Дорошенко Олександра Юріївна

Державний університет інфраструктури та технологій.

Київ

 

 В работе рассмотрен анализ результатов исследований, который показывает, что использование активных минеральных добавок совместно с химическими добавками является одним из эффективных средств успешной реализации концепции высококачественных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами.

 Ключевые слова: мелкозернистый бетон, расширяющийся цемент, химические добавки, комплексные органоминеральные добавки.

 

 Анализ работ по типам и устройству дорожных покрытий показал, что микрозернистый бетон (МЗБ) по своей структуре и строительно-техническим свойствам являются эффективным материалом для строительства монолитных дорожных покрытий. В то же время, в ряде случаев, имеет место преждевременное разрушение бетона в дорожных покрытиях вследствие недостаточной эксплуатационной стойкости последнего, вызванной, в настоящее время, жёсткими условиями их эксплуатации.

 Анализ работ по созданию МЗБ с повышенной эксплуатационной стойкостью для дорожных покрытий показывает, что для этого могут быть использованы различные способы. 

 Улучшение гранулометрического состава песка и снижение его пустотности. 

 Способ связан с обогащением песчаных смесей крупными фракциями или исключением мелких фракций. Этот способ позволяет получить песчаную смесь с оптимальным гранулометрическим составом, и низкой пустотностью. При этом образуется плотная структура упаковки мелкого заполнителя и значительно снижается водоцементное отношение. За счёт правильного подбора состава песка либо специальной его переработки возможно получение МЗБ с повышенными эксплуатационными свойствами и одновременное снижение расхода цемента на 80... 140 кг/м³ [1, 2, 3 и др.].

 Применение различных расширяющихся цементов.

 К ним относятся вяжущие, твердение которых сопровождается уве¬личением линейных и объёмных деформаций и уплотнением структуры бетона [4, 5, 6, 7, 8]. В конечном итоге получаются материалы с высокими эксплуатационными свойствами без дополнительной модификации структуры. Недостатком бетонов и растворов на расширяющихся цементах является их высокая стоимость, что ограничивает область их применения в дорожном строительстве [4].

 Применение композиционных (смешанных) цементов. Под композиционным цементом понимается гидравлический цемент, состоящий из портландцемента и одного или более неорганических материалов, которые принимают участие в реакциях гидратации и тем самым способствуют образованию продукта гидратации [6]. Этими неорганическими материалами обычно являются минеральные добавки. Наиболее важными из них являются зола уноса (летучая зола), измельчённый гранулированный доменный шлак, природные пуццоланы и микрокремнезём (мелкодисперсная силикатная пыль) [8,9,10,11,12,6,13].

 Одним из распространенных видов минеральных добавок является зола-уноса ТЭЦ. Ежегодный выход золы в мире в настоящее время превышает 400 млн тонн. Большинство развитых стран мира использует от 55 до 90% от этого выхода, в том числе в строительстве от 35 до 70% [9 и др.]. Частичное использование золы - уноса в бетоне в Японии начато с 1913 г., а в США - с 30-х годов. В настоящее время, зола успешно применяется в Украине, США, Канаде, Японии и ряде европейских стран для получения экономичного бетона, снижения тепловыделения при гидратации цемента при возведении крупных сооружений, получе¬ния высококачественных и долговечных бетонов [14, 15, 16], в том числе с прочностью до 60 МПа и выше, для получения заполнителей и т.д. Прогнозы показывают, что в ближайшем будущем будет использоваться более 20% запасов зол в технологии цемента и бетона [17].

 Применение различных химических добавок, которые существенно влияют на физико-химические процессы твердения вяжущих и в результате - на технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства создаваемого бетона.

 Применение химических добавок в технологии бетона начато еще в 40-х годах. В настоящее время они широко используются во всех стра¬нах. Без преувеличения можно сказать, что химические добавки являются пятым составляющим бетонной смеси и бетона. По данным [18], объем бетона выпускаемого с добавками от общего выпуска составляет в США и Японии - 80, Австрии - 70, ФРГ - 60, бывшем СССР - 40, а в Италии - 25 процентов. В настоящее время химизация стала одним из направлений развития технологии бетона. Теоретические основы при¬менения химических добавок в технологии бетона в России базируются на фундаментальных исследованиях в области физико-химических по¬верхностных явлений и контактных взаимодействий в дисперсных сис¬темах, заложенных еще в трудах П.А.Ребиндера и его школы [19].

 По своей природе и по основному эффекту химические добавки делятся на группы или классы [11]. Но наиболее распростра¬ненными и эффективными модификаторами свойств дорожной бетонной смеси и бетона, а также его структуры являются пластификаторы и суперпластификаторы (СП), которые обладают поверхностно-активными свойствами. Универсальность этих добавок, по мнению [11] заключается в том, что их влияние проявляется на всех этапах технологии цементных композиций и вызывает серьёзные изменения в долговременном перио¬де формирования комплекса их свойств. К настоящему времени накоплен огромный опыт применения таких добавок в технологии бетона.

 Использовании комплексных органоминеральных добавок.

 С появлением 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 [20]. Опти¬мальное 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 высокие свойства качества, в том числе и высокую эксплуатационную надежность конструкций. Так появился термин: High Performance Concrete, под которым под¬разумеваются бетоны высокой (55-80 МПа) и сверхвысокой (выше 80 МПа) прочности, низкой проницаемости, повышенной коррозионной стойкости и долговечности [21,22].

 В основе резкого изменения свойств бетонов лежат 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 [23]. Очевидно, поэтому специалисты относят производство таких бетонов к "высоким технологиям" [24].

 Появление СП в конце 60-х - начале 70-х г.г. увенчало многолетнюю тенденцию "химизации" бетона - применение в технологии различных добавок - модификаторов, улучшающих те или иные свойства бетонных смесей и бетонов. 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 [25 и др.].

 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 она 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 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, учи¬тывая то, что ультрадисперсный материал, заполнив поры в структуре твердеющего камня, способствует повышению его плотности [23].

 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 [18], а реакционная способность значительно ниже, чем у первичных гидратов. Второе - в повышенном содержании гелевых пор и соответственно в сокращенном объеме капиллярных [23].

 Особого внимания заслуживает полученный в экспериментальном порядке материал, который показывает потенциальные возможности технологии и применения новых композиций. Имеется в виду бетон с очень высокими характеристиками, так называемый Reactive Powder Concrete (RPC) [24]. 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. Прочность таких бетонов зависит от условий твердения. Термическая обработка интенсифицирует пуццолановую реакцию и образование одной из наиболее прочных разновидностей CSH(I) - ксонотлита. Термообработка при 90°С и атмосферном давлении позволяет достигнуть прочности на сжатие до 200 МПа; при той же температуре и давлении 500 атм прочность на сжатие может достигнуть 650 МПа.

 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.

 Как видно из работ исследователей [24, 26], концепция высококачественных бетонов нового поколения базируется на следующем:

 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.

 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 понижен¬ном 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 [27].

 Таким образом, анализ результатов исследований в нашей стране и за рубежом показывает, что использование активных минеральных добавок совместно с химическими добавками является одним из эффективных средств успешной реализации концепции высококачественных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами. 

 

Литература:

1. Львович К.И, Выбор песка для песчаного бетона // Исследования по созданию и внедрению новых и усовершенствованных технологических процессов в области производства изделий из песчаного и обычного бетонов. - М., 1980, С. 22-31.

2. Мелкозернистые бетоны: Учеб. пособие / Ю.М.Баженов, У.Х. Магдеев, Л.А. Алимов, В.В. Воронин, Л.Б. Гольденберг. - М., 1998, 148 с

3. Соломатов В.И., Выровой В.Н., Бобрышев А.Н. Полиструктурная теория композиционных строительных материалов. - Ташкент: ФАН, 1991, 345 с

4. Большаков Э.Л. Сухие смеси для бетонов с повышенной водонепроницаемостью // Строительные материалы. -1998. - №4, С. 24-25.

5. Рояк СМ., Рояк Г.С. Специальные цементы. - М.: Стройиздат, 1983, 279 с.

6. Тейлор X. Химия цемента / Пер. с англ. - М.: Мир, 1996, 560 с

7. Титова Л.А., Титов М.Ю. Повышение долговечности бетона применением расширяющих добавок. Мат-лы международн. конференции "Коррозия и защита" 25-27 мая 1999 г. - М., 1999, С. 260-263.

8. Башлыков Н.Ф., Фаликман В.Р., Сорокин Ю.В. Экологические аспекты производства цементов по технологии ВНВ : Мат-лы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. 4.1. -М.: Ассоциация "Железобетон", 2001, с 1027-1042

9. Высоцкий С.А. Минеральные добавки для бетонов // Бетон и железобетон. -1994, №2

10. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский СМ. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. - Киев: Буди-вэльник, 1991,136 с.

11. Добавки в бетон / В.С.Рамачандр, Р.Ф.Фельдман, М: Стройиздат, 1983, 212 с

12. Интенсивная технология бетонов / В.И.Соломатов, М:К.Тахиров, - М., 1989, 264 с.

13. Энтин Б.З., Юдович Б.Э. Многокомпонентные цементы, как экологически необходимое направление развития цементной промышленности// Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Мат-лы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона., 2001, С. 1630-1632.

14. Высокопрочные наполненные бетоны с применением золы-уноса / Л.И. Дворкин, И.Б. Шибман, СМ. Чудновский // Бетон и железобетон. - 1993. - №1, С.23-25.

15. Гольденберг Л.Б., Оганесянц С.Л. Применение зол ТЭЦ для улучшения свойств мелкозернистых бетонов // Бетон и железобетон. -1987.-№1, С. 15-17.

16. Добшиц Л.М., Соломатов В.И. Морозостойкость бетонов на цементах с различными наполнителями // Бюллетень строительной техники. - 2000. - №4, с 14-16

17. Малхотра В.М. Зола унос в бетон. Американский институт бетона, апрель, 1993, с 23-28

18. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика- М., 1998,768 с.

19. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных систе¬мах. Коллоидная химия. Избранные труды. - М.: Наука, 1978, 368 с

20. Батраков В.Г. Теория и перспективные направления развития работ в области модифицирования цементных систем // Цемент и его применение. - 1999. - №5/6, с 14-19

21. Баженов Ю.М. Бетоны повышенной долговечности // Долговечность и защита конструкций от коррозии: Мат-лы междунар. конф. "Коррозия и защита", Москва, 25-27 мая 1999 года. - М., 1999, С. 43-48.

22. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива / С.С.Каприелов, В.Г.Батраков, А.В.Шейнфельд // Бетон и железобетон. - 1999. - №6, с 6-10

23. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. - 1995. - №4, с 16-20.

24. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива / С.С.Каприелов, В.Г.Батраков, А.В.Шейнфельд // Бетон и железобетон. - 1999. - №6, с 6-10

25. Москвин В.М. Коррозия бетона. - М.: Госархстройиздат, 1952,344 с

26. Properties and Microstructure of High-Performance Concretes Containing Silica Fume, Slag, and Fly Ash / M.Baalbaki, S.L.Sarkar, P-CAitcin, H.Isabelle May 3-8, 1992.

27. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Высокопрочные бетоны с органоминеральными модификаторами серии "МБ". Структура и свойства // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Мат-лы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона, Т.2. - М.:, 2001, С. 1019-1026.