Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона и экономии его в конструкциях

ЧЕРЕЗ РАЦИОНАЛЬНУЮ РЕОЛОГИЮ В БУДУЩЕЕ БЕТОНОВ

Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона и экономии его в конструкциях

В.И.Калашников

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,

г. Пенза, Россия

Наиболее радикальным революционным этапом на долгом пути эволюционного развития бетона явилось появление эффективных суперпластификаторов (СП) и гиперпластификаторов (ГП) нового поколения. Создание высокопрочных бетонов с суперпластификаторами осуществлялось по нескольким направлениям, связанным с созданием высокотекучих тонкодисперсных реологических матриц. На первом этапе основой саморастекающихся и самоуплотняющихся бетонных смесей являлась цементно-водная дисперсия. Естественно, в «тощих» бетонах невысоких марок М 100-300 с малыми расходами цемента эффективность суперпластификаторов была очень низкой, так как объем реологической матрицы из цементно-водной дисперсии был незначительным. Суперпластификаторы более эффективно начали использоваться в бетонах марок 400-500 с расходами цемента 500-600 кг/м³. За счет более значительного водоредуцирующего эффекта и уменьшения количества воды стало возможным снижать расходы цемента на 10-20% при производстве железобетонных напорных труб, балок, ферм, колонн, обеспечивая одинаковую прочность 40-50 МПа с бездобавочными бетонами на равно-подвижных смесях. И в этом случае экономия цемента осуществлялась за счет снижения объема реологической матрицы, но более плотной, формирующей высокую прочность.

Стратегия экономии портландцемента в России и в странах СНГ, с применением СП начиная с 1980 г и по настоящее время, не превратилась в наиболее рациональную, перспективную радикальную стратегию экономии бетона в несущих конструкциях и изделиях за счет использования в них высокопрочных бетонов марок 1400-2000. Огромная технико-экономическая эффективность таких бетонов в будущем очевидна. В конструкциях из бетонов таких марок, при удорожании его в 1,4-1,7 раза снижение расхода всех компонентов – цемента, щебня, песка, суперпластификатора и воды достигает 2-4-х кратного! не считая экономии арматуры при переходе на высокие марки стали. А это колоссальное снижение массы зданий и сооружений и сопутствующее сокращение транспортных расходов. Можно ли при такой огромной экономии средств говорить о снижении расхода цемента в кубе бетона марок 500-600 всего лишь на 80-100 кг? Не стоит ли изменить всю техническую политику в сфере проектирования изделий и конструкций из высокопрочного бетона, а также существующие технологии производства их со всем имеющимся парком форм огромной емкости и металлоемкости. Но кто из производственников решится изготавливать железобетонную перемычку двутаврового или коробчатого сечения из бетона марки М1500 или более, пустотелый фундамент сложной формы в соответствии с эпюрами основных напряжений Колонны с 3-х кратным уменьшением сечения, но с сохранением момента сопротивления и момента инерции сечения? Консерватизм в перестройке мышления и конструкторов и технологов не позволяет в России совершить революционный скачок в сфере производства высокопрочных бетонов. А это значит постоянно отставать от передовых стран в экономике строительства из железобетона. Не проще ли производителям и строителям получать свои, хотя небольшие прибыли, на «старом» бетоне из четырех компонентов, которому уже почти 160 лет.

Зарубежный опыт свидетельствует о том, что высокопрочные и особовысокопрочные бетоны марок М1400 и более востребованы при возведении специальных, особо нагруженных сооружений, таких как большепролетные мосты, небоскребы, морские нефтяные платформы, резервуары для хранения газов и жидкостей под давлением и других конструкций. Значительный прогресс в этом особо отмечается с конца 80-х годов прошлого столетия, когда высокопрочные бетоны с СП изготавливались с большими расходами цемента. Современные высококачественные бетоны (ВКБ) классификационно сочетают в себе большой спектр бетонов различного назначения: высокопрочные и ультравысокопрочные бетоны [1, 2] самоуплотняющиеся бетоны [3, 4], высококоррозиестойкие бетоны. Эти виды бетонов, армированные стержневой и дисперсной арматурой или сочетанием их, удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение, трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости.

Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во-первых, не только революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а, во-вторых, появление наиболее активных пуццолановых добавок – микрокремнеземов (МК), дегидратированных каолинов и высокодисперсных реакционно-активных зол ТЭЦ более плотных, чем природные высокопористые пуццоланы. Сочетание суперпластификаторов и, особенно, экологически чистых гиперпластификаторов на поликарбоксилатной, полиакрилатной и полигликолиевой основе, позволяют получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси. Благодаря этим достижениям, количество компонентов в бетоне с химическими добавками достигло 6-8, водоцементное отношение снизилось до 0,24-0,28, при сохранении пластичности, характеризующейся осадкой конуса 4-10 см. В самоуплотняющихся бетонах (Selbstverdichtender Beton-SVB) с добавкой каменной муки (КМ) или без неё, но с добавкой МК в высокоработоспособных бетонах (Ultrahochfester Beton, Ultra hochleistung Beton) на гиперпластификаторах, в отличие от литых на традиционных СП, совершенная текучесть бетонных смесей сочетается с низкой седиментацией и самоуплотнением при самопроизвольном удалении воздуха.

«Высокая» реология при значительном водопонижении в суперпластифицированных бетонных смесях обеспечивается жидкотекучей реологической матрицей, которую можно разделить в высокопрочных бетонах на несколько масштабных уровней по размеру структурных элементов, составляющих ее. В обычных щебеночных бетонах низких марок для щебня реологической матрицей на сложном структурном уровне, а именно на мезо-микроуровне служит цементно-песчаный раствор. В свою очередь для песка в обычных бетонных смесях реологической матрицей на микроуровне является цементно-водная паста, увеличить долю которой для обеспечения текучести можно за счет увеличения количества цемента. Но это, с одной стороны, неэкономично (особенно для бетонов классов В10-В30), с другой – как это не парадоксально, все самые сильные суперпластификаторы являются «плохими» водоредуцирующими добавками для портландцемента, хотя все они создавались и создаются для него. Практически, все суперпластификаторы, как было доказано нами, начиная с 1979 г. «работают» значительно лучше на многих минеральных порошках или на смеси их с цементом, чем на чистом цементе, вследствие установленного нами явления, названного эффектом «соразжижения» [5]. Цемент – нестабильная в воде, гидратирующаяся система, образующая суперколлоидные частицы сразу же после контакта его с водой и быстро загустевающая. А коллоидные частицы и гели в воде трудно диспергировать суперпластификаторами. Примером являются глинистые суспензии, слабо поддающиеся суперразжижению. Частицы целого ряда горных пород, даже самые тонкие, не видоизменяются в воде в течение сотен и тысяч лет.

Итак, в сильно пластифицированных бетонных смесях для высокопрочных бетонов для щебня, как макроструктурного элемента, реологической матрицей является более сложная дисперсия, состоящая из песка, цемента, каменной муки, микрокремнезема и воды. Доля такой матрицы должна быть значительно выше, чем в обычных бетонах.

Отсюда напрашивается вывод: к цементу надо добавлять каменную муку и она увеличит не только реологическое воздействие СП на смесь, но и, что не более важно, объем самой реологической матрицы. В результате появляется возможность более значительно снизить количество воды, чем в цементно-водной матрице, повысить плотность и увеличить прочность бетона. И добавление каменной муки, практически, будет равносильно увеличению цемента, если водоредуцирующие эффекты будут значительно выше, чем при добавлении цемента.

Важно здесь акцентировать внимание не на замене части цемента каменной мукой, как это рекомендовалось ранее, при использовании СП, а добавлении её в значительном объеме – до 40-60% к портландцементу. Исходя из полиструктурной теории в 1985-2000 г.г. все работы по изменению полиструктуры преследовали цель замены на 30-40% портландцемента минеральными наполнителями для экономии его в бетонах марок М200-500 [6,7,8]. Наполненные цементы в бетонах явились новым этапом на пути экономии цемента. Однако на современном этапе стратегия экономии портландцементов в бетонах, с сохранением той же прочности, за счет замены цемента дисперсными наполнителями, должна уступить место стратегии значительного добавления, реологически-активной по отношению к СП, каменной муки без уменьшения доли цемента, с достижением высокой прочности не только при сжатии, но и при изгибном и осевом растяжении, при условии дисперсного армирования.

Сравним два одинаковых состава бетона по массе сухих компонентов, но с различающимися количествами тонкодисперсных составляющих для реологической матрицы микроуровня. В первом шестикомпонентном составе (с учетом воды и СП) заменено 40% цемента каменной мукой (КМ):Ц=300 кг; КМ – 200 кг; П=575 кг; Щ=1300 кг. Во втором составе добавлено к цементу 50% каменной муки: Ц = 500 кг; КМ = 250 кг; Щ = 1050 кг, а содержание песка такое же. Сравним объемы тонкодисперсных составляющих при ρ_ц =3,1 г/см³ и ρ_км = 2,7 г/см³. В первом случае он будет 170,2 л, а во втором 253,7 л, т.е. на 50% выше. Таким образом, в первом составе КМ, выполняя функцию наполнителя цемента, не увеличивает объема реологической водно-дисперсной составляющей.

Кроме того, важно обеспечить в бетонной смеси наличие еще одного уровня реологической матрицы. В высокопрочных бетонах с микрокремнеземом для смеси цемента и каменной муки, как структурных элементов, должна быть еще одна реологическая матрица с наномасштабным уровнем – смесь микрокремнезема, воды и суперпластификатора. Размеры частиц микрокремнезема обычно укладываются в диапазон 0,1-1,0 мкм, т.е. в верхний уровень наночастиц. В составе семикомпонентного высокопрочного бетона с микрокремнеземом класса В70-В80: Ц = 500 кг; КМ = 250 кг, МК = 75 кг; П = 500 кг Щ = 1050 кг при ρ_мк =2,2 г/см³ объем дисперсной составляющей наномикроуровня равен 287 л. т.е. на 68,5 % выше. чем в первом бетоне с прочностью 40-50 МПа. Микрокремнезем кроме структурно-топологической функции в реологической матрице выполняет реакционно-химическую. И его необходимо добавлять 10-20% от массы портландцемента для связывания всей гидролизной извести, неизбежно присутствующей в бетоне. А наибольшее количество ее выделяет алит (3СаО∙SiO₂). Если ориентироваться при гидролизе алита на образование гидросиликатов с основностью 1,5 по реакции 2(3СаО∙SiO₂)+6Н₂О = 3СаО∙2SiO₂∙3Н₂О+3Са(ОН)₂, то количество выделяющегося портландита составит 39,36 %.

При использовании нормального портландцемента с содержанием алита 60% количество образовавшегося портландита составит 23,6%. При содержании белита (β-2СаО∙SiO₂) в цементе до 20% и гидролизе его по реакции 2(2СаО∙SiO₂)+4Н₂О = 3СаО∙2SiO₂∙3Н₂О+Са(ОН)₂ выделится 4,3 % портландита, а общее содержание портландита составит 27,7%.

Таким образом, доля микрокремнезема в цементе (при полной гидратации его) должна быть не менее 22% от его массы, если исходить из стехиометрического соотношения Са(ОН)₂:SiO₂, равного 1,23:1 для образования гидсиликата кальция с основностью 1,5. Такое количество МК от массы цемента должно содержаться как в реакционно-порошковых бетонах нового поколения, так и в многокомпонентных бетонах.

Для щебеночных бетонов эти масштабы структурных элементов реологических матриц соответствуют масштабам оптимальной гранулометрии сухих компонентов бетона для получения высокой плотности его.

Следовательно, каменная мука, улучшая реологическую функцию СП, должна быть матрично-наполняющим компонентом как в высокопрочных и особовысокопрочных бетонах, так и в бетонах общего назначения, увеличивая объем реологической матрицы второго масштабного уровня. Для бетонов не менее важна реакционно-химическая функция каменной муки. Именно сочетание «реологической активности» каменной муки с реакционно-химической активностью по отношению к продуктам гидратации портландцемента определяет её высокую ценность в бетонах. Оценка как первой функции муки в смеси с цементом и суперпластификатором, так и второй должна быть основными критериями при выборе горной породы. Естественно, что наиболее реакционно-активными добавками являются микрокремнезем, микродегидратированный каолин и отдельные золы ТЭЦ. Однако это не значит, что при отсутствии указанных добавок специально выделенная тончайшая фракция реакционно-активной каменной муки с удельной поверхностью 2000-3000 м²/кг не может быть использована в бетонах. Можно с уверенностью утверждать, что в будущем, в связи с недостатком «отходного» микрокремнезема, начнется промышленный выпуск реакционно-активных нанодобавок, в том числе из горных пород.

Максимальные реологические и водоредуцирующие эффекты, обусловленные адсорбцией СП на поверхности твердой фазы, «генетически» свойственны тонкодисперсным системам с высокой поверхностью раздела.

Из табл. 1 видно, что в портландцементных литьевых суспензиях с СП водоредуцирующее действие (В_д) последнего в 1,5-7,0 раз ниже, чем в минеральных порошках. Для горных пород водопонижение может быть в 2-3 раза выше, чем в цементе.

Таблица 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: