ТОНКОДИСПЕРСНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ И ПОРОШКОВЫЕ БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Основы пластифицирования и водоредуцирования минеральных и цементных дисперсных систем как реологических матриц микроуровня для бетонов были сформулированы нами [1] в 1996 г. на основе ранее выполненных работ в период с 1979 по 1996 г.г. [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Это и перспективы направленного использования максимально высокой водоредуцирующей активности СП в тонкодисперсных системах, особенности количественных реологических и структурно-механических изменений суперпластифицированных систем, заключающиеся в лавинообразном переходе их от твердофазного к жидкотекучему состояниям, при супермалом добавлении воды. Это – разработанные критерии гравитационной растекаемости и послетиксотропного ресурса течения (ТРТ) высокодисперсных пластифицированных систем (под действием собственного веса) и самопроизвольного выравнивания дневной поверхности. Это доказательство возрастания водоредуцирующих эффектов с увеличением дисперсности минеральных порошков с повышением S_уд с 300-350 до 1000-1500 м²/кг, выдвинутая концепция соразжижения в смесях цемента с дисперсными наполнителями и возможности предельного концентрирования цементных систем тонкодисперсными порошками из пород осадочного, магматического и метаморфического происхождения, селективных по уровням высокого водоредуцирования к СП.

Наиболее важные результаты, полученные в этих работах, состоят в возможности 5-15 кратного снижения расхода воды в дисперсиях при сохранении гравитационной растекаемости. Было показано, что совмещением реологически-активных порошков с цементом можно усилить реологическое действие СП и получать высокоплотные отливки. Именно эти принципы реализованы в реакционно-порошковых бетонах (РПБ) с повышением плотности и прочности их (Reaktionspulver beton – RPB или Reactive Powder Concrete – RPC [8, 9]). Другим результатом является повышение водоредуцирующего действия СП с возрастанием дисперсности порошков [1]. Это также используется в порошковых тонкозернистых бетонах путем увеличения доли тонкодисперсных составляющих за счет добавления к цементу микрокремнезема. Новым в теории и практике порошковых бетонов явилось использование мелкого песка фракции 0,1-0,5 мм, что сделало бетон тонкозернистым, самоуплотняющимся и саморастекающимся, в отличие от обычного песчаного на песке фракции 0-5 мм. Проведенный нами расчет средней удельной поверхности дисперсной части порошкового бетона (состав: цемента – 700 кг; тонкого песка фр. 0,125-0,63 мм – 950 кг, базальтовой муки S_уд = 380 м²/кг – 350 кг, микрокремнезема S_vд = 3200 м²/кг – 140 кг) при ее содержании 49-50% от общей смеси с тонкозернистым песком фр. 0,125-0,5 мм показывает, что при дисперсности МК S_мк=3000 м²/кг средняя поверхность порошковой части составляет S_vд=1060 м²/кг, а при S_мк=2000 м²/кг – S_vд= 785 м²/кг. Именно на таких тонкодисперсных составляющих изготавливаются тонкозернистые бесщебеночные реакционно-порошковые бетоны нового поколения, в которых объемная концентрация твердой фазы без песка достигает 58-64%, а вместе с песком – 76-77% и мало уступает концентрации твердой фазы в суперпластифицированных тяжелых бетонах (C_v= 0,80-0,85). Однако в щебеночных бетонах объемная концентрация твердой фазы за вычетом щебня и песка значительно ниже, что определяет высокую плотность дисперсной матрицы порошкового бетона.

Высокая прочность обеспечивается наличием не только микрокремнезема или дегидратированного каолина, но и реакционно-активного порошка из молотой горной породы. По литературным данным преимущественно вводится летучая зола, базальтовая или кварцевая мука. Нами выявлены из некоторых горных пород, пылей газоочисток и кислых шлаков очень активные микродобавки к цементу. Широкие возможности в производстве реакционно-активных порошковых бетонов открывались в СССР и России в связи с разработкой и исследованием композиционных вяжущих низкой водопотребности Баженовым Ю.М., Бабаевым Ш.Т., Комаром А.А., [10, 11], Батраковым В.Г. [12, 13], Долгополовым Н.Н. [14] и другими учеными. Было доказано, что замена цемента в процессе помола ВНВ карбонатной, гранитной, кварцевой мукой до 50% существенно повышает водоредуцирующий эффект. В/Т-отношение, обеспечивающее гравитационную растекаемость щебеночных бетонов, по сравнению с обычным введением СП, снижается до 13-15%, прочность бетона на таком ВНВ-50 достигает 90-100 МПа. По существу, на основе ВНВ, микрокремнезёма, мелкого песка и дисперсной арматуры можно было получать уже тогда современные порошковые бетоны.

Дисперсно-армированные порошковые бетоны очень эффективны не только для несущих конструкций с комбинированным армированием предварительно-напряженной арматурой, но и для производства очень тонкостенных, в том числе пространственных архитектурных деталей. По последним данным возможно текстильное армирование конструкций. Именно развитие текстильно-волоконного производства (тканевых) объемных каркасов из высокопрочных полимерных и щелочестойких нитей в развитых зарубежных странах явилось мотивацией разработки более 12 лет назад во Франции и Канаде реакционно-порошковых бетонов [8, 9, 10]. Они с СП, без крупных заполнителей, с особо мелким кварцевым заполнителем, наполненные каменными порошками и микрокремнеземом называются самоуплотняющимися. Бетонные смеси из таких тонкозернистых смесей растекаются под действием собственного веса при содержании воды 10-12%, заполняя полностью густую сетчатую структуру тканого каркаса и все сопряжения филигранной формы. Еще большего повышения трещиностойкости и других физико-технических свойств у таких бетонов с ткаными объемными каркасами следует ожидать, если последние будут сотканы из тончайших стальных нитей. В одном из Пензенских НИИ получены в полупромышленном масштабе металлические волокна толщиной 10-40 мкм с защитным покрытием из стекла толщиной 2-3 мкм. Испытания, проведенные нами, показали, что прочность на разрыв таких волокон достигает 2700-3000 МПа.

«Высокая» реология порошковых бетонных смесей (ПБС) обеспечивает при содержании воды 10-12% от массы сухих компонентов, предел текучести τ₀ = 5-15 Па, т.е. всего лишь в 5-10 раз выше, чем в масляных красок. При таком τ₀ для его определения использовали прецизионный миниареометрический метод, разработанный нами в 1995 г. Низкий предел текучести обеспечивается оптимальной толщиной прослойки реологической матрицы между частицами песка. Рассмотрение модели топологической структуры ПБС при расположении частиц песка в углах кубической ячейки определят толщину прослойки Х теста на частицах песка [15]:

,

где – средний диаметр частиц песка;

– объемная концентрация его в РПБ.

Для приведенного ниже состава при В/Т = 0,103 усредненная толщина прослойки будет 0,056 мм. De Larrard и Sedran [16] установили, что для более мелких песков (d = 0,125-0,4 мм) толщина варьирует от 48 до 88 мкм.

Увеличение прослойки частиц снижает вязкость, предельное напряжение сдвига и увеличивает текучесть. Текучесть может возрастать за счет добавления воды и введения СП. В общем виде влияние воды и СП на изменение вязкости, предельного напряжения сдвига и текучести неоднозначно (рис. 1).

а)

Рис. 1 Влияние СП и воды на вязкость, предел текучести и текучесть

Для саморастекающихся бетонных смесей наиболее важно снижение предела текучести до минимума, нежели снижение вязкости. Понижение вязкости для самоуплотняющихся порошковых бетонов должно обеспечить удаление сферических пузырьков воздуха диаметром 0,3 мм и более. Основные свойства суперпластифицированных предельно наполненных систем состоят в том, что вязкость может быть достаточно высокой и система может медленно течь, если предел текучести мал. Для обычных систем без СП вязкость может быть малой, но повышенный предел текучести препятствует растеканию суспензий и выделению пузырьков газа, так как у них отсутствует послетиксотропный ресурс течения [14].

Реологические свойства зависят от вида и дозировки СП. Влияние трех видов СП показано на рис. 2. Наиболее эффективным СП является Woerment 794.

Рис. 2 Влияние вида и дозировки СП на τ_о:

1 – Woerment 794; 2 – С-3; 3 – Melment F 10

При этом менее селективным оказался не отечественный СП С-3, а зарубежный СП на меламиновой основе Мelment F10.

Растекаемость порошковых бетонных смесей чрезвычайно важна при формировании бетонных изделий с уложенными в форму ткаными объемно-сеточными каркасами. Такие объёмные ажурно-тканевые каркасы в форме тавра, двутавра, швеллера и других конфигураций, позволяют осуществлять быстрое армирование, заключающееся в установке и фиксации каркаса в форме, с последующей заливкой суспензионного бетона, легко проникающего через ячейки каркаса размером 2-5 мм (рис. 3). Тканевые каркасы позволяют радикально повысить трещиностойкость бетона при воздействии знакопеременных колебаний температуры и значительно снизить деформации.

Бетонная смесь должна не только легко проливаться локально через сеточный каркас, но и растекаться при заполнении формы «обратным» проникновением через каркас при увеличении объема смеси в форме. Для оценки текучести использовали порошковые смеси одинакового состава по содержанию сухих компонентов, а растекаемость из конуса (для встряхивающего столика) регулировали количеством СП и, частично, воды. Для блокирования растекания предложено сеточное кольцо диаметром 175 мм (рис.4), внутрь которого устанавливался конус от встряхивающего столика для заливки ПБС.

Рис. 3. Тканевый каркас из полимерных волокон

.

Рис. 4. Расплывы смеси при свободном и блокированном растекании

Сетка имела размер в свету 2,8×2,8 мм при диаметре проволоки 0,3×0,3 мм. Пластифицированные смеси изготавливались с расплывами 25,0; 26,8; 28,2 и 29,8 см. В результате опытов было установлено, что с повышением текучести смеси отношение диаметров свободного d_c и блокированного сеткой расплыва d_б снижается. На рис. 5 показано изменение d_c /d_б от d_c. Как следует из рисунка, разница в расплывах смеси d_c и d_б исчезает при текучести, характеризуемой свободным расплывом 29,8 см. При d_c. = 28,2 расплыв через сетку уменьшается на 5%. Большее торможение растеканию через сетку испытывает смесь с расплывом 25 см.

В связи с этим при использовании сеточных каркасов с ячейкой 3×3 мм необходимо использовать смеси с расплывом не менее 28-30 см.

Рис. 5. Изменение от значения свободного расплыва d_c

Физико-технические свойства дисперсно-армированного порошкового бетона, армированного 1% по объему стальными волокнами диаметром 0,15 мм и длиной 6 мм, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: