Высокодисперсные наполнители для порошково-активированных бетонов нового поколения. Порошково активированные бетоны


ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ – МНОГОУРОВНЕВО-МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ | Опубликовать статью РИНЦ

Дыкин И.В.1, Величко Е.Г.2, Ерёмин А.В.3

ORCID: 0000-0002-7173-0428, 1аспирант, 2доктор технических наук, 3аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ – МНОГОУРОВНЕВО-МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

Аннотация

Изложены вопросы структуры и некоторые принципы синтеза дисперсно-модифицированных цементных систем, позволяющих получать бетоны нового поколения с высокими строительно-технических свойствами и оптимизированными расходами сырьевых материалов. Описаны некоторые механизмы структурообразования, предопределяющих свойства дисперсно-оптимизированных цементных систем, а также механика получения плотных упаковок дисперсной фазы.

Ключевые слова: бетон, модификация, цементная система.

Dykin I.V.1, Velichko E.G.2, Eremin A.V.3

ORCID: 0000-0002-7173-0428, 1Postgraduate student, 2PhD in Engineering, 3Postgraduate student, National research Moscow state university of civil engineering

POWDER-ACTIVATED CONCRETES – MULTILEVEL-MODIFIED CONCRETE SYSTEMS

Abstract

The paper presents the issues of the structure and some principles of synthesis of dispersion-modified concrete systems allowing to obtain concretes of a new generation with good construction and technical properties and optimized consumption of raw materials. We describe some of the structuring mechanisms, which predetermine the properties of dispersion-optimized concrete systems, as well as the mechanics of obtaining density packing of the dispersed phase.

Keywords: concrete, modification, cement system.

Порошково-активированные бетоны, называемые Reactive Powder Concrete (RPC) – это высокоэффективные строительные композиционные материалы с минимальным содержанием вяжущего вещества и высокими строительно-техническими свойствами.

Синтез порошково-активированных бетонов основывается на подборе оптимального дисперсно-гранулометрического состава, который определяется однородным распределением компонентов на различных структурных уровнях, подборе оптимальных значений пуццоланической активности, а также модуля упругости.

Создание такого уровня плотных упаковок частиц и зёрен обеспечивается их однородным распределением в соответствии с электрокинетическим потенциалом и напряженным состоянием. Например, оптимальное расстояние между частицами заполняющей фракции первого уровня по напряженному состоянию составляет 2D (D – размер частицы), а их объемная доля – 0,2 [1]. При означенных параметрах дисперсные частицы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, поля энергии их деформации не накладываются и не вносят соответствующий вклад в напряженное состояние материала. Установлено также, что 95% энергии деформации, связанной с частицей и окружающей ее матрицей, находится в пределах сферического объема радиусом D от центра частицы [9]. Таким образом, частицы могут рассматриваться как изолированные друг от друга только в том случае, если расстояние между ними больше 2D или объемная доля меньше 0,2, что корреспондируется с результатами исследований многокомпонентных цементных систем (МЦС) с минеральными модификаторами (ММ) [2,3]. Кроме того, в реальных композитных системах имеется вероятность того, что две или большее количество дисперсных частиц могут объединиться, и будут представлять собой отдельный агрегат. Вероятность соприкосновения двух и трех частиц при содержании ММ в МЦС в количестве 50% соответственно составляет 0,5 и 0,02 [6]. В таких микрообъемах цементных систем пуццолановая реакция практически не протекает, и они представляют собой псевдопоры размером 5-7 мкм (случай трех частиц) и 0,5-1,5 мкм (случай двух частиц). Означенные дефекты структуры вносят значимый вклад в снижение морозостойкости, деформативных и прочностных характеристик цементного камня и распределяются так же, как пары и тройки дисперсных частиц, а параметрами распределений являются их содержание и размер [7].

Таким образом, объемная доля и дисперсный размер частиц каждой последующей фракции материала должны соответствовать размеру межчастичных пустот и их объему в предыдущей [8]. Объем оставшихся пустот в синтезированной таким образом системе будет минимальным. При недостаточном содержании частиц любого уровня для заполнения соответствующих пустот в предыдущем будет формироваться неоднородная более неупорядоченная с высокой энтропией структура цементного камня с относительно «низкой» прочностью, а при повышенном – будет наблюдаться агрегация частиц и, например, для минеральных добавок образование псевдопор, кроме того частицы предыдущего уровня в таких микрообъёмах будут раздвинуты на определённые расстояния, повысится их пористость, уменьшится концентрация твёрдой фазы и, в результате, также произойдёт снижение прочности материала.

Влияние на подбор компонентов для синтеза RPC-композитов, обеспечивающих однородное распределение частиц на различных структурных уровнях по дисперсности с целью формирования более упорядоченной микроструктуры, оказывает обеспечение процесса их гидратации, а также протекание пуццолановой реакции между частицами соседних уровней.

Кроме того, для обеспечения высоких строительно-технических свойств RPC-композитов модули упругости компонентов должны быть высокими и наиболее целесообразно близкими по значению.

Оценивая влияние модуля упругости на синтез прочности композитных материалов с дисперсными частицами отмечают, что он наиболее широко изучен и обсужден [1]. В общем случае дисперсная фаза либо уменьшает, либо увеличивает модуль упругости матричной фазы в зависимости от того, будет ли модуль дисперсных частиц, соответственно, меньше или больше модуля упругости матрицы. В работах Д.Пауля, З.Хашина, С.Штрикмана и др. с использованием теорем об энергии деформации получены уравнения для определения модуля композита в зависимости от модулей упругости матрицы, дисперсной фазы и объемного содержания последней. Однако трещины, которые могут развиваться в процессе охлаждения композита ниже температуры его изготовления, поры, образующиеся в процессе изготовления, а также псевдопоры, образующиеся под напряжением вследствие слабой связи по поверхностям раздела фаз, приводят к значительно более низким модулям упругости относительно, рассчитанных теоретически. Очевидно, что модуль упругости цементного камня с ММ определяется модулем упругости гидратных фаз, а также модулями упругости реликтов частиц клинкерного компонента и ММ. Модуль упругости реликтов частиц клинкера оценивается значениями в несколько раз превышающими аналогичные значения для гидратных фаз. Вследствие этого наиболее эффективным ММ цементных систем является тонкодисперсный доменный гранулированный шлак, частицы которого, как и портландцемента, характеризуется высокими прочностью и модулем упругости, и способностью к самостоятельному гидравлическому твердению. Гидратация минералов шлака значимо повышает плотность и прочность цементного камня, особенно в контактной зоне с портландцементными гидратными фазами, а его реликты, являясь более крупными, как и реликты частиц клинкера, внесут значимый вклад в интегральный модуль упругости и прочность синтезируемой многокомпонентной системы.

Увеличение прочностных показателей RPC-композитов помимо повышения плотности исходной упаковки частиц обеспечивается также ограничением степени гидратации минералов клинкера с сохранением максимального объема негидратированной части – реликтов частиц с прочностью 310 МПа (средняя прочность гидратных фаз – 135МПа).

Таким образом, синтез многокомпонентной цементной системы целесообразно осуществлять с использованием следующих принципиальных положений.

Мелкий заполнитель для RPC-композитов принимается в виде пяти фракций, в диапазоне 0,08 – 1,6 мм, обеспечивающих значимое снижение его межзерновой пустотности.

Объем многокомпонентной вяжущей составляющей определяется по методу абсолютных объемов, а дисперсные структурные уровни могут быть синтезированы следующим образом. Первый уровень в виде портландцемента с целью обеспечения длительного сохранения прочных с высоким модулем упругости реликтов частиц клинкера в цементном камне. Для заполнения первого уровня межчастичных пустот портландцемента промышленного помола применяется тонкодисперсный доменный гранулированный шлак в количестве 22% массы [4], для второго уровня – высокодисперсный портландцемент – 9%, в т. ч. допускается гидромеханохимически активированный [6], а для третьего – микрокремнезем -1% – с удельной дисперсностью 18000-21000 м2/кг. При таком выборе компонентов RPC обеспечивается высокая концентрация твердой фазы в единице объема многокомпонентного вяжущего вещества, однородное протекание пуццолановой реакции в микрообъемах матрицы, а также высокий уровень размера реликтов относительно грубодисперсной фракции клинкерного компонента.

Однако следует отметить, что высокая водопотребность синтезированного таким способом RPC требует обязательного применения суперпластифицирующих-суперводоредуцирующих добавок, например, наиболее эффективных поликарбоксилатного типа [5].

Экспериментальные исследования прочности бетона проводили с использованием в качестве мелкого заполнителя полифракционного песка, портландцемента марки ПЦ500-Д0 Шуровского завода, в т.ч. тонкодисперсный цемент Rheocem 900, тонкодисперсного шлака Липецкого металлургического комбината, микрокремнезема.

Дисперсно-гранулометрический состав сырьевых компонентов указан в табл. 1. Измерения проводились согласно ISO 13320-1:2009 «Анализ размера частиц. Методы лазерной дифракции» на лазерном микроанализаторе размеров частиц «Analysette 22»

 

Таблица 1 – Дисперсно-гранулометрический состав сырьевых компонентов

Образец Средний размер частиц (d50), мкм Максимальный размер частиц (d95), мкм Содержание частиц менее 2 мкм, % по массе Удельная поверхность
Цемент (Щурово) 15,780 43,178 9,81 3200
Шлак 17,120 73,857 13,14 4300
Rheocem900 2,811 14,641 25,3 8200

 

Содержание многокомпонентного цемента, синтезированного из означенных составляющих в оптимальных количествах, принималось равным 600, 700 и 800 кг/м3 бетона. В качестве суперпластификатора в бетонной смеси использовался Glenium ACE 430 -2%, а также Melflux 1641F. Прочность бетона после твердения в нормальных условиях в возрасте 1 сутки составила при означенных выше расходах цемента соответственно 37,2; 42,4; 58,8Мпа, в возрасте 7 сут 60,4, 66,3, 71,8Мпа, а в 28 суток – 105; 119; 132 МПа. Результаты микроструктурного анализа полученных образов приведена в рис.1. Исследования проводились на сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа Apollo 40.

10-03-2017 11-20-42

Рис. 1 – (а) Снимок на электронном микроскопе образца цементного бетона, (б) Снимки на электронном микроскопе образца порошково-активированного бетона

Необходимо отметить, что структура порошково-активированного бетона (рис.1б) характеризуется высоким содержанием низкоосновных плотных волокнистых дендритоподобных гидросиликатов кальция, повышающих прочность не только на сжатие, но и на растяжение. Элементным анализом установлено, что содержание свободного гидросиликата кальция уменьшилось на 37%, очевидно вступившего в взаимодействие с диоксидом кремния с образованием вторичных прочных гидросиликатов кальция, содержащих значимо меньшее количество химически-связанной воды.

Полученные результаты указывают на то, что изложенные выше принципы подбора дисперсно-гранулометрического состава позволяют получать высокоэффективные порошково-активированные бетоны с минимальным содержанием вяжущего вещества и высокими строительно-техническими свойствами.

Список литературы / References

  1. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице / Композиционные материалы. Разрушение и усталость. Редактор Л.Браутман. Редактор перевода Г.П.Черепанов. М.: Мир, 1978, с. 11-57.
  2. Величко Е.Г., Белякова Ж.С. Физико-химические и методологические основы получения многокомпонентных систем оптимизированного состава / Строит. материалы. 1995, № 3, с. 27-30.
  3. Белякова Ж.C., Величко Е.Г., Комар А.Г. Экологические, материаловедческие и технологические аспекты применения зол ТЭС в бетоне / Строительные материалы, 2001, №3, С. 46-48.
  4. Цховребов Э.С., Величко Е.Г. Вопросы охраны окружающей среды и здоровья человека в процессе обращения строительных материалов / Строительные материалы, 2014, № 5, C. 99-103.
  5. Величко Е.Г. Строение и основные свойства строительных материалов. Учебное пособие / М., 2014. – 496с.
  6. Величко Е.Г., Дыкин И.В. Многоуровневая дисперсно-гранулометрическая модификация цементных систем / Бетон и железобетон – взгляд в будущее. Том 4. Редакторы Е.Д. Нефёдова, И.Н. Фоманова, В.К. Чупрова, М.: МИСИ-МГСУ, 2014. с. 272-279.
  7. Энтин З.Б., Юдович Б.Э. Многокомпонентные цементы. – Научн. тр. / НИИцемент, вып 107., 1994, с. 3-76.
  8. Дыкин И.В. Основные принципы оптимизации дисперсно-гранулометрического состава порошково-активированных бетонов нового поколения / Строительство – формирование среды жизнедеятельности, 2015, с.834-837.
  9. Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. / М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009, 309.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Leng F.F. Razrushenie kompozitov s dispersnyimi chasticami v hrupkoy matrice [Fracture of composites with dispersed particles in a brittle matrix] / Composicionnjie materialji. Razrushenie i ustalost. Editor L. Brautman. Translation editor G. P. Cherepanov. M.: Mir, 1978, p. 11-57. [in Russian]
  2. Velichko E.G., Belyakova J.S. Fisiko-himicheskie i metodologicheskie osnovji poluchenija mnogokomponentnjih system optimizirovannogo sostava [Physico-chemical methodological basis for the production of multi component systems of the optimized structure] / Stroitelnye materialy, 1995, № 3, p. 27-30. [in Russian]
  3. Belyakova J.S., Velichko E.G., Komar A.G. Ekologicheskie, materialovedcheskie i tehnologicheskie aspektji primenenija zol TES v betone [Environmental, material science and technological aspects of the use of ash TPP in concrete structure] / Stroitelnye materialy, 2001, №3 , p. 46-48. [in Russian]
  4. Chovrebov E.S., Velichko E.G. Voprosji ohranji okruzhajushey sredji i zdorovja cheloveka v processe obrashenija stroitelnjih materialov [The issues of environmental protection and human health in the process of handling construction materials] / Stroitelnye materialy, 2014, №5 , p. 99-103. [in Russian]
  5. Velichko E.G. Stroenie I osnovnjie svoystva stroitelnjih materialov. Uchebnoe posobie. [The structure and basic properties of construction materials. Tutorial] / M., 2014. – 496p. [in Russian]
  6. Velichko E.G., Dykin I.V. Mnogourovnevaja dispersno-granulometricheskaja modifikacija cementnjih sistem [Multilevel optimization of dispersed composition of cement systems] / Beton i zhelezobeton – vzgljad v budushee. Tom 4. Editors E.D. Nefedova, I.N. Fomanova, V.K. Chupronova, M.: MISI-MGSU, 2014, p. 272-279. [in Russian]
  7. Antin Z.B., Judovich B.A. Mnogokomponentnjie cementji. – Nauchnjie trudji [Mult-component cements. – Scientific work] / NIIcement, rel. 107., 1994, p.3-76.
  8. Dykin I.V. Osnovnjie principji optimisacii dispersno-granulometricheskogo sostava poroshkovo-aktivirovannjih betonov novogo pokolenija [Basic principles of optimization of dispersion-particle size composition of powder-activated concretes of a new generation] / Stroitelstvo – formirovanie sredji zhisnedejatelnosti, 2015, p.834-837. [in Russian]
  9. Melichov I.V. Fisiko-himicheskaya evoljucija tverdogo veshestva [Physico-chemical evolution of solids] / M.: Binom. Laboratoriya znaniy, 2009, 309. [in Russian]

research-journal.org

Порошково-активированные бетоны. ООО Сверхпрочные экономичные бетоны

Почему Россия 20 лет не переходит на

Почему Россия 20 лет не переходит на Почему Россия 20 лет не переходит на композиционное вяжущее? Кан. техн. наук (изобретатель): Володин Владимир Что не так с современными бетонами? За последние 20 лет ситуация в создании новых бетонов более

Подробнее

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ Архитектурные покрытия (ЛКМ) Структурные материалы (Бетоны) Отделочные материалы (Дерево) Дорожное строительство ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЕТЕНЦИИ Цементы и другие минеральные

Подробнее

ТЕРЕШКИН И. П., МИРСКИЙ В. А.,

ТЕРЕШКИН И. П., МИРСКИЙ В. А., ТЕРЕШКИН И. П., МИРСКИЙ В. А., КОЧЕТКОВ А. А., РУМЯНЦЕВ А. В. ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ НА ПЕСКАХ ВОЕВОДСКИХ И УСКЛЯЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ Аннотация. В данной статье представлены

Подробнее

ЦЕМЕНТ СУЛЬФОАЛЮМИНАТНЫЙ

ЦЕМЕНТ СУЛЬФОАЛЮМИНАТНЫЙ Общество с Ограниченной Ответственностью «ЭВОЛЮТ» Производство и комплексная поставка КОММЕРЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ ЦЕМЕНТ СУЛЬФОАЛЮМИНАТНЫЙ 2014 г. Содержание: 1. Краткое резюме компании, ООО «Эволют» 2. Продукция.

Подробнее

Высокопрочный бетон, проблемы и задачи

Высокопрочный бетон, проблемы и задачи Высокопрочный бетон, проблемы и задачи Кучук Е.В. Научный руководитель Гуриненко Н.С. Белорусский национальный технический университет Минск, Беларусь В настоящее время высокопрочными бетонами считаются

Подробнее

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ СТРОЙЛАБ Архитектурные покрытия (ЛКМ) Структурные материалы (Бетоны) Отделочные материалы (Дерево) Дорожное строительство ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЕТЕНЦИИ В проекте организована Научно-производственная

Подробнее

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В диссертационный совет Д 212.052.03 ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет» ОТЗЫВ официального оппонента, доктора технических наук, профессора кафедры технологии вяжущих веществ

Подробнее

КАТАЛОГ ПРОДУКЦИИ. www. evrosintez.ru

КАТАЛОГ ПРОДУКЦИИ. www. evrosintez.ru КАТАЛОГ ПРОДУКЦИИ Базовые модификаторы Высокоэффективные модификаторы Гиперпластификаторы на основе поликарбоксилатов Добавки для строительных растворов Противоморозные добавки Добавки для жёстких смесей

Подробнее

Сухие смеси для устройства стяжки пола

Сухие смеси для устройства стяжки пола Сухие смеси для устройства стяжки пола «БИРСС Рапид-2» «БИРСС Рапид-2» представляет собой сухую цементно-песчанную смесь на основе цемента, фракционированного песка, крупного заполнителя и химических добавок,

Подробнее

СВОЙСТВА ГИПЕРПРЕССОВАНЫХ МАТЕРИАЛОВ

СВОЙСТВА ГИПЕРПРЕССОВАНЫХ МАТЕРИАЛОВ СВОЙСТВА ГИПЕРПРЕССОВАНЫХ МАТЕРИАЛОВ В 1990 г. в Научно-производственном объединении стеновых и вяжущих материалов СССР (ВНИИСТРОМ им. П. П. Будникова) были досконально исследованы физико-технические свойства

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Суперпластификатор на основе модифицированных акриловых полимеров для высококачественного бетона с повышенной начальной механической прочностью и низким уровнем потери усадки. ОПИСАНИЕ. DYNAMON SX 08 представляет

Подробнее

Испытательная лаборатория

Испытательная лаборатория Общество с ограниченной ответственностью "КНК" Испытательная лаборатория ИНН 7447236320 КПП 74470100 454081, г.челябинск, ул. Валдайская, д. 4 «П», офис 204, тел. 8-951-7767789, E-mail: [email protected] Свидетельство

Подробнее

«Бетоны и строительные растворы»

«Бетоны и строительные растворы» Харьковский национальный университет строительства и архитектуры Кафедра физико-химической механики и технологии строительных материалов и изделий «Бетоны и строительные растворы» Лекции: проф. Ушеров-Маршак

Подробнее

Монтажно-кладочные смеси

Монтажно-кладочные смеси Монтажно-кладочные смеси «БИРСС 1М» Представляет собой высококачественную смесь, состоящую из неорганического вяжущего (портландцемент), фракционированного наполнителя, химических добавок, улучшающих пластичность

Подробнее

Материалы «Термопор» (теплоизоляция)

Материалы «Термопор» (теплоизоляция) Материалы «Термопор» (теплоизоляция) «БИРСС Термопор С» Теплоизоляционная смесь «БИРСС Термопор С» изготовлена на основе цемента, извести, легкого наполнителя и комплекса химических добавок, позволяющих

Подробнее

БАЛЫКОВ А. С., НИЗИНА Т. А., КОРОВКИН Д. И., ВОЛОДИН В. В., КАШТАНОВ А. А., КАШТАНОВА Е. А

БАЛЫКОВ А. С., НИЗИНА Т. А., КОРОВКИН Д. И., ВОЛОДИН В. В., КАШТАНОВ А. А., КАШТАНОВА Е. А БАЛЫКОВ А. С., НИЗИНА Т. А., КОРОВКИН Д. И., ВОЛОДИН В. В., КАШТАНОВ А. А., КАШТАНОВА Е. А. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ Аннотация. В статье показана возможность

Подробнее

Прайс-лист ООО «СТАНДАРТ КАЧЕСТВА»

Прайс-лист ООО «СТАНДАРТ КАЧЕСТВА» 410062, РФ, г. Саратов, ст. Трофимовский-2, площадка 2 Телефон, факс: 8(8452) 46-40-44, 8(8452) 60-60-96, e-mail: [email protected], www.stkasar.ru ИНН 6453142205, КПП 645301001, ОГРН 1156451017910 р/с 40702810409000305213

Подробнее

Добавка Д-5 LOGO ООО «НПП «ТОКАР» 2016 год

Добавка Д-5 LOGO ООО «НПП «ТОКАР» 2016 год Добавка Д-5 ООО «НПП «ТОКАР» LOGO 2016 год СОДЕРЖАНИЕ 1. Основные свойства 2. Инструкция 3. Расчет расхода Д-5 4. Преимущества 5. Контроль качества 6. Экономический эффект 7. Область применения 8. Фасовка,

Подробнее

Схема жизни бетонной конструкции

Схема жизни бетонной конструкции Схема жизни бетонной конструкции 0-3 года набор бетоном проектной прочности 3-40 лет незначительное уменьшение прочности бетона 40-45 лет быстрое разрушение бетона 0 3 года 30-35 лет 40 лет В 60-70-е года

Подробнее

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ Филиал ФГУП «НИЦ «СТРОИТЕЛЬСТВО» - «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона» «НИИЖБ» УТВЕРЖДАЮ: Директор НИИЖБ Семченков А. С. 2009 г. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ

Подробнее

ДОЛЖНОСТНЫЕ ИНСТРУКЦИИ

ДОЛЖНОСТНЫЕ ИНСТРУКЦИИ ДОЛЖНОСТНЫЕ ИНСТРУКЦИИ Утверждено постановлением Президиума РАН от 25 марта 2008 г. 196 Квалификационные характеристики по должностям научных работников научных учреждений, подведомственных Российской

Подробнее

docplayer.ru

Высокодисперсные наполнители для порошково-активированных бетонов нового поколения

Транскрипт

1 УДК : Высокодисперсные наполнители для порошково-активированных бетонов нового поколения В.И. Калашников a, Р.Н. Москвин b, Е.А Белякова c, В.С. Белякова d, А.В. Петухов e Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Титова 28, Пенза, Россия a b c d e Статья получена , принята Представлены компоненты порошково-активированных бетонов нового поколения, в том числе высокопрочных песчаных с прочностью 120 МПа и общестроительного назначения до 40 МПа. Отличительной особенностью порошковоактивированных бетонов нового поколения является повышенное содержание суспензионных составляющих, количество которых для каждого вида бетона различно. Реакционно-порошковые и порошковые пластифицированные бетоны являются суспензионными и самоуплотняющимися, т. к. содержат лишь водно-дисперсно-тонкозернистую матрицу (вода, цемент и молотая каменная мука, микрокремнезем и тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм). Благодаря этой матрице обеспечивается реологическое (разжиженное) состояние песчаных и щебеночных бетонных смесей в присутствии супер- и гиперпластификаторов. Увеличение доли водно-дисперсной матрицы достигается введением высокодисперсных микрометрических порошков из горных пород осадочного, вулканического и метаморфического происхождения. Показано, что тонкодисперсные наполнители в бетонных смесях для обычных, высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов различны по своему функциональному действию и делятся на реологически-активные, реакционно-активные и гидратационнотвердеющие, в зависимости от происхождения каменной муки и техногенных отходов. Особенно ценными являются добавки, проявляющие свойства самостоятельного твердения (металлургические шлаки и зола-унос ТЭЦ). Реологически-активные высокодисперсные наполнители для бетонов нового поколения целесообразно изготавливать из отходов камнедробления на карьерах, а реакционно-активные это отходы производства ферросилиция, микрокремнеземы. Это позволяет не только получать экономический эффект в связи со снижением расхода цемента, но и решать весьма важную экологическую задачу. Ключевые слова: тонкодисперсные наполнители, каменная мука, зола, прочность, самоуплотняющиеся бетоны. High-dispersity fillers for powder-activated concretes of new generation V.I. Kalashikov a, R.N. Moskvin b, E.A. Belyakova c, V.S. Belyakova d, A.V. Petukhov e Penza State University of Architecture and Construction; 28, G. Titova St., Penza, Russia a b c d e Received , accepted The components of powder-activated concretes of new generation have been presented in the article, including high-strength sand concrete with the strength of 120 MPa and concrete for general construction with the strength of up to 40 MPa. A distinctive feature of powder-activated concretes of new generation is the increased content of suspension components, the number of which for each type of concrete is different. Reactive-powder and powder plasticized concretes are suspension and self-sealing because they contain only water-dispersion-fine-grained matrix (water, cement and stone milled flour, silica fume and fine sand of 0,16-0,63 mm). Rheological (thin) condition of sand and gravel concrete mixes in the presence of super- and hyperplasticizers are provided by this matrix. Increase in the proportion of water-dispersed matrix is achieved by the introduction of highly dispersed powders of micrometer sedimentary stones of volcanic and metamorphic origin. It has been shown that fine fillers in concrete mixes for conventional, high-strength and ultra-high concretes differ in their functional effects and are divided into the rheologically active, reactive, and with hydrationhardening, depending on the origin of stone flour and industrial waste. Supplements showing the properties of self-hardening (metallurgical slag and fly ash) are especially valuable. Rheologically active high-dispersity fillers for concretes of new generation can be produced out of lithotripsy waste in quarries, and a reactive fillers are waste of ferrosilicon production, silica fume. This allows not only to receive an economic impact due to lower cement consumption but it also solves a very important environmental problem. Keywords: fine fillers, stone powder, fly ash, strength, self-sealing concrete. Введение. Под порошково-активированными бетонами нового поколения (термин «порошковоактивированные бетоны» введен нами и охарактеризован в работах [8, 9]) понимаются сверхпрочные, высокопрочные бетоны и бетоны с традиционной прочностью. Они включают 7-9 компонентов и имеют низкий удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем

2 Systems. Methods. Technologies V.I. Kalashikov et al. High-dispersity fillers (22) p уд Rс Ц = 3,5-6 кг/мпа. Бетонные смеси таких бетонов состоят из набора сухих компонентов с непрерывной гранулометрией частиц от макро- до пикомасштабного уровней. В порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонах нового поколения наиболее важными компонентами, определяющими реологию, являются реологически-активные дисперсные добавки, цемент и каменная мука с частицами близкого микрометрического масштабного размера. Для более прочных бетонов используют нанометрические добавки (рис. 1). Таким образом, водная дисперсия данных компонентовбетона под действием супер- и гиперпластификаторов формирует реологические матрицы бетонной смеси. Дисперсный наполнитель (каменная мука) мкм Цемент мкм Вода + СП или ГП Микрокремнеземы или наноалюмосиликаты нм Порошковоактивированная щебеночная бетонная смесь Щебень 5-20 Нанокремнеземы (осажденные) нм Тонкий кварцевый или горный дробленый песок фр. 0,1-0,5 0,16-0,63 мм Песок-заполнитель кварцевый или горный дробленый фр. 0,16-0,63 мм Рис. 1. Компоненты порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения с микро- и наномасштабными наполнителями Реологические матрицы. Тонкодисперсные матрицы в бетонных смесях для обычных, высокопрочных и особовысокопрочных бетонов по функциональному действию можно разделить на следующие виды. 1. Матрица будет реологически-активной, если в результате ее применения произойдет усиление реологического действия СП в цементно-водноминеральной суспензии или его сохранение по сравнению с цементно-водной. Данный эффект обуславливается повышенным водоредуцирующим действием СП на цементную матрицу, наполненную каменной мукой (известняк, мрамор, доломит), и, как следствие, снижением расхода воды. При этом она уменьшается в объеме, становится более плотной и более прочной, сопоставимой с прочностью крупного заполнителя (гранита, плотного известняка и т. п.). Снижение расхода цемента в традиционных бетонах марок М и уменьшение его роли в формировании прочности бетона компенсируется повышением плотности, и, как следствие, увеличением прочности. Если же такие матрицы получают значительным наполнением бетона каменной мукой, усиливающей реологическое действие СП, и объем матрицы заметно возрастает, то прочность бетона существенно увеличивается. 2. Реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие делает возможным реализовать реакционно-химическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью и другими продуктами гидратации портландцемента или, в некоторых случаях, твердеть самостоятельно. При этом реотехнологические показатели при использовании некоторых пористых пород могут быть ухудшены, т. к. происходит поглощение воды и загущение системы. Например, при введении обожженного и природного диатомита в количестве % от массы цемента в цементноминеральную суспензию водотвердое отношение увеличится на % при сохранении подвижности [2, 13]. Другими пористыми реакционно-активными породами являются опоки, трепелы, вулканические туфы. 3. Реологически- и реакционно-активная матрица также состоит из водной дисперсии цемента, каменной муки и СП, однако ее действие позволяет усиливать не только реологическое и водоредуцирующее действие СП, но и дает возможность реализовать реакционнохимическое взаимодействие очень тонких фракций микрометрической муки с гидролизной известью портландцемента. Некоторые техногенные отходы (шлак, зола) твердеют самостоятельно. К горным породам, обладающим реакционно-химической способностью, относятся кремень, халцедон, андезит, базальт, дацит, некоторые вулканические пеплы и

3 стекла, трассы, молотый гравий и другие. К искусственным материалам относятся отходы от производства некоторых видов керамики, кварцевого стекла, МК, микрокаолин, некоторые золы и шлаки и др. Все эти компоненты являются незаменимыми в составе высокопрочных бетонов. И эффективность от их применения обуславливается не только видом каменной муки, т. е. ее реакционной активностью, но и дисперсностью, которая должна быть на субмикроразмерном уровне. Обоснование решения. Исходя из анализа проведенных исследований [1, 4], установлено, что порошково-активированные песчаные или щебеночные бетоны могут быть изготовлены без этих реакционноактивных добавок, если не требуется высокая прочность. Основную функцию выполняют реологически-активные наполнители: цемент, каменная мука и тонкий песок, которые дают возможность получить большой объем цементно-минерально-водной суспензии, определяющей течение бетонных смесей. Реакционно-активный микрокремнезем (МК) в количестве % от массы цемента повышает прочность бетонов на % и в основном играет роль компонента, связывающего выделяющуюся в бетоне известь портландит и повышающего долю гидросиликатного цементирующего вещества. Он в количестве до 25 %, имея высокую дисперсность ( м 2 /кг по прибору ПСХ), в смеси с цементом практически не загущает цементно-минеральных пластифицированных суспензий и позволяет получить прирост прочности, незначительно увеличивая содержание водно-дисперсной суспензии. Повышенное содержание МК свыше 25 % приводит к потере агрегативной устойчивости с ухудшением реологических свойств. Так, при рассмотрении бетонов переходного поколения, состоящих из цемента, песка-заполнителя, щебня и воды с добавлением суперпластификатора, реологической матрицей будет являться водноцементная или водно-дисперсная суспензия (V ВЦ ). В бетонной смеси состава: цемента 310 кг/м 3 (ρ = 3,1 г/см 3 ), щебня 1200 кг/м 3 (ρ = 2,7 г/см 3 ), песказаполнителя 830 кг/м 3 (ρ = 2,65 г/см 3 ), СП 1 % от Ц и воды в количестве 140 л объем цементной суспензии составит: 310 V ВД = = 240л, 3,1 что занимает 24 % от объема бетонной смеси. При добавлении микрокремнезема (ρ = 2,3 г/см 3 ) в количестве 10 % от массы цемента, уменьшении расхода песка для сохранения объема бетонной смеси 1000 л объем V ВД, как было сказано выше, изменится незначительно: V ВД = = 253,5л, 3,1 2, 3 или 25,4 %, т. е. произойдет увеличение объема дисперсной реологической матрицы на 1,4 %. При дальнейшем увеличении количества МК до 25 % необходимо увеличение количества воды до 150 л на 1 м 3 при сохранении заданной подвижности смеси. Тогда V ВД увеличится: ,5 V ВД = = 283, 7л, 3,1 2, 3 или 28,4 % от общего объема бетонной смеси. Как видно, в бетонах переходного поколения объем водно-дисперсной реологической матрицы в данном случае может составлять от 24 до 28 %, что является недостаточным для обеспечения высоких реотехнологических показателей бетонных смесей. Высокопластичные бетонные смеси с маркой П4 получить без их расслоения невозможно. Для увеличения текучести необходимо увеличить объем дисперсной суспензии V ВД. Это достигалось повышением расхода цемента до 500 кг на 1 м 3 и получением марок бетонной смеси по пластичности П5 с осадкой конуса см. Для получения высокопластичных бетонных смесей старого и переходного поколений с расходом цемента до кг/м 3 существовал и существует реологический «запрет», связанный с низкой эффективностью суперпластификаторов, вне зависимости от их дозировки, и невозможностью получить подвижные бетонные смеси без дальнейшей расслаиваемости. Рассмотрим реологические возможности щебеночных бетонов нового поколения без использования реакционно-активных нанокомпонентов. Определим объемы реологических матриц различного уровня при аналогичном расходе цемента в щебеночном бетоне нового поколения следующего состава на 1 м 3 : цемент 310 кг, микрометрический наполнитель 220 кг, тонкий песок фр. 0,16-0,63 мм 360 кг, песок-заполнитель фр. 0,63-5,0 мм 450 кг, щебень фр мм 1000 кг, гиперпластификатор 0,8 % от Ц 2,5 кг, вода 150 л. Как известно из работ профессора В.И. Калашникова [7, 10], в бетонах нового поколения присутствуют реологические матрицы нескольких уровней. Матрица I уровня представляет собой водную суспензию цемента и микрометрического наполнителя; объем ее в бетонной смеси без использования МК составляет: V ВД = = 333 л, 3,1 2, 65 или 33,3 % объема бетонной смеси, что на 47 % больше, чем у бетона старого поколения.

4 Systems. Methods. Technologies V.I. Kalashikov et al. High-dispersity fillers (22) p В матрице II уровня в объем водно-дисперсной суспензии добавляется тонкий песок. В этом случае объем водно-дисперсной суспензии V ВДТ составит: V ВДТ = = 469л, 3,1 2, 65 2, 65 что составляет 47 % от объема бетонной смеси. Как видно, объем реологической матрицы в бетонах нового поколения без микрокремнезема в 1,5-2,0 раза больше, чем в бетонах старого и переходного поколений. Это позволяет получать бетонные смеси с расходами цемента кг/м 3, осадкой стандартного конуса см и прочностью при сжатии МПа по сравнению с МПа для бетонов переходного поколения, изготовленных из малопластичных бетонных смесей [2 5, 8, 7, 14]. Сырьевая база. Анализ технической литературы и внедрений результатов диссертационных работ по порошково-активированным бетонам нового поколения [1, 3, 4, 6, 14, 15] показал, что многие проведенные исследования преследовали цель использования при проектировании составов бетонов в качестве тонкодисперсных минеральных добавок кварцевые пески как наиболее распространенные во многих регионах России. В связи с тем, что в большинстве областей страны, кроме кварцевых песков, имеются месторождения осадочных пород, таких, как известняки, доломитизированные известняки, доломиты, песчаники, использование их в качестве дисперсных наполнителей является весьма актуальным. При дроблении щебня известняковые или доломитовые отсевы на карьерах часто размалываются, и каменная мука используется в качестве раскислителей почвы или дисперсного наполнителя в асфальтобетоны. Применение их является также чрезвычайно важным с позиции энерго- и Отдельно нужно отметить группу добавок, проявляющих свойства самостоятельного твердения, например, металлургические шлаки, золы ТЭЦ и др. Способность тонкомолотых металлургических шлаков образовывать твердеющие структуры при затворении водой зависит от степени их основности и стеклования при остывании. Наиболее пригодными являются стекловидные гранулированные шлаки, получаемые охлаждением жидкого расплавленного шлака водой. В свою очередь активность зол зависит от состава, температурного режима сжигания топлива, а также от размера его частиц и продолжительности пребывания в зоне высоких температур. Нормативная база. При производстве современных бетонов минеральные наполнители получили широкое распространение. Их классификация и применение регламентируются соответствующими стандартами. Так, в России согласно ГОСТ минеральной добавкой считается дисперсная неорганическая добавка природного или техногенного происхождения, вводимая в смеси в процессе их приготовления с целью материалосбережения. Эти отходы содержат овеществленный труд: на них затрачена энергия на добычу и дробление. Если взять регионы с месторождениями вулканических пород, например, гранитами, диабазами и базальтами, то на карьерах отходы камнедробления накапливаются в значительно бóльшем количестве. Они редко используются в качестве дисперсных минеральных добавок при изготовлении асфальтобетона [15, 11, 16] и совершенно не используются для улучшения почв, т. к. являются кислыми. Для таких регионов применение отходов для производства бетонов решает не только весьма важную экологическую задачу уменьшение площади отчуждаемых земель под хранение отходов, но и техническую задачу утилизации их в производстве строительных материалов [12]. На современном этапе развития технологии бетона решающую роль сыграли выявленные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов микрометрическими реологически-активными добавками. Они кардинально изменяют структуру бетонных смесей, их реологические свойства, плотность, прочность и проницаемость затвердевшего бетона, а вместе с тем уменьшают негативные воздействия различных агрессивных сред. Реакционнохимическая активность дисперсных наполнителей из многих горных пород вулканического происхождения в настоящее время практически не выяснена, по крайней мере, в ранний период твердения. Естественно, что глубинные кварцсодержащие породы, включающие в своем составе свободный кварц, будут потенциально реакционно-активными в длительные сроки твердения, что требует изучения изменений физико-технических свойств во времени. направленного регулирования их технологических свойств и/или строительно-технических свойств бетонов и растворов, и/или придания им новых свойств. Минеральные добавки в зависимости от характера взаимодействия с продуктами гидратации цемента подразделяют на типы [5]: тип I активные минеральные; тип II инертные минеральные. Активные минеральные добавки подразделяют на следующие группы: обладающие вяжущими свойствами; обладающие пуццолановой активностью; обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью. В соответствии с классификацией по Европейскому стандарту EN [17] минеральные добавки бывают: инертные (или почти инертные), не вступающие в реакцию с гидролизной известью, которая выделяется портландцементом в процессе гидратации. Они в этом случае могут быть просто наполнителями. Минеральные наполнители должны отвечать требованиям EN 1260;

5 пуццоланические, или с замедленной пуццоланической реакцией (активные добавки). Они связывают гидролизную известь портландцемента в гидросиликаты кальция (зола-унос EN 450, и микрокремнезем EN 13263). В конце 80-х годов комитет 73-SBC RILEM представил вариант классификации минеральных добавок техногенного происхождения, которая выполнена по таким критериям, как пуццолановая активность и вяжущие свойства. Эта классификация позволяет оценить материалы с точки зрения их воздействия на цементные системы, поэтому представляется более объективной, чем обычная классификация минеральных добавок по их происхождению. Заключение По нашему мнению, в порошково-активированных бетонах нового поколения с СП не может быть инертных добавок. В соответствии с этим добавки делятся на реакционно-активные, реологическиактивные и гидратационно-твердеющие. Некоторые реологически-активные добавки могут обладать замедленной (латентной) реакционной активностью в зависимости от тонкости помола. Однако не все добавки можно четко отнести к той или иной группе. Все кварцсодержащие породы: гранит, диабаз, базальт вулканического происхождения могут содержать кварц как в кристаллическом, так и в стекловидном состоянии. Есть породы, которые нельзя отнести к реакционно-активным горным породам (известняк и доломит). Но они являются хорошей подложкой в виде центров кристаллизации. Эпитаксиальное наращивание делает эти породы, хотя и не реакционно-способными в плане образования новой фазы, но хорошими подложками для кристаллизации гидросиликатов кальция вследствие значительного разнообразия габитусов кристаллов. Таким образом, предлагаемая рецептура порошковоактивированных пластифицированных бетонов нового поколения открывает большие возможности прогресса в технике и технологии бетонов. Однократный помол дисперсных наполнителей в разы экономичнее, чем двукратное дробление, двукратный помол (сырья и клинкера), высокотемпературный обжиг при производстве цемента. Важно то, что неиспользуемые отсевы горных пород фр мм имеются лишь в некоторых регионах, а пески и известняки в большинстве, и они децентрализованы, в отличие от централизованных производств портландцемента. До тех пор, пока в России не будет налажен выпуск дисперсных наполнителей, не будет развиваться и производство высокоэффективных порошковоактивированных бетонов нового поколения Литература 1. Ананьев С.В. Состав, топологическая структура и реотехнологические свойства реологических матриц для производства бетонов нового поколения: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 2. Белякова Е.А. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 3. Валиев Д.М. Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения на реакционно-порошковой связке: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 4. Володин В.М. Порошково-активированный высокопрочный песчаный бетон и фибробетон с низким удельным расходом цемента на единицу прочности: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 5. ГОСТ Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, с. 6. Гуляева Е.В. Реотехнологические характеристики пластифицированных цементно-минеральных дисперсных суспензий и бетонных смесей для производства эффективных бетонов: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 7. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов // Технологии бетонов С. 8-10; С. 8-11; С Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы С Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы С Калашников В.И. Бетоны: макро-, нано- и пикомасштабные сырьевые компоненты. Реальные нанотехнологии бетонов // Дни современного бетона. От теории к практике: сб. докл. конф. Запорожье, С Калашников В.И., Троянов И.Ю., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Суздальцев О.В., Каледа В.Н. Трехслойные крупноформатные стеновые блоки из высокопрочного реакционнопорошкового бетона // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. междун. науч.-технич. конф. Пенза: ПДЗ, С Калашников В.И., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Ибрагимов Р.А. Приоритетные направления в технологии бетонов // Там же. С Калашников В.И., Тараканов О.В., Москвин Р.Н., Мороз М.Н., Белякова Е.А., Тростянский В.М. Стабилизация водной суспензии высокодисперсного биокремнезема для использования в производстве растворов и бетонов // Там же. С Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: дис. канд. техн. наук. Пенза, с. 15. Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф, Коллепарди М. Добавки в бетон: справ. пособие. М.: Стройиздат, с. 16. Хозин В.Г., Морозов Н.М., Степанов С.В., Боровских И.В. Высокопрочные цементные бетоны для дорожного строительства // Строительные материалы С DIN EN Norm, Beton Teil 1: Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat. Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Beuth Verlag. Berlin. 72 p. References 1. Ananyev S.V. Composition, structure and reotechnological properties of reological matrices for the production of the concrete of new generation: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. M., P Belyakova Ye.A. Powder and powder-activated concretes with the use of rock formations and ashes of CHP: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. Penza, p. 3. Valiyev D.M. Steamed sand concretes of new generation on reactive powder connection: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. Penza, p. 4. Volodin V.M. Powder-activated high-strength sand concrete and fiber concrete with a low specific cement consumption per unit of strength:

6 Systems. Methods. Technologies E.A. Kudryashov et al. Choosing rational (22) p Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. Penza, p. 5. GOST «Additives for concrete and mortar of cement. General specifications». M.: Standartinform, p. 6. Gulyaeva Ye.V. Reotechnological characteristics of plasticized cementmineral dispersed suspensions and concrete mixes to produce efficient concretes: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. Penza, p. 7. Kalashnikov V.I. Through rational rheology to the future of concrete // Tekhnologii betonov P. 8-10; P. 8-11; P Kalashnikov V.I. Terminology of the concrete science of the new generation // Stroitelnyye materialy P Kalashnikov V.I. What is powder-activated concrete of new generation // Stroitel'nye materialy P Kalashnikov V.I. Concrete: macro-, nano- and top-scaled raw components. Real concrete nanotechnology // Dni sovremennogo betona. Ot teorii k praktike: sb. dokladov konf. Zaporozhye P Kalashnikov V.I., Troyanov I.Yu., Moroz M.N., Belyakova Ye.A., Moskvin R.N., Suzdaltsev O.V., Kaleda V.N. Three-layer large-scale building blocks of high-strengh powder-reactive concrete // Kompozitsionnyye stroitelnyye materialy. Teoriya i praktika: sb. st. mezhdun. nauch.-tekhnich. konf. Penza: PDZ P Kalashnikov V.I., Belyakova Ye.A., Moskvin R.N., Moroz M.N., Ibragimov R.A. Priorities in concrete technology // Kompozitsionnyye stroitelnyye materialy. Teoriya i praktika: sb. st. mezhdun. nauch.-tekhnich. konf. Penza: PDZ P Kalashnikov V.I., Tarakanov O.V., Moskvin R.N., Moroz M.N., Belyakova Ye.A., Trostyansky V.M. Stabilization of aqueous suspension of finely biomicrocilica for using in mortars and concretes // Kompozitsionnyye stroitelnyye materialy. Teoriya i praktika: sb. st. mezhdun. nauch.-tekhnich. konf. Penza: PDZ P Kalashnikov S.V. Fine-grained reactive powder fiber concrete with rock formations: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science. Penza, p. 15. Ramachandran V.S., Feldman R.F, Kollepardi M. Concrete additives: reference book. M.: Stroyizdat, p. 16. Khozin V.G., Morozov N.M., Stepanov S.V., Borovskikh I.V. Highstrength cement concrete for road building // Stroitelnyye materialy P DIN EN Norm, Beton Teil 1: Festlegung, Eigenshaften, Herstellung und Konformitat. Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Beuth Verlag. Berlin. 72 p.

docplayer.ru

POWDER-ACTIVATED CONCRETES – MULTILEVEL-MODIFIED CONCRETE SYSTEMS | Submit scientific paper, scientific publications, International Research Journal

Дыкин И.В.1, Величко Е.Г.2, Ерёмин А.В.3

ORCID: 0000-0002-7173-0428, 1аспирант, 2доктор технических наук, 3аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ – МНОГОУРОВНЕВО-МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

Аннотация

Изложены вопросы структуры и некоторые принципы синтеза дисперсно-модифицированных цементных систем, позволяющих получать бетоны нового поколения с высокими строительно-технических свойствами и оптимизированными расходами сырьевых материалов. Описаны некоторые механизмы структурообразования, предопределяющих свойства дисперсно-оптимизированных цементных систем, а также механика получения плотных упаковок дисперсной фазы.

Ключевые слова: бетон, модификация, цементная система.

Dykin I.V.1, Velichko E.G.2, Eremin A.V.3

ORCID: 0000-0002-7173-0428, 1Postgraduate student, 2PhD in Engineering, 3Postgraduate student, National research Moscow state university of civil engineering

POWDER-ACTIVATED CONCRETES – MULTILEVEL-MODIFIED CONCRETE SYSTEMS

Abstract

The paper presents the issues of the structure and some principles of synthesis of dispersion-modified concrete systems allowing to obtain concretes of a new generation with good construction and technical properties and optimized consumption of raw materials. We describe some of the structuring mechanisms, which predetermine the properties of dispersion-optimized concrete systems, as well as the mechanics of obtaining density packing of the dispersed phase.

Keywords: concrete, modification, cement system.

Порошково-активированные бетоны, называемые Reactive Powder Concrete (RPC) – это высокоэффективные строительные композиционные материалы с минимальным содержанием вяжущего вещества и высокими строительно-техническими свойствами.

Синтез порошково-активированных бетонов основывается на подборе оптимального дисперсно-гранулометрического состава, который определяется однородным распределением компонентов на различных структурных уровнях, подборе оптимальных значений пуццоланической активности, а также модуля упругости.

Создание такого уровня плотных упаковок частиц и зёрен обеспечивается их однородным распределением в соответствии с электрокинетическим потенциалом и напряженным состоянием. Например, оптимальное расстояние между частицами заполняющей фракции первого уровня по напряженному состоянию составляет 2D (D – размер частицы), а их объемная доля – 0,2 [1]. При означенных параметрах дисперсные частицы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, поля энергии их деформации не накладываются и не вносят соответствующий вклад в напряженное состояние материала. Установлено также, что 95% энергии деформации, связанной с частицей и окружающей ее матрицей, находится в пределах сферического объема радиусом D от центра частицы [9]. Таким образом, частицы могут рассматриваться как изолированные друг от друга только в том случае, если расстояние между ними больше 2D или объемная доля меньше 0,2, что корреспондируется с результатами исследований многокомпонентных цементных систем (МЦС) с минеральными модификаторами (ММ) [2,3]. Кроме того, в реальных композитных системах имеется вероятность того, что две или большее количество дисперсных частиц могут объединиться, и будут представлять собой отдельный агрегат. Вероятность соприкосновения двух и трех частиц при содержании ММ в МЦС в количестве 50% соответственно составляет 0,5 и 0,02 [6]. В таких микрообъемах цементных систем пуццолановая реакция практически не протекает, и они представляют собой псевдопоры размером 5-7 мкм (случай трех частиц) и 0,5-1,5 мкм (случай двух частиц). Означенные дефекты структуры вносят значимый вклад в снижение морозостойкости, деформативных и прочностных характеристик цементного камня и распределяются так же, как пары и тройки дисперсных частиц, а параметрами распределений являются их содержание и размер [7].

Таким образом, объемная доля и дисперсный размер частиц каждой последующей фракции материала должны соответствовать размеру межчастичных пустот и их объему в предыдущей [8]. Объем оставшихся пустот в синтезированной таким образом системе будет минимальным. При недостаточном содержании частиц любого уровня для заполнения соответствующих пустот в предыдущем будет формироваться неоднородная более неупорядоченная с высокой энтропией структура цементного камня с относительно «низкой» прочностью, а при повышенном – будет наблюдаться агрегация частиц и, например, для минеральных добавок образование псевдопор, кроме того частицы предыдущего уровня в таких микрообъёмах будут раздвинуты на определённые расстояния, повысится их пористость, уменьшится концентрация твёрдой фазы и, в результате, также произойдёт снижение прочности материала.

Влияние на подбор компонентов для синтеза RPC-композитов, обеспечивающих однородное распределение частиц на различных структурных уровнях по дисперсности с целью формирования более упорядоченной микроструктуры, оказывает обеспечение процесса их гидратации, а также протекание пуццолановой реакции между частицами соседних уровней.

Кроме того, для обеспечения высоких строительно-технических свойств RPC-композитов модули упругости компонентов должны быть высокими и наиболее целесообразно близкими по значению.

Оценивая влияние модуля упругости на синтез прочности композитных материалов с дисперсными частицами отмечают, что он наиболее широко изучен и обсужден [1]. В общем случае дисперсная фаза либо уменьшает, либо увеличивает модуль упругости матричной фазы в зависимости от того, будет ли модуль дисперсных частиц, соответственно, меньше или больше модуля упругости матрицы. В работах Д.Пауля, З.Хашина, С.Штрикмана и др. с использованием теорем об энергии деформации получены уравнения для определения модуля композита в зависимости от модулей упругости матрицы, дисперсной фазы и объемного содержания последней. Однако трещины, которые могут развиваться в процессе охлаждения композита ниже температуры его изготовления, поры, образующиеся в процессе изготовления, а также псевдопоры, образующиеся под напряжением вследствие слабой связи по поверхностям раздела фаз, приводят к значительно более низким модулям упругости относительно, рассчитанных теоретически. Очевидно, что модуль упругости цементного камня с ММ определяется модулем упругости гидратных фаз, а также модулями упругости реликтов частиц клинкерного компонента и ММ. Модуль упругости реликтов частиц клинкера оценивается значениями в несколько раз превышающими аналогичные значения для гидратных фаз. Вследствие этого наиболее эффективным ММ цементных систем является тонкодисперсный доменный гранулированный шлак, частицы которого, как и портландцемента, характеризуется высокими прочностью и модулем упругости, и способностью к самостоятельному гидравлическому твердению. Гидратация минералов шлака значимо повышает плотность и прочность цементного камня, особенно в контактной зоне с портландцементными гидратными фазами, а его реликты, являясь более крупными, как и реликты частиц клинкера, внесут значимый вклад в интегральный модуль упругости и прочность синтезируемой многокомпонентной системы.

Увеличение прочностных показателей RPC-композитов помимо повышения плотности исходной упаковки частиц обеспечивается также ограничением степени гидратации минералов клинкера с сохранением максимального объема негидратированной части – реликтов частиц с прочностью 310 МПа (средняя прочность гидратных фаз – 135МПа).

Таким образом, синтез многокомпонентной цементной системы целесообразно осуществлять с использованием следующих принципиальных положений.

Мелкий заполнитель для RPC-композитов принимается в виде пяти фракций, в диапазоне 0,08 – 1,6 мм, обеспечивающих значимое снижение его межзерновой пустотности.

Объем многокомпонентной вяжущей составляющей определяется по методу абсолютных объемов, а дисперсные структурные уровни могут быть синтезированы следующим образом. Первый уровень в виде портландцемента с целью обеспечения длительного сохранения прочных с высоким модулем упругости реликтов частиц клинкера в цементном камне. Для заполнения первого уровня межчастичных пустот портландцемента промышленного помола применяется тонкодисперсный доменный гранулированный шлак в количестве 22% массы [4], для второго уровня – высокодисперсный портландцемент – 9%, в т. ч. допускается гидромеханохимически активированный [6], а для третьего – микрокремнезем -1% – с удельной дисперсностью 18000-21000 м2/кг. При таком выборе компонентов RPC обеспечивается высокая концентрация твердой фазы в единице объема многокомпонентного вяжущего вещества, однородное протекание пуццолановой реакции в микрообъемах матрицы, а также высокий уровень размера реликтов относительно грубодисперсной фракции клинкерного компонента.

Однако следует отметить, что высокая водопотребность синтезированного таким способом RPC требует обязательного применения суперпластифицирующих-суперводоредуцирующих добавок, например, наиболее эффективных поликарбоксилатного типа [5].

Экспериментальные исследования прочности бетона проводили с использованием в качестве мелкого заполнителя полифракционного песка, портландцемента марки ПЦ500-Д0 Шуровского завода, в т.ч. тонкодисперсный цемент Rheocem 900, тонкодисперсного шлака Липецкого металлургического комбината, микрокремнезема.

Дисперсно-гранулометрический состав сырьевых компонентов указан в табл. 1. Измерения проводились согласно ISO 13320-1:2009 «Анализ размера частиц. Методы лазерной дифракции» на лазерном микроанализаторе размеров частиц «Analysette 22»

 

Таблица 1 – Дисперсно-гранулометрический состав сырьевых компонентов

Образец Средний размер частиц (d50), мкм Максимальный размер частиц (d95), мкм Содержание частиц менее 2 мкм, % по массе Удельная поверхность
Цемент (Щурово) 15,780 43,178 9,81 3200
Шлак 17,120 73,857 13,14 4300
Rheocem900 2,811 14,641 25,3 8200

 

Содержание многокомпонентного цемента, синтезированного из означенных составляющих в оптимальных количествах, принималось равным 600, 700 и 800 кг/м3 бетона. В качестве суперпластификатора в бетонной смеси использовался Glenium ACE 430 -2%, а также Melflux 1641F. Прочность бетона после твердения в нормальных условиях в возрасте 1 сутки составила при означенных выше расходах цемента соответственно 37,2; 42,4; 58,8Мпа, в возрасте 7 сут 60,4, 66,3, 71,8Мпа, а в 28 суток – 105; 119; 132 МПа. Результаты микроструктурного анализа полученных образов приведена в рис.1. Исследования проводились на сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа Apollo 40.

10-03-2017 11-20-42

Рис. 1 – (а) Снимок на электронном микроскопе образца цементного бетона, (б) Снимки на электронном микроскопе образца порошково-активированного бетона

Необходимо отметить, что структура порошково-активированного бетона (рис.1б) характеризуется высоким содержанием низкоосновных плотных волокнистых дендритоподобных гидросиликатов кальция, повышающих прочность не только на сжатие, но и на растяжение. Элементным анализом установлено, что содержание свободного гидросиликата кальция уменьшилось на 37%, очевидно вступившего в взаимодействие с диоксидом кремния с образованием вторичных прочных гидросиликатов кальция, содержащих значимо меньшее количество химически-связанной воды.

Полученные результаты указывают на то, что изложенные выше принципы подбора дисперсно-гранулометрического состава позволяют получать высокоэффективные порошково-активированные бетоны с минимальным содержанием вяжущего вещества и высокими строительно-техническими свойствами.

Список литературы / References

  1. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице / Композиционные материалы. Разрушение и усталость. Редактор Л.Браутман. Редактор перевода Г.П.Черепанов. М.: Мир, 1978, с. 11-57.
  2. Величко Е.Г., Белякова Ж.С. Физико-химические и методологические основы получения многокомпонентных систем оптимизированного состава / Строит. материалы. 1995, № 3, с. 27-30.
  3. Белякова Ж.C., Величко Е.Г., Комар А.Г. Экологические, материаловедческие и технологические аспекты применения зол ТЭС в бетоне / Строительные материалы, 2001, №3, С. 46-48.
  4. Цховребов Э.С., Величко Е.Г. Вопросы охраны окружающей среды и здоровья человека в процессе обращения строительных материалов / Строительные материалы, 2014, № 5, C. 99-103.
  5. Величко Е.Г. Строение и основные свойства строительных материалов. Учебное пособие / М., 2014. – 496с.
  6. Величко Е.Г., Дыкин И.В. Многоуровневая дисперсно-гранулометрическая модификация цементных систем / Бетон и железобетон – взгляд в будущее. Том 4. Редакторы Е.Д. Нефёдова, И.Н. Фоманова, В.К. Чупрова, М.: МИСИ-МГСУ, 2014. с. 272-279.
  7. Энтин З.Б., Юдович Б.Э. Многокомпонентные цементы. – Научн. тр. / НИИцемент, вып 107., 1994, с. 3-76.
  8. Дыкин И.В. Основные принципы оптимизации дисперсно-гранулометрического состава порошково-активированных бетонов нового поколения / Строительство – формирование среды жизнедеятельности, 2015, с.834-837.
  9. Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. / М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009, 309.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Leng F.F. Razrushenie kompozitov s dispersnyimi chasticami v hrupkoy matrice [Fracture of composites with dispersed particles in a brittle matrix] / Composicionnjie materialji. Razrushenie i ustalost. Editor L. Brautman. Translation editor G. P. Cherepanov. M.: Mir, 1978, p. 11-57. [in Russian]
  2. Velichko E.G., Belyakova J.S. Fisiko-himicheskie i metodologicheskie osnovji poluchenija mnogokomponentnjih system optimizirovannogo sostava [Physico-chemical methodological basis for the production of multi component systems of the optimized structure] / Stroitelnye materialy, 1995, № 3, p. 27-30. [in Russian]
  3. Belyakova J.S., Velichko E.G., Komar A.G. Ekologicheskie, materialovedcheskie i tehnologicheskie aspektji primenenija zol TES v betone [Environmental, material science and technological aspects of the use of ash TPP in concrete structure] / Stroitelnye materialy, 2001, №3 , p. 46-48. [in Russian]
  4. Chovrebov E.S., Velichko E.G. Voprosji ohranji okruzhajushey sredji i zdorovja cheloveka v processe obrashenija stroitelnjih materialov [The issues of environmental protection and human health in the process of handling construction materials] / Stroitelnye materialy, 2014, №5 , p. 99-103. [in Russian]
  5. Velichko E.G. Stroenie I osnovnjie svoystva stroitelnjih materialov. Uchebnoe posobie. [The structure and basic properties of construction materials. Tutorial] / M., 2014. – 496p. [in Russian]
  6. Velichko E.G., Dykin I.V. Mnogourovnevaja dispersno-granulometricheskaja modifikacija cementnjih sistem [Multilevel optimization of dispersed composition of cement systems] / Beton i zhelezobeton – vzgljad v budushee. Tom 4. Editors E.D. Nefedova, I.N. Fomanova, V.K. Chupronova, M.: MISI-MGSU, 2014, p. 272-279. [in Russian]
  7. Antin Z.B., Judovich B.A. Mnogokomponentnjie cementji. – Nauchnjie trudji [Mult-component cements. – Scientific work] / NIIcement, rel. 107., 1994, p.3-76.
  8. Dykin I.V. Osnovnjie principji optimisacii dispersno-granulometricheskogo sostava poroshkovo-aktivirovannjih betonov novogo pokolenija [Basic principles of optimization of dispersion-particle size composition of powder-activated concretes of a new generation] / Stroitelstvo – formirovanie sredji zhisnedejatelnosti, 2015, p.834-837. [in Russian]
  9. Melichov I.V. Fisiko-himicheskaya evoljucija tverdogo veshestva [Physico-chemical evolution of solids] / M.: Binom. Laboratoriya znaniy, 2009, 309. [in Russian]

research-journal.org


Смотрите также