Порошковые высокопрочные дисперсно-армированные бетоны нового поколения

В статье описываются свойства и возможности высокопрочных порошковых бетонов, а также области и технологии их применения.

Высокие темпы строительства жилых и промышленных зданий с новыми и уникальными архитектурными формами и особенно специальных особо нагруженных сооружений (таких, как большепролетные мосты, небоскребы, морские нефтяные платформы, резервуары для хранения газов и жидкостей под давлением и др.) потребовали разработки новых эффективных бетонов. Значительный прогресс в этом особо отмечается с конца 80-х годов прошлого столетия. Современные высококачественные бетоны (ВКБ) классификационно сочетают в себе большой спектр бетонов различного назначения: высокопрочные и ультра высокопрочные бетоны [см. Bornemann R., Fenling E. Ultrahochfester Beton-Entwicklung und Verhalten.// Leipziger Massivbauseminar, 2000, Bd. 10; Schmidt M. Bornemann R. M?glichkeiten und Crensen von Hochfestem Beton.// Proc. 14, Jbausil, 2000, Bd. 1], самоуплотняющиеся бетоны [Gr?be P., Lemmer C., R?hl M. Vom Gussbeton zum Selbstverdichtenden Beton; Kleingelh?fer P. Neue Betonverflissiger auf Basis Policarboxilat.// Proc. 13. Jbasil Weimar 1997, Bd. 1], высоко коррозионностойкие бетоны. Эти виды бетонов 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, революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а во-вторых, появление наиболее активных пуццолановых добавок – микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол. Сочетания суперпластификаторов и особенно экологически чистых гиперпластификторов 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 нее, 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, которая имеет различные масштабные уровни структурных элементов, составляющих ее. В щебеночных бетонах для щебня реологической матрицей на различном микро-мезоуровне служит цементно-песчаный раствор. В пластифицированных бетонных смесях для высокопрочных бетонов для щебня как макроструктурного элемента реологической матрицей, доля которой должна быть значительно выше, чем в обычных бетонах, является более сложная дисперсия, состоящая из песка, цемента, каменной муки, микрокремнезема и воды. 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 ни парадоксально, суперпластификаторы являются плохими водоредуцирующими добавками для портландцемента, хотя все они создавались и создаются для него. Практически все суперпластификаторы, как было показано нами, начиная с 1979 г., «работают» значительно лучше на многих минеральных порошках или на смеси их с цементом [см. Калашников В. И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов: Диссертация в форме научного доклада на соискание степени докт. техн. наук. – Воронеж, 1996], чем на чистом цементе. Цемент – нестабильная в воде, гидратирующаяся система, образующая коллоидные частицы сразу же после контакта с водой и быстро загустевающая. А коллоидные частицы в воде трудно диспергировать суперпластификаторами. Примером являются глинистые суспензии слабо поддающиеся суперразжижению.

Таким образом, напрашивается вывод: к цементу надо добавлять каменную муку, и она увеличит не только реологическое воздействие СП на смесь, но и долю самой реологической матрицы. В результате появляется возможность значительно снизить количество воды, повысить плотность и увеличить прочность бетона. 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, а добавлении ее (причем значительной доли – 40–60 %) к портландцементу. Исходя из полиструктурной теории в 1985–2000 гг. все работы по изменению полиструктуры преследовали цель замены на 30–50 % портландцемента минеральными наполнителями для экономии его в бетонах [см. Соломатов В. И., Выровой В. Н. и др. Композиционные строительные материалы и конструкции пониженной материалоемкости. – Киев: Будивельник, 1991; Аганин С. П. Бетоны низкой водопотребности с модифицированным кварцевым наполнителем: Автореферат на соискание уч. степени канд. техн. наук. – М, 1996; Фадель И. М. Интенсивная раздельная технология бетона, наполненного базальтом: Автореферат дис. канд. техн. наук – М, 1993]. Стратегия экономии портландцементов в бетонах той же прочности уступит место стратегии экономии бетона с в 2–3 раза более высокой прочностью не только при сжатии, но и при изгибном и осевом растяжении, при ударе. Экономия бетона в более ажурных конструкциях даст более высокий экономический эффект, чем экономия цемента.

Рассматривая составы реологических матриц на различных масштабных уровнях, устанавливаем, что для песка в высокопрочных бетонах реологической матрицей на микроуровне является сложная смесь цемента, муки, кремнезема, суперпластификатора и воды. В свою очередь для высокопрочных бетонов с микрокремнеземом для смеси цемента и каменной муки (равной дисперсности) как структурных элементов появляется еще одна реологическая матрица с меньшим масштабным уровнем – смесь микрокремнезема, воды и суперпластификатора.

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

Таким образом, добавление каменной муки выполняет как структурно-реологическую функцию, так и матрично-наполняющую. Для высокопрочных бетонов не менее важна реакционно-химическая функция каменной муки, которую с более высоким эффектом выполняют реакционно-активные микрокремнезем и микродегидратированный каолин.

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

Таблица 1.

Реологическое и водоредуцирующее действие СП в водноминеральных системах

Вид дисперсного порошка и пластификатора	Дозировка СП,%	Рд	Вд
СаСО3 (Mg 150)	1,0	360-400	3,2-3,5
ВаСО3 (Melment)	1,0	1800-2000	5,0-6,0
Cr2O3 (C-3)	1,5	1200-1500	2,7-3,0
Ca(OH)2 (ЛСТ)	0,4	5000-6000	8,0-8,5
ZnO (C-3)	1,5	7000-7500	12,0-14,0
Цемент ПО «Вольскцемент» (С-3)	1,0	30-35	1,8-2,0
Опока Пензенского месторождения (С-3)	2,0	10-12	1,1-1,2
Молотое стекло ТФ10 (С-3)	1,0	14-18	1,5-1,6

Из таблицы 1 видно, что в портландцементных литьевых суспензиях с СП водоредуцирующее действие последнего в 1,5–7,0 раз (sic!) выше, чем в минеральных порошках. Для горных пород это превышение может достигать 2–3 раз.

Таким образом, сочетание гиперпластификаторов с микрокремнеземом, каменной мукой или золой позволили поднять уровень прочности на сжатие до 130–150, а в некоторых случаях – до 180–200 МПа и более. Однако значительное повышение прочности ведет к интенсивному возрастанию хрупкости и понижению коэффициента Пуассона до 0,14–0,17, что приводит к риску внезапного разрушения конструкций при чрезвычайных происшествиях. Избавление от этого негативного свойства бетона осуществляется не cтолько армированием последнего стержневой арматурой, сколько комбинацией стержневой арматурой с введением волокон из полимеров, стекла и стали.

Основы пластифицирования и водоредуцирования минеральных и цементных дисперсных систем были сформулированы в докторской диссертации Калашникова В.И. [см. Калашников В. И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов: Диссертация в форме научного доклада на соискание степени докт. техн. наук. – Воронеж, 1996] в 1996 г. на основе ранее выполненных работ в период с 1979 по 1996 гг. [Калашников В. И., Иванов И. А. О структурно-реологическом состоянии предельно разжиженных высококонцентрированных дисперсных систем. // Труды IV Национальной конференции по механике и технологии композиционных материалов. – София: БАН, 1985; Иванов И. А., Калашников В. И. Эффективность пластифицирования минеральных дисперсных композиций в зависимости от концентрации в них твердой фазы. // Реология бетонных смесей и ее технологические задачи. Тез. доклад III Всесоюзного симпозиума. – Рига. – РПИ, 1979; Калашников В. И., Иванов И. А. О характере пластифицирования минеральных дисперсных композиций в зависимости от концентрации в них твердой фазы.// Механика и технология композиционных материалов. Материалы II Национальной конференции. – София: БАН, 1979; Калашников В. И. О реакции различных минеральных композиций на нафталин-сульфокислотные суперпластификаторы и влияние на нее быстрорастворимых щелочей. // Механика и технология композиционных материалов. Материалы III Национальной конференции с участием зарубежных представителей. – София: БАН, 1982; Калашников В. И. Учет реологических изменений бетонных смесей с суперпластификаторами. // Материалы IX Всесоюзной конференции по бетону и железобетону (Ташкент, 1983). – Пенза. – 1983; Калашников В. И., Иванов И. А. Особенности реологических изменений цементных композиций под действием ионностабилизирующих пластификаторов. // Сборник трудов «Технологическая механика бетона». – Рига: РПИ, 1984]. 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 высокодисперсных пластифицированных систем (под действием собственного веса) и самопроизвольного выравнивания дневной поверхности. Это выдвинутая концепция 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 действие СП и получать высокоплотные отливки. Именно эти принципы реализованы в реакционно-порошковых бетонах с повышением плотности и прочности их (Reaktionspulver beton – RPB или Reactive Powder Concrete – RPC [см. Долгополов Н. Н., Суханов М. А., Ефимов С. Н. Новый тип цемента: структура цементного камня. // Строительные материалы. – 1994. – № 115]). Другим результатом является повышение редуцирующего действия СП с возрастанием дисперсности порошков [см. Калашников В. И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов: Диссертация в форме научного доклада на соискание степени докт. техн. наук. – Воронеж, 1996]. 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 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 Sуд = 380 м2/кг – 350 кг, микрокремнезема Svд =3200 м2/кг – 140кг) при ее содержании 49 % от общей смеси с тонкозернистых песком фракции 0,125–0,5 мм показывает, что при дисперсности МК Sмк=3000м2/кг средняя поверхность порошковой части составляет Svд=1060м2/кг, а при Sмк=2000 м2/кг – Svд= 785 м2/кг. Именно на таких тонкодисперсных составляющих изготавливаются тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны, 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 (Cv=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.

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, бальтовая, известняковая или кварцевая мука. 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., КомаромА. А., Батраковым В. Г. , Долгополовым Н. Н.. 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, микрокремнезема, мелкого песка и дисперсной арматуры можно получить 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 10 лет назад во Франции и Канаде реакционно-порошковых бетонов с СП без крупных заполнителей с особо мелким кварцевым заполнителем, наполненных каменными порошками и микрокремнеземом. Бетонные смеси из таких тонкозернистых смесей растекаются под действием собственного веса, заполняя полностью густую сетчатую структуру тканого каркаса и все сопряжения филигранной формы.

«Высокая» реология порошковых бетонных смесей (ПБС) обеспечивает при содержании воды 10–12 % от массы сухих компонентов предел текучести ?0= 5–15 Па, т.е. всего лишь в 5–10 раз выше, чем в масляных красок. При таком ?0 для его определения можно использовать миниареометрический метод, разработанный нами в 1995 г. Низкий предел текучести обеспечивается оптимальной толщиной прослойки реологической матрицы. Из рассмотрения топологической структуры ПБС, средняя толщина прослойки Х определяется по формуле:

где – средний диаметр частиц песка; – объемная концентрация.

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

Увеличение прослойки частиц снижает вязкость и 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).

Суперпластификатор понижает вязкость в значительно меньшей степени, чем добавление воды, в то время как понижение предела текучести за счет СП значительно более высокое, чем под влиянием воды.

 

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

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 их, т.к у них отсутствует послетиксотропный ресурс течения [см. Калашников В. И., Иванов И. А. Особенности реологических изменений цементных композиций под действием ионностабилизирующих пластификаторов. // Сборник трудов «Технологическая механика бетона». – Рига: РПИ, 1984].

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 ?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 объемные 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. Блокирование растекания осуществляли сеточным кольцом диаметром 175 мм.

Рис. 3 Образец тканевого каркаса

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 (рис. 4). Контрольные смеси изготавливались с расплывами 25,0; 26,5; 28,2 и 29,8 см. В результате опытов было установлено, что с повышением текучести смеси отношение диаметров свободного dc и блокированного расплыва dбснижается. На рис. 5 показано изменение dc/dботdc.

Рис. 5 Изменение dc/dб от значения свободного расплыва dc

Как следует из рисунка, разница в расплывах смеси dcи dб исчезает при текучести, характеризуемой свободным расплывом 29,8 см. При dc.= 28,2 расплыв через сетку уменьшается на 5 %. Особенно большое торможение при растекании 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.

Физико-технические свойства дисперсно-армированного порошкового бетона, армированного 1 % по объему стальными волокнами диаметром 0,15 мм и длиной 6 мм, представлены в таблице 2

Таблица 2.

Физико-технические свойства порошкового бетона на вяжущем низкой водопотребности с использованием отечественного СП С-3

№ п/п	Наименование свойств	Единица измерения	Показатели
1	Плотность	кг/м3	2300-2350
2	Пористость	%	4,8-6,5
3	Прочность при сжатии	МПа	128-136
4	Прочность на растяжение при изгибе	МПа	14-16
5	Прочность на осевое растяжение	МПа	4,5-5,2
6	Модуль упругости	ГПа	0,46-0,47
7	Коэффициент Пуассона	–	0,26-0,30
8	Усадка	мм/м	0,24-0,28
9	Водопоглощение	%	1,8-2,4
10	Морозостойкость	число циклов	> 500

Как свидетельствуют зарубежные данные, при 3 %-ом армировании, прочность при сжатии достигает 180–200 МПа, при осевом растяжении – 8–10МПа. Ударная прочность возрастает более чем десятикратно.

Возможности порошковых бетонов далеко не исчерпаны, учитывая эффективность гидротермальной обработки и влияние ее на увеличение доли тоберморита, и, соответственно, ксонотлита