Щелочные реакционные порошковые бетоны

Строительство уникальных зданий и сооружений journal homepage: of Unique Buildings and Structures .,.„,.

Современное состояние развития строительной науки обуславливает при строительстве уникальных зданий, сооружений, а также возведении сложных строительных конструкций [1-4] и их ремонте, использование высокопрочных вяжущих веществ и бетонов на их основе.

Обзор литературы

Высокопрочные бетоны появились в зарубежной практике в начале 60-х годов прошлого столетия -США, Норвегия, Германия и другие страны в промышленных масштабах начали применение бетона прочностью свыше 40 МПа. Особенно перспективны полученные в конце 80-х годов двадцатого столетия во Франции так называемые реакционные порошковые бетоны — Reactive powder concretes (RPC). Это новое поколение бетонов с прочностью при сжатии от 200 до 800 МПа и прочностью при растяжении 25150 МПа, энергией разрушения 3000 Дж/м3 и средней плотностью 2500-3000 кг/м3. Компонентами такого бетона являются портландцемент, микрокремнезем (25—30 % массы цемента), мелкозернистый песок с максимальной крупностью зерен 0,3-0,4 мм, стальная микрофибра и суперпластификатор (2,0-3,0 % массы цемента) при водотвердом отношении в диапазоне 0,12-0,15. Бетон назван реакционным порошковым вследствие высокой дисперсности компонентов и повышенного количества гидравлически активных материалов. Концепция RPC заключается в получении материла, с минимумом дефектов структуры - микротрещин и пор.

Оптимизация гранулометрического состава частиц портландцемента, песка, молотого кварца и микрокремнезема, которая основывается на предложенной F. De Larrard [5] линейной модели плотной упаковки (LPDM — linear packing density model), обеспечивает очень высокую плотность композита. В связи с этим в высокопрочных бетонах предусматривается использование тонкомолотых наполнителей.

Так молотый известняк в составе бетона в количестве до 35 % широко применяется во Франции, в то же время в других странах Западной Европы, например Германии, Дании дозировка молотого известняка, как правило, не превышает 5 % [6].

Значительно более высокий уплотняющий эффект в структуре бетона достигается при применении ультрадисперсного микрокремнезема (кремнеземистой пыли). В результате резко изменяются реологические свойства: повышается вязкость, пластическая прочность, связность и тиксотропия смесей, что является следствием усиления межчастичных взаимодействий, а также повышения водопотребности добавок с высокой удельной поверхностью [7, 8]. В то же время ряд исследователей [9-11] отмечают, что при определенных условиях и оптимальной дозировке минеральные добавки способны уменьшать водопотребность бетонных смесей либо повышать их подвижность.

Использование золы-унос приводит к снижению расхода воды при сохранении подвижности бетонной смеси, модификации состава продуктов гидратации цемента в результате пуццолановой реакции с гидроксидом кальция и связывания щелочей [12, 13].

При замене портландцемента молотым доменным гранулированным шлаком прочность при сжатии бетона в ранние сроки, как и в случае с золой-уноса, также замедляется, но выравнивается к 28 суткам (если замена до 50 %) или к 90 суткам (если замена до 70%) [14].

Ускорение гидратации портландцементной пасты, которая содержит комплекс минеральных добавок, включающий золу-унос или молотый гранулированный шлак, может быть достигнуто также при введении молотого известняка [15] или метакаолина [16].

Для регулирования технологических свойств и получения «реопластичных» бетонных смесей с низким водоцементным отношением, обладающих высокой когезией и нерасслаиваемостью применяют суперпластификаторы - полиэлектролиты органического происхождения, основная функция которых заключается в диспергировании химической среды в гетерогенных системах [17]. Следует отметить, что как СНФ, так и СМФ-конденсаты не обеспечивают длительной сохранности подвижности во времени бетонных смесей на их основе. При этом, чем ниже водоцементное отношение, тем выше скорость потери подвижности, особенно смесей на основе СНФ суперпластификаторов [17]. Быстрая потеря подвижности в основном связана с повышением ионной силы раствора цементной суспензии в процессе гидратации, что приводит к рефлокуляции дисперсных частиц в результате ван-дер-ваальсового взаимодействия. Этот эффект является также следствием низкой величины стерического отталкивания молекул полиэлектролитов [18].

Таким образом, современные высокопрочные бетоны - это комплексная смесь 5-10 различных минеральных композиций. Взаимодействия между ними могут создавать разнообразие показателей удобоукладываемости смеси и прочности бетона, что определяется морфологией, дисперсностью частиц и свойствами поверхности индивидуальных компонентов [19].

Однако все виды бетонов, получившие в настоящее время широкое научное развитие, основаны на портландцементе, активность которого ограничена и, очевидно, на сегодняшний день исчерпана.

В то же время давно существует такой вид вяжущих как шлакощелочные вяжущие [20], активность которых, даже без применения особых приемов, применяемых для повышения прочности портландцементных бетонов, описанных выше, достигает 80 МПа. Недостатком шлакощелочных бетонов считалась их повышенная деформативность, однако современные типы высокопрочных бетонов (например, Reactive powder concretes - RPC) на основе портландцемента также обладают повышенной деформативностью сравнимой с деформативностью шлакощелочных бетонов.

Еще в начале двадцатого столетия был отмечен эффект взаимодействия между силикатами натрия и солями железа [21], а несколько позже было получено так называемое шлакошламовое вяжущее [22], представляющее собой смесь доменного гранулированного шлака с отходами горно-обогатительных комбинатов (железосодержащим минеральным комплексом), затворенную водой. Активность данного вяжущего значительно превышает активность доменного гранулированного шлака затворенного водой.

Эти два положения послужили основой для получения нового вида вяжущего вещества, так называемого шлакошламового щелочного вяжущего, которое представляет собой смесь доменного гранулированного шлака с железосодержащим минеральным комплексом, затворенную водным раствором щелочного компонента [23]. Данный вид вяжущего обладает прочностью при сжатии, достигающей 110 МПа. Кроме этого получен так называемый шламопортландцемент, представляющий собой смесь портландцемента с железосодержащим минеральным комплексом (в том числе «хвостами» горно-обогатительных комбинатов), затворенную водой [23].

В то же время, известны результаты исследований в области флотации [24] и применения суперпластификаторов в технологии бетона [25, 26], а также данные о том, что введение в бетонную смесь минеральных добавок, например, метакаолина, микрокремнезема или молотого известняка [27] совместно с суперпластификатором, приводит к меньшей потере подвижности бетонной смеси, чем без минеральной добавки. В частности известен способ повышения прочности пенобетона введением в его состав комплексной добавки представляющей собой смесь минерального железосодержащего комплекса и полиспирта [28]. В описанных случаях происходит частичная адсорбция органического компонента добавки на минеральном, что снижает количество адсорбированного пластификатора на частицах вяжущего и новообразований, что снижает эффект замедления гидратации вяжущего. Известные исследования в области флотации [24] показывают, что железосодержащие минеральные комплексы наиболее эффективно связывают органические ПАВ.

Приведенные выше данные послужили основой научной гипотезы, которая заключается в следующем: для управления процессами структурообразования вяжущих систем необходим синтез таких органо-минеральных веществ, которые в зависимости от строения неорганического носителя и органического компонента, степени модифицирования сорбента и прочности закрепления органических веществ на поверхности твердой фазы, будут способны модифицировать структуру продуктов гидратации вяжущих, способствуя повышению скорости гидратации и достижению высокой прочности затвердевшей системы. Наиболее приемлемыми являются органо-минеральные системы, минеральная часть которых содержит соединения железа, а органическая представлена высшими спиртами, непредельными высшими жирными кислотами или их производными. Данный вид бетонов практически полностью подпадает под классификацию как Reactive powder concretes (RPC) с заменой вида вяжущего с портландцемента на шлакощелочное вяжущее.

Постановка задачи

Целью настоящей работы является определение степени влияния органо-минеральной добавки на основе минерального комплекса, содержащего железо и полиспирта на прочность шлакощелочного Reactive powder concretes (RPC).

Описание исследования

Эксперименты проводились в соответствии со стандартными методиками. Контроль прочности образцов производили на универсальной машине УММ-100. Дня изготовления образцов использовали доменные гранулированные шлаки ПАО «АрселорМиттал Кривой Рог» и отходы обогащения железных 58 Шишкин А.А. Щелочные реакционные порошковые бетоны.

Shishkin A.A. Alkaline reaction powder concretes. © руд Новокриворожского горно-обогатительного комплекса ПАО «АрселорМиттал Кривой Рог». В качестве полиспирта применяли пропантриол-1,2,3; в качестве щелочного компонента: силикат натрия, едкий натр и карбонат натрия.

Результаты экспериментов, приведенные в таблице 1, показывают, что наиболее приемлемым щелочным компонентом, для получения высокопрочных шлакощелочных наполненных бетонов (Reactive powder concretes без пластификаторов), являются силикаты натрия (растворимое стекло).

Таблица 1. Влияние вида щелочного и железистого компонентов на прочность наполненных бетонов при сжатии

Щелочной компонент	Прочность бетона, МПа, при содержании железистого компонента, %
	0	10	20	30	40	50	60
Оксид натрия	38	40	43	42	39	21	12
Карбонат натрия	31	35	42	40	38	25	9
Силикат натрия	63,4	68	72,6	72,4	72	64	50

* Примечание. Плотность водного раствора щелочного компонента составляла 1180 кг/м³.

Оптимальное содержание железистого минерального комплекса во всех случаях составляет 20…30%. Однако, при применении в качестве щелочного компонента силикатов натрия диапазон оптимального содержания железистого компонента расширяется, в данном случае предел его содержания (обеспечивающий максимальную прочность RPC) составляет 20…40% от массы вяжущего.

Результаты исследования влияния плотности водного раствора силикатов натрия на прочность при сжатии шлакощелочного наполненного бетона, приведенные в таблице 2, показали, что с увеличением плотности водного раствора силикатов натрия – прочность наполненного бетона при сжатии резко возрастает.

Таблица. 2. Влияние плотности водного раствора силикатов натрия на прочность наполненного бетона

Плотность водного раствора силикатов натрия, кг/м3	Содержание железистого компонента, %	Прочность бетона, МПа в возрасте, сут.
		1	28	90	180
1150	0	12	52	52,4	56,3
1150	20	18	53	56,8	61,2
1150	40	16,5	50	55,1	58,9
1200	0	20	63,4	69,3	71,2
1200	20	22	72,6	77,4	79,3
1200	40	24	72	73,3	75,5
1320	0	24	68,4	71,1	74,6
1320	20	31	110,9	121,7	134,6
1320	40	35	104,5	117,5	129,4

Влияние на прочность наполненного шлакощелочного бетона вида соединений железа в железистом минеральном комплексе, результаты определения которого приведены в таблице 3, показали, что наиболее оптимальным является соотношение соединений железа (оксид : карбонат) в железистом комплексе близкое к единице.

Таблица 3. Влияние состава железистого минерального комплекса на прочность бетона

Соотношение соединений железа в железистом компоненте - оксид:карбонат	Прочность бетона, МПа, при содержании железистого компонента, %
	0	5	10	20	30
0,52	52	58,9	65,8	68,2	70,5
1,03	52	68,3	71,5	75,2	76,6
1,51	52	67,3	69,8	70,2	70,9

Для получения реакционного порошкового бетона — Reactive powder concretes (RPC), на основе полученных и описанных выше наполненных бетонов, в последние необходимо ввести органический компонент. В данном случае в наполненные бетоны вводили полиспирт - пропантриол-1,2,3. В результате был получен шлакощелочной реакционный порошковый бетон (slag-alkaline reactive powder concretes - s-aRPC), прочностные показатели которого приведены в таблице 4.

Таблица 4. Прочность s-aRPC при сжатии

Содержание полиспирта, %	Относительная прочность s-aRPC при сжатии при содержании железистого комплекса, %
	0	5	10	15	20	25	30
0	1	1,31	1,38	1,28	1,45	1,46	1,47
0,2	1,04	1,33	1,57	1,97	1,96	1,79	1,699
0,4	1,28	1,69	1,97	2,12	2,14	2,02	2,056
0,6	1,11	1,41	1,62	1,74	1,79	1,65	1,687

Результаты исследований данной группы экспериментов показали, что полиспирт оказывает значительное влияние на прочность наполненного бетона на основе шлакощелочного вяжущего и железистого минерального комплекса. Полученный шлакощелочной реакционный порошковый бетон (slag-alkaline reactive powder concretes - s-aRPC) обладает достаточно высокой прочностью при сжатии.

Заключение

Проведенные исследования и анализ их результатов позволяют сделать следующие выводы:

• 1.    Установлено, что на основе шлакощелочных бетонов, железистых минеральных комплексов и органических компонентов возможно получение современных реакционных порошковых бетонов высокой прочности.

• 2.    Показано, что содержание минерального железистого комплекса (порошка) и органического компонента в s-aRPC носит экспоненциальный характер, т.е. имеется их содержание, обеспечивающее наибольшую прочность таких бетонов.

• 3.    Установлено, что в качестве органического компонента s-aRPC возможно использование полиспирта, который обеспечивает прирост прочности бетона до 100%.