Состав, топологическая структура и реотехнологические свойства реологических матриц для производства бетонов нового поколения

Актуальность темы

Анализ технико-экономического сравнения бетонов по показателю удельного расхода цемента производимых в России, свидетельствует о больших расходах цемента как для тяжелых бетонов классов В15- В40, так и для В50-В60, равных = 8−12 кг/МПа. Если говорить о пластифицированных бетонах классов В70-В80 с современными гиперпластификаторами (ГП), которые выпускаются эпизодически, то удельных расход хотя существенно снижается до = 6−7 кг/МПа, но значительно уступает по расходу цемента в бетонах развитых стран.

Причина таких перерасходов цемента связано с использованием устаревших рецептур бетонов, в которых не могут полностью реализоваться пластифицирующие свойства ни слабых, ни средних, ни сильных суперпластификаторов (СП), ни гиперпластификаторов (ГП) всех поколений, из-за малого содержания дисперсной фазы. Исходя из положений физикохимии и реологии минеральных дисперсных систем реализация высоких пластифицирующих 1 свойств суперпластификаторов, как анионактивных диспергаторов, возможна только в дисперсных системах, максимальный размер частиц дисперсной фазы которых, по крайней мере, не превышает ЮОмкм. К таким системам относится цементные суспензии или композиционные цементно-минерально-водные дисперсии, являющиеся реологической матрицей порошковых бетонов. Порошковые бетоны — это самые прочные бетоны будущего, в которых отсутствуют большие поверхности раздела между цементирующей матрицей и заполнителем и наполнителем. Они, к сожалению, не осваиваются в России, как особые специфические бетоны для создания более эффективных фибробетонов. В бетонных смесях для песчаных и щебеночных бетонов нового поколения пластифицирующей матрицей служит порошковая тонкозер-нисто-дисперсная минерально-цементная смесь, в которую с недостатком помещены песчаные или песчано-щебеночные заполнители оптимальной гранулометрии. Объем порошковой или реакционно-порошковой матрицы в различных бетонах нового поколения заполнителей должно быть не менее 45−65%. В такой матрице в присутствии СП и ГП осуществляется структурно-топологический переход из состояния геля в состояние золя за счет иммобилизации свободной воды из межагрегатного (межкластерного) пространства и перехода части физически-связанной (адсорбционной) воды в свободное состояние.

Снижение избытка воды в водно-цементно-минеральной матрице — стратегическое направление в приближении прочности затвердевшей матрицы к прочности мелкого и крупного заполнителя, к получению, как бетонов с классами по прочности В15-В60, так и высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов классов В80-В160 с <5 кг/МПа. Концепция снижения расхода цемента в полной мере соответствует глобальной стратегии уменьшения эмиссии углекислого газа при производстве портландцемента, которая оценивается в количестве более 5% от всех выбросов СОг в мире.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка составов тонкозернисто-дисперсных цементно-минеральных предельно концентрированных реологических матриц, исследование и оптимизация топологической структуры и реотехнологических свойств и подбор составов бетонов нового поколения на их основе с оценкой основных физико-технических показателей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— изучить влияние соотношения цемента и микрокварца при равных дис-персностях на растекаемость разжиженных цементно-песчаных суспензий, в том числе с добавками микрокремнеземов, при максимальной концентрации твердой фазы и высоком водоредуцировании;

— получить порошковые и реакционно-порошковые предельно-наполненные бетонные смеси с низким пределом текучести и вязкостью, обеспечивающие саморастекание их при испытании на различных реотехнологических приборах;

— оценить топологические параметры порошковых бетонов на кварцевых наполнителях, разработать реологические критерии оценки смесей с ГП и установить влияние дисперсности компонентов на формирование высокой текучести;

— исследовать значение процедуры введения компонентов, параметров перемешивания на текучесть и формирование прочности;

— исследовать влияние пуццоланических добавок МК и высокодисперсных наносиликатов, термически-активированных диатомитов в малых и повышенных количествах на формирование прочности и другие физико-механические свойства реакционно-порошкового бетонаустановить пределы высокой прочности при оптимизации всех параметров;

— исследовать порошковые бетонные смеси с дисперсным армированием стальной фиброй и микрофиброй, углеродной фиброй из отходов производства и их комбинацией на изменение реологических свойстввыявить оптимальные структурно-топологические параметры размещения фибры в теле бетона из порошковых смесейустановить пределы высокой прочности при различном содержании фибры.

— установить закономерности изменения в соотношении компонентов и реологических критериев для порошково-активированных щебеночных бетонов различных марок;

— осуществить ТЭО эффективности новых видов бетонов.

Научная новизна работы. Систематизированы составы бетонов высокой прочности по рецептуре и топологической структуре.

Обосновано с позиций физико-химии и реологии предельно-разжиженных, предельно-наполненных пластифицированных водно-дисперсных систем, кардинальное изменение состава и топологической структуры бетонных смесей, с преобразованием их состава от 4−5 компонентного к 7−8 компонентному, с низким пределом текучести за счет добавления высокодисперсных и тонкозернистых компонентов.

Выявлено, что в многокомпонентных тяжелых песчаных и щебеночных бетонах нового поколения необходимыми компонентами добавляемыми к цементу, являются тонкодисперсный порошок (микрокварц, молотые плотг* ные известняки и др.) с удельной поверхностью 300−400 м /кг и тонкозернистый песок фракции 0,1−0,6 мм, которые замещают часть реологическинеактивных заполнителя и щебня и в присутствии гиперпластификаторов образуют с цементом в бетонных смесях реологически-активную матрицу с низким пределом текучести.

Разработана классификация реологических матриц и разделения их на 3 вида по степени дисперсности: для порошковых бетонов, для песчаных мелкозернистых бетонов и для щебеночных бетонов. Выявлено объемное содержание матриц в некоторых песчаных и щебеночных бетонах различных марок. Показано назначение матриц: реологическая водно-дисперсная матрица первого рода является высокодисперсной и основной, обеспечивая перемещение тонкозернистых частиц песка в порошковом бетоне, дисперсно-зернистая матрица второго рода — перемещение частиц песка-заполнителя в мелкозернистом песчаном бетоне, а совмещенные матрицы первого и второго рода образуют матрицу третьего рода для свободного перемещения зерен щебня в щебеночном бетоне. Необходимое объемное содержание каждой матрицы предопределяется оптимальной топологией и условными реологическими критериями.

Показано, что водно-дисперсно-зернистая пластифицированная реологическая матрица второго рода при оптимальном соотношении компонентов при предельной концентрации твердой фазы является порошковой бетонной смесью для высокопрочных, а при введении реакционно-активной добавки микрокремнезема — особовысокопрочных бетонов.

Исследованы реотехнологические свойства порошковых бетонных смесей в зависимости от дисперсности молотого песка, вида ГП и СП, вида и количества МК и фибры, времени твердения.

Исследованы физико-технические свойства особовысокопрочных порошковых бетонов и фибробетонов: прочностные показатели, водопоглощение, морозостойкость, усадка, набухание.

Впервые установлены закономерности изменения в соотношении компонентов и реологических критериев для 2-х составов щебеночных бетонах малоцементного и с повышенным расходом цемента.

Практическая значимость работы. Разработан состав малоцементного щебеночного бетона марки 600 со сниженными расходами цемента в бетоне в 2,0 раза за счет трансформации топологической структуры и оптимизации соотношения между компонентами.

Разработан состав высокопрочного щебеночного бетона М 1500 с низким удельным расходом цемента на единицу прочности =3,2 кг/МПа со снижением дорогостоящего привозного щебня и среднего и крупного песка.

Разработаны составы порошковых бетонов и фибробетонов с МК с прочностью 160−200 МПа с низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Использование такого бетона в сжатых стойках, трубах и трубчатых элементах, шахтах лифтов, лотках, в дорожных плитках и в отделочных плитках позволяет в 2−2,5 раза снижать расход бетона, а вместе с тем практически уменьшать в такое же количество раз цемента, песка и добавок.

Выпущена опытная партия фибробетона для покрытий нагруженных полов промышленного здания с уменьшением стоимости одного квадратного метра в 4 раза по сравнению с полимерными покрытиями сходных физико-технических характеристик. Разработаны составы дисперсно-армированного фибробетона с прочностью на сжатие 150 МПа, они прошли промышленную апробацию при изготовлении ажурных заборов под чугунное литье. Разработаны составы бетона с прочностью на сжатие 180 МПа, они прошли промышленную апробацию в ООО «Новые технологии строительства» г. Красноярск изготовлены отделочные фасадные панели с уменьшением стоимости 1 м в 3 раза по сравнению с керамогранитными панелями.

Степень достоверности. Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами, полученными автором в результате проведения многочисленных экспериментов с использованием вычислительной техники и анализами структуры: микроскопическим методом. Методика проведения исследований и результаты выполненных расчетов достаточно корректны. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний.

На защиту выносятся: теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных и особовысокопрочных порошковых бетонов М1200−1600 и фибробетонов М 1800−2000 как с пуццоланической добавкой микрокремнезема, термически-модифицированного диатомита, а при использовании высокодисперсной водно-минерально-цементной смеси, превращающейся под действием гиперпластификатора в реологически-активную высококонцентрированную дисперсную систему с высокой текучестью;

— принципы формирования структурной топологии дисперсно-зернистых смесей с изменяющимся и оптимизированным соотношением для каждого вида бетонов при порошковой активации их состава с переходом цементирующих водно-цементных дисперсий в смешанные композиционные водно-цементно-порошковые дисперсии. Принципы превращения бетонов старого четырехкомпонентного состава (цемент, песок, щебень, вода) или пятиком-понентного бетонов переходного состава (песок, цемент, щебень, вода, суперили гиперпластификатор) в многокомпонентные бетоны нового поколения (цемент, дисперсный наполнитель, очень тонкий песок фр. 0,16−0,63 мм, мелкий, крупный заполнитель, гиперпластификатор, вода) — экспериментальные исследования реотехнологических свойств дисперсий, порошковых бетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов, изучения физико-технических и гигрометрических свойств.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийских и Международных НТК: «Новые энергои ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г.Пенза, 2006, 2008, 2009 гг.), «Композиционные строительные материалы. Теории и практика» (г.Пенза, 2007, 2009, 2010 гг.), «Актуальные вопросы строительства» (г.Саранск, 2009 г.), IV Академические чтения (г.Казань, 2010 г.). Статьи были опубликованы в журналах «Строительные материалы» (2009 г.) и Вестник отделения строительных наук (Москва-Иваново, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 24 работы. В журналах по перечню ВАК РФ — одна работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 124 наименований. Изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 24 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Исходя из основных положений физикохимии и реологии дисперсных систем, теоретически обоснованы возможности предельного разжижения их при высоком содержании твердой фазы и необходимость кардинального изменения состава и топологической структуры традиционных бетонных смесей. Новыми компонентами пластифицированных песчаных и щебеночных бетонов должны быть высокодисперсные и тонкозернистые наполнители, добавляемые в значительном количестве для усиления разжижающей и водоредуцирующей функции пластификаторов, увеличения объема реологически-активной дисперсной матрицы между частицами песка и щебня и снижения удельного расхода цемента на единицу прочности бетонов.

2. Состав обычных пластифицированных бетонов должен трансформироваться из 4−5 компонентного в 7−8 компонентный, с дополнительными компонентами в виде дисперсной каменной муки (микрокварц, молотый песок, плотный известняк, доломит и др.), и тонкозернистого кварцевого песка фракции 0,1−0,5-Ю, 16−0,63 мм, которые замещают часть реологически-неактивного — обычного песка и щебня и в присутствии суперпластификаторов образуют совместно с цементом и водой в бетонных смесях реологически-активную матрицу с низким пределом текучести и низкой вязкостью. Объем такой матрицы должен быть 45−65% от объема смеси, превращая бетоны в малощебеночные и малопесчаные (песок фракции более 0,63 мм) с «плавающей» структурой щебня и песка.

3. Разработана классификация реологически-активных матриц в бетонных смесях и подразделение их на 3 рода по дисперсности: для порошковых бетонов, песчаных и щебеночных. Показано назначение каждой из матриц и их роль в обеспечении необходимой консистенции бетонных смесей. Выявлено необходимое объемное содержание каждой матрицы исходя из оптимальной топологии, межзерновых расстояний для обеспечения оптимальных реологических критериев.

4. Показано, что водно-дисперсно-тонкозернистая цементная пластифицированная реологическая матрица второго рода при оптимальном соотношении компонентов и при предельной объемной концентрации твердой фазы, равной 76−79%, является самоуплотняющейся порошковой бетонной смесью для бетонов с прочностью 110−130 МПа, а при введении МК—реакционно-порошковой смесью для бетонов с Б^, — = 130−180МПа,.

5. Для отдельных порошковых бетонных смесей установлены фундаментальные реологические свойства — предел текучести и вязкость, а для всех смесей — реотехно-логические, консистометрические. Выявлены значения их для тестирования реологического отклика цементных суспензий порошковых смесей на действие СП и ГП, тестирование слабых, сильных СП и ГП.

6. Оптимизированы компонентные составы самоуплотняющихся порошковых бетонов с чрезвычайно низкими значениями В/Г (0,092−0,1) и В/Ц отношениями (0,28−0,33) при средней толщине матрицы между частицами тонкозернистого песка 45−65 мкм, для получения реакционно-порошкового бетона с прочностью на сжатие 150−160 МПа, с прочностью на растяжении при изгибе — 27 МПа. Выявлены условия самопроизвольного удаления пузырьков воздуха, как концентраторов напряжений в РПБ.

7. Изучено влияние дисперсности молотого песка или микрокварца, гранулометрии тонкозернистого песка на реотехнологические свойства смесей и прочность РПБ.

8. Осуществлен подбор составов фибробетонов с различными видами фибр. Теоретически показано и экспериментально доказано использование тонкой металлической фибры и микрофибры, по сравнению с используемыми не экономичными видами фибр «Челябинка» и «Драмикс».

9. Исследованные физико-технические, пирометрические свойства РПБ и РПБ-фибробетонов: R^ и RIt3r, водопоглощение, усадка, набухание, морозостойкость. Достигнут рубеж прочности на сжатие 200 МПа и на растяжение при изгибе 50 МПа с удельным расходом цемента 3,3 кг/МПа. Бетоны являются особо плотными с водопо-глощением не более 1,5%, морозостойкими (более 900 циклов), малоусадочными (е = 0,3−0,45 мм/м — без фибры).

10. Установлено оптимальное содержание трех реологических матриц в двух видах щебеночных бетонов нового поколения с расходами цемента 220−485 кг/м3 марок М 600−1500. Показано, что при переходе от малоцементных бетонов к. бетонам с повышенным расходом цемента содержание реологических матриц первого и второго рода уменьшается.

11. Произведен расчет технико-экономической эффективности применения сверхпрочных бетонов, а также малоцементных бетонов различных марок. Осуществлена опытно-промышленная апробация реакционно-порошковых бетонов в ООО «Новые строительные технологии «г. Красноярск и в ООО «Concrete Ingeniiing» г. Москва.