокопрочный», «суперпрочный» бетон постоянно менялось

Значение терминов «высокопрочный», «особо высокопрочный», «суперпрочный» бетон постоянно менялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в России максимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным, не превышала марки М1000.

В практике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии, Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этих стран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250 МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностью на растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объеме конструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрический фактор L/d = 30–60), будут постоянно расширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классов В30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяет экономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимо этого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижается масса зданий и сооружений.

В России особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их получения хотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективные отечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающая промышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12 мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельной поверхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеют достаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростными смесительными агрегатами.

В теории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей с раплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Не изучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложенная ранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонных смесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающих минимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основные принципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов с супер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивными добавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицах бетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходами портландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- и гиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема (МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное для создания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители в бетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетона максимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в «тощих» составах на 10–15 %, а в «жирных» — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можно связать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочность бетона на 20–50 %. В итоге общее увеличение прочности может быть полуторо-двукратным. Используя для бетона М500 экономичный состав с соотношением компонентов Ц:П:Щ = 1:1,5:2 при расходе цемента 500 кг с маркой его М550, можно при В/Ц=0,38 получить марку бетона 500. При введении суперпластификатора и снижении расхода воды до 20–25 % можно повысить прочность до 65–75 МПа. При введении МК в количестве 15–20% от массы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнуть прочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным для традиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемая как отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м3 бетона, будет очень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

В статье [5] приводятся результаты испытания высокопрочного бетона, изготовленного с использованием ВНВ-100 активностью 92 МПа, мытого гранитного щебня, крупного песка и МК. Бетон имел к 28 сут. нормального твердения прочность при сжатии всего 86 МПа. Это является доказательством того, что дальнейшее повышение прочности невозможно без кардинального изменения состава и топологической структуры бетона. Новая рецептура и структура высокопрочных бетонов должна увеличить объем реологической водно-дисперсной матрицы (Vдп) первого рода, состоящей из цемента, добавки МК и воды. Эта более объемная матрица должна обеспечить свободное перемещение частиц песка в водно-дисперсной системе.

Повышение коэффициента раздвижки зерен песка можно осуществить за счет добавления воды. Но это приводит к расслаиванию бетонной смеси и снижению прочности бетона.

В бетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличивать добавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрического масштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не в состоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истинная плотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объем дисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долю цемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии с суперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этом случае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость при минимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержание водно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительном добавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперсной матрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинства портландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые виды карбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до 4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием (соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратное уменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжением сдвига 5–10 Па.

Второй важный для обеспечения «высокой» реологии бетонных смесей для высокопрочных бетонов фактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчаной реологической матрицы второго уровня. Она должна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной (растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

При расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулах расчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня , который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можно за счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случае бетон становится «запесоченным», с пониженной прочностью. Во втором — бетон становится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличения содержания цемента.

Для высокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м3 является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, а также МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Таким образом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетонов принципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок 300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебня в цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывной гранулометрии щебня, «незыблемый» для традиционных бетонов, не является обязательным. Иными словами, бетон должен быть с «плавающей» структурой песка и щебня, то есть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такой структуры критерий избытка абсолютного объемов реологической дисперсной матрицы над абсолютным объемом песка и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчаной матрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

где — абсолютные объемы цемента, каменной муки, МК, песка, щебня и воды соответственно.

Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычного (а) и высокопрочного (б) бетонов

Проведенными исследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до 1,6, — от 1,15 до 1,5, то для ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до 3,5, а — от 2,2 до 2,5. В отдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5–3,9, =3,0–3,5.

В табл. 1 представлены расчеты критериев и для ВПБ, ОВПБ и бетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3), изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкой большого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетонов взяты из статьи [6]. Состав бетона повышенной прочности (состав 4), изготовленного из бетонной смеси на ВНВ-100 (содержание СП не указывается) с 10 % МК от массы цемента, взяты из статьи [5].

№ состава Расход материалов на 1 м3, кг/л В/Ц В/Ц+Д  бетонной смеси, кг/м3 (без

фибры)

Объемы матриц, л Rсж, МПа, НУ Rсж, МПа,ТО
Ц П Щ Добавка (Д) Ф В СП
МК КМ* ** **
1 630***

203

433

166,5

867

289

158***

60,8

197

82,2

192

24,6

151

151

8,0 0,24 0,153 2449 3,04 2,33 155-172 182–184
2 580***

188

354

136

711

237

177

73,7

325

125

194

24,9

163

163

9,2 0,28 0,150 2383 527 663,7 3,9 3,53 191–202
3 722***

233

425

163

850

283

181

69,6

118

49

192

24,6

157

157

8,0 0,22 0,154 2430 509 672 3,12 2,37 192–210
4 569****

183

617

233

901

334

57

24

194

194

ВНВ 0,34 0,31 2338 301 634 1,72 1,90 86,0
5 500•

161

620

234

1132

419

180

180

4,0 0,36 341 575 1,46 1,37 69,5
6 450•

145

616

232

1140

422

50•

22

180

180

5,2 0,40 0,36 347 579 1,49 1,37 73,4
7 400

129

600

230

1150

426

200

200

0,50 2350 329 559 1,43 1,31 32,0
8 400

129

692

266

1134

420

168

168

4,0 0,40 2394 303 569 1,14 1,35 38,0
Таблица 1. Сравнение составов высокопрочных и обычных бетонов и анализ реологических матриц

Примечания:

1. Составы бетона с метакаолином приведены в [1].

2. Расчет критериев и выполнен по формулам 1 и 2.

3. Составы 1–3 и их прочностные показатели приведены в [6].

4. Состав 4 и его значение прочности приведены в [5].

Бетон общего назначения (составы 7, 8) без и с СП, с увеличением расхода песка на 10 % и без уменьшения расхода щебня на 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациями НИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Как следует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительного добавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперсной добавкой МК [5] объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть и увеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, но существенно ниже, чем должны быть в структуре супербетонов. Таким образом, цемент низкой водопотребности, который обычно обеспечивает в суспензии высокий ВИ (по нашим исследованиям, 2,1–2,5), не в состоянии сделать бетон высокопрочным. Поэтому для достижения высокой прочности бетона на ВНВ его необходимо также использовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологической структуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП в ВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперсной фазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня в достаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности более эффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000 кг на 1 м3 бетона.

В статье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав 5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Как следует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повысить прочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались на том же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальное повышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000 при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом и многокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии и дополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структуре цементного камня.

2. Улучшение реологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованием эффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением в бетонных смесях.

3. Использование эффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетонов рационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условием необходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержания цементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночных бетонных смесей.

4. Увеличение объема цементно-водной матрицы, а вместе с ней и прочности, можно достигнуть повышением содержания цемента до 800–1000 кг на 1 м3 бетона. Однако такие бетоны с пониженным содержанием крупного заполнителя являются сильно усадочными, нетрещиностойкими и недолговечными. Они обладают повышенной ползучестью.

5. Для увеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесях необходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышая ее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющая состав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечит свободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Не всякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологической матрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должна быть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечивать более высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действием собственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такой суспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижении с сохранением текучести.

7. Водоредуцирующий индекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый при равной текучести с непластифицированной, равный ВИ=Вн/Вп, где Вн и Вп — водосодержание муки без СП и с СП в % к массе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большее число раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердой фазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокая реологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (более высокую) активность смеси «цемент — мука» в их суспензии с суперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффекта действия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее к водосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменной муки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре с портландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарной водно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшим пределом текучести (5–10 МПа).

9. Реализация более высокой прочности за счет синтеза дополнительного количества гидросиликатов в структуре бетона достигается добавками активного МК, ММК или кислой золы мультициклонов (с минимальным количеством несгоревших остатков), доля которых составляет 10–30 % и зависит от содержания портландцемента.

10. Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличие от природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомит и т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активность минерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрического масштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и муки микрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяет принцип оптимальной гранулометрии портландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливают взвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11. Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, по сравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. В связи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг и микрокремнезема 100–200 кг на 1 м3 бетонной смеси общая масса минерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300 кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными, то есть с «плавающей» структурой песка в дисперсной матрице и щебня в зернисто-дисперсной матрице.

12. Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетона превращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперсную компоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смеси обеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещению частиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабными уровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочными деформациями и ползучестью под нагрузкой.

13. Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ являются критерии избытка абсолютного объема реологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объема реологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится в пределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонах высокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительной тепловой обработке, может повышаться до 3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14. Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных и плотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП и обезвоживания бетонной смеси в процессе ее приготовления и укладки.

15. Щебень для изготовления бетонов должен обладать высокой прочностью. Предпочтительна фракция щебня 3–10 или 3–12 мм с минимальным количеством лещадных и игловатых частиц.

16. Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбранной процедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов. Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители с переменной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Для микрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразно использовать бетоносмесители немецкой формы «Eirich».

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетонная смесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокой аутогенной усадкой, величина которой может достигать 0,8–1,0 мм/м и более. Причина ее связана не с испарением воды, а с повышенной химической контракцией и контракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицах дисперсной фазы, содержание которой значительно выше, чем в обычных бетонах. Этот процесс определяет формирование высокой плотности и прочности.

18. В процессе интенсивного перемешивания бетонной смеси с суперпластификатором неизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушные пузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи с быстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотного слоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и не мешающей удалению пузырьков воздуха.

19. Отформованные изделия из бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ в большей степени нуждаются в защите от обезвоживания в связи с малым содержанием воды.

20. Для получения пропаренных изделий с более высокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использовать кварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловой обработки (до 90–95 °С) с большой продолжительностью изотермии (до 24–36 ч).

21. Высокая прочность на осевое сжатие ВПБ и ОВПБ (а вместе с ней и высокая хрупкость и непропорционально низкая прочность на осевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армирования таких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемных степенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевое растяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

Литература:

1. Дворкин Л. И., Лушникова Н. В. Свойства высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина // Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. — С. 78–83.

2. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

3. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 2. Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 6. — С. 8–11.

4. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. Фаликман В. Р., Калашников О. О. «Внутренний уход» за особовысокопрочными быстротвердеющими бетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

6. Schmidt M. et al. Ultra-Hochfester Beton: Perspektive fur die Betonfertigteiling industrial // Betonwerk+Fertigtal-Technik. — 2003. — № 3. — S. 16–29.

Достарыңызбен бөлісу:

kzref.org

Особые виды бетона

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Высокопрочный бетон

Высокопрочный бетон классов по прочности на сжатие В 80, В115 (Ml000, Ml500) получают на основе высокопрочного порт­ландцемента, промытого песка и щебня[11].

Малоподвижные и жесткие смеси приготовляют с низкими В/Ц = 0,27-0,45 в бетоносмесителях принудительного действия (на­пример, турбинных). Для плотной укладки этих смесей при формо­вании изделий и конструкций используют интенсивное уплотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование, сильное прессо­вание. Значительно облегчают уплотнение суперпластификаторы, не понижающие прочности бетона.

Высокопрочные бетоны являются, как правило, и быстротвер - деющими. Однако для ускоренного достижения отпускной прочно­сти бетона в изделиях обычно требуется тепловая обработка, которая может проводиться по сокращенному режиму. Новые особобыстрот - вердеющие цементы дают возможность обойтись без тепловой обра­ботки, так как бетон достигает нужной прочности в «естественных» условиях твердения при температуре 20-25 °С. Применение высоко­прочных бетонов взамен бетона М400 дает возможность уменьшить расход арматурной стали на 10-12% и сократить объем бетона на 10-30%.

Гидротехнический бетон предназначается для конструкций, находящихся в воде или периодически соприкасающихся с водой, поэтому он должен обладать свойствами, необходимыми для дли­тельной нормальной службы этих конструкций в данных климатиче­ских и эксплуатационных условиях.

Гидротехнический бетон должен иметь минимальную стоимость и удовлетворять требованиям по прочности, долговечности, водо­стойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, тепловыделе­нию при твердении, усадке и трещиностойкости. Противоречивые на первый взгляд требования высокого качества и низкой стоимости можно выполнить, если выделить наружную зону массивного со­оружения, подвергающуюся непосредственному влиянию среды, и внутреннюю зону.

Бетон наружной зоны в зависимости от расположения в соору­жении по отношению к уровню воды делят на бетон подводный (на­ходящийся постоянно в воде), переменного уровня воды и надвод­ный, находящийся выше уровня воды.

В самых суровых условиях находится бетон, расположенный в области переменного уровня воды. Он многократно замерзает и от­таивает, находясь все время во влажном состоянии. Это же относит­ся к бетону водосливной грани плотин, морских сооружений (прича­лов, пирсов, молов и т. д.), градирен, служащих для охлаждения обо­ротной воды на тепловых электростанциях, предприятиях металлур­гической и химической промышленности. Этот бетон должен обла­дать высокой плотностью и морозостойкостью. Правильный выбор цемента, применение морозостойких заполнителей, подбор состава плотного бетона и тщательное производство бетонных работ обеспе­чивают получение долговечного бетона.

10 Строительные материалы

Бетон внутренней зоны массивных конструкций защищен на­ружным бетоном от непосредственного воздействия среды. Главное требование к этому бетону — минимальная величина тепловыделе­ния при твердении, так как неравномерный разогрев массива может вызвать образование трещин. Малое тепловыделение имеет шлако­портландцемент, поэтому его и применяют для внутримассивного бетона наряду с пуццолановым портландцементом; эти цементы экономичнее портландцемента и к тому же хорошо противостоят выщелачиванию Са(ОН)2. Требования к физико-механическим свой­ствам бетона внутренней зоны не столь высоки: марки по прочности Ml00, Ml50, по водонепроницаемости W2, W4.

Марку бетона по водонепроницаемости назначают в зависимо­сти от напорного градиента, равного отношению максимального на­пора к толщине конструкций или к толщине бетона наружной зоны конструкции (при наличии зональной разрезки):

Напорный градиент

до 5

5-10

10-12

12 и более

Марка бетона по во­донепроницаемости

W4

W6

W8

W12

Для конструкций с напорным градиентом более 12 на основании опытов могут назначаться марки по водонепроницаемости выше W12.

Стойкость бетона к воздействиям среды определяется комплек­сом его свойств: морозостойкостью, малым водопоглощением, не­большими деформациями усадки.

Марку бетона по морозостойкости назначают в зависимости от климатических условий и числа расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания в течение года. Установлены следую­щие марки гидротехнического бетона по морозостойкости: F100, F150, F200, F300, F400, F500.

Водопоглощение гидротехнического бетона характеризуется ве­личиной капиллярного всасывания при погружении в воду образцов 28-суточного возраста, высушенных до постоянной массы при тем­пературе 105 °С. Водопоглощение бетона зоны переменного уровня воды не должно превышать 5% (от массы высушенных образцов), для бетонов других зон — не более 7%.

Линейная усадка бетона при относительной влажности воздуха 60% и температуре 18 °С в возрасте 28 сут не должна превышать 0,3 мм/м, в возрасте 180 сут — 0,7 мм/м. Предельно допустимые ве­личины набухания установлены: в возрасте 28 сут — 0,1 мм/м, 180 сут — 0,3 мм/м (по сравнению с высушенными до постоянной массы при 60 °С эталонными образцами).

Дорожный бетон

Дорожный бетон предназначен для оснований и покрытий ав­томобильных дорог и аэродромов. Покрытие работает на изгиб как плита на упругом основании, поэтому основной прочностной характе­ристикой бетона является проектная марка на растяжение при изгибе.

Крупный заполнитель (щебень, гравий, щебень из шлака) обяза­тельно проверяют на износостойкость в полочном барабане: она нормируется в соответствии с назначением бетона.

Бетон дорожных покрытий подвергается совместному действию воды и мороза при одновременном влиянии солей, использующихся для предотвращения обледенения и облегчения очистки дорог от льда. Поэтому бетон однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных покрытий должен иметь необходимую морозостойкость: в суровом климате — не ниже 200; в умеренном — 150; в мягком — 100.

Чтобы получить морозостойкий бетон, применяют портландце­мент М500 с содержанием трехкальциевого алюмината не более 10%, гидрофобный и пластифицированный портландцементы, а В/Ц бетона ограничивают пределом 0,5-0,55. Бетон оснований дорожных покрытий изготовляют на портландцементе М300 и М400 и шлако­портландцементе. Начало схватывания цемента должно быть не ра­нее 2 ч, поскольку дорожный бетон нередко приходится перевозить на большие расстояния.

Для декоративных целей при устройстве пешеходных перехо­дов, разделительных полос на дорожных покрытиях, парковых до­рожек, а также изготовлении элементов городского благоустройства используют цветные бетоны. Такие бетоны получают при введении в бетонную смесь щелоче - и светостойких пигментов в количестве

8.. . 10% от массы цемента (охра, мумия, сурик и др.) или примене­нии цветных цементов. В отдельных случаях используют заполните­ли, обладающие необходимым цветом, например туфы, красные кварциты, мрамор и другие окрашенные горные породы.

Жаростойкий бетон

Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агре­гатов (облицовки котлов, футеровки печей и т. п.) и строительных конструкций, подверженных нагреванию (например, для дымовых труб). При действии высокой температуры на цементный камень происходит обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидро­ксида кальция с образованием СаО. Оксид кальция при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает растрескива­ние бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портландцементе вво­дят тонко измельченные материалы, содержащие активный кремне­зем Si02, который реагирует с СаО при температуре 700-900 °С и в результате химических реакций, протекающих в твердом состоянии, связывает оксид кальция.

Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе с активной минеральной добавкой (пемзы, золы, доменного гранулированного шлака, шамота). Шлакопортландцемент уже содержит добавку до­менного гранулированного шлака и может успешно применяться при температурах до 700 °С. Портландцемент и шлакопортландцемент нельзя применять для жаростойкого бетона, подвергающегося ки­слой коррозии (например, действию сернистого ангидрида в дымо­вых трубах). В этом случае следует применить бетон на жидком стекле. Он хорошо противостоит кислотной коррозии и сохраняет свою прочность при нагреве до 1000 °С.

Глиноземистый цемент можно применять без тонкомолотой до­бавки, поскольку при его твердении не образуется гидроксид каль­ция. Еще большей огнеупорностью (не ниже 1580 °С) обладает вы­сокоглиноземистый цемент с содержанием глинозема 65-80%; в со­четании с высокоогнеупорным заполнителем его применяют при температурах до 1700 °С.

Столь же высокой огнеупорности позволяют достигнуть фос­фатные и алюмофосфатные связующие: фосфорная кислота Н3РО4, алюмофосфаты А1(Н2Р04)3 и магнийфосфаты Mg(h3P04)2. Жаро­стойкие бетоны на фосфатных связующих можно применять при температурах до 1700 °С, они имеют небольшую огневую усадку, термически стойки, хорошо сопротивляются истиранию.

Заполнитель для жаростойкого бетона должен быть не только стойким при высоких температурах, но и обладать равномерным температурным расширением.

Бескварцевые изверженные горные породы, как плотные (сие­нит, диорит, диабаз, габбро), так и пористые (пемза, вулканические туфы, пеплы), можно использовать для жаростойкого бетона, при­меняемого при температурах до 700°С.

Для бетона, работающего при температурах 700-900°С, целесо­образно применять бой обычного глиняного кирпича и доменные отвальные шлаки с модулем основности не более 1, не подвержен­ные распаду.

При более высоких температурах заполнителем служат огне­упорные материалы, кусковой шамот, хромитовая руда, бой шамот­ных, хроммагнезитовых и других огнеупорных изделий.

Легкий жаростойкий бетон на пористом заполнителе имеет плотность менее 2100 кг/м3, его теплопроводность в 1,5-2 раза меньше, чем у тяжелого бетона. Применяют пористые заполнители, выдерживающие действие высоких температур (700-1000 °С): ке­рамзит, вспученный перлит, вермикулит, вулканический туф.

Ячеистый жаростойкий бетон отличается небольшой массой (500-1200 кг/м3) и малой теплопроводностью.

Сборные элементы и монолитные конструкции из жаростойкого бетона широко применяют в различных отраслях промышленности: энергетической, черной и цветной металлургии, в химической и нефтеперерабатывающей, в производстве строительных материалов; используют взамен полукислых и шамотных изделий, предназначен­ных для температур 800-1400 °С, а также вместо высокоогнеупор­ных изделий при температуре выше 1400 °С.

Кислотоупорный бетон

Вяжущим для кислотоупорного бетона является жидкое стекло с полимерной добавкой. Для повышения плотности бетона вводят наполнители: кислотостойкие минеральные порошки, получаемые измельчением чистого кварцевого песка, андезита, базальта, диабаза и т. п. В качестве отвердителя используют кремнефтористый натрий (Na2SiF6), а в качестве заполнителя — кварцевый песок, щебень из гранита, кварцита, андезита и других стойких пород. После укладки с вибрированием бетон выдерживает не менее 10 сут на воздухе (без поливки) при 15-20 °С. После отвердевания рекомендуется поверх­ность бетона «окислить», т. е. смочить раствором серной или соляной кислот. Кислотоупорный бетон хорошо выдерживает действие кон­центрированных кислот; вода разрушает его за 5-10 лет, щелочные растворы разрушают быстрее. Кислотоупорный бетон применяют в качестве защитных слоев (футеровок) по железобетону и металлу.

Бетон для защиты от радиоактивного воздействия

Бетоны, применяемые для защиты от радиоактивных воздей­ствий, должны иметь возможно большую плотность бетона и опре­деленное содержание водорода — обычно в виде воды, связанной с вяжущим.

Вяжущим служит портландцемент или шлакопортландцемент, который выделяет при гидратации немного тепла и поэтому хорошо зарекомендовал себя в массивных защитных конструкциях.

В качестве заполнителей используют тяжелые природные или искусственные материалы. Для особо тяжелого бетона применяют в качестве заполнителя близкие по своим свойствам железные руды — магнетит (Fe304) и гематит (Fe203) с содержанием железа не менее 60%. Бурый железняк (лимонит) Fc203 nh30 позволяет значительно

293

повысить содержание связанной воды в гидратном бетоне. Барито­вые руды (или барит), содержащие около 80% сульфата бария (BaS04), применяют как мелкий и крупный заполнитель.

Металлический крупный заполнитель получают из отходов ме­таллообрабатывающих заводов, мелким заполнителем служит квар­цевый или лимонитовый песок, а также чугунная дробь. Свинцовая дробь дорогая, и ее применяют при малой толщине защиты, для за­делки отверстий в конструкциях, когда требуется бетон с повышен­ными защитными свойствами. Плотность бетона на металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3.

Бетон должен иметь заданную марку по прочности и относи­тельно низкий модуль упругости, что позволяет снизить величину растягивающих напряжений во внешней зоне защиты, вызываемых односторонним нагревом. Кроме того, бетон, расположенный у ак­тивного корпуса реактора, должен обладать достаточной стойкостью к воздействию излучений, быть огнестойким и жаростойким даже при температурах, возможных при аварийном режиме реактора. Для массивных конструкций желательны меньшая теплота гидратации цемента и минимальная усадка бетона (для предотвращения темпе­ратурных и усадочных трещин), а также небольшая величина коэф­фициента температурного расширения.

Механические свойства особо тяжелых магнетитового, гемати­тового, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый бетон имеет марки по прочности М100, М200 и М300, при этом мар­ки на осевое растяжение составляют 10, 20.

В качестве дополнительной характеристики бетона, которую учитывают в расчете толщины защиты, подбирают количество свя­занной воды исходя из того, что она связывается цементом или вхо­дит в состав заполнителя (лимонита, серпентина).

Мелкозернистый бетон

Мелкозернистый бетон не содержит крупного заполнителя. Его применяют при изготовлении тонкостенных, в том числе армоце - ментных конструкций. Свойства мелкозернистого бетона характери­зуются теми же факторами, что и обычный бетон. Однако из-за от­сутствия крупного заполнителя увеличивается водопотребность бе­тонной смеси и, чтобы получить равнопрочный бетон и равнопо­движную бетонную смесь, расход цемента увеличивают на 20-40% по сравнению с обычным бетоном. Снижение расхода цемента воз-

294

можно за счет применения высокопрочного песка, суперпластифика­тора, усиленного уплотнения.

Мелкозернистый бетон имеет повышенную прочность на изгиб, хорошую водонепроницаемость и морозостойкость. Повышение эф­фективности мелкозернистого бетона возможно за счет использова­ния отходов зол ТЭС и основных шлаков литейного производства. Мелкозернистый бетон широко применяется при изготовлении си­ликатных изделий автоклавного твердения.

Серный бетон

Серный бетон представляет собой смесь сухих заполнителей — щебня, песка, минеральной муки, нагретых до 140-150 °С, и рас­плавленного серного вяжущего при температуре перемешивания 145-155 °С. Использование серы в строительстве известно с середи­ны прошлого века: в виде растворов и мастик для заливки швов каменных кладок, для заделки металлических стоек перил лестничных маршей и заделки металлических связей каменных конструкций взамен расплавленного свинца.

Процесс получения серного бетона основан на свойстве серы изменять свою вязкость при различной температуре — при 119— 122 °С сера полностью переходит из кристаллического состояния в расплав. В качестве заполнителей используют кислотоупорный це­мент, андезитовую или кварцевую муку, кварцевый песок и другие кислотостойкие минеральные наполнители. Во многих странах сер­ный бетон применяют для изготовления свай, фундаментов, емко­стей, покрытий дорог и химостойких полов.

Одним из факторов, сдерживающих широкое внедрение серного бетона в нашей стране, является его стоимость, которая выше, при­мерно в 2 раза стоимости бетона на портландцементе. Однако имеет­ся много химических предприятий, располагающих отходами, со­держащими от 25 до 80% технической серы. Также большое количе­ство серосодержащих отходов образуется при добыче серы.

Использование серосодержащих отходов для серных бетонов, с одной стороны, позволит решить проблему сырья, а с другой — ох­раны окружающей среды.

Бетон на шлакощелочных вяжущих

Шлакощелочное вяжущее представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, получаемое на основе шлаков черной или цвет­ной металлургии, домолотых совместно с высокомодульными до­бавками феррохромового шлака, белитовых шламов, высококаль­циевых зол-уноса ТЭС (или без них), затворенных растворами ще­лочных металлов натрия или калия, дающих в водных растворах ще­лочную реакцию (жидкое стекло). Применяют заполнители из гор­ных пород, а также техногенных твердых отходов. В отличие от це­ментного шлакощелочное вяжущее активно взаимодействует с ми­неральными заполнителями. По своим свойствам бетоны на шлако­щелочных вяжущих не уступают цементным, но имеют повышен­ную жаро - и химическую стойкость.

Бетон, упрочненный волокнами

Дисперсно-армированный бетон (фибробетон) представляет собой композиционный материал, упрочненный волокнами. В нем невысокая прочность на растяжение и пластичность матрицы (бето­на) сочетается с высокомодульным волокном, обладающим высокой прочностью на разрыв. Эффективность армирования короткими во­локнами зависит от ориентации волокон к действию растягивающих усилий и при перпендикулярной ориентации составляет 40-50%, а при объемно-произвольной — лишь около 20% по отношению к па­раллельной ориентации. Волокна препятствуют развитию усадочных трещин, повышают прочность сцепления стержневой арматуры с бетоном примерно на 40%.

Волокна должны быть стойкими в щелочной среде цементного раствора или бетона. В зависимости от конструкций применяют во­локна минеральные (стеклянные — из бесщелочного стекла, базаль­товые, кварцевые и др.), металлические (преимущественно из обыч­ной или нержавеющей стали), синтетические (пропиленовые, капро­новые и др.).

Вопросы для самоконтроля

1. Бетон как композиционный материал. Влияние вида заполни­теля на структуру и среднюю плотность бетона.

2. Связь реологических и технических свойств бетонной смеси; классификация смесей по показателям удобоукладываемости.

296

3. Применение пластификаторов для регулирования удобоукла - дываемос

msd.com.ua

Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Рассматривается технология производства высокопрочных (с прочностью 150–200 МПа) бетонов.

Значение терминов “высокопрочный”, “особо высокопрочный”, “суперпрочный” бетон постоянно менялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в России максимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным, не превышала марки М1000.

В практике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии, Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этих стран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250 МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностью на растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объеме конструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрический фактор L/d = 30–60), будут постоянно расширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классов В30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяет экономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимо этого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижается масса зданий и сооружений.

В России особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их получения хотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективные отечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающая промышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12 мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельной поверхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеют достаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростными смесительными агрегатами.

В теории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей с расплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Не изучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложенная ранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонных смесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающих минимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основные принципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов с супер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивными добавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицах бетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходами портландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- и гиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема (МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное для создания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители в бетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетона максимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в “тощих” составах на 10–15 %, а в “жирных” — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можно связать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочность бетона на 20–50 %. В итоге общее увеличение прочности может быть полуторо-двукратным. Используя для бетона М500 экономичный состав с соотношением компонентов Ц:П:Щ = 1:1,5:2 при расходе цемента 500 кг с маркой его М550, можно при В/Ц=0,38 получить марку бетона 500. При введении суперпластификатора и снижении расхода воды до 20–25 % можно повысить прочность до 65–75 МПа. При введении МК в количестве 15–20% от массы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнуть прочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным для традиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемая как отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м3 бетона, будет очень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

В статье [5] приводятся результаты испытания высокопрочного бетона, изготовленного с использованием ВНВ-100 активностью 92 МПа, мытого гранитного щебня, крупного песка и МК. Бетон имел к 28 сут. нормального твердения прочность при сжатии всего 86 МПа. Это является доказательством того, что дальнейшее повышение прочности невозможно без кардинального изменения состава и топологической структуры бетона. Новая рецептура и структура высокопрочных бетонов должна увеличить объем реологической водно-дисперсной матрицы (Vдп) первого рода, состоящей из цемента, добавки МК и воды. Эта более объемная матрица должна обеспечить свободное перемещение частиц песка в водно-дисперсной системе.

Повышение коэффициента раздвижки зерен песка можно осуществить за счет добавления воды. Но это приводит к расслаиванию бетонной смеси и снижению прочности бетона.

В бетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличивать добавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрического масштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не в состоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истинная плотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объем дисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долю цемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии с суперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этом случае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость при минимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержание водно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительном добавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперсной матрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинства портландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые виды карбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до 4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием (соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратное уменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжением сдвига 5–10 Па.

Второй важный для обеспечения “высокой” реологии бетонных смесей для высокопрочных бетонов фактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчаной реологической матрицы второго уровня. Она должна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной (растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

При расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулах расчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня α, который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можно за счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случае бетон становится “запесоченным”, с пониженной прочностью. Во втором — бетон становится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличения содержания цемента.

при расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня

 

Для высокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м3 является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, а также МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Таким образом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетонов принципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок 300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебня в цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывной гранулометрии щебня, “незыблемый” для традиционных бетонов, не является обязательным. Иными словами, бетон должен быть с “плавающей” структурой песка и щебня, то есть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такой структуры критерий избытка абсолютного объемов реологической дисперсной матрицы над абсолютным объемом песка и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчаной матрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

где — абсолютные объемы цемента, каменной муки, МК, песка, щебня и воды соответственно.

Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычного (а) и высокопрочного (б) бетонов

Проведенными исследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до 1,6, — от 1,15 до 1,5, то для ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до 3,5, а — от 2,2 до 2,5. В отдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5–3,9, =3,0–3,5.

В табл. 1 представлены расчеты критериев и для ВПБ, ОВПБ и бетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3), изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкой большого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетонов взяты из статьи [6]. Состав бетона повышенной прочности (состав 4), изготовленного из бетонной смеси на ВНВ-100 (содержание СП не указывается) с 10 % МК от массы цемента, взяты из статьи [5].

№ состава Расход материалов на 1 м3, кг/л В/Ц В/Ц+Д ρ бетонной смеси, кг/м3 (без

фибры)

Объемы матриц, л Rсж, МПа, НУ Rсж, МПа,ТО
Ц П Щ Добавка (Д) Ф В СП
МК КМ* ** **
1 630***

203

433

166,5

867

289

158***

60,8

197

82,2

192

24,6

151

151

8,0 0,24 0,153 2449     3,04 2,33 155-172 182–184
2 580***

188

354

136

711

237

177

73,7

325

125

194

24,9

163

163

9,2 0,28 0,150 2383 527 663,7 3,9 3,53 191–202
3 722***

233

425

163

850

283

181

69,6

118

49

192

24,6

157

157

8,0 0,22 0,154 2430 509 672 3,12 2,37 192–210
4 569****

183

617

233

901

334

57

24

194

194

ВНВ 0,34 0,31 2338 301 634 1,72 1,90 86,0
5 500•

161

620

234

1132

419

180

180

4,0 0,36 341 575 1,46 1,37 69,5
6 450•

145

616

232

1140

422

50•

22

180

180

5,2 0,40 0,36 347 579 1,49 1,37 73,4
7 400

129

600

230

1150

426

200

200

0,50 2350 329 559 1,43 1,31 32,0
8 400

129

692

266

1134

420

168

168

4,0 0,40 2394 303 569 1,14 1,35 38,0
 

Таблица 1. Сравнение составов высокопрочных и обычных бетонов и анализ реологических матриц

Примечания:

1. Составы бетона с метакаолином приведены в [1].

2. Расчет критериев и выполнен по формулам 1 и 2.

3. Составы 1–3 и их прочностные показатели приведены в [6].

4. Состав 4 и его значение прочности приведены в [5].

Бетон общего назначения (составы 7, 8) без и с СП, с увеличением расхода песка на 10 % и без уменьшения расхода щебня на 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациями НИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Как следует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительного добавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперсной добавкой МК [5], объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть и увеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, но существенно ниже, чем должны быть в структуре супербетонов. Таким образом, цемент низкой водопотребности, который обычно обеспечивает в суспензии высокий ВИ (по нашим исследованиям, 2,1–2,5), не в состоянии сделать бетон высокопрочным. Поэтому для достижения высокой прочности бетона на ВНВ его необходимо также использовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологической структуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП в ВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперсной фазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня в достаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности более эффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000 кг на 1 м3 бетона.

В статье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав 5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Как следует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повысить прочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались на том же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальное повышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000 при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом и многокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии и дополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структуре цементного камня.

2. Улучшение реологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованием эффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением в бетонных смесях.

3. Использование эффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетонов рационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условием необходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержания цементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночных бетонных смесей.

4. Увеличение объема цементно-водной матрицы, а вместе с ней и прочности, можно достигнуть повышением содержания цемента до 800–1000 кг на 1 м3 бетона. Однако такие бетоны с пониженным содержанием крупного заполнителя являются сильно усадочными, нетрещиностойкими и недолговечными. Они обладают повышенной ползучестью.

5. Для увеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесях необходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышая ее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющая состав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечит свободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Не всякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологической матрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должна быть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечивать более высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действием собственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такой суспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижении с сохранением текучести.

7. Водоредуцирующий индекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый при равной текучести с непластифицированной, равный ВИ=Вн/Вп, где Вн и Вп — водосодержание муки без СП и с СП в % к массе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большее число раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердой фазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокая реологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (более высокую) активность смеси “цемент — мука” в их суспензии с суперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффекта действия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее к водосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменной муки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре с портландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарной водно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшим пределом текучести (5–10 МПа).

9. Реализация более высокой прочности за счет синтеза дополнительного количества гидросиликатов в структуре бетона достигается добавками активного МК, ММК или кислой золы мультициклонов (с минимальным количеством несгоревших остатков), доля которых составляет 10–30 % и зависит от содержания портландцемента.

10. Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличие от природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомит и т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активность минерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрического масштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и муки микрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяет принцип оптимальной гранулометрии портландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливают взвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11. Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, по сравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. В связи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг и микрокремнезема 100–200 кг на 1 м3 бетонной смеси общая масса минерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300 кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными, то есть с “плавающей” структурой песка в дисперсной матрице и щебня в зернисто-дисперсной матрице.

12. Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетона превращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперсную компоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смеси обеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещению частиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабными уровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочными деформациями и ползучестью под нагрузкой.

13. Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ являются критерии избытка абсолютного объема реологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объема реологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится в пределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонах высокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительной тепловой обработке, может повышаться до 3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14. Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных и плотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП и обезвоживания бетонной смеси в процессе ее приготовления и укладки.

15. Щебень для изготовления бетонов должен обладать высокой прочностью. Предпочтительна фракция щебня 3–10 или 3–12 мм с минимальным количеством лещадных и игловатых частиц.

16. Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбранной процедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов. Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители с переменной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Для микрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразно использовать бетоносмесители немецкой формы “Eirich”.

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетонная смесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокой аутогенной усадкой, величина которой может достигать 0,8–1,0 мм/м и более. Причина ее связана не с испарением воды, а с повышенной химической контракцией и контракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицах дисперсной фазы, содержание которой значительно выше, чем в обычных бетонах. Этот процесс определяет формирование высокой плотности и прочности.

18. В процессе интенсивного перемешивания бетонной смеси с суперпластификатором неизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушные пузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи с быстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотного слоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и не мешающей удалению пузырьков воздуха.

19. Отформованные изделия из бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ в большей степени нуждаются в защите от обезвоживания в связи с малым содержанием воды.

20. Для получения пропаренных изделий с более высокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использовать кварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловой обработки (до 90–95 С) с большой продолжительностью изотермии (до 24–36 ч).

21. Высокая прочность на осевое сжатие ВПБ и ОВПБ (а вместе с ней и высокая хрупкость и непропорционально низкая прочность на осевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армирования таких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемных степенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевое растяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

Литература:

1. Дворкин Л. И., Лушникова Н. В. Свойства высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина // Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. — С. 78–83.

2. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

3. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 2. Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 6. — С. 8–11.

4. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. Фаликман В. Р., Калашников О. О. “Внутренний уход” за особовысокопрочными быстротвердеющими бетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

6. Schmidt M. et al. Ultra-Hochfester Beton: Perspektive fur die Betonfertigteiling industrial // Betonwerk+Fertigtal-Technik. — 2003. — № 3. — S. 16–29.

Автор: В. И. Калашников, д. т. н., профессор

 

l.120-bal.ru

Особенности подбора материалов при разработке составов и технологии высокопрочных бетонов

Строительные статьи

Стремительный прогресс в строи­тельстве за рубежом потребован зна­чительного улучшения строительно - технических свойств бетона — одного из основных материалов для жилыч, общественных и промышленных зда­ний. В нашей стране в области разра­ботки высокопрочных бетонов (ВБ) работал ряд известных ученых.

В последние годы успехи науки о бетоне способствовали созданию новых видов супербетонов, способ­ных конкурировать со строитель­ной статью, вследствие высокого спроса на особо прочный бетон и в связи с более низкой стоимостью его по сравнению со сталью.

С 1972 по 198В гг. прочностные показатели бетона выросли в 2 раза (в среднем с 62 МПа до 133 МПа). Расширение применения ВБ стало возможным не из-за заметного по­вышения активности цемента, а благодаря появлению новых орга­ном инеральных добавок — модифи­каторов, позволяющих формовать железобетонные монолитные кон­струкции без применения интен­сивных способов уплотнения.

Активность портландцемента за период с 1972 по 1988 г. возросла незначительно, причем для произ­водства высокопрочных бетонов использовались рядовые цементы, а физико-технические свойства ка­чественных фракционированных мелких и крупных заполнителей остались неизменными. Поэтому рубеж прочности промышленного бетона в 100 МПа был преодолен в 1982—1984 гг., когда в производ­ство бетона стали активно внед­ряться высокоэффективные супер­пластификаторы (СП). Именно в этот период наметилось увеличе­ние числа публикаций по примене­нию СП в производстве бетона. Этот этап в достижении высокой прочности бетона связан с разра­боткой цементных вяжущих низкой водопогребности (ВНВ), предло­женных Баженовым Ю. М., Батра­ковым В. Г., Бабаевым ШТ., Долго - половым Н. Н. [1—3].

Число публикаций за рубежом по В Б стремительно возросло в по­следующие годы, особенно после создания Комитета 363 Американ­ским институтом бетона и прове­дения трех крупных симпозиумов в 1987 г. в Ставангере (Норвегия), в 1990 г. в Беркли (Калифорния, США) и в 1993 г. в Лиллехамере (Норвегия) [4J.

В ранних публикациях по В Б (1960—1975 гг.) основными факто­рами, определяющими достижение высокой прочности, считались: ин­тенсивное виброуплотнение (пре­имущественно с пригрузом) жест­ких бетонных смесей с низкими водоцементными отношениями; использование тонкомолотых бы- стротвердеющих бездобавочных це­ментов с высокой активностью, обеспечиваемой повышенным со­держанием C3S; использование мы­того фракционированного крупно­го заполнителя высокой прочности; использование чистого мелкого за­полнителя, преимущественно квар­цевого песка с модулем крупности более 2. Перечисленные требования в основном сохранились и в совре­менных регламентах на изготовле­ние В Б. Некоторые требования изменились принципиально и по­явились новые, обусловленные обя­зательным использованием эффек­тивных модификаторов, условиями перемешивания, укладки, уплотне­ния, ухода при твердении и более современными методами контроля.

Серьезное изменение претер­пел выбор портландцемента для высокопрочного бетона. Он касает­ся не только активности цемента, ибо без обеспечения активности 40—50 М Па нельзя изготовить бето­ны прочностью 80—110 МПа, а для бетонов марок 1200—1500 необходи­ма активность свыше 50 МПа.

Однако повышенная величина активности вяжущего не является главным фактором, как считалось ранее, когда усилия исследователей были направлены на создание суперцементов марок 700—800 [4].

Г. Гоуда и Д. Рой еще в 1975 г. пока­зали, что возможности обычных це­ментов поистине огромны, когда на рядовом цементе типа III (ASTM) методом прессования получили це­ментный камень прочностью до 700 МПа [5J. Эти эксперименты и выводы долго подводили исследо­вателей к пониманию того, что не повышенная'активность цемента является мерой прочности особого вида бетона, а высокая плотность цементной матрицы. Естественно, что основная задача состояла в по­лучении плотной матрицы в плас­тичной бетонной смеси. На реа­лизацию достижения высокой плотности цементного камня в про­мышленном бетоне, изготоаленном из пластичных смесей, потребова­лось более десяти лет.

В свете сказанного получение со­временных высокопрочных бетонов, как правило, достигается при исполь­зовании рядовых цементов средних марок 500—550. В ряде стран разраба­тывают специальные цементы для производства В Б с нормируемым минералогическим составом, регла­ментируемым пониженным тепло­выделением и высокой суточной прочностью, являющейся гарантией высокой нормативной прочности. Важно отметить, что требования к минералогическому составу це­мента для получения быстротверде - юшего высокопрочного бетона по некоторым регламентам существен­но изменились. Так, для быстротвер - деющих и особо быстротвердеющих цементов предусматривалось нали­чие в минералогическом составе по­вышенного количества C3S (не менее 50-60%) и С3А (не менее 5-8%), а сумма C3S+C3A должна быть не ме­нее 60%. В норвежском цементе, ис­пользуемом для изготовления ВБ, содержание C3S составляет 49%, С3А — 5,5%, а в некоторых цементах доля С3А не должна превышать 4% [4J. Та­ким образом, известный принцип обеспечения ранней прочности це­мента за счет повышенного количе­ства быстротвердеющих минералов

C3S и С3А, как считалось ранее, ока­зался не основополагающим для бе­тонов высокой плотности с низким водосодержанием.

Основным требованием при производстве ВБ является использо­вание природного кварцевого песка или дробленого из плотных и проч­ных изверженных пород. Прочность крупного заполнителя находится для разных марок высокопрочного бетона в пределах 140-400 МПа, а наибольшая крупность его зерен не должна превышать 10—15 мм. Таким образом, однородность бетона су­щественно возрастет, если круп­ность заполнителя будет на доста­точно низком уровне.

Важнейшим условием получения В Б на цементах рядового помола считается использование суперак­тивных минеральных наполнителей — микрокремнезема и высокодис­персных зол ТЭС с минимальным содержанием несгоревших остатков [4). Такие наполнители способны связы вать ги д рол и зну ю и звесть портландцемента уже в ранние сро­ки гидратации (через 1—2 сут твер­дения). Образование высокодис­персных гидросиликатов кальция, кристаллизующихся в порах и в кон­тактных зонах более крупных частиц цемента и песка, улучшает структуру цементного камня, способствуя по­вышению ранней прочности.

Причина более высоких относи­тельных приростов суточной прочно­сти по отношению к 28-суточной в высокопрочных бетонах, очевидно, обусловлена сильными контактными взаимодействиями и высокой плот­ностью камня при дефиците водной фазы. Известно, что дчя одного и того же цемента, при твердении в прессо­ванном виде и в виде суспензии (пас­ты) отношение R2k/R| отличается в несколько раз. Поэтому из проведен­ного анализа производства В Б уста­новлено, что водоиементное отноше­ние незначительно повышает уровень В/Ц дня норм-альной густоты цемент­ного теста (4J. Это правило оценки во - досодержания бетонной смеси долж­но быть выражено как В/Ц=НГ/100.

Минимально достигнутое В/Ц в вы­сокопрочных бетонах с нормативной прочностью 170 МПа составило 0,25 в норвежской практике.

Понижение водосодержания бе­тонов до уровня нормальной густо­ты цементного теста требует исполь­зования высокоэффективных раз- жижителей, качество которых по­стоянно повышается. При произ­водстве высокопрочных бетонов за рубежом предъявляются жесткие требования к суперпластификато­рам (СП), которые должны обладать не только высокой реологической активностью, но и минимальным воздействием на гидратаиионную активность цементов в начальной фазе твердения. Это требование вы­звано необходимостью получения высокой ранней прочности. Вероят­но, развитие и совершенствование СП должно сегодня идти именно по этому пути. Но не все из применяе­мых отечественных СП удовлетво­ряют заданным требованиям по за­медлению начального твердения при повышенных концентрациях 1—3%, хотя по реологическим пока­зателям они или совершенно не ус­тупают, или мало уступают им.

Для высокопрочных бетонов с низкими В/Ц очень важно исполь­зовать полифункииональные моди­фицирующие (ПМФ) добавки не на основе комбинаций СП с эффек­тивны м и ус корител я м и, которы е сохраняют жизнеспособность бе­тонных смесей на период бетониро­вания и обеспечивают интенсив­ный набор прочности после 3—5 ч тверде н и я. Отмеч ае м ое в л итерату - ре замедление твердения бетона на отдельных цементах требует оценки гидравлической активности послед­них в присутствии СП на ранних стадиях твердения. Этот вопрос, по нашим сведениям, не освещался в отечественной литературе, в то вре­мя как выбор цементов для произ­водства высокопрочных бетонов очень важен в связи со способ­ностью обеспечивать суточную прочность В Б на уровне 50—70% от нормативной.

Водоцементное отношение бе­тонной смеси для высокопрочного бетона, по нашему мнению, можно выразить соотношением: В/Ц«К(НГ/100). где К — коэффициент ренептуриой эффективности состава бетона и ре­ологической активности суперплас­тификатора.

Для большинства высотных со­оружений за рубежом коэффициент К (для бетонов марок свыше 1000) на­ходится в пределах 1.1-1.3, т. е. соот­ношение В/Ц варьировалось от 0,27 до 0,32. Для литых бетонных смесей с осадкой конуса 120-240 мм коэффи­циент К находится в пределах 1,3—1,5.

Помимо подбора состава бетона и выбора эффективного суперпласти­фикатора немаловажными яазяются технологические факторы и процеду­ры по перемешиванию, уплотнению, транспортировке, укладке, твердению и оценке прочности. Наиболее важ­ным считается интенсивное переме­шивание бетонных смесей с высоко­дисперсными добавками. Поэтому внедрение интенсивных раздельных технологий, разработанных школой академика Соломатова В. И., может быть чрезвычайно актуально и в про­изводстве высокопрочного бетона.

Спиеок литературы

1. Баженов Ю. М., Минаевский В. И.. Щурова А. Ф., Ершова Т. А. Высо­копрочные бетоны на основе пла­стификаторов Ц Бетон и железо­бетон. 1978. № 9. С. 18-19. 2 Бабаев Ш. Т., Комар А. А. Энер­госберегающая технология же­лезобетонных конструкций из высокопрочного бетона с хими­ческими добавками. М.: Строй­издат, 1987, 240 с.

1. Долгополое И. И., Суханов М. А.. Ефимов С. И. Новый тип цемен­та: структура и льдистость цементного камня // Строит, материалы. 1994. jsfe 6. С. 9-10.

2. Волков Ю. С. Применение сверх­прочных бетонов 0 строительст­ве Ц Бетон и железобетон. 1994- №7. С. 27-31.

Мерные материалы («Филизол», «Изопласт») укладываются в 2—3 слоя, служат 10—12 лет и требу­ют ремонта 1 раз в 2 года.

В расчетах принято, что ремонт кровли из рубероида, уложенного в два слоя, начинается на следующий год после укталки и проводится в два слоя один раз в два года; уло­женного в три слоя — на второй год, в четыре слоя — на третий год после укладки и проводится в два слоя один раз в два года. Ремонт кровли из «Фил и зола» и «Изо пласта», уло­женных в три слоя, начинается че­рез Шлет и проводится один раз в два года на сумму 10% от стоимости укладки (частичный ремонт).

В мировой практике устройства и эксплуатации кровель накоплен значительный опыт использования материалов фирмы «Sika-Trocal AG» в различных конструкциях кровель при любых климатических условиях. Обладая высокой устой­чивостью к прорастанию корней растений, мембраны эффективно используются для устройства экс­плуатируемых кровель.

Наименование

Carisma CIK

Рубероид

(2 слоя)

Рубероид

(3 слоя)

Рубероид

(4 слоя)

Филизол

(2 слоя)

Филизол

(3 слоя)

Изопласт

(2 слоя)

Изопласт

(3 слоя)

Затраты при новом строительстае {по состоянию на 1 -07.2001)

Стоимость материала, р кровельный мастика

315 10

20 10

30 15

40 20

140 15

180 15

140 15

190 15

Стоимость работ, р

180

160

220

260

180

250

180

250

Итого, р

SOS

190

265

320

335

445

335

455

Срок службы, лет

30

1

2

3

10

12

10

12

Затраты при ремонте 1 раз в 2 года (по состоянию на 1.07.2001)

Стоимость материала, р кровельный мастика

0

20 10

30 10

40 10

10%

Стоимость работ, р

0

30

30

30

Итого, р

0

60

70

80

33,5

44,5

33,5

45,5

Затраты на ремонт за срок службы, р

0

420

455

480

В3,8

66,8

83,8

68,3

Всего затраты за 15 лет, р

505

610

720

800

418,8

511,8

418,8

523,3

Всего затраты за 30 лет, р

505

1060

1245

1400

670

845,5

670

864,5

Особый интерес представляет мембрана «Sikaplan VGWT», отне­сенная по российским стандартам к группе горючести Г2 (умеренно горючий), воспламеняемости В2 (умеренно воспламеняемый), рас­пространения пламени РП2 (слабо распространяющий пламя).

Повысить противопожарные свойства кровли позволяет также и балластный способ крепления по­лотна мембран.

В России в настоящее время экс­плуатируется пяд зданий с кровлей, выполненной из мембран фирмы <• Sika-Trocal AG», наиболее извест­ные из которых — здания цент­рального офиса Сбербанка РФ в Москве (эксплуатация около 11 лет) и Петровского пассажа в Москве (около 9 лет).

Технология выполнения работ при использовании материачов имеет ряд неоспоримых достоинств. Прежде всего это исключение из процесса открытого пламени, что значительно снижает риск возник­новения пожара.

Скорость укладки материалов до­статочно высока. В Германии брига­да из трех человек за рабочую смену при устройстве ковра средней слож­ности и в соответствии с немецкими стандартами успевает выполнить 200—300 м2 кровли. Производитель­ность зависит от сложности рельефа кровли, типа аппарата для сварки горячим воздухом, количества до­полнительных элементов (флюгарок, воронок, водосливов и др.).

Все материалы фирмы «Sika-Trocal AG» производятся в соответствии с требованиями международного серти­фиката качества ISO 9001. Помимо этого получены сертификаты соответ­ствия Госстроя России, гигиеничес­кий и пожарный сертификаты.

Поставка мембран для потребите­лей в России производится со склада в Москве. По желанию заказчика по­ставка крупных партий материалов может осуществляться со склада за­вода-производителя в Германии.

В каждом конкретном случае устройства кровли подбирается оп­тимальное техническое решение. Заводская гарантия на материалы составляет Шлет. Однако срок службы материала (долговечность) в конструкции как правило, зависит еще и от качества выполненных ра­бот. Для кровельных мембран «Carisma» этот срок установлен 30 лет и подтвержден лабораторными и натурными испытаниями.

При поставке материалов на объ­екты площадью более 1 тыс. м2 орга­низуется бесплатное обучение бригад специалистами из Германии. В случае соблюдения требований по укладке и эксплуатации мембран на больших объектах при обнаружении протечек кровли возможна замена материалов, оплата работ по замене материалов и компенсация возможного ущерба в пределах оговоренной суммы.

Применения материалов фирмы «Sika-Trocal АС» гарантирует реше­ние задач по быстрому, экономич­ному и качественному устройству и эксплуатации кровли на многие де­сятилетия.

Разработка новых материалов на основе кремнийорганических со­единений актуальна для совершен­ствования процессов в важнейших областях техники и народного хо­зяйства. Интерес к этому классу соединений обусловлен рядом цен­ных свойств, присущих кремний - органическим полимерам, и в пер­вую очередь их высокой тепло-, морозо - и влагостойкости, малым изменением физических харак­теристик в широком диапазоне температуры (1).

В России накоплен значитель­ный опыт по применению в стро­ительстве кремнийорганических соединений различной природы, прежде всего с целью повышения атмосфероустойчивости строитель - ных материалов и конструкций. Это связано с тем, что большинство строительных материалов обладает существенной пористостью и раз­рушается под действием воды. Гидрофобизирующие материалы, предназначенные для защиты стро­ительных конструкций, должны глубоко проникать в поры, обладать высокой химической стойкостью и значительной устойчивостью к ат­мосферным воздействиям.

Обработка строительных матери­алов может быть поверхностной или объемной. Для проведения поверх­ностной гидрофобизаиии на строи­тельные конструкции с помощью воздушного распылителя наносят раствор соответствующего защитно­го материала с концентрацией не выше 10%. Гидрофобная пленка об­разуется, как правило, через се^ь су­ток. Чаще всего для гидрофоб и *а и и и используют алкилсиликонаты на­трия ГКЖ-10, ГКЖ-11 и АМСР-З, а также полиалкилгидридсилоксаны ГКЖ-94. За рубежом для этих целей обычно используют кремнийорга - нические лаки и метиле ил и канаты натрия и качия [2, 3].

Поверхностная обработка стан­дартными гидрофобизаторами ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, АМСР не всегда эффективна, особенно при контакте строительных конст­рукций с грунтовыми и напорными водами. В этом случае используют кремнийорганические лаки с тон­кодисперсным металлически^ на­полнителем [31. Однако, несмотря на высокие гидрофобизирующие характеристики, чистые кремний - органические соединения Имеют некоторые недостатки: невысокую адгезионную прочность, коуорая особенно ярко проявляется при на­несении на металлы, и значитель­ную стоимость.

msd.com.ua

Способ получения особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона

Изобретение относится к изготовлению особо тяжелых радиационно-защитных строительных материалов и может быть использовано для изготовления железобетонных контейнеров для хранения и/или транспортировки отработавшего ядерного топлива. В способе получения особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона, включающем подготовку входящего в состав компонентов бетона влагоудерживающего железосодержащего тяжелого заполнителя в виде отходов из продукции черной металлургии путем его предварительного перемешивания с водой, приготовление бетонной смеси в смесителе путем перемешивания заполнителя с сухими компонентами бетонной смеси и водой затворения, последующую укладку бетонной смеси в изделие, ее уплотнение, герметизацию бетонной смеси конструктивными элементами изделия, в процессе предварительного перемешивания тяжелого заполнителя с водой в качестве воды первоначально вводят воду затворения объемом 1/3 от ее расчетного количества на замес, а затем добавляют избыточную воду, объем которой производят по формуле: Визб=P×V×A, где

Визб - объем избыточной воды;

Р - вес взятого на 1 м3 заполнителя;

V - объем пор заполнителя;

А - предел насыщения пор заполнителя,

и дополнительно к ним вводят в них суперпластификатор до 5% по массе избыточной воды и воды затворения, а предварительное перемешивание осуществляют до предела насыщения заполнителя избыточной водой, водой затворения с суперпластификатором до 80% от водопоглощения заполнителя в течение 2-3 мин, после чего насыщенный заполнитель незамедлительно вводят в процесс перемешивания с другими компонентами, причем в качестве отходов из продукции черной металлургии используют бой железосодержащих брикетов или окатыши железной руды. Технический результат - повышение защитных свойств бетона, прочности, плотности, коррозионной стойкости и долговечности. Изобретение развито в зависимых пунктах. 6 з.п. ф-лы, 6 табл.

 

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии получения особо тяжелых радиационно-защитных строительных материалов, и может быть использовано для производства изделий из особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона, применяемых преимущественно для изготовления железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки, например, отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

К указанным материалам бетона таких контейнеров предъявляются жесткие требования одновременно как к обеспечению высоких физико-механических, так и радиационно-защитных свойств, вследствие чего существует тенденция использования в них особо тяжелых высокопрочных бетонов, которые, однако, как правило, содержат относительно малое количество воды по критерию водоцементного отношения (в/ц) порядка 0,26-0,30, что обусловлено требованиями к весьма высокой средней плотности и прочности бетона. Чем ниже в/ц, тем выше указанные физико-механические показатели качества бетона. Существующие составы высокопрочных тяжелых бетонов для защиты от ОЯТ приготавливают с минимальным количеством воды затворения, например с водоцементным отношением (в/ц) 0,27-0,30, позволяющим в сочетании с сильными пластификаторами уплотнить бетонную смесь. Это обусловлено необходимостью достижения максимальных прочности и плотности бетона. При этом в/ц явно недостаточно для относительно полной гидратации цемента в стандартный период твердения, например 28 суток, и последующие годы твердения, что приводит к отсутствию условий для роста прочности после 28 суток и невозможности «самозалечивания» образуемых в процессе эксплуатации микротрещин, так как адсорбционно связанная вода в дальнейшем не участвует в химических реакциях цемента с водой. Для обеспечения полной гидратации необходимо в идеале в/ц, равное 0,38 (Книга «Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня», авт. А.Е.Шейкин, М., Стройиздат, 1974 г., стр.57). Следовательно, необходимо решить проблему реализации указанного требования без ущерба другим показателям качества бетона.

При прочих равных условиях, чем выше содержание воды в бетоне, тем выше сопротивление бетона проникающей радиации и выше радиационно-защитные показатели, что связано с наличием в составе воды водорода как элемента с малым атомным весом, который является защитным барьером от поглощения нейтронного излучения, то есть от недопустимого выхода в окружающую среду ядерных излучений, помещенных в контейнер ОЯТ, что влияет на экологическую безопасность окружающей среды.

Заявляемый способ позволяет осуществить повышение сопротивляемости материала бетона проникающей радиации и одновременно сохранить высокие показатели плотности и прочности, а также увеличить эксплуатационный срок службы бетона.

Анализ технического уровня в указанной области техники показал, что известны способы изготовления бетона, включающие приготовление бетонной смеси с влагонасыщенным заполнителем, перемешивание его в смесителе с остальными компонентами смеси (Научный доклад авторов В.Р.Фаликсмана, Ю.В.Сорокина, О.О.Калашникова «Внутренний уход» за особо высокопрочными и быстротвердеющими бетонами. 11 Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону. Бетон и железобетон - пути развития. Том 3. Технология бетона», Москва, 2005 г., стр.408-413).

Невозможность достижения технического результата, полученного заявляемым способом, обуславливается тем, что в качестве влагонасыщенного заполнителя используется керамзитовый гравий фракции 5…10 мм с насыпной плотностью 0,35 кг/л и водопоглощением 34%. Содержание зерен керамзитового гравия составляло 3,5-7,0% от массы бетонной смеси. Однако такой заполнитель относится к разряду легких водонасыщенных гранул, которые хотя в последующем и отдают свою влагу твердеющему бетону благодаря образованию в твердеющей среде эффекта вакуума, однако в тяжелых бетонах они при приготовлении и уплотнении бетонной смеси всплывут на поверхность, не участвуя во «внутреннем уходе» и создавая неравномерно расположенные зоны низкой плотности и прочности в массе бетона, пропускающие излучение, что недопустимо для защитных металлобетонных резервуаров с ОЯТ. К тому же оставшиеся гранулы в теле контейнера, прочность которых на 1…2 порядка ниже прочности основного бетона, будут являться концентраторами напряжения («эффект пустоты»), снижая прочность контейнера.

Известен способ изготовления бетона с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя, включающей его насыщение путем перемешивания с водой (Патент Японии №3974970 В2, МПК: С04В 28/02, публ. 12.09.2007 г.).

Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, обуславливается, во-первых, тем, что в способе аналога не предусматривается применение тяжелых бетонов, которые исключительно используются в устройствах для хранения ОЯТ, в том числе железосодержащего заполнителя, приспособленного для тяжелых бетонов с целью обеспечения радиационной защиты, во-вторых, в нем используется и первично и вторично для насыщения заполнителя вода затворения, что не позволяет создать в дальнейшем в массе бетона дополнительного объема воды и, следовательно, условий в период его твердения для нарастания защитных свойств бетона и его самозалечивания в случае появления микротрещин.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий приготовление бетона с предварительным влагонасыщением влагоносителя посредством воды затворения, приготовление бетонной смеси путем перемешивания заполнителя с сухими компонентами бетонной смеси (Патент РФ №2338713 С2, МПК: С04В 28/00, С04 24/24, С04 111/20, С04 111/27, публ. 10.06.2008 г.).

Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, обуславливается тем, что он неприменим для изготовления бетонной массы, используемой для радиоактивной защиты. В аналоге бетон получают путем соединения двух частей: первой, состоящей из предварительно насыщенного в двух третях воды затворения пористого влагоносителя, которыми затворяют сухую смесь из вяжущего, заполнителя и пластификатора, и второй, состоящей из смешанных с одной третью воды затворения, смолы и отвердителя. В качестве влагоносителя используют такие материалы, как зола, топливные и металлургические шлаки, керамзит и т.п. Для обеспечения трещиностойкости используют металлические фибры. Однако используемые компоненты не обеспечивают необходимые прочность и плотность бетона для защиты от радиоактивного излучения, а также имеют недостаточный срок эксплуатации.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий приготовление бетонной смеси с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя, включающей его перемешивание с водой с последующим введением остальных компонентов смеси, приготовление бетонной смеси, укладку в изделие (Патент РФ №2158719, МПК: С04В 40/00, 22/08, публ. 10.11.2000 г. Бюл. №31).

Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, обуславливается тем, что он неприменим для изготовления бетонной массы, используемой для радиоактивной защиты, в том числе из-за использования в качестве заполнителя золошлакового заполнителя. Кроме того, в нем используется на обеих стадиях изготовления вода затворения, что также не позволяет увеличить степень гидратации и, как следствие, создать возможность дальнейшего роста прочности бетона и других показателей качества бетона, и даже при насыщении заполнителя 70-80% по массе водой затворения легкий заполнитель всплывет, что приводит к неоднородности бетона.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому способу является способ изготовления особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона, включающий подготовку входящего в состав компонентов бетона влагоудерживающего железосодержащего заполнителя в виде отходов и продукции черной металлургии путем его предварительного перемешивания с водой, приготовление бетонной смеси в смесителе путем перемешивания заполнителя с сухими компонентами бетонной смеси и водой затворения, последующую укладку бетонной смеси в изделие, ее уплотнение, герметизацию бетонной смеси конструктивными элементами изделия (Патент РФ №2194316, МПК: G21F 1/02, C04B 28/02, публ. 10.12.2002 г. Бюл. №34).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что известный способ изготовления высокопрочного радиационно-защитного бетона обеспечивает достаточно высокие физико-механические показатели бетона, а именно прочность и плотность бетона, которые достигнуты благодаря применению железосодержащего заполнителя - окалины машинной огневой зачистки блюмов, слябов и других заготовок и низкого водоцементного соотношения бетонной массы. Однако невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, а именно высокой радиационной защиты, обуславливается тем, что заполнитель из окалины, предварительно перемешанный с водой для смачивания его поверхности с целью проведения в дальнейшем пассивирования заполнителя - выдерживания массы 20-24 часа при температуре 100-200°С с последующим высушиванием при температуре до 800°С, значительно снижает его радиационно-защитные показатели, а отсутствие насыщения заполнителя влагой исключает впоследствии длительную гидратацию цемента, что снижает эксплуатационные качества бетонного наполнителя в контейнере и изделия в целом.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения радиационно-защитного особо тяжелого высокопрочного бетона, обеспечивающего улучшение экологической защищенности окружающей среды от ядерных излучений при эксплуатации таких конструкций, как металлобетонные контейнеры, являющихся временными хранилищами ОЯТ, так и других установок и изделий, аналогичных по интенсивности ядерного излучения в окружающую среду, а также одновременно повышение сроков жизнеспособности металлобетонного изделия, позволяющее увеличить сроки его эксплуатации.

При решении указанной задачи был достигнут технический результат, заключающийся в создании способа изготовления особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона, позволяющего повысить радиационную защищенность бетона путем консервации дополнительного количества избыточной влаги в объеме железосодержащего заполнителя, что одновременно позволило увеличить степень гидратации цемента в стандартный и последующий период твердения бетона, что, как известно, приводит к повышению защитных свойств бетона от нейтронного излучения и основных показателей его качества (прочности, плотности, коррозионной стойкости, долговечности), что увеличило эксплуатационный срок службы бетона, а следовательно, и изделий из него.

Указанный способ изготовления позволяет сочетать такие качества бетона, как высокая плотность и прочность бетона, так и повышенную сопротивляемость проникающей радиации. При этом данный способ применим только к тяжелым особо прочным бетонам, в которых используются влагоудерживающие особо тяжелые и прочные железосодержащие заполнители в виде отходов и продукции черной металлургии с высокой пористостью, доступной для заполнения водой, порядка от 2 до 4%, такие как окалина, отходы производства черной металлургии - бои железосодержащих брикетов, окатыши железной руды. Указанный технический результат имеет нижеследующие преимущества перед способом, описанным в прототипе:

- в дополнение к расчетному количеству воды по критерию вода/цемент в бетоне остается дополнительно еще от 50 до 100 л воды, что существенно важно для защиты от радиации;

- в процессе дальнейшего длительного твердения бетона в нем имеется резерв влаги, необходимый для протекания химического взаимодействия цемента и воды, что обеспечивает длительное нарастание прочности и самозалечивание бетона при возможных повреждениях;

- в процессе транспортировки бетонной смеси не происходит поглощения влаги заполнителем из цементного теста, что обеспечивает ее стабильную удобоукладываемость.

Сущность заявляемого способа получения особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона заключается в том, что он включает подготовку входящего в состав компонентов бетона влагоудерживающего железосодержащего тяжелого заполнителя в виде отходов из продукции черной металлургии путем его предварительного перемешивания с водой, приготовление бетонной смеси в смесителе путем перемешивания заполнителя с сухими компонентами бетонной смеси и водой затворения, последующую укладку бетонной смеси в изделие, ее уплотнение, герметизацию бетонной смеси конструктивными элементами изделия.

Новым в способе является то, что в процессе предварительного перемешивания тяжелого заполнителя с водой в качестве воды первоначально вводят воду затворения объемом 1/3 от ее расчетного количества на замес, затем добавляют избыточную воду, объем которой производят по формуле: Визб=Р×V×А, где

Визб - объем избыточной воды;

Р - вес взятого на 1 м3 заполнителя;

V - объем пор заполнителя;

А - предел насыщения пор заполнителя,

и дополнительно к ним вводят в них суперпластификатор до 5% по массе избыточной воды и воды затворения, а предварительное перемешивание осуществляют до предела насыщения заполнителя избыточной водой, водой затворения с суперпластификатором до 80% от водопоглощения заполнителя в течение 2-3 мин, после чего насыщенный заполнитель незамедлительно вводят в процесс перемешивания с другими компонентами, причем в качестве отходов из продукции черной металлургии используют бой железосодержащих брикетов или окатыши железной руды.

Кроме того, в качестве отхода из продукции черной металлургии может быть использована окалина, а насыщение заполнителя избыточной водой и водой затворения с введенным в них суперпластификатором могут производить в полости смесителя либо вне полости смесителя.

Предел насыщения окалины при предварительном перемешивании может составлять до 3 мин, отходов производства черной металлургии - бой железосодержащих брикетов - до 2.5 мин, окатышей железной руды - до 2 мин от начала перемешивания.

В процессе приготовления бетонной смеси в смеситель с насыщенным заполнителем в порядке очередности подают и перемешивают между собой остальные компоненты: мелкий тяжелый заполнитель, добавку - НТФ (нитрилотриметилфосфатная кислота), портландцемент, оставшиеся суперпластификатор и воду затворения объемом 2/3 от расчетного количества, а в процессе предварительного перемешивания могут использовать избыточную воду в объеме от 35 до 55 л и воду затворения 1/3 от расчетного количества на 1 м3 бетонной смеси.

Технология способа получения особо-тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона состоит в следующем.

Процесс получения бетона начинают с подготовки влагоудерживающего железосодержащего заполнителя, для чего предварительно приготовлению массы бетонной смеси помещают расчетное количество заполнителя крупной фракции, а также при необходимости мелкой фракции, если он из того же материала, например, в смеситель с принудительным перемешиванием. Далее добавляют часть воды затворения объемом, равным 1/3 от ее расчетного количества на замес для определенного состава бетона в расчете на 1 м3 бетонной смеси, затем дополнительно добавляют избыточную воду объемом, определяемым в зависимости от объема пор и предела их насыщения для указанных видов заполнителей, приходящимся на 1 м3 бетонной смеси (от 35 до 55 л на 1 м3 при пористости порядка 2-4%, интервал диктуется используемыми видами тяжелых заполнителей), и дополнительно в указанные объемы избыточной воды и воды затворения вводят суперпластификатор до 5% от их суммарной массы, а затем осуществляют предварительное перемешивание избыточной воды, воды затворения и суперпластификатора до предела насыщения ими заполнителя до 80% от водопоглощения конкретного заполнителя (окалина, брикеты или окатыши) в течение 2-3 мин. Как показал эксперимент, при более длительном времени перемешивания, а следовательно, и водопоглощении более 80%, возрастает величина водоцементного отношения, что приводит к недопустимому снижению показателей прочности и плотности бетона. В зависимости от требований к бетону расчетные объемы заполнителей и виды составных компонентов указанной смеси могут меняться, но время предварительного перемешивания и величины указанных выше пределов остаются неизменными. В качестве заполнителей в особо прочном сверхтяжелом бетоне для металлобетонных контейнеров используются высокопрочные и тяжелые отходы или продукты черной металлургии, такие как окалина фракций от 0,16 до 20 мм, бой железосодержащих брикетов фракции от 1,25 до 20 мм, окатыши как продукт переработки гематитовой руды фракций 1,25 до 20 мм, обладающие все водопоглощением (по пористости) от 2-4%, и с пределом насыщения до 80% по массе и способностью долго удерживать влагу. Момент насыщения заполнителя избыточной водой определяют экспериментально посредством взвешивания высушенного заполнителя и насыщенного и определения в процентах разницы весов к объему массы заполнителя, что и должно составлять величину до 80% за период времени до 2-3 мин.

Возможно произвести предварительное перемешивание в иных емкостях, нежели смеситель, например в промывочном агрегате.

Стадия насыщения указанных заполнителей при предварительном перемешивании колеблется в зависимости от вида заполнителя и наступает за время до 2-3 мин от начала перемешивания, например, для окалины оно составляет до 3 мин, отходов производства черной металлургии - бой железосодержащих брикетов - до 2.5 мин, окатышей железной руды - до 2 мин. Пределы насыщения указанных заполнителей соответственно составляют 44 л/м3, 55 л/м3, 50 л/м3.

Введение в процесс предварительной подготовки заполнителя раствора суперпластификатора в избыточной воде и в воде затворения до 5% по их массе позволяет создать эффект гидравлической смазки, уменьшая внутреннее трение при прохождении раствора суперпластификатора в порах и других несплошностях заполнителя, ускоряя и увеличивая объем водонасыщения. Поверхность зерен заполнителя приобретает свойство гидрофильности, что в сочетании с гидрофильными частицами цемента в дальнейшем приводит к снижению водоцементного отношения без уменьшения пластических свойств бетонной смеси.

Объем избыточной воды, например, для окатышей определяют, исходя из взятого веса заполнителя на 1 м3 - 1,5 т, объема пор - 4% и предела насыщения - 80%. Расчет производят по формуле: Визб=P×V×A, где

Визб - объем избыточной воды;

Р - вес взятого на 1 м3 заполнителя;

V - объем пор заполнителя;

А - предел насыщения пор заполнителя.

Для окатышей Визб=1500 л × 0,04 × 0.8=48 л.

Далее остальные, входящие в состав бетона сухие компоненты бетонной смеси дозируются, в том числе и оставшаяся часть воды затворения в количестве 2/3 от расчетного объема на замес, а также оставшаяся часть расчетного объема суперпластификатора на замес.

Насыщенный указанной водой с растворенным в ней суперпластификатором после завершения предварительного перемешивания (2-3 мин) заполнитель незамедлительно вводится в процесс перемешивания с другими компонентами бетонной смеси.

Для этого компоненты бетонной смеси последовательно загружают в смеситель с насыщенным заполнителем в определенном порядке, диктуемом составом бетона, например, в порядке очередности вводят мелкий тяжелый заполнитель - дробь чугунную, добавку - НТФ, портландцемент и оставшиеся суперпластификатор и воду затворения, уменьшенные на объем, ушедший на предварительное перемешивание, перемешивают до однородного состояния в течение времени, установленного стандартом для данного типа бетоносмесителя или регламентом на приготовление бетонной смеси особо тяжелого и высокопрочного бетона.

Указанные выше объемы в основном избыточной воды и воды затворения с суперпластификатором, поглощенные заранее заполнителем, консервируются в нем, и в процессе приготовления в бетонную массу не поступают, оставаясь в теле указанных выше видов заполнителя, так как не успевают выйти из тяжелого заполнителя из-за достаточно короткого срока приготовления бетона, а также из-за существующего молекулярного притяжения молекул указанной смеси к поверхности пор и несплошностей заполнителя, а потому и не изменяют водоцементное отношение, установленное подбором состава бетона. Впоследствии в период твердения например 28 суток и более, влага в заполнителе будет участвовать в химической реакции цемента с водой, являясь дополнительным источником пополнения химического процесса недостающей водой или по принятой терминологии элементом «внутреннего ухода» за бетоном. В вариантах осуществления изобретения бетонная смесь может включать те или иные компоненты.

Поступившие компоненты перемешиваются в смесителе. Приготовленную бетонную массу выгружают из смесителя в бадью и укладывают ее в изделие, представляющее из себя металлическую конструкцию, выполненную с полостями, заполняемыми приготовленной бетонной массой, например в контейнер. Далее ее уплотняют глубинными вибраторами, а затем бетонную массу, находящуюся в изделии, герметизируют конструктивными элементами изделия, например технологической крышкой, при температуре, например, от +10° до +25°.

Герметизация бетонной массы исключает частичное или полное испарение избыточной законсервированной в заполнителе воды, которая в дальнейшем длительное время участвует в процессе гидратации цемента, повышая содержание водорода в бетоне, увеличивает его прочность, плотность, а следовательно, и долговечность в длительном процессе эксплуатации изделий. Загрузка изделия отработавшим ядерным топливом производится не ранее чем через 6 месяцев, так как в этот период бетон твердеет при положительной температуре, например от +10° до +25°.

Предложенный способ в варианте осуществления изобретения проверяли экспериментально в лабораторных условиях.

Для приготовления бетонной массы, как пример, используются:

- нормированный портландцемент ПЦ М 600-ДО Оскольского, Подольского и других заводов, ГОСТ 10178-8S*;

- отходы в виде боя железосодержащих брикетов производств черной металлургии, составляющими компонентами которых являются железо (85%), известь (9%), вода (остальное), получаемые спеканием и прессованием на ОАО «Лебедянский горно-обогатительный комбинат», ТУ 0726-003-00186803-2001;

- дополнительный мелкий заполнитель - дробь техническая чугунная №05, изготавливаемая на ООО «Феррум-Плав», г.Вологда, ГОСТ 11964-81*;

- суперпластификатор С-3 на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом, ТУ 5870-002-58042865-03, изготавливаемый на ООО «Полипласт Новомосковск» Тульской области. Возможно использование любых видов суперпластификаторов;

- замедлитель схватывания цемента НТФ (нитрилотриметилфосфатная кислота) в виде добавки, изготавливаемой на Новочебоксарском химическом комбинате, ТУ 2499-34705763441-00;

- суперпластификатор С-3 в сухом виде, поставщик ООО «СтройТехнохим», г.Москва, ТУ 5743-073-46854090-98;

- вода, ГОСТ 23732-79.

Вместе с этим в других вариантах выполнения бетонная смесь может включать и другие компоненты. Бетонная смесь может дополнительно содержать в качестве мелкого заполнителя, не участвующего в процессе предварительного перемешивания и насыщения, дробь чугунную, а также замедлитель схватывания смеси.

Вместо брикетов возможно использование окалины, которую выбирают на металлургическом производстве от различных технологических процессов. Окалину до применения в дело рассеивают на стандартные фракции, например 10-20, 5-10, 1,25-2,5, 0,16-1,25 мм, удаляют зерна крупнее 20 мм и посторонние включения.

Пример осуществления изобретения

Для получения бетонной смеси были приготовлены 12 составов бетонной смеси: 4 состава с использованием в качестве насыщаемого заполнителя окалину (табл.1, составы 1к, 1-3), окатыши (табл.3, составы 4к, 4-6), в том числе с использованием дроби технической чугунной, отходы брикетов (табл.5, составы 7к, 7-9), в том числе с использованием модификатора бетона МБ, где «к» - состав прототипа.

Результаты испытания бетонов и их физико-механические показатели представлены в табл.2, 4, 6.

Принимали, что отсчет начала увлажнения заполнителя начинается по окончании впрыскивания через форсунки во вращающийся барабан смесителя дозированного количества избыточной воды, 1/3 от воды затворения. В перечисленном объеме воды растворяли 5% суперпластификатора от массы воды. Экспериментально проверяли различное время перемешивания от 1,5 до 4 мин. Наиболее оптимальным оказалось перемешивание до 3 мин как по водонасыщению заполнителя, так и по производительности бетоносмесителя.

По истечении 3 мин перемешивания крупного заполнителя и его насыщения в смеситель последовательно вводят мелкий тяжелый заполнитель (при необходимости) в виде чугунной дроби, добавку (при необходимости) в виде замедлителя схватывания, портландцемент, оставшиеся воду затворения и суперпластификатор в виде модификатора. Массу перемешивают в течение не менее 50 сек.

Для определения прочности на сжатие проводили испытания контрольных образцов кубов, формируемых из нижнего, среднего и верхнего ярусов контейнера. Плотность контролировали путем взвешивания образцов в 4 этапа: промежуточное (14 суток), основное (в 28 или 180 или 360 суток). Степень гидратации цемента определяли методом химического анализа по количеству химически связанной воды и свободной извести (кн. Курбатова И.И. «Химия гидратации портландцемента», М., Стройиздат, стр.318, 1977 г.).

Как видно из приведенных в сравнительных таблицах №№2, 4, 6 данных, степень гидратации по предлагаемому способу, от которой происходит дальнейшее повышение защитных от радиационного излучения свойств и физико-механических свойств бетона, а также увеличение количества водорода значительно выше для составов заявляемого способа, при этом величины плотности и прочности также возрастают.

Возможность осуществления заявляемого способа изготовления особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона обусловлена его особенностями исполнения, заключающимися в насыщении заполнителя влагой с растворенным в ней суперпластификатором, способствующим более быстрому насыщению перед введением его вместе с остальными компонентами в бетонную массу, приводящим к увеличению доли водорода, что влияет на повышение защитных от радиоактивного излучения характеристик бетона и одновременно способствует длительной гидратации цемента в период эксплуатации изделия, что сохраняет высокие показатели прочности и плотности бетона. Указанные преимущества заявляемого способа позволяют улучшить экологию окружающей среды и одновременно повысить срок эксплуатации изделия. Кроме того, отличительные конструктивные особенности изделия типа металлобетонного контейнера для хранения ОЯТ, предусматривающие немедленную герметизацию бетонной смеси после ее укладки в полости изделия, позволяют удержать избыточную влагу в заполнителе и тем самым продлить время гидратации цемента, что приводит к повышению содержания водорода в химически связанной воде пропорционально росту степени гидратации цемента.

Технология приготовления бетонной смеси по предложенному способу не требует переоснащения действующих бетоносмесительных установок, так как может осуществляться на существующем оборудовании.

1. Способ получения особо тяжелого радиационно-защитного высокопрочного бетона, включающий подготовку входящего в состав компонентов бетона влагоудерживающего железосодержащего тяжелого заполнителя в виде отходов из продукции черной металлургии путем его предварительного перемешивания с водой, приготовление бетонной смеси в смесителе путем перемешивания заполнителя с сухими компонентами бетонной смеси и водой затворения, последующую укладку бетонной смеси в изделие, ее уплотнение, герметизацию бетонной смеси конструктивными элементами изделия, отличающийся тем, что в процессе предварительного перемешивания тяжелого заполнителя с водой в качестве воды первоначально вводят воду затворения объемом 1/3 от ее расчетного количества на замес, затем добавляют избыточную воду, объем которой производят по формуле: Визб=P·V·A,где Визб - объем избыточной воды;Р - вес взятого на 1 м3 заполнителя;V - объем пор заполнителя;А - предел насыщения пор заполнителя,и дополнительно к ним вводят в них суперпластификатор до 5% по массе избыточной воды и воды затворения, а предварительное перемешивание осуществляют до предела насыщения заполнителя избыточной водой, водой затворения с суперпластификатором до 80% от водопоглощения заполнителя в течение 2-3 мин, после чего насыщенный заполнитель незамедлительно вводят в процесс перемешивания с другими компонентами, причем в качестве отходов из продукции черной металлургии используют бой железосодержащих брикетов или окатыши железной руды.

2. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что в качестве отхода из продукции черной металлургии используют окалину.

3. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что насыщение заполнителя избыточной водой, водой затворения с введенным в них суперпластификатором производят путем их перемешивания в полости смесителя.

4. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что насыщение заполнителя избыточной водой, водой затворения с введенным в них суперпластификатором производят путем их перемешивания вне полости смесителя.

5. Способ получения по п.1 или 2, отличающийся тем, что предел насыщения окалины при предварительном перемешивании составляет до 3 мин, боя железосодержащих брикетов до 2,5 мин, окатышей железной руды до 2 мин от начала перемешивания.

6. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что в процессе приготовления бетонной смеси в смеситель с насыщенным заполнителем в порядке очередности подают и перемешивают между собой остальные компоненты: мелкий тяжелый заполнитель, добавку - НТФ, портландцемент, оставшиеся суперпластификатор и воду затворения объемом 2/3 от расчетного количества.

7. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что в процессе предварительного перемешивания используют избыточную воду в объеме от 35 до 55 л на 1 м3 бетонной смеси.

www.findpatent.ru

Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

ч. 1

Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов

Рассматривается технология производства высокопрочных (с прочностью 150–200 МПа) бетонов.

Значение терминов “высокопрочный”, “особо высокопрочный”, “суперпрочный” бетон постоянно менялось. В практике строительства зданий и сооружений из железобетона в России максимальная прочность использованного высокопрочного бетона, по нашим данным, не превышала марки М1000.

В практике строительства из железобетона в США, Японии, Канады, Норвегии, Германии используются бетоны с прочностью 120–140 МПа. В лабораториях этих стран разработаны щебеночные и бесщебеночные тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны из самоуплотняющихся смесей с прочностью 150–250 МПа. Перспективы использования таких бетонов с чрезвычайно высокой прочностью на растяжение и трещиностойкостью, которая обеспечиваются во всем объеме конструкций за счет использования тонкой и короткой арматуры (геометрический фактор L/d = 30–60), будут постоянно расширяться. Хотя стоимость таких бетонов в 1,5–1,8 раза выше бетонов классов В30–50, однако снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяет экономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза.

Помимо этого, во столько же раз снижаются транспортные расходы, значительно снижается масса зданий и сооружений.

В России особо высокопрочные бетоны пока не востребованы. Нет условий для их получения хотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективные отечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы. Горнодобывающая промышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12 мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельной поверхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеют достаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростными смесительными агрегатами.

В теории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей с расплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Не изучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей.

Предложенная ранее [2, 3] классификация реологических матриц для высокоподвижных и литых бетонных смесей, отличающихся различными масштабными уровнями и обеспечивающих минимальное предельное напряжение сдвига, позволяет сформулировать основные принципы создания высокопрочных (ВПБ) и особо высокопрочных (ОВПБ) бетонов с супер- и гиперпластификаторами, с каменной мукой и реакционноактивными добавками. Оптимальное соотношение компонентов в реологических матрицах бетонных смесей для бетонов общего назначения с каменной мукой с небольшими расходами портландцемента также приводит к существенному повышению прочности [4].

Введение в бетонную смесь супер- и гиперпластификаторов и реакционноактивных пуццолановых добавок микрокремнезема (МК) и микрометакаолина (ММК) — условие необходимое, но недостаточное для создания ВПБ и ОВПБ с прочностью 150–200 МПа. Используя суперразжижители в бетонах традиционных составов, обеспечивающих заполнение каркаса бетона максимальным количеством щебня, можно увеличить прочность бетона в “тощих” составах на 10–15 %, а в “жирных” — на 25–40 %. Добавляя МК или ММК, можно связать до 20 % гидролизной извести из алита и белита и повысить прочность бетона на 20–50 %. В итоге общее увеличение прочности может быть полуторо-двукратным. Используя для бетона М500 экономичный состав с соотношением компонентов Ц:П:Щ = 1:1,5:2 при расходе цемента 500 кг с маркой его М550, можно при В/Ц=0,38 получить марку бетона 500. При введении суперпластификатора и снижении расхода воды до 20–25 % можно повысить прочность до 65–75 МПа. При введении МК в количестве 15–20% от массы портландцемента можно из самоуплотняющихся бетонных смесей достигнуть прочности бетона 80–100 МПа. Такое значение прочности является предельным для традиционных составов бетона. При этом концентрация твердой фазы, вычисляемая как отношение суммы объемов цемента, песка и щебня к 1 м3 бетона, будет очень высокой и составит 85–89 % при водотвердом отношении бетонной смеси 0,072–0,090.

В статье [5] приводятся результаты испытания высокопрочного бетона, изготовленного с использованием ВНВ-100 активностью 92 МПа, мытого гранитного щебня, крупного песка и МК. Бетон имел к 28 сут. нормального твердения прочность при сжатии всего 86 МПа. Это является доказательством того, что дальнейшее повышение прочности невозможно без кардинального изменения состава и топологической структуры бетона. Новая рецептура и структура высокопрочных бетонов должна увеличить объем реологической водно-дисперсной матрицы (Vдп) первого рода, состоящей из цемента, добавки МК и воды. Эта более объемная матрица должна обеспечить свободное перемещение частиц песка в водно-дисперсной системе.

Повышение коэффициента раздвижки зерен песка можно осуществить за счет добавления воды. Но это приводит к расслаиванию бетонной смеси и снижению прочности бетона.

В бетонах нового поколения объем реологической матрицы необходимо увеличивать добавлением к цементу не только МК, но и дисперсных частиц каменной муки микрометрического масштабного уровня. При этом замена цемента каменной мукой, как правило, не в состоянии значительно увеличить объем дисперсной реологической матрицы, если истинная плотность горной породы незначительно уступает плотности портландцемента. Объем дисперсной матрицы может быть еще меньше, если замещающая некоторую долю цемента каменная мука, будучи более реологически активной в суспензии с суперпластификатором, чем цементная суспензия, снизит количество воды. В этом случае мука, обеспечивая более высокую гравитационную растекаемость при минимуме содержания воды, чем цементная суспензия, еще более понизит содержание водно-дисперсной системы за счет сокращения объема воды. При значительном добавлении к цементу мука позволит существенно увеличить объем водно-дисперсной матрицы с высоким водоредуцирующим индексом (ВИ). ВИ большинства портландцементов в суспензиях составляет 1,6–2,0 и редко выше. Некоторые виды карбонатных и силицитовых каменных пород имеют ВИ = 2–4, а отдельные оксиды — до 4–6. Смеси цемента с некоторыми видами каменной муки обладают синергетическим действием (соразжижением), и их суспензии обеспечивают реологический индекс 2–3, то есть двух-трехкратное уменьшение количества воды при сохранении текучести с предельным напряжением сдвига 5–10 Па.

Второй важный для обеспечения “высокой” реологии бетонных смесей для высокопрочных бетонов фактор — увеличение подвижности за счет увеличения объема цементно-водно-песчаной реологической матрицы второго уровня. Она должна обеспечить свободное перемещение зерен щебня в цементно-песчаной (растворной) смеси, то есть необходима существенная раздвижка зерен щебня.

При расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня. В формулах расчета состава бетона это учитывается коэффициентом раздвижки зерен щебня α, который варьирует от 1,1 до 1,5. Сделать коэффициент раздвижки выше 1,5 можно за счет увеличения доли песка или объема цементного теста. В первом случае бетон становится “запесоченным”, с пониженной прочностью. Во втором — бетон становится более дорогим из-за значительного снижения доли щебня, увеличения содержания цемента.

при расчете состава бетона по методу абсолютных объемов достижение рациональной реологии обеспечивается увеличением прослойки цементного теста между частицами песка и прослойки цементно-песчаного раствора между зернами щебня

 

Для высокопрочных бетонов повышение количества цемента на 10–20 % свыше 500 кг/м3 является неизбежным. Соответственно, необходимо увеличить долю каменной муки, а также МК или ММК, чтобы уменьшить содержание щебня и песка.

Таким образом, топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетонов принципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок 300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебня в цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывной гранулометрии щебня, “незыблемый” для традиционных бетонов, не является обязательным. Иными словами, бетон должен быть с “плавающей” структурой песка и щебня, то есть малопесчаным и малощебеночным.

Введем в качестве критериальных параметров такой структуры критерий избытка абсолютного объемов реологической дисперсной матрицы над абсолютным объемом песка и критерий избытка объема реологической цементно-дисперсно-песчаной матрицы над объемом щебня:

, (1)

, (2)

где — абсолютные объемы цемента, каменной муки, МК, песка, щебня и воды соответственно.

Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычных и высокопрочных бетонов представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Объемы компонентов на 1 м3 в рецептуре обычного (а) и высокопрочного (б) бетонов

Проведенными исследованиями установлено, что если в обычных бетонах варьируется от 1,2 до 1,6, — от 1,15 до 1,5, то для ВПБ и ОВПБ изменяется от 3,0 до 3,5, а — от 2,2 до 2,5. В отдельных высокопрочных бетонах значения этих критериев могут быть еще больше: =3,5–3,9, =3,0–3,5.

В табл. 1 представлены расчеты критериев и для ВПБ, ОВПБ и бетонов общего назначения. Составы дисперсно-армированных ВПБ (составы 1–3), изготовленных из бетонной смеси с использованием кварцевой муки и МК с осадкой большого конуса (немецкий стандарт) 55–60 мм и прочностные показатели бетонов взяты из статьи [6]. Состав бетона повышенной прочности (состав 4), изготовленного из бетонной смеси на ВНВ-100 (содержание СП не указывается) с 10 % МК от массы цемента, взяты из статьи [5].

№ состава Расход материалов на 1 м3, кг/л В/Ц В/Ц+Д ρ бетонной смеси, кг/м3 (без

фибры)

Объемы матриц, л Rсж, МПа, НУ Rсж, МПа,ТО
Ц П Щ Добавка (Д) Ф В СП
МК КМ* ** **
1 630***

203

433

166,5

867

289

158***

60,8

197

82,2

192

24,6

151

151

8,0 0,24 0,153 2449     3,04 2,33 155-172 182–184
2 580***

188

354

136

711

237

177

73,7

325

125

194

24,9

163

163

9,2 0,28 0,150 2383 527 663,7 3,9 3,53 191–202
3 722***

233

425

163

850

283

181

69,6

118

49

192

24,6

157

157

8,0 0,22 0,154 2430 509 672 3,12 2,37 192–210
4 569****

183

617

233

901

334

57

24

194

194

ВНВ 0,34 0,31 2338 301 634 1,72 1,90 86,0
5 500•

161

620

234

1132

419

180

180

4,0 0,36 341 575 1,46 1,37 69,5
6 450•

145

616

232

1140

422

50•

22

180

180

5,2 0,40 0,36 347 579 1,49 1,37 73,4
7 400

129

600

230

1150

426

200

200

0,50 2350 329 559 1,43 1,31 32,0
8 400

129

692

266

1134

420

168

168

4,0 0,40 2394 303 569 1,14 1,35 38,0
 

Таблица 1. Сравнение составов высокопрочных и обычных бетонов и анализ реологических матриц

Примечания:

1. Составы бетона с метакаолином приведены в [1].

2. Расчет критериев и выполнен по формулам 1 и 2.

3. Составы 1–3 и их прочностные показатели приведены в [6].

4. Состав 4 и его значение прочности приведены в [5].

Бетон общего назначения (составы 7, 8) без и с СП, с увеличением расхода песка на 10 % и без уменьшения расхода щебня на 10%, с уменьшенным расходом воды, в соответствие с ранними рекомендациями НИИЖБ (для уменьшения расслаиваемости), изготовлены нами.

Как следует из таблицы, все ВПБ [6] имеют высокие значения и за счет значительного добавления МК и каменной муки (КМ).

В бетонах, изготовленных только с дисперсной добавкой МК [5], объемы реологических матриц при солидном расходе цемента хоть и увеличились в 1,7–1,9 раз по сравнению с бетонами общего назначения, но существенно ниже, чем должны быть в структуре супербетонов. Таким образом, цемент низкой водопотребности, который обычно обеспечивает в суспензии высокий ВИ (по нашим исследованиям, 2,1–2,5), не в состоянии сделать бетон высокопрочным. Поэтому для достижения высокой прочности бетона на ВНВ его необходимо также использовать с добавкой каменной муки для создания рациональной топологической структуры бетона, а не только обеспечить высокий разжижающий эффект СП в ВНВ. Разжижающая способность суперпластификатора в ВНВ высокая, а объема дисперсной фазы для обеспечения свободного перемещения частиц песка и зерен щебня в достаточном количестве не имеется. Для бетонов высокой прочности более эффективны не ВНВ-100, а ВНВ-60–70, содержание которых в бетоне должна быть 900–1000 кг на 1 м3 бетона.

В статье [1] приведены составы бетонов, один из которых изготовлен с СП (состав 5), а другой с СП и метакаолином (состав 6), замещающим 10 % цемента. Как следует из таблицы, замена портландцемента метакаолином позволила повысить прочность бетона лишь на 6 % по сравнению с контрольным. Критерии и практически остались на том же уровне, что и в обычном бетоне без СП с прочностью 32 МПа.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Кардинальное повышение прочности бетонов с суперпластификаторами от марки 1000 до марки 1500–2000 при активности цемента 500–550 достигается рационально подобранным составом и многокомпонентностью бетона, а также за счет рациональной реологии и дополнительного синтеза гидросиликатов в капиллярно-пористой структуре цементного камня.

2. Улучшение реологии путем существенного разжижения цементно-водной матрицы обеспечивается использованием эффективных супер- и гиперпластификаторов и значительным водопонижением в бетонных смесях.

3. Использование эффективных супер- и гиперпластификаторов для повышения прочности бетонов рационных составов, содержащих 400–500 кг цемента, является условием необходимым, но недостаточным вследствие ограниченного содержания цементно-водной матрицы, определяющей реологию гравитационного течения щебеночных бетонных смесей.

4. Увеличение объема цементно-водной матрицы, а вместе с ней и прочности, можно достигнуть повышением содержания цемента до 800–1000 кг на 1 м3 бетона. Однако такие бетоны с пониженным содержанием крупного заполнителя являются сильно усадочными, нетрещиностойкими и недолговечными. Они обладают повышенной ползучестью.

5. Для увеличения объема тонкодисперсной реологической матрицы в бетонных смесях необходимо добавлять к цементу значительное количество каменной муки, повышая ее долю до 50–70 % и более к массе цемента. Такая матрица, кардинально меняющая состав и топологическую структуру бетона, превращая бетон в малопесчаный, обеспечит свободное перемещение частиц песка в минерально-водно-цементной системе.

6. Не всякая каменная мука может быть использована для увеличения объема реологической матрицы из дисперсных частиц микрометрического уровня. Каменная мука должна быть реологически активной в суспензии с суперпластификатором и обеспечивать более высокую гравитационную растекаемость (текучесть под действием собственного веса), чем цементная суспензия. Реологические свойства такой суспензии должны обеспечивать высокий водоредуцирующий индекс при водопонижении с сохранением текучести.

7. Водоредуцирующий индекс (ВИ) в пластифицированной суспензии каменной муки, оцениваемый при равной текучести с непластифицированной, равный ВИ=Вн/Вп, где Вн и Вп — водосодержание муки без СП и с СП в % к массе муки, должен быть не менее 2,0–2,2. Уменьшение расхода воды в большее число раз является гарантией достижения высокой объемной концентрации твердой фазы в объеме саморастекающейся бетонной смеси.

8. Высокая реологическая активность каменной муки должна обеспечивать высокую (более высокую) активность смеси “цемент — мука” в их суспензии с суперпластификатором. При этом возможно как синергетическое усиление эффекта действия суперпластификаторов, так и антагонистическое, приводящее к водосодержанию более высокому, чем по правилу аддитивности. При выборе каменной муки предпочтение отдается той, которая хорошо сочетается в паре с портландцементом, обеспечивая гравитационное течение в бинарной водно-минеральной дисперсии с минимальным количеством воды (14–18 %) и наименьшим пределом текучести (5–10 МПа).

9. Реализация более высокой прочности за счет синтеза дополнительного количества гидросиликатов в структуре бетона достигается добавками активного МК, ММК или кислой золы мультициклонов (с минимальным количеством несгоревших остатков), доля которых составляет 10–30 % и зависит от содержания портландцемента.

10. Высокодисперсные активные добавки не должны иметь открытой пористости в отличие от природных капиллярно-пористых пуццолановых добавок (трепел, опока, диатомит и т. п.). При такой микроструктуре они усиливают реологическую активность минерально-водно-цементной матрицы за счет размещения частиц нанометрического масштабного уровня (100–1000 нм) во вмещающих пустотах портландцемента и муки микрометрического масштабного уровня. Такое взаимосочетание размеров определяет принцип оптимальной гранулометрии портландцементно-минерально-микрокремнеземистой порошковой смеси и усиливают взвешивающую способность матрицы для частиц песка, исключающей расслоение.

11. Увеличение количества портландцемента для высокопрочных бетонов на 20–30 %, по сравнению с общепринятыми расходами 500–600 кг для марок 400–500 неизбежно. В связи с этим при расходах цемента 600–700 кг, каменной муки 300–500 кг и микрокремнезема 100–200 кг на 1 м3 бетонной смеси общая масса минерально-портландцементного порошка составит 1000–1100 кг, а песка и щебня — 1200–1300 кг. Таким образом, ВПБ и ОВПБ всегда должны быть малопесчаными и малощебеночными, то есть с “плавающей” структурой песка в дисперсной матрице и щебня в зернисто-дисперсной матрице.

12. Структура и топология ВПБ и ОВПБ отличается от структуры обычного бетона превращением доли зернисто-щебеночной компоненты обычных бетонов в дисперсную компоненту ВПБ и ОВПБ. Такое изменение структуры состава бетонной смеси обеспечивает не только значительное снижение сопротивления свободному перемещению частиц песка и щебня в реологических матрицах с различными масштабными уровнями, но и высокую плотность дисперсной матрицы с незначительными усадочными деформациями и ползучестью под нагрузкой.

13. Важными критериями состава структуры и топологии бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ являются критерии избытка абсолютного объема реологической дисперсной матрицы над объемом песка и избытка — абсолютного объема реологической цементно-минерально-песчанной матрицы над объемом щебня . При этом должен находится в пределах 3,0–3,5 , а — 2,3–2,5. В бетонах высокой прочности с содержанием МК до 30–35 %, подвергаемых продолжительной тепловой обработке, может повышаться до 3,8–4,0, — до 3,0–3,5.

14. Каменная мука для изготовления ВПБ и ОВПБ должна изготавливаться из прочных и плотных горных пород для исключения капиллярного поглощения раствора СП и обезвоживания бетонной смеси в процессе ее приготовления и укладки.

15. Щебень для изготовления бетонов должен обладать высокой прочностью. Предпочтительна фракция щебня 3–10 или 3–12 мм с минимальным количеством лещадных и игловатых частиц.

16. Приготовление качественных бетонных смесей связано с правильно выбранной процедурой смешения компонентов и высокоинтенсивным перемешиванием компонентов. Для уменьшения энергии на перемешивание целесообразно использовать смесители с переменной скоростью вращения и специальных лопастей малого диаметра. Для микрооднородного смешивания компонентов бетонной смеси целесообразно использовать бетоносмесители немецкой формы “Eirich”.

17. Саморастекающаяся и самоуплотняющаяся бетонная смесь для ВПБ и ОВПБ обладает после укладки и начального твердения высокой аутогенной усадкой, величина которой может достигать 0,8–1,0 мм/м и более. Причина ее связана не с испарением воды, а с повышенной химической контракцией и контракцией, связанной с более плотной адсорбцией молекул воды на частицах дисперсной фазы, содержание которой значительно выше, чем в обычных бетонах. Этот процесс определяет формирование высокой плотности и прочности.

18. В процессе интенсивного перемешивания бетонной смеси с суперпластификатором неизбежно вовлечение пузырьков воздуха. После укладки бетонной смеси воздушные пузырьки частично удаляются из объема под действием сил Архимеда. В связи с быстрым образованием в поверхности изделий, контактирующих с воздухом, плотного слоя необходимо покрывать изделие пленкой, препятствующей испарению воды и не мешающей удалению пузырьков воздуха.

19. Отформованные изделия из бетонных смесей для ВПБ и ОВПБ в большей степени нуждаются в защите от обезвоживания в связи с малым содержанием воды.

20. Для получения пропаренных изделий с более высокой прочностью (200–250 МПа) долю МК можно увеличить до 30 % и использовать кварцевую муку. В этом случае могут быть использованы жесткие режимы тепловой обработки (до 90–95 С) с большой продолжительностью изотермии (до 24–36 ч).

21. Высокая прочность на осевое сжатие ВПБ и ОВПБ (а вместе с ней и высокая хрупкость и непропорционально низкая прочность на осевое растяжение) открывает широкие возможности для дисперсного армирования таких бетонов короткой и тонкой высокопрочной арматурой при низких объемных степенях армирования. Это позволяет получать ВПБ и ОВПБ с прочностью на осевое растяжение 10–12 МПа и на растяжение при изгибе 20–40 МПа.

Литература:

1. Дворкин Л. И., Лушникова Н. В. Свойства высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина // Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. — С. 78–83.

2. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 1. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 5. — С. 8–10.

3. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 2. Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона нового поколения // Технологии бетонов. — 2007. — № 6. — С. 8–11.

4. Калашников В. И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов — 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. — 2008. — № 1. — С. 22–26.

5. Фаликман В. Р., Калашников О. О. “Внутренний уход” за особовысокопрочными быстротвердеющими бетонами // Технологии бетонов. — 2006. — № 5. — С. 46–47.

6. Schmidt M. et al. Ultra-Hochfester Beton: Perspektive fur die Betonfertigteiling industrial // Betonwerk+Fertigtal-Technik. — 2003. — № 3. — S. 16–29.

Автор: В. И. Калашников, д. т. н., профессор

 ч. 1

ansya.ru