Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

 

К.т.н. Гуляева Е.В., аспирант С.В. Аксенов,

аспирант И.В. Ерофеева, д.т.н., проф. Калашников В.И.,

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Самоуплотняющиеся бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности бетона

 

Самоуплотняющиеся порошково-активированные щебеночные и песчаные бетоны  с невысоким содержанием цемента, когда удельные расходы цемента на единицу прочности при сжатии ()не превышают 3-4 кг/МПа, являются оценочными критериями современного прогресса в технике бетона.

Основной технической задачей, определяющей прогресс в технологии бетонов это снижение доли цемента в нем. Это диктуется не только снижением энергоемкости в производстве портландцемента, снижением расходов органического топлива и электроэнергии при добыче сырья и его переработке и транспортных перемещениях цемента и сырья, но и, что наиболее актуально, значительной эмиссией углекислого газа при обжиге карбонатосодержащего сырья. Исходя из этого совершенно очевидно, что дальнейший прогресс в технике бетона будет постоянно направлен на снижение удельного расхода цемента на единицу прочности бетона. Если достигнуть удельного расхода цемента на единицу прочности при сжатии, равного 3-4 кг/МПа, то количество цемента на производство пластифицированного бетона общестроительного назначения можно снизать в 1-2 раза, а высокопрочного – в 3-4 раза, возместив его недостаток безобжиговыми тонкомолотыми  горными породами.

На сегодняшнем этапе необходимо наиболее полно использовать микротехнологии в бетонах.

Период изучения и реализации микротехнологий в бетонах характеризуется разработкой рецептур, включающих большое количество микрометрических частиц (каменная мука), способных в совокупности с цементом предельно диспергироваться в водной среде под действием ионноэлектростатических диспергаторов-разжижителей (в технологии бетонов это супер- и гиперпластификаторы). В результате смешанные цементы образуют агрегативно-устойчивые высококонцентрированные (объемная концентрация твердой фазы 60-65%), предельно-разжиженные (предел текучести τ0=5-10Па) суспензии с полимероподобным характером течения без разрыва тонких струй истечения. Такая реологическая матрица при совмещении с реакционно-активными добавками и основными заполняющими качественными компонентами в бетоне полностью преобразует топологическую структуру, обеспечивают саморастекание бетонных смесей при дефиците воды и их высокую плотность.

В связи с этим проектирование многокомпонентных составов бетонов нового поколения с указанным низким удельным расходом цемента на единицу прочности должно осуществляться с использованием следующих основных рецептурных принципов:

1. Обязательное использование каменной муки с микрометрическими пара­метрами частиц как дисперсных наполнителей, являющихся реоло­гически активными компонентами.

2. Обязательное использование очень тонкозернистого кварцевого пес­ка фракции 0,16-0,63 мм, с модулем крупности менее 1,2, поддер­жи­вающего необходимое реологическое и структурное состояние водно-дис­персной смеси и увеличивающего взвешивающую способность дисперсно-тонкозернистой системы, что предотвращает оседание грубозернистого песка и щебня при расслоении бетонной смеси.

3. Применение реакционно-активных пуццоланических добавок (мик­ро­кремнезем, дегидратированный каолин), связывающих гидролизную известь в дополнительное количество прочных цементирующих гидроси­ликатов кальция для получения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов. В бетонах нового поколения, прочность которых на 10-20 % ниже прочности бетонов с реакционно-активными добавками, использование пуццоланических добавок не обязательно.

4. Применение качественных песка-заполнителя и щебня со спе­циально подобранной гранулометрией, обеспечивающих высокую на­сыпную плотность смеси заполнителей. При этом бетоны нового поко­ления должны быть с пониженным содержанием песка-заполнителя и щебня, т.е. малощебеночными.

5. Очень низкое соотношение воды к сумме всех сухих компонентов (водотвердое отношение) в бетонной смеси, не превышающее 0,07-0,08, и чрезвычайно высокая объемная концентрация твердой фазы (не менее 80-85 %).

6. Обязательное использование высокоэффективных суперпласти­фика­торов, обеспечивающих диаметр расплыва (из конуса Хегерманна) це­ментных суспензий и суспензий смеси цемента с каменной мукой (в соотношении «цемент : каменная мука» как 1:0,5÷1:1) в пределах 260-350 мм при В/Ц (В/Т) не более 0,18 (0,20).

Таким образом, щебеночная бетонная смесь должна быть, по меньшей мере, 7-ми компонентной, а при использовании пуццоланической добавки 8-ми компонентной.

На современном этапе, разработанные нами порошково-активированные самоуплотняющиеся щебеночные и песчаные бетоны высокой прочности с низким удельным расходом на единицу прочности при сжатии, не превышающем 3-4 кг/МПа, должны быть эталоном для всех других бетонов, изготовленных из бетонных смесей с широким диапазоном удобоукладываемости – от высокопластичных до очень жестких. При правильно подобранном составе эти соотношения позволили получить самоуплотняющуюся бетонную смесь, с высокой суточной прочностью бетона не менее 25-40 % от 28-ми суточной.

Введение понятий трех условных реологических матриц в работах [1] как фундаментальных параметров для расчета пропорций бетонов нового поколения, в том числе и самоуплотняющихся, позволяет с новых позиций анализировать составы бетонов. Суммарные объемы реологической матрицы первого рода и тонкого песка образуют реологическую матрицу второго рода для  более грубого зернистого песка.  И наконец, соединение матрицы второго рода с грубозернистым песком образуют раствор – реологическую матрицу третьего рода, в которой  грубые зерна заполнителя дискретно располагаются на строго оптимизированных расстояниях. Таким образом, в многокомпонентных бетонах нового поколения каждая конкретная система погружена в реологическую среду, которая является также её субстратом.

Чтобы изменить рецептуру бетона и получить самоуплотняющийся бетон нового поколения с более чем трехкратным увеличением прочности, и более чем четырехкратным уменьшением удельного расхода цемента на единицу прочности во-первых, необходимо увеличить расход каменной муки и её объемное содержание, как реологически-активного компонента водно-дисперсной системы. Во-вторых, оптимизировать долю тонкого песка фракции 0,1-0,5мм в массе песка 0-5мм: она должна составлять для расхода цемента 395 кг/м3 не менее 400 кг/м3, в третьих, оптимизировать значения условных реологических матриц.

 

Литература:

1.                  Калашников, В. И. Через рациональную реологию в будущее бетонов [Текст] / В.И. Калашников // Технологии бетонов. — 2007. — № 5. — С. 8-10; 2007 — №6. — С. 8-11; 2008 — №1. — С. 22-26.