Шейнфельд А. В., канд техн наук (ниижб) модифицированные бетоны нового поколения: реаль
Скачать 191.36 Kb.
|
Каприелов С.С., доктор техн. наук, Батраков В.Г., доктор техн. наук, проф.,Шейнфельд А.В., канд. техн. наук (НИИЖБ)МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: РЕАЛЬ-НОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВАДвадцатый век запомнится специалисту тем, что в области бетоноведения и, особенно, технологии бетона сделаны значительные шаги, изменившие первоначальные представления о материале, который был и остается наиболее массовым и важным в строительстве. Из многочисленных достижений науки о бетоне наиболее значимыми оказались те, которые углубили наши представления о процессах, происходящих на микроуровне и способствующих улучшению основных характеристик материала – прочности, деформативности, долговечности. Среди них научное обоснование процессов гидратации цемента и формирования структуры цементного камня. В развитие теорий Ле Шателье и Михаэлиса проведены многочисленные исследования систем С-S-H и С-А-Н, которые позволили понять суть процессов, происходящих при гидратации цемента, формировании кристаллогидратов и структуры цементного камня. Современное представление заключается в том, что формирование структуры, согласно Байкову, разделяется условно на три стадии: растворения, коллоидную и кристаллизационную. На первой и второй стадиях, по Ребиндеру [1], наблюдается пептизация частиц и формирование коагуляционной структуры с обратимыми (восстанавливающимися) контактами между частицами твердой фазы и цементная система находится в пластичном состоянии, которое характеризуется реологическими параметрами. На третьей стадии формируется кристаллизационная структура с необратимыми фазовыми контактами и система находится в состоянии, которое характеризуется сопротивлением разрушающей нагрузке и деформативностью. Прочность фазовых контактов и, соответственно, структуры, по Тэйлору [2], во многом зависит от условий формирования кристаллогидратов при гидратации основного минерала цемента – С3S, в частности, от соотношения С/S. Преобладание в структуре цементного камня более дисперсных и устойчивых гидросиликатов с соотношением С/S≤1,1 является фактором повышенной прочности фазовых контактов кристаллизационной структуры и коррозионной стойкости цементного камня. На этом представлении основано другое важное достижение науки о бетоне, которое можно сформулировать как разработку научных основ защиты бетона и железобетона от коррозии и повышения его долговечности. Сегодня общепризнанно, что коррозионная стойкость бетона зависит от проницаемости цементного камня и бетона для жидких и газообразных агентов, а также реакционной способности цементного камня при воздействии тех же агрессивных агентов, т.е. от дифференциальной пористости и фазового состава цементного камня, соответственно. Кроме того, определена связь морозостойкости с другими параметрами структуры: объемом и размером условно замкнутых пор и фактором расстояния между ними. В развитии технологии бетона решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов добавками-модификаторами цементных систем. Достаточно полное представление о теории и практике модифицирования бетонов дает недавно вышедшая в России монография [3]. Особого внимания заслуживает выявленная связь между строением молекул органических материалов, свойствами адсорбционных слоев и поведением цементных систем. Основываясь на этом и понимании процессов, происходящих в цементной системе, были созданы новые материалы для модифицирования цементных систем. С появлением суперпластификаторов (СП) и высокодисперсных кремнеземсодержащих материалов техногенного происхождения, прежде всего, микрокремнезема (МК) в технологии бетона произошел перелом. Значительный прогресс связан именно с совместным применением СП и МК. Оптимальное сочетание указанных добавок - модификаторов, а, при необходимости, совмещение с ними в небольших количествах других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. Так появился термин: High Performance Concrete, под которым подразумеваются бетоны высокой (55-80 МПа) и сверхвысокой (выше 80 МПа) прочности, низкой проницаемости, повышенной коррозионной стойкости и долговечности, полученные из пластичных смесей. В основе резкого изменения свойств бетонов – происходящие в цементной системе сложные коллоидно-химические и физические явления, которые поддаются воздействию модификаторов и отражаются, в конечном счете, на фазовом составе, пористости, прочности и долговечности цементного камня [4]. Очевидно, поэтому специалисты относят производство таких бетонов к «высоким технологиям» [5]. Остановимся на некоторых аспектах применения СП и МК, особенностях структуры модифицированного цементного камня и перспективах получения бетонов нового поколения. Суперпластификаторы.Появление СП в конце 60-х – начале 70-х годов увенчало многолетнюю тенденцию «химизации» бетона – применению в технологии различных добавок – модификаторов, улучшающих те или иные свойства бетонных смесей и бетонов. Воздействуя на процессы формирования структуры, особенно на начальной, коагуляционной, стадии, СП изменяют реологические свойства цементной системы, способствуют сокращению ее водопотребности, что в дальнейшем отражается на параметрах кристаллизационной структуры. Благодаря СП изменились традиционные представления о бетоне и технологии его производства. В частности, оказалось возможным получать ранее недостижимые эффекты: с применением высокопластичных бетонных смесей (ОК>20 см) на обычных портландцементах и заполнителях достигать сравнительно высокой прочности (50 МПа) и пониженной проницаемости, сокращать расход цемента и энергоресурсов. Распространенные в настоящее время на рынке СП можно классифицировать по двум признакам: по природе (составу) материалов и по основному эффекту в механизме действия на цементные системы. Классификация по второму признаку представляется более убедительной, т.к. в связи с появлением различных новых материалов, обладающих свойствами СП, становится трудно группировать их в зависимости от состава. В табл.1 приведена классификация СП с относительными стоимостными параметрами. Таблица 1 Классификация и относительная стоимость СП
Обратим внимание на то, что в механизме действия СП типов НФ, МФ, ЛСТ преобладает эффект электростатического отталкивания частиц цемента и стабилизации, вызванный тем, что адсорбционные слои из молекул СП увеличивают величину дзета-потенциала на поверхности цементных частиц. Отметим также, что величина дзета-потенциала зависит от адсорбционной способности СП (чем выше величина адсорбции, тем больше абсолютная величина дзета потенциала, имеющего отрицательный знак). В механизме действия СП типа П роль дзета потенциала меньше, а взаимное отталкивание частиц цемента и стабилизация суспензии обеспечивается за счет преобладающего стерического эффекта. Такое различие многие специалисты связывают со строением молекул СП разных типов: НФ, МФ, ЛСТ характеризуются линейной формой полимерной цепи, для СП типа П – характерны поперечные связи и двух- или трехмерная форма [6,7]. Именно поперечные звенья создают адсорбционную объемную защитную оболочку вокруг частиц твердой фазы, предотвращая слипание частиц и способствуя их взаимному отталкиванию. Следует отметить, что толщина адсорбционного слоя, как правило, больше, чем в случае с другими типами СП, а это значит, что в общем объеме свободной и адсорбционно-связанной воды в системе доля последней увеличивается. По некоторым данным силы взаимного отталкивания, вызываемые СП типа П, почти вдвое больше сил отталкивания, вызываемых МФ и НФ, и втрое больше сил, вызываемых ЛСТ [8]. Схематично электростатический и стерический механизм пластификации и стабилизации цементной суспензии показан на рис.1. Благодаря таким особенностям, СП типа П более эффективны, что выражается в сравнительно низких оптимальных дозировках, низкой чувствительности к виду и составу цемента, в длительном сохранении бетонными смесями первоначальной консистенции и в их повышенной связности – нерасслаиваемости. В то же время СП типа П - наиболее дорогие материалы, что приводит к идее их совмещения с другими СП, тем более, что подобные комплексы по техническим эффектам превосходят распространенные типы СП. Высокодисперсные кремнеземсодержащие материалы техногенного проис-хождения. Микрокремнезем. В конце 80-х годов комитет 73-SBC RILEM представил вариант классификации минеральных добавок техногенного происхождения (табл.2), которая выполнена по таким критериям, как пуццолановая активность и вяжущие свойства. Эта классификация позволяет оценить материалы с точки зрения их воздействия на цементные системы, поэтому представляется более объективной, чем обычная классификация минеральных добавок по их происхождению. Все материалы, представленные в классификации, имеют общий признак - практически одинаковый качественный состав, но отличаются соотношением компонентов и степенью дисперсности. Преобладание диоксида кремния аморфной модификации и высокая дисперсность предопределяют высокую пуццолановую активность. Поэтому МК и зола от сжигания рисовой шелухи занимают в классификации особое место.  А.           частица цемента молекулярная цепь адсорбционный слой поперечная полимерная цепь продольная полимерная цепь частица цемента адсорбционный слой        Б.           Рис. 1. Электростатический (А) и стерический (Б) эффектыТаблица 2Классификация и характеристики кремнеземсодержащих материалов техногенного происхождения
фикация позволяет оценить материалы с точки зрения их воздействия на цементные системы, поэтому представляется более объективной, чем обычная классификация минеральных добавок по их происхождению. Все материалы, представленные в классификации, имеют общий признак - практически одинаковый качественный состав, но отличаются соотношением компонентов и степенью дисперсности. Преобладание диоксида кремния аморфной модификации и высокая дисперсность предопределяют высокую пуццолановую активность. Поэтому МК и зола от сжигания рисовой шелухи занимают в классификации особое место. Остановимся на МК, т.к. объемы и география применения делают его предпочтительным по сравнению с золой рисовой шелухи. Влияние МК на формирование структуры цементной системы зависит от взаимодействия двух факторов, которые условно можно разделить на «физический» и «химический». Первый фактор, связанный, в основном, с ультрадисперсным размером МК и, в меньшей степени, с химико-минералогическим составом, оказывает существенное влияние на поведение цементной системы на стадии коагуляционного структурообразования, т.е. когда система находится в пластичном состоянии. Особенности системы с МК связаны с заполнением ультрадисперсными частицами пространства между грубодисперсными частицами цемента и образованием многочисленных, хотя и ослабленных, коагуляционных контактов между частицами твердой фазы. Эти обстоятельства, так же, как уменьшение объема свободной воды в системе (за счет увеличения объема адсорбционно-связанной) резко изменяют реологические и технологические свойства: повышают вязкость, пластическую прочность, а также связность (нерасслаиваемость) и тиксотропность смесей. Кроме того, «физический фактор» может благоприятно влиять на формирование структуры на поздней, кристаллизационной стадии, учитывая то, что ультрадисперсный материал, заполнив поры в структуре твердеющего камня, способствует повышению его плотности [4]. Роль «химического фактора» связана, прежде всего с химико-минералогическим составом МК и выражается в изменении баланса между гидратными фазами в составе цементного камня в сторону увеличения объема более прочных и устойчивых низкоосновных ГCK типа волластонита с соотношением С/S≤1,0 вместо первичных кристаллогидратов типа портландита и высокоосновных ГСК [4]. На рис.2 показана тенденция изменения баланса кристаллогидратов в зависимости от присутствия МК и СП в цементной системе.    Са(ОН)2, мг/г β-С2S, % β-СS, % С3S С3S +20% МК +20% МК +20% МК С3S 90 90 90 Влияние МК на содержание Са(ОН)2 в составе новообразований Влияние МК на содержание ГСК типа СSH(II) Влияние МК на содержание ГСК типа CSH(I) - волластонита Рис. 2. Изменение баланса гидратных фаз в камне из C3S по данным [4] Присутствие в цементной системе СП, в частности, типа НФ оказывает существенное влияние на процессы формирования структуры. Оно связано как с известными особенностями «адсорбционного механизма» действия ПАВ на цементные системы, так и со специфическими, которые присущи системам с МК. Комплексное воздействие МК и СП на цементную систему выражается в том, что на ранней стадии структурообразования, в пластичном состоянии, система обретает повышенную вязкость и связность и характеризуется ярко выраженной тиксотропностью, а на поздней стадии цементный камень характеризуется особым качественным составом и особой геометрией структуры. Первое проявляется в повышенном содержании мелкозернистых кристаллогидратов типа CSH(I), прочность которых в идеале может достигать 1000 МПа [9], а реакционная способность значительно ниже, чем у первичных гидратов. Второе – в повышенном содержании гелевых пор и, соответственно, в сокращенном объеме капиллярных [4] (рис.3). Таким образом, модифицированные с помощью МК и СП цементные системы соответствуют теоретическим представлениям о бетонах высокой и сверхвысокой прочности, низкой проницаемости, повышенной коррозионной стойкости и долговечности. Характеристики бетонов, достигаемые при модифицировании СП, МК и комплексами на их основе. Бетоны, обладающие комплексом уникальных характеристик: высокой и сверхвысокой прочностью (R=80-120 МПа), низкой проницаемостью (W16-W20), высокой коррозионной стойкостью, могут быть получены из сравнительно подвижных смесей (ОК=8…16 см) благодаря СП, МК и комплексам на их основе. Достижение таких характеристик возможно при дозировках МК от 15 до 20%, СП типа НФ от1,5 до 2,0%, расходах портландцемента в пределах 500…550 кг/м3, водоцементном отношении 0,24…0,28 и использовании гранитного щебня. С дополнительным введением газообразующего компонента – полигидросилоксана марки «136-41» одновременно с высокой прочностью R=90-100 МПа обеспечивается высокая морозостойкость: F1000 [10]. Указанные характеристики являются результатом влияния трех факторов: изменения баланса кристаллогидратов в структуре цементного камня, соотношения между капиллярными и гелевыми порами в пользу последних, а также упрочнения зоны контакта цементного камня с заполнителем, что связано с резким уменьшением содержания кристаллов портландита, обычно концентрирующихся в контактной зоне. В примерах с бетонами высокой морозостойкости в дополнение к вышеизложенным факторам оказывает влияние «мозаичная» гидрофобизация, вызванная полигидросилоксаном,  гелевые поры капиллярные поры технологические поры      субмикроскоп. микроскопические поры поры   макроскопические поры V, % 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 ℓg r, мкм Цемент  Ц+20% МК Рис. 3. Пористость камня на вяжущем с добавкой МК в количестве 20% массы цемента по данным [4]и оптимальная условно-замкнутая пористость цементного камня, которая выражается в равномерном распределении дисперсных пор сферической формы, смягчающих напряжения в структуре от резких температурных перепадов. Особого внимания заслуживает полученный в экспериментальном порядке материал, который показывает потенциальные возможности технологии и применения новых композиций. Имеется ввиду бетон с очень высокими характеристиками, так называемый Reactive Powder Concrete (RPC). Основной принцип получения RPC - обеспечение однородности структуры путем исключения крупного заполнителя, уплотнение смеси за счет оптимизации гранулометрического состава, использование давления и повышенной температуры в процессе твердения. Компонентами такого бетона являются портландцемент, МК (25-30% массы цемента), мелкозернистый песок фракции около 0,3 мм (40-50% массы цемента) и СП (2,0-3,0% массы цемента) при водотвердом отношении (В/Ц+МК) в диапазоне 0,12-0,15. Прочность таких бетонов зависит от условий твердения. Термическая обработка интенсифицирует пуццолановую реакцию и образование одной из наиболее прочных разновидностей СSH(I) – ксонотлита. Термообработка при 90оС и атмосферном давлении позволяет достигнуть прочности на сжатие до 200 МПа; при той же температуре и давлении 500 ати прочность на сжатие может достигнуть 650 МПа [11]. Этот материал имеет минимальную пористость, которая не превышает 9%, практически непроницаем для жидкостей и газов, обладает высокой морозостойкостью и поэтому по функциональным свойствам в ряде случаев превосходит сталь. Концепция бетонов будущего и перспектива ее реализации.Современный уровень технологии позволяет представить бетоны будущего, концепцию которых, на наш взгляд, совпадающий с мнением коллег [5], можно изложить следующим образом: а) высокие физико-технические характеристики бетонов: класс по прочности В40…В80, низкая проницаемость для воды (эквивалентная маркам W12…W20) и газов, низкая усадка и ползучесть, повышенная коррозионная стойкость и долговечность, т.е. характеристики, сочетание которых или преобладание одной из которых обеспечивает высокую надежность конструкций в зависимости от условий эксплуатации; б) доступная технология производства бетонных смесей и бетонов с вышеуказанными характеристиками, основанная на использовании традиционных материалов и сложившейся производственной базы. Такой подход представляется обоснованным. С одной стороны, бетон должен обладать достаточным потенциалом, чтобы воспринимать повышенные физико-механические нагрузки при эксплуатации конструкций в различных, в том числе агрессивных средах. С другой стороны, бетон должен сохранить все преимущества, сделавшие его основным конструкционным материалом строительства, т.е. приготавливаться, в основном, из местных ресурсов, в непосредственной близости от стройплощадок с небольшими трудозатратами как при производстве смесей, так и при бетонировании конструкций. Нам представляется, что, основным путем реализации концепции бетонов нового поколения является модифицирование бетонов с использованием более совершенных и технологичных материалов. Это могут быть смесевые композиции из традиционных добавок в новых отпускных формах или специально синтезированные органические продукты. Примером смесевой композиции, отличающейся высокой технологичностью и технической эффективностью, являются органо-минеральные материалы – комплексные модификаторы серии МБ-01, МБ-30С и МБ-50С, производимые в России. Минеральная часть модификаторов состоит из микрокремнезема (МБ-01) или смеси микрокремнезема с золой уноса (МБ-30С и МБ-50С), а органическая включает СП на основе НФ и фосфороорганический комплексон. Это - порошкообразные материалы насыпной плотностью 750-800 кг/м3, состоящие из гранул размером до 100 мкм. Каждая гранула представляет собой агрегат из ультрадисперсных частиц МК или золы, покрытых затвердевшей адсорбционной пленкой из молекул СП и комплексона. Действие органо-минеральных модификаторов на цементные системы состоит в том, что при затворении водой и перемешивании компонентов бетонной смеси происходит дезагрегация гранул, которой также способствует растворение затвердевшей адсорбционной пленки (прослойки) из СП разделяющей частицы МК или золы уноса. В дальнейшем в цементной системе происходят процессы, характерные для систем с содержащими диоксид кремния дисперсными материалами и СП. Сочетание СП, пластифицирующего цементную систему по электростатическому механизму, и комплексона, воздействующего на систему по стерическому механизму, как было отмечено выше, придает композиции повышенную эффективность. Это проявляется в пониженном расходе СП по сравнению с цементными системами аналогичной консистенции, приготовленными с раздельным введением всех ингредиентов модификатора, а также в длительном сохранении первоначальной консистенции бетонных смесей по сравнению с такими же аналогами [12]. Благодаря этим свойствам комплексные органо-минеральные модификаторы представляются одним из эффективных средств успешной реализации концепции бетонов с высокими эксплуатационными свойствами. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | С. С. Каприелов, д-р техн наук; Н. И. Карпенко, д-р техн наук, проф.; А. В. Шейнфельд ... |  | Методические указания к практическим работам по дисциплине «пожарная техника» Морозов А. С., преподаватель кафедры тхо, канд техн наук, Львов Д. Л. зав кафедрой тхо, канд техн наук |
| К пенополистиролу Журба О. В., -аспирант, Архинчеева Н. В., канд хим наук, доц., Щукина Е. Г., канд техн наук, доц., Константинова К. К., канд хим... | | Рабочая программа учебной дисциплины интегрированная защита садовых... Составители: Попов С. Я., доктор биолог наук, проф., Поддымкина Л. М., канд с. Х наук, Попова Т. А., канд биолог наук, доц., Егорова... |
| Отечественная история В. Гермизеева, канд ист наук, доцент; А. Ф. Букин, канд ист наук, доцент; Т. В. Глазунова, ст преп.; М. Т. Когут, канд ист наук,... | | Под общей редакцией С. А. Ляшко Е. В. Сухорукова — доц., канд пед наук; С. И. Шумарин — доц., канд филол наук; В. В. Назаров — доц., канд ист наук; А. И. Золотухин... |
| Методические указания по подготовке к семинарским занятиям Кемерово 2010 С. К. Ашванян, д-р экон наук, проф. (тема 3); Т. А. Сапожникова, канд экон наук, доц. (предисловие, тема 2); Е. А. Плосконосова,... | | Учебное пособие Для студентов вузов в 2-х частях С. К. Ашванян, д-р экон наук, проф. (раздел 4,7); Т. А. Сапожникова, канд экон наук, доц. (введение, раздел 5,9 ); Е. А. Плосконосова,... |
| Создание форм антибиотичесого препарата нового поколения доксициклина... Канд фармац наук, старший преподаватель кафедры технологии лекарственных форм и организации фармацевтического дела фармацевтического... | | Кафедры Преподаватель Карасев Павел Иванович доцент, канд техн наук, контактная информация: тел. 79-77-03 |
| Союза сср Н. И. Надарейшвили; М. В. Сланская; В. М. Казарская; В. С. Горбаченко, канд пед наук; Н. Н. Павлов; А. А. Гончарова; Л. П. Сераева;... | | Социология О. А. Логунова, канд филос наук, доцент; С. П. Печерских, канд филос наук, доцент; М. А. Полищук, канд филос наук, доцент; Л. А.... |
| Программа по дисциплине «Имидж фирмы» Составитель: Исаев А. А., канд техн наук, профессор кафедры маркетинга и коммерции | | Здоровье молодого поколения – здоровье будущего галушка А. В., Бакулина... В соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2008 г. N 724 "Вопросы системы и структуры федеральных органов... |
| «Семья и психическое здоровье» Общественный совет по вопросам психического здоровья Т. А. Солохина (составление, обобщение, анализ, общая редакция); канд мед наук Э. Г. Рытик; канд экон наук Л. С. Шевченко; канд мед... | | Система менеджмента качества в современном университете: достижения, проблемы и перспективы Солодков А. П., д б н., профессор Прищепа И. М., канд пед наук, доцент Турковский В. И., канд пед наук, доцент Ракова Н. А., канд... |
