В.Я.СОЛОВЬЕВА, д-р техн. наук, проф., И.В.СТЕПАНОВА, канд. техн. наук, доц., Н.В.ЕРШИКОВ, инж. (ПГУПС); Н.В.КОРОБОВ, канд. техн. наук, доц., Д.С.СТАРЧУКОВ, инж. (ВКА им. А.Ф.МО- ЖАЙСКОГО, Санкт-Петербург), Проектирование высокопрочного бетона с улучшенными физико-механическими характеристиками
В настоящее время весьма востребованы высокопрочные и высокоэффективные строительные материалы, которые позволяют решать задачи, ранее казавшиеся недостижимыми. Например, осуществлять высотное домостроение, мостостроение, а также возведение других ответственных объектов. Поэтому создание высокопрочного бетона на данный момент является одной из наиболее важных строительных задач.
При отсутствии массового производства высокомарочного цемента, а также заполнителей повышенного качества получение высокопрочного бетона возможно только при максимальном вовлечении в гидратационные процессы минералов портландцемента, что может быть достигнуто путем химической активации твердеющей системы.
Исходя из уровня современных знаний, задача повышения качества бетона и других строительных материалов может быть решена в том числе за счет использования добавок особой природы, например добавок, представленных золями, содержащими дисперсии коллоидного размера (1-100 нм).
Добавки такого типа должны способствовать повышению гидратационной активности цемента и соответственно вовлечению большего количества частиц цемента в гидратационные процессы за счет: структурирования воды на границе раздела фаз вода - дисперсия, в результате чего увеличивается подвижность протона водорода при передаче его по системе водородных связей. Это приводит к смещению кислотно-основного равновесия в твердеющей системе и соответственно к увеличению гидратационной активности цемента, а именно, повышению степени гидратации трехкальциевого силиката, сопровождающейся гидролизом;
диспергирования частиц цемента дисперсиями коллоидных растворов, обладающих повышенной поверхностной энергией.
В продолжение ранее проведенных работ по созданию золь-добавок [1,2] целесообразно использовать в качестве дисперсии вещества на основе d-эле- ментов, которые характеризуются высокой энергией электронных конфигураций, что в свою очередь будет повышать энергию активации взаимодействующих частиц, т.е. оказывать каталитическое действие на твердеющую систему.
Использование добавок такого типа обеспечит, рост прочности бетона за счет дополнительного образования гидратных соединений, а также повышение его плотности вследствие блокирования пор сопоставимого размера гидратными новообразованиями и дисперсиями, входящими в состав золей, что и будет способствовать созданию высокопрочного бетона.
В качестве добавок такого типа исследованы следующие золь-добавки, содержащие нанодисперсии разной природы:
На первом этапе работ проведено сопоставление эффективности действия золь-добавок с известными высокоэффективными добавками [3-5], такими как суперпластификаторы С-3, ЦМИД по ТУ 5745-004- 53268843-2000, гиперпластификатор «Peramin» на основе поликарбоксильных полимеров шведской компании «Perstarp».
Сравнительная оценка эффективности известных и новых зольсодержащих добавок производилась по прочности на сжатие и по значению водопоглощения бетона класса В25, косвенно характеризующего плотность бетона. В качестве вяжущего использован портландцемент ПЦ400 Д-20 Пикалевского объединения «Глинозем». Полученные результаты представлены в табл. 1.
Анализ полученных данных показывает, что все исследуемые добавки обладают пластифицирующим и активирующим эффектом действия. Необходимо отметить, что пластифицирующий эффект золь-добавок ниже, чем у супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП), так как в первом случае водоцементное отношение снижается в меньшей степени (не более чем на 0,05), что соответствует падению водопотребности бетонной смеси до 9 %. Несмотря на то, что золь-добавки оказывают меньший пластифицирующий эффект, чем СП и ГП, в их присутствии бетон имеет большую плотность, о чем можно косвенно судить по величине водопоглощения, которое уменьшается в присутствии золь-добавок на 70 %, а в присутствии СП и ГП - на 45 %.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что уплотнение искусственного камня осуществляется не только вследствие уменьшения водопотребности, но и, по-видимому, за счет повышения количества новообразований, а также блокирования пор дисперсиями коллоидных растворов.
Установлено, что максимальное повышение прочности при сжатии бетона от 46 до 58 % обеспечивают зольсодержащие добавки с нанодисперсиями разной природы. Следует отметить, что из рассматриваемых золь-добавок в большей степени повышает прочность бетона при сжатии при одновременном уменьшении водопотощения добавка, представленная золем гидрооксида железа:
Проведенные микроскопические исследования образцов в присутствии золя гидрооксида железа подтверждают факт формирования более плотной структуры, так как общая пористость активированного образца уменьшается более чем на 40 % и достигает 17 %, по сравнению с контрольным бездобавочным составом. При этом размер всех пор модифицированного искусственного камня уменьшается, и преобладают преимущественно капиллярные поры размером = 0,03 мм. Кроме того, при использовании золя гидрооксида железа (III) обеспечивается формирование пор с сечением, соответствующим форме круга, что характеризует полноту прохождения гидратационного процесса.
Таким образом, экспериментальные данные показали, что при использовании в качестве добавки золя гидрооксида железа формируется более плотная структура бетона, хотя В/Ц отношение снижается на меньшую величину, чем в случае применения супер- или гиперпластификаторов.
Дальнейшие исследования были посвящены определению рационального количества золь-добавки на основе Fe(OH)3 плотностью р = 1.018 г/см3 и pH = 5,0 ± 0,5 % как наиболее эффективной из рассматриваемых золь-добавок, способствующих изменению основных физико-механических параметров активированного искусственного камня (см. табл. 2).
Данные табл. 2 показывают, что наибольший эффект достигается при введении золь-добавки в количестве 3-х мае. % от массы цемента. При этом улучшаются все исследуемые параметры: прочность при сжатии в проектном возрасте повышается на 58 %, а коэффициент трещинностойкости, оцениваемый по отношению прочность на изгиб, МПа; - прочность при сжатии, МПа, достигает значения 0,23, что косвенно свидетельствует о существенном увеличении трещиностойкости материала.
Таким образом, полученные положительные данные по параметрам качества активированного камня подтверждают высказанные предположения об эффективном действии золь-добавок и о получении бетона повышенной прочности и плотности.
1. Разработаны эффективные золь-добавки на основе дисперсий разной природы, оказывающие на бетон активирующее и уплотняющее действие.
2. Золь-добавки, содержащие дисперсии на основе d-элементов, например золь Fe(OH)3, увеличивают прочность при сжатии на 58 %, понижают общую пористость искусственного камня на 42 %, формируя мелкопоровую структуру со средним размером пор = 0,03 мм, и увеличивают трещиностойкость материала, косвенной характеристикой которого является Ктр= 0,23.
Бетон и железобетон, 2007 №3