К вопросу об оптимизации структуры высокопрочного фибробетона за счет использования нанодисперсного модификатора

Существенное улучшение технологии приготовления бетона возможно за счет результатов, полученных при выполнении научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ. Они должны соответствовать главным технологическим принципам, которые устанавливаются с учетом анализа производственного опыта предприятий строительной отрасли.

Мелкозернистый бетон, широко используемый в настоящее время, отличается от обычного высоким содержанием цементного камня, повышенной удельной поверхностью и меньшей крупностью заполнителей. В связи с этим наблюдается большая зависимость прочностных показателей мелкозернистого бетона от водосодержания и свойств заполнителя. Сегодня в институтах и лабораториях уже получен мелкозернистый бетон с прочностью более 80 МПа, однако в ближайшее время эмпирический путь поиска увеличения прочности мелкозернистого бетона не приведет к цели в связи с высокой трудоемкостью технологии его получения.

Целью исследований является изучение условий, при которых происходит образование структуры бетона, и роль основных технологических приемов в этом процессе, а также установление характера воздействия структуры бетона на его качественные характеристики.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций; секции наносистем в строительном материаловедении; кафедры автомобильных и железных дорог; кафедры технологии стекла и керамики Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, а также в испытательном центре «БГТУ-сертис» и научно-исследовательской лаборатории обследования. Исследование вещественного состава отсева дробления кварцитопесчаника, нанодис-персного модификатора включало проведение валового химического анализа. Минеральный состав и строение образцов исходных сырьевых компонентов и синтезированных материалов были изучены с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий растровый электронный микроскоп (РЭМ) «Hitachi-S-800», совмещенный с персональным компьютером.

В работе использовался отсев дробления кварцитопесчаника Лебединского месторождения Курской магнитной аномалии с модулем крупности 3,85; насыпной плотностью 1470 кг/см3; пустотностью 46,9%.

Композиционное вяжущее получали путем домола портландцемента с пластифицирующей добавкой «Полипласт ПРЕМИУМ» в вибромельнице до удельной поверхности 550 м2/кг.

С целью оптимизации структуры цементного камня на наноуровне использовали нано-дисперсный модификатор, полученный из природных гидротермальных источников Камчатки. Его уникальными характеристиками являются удельная поверхность, равная 156000 м²/кг, средний диаметр частиц - 7,3 нм, плотность - 35 кг/м³.

Результаты исследований и их обсуждение

Выявлено, что на свойства мелкозернистого бетона основное влияние оказывает количество вяжущего в нем и его качество, а также свойства используемого заполнителя, к которым относятся гранулометрический состав и крупность зерен, пустотность, прочность, немаловажное значение имеет качество поверхности.

В связи с этим для повышения эффективности в технологии мелкозернистого бетона необходимо стремиться к снижению расхода цемента за счет использования композиционных вяжущих, что будет способствовать получению однородной структуры материала. Использование техногенного сырья, такого как отсев дробления кварцитопесчаников, для получения таких вяжущих и в качестве заполнителя позволяет значительно уменьшить себестоимость мелкозернистых бетонов [1, 2].

Повышение эффективности производства высококачественного мелкозернистого бетона возможно за счет совершенствования и управления структурой материала путем его модифи- кации на микро- и наноуровне, использования дисперсного армирования, что позволяет принципиально улучшить свойства материала.

Структурообразование при твердении бетона представляет собой довольно сложный процесс, который включает в себя помимо конструктивных также и деструктивные процессы (рис. 1), в которые входят напряжения, возникающие при температурном расширении материала, и массо- и теплообмен во влажных капиллярно-пористых телах. Поэтому автоматический контроль за процессом структурообразования бетонных изделий в современных условиях имеет весьма существенное значение, являясь основой для получения систем, которые управляют процессами переформирования структуры бетона, за счет чего можно добиться существенного увеличения качества продукции и возрастания производительности оборудования с помощью снижения количества времени, необходимого для термообработки.

Управление процессами структурообр

Тщательное перемешива ние

Рисунок 1 – Схема управления процессами структурообразования бетона

Технологичес кие параметры

Введение добавок

Для управления процессами структурообразования, технологией производства и для регулирования свойств материала применяли многокомпонентные композиционные вяжущие низкой водопотребности; химические модификаторы и активные минеральные компоненты (в том числе ультрадисперсные), являющиеся комплексными модификаторами свойств и структуры; минеральное сырье заполнителей, позволяющих получить экономичные бетоны с длительным сроком службы; интенсивную технологию, обеспечивающую высокую гомогенизацию состава и позволяющую создать условия, при которых в процессе структурообразования можно добиться оптимального взаимодействия составляющих в процессе образования структуры материала и ее упрочнения.

Оптимизация структуры на наноуровне достигалась за счет получения композиционного вяжущего путем совместного помола портландцемента с добавкой суперпластификатором в вибромельнице до удельной поверхности 550 м2/кг.

Изучение реологических характеристик композиционных вяжущих позволило установить, что они являются типичными вязкопластичными суспензиями с высокими значениями предельного напряжения сдвига и зависимостью эффективной вязкости от скорости деформации, что свойственно для сильно структурированных дисперсий [3, 4]. С увеличением процентного содержания добавки суперпластификатора характер реологического течения существенно меняется (рис. 2). Реологические кривые с оптимальной концентрацией добавки проходят через начало координат и становятся прямолинейными, что свидетельствует о жидкообразном характере течения.

Рисунок 2 – Зависимость касательного напряжения сдвига от градиента скорости сдвига при различных концентрациях добавки

При изучении реологических суспензий ТМЦ - вода было установлено, что при увеличении содержания в суспензии добавки от 0,4 до 0,8 % напряжение сдвига уменьшается, что свидетельствует об эффективности добавки суперпластификатора в дозировке 0,8 % от массы вяжущего.

В результате анализа полученных данных проведенных исследований установлено, что образцы на основе композиционного вяжущего обладают высокими физико-механическими характеристиками с активностью до 90 МПа (табл. 1). Это можно объяснить улучшенной пространственной упаковкой частиц в композите, а также невысоким значением водопотребности смеси. Введение добавки суперпластификатора увеличивает как начало, так и конец схватывания.

Таблица 1

Физико-механические характеристики вяжущих

Вид вяжущего	Нормальная густота теста, %	Сроки схватывания, часы-минуты		В/Ц	Прочность вяжущего, МПа
		начало	конец		на изгиб	на сжатие
ЦЕМ I 42,5Н	26,2	2-40	3-50	0,4	7,2	50,4
ТМЦ-100	25,3	2-20	3-30	0,41	10,2	71,3
ВНВ-100	22,8	2-10	3-10	0,28	12,4	89,2

При введении в цементную систему выбранной оптимальной дозировки наблюдается снижение водопотребности на 25 %, прочность разработанных композиционных вяжущих увеличивается на 70 % по сравнению с исходным цементом, при этом достигается увеличение подвижности бетонной смеси и повышение прочности эффективного бетона [5, 6]. Дальнейшая оптимизация структуры цементной матрицы осуществлялась путем домола композиционного вяжущего с нанодисперсным модификатором (НДМ), полученным из гидротермальных источников вулканогенных областей (табл. 2).

Таблица 2

Результаты определения прочности на сжатие (МПа) образцов на композиционном вяжущем

Возраст образца, сут.	Содержание НДМ в разработанном композиционном вяжущем, %
	0,1	0,01	0,001
3	91,5	89,1	77,1
7	103,6	101,2	95,4
28	124	120,8	118,3

Установлено, что оптимизация структуры цементного камня композиционного вяжущего с повышением его активности до 120,8 МПа достигается за счет введения нанодисперс-ного модификатора в количестве 0,01 %. Гидрооксид кальция, освобождаемый при гидратации портландцемента, вступает в реакцию с наномодификатором и синтезируется в гидросиликат кальция второй генерации. Такая реакция является быстрой и эффективной за счет высокой удельной поверхности нанодисперсного модификатора. Микрочастицы НДМ окружают зерна цемента, тем самым уплотняя цементный камень, и заполняют пустоты прочными продуктами гидратации, что способствует улучшению сцепления заполнителями.

Для оптимизации структурообразования на микроуровне необходимо использование мелкого заполнителя с целью создания высокоплотной упаковки частиц. Больше всего на эту роль подходят кварцитопесчаники, которые представляют собой мономинеральную породу тонкозернистой структуры, массивной, грубополосчатой текстуры [6–8]. Разработаны составы мелкозернистых бетонов на высокоэффективных вяжущих с использованием отсева дробления кварцитопесчаника, обогащенного Шебекинским песком.

Дальнейшая оптимизация макроструктуры осуществлялась за счет использования комбинированного дисперсного армирования. Применяли стальную фибру для увеличения прочности бетона при сжатии и изгибе и полипропиленовую - для увеличения прочности на растяжение, так как полипропиленовая фибра имеет высокое удлинение до разрыва.

В результате комплексных исследований были разработаны составы высокоэффективных мелкозернистых фибробетонов (табл. 3) [9].

Таблица 3 Физико-механические характеристики бетона

№ п/ п	Расход материалов на 1 м3						Добавка Mu-raplast FK68, кг	Фибра, кг		В/В	R сж , МПа	R из , МПа
	вяжущее, кг			отсев КВП, кг	о о К	R cd о CQ		стальная	поли-пропиле-новая
	Ц	СП	НДМ
1	710	-	-	1150	390	238	5,76	41,4	4,77	0,34	68,4	11,4
2	710	2,13	-	1150	390	205	5,76	41,4	4,77	0,29	126	15,6
3	710	2,13	0,071	1150	390	164	5,76	41,4	4,77	0,23	169,6	21,6

Заключение

Установлено, что за счет высоких характеристик вяжущего, его высокой дисперсности, низкой водопотребности, высокой активности улучшается состояние контактных зон и новообразований в системе «цементный камень - заполнитель», в результате чего увеличиваются прочностные и деформативные характеристики высокоэффективных бетонов при меньшем расходе клинкерной составляющей по сравнению с бетоном контрольного образца.

Таким образом, анализ результатов показал положительное влияние нанодисперсного модификатора как на прочность при сжатии, так и на прочность при растяжении при изгибе.

Разработанные композиционные вяжущие являются эффективным материалом для получения дисперсно-армированного высокопрочного бетона с технологической и экономической стороны, их использование будет способствовать как снижению себестоимости строительства, так и улучшению экологической ситуации в регионе.

*Статья подготовлена в рамках программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.