Самоуплотняющаяся реакционно-порошковая фибробетонная смесь. Порошковые высокопрочные дисперсно-армированные бетоны нового поколения Реакционно порошковый бетон holcim

СУХИЕ РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВЫЕ БЕТОННЫЕ СМЕСИ –

НОВЫЕ ВИДЫ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БЕТОНОВ

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. Россия

Реакционно-порошковые бетоны (РПБ) нового поколения – это специфические бетоны будущего, не имеющие в своем составе крупно-зернистых и кусковых заполнителей. Это отличает их и от мелкозернистых (песчаных) и щебеночных бетонов. Зерновой состав тонкозернистой песчаной фракции очень узок и находится в пределах 0,1-0,6 мм. Удельная поверхность такого песка (П) не превышает 400 см2/г. Средняя удельная поверхность тонкодисперсной фракции, состоящей из портландцемента (Ц), каменной муки (КМ) и микрокремнезема (МК), и являющейся реологической матрицей РПБ, находится в пределах см2/г . Высокая дисперсность является основой протекания адсорбционных процессов суперпластификаторов (СП) и кардинального снижения вязкости и предела текучести при минимуме воды. Бетонные смеси для таких бетонов саморастекаются при содержании воды 10-11% от массы сухих компонентов. В стесненных условиях реализуются контактные взаимодействия между частицами компонентов через тончайшие прослойки воды. В тонких прослойках воды интенсивно протекают реакции гидратации, гидролиза цементных минералов и взаимодействия гидролизной извести (портландита) с микрокремнеземом и тончайшими частицами кремнеземсодержащих горных пород.

В связи с тем, что в порошковых бетонах объемная концентрация цемента составляет 22-25%, то частицы цемента, в соответствии с предложенной ранее формулой , не контактируют между собой, а разделены наноразмерными частицами микрокремнезема, микрометрическими частицами молотого песка и тонкозернистого песка. В таких условиях, в отличие от обычных песчанистых и щебеночных бетонов, топохимический механизм отвердевания уступает сквозьрастворному, ионно-диффузионному механизму твердения. Это убедительно подтверждено нами на простых, но оригинальных экспериментах контроля твердения композиционных систем, состоящих из малых количеств грубомолотых клинкеров и гранулированных шлаков и значительного количества высокодисперсного мрамора при 10-12% воды. В порошковых бетонах частицы цемента разделены частицами микрокремнезема и каменной муки. Благодаря тончайшим оболочкам воды на поверхностях частиц процессы твердения порошковых бетонов протекают очень быстро. Суточная прочность их достигает 40-60 МПа.

Оценим усредненную толщину водных манжет на дисперсных частицах реакционно-порошкового бетона и сравним ее с манжетами на частицах цемента. Примем усредненную удельную поверхность цемента 3000 см2/г, каменной муки – 3800 см2/г, микрокремнезема – 3000 см2/г. Состав дисперсной части РПБ: Ц – 700 кг; КМ – 350 кг; МК – 110 кг. Тогда расчетная удельная поверхность дисперсной части порошкового бетона составит 5800 см2/г. Реакционно-порошковые бетонные смеси с гиперпластификаторами (ГП) приобретают гравитационную растекаемость при В/Т = 0,1. Цементная суспензия с ГП растекается под действием собственного веса при В/Ц = 0,24.

Тогда, усредненная толщина слоя воды, распределенная на поверхности частиц, составляет:

Таким образом, саморастекаемость цементной суспензии обеспечивается почти при пятикратном увеличении прослойки воды по сравнению с РПБ-смесью. Высокая текучесть реакционно-порошковых бетонных смесей обязана строго подобранной гранулометрии реологически-активным тонкодисперсным компонентам в суспензиях с суперпластификатором. Содержание тонкозернистого песка фракции 0,14-0,63 мм (средний размер 0,38 мм), должно быт таким, чтобы расстояние между частицами его было в пределах 55-65 мкм . По данным зарубежных исследователей De Larrard и F. Sedran толщина реологической прослойки (для песков с d = 0,125-0,40) варьирует от 48 до 88 мкм . При таких прослойках, определенный нами предел текучести, составляет 5-8 Па.

Дисперсная часть реакционно-порошкового бетона, состоящая из портландцемента, каменной муки и МК, ответственная за высокую гравитационную текучесть, обладает чрезвычайно высокой водопотребностью без добавки СП. При составе с соотношением ПЦ:КМ:МК как 1:0,5:0,1 гравитационное течение реализуется при водотвердом отношении, равном 0,72-0,76 в зависимости от вида МК. Наибольшей водопотребностью из трех исследованных микрокремнеземов – Челябинского, Новокузнецкого и Братского обладает последний. Его суспензия с водой начинает растекаться при содержании воды 110% к массе МК. Поэтому присутствие всего лишь 10% Братского МК повышает водопотребность смеси цемента и молотого песка с 34 до 76%. Введение суперпластификатора Melflux 1641 F снижает водосодержание дисперсной системы Ц+КМ+МК с 76 до 20% при сохранении текучести. Таким образом, водоредуцирующий эффект составляет 3,8 и достигает практически четырехкратного снижения расхода воды. При этом необходимо отметить, что ни один из исследованных микрокремнеземов не диспергируется в воде, а суспензии их не разжижаются любыми олигомерными суперпластификаторами первого поколения (С-3, Melment, Wiskoment и др.), ни полимерными гиперпластификаторами второго и третьего поколения (Sikа Viso Crete, Melflux 1641 F, Melflux 2641 F). Лишь в присутствии цемента МК становится реалогически-активным компонентом. Механизм такого превращения, связанный с перезарядкой отрицательно-заряженных поверхностей минеральных частиц катионом кальция гидролизной извести, был выявлен нами в 1980 г. Именно наличие ПЦ в присутствии СП превращает водно-цементно-песчаную суспензию с МК в маловязкую и агрегативно-устойчивую систему.

Сухие реакционно-порошковые бетонные смеси (СРПБС), предназначенные для получения бесщебеночных самоуплотняющихся бетонов для монолитного и сборного строительства, могут стать новым, основным видом композиционного вяжущего для производства многих видов бетонов (рисунок). Высокая текучесть реакционно-порошковых бетонных смесей позволяет дополнительно наполнять их щебнем с сохранением текучести и использовать их для самоуплотняющихся высокопрочных бетонов; при наполнении песком и щебнем – для вибрационных технологий формования, вибропрессования и каландрования. При этом бетоны, полученные по технологиям вибрационного и вибросилового уплотнения, могут иметь более высокую прочность, чем у литых бетонов. При более высокой степени получаются бетоны общестроительного назначения классов В20-В40.

Рис. 1 Основные сферы применения сухих

реакционно-порошковых бетонных смесей

Можно с уверенностью утверждать, что в будущем цементное вяжущее будет заменяться на сухое реакционно-порошковое вяжущее (СРПВ) исходя из следующих позитивных факторов:

1. Чрезвычайно-высокой прочности РПВ, достигающей 120-160 МПа., существенно превышающей прочность суперпластифицированного портландцемента за счет превращения «балластной » извести в цементирующие гидросиликаты.

2. Многофункциональности физико-технических свойств бетонов при введении в него коротких дисперсных стальных волокон: низкое водопоглощение (менее 1%), высокая морозостойкость (более 1000 циклов), высокая прочность на осевое растяжение (10-15 МПа) и на растяжение при изгибе (40-50 МПа), высокая ударная прочность, высокая стойкость к карбонатной и сульфатной коррозии и т. п.;

3. Высоких технико-экономических показателей производства СРПБ на цементных заводах, располагающих комплексом оборудования: сушильного, помольного, гомогенизационного и т. п.;

4. Широкой распространенности кварцевого песка во многих регионах земного шара, а также каменной муки от технологии обогащения черных и цветных металлов методами магнитной сепарации и флотации;

5. Огромных запасов отсевов камнедробления при комплексной переработке их в мелкозернистый щебень и каменную муку;

6. Возможности использования технологии совместного помола реакционного наполнителя, цемента и суперпластификатора;

7. Возможности использования СРПБ для изготовления высокопрочных, особовысокопрочных щебеночных и песчанистых бетонов нового поколения, а также бетонов общестроительного назначения путем варьирования соотношением заполнителя и вяжущего;

8. Возможности получения высокопрочных легких бетонов на невпитывающих воду микростекло - и микрозолосферах с реализацией высокой прочности реакционно-порошковой связки;

9. Возможности изготовления высокопрочного клея и связок для ремонтных работ .

Коллектив кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» не в состоянии своими силами развивать все направления, указанные на рисунке, вследствие отсутствия необходимых условий, отсутствия современного оборудования и приборов, финансирования важнейших работ, в том числе, перспективных. Судя по публикациям в России, практически, не занимаются разработкой особовысокопрочных реакционно-порошковых бетонов классов В 120, В 140. Большое количество публикаций посвящено совершенствованию бетонов общестроительного назначения с целью экономии цемента на 10-20 % с сохранение той же прочности.

За последние пять лет появились публикации, посвященные разработке бетонов классов В 60-В 100 с применением органо-минеральных добавок без использования значительных количеств реологически - и реакционно-активной каменной муки (дисперсных наполнителей) для увеличения объема реологической матрицы и для усиления действия суперпластификаторов и гиперпластификаторов нового поколения. А без нее невозможно изготовить самоуплотняющиеся бетонные смеси с расплывом стандартного конуса 70-80 см. Что касается использования нанотехнологий, то она не в состоянии радикально изменить несовершенную, чрезвычайно дефектную структуру бетонов классов В30-В40. Поэтому достигнуть высокой прочности равной 150-200 МПа за счет нанотехнологий, вряд ли удастся в ближайшее 10-15 лет. Необходимо использовать то, что лежит на «поверхности», то что достигнуто тремя революционными этапами в химии и механике бетона на эволюционном пути развития технологии его. Нанотехнологии будут необходимы для совершенствования малодефектной структуры высокопрочных бетонов с повышением прочности свыше 200-250 МПа.

Будущее бетонов связано с использованием каменной муки, ибо, только высокая текучесть смешанной цементно-дисперсной матрицы, имеющей 2-3-х кратный водоредуцирующий эффект, позволяет достичь (при оптимальной структуре бетонов) «высокой» реологии, а через нее высокой плотности и прочности бетонов. Именно, через рациональную реологию бетонных смесей необходимо следовать в будущее бетонов, через создание реологических матриц первого и второго рода, за счет кардинального изменения рецептуры и структуры пластифицированной бетонной смеси . Основные принципы создания таких бетонов и расчет состава их принципиально отличаются от традиционных бетонов плотных упаковок и самоуплотняющихся пластифицированных бетонов с органо-минеральными добавками.

Литература

1. , Калашников высокопрочные бетоны нового поколения // Популярное бетоноведение. Санкт-Петербург, №2 (16), 2007. С. 44-49.

2. Калашников реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения. Сборник статей Международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы . Теория и практика». Пенза. Приволжский дом знаний, 2007. С. 9-18.

3. , К теории твердения композиционных цементных вяжущих. Материалы Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». Саранск, МГУ, 2004. С. 119-124.

4. De Larrard, F. Sedran. Optimization of ultrahight-performance concrete by the use of a packing model. Cem Concrete Res. – Vol., 1994. – S. .

5 Калашников рациональную реологию в будущее бетонов. Часть 1. Виды реологических матриц в бетонной смеси, стратегия повышения прочности бетона и экономия его в конструкциях // Технология бетонов, №5, 2007. С.8-10.

6 Калашников рациональную реологию в будущее бетонов. Часть 2. Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения//Технология бетонов, №6, 2007. С.8-11.

7 Калашников рациональную реологию в будущее бетонов. Часть 3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов, №1, 2008. С.22-26

8 Калашников принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов// Популярное бетоноведение. Санкт-Петербург. №3, 2008. С.20-22.

9 Калашников составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы, №10, 2008. С.4-6.

Ученые не перестают удивлять разработками революционных технологий. Смесь с улучшенными свойствами была получена не так давно – в начале 90-х годов 20-го века. В России ее использование при возведении зданий встречается не так часто, основное применение – изготовление наливных полов и декоративных изделий: столешниц, ажурных арок и перегородок.

Определить преимущества более качественного материала РПБ позволит рассмотрение параметров:

Состав.
Свойства.
Сфера использования.
Экономическое обоснование выгоды.

Состав

Бетон – стройматерил, формованный из уплотненной смеси различного состава:

1. Основа – вяжущее, «склеивающее» заполнитель вещество. Свойство надежно, в единое целое объединять компоненты обеспечивает главные требования сферы применения. Виды вяжущего:

Цемент.
Гипс.
Известь.
Полимеры.
Битум.

2. Заполнитель – составляющая, которая определяет плотность, вес, прочность. Виды и размер зерна:

Песок – до 5 мм.
Керамзит – до 40.
Шлак – до 15.
Щебень – до 40.

3. Добавки – модификаторы, улучшающие свойства, изменяющие процессы схватывания получаемой смеси. Виды:

Пластифицирующие.
Армирующие.
Поризующие.
Регулирующие морозостойкость и/или скорость схватывания.

4. Вода – компонент, вступающий в реакцию с вяжущим (не используется в битумных бетонах). Процентное соотношение жидкости к массе основы определяет пластичность и время схватывания, морозостойкость и прочность изделия.

Применение различных сочетаний основы, заполнителя, добавок, их соотношения, пропорций позволяет получать бетоны с разнообразными характеристиками.

Отличие РПБ от других видов материалов – мелкая фракция заполнителя. Снижение процентного содержания цемента, его замена каменной мукой, микрокремнеземом позволило создать смеси с высокой текучестью, самоуплотняющиеся составы.

Сверхпрочные РПБ получают смешиванием воды (7-11 %) и реакционно-активного порошка. Пропорции (%):

Портландцемент марки М500 серый или белый – 30~34.
Микрокварц или каменная мука – 12-17 %.
Микрокремнезем – 3.2~6.8.
Тонкозернистый кварцевый песок (фракция 0.1~0.63 мм).
Суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира – 0,2~0,5.
Ускоритель набора прочности – 0.2.

Технология получения:

Компоненты подготавливают в соответствии с процентным содержанием.
В смеситель подают воду и пластификатор. Начинается процесс перемешивания.
Добавляют цемент, каменную муку, микрокремнезем.
Для придания цвета допускается добавка красителей (железоокисные).
Перемешивание 3 минуты.
Дополняют песком и (для армированных бетонов).
Процесс смешивания 2-3 минуты. В этом промежутке времени вводят ускоритель схватывания в процентном соотношении 0,2 от общей массы.
Поверхность формы смачивают водой.
Заливают смесь.
Сбрызгивают водой поверхность раствора, распределившегося в форме.
Накрывают литьевую емкость.

На все операции потребуется до 15 минут.

Свойства реакционно-порошковых бетонов

Положительные качества:

1. Применение микрокремнезема и каменной муки привело к снижению пропорции содержания цемента и дорогих суперпластификаторов в РПБ, что обусловило падение стоимости.

2. Получен состав самоуплотняющегося порошкового сверхпрочного бетона с высокой степенью текучести:

Не обязательно применение вибростола.
Лицевая поверхность получаемых изделий практически не требует механической доработки
Возможность изготовления элементов с различной текстурой и шероховатостью поверхности.

3. Армирование стальной, целлюлозной фиброй, использование ажурно-тканевых каркасов повышает марку до М2000, прочность на сжатие – до 200 МПа.

4. Высокая устойчивость к карбонатной и сульфатной коррозии.

5. Применение порошковой реакционной смеси помогает создать сверхпрочные (˃40-50 Мпа), легкие конструкции (плотность 1400~1650 кг/м3). Снижение массы уменьшает нагрузку на фундамент сооружений. Прочность позволяет выполнять несущие элементы каркаса здания меньшей толщины – сокращается расход.

Характеристики

Инженеры на этапе проектирования проводят расчеты и составляют ряд рекомендаций и требований к строительным материалам и параметрам. Основные показатели:

Марка бетона – число после буквы «М» (М100) в маркировке, указывает диапазон статической нагрузки на сжатие (кг/см2) после превышения которой наступает разрушение.
Прочность: на сжатие – фиксированная опытным путем величина давления пресса на образец до его деформации, единица измерения: МПа. На изгиб – давление пресса на центр образца, установленного на две опоры.
Плотность – масса изделия объемом 1 кубический метр, единица измерения: кг/м3.
Морозостойкость – количество циклов замораживания и обратного процесса с разрушением образца менее 5 %.
Коэффициент усадки – процентное уменьшение объема, линейных размеров конструкции по готовности.
Водопоглощение – отношение массы или объем впитываемой образцом воды при погружении в сосуд с жидкостью. Характеризует открытую пористость бетона.

Сфера применения

Новая технология на основе реакционно-порошковой смеси позволяет создавать бетоны с улучшенными характеристиками и широкой областью использования:

1. Наливные полы с высоким сопротивлением истиранию при минимальной толщине наносимого слоя.
2. Изготовление бордюрного камня с длительным сроком эксплуатации.
3. Различные в нужной пропорции добавки способны значительно снижать процесс водопоглощения, что позволяет применять материал при возведении морских нефтяных платформ.
4. В гражданском и промышленном строительстве.
5. Возведение мостов и тоннелей.
6. Для столешниц с высокой прочностью, поверхностью различной структуры и шероховатостью.
7. Декоративные панели.
8. Создание перегородок, художественных изделий из прозрачного бетона. При постепенной заливке в форму укладывают светочувствительные волокна.
9. Изготовление архитектурных тонкостенных деталей с помощью тканевого армирования.
10. Использование для прочных клеевых составов и ремонтных смесей.
11. Теплоизоляционный раствор с применением стеклосфер.
12. Высокопрочный бетон на гранитном щебне.
13. Барельефы, памятники.
14. Цветные бетоны.

Стоимость

Высокая цена вводит в заблуждение застройщиков относительно целесообразности использования. Снижение транспортных расходов, увеличение срока эксплуатации сооружений и наливных полов, другие позитивные свойства материала окупают финансовые вложения. Найти и купить РПБ довольно сложно. Проблема связана с пониженным спросом.

Цены, по которым можно приобрести РПБ в России:

К сожалению, сложно привести примеры объектов гражданского или промышленного назначения, возведенные на территории России с применением РПБ. Основное использование порошковых бетонов получило при изготовлении искусственного камня, столешниц, а также в качестве наливных полов и ремонтных составов.

Статьи