автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицированный бетон на композиционных вяжущих с применением нанокремнезема

На правах рукописи

Лхасаранов Солбон Александрович

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОКРЕМНЕЗЕМА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Улан-Удэ 2013

005536906

005536906

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Научный - доктор технических наук, профессор руководитель: Урханова Лариса Алексеевна

Официальные - Пухаренко Юрий Владимирович

оппоненты: доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, зав. кафедрой технологии строительных материалов и метрологии

- Дамдинжапов Баир Цырендоржиевич

кандидат технических наук, директор ООО «Дархан-5», г. Улан-Удэ

Ведущая - ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный организация технический университет

Защита состоится » 2013 г. в _//^_часов

на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан « 2Л » О^ТЗ^уХ_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного Дамдинова Дарима Ракшаевна

совета

Актуальность работы. Одним из основных направлений технического прогресса в области строительства является создание бетонов высокого качества и долговечности. Широкие возможности в технологии высокопрочных бетонов открывают добавки-наномодификаторы, которые приводят к значительному изменению структуры композита.

Перспективным направлением при проектировании составов и производстве высокопрочных бетонов представляется переход от обычного портландцемента (ПЦ), расход которого очень высок, на композиционные вяжущие. Использование эффузивных пород (перлиты, вулканические шлаки, цеолиты и др.), изначально обладающих избыточным запасом внутренней энергии и высокой химической активностью, позволяет получить вяжущие с улучшенными физико-механическими характеристиками.

Диссертационная работа выполнена в рамках гранта «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований по научному направлению «Индустрия наносистем» (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск), гранта молодых ученых ВСГУТУ и поддержана стипендией Правительства РФ.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка технологии получения высокопрочных бетонов на основе композиционных вяжущих с применением нанокрем-незема (НК).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование влияния нанодисперсных добавок на структуру и свойства ПЦ и вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) с использованием перлитовых пород.

2. Оптимизация составов и технологических параметров получения модифицированного бетона с использованием наномодификаторов.

3. Разработка технологии производства бетона с использованием НК, апробация работы.

4. Технико-экономическое обоснование технологии производства бетона.

Научная новизна работы. Предложены принципы повышения эффективности производства бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием нанодисперсных добавок, заключающиеся в оптимизации микроструктуры цементирующего вещества и формировании рационального состава новообразований, что обеспечивает его высокие физико-механические характеристики. Использование ВНВ вместо обычного ПЦ, а также введение НК оказывают направленное воздействие на формирование структуры бетона за счет дополнительного образования низкоосновных гидросиликат-ов кальция.

Установлен характер влияния НК на процессы структу-рообразования ПЦ и ВНВ, заключающийся в ускорении процессов их гидратации, изменении фазового состава и микроструктуры. Данные рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов цементного камня доказывают упрочняющий эффект от введения НК, заключающийся в уменьшении микропор цементного камня, ускорении процессов гидратации и изменении фазового состава новообразований.

Определены зависимости свойств ПЦ и ВНВ от вида НК, отличающегося разным характером поверхности наноча-стиц в зависимости от условий его получения.

Установлен эффективный способ введения НК, заключающийся в повышении равномерности распределения и дезагрегации наночастиц в объеме воды затворения. При нагревании воды с НК его равномерное распределение происходит более эффективно, по сравнению с ультразвуковой обработкой.

Практическая значимость работы. Разработана методика совмещения НК с водой затворения, заключающаяся в ее нагревании, что позволяет равномерно распределить НК.

Разработаны составы ВНВ на основе стекловидного перлита с оптимальным содержанием цементной составляющей 50-70% с обеспечением прочности при сжатии превышающей прочность исходного ПЦ в 1,35-1,6 раза. Прочностные характеристики ВНВ на основе закристаллизованного перлита с заменой ПЦ до 50% сопоставимы с прочностными показателями исходного ПЦ.

Разработаны составы модифицированных бетонов на основе ПЦ, ВНВ и НК, позволяющие достигать: прочности при сжатии - 70-90 МПа, водопоглощения -1-1,5 мае. %, морозостойкости — Р300-Р400.

Разработан стандарт организации СТО «Приготовление бетонной смеси с использованием нанодисперсных добавок».

На защиту выносятся:

- особенности структурообразования в системе - НК», «ВНВ - НК»;

- математические модели зависимости физико-механических характеристик ВНВ от состава и технологических параметров получения;

- составы модифицированных бетонов с НК на основе ПЦ и ВНВ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: всероссийских - «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009), XV Академические чтения РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010), «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, август 2010), научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2011, 2012, 2013); международных - «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011), «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 2011), «Строительный комплекс России: наука, образование, практика» (Улан-Удэ, 2012), «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).

Внедрение результатов исследований. Полученные составы модифицированного бетона апробированы при выпуске опытно-промышленной партии бетонной смеси объемом 15 м3 в ООО «Буржелезобетон», г. Улан-Удэ. В производственных условиях получены бетоны прочностью при сжатии - 69 МПа, коэффициентом размягчения — 0,95, водопоглоще-нием— 1,6%.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях, в том числе 3 статьи в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На составы высокопрочного бетона на основе ПЦ и ВНВ с нанодис-персным модификатором получены патенты 1Ш 2471752 С1, 1Ш 2489381 С2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы, включающего /40наименований, содержит ЬО страниц текста, 30 рисунков, ¿¿таблиц и 2, приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе представлен аналитический обзор современных способов получения высокопрочных модифицированных бетонов и целесообразность применения нанодобавок.

Известно, что цемент является самым дорогим компонентом бетонной смеси, от стоимости которого зависит стоимость самого бетона Вопрос экономии цемента для производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций является одним из важных вопросов современного строительства. Повышение качества бетонов требует применения вместо обычного ПЦ новых композиционных вяжущих, обладающих улучшенными физико-механическими характеристиками. В этом направлении перспективно использование ВНВ, обладающих определенным потенциалом как с точки зрения цементоемкости, так и по эксплуатационно-техническим свойствам. Для получения ВНВ используют различные мате-

риалы как природного (шлаки, туфы, пемза, кварцевый песок, карбонатные породы), так и техногенного происхождения (зола уноса, золошлаки, доменный гранулированный шлак). Представляет интерес получение ВНВ на основе перлитовых пород, которые являются ценным сырьем для производства строительных материалов.

В последние годы ученые разных стран ведут исследования в области получения и применения ультрадисперсных материалов. Известно, что уменьшение размеров структурных элементов (зерен, частиц, кристаллитов) ниже некоторой пороговой величины приводит к значительному изменению свойств всего композита, в состав которого входят такие частицы. Поведение наночастиц и механизм их действия на такие комплексные материалы, как цемент, должны быть подробно изучены, чтобы в полной мере использовать эффект от их введения в состав вяжущих веществ и бетонов.

В работах Ю.М. Баженова, Е.М. Чернышова, П.Г. Ко-мохова, Ю.В. Пухаренко, С.С. Каприелова, B.C. Лесовика, Е.В. Королева, Н.П. Лукутцовой и других подтверждена эффективность применения добавок на основе микро- и наночастиц в технологии производства строительных материалов.

В настоящее время известно несколько методов получения НК: пирогенный, золь-гель, биологический, метод осаждения и др. Общим свойством для применения НК в технологии бетонов является способность к активному взаимодействию с Са(ОН)2 в ходе гидратации цемента. Активность такого взаимодействия существенно превышает активность, характерную для традиционно применяемых в технологии цемента и бетона пуццолановых добавок — природных кремнеземов (трепела, опоки, диатомита и др.). Химическая активность НК в сочетании с высокой удельной поверхностью позволяет ему быть эффективным компонентом современных высокопрочных бетонов.

Исходя из этого, была определена перспективность получения высокопрочного бетона с применением НК, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов. Данный метод получения НК имеет ряд преимуществ: высокая химическая чистота, высокая удельная поверхность, способность получения нанопорошка в

достаточно большом объеме по сравнению с другими методами. Кроме того, применение ВНВ на основе перлитовых пород, в которых содержится аморфный кремнезем, совместно с НК, позволяет управлять структурообразованием бетона на микро- и наноуровне и приводит к получению плотного и прочного материала.

На основе анализа литературных источников была определена цель и поставлены задачи исследований.

Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, методов исследований, отвечающих требованиям соответствующей нормативно-технической документации и современному уровню исследований.

В проводимых исследованиях для получения высокопрочного бетона на ПЦ и ВНВ были использованы портландцемент НЕМ I 32,5Н ООО «Тимлюйский цементный завод», перлит стекловидный (СТП) и закристаллизованный (ЗП) Му-хор-Талинского месторождения Республики Бурятия (РБ), кварц-полевошпатовый песок (содержание кварца -65,6 мае. %, полевых шпатов — 27,4 мае. %) с модулем крупности М,ф = 2,1, гранитные отсевы ОАО «Горняк» (РБ) фракции 2,5-5 мм, модифицирующие добавки - суперпластификатор С-3, нанодисперсные добавки Таркосил-05 и Таркосил-20.

В стекловидном перлите содержание стеклофазы составляет 60-80%, в закристаллизованном перлите - 30-50%. ВНВ получали совместным помолом перлитовых пород (070 мае. %) с портландцементом в присутствии суперпластификатора С-3 (1-2 мае. %) до удельной поверхности 450480 м2/кг. Удельную поверхность ВНВ определяли с помощью прибора ПСХ-2.

Нанодисперсные добавки Таркосил-05 и Таркосил-20 получены на установке, разработанной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН и Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск). НК состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, в мае. %: А1 - 0,01, Бе - 0,01, Т1 - 0,03. Таркосил-05, имеющий удельную поверхность 8уД 50,6 м 2/г (по данным прибора «Сорби-М»), получен со средним размером первичных частиц около 53 нм. Таркосил-20 имеет средний размер частиц — 20 нм, Буд ~ 200м2/г. Таркосил-05 и Таркосил-20 имеют на

поверхности различное содержание гидроксильных групп и свободных углеводородных радикалов. Таркосил-20 обладает гидрофильными свойствами, на поверхности частиц концентрация ОН-группы - 2-3 ОН-группы на квадратный нанометр поверхности. Таркосил-05 - условно гидрофобный, концентрация ОН-группы - 0,4-0,5 ОН-группы на квадратный нанометр поверхности. Для сравнительного анализа в работе был использован промышленный пирогенный НК «HDK Wacker», получаемый в результате сжигания тетрахлорсилана (SiCLt) в токе водорода и кислорода. Содержание аморфного кремнезема в нем составляет 99,8%, средний размер первичных частиц 5-50 нм, удельная поверхность 150 м2/г.

Фазовый состав новообразований (РФА) цемента определяли на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE BRUKER AXS. Структуру цементного камня (ЭМА) изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL-JSM-6510LV (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ). Распределение частиц добавок Таркосил-05 и Таркосил-20 по размерам проводили на лазерном анализаторе размеров частиц MicroSizer 201 (ЦВТ БГТУ им. Шухова). Удельную электропроводность и водородный показатель активированной воды с нанодобавка-ми Таркосил-05 и Таркосил-20 определяли на кондуктометре-иономере АНИОН 4155.

Испытание вяжущих и бетонов на их основе проводились с использованием стандартных методик, соответствующих требованиям нормативной документации РФ.

В третьей главе приведены исследования по получению ВНВ с использованием СТП и ЗП, определению их свойств, а также влиянию НК на изменение структуры и свойств портландцемента и ВНВ. В исследованиях были использованы водные суспензии нанодисперсного модификатора при его концентрации от 0,01 до 1% от массы цемента. Введение НК в состав ПЦ изменяет реологические свойства цементного теста и сроки его схватывания (табл. 1). Изменение подвижности при введении нанодисперсных добавок связано с тем, что частицы НК, подобно ПАВ, обладают способностью адсорбироваться на поверхности цементных зерен и участвовать в образовании пространственных коагуляцион-ных структур. Наночастицы добавок ориентируются так, что

гидроксильные полярные группы обращены к гидратирую-щейся поверхности зерна цемента, а углеводородные радикалы - к воде. На поверхности добавки Таркосил-05 содержание углеводородных радикалов выше по сравнению с Таркосил-20 и, как известно, коагуляционные связи между метальными группами более слабые. Тем самьм облегчается взаимное перемещение зерен цемента, что способствует лучшей подвижности смеси.

Таблица 1 — Свойства цементных паст и растворов с нанодисперсными добавками

Показатель Ед. Без Тарко- Тарко- HDK

изм. доба- сил-05 сил-20 Wack-

вок er

Нормальная густота % 25 26 25,5 25,4

Начало схватывания мин 145 120 130 120

Конец схватывания мин 245 210 225 220

Подвижность раствора см 135 145 125 130

по расплыву конуса

Сохранение подвижно- см

сти через:

0,5 ч 135 165 145 150

1ч 135 150 135 140

2ч 130 145 130 135

Зч 115 140 115 120

4ч 110 135 110 115

Сравнительные результаты определения прочностных характеристик цементного камня, модифицированного с применением Таркосил-05, Таркосил-20 и промышленного пиро-генного НК «HDK Wacker» (рис. 1) показывают, что с добавкой Таркосил-05 получены более высокие показатели как в ранние, так и в более поздние сроки твердения. Введение Таркосил-05 привело к повышению прочности цементного камня на 5-10% по сравнению с пирогенным НК «HDK Wacker». На наш взгляд, наличие в составе Таркосил-05 примесей AI в нанодисперсном состоянии способствует образованию в ранний период гидратации большего количества гидросуль-фоалюминатов кальция, которые выступают в качестве армирующего компонента и участвуют в раннем наборе прочности цементного камня. Увеличение концентрации добавок до 1% от массы вяжущего хотя и приводит к увеличению прочности, но является экономически необоснованным.

—♦—■контрольный —Таркоси.п-05 (0,1%) —Таркосил-05 (1%) —и—Wacker (0,1%) —*—Wacker (1%) —ф— Таркосил-20 (0,1%)

—I—Таркосил-20 (1%)

ё 90 т-

3 7 28 56 90

Время твердения, суг

Рисунок 1 - Кинетика набора прочности цементного камня, модифицированного

нанодобавками

При получении ВЫВ возможна замена ПЦ до 50-70% на СТП с достижением прочностных показателей вяжущих, превышающих прочность исходного цемента, а при замене 3050% ПЦ на ЗП прочность при сжатии сопоставима с прочностью исходного цемента, что подтверждает известные данные: чем менее упорядочена структура минеральной добавки, тем она более активна (табл. 2).

Таблица 2 — Характеристики ВНВ с применением перлитовых пород Мухор-Талинского месторождения

Показатель СТП ЗП ВНВ -100

ВНВ -30 ВНВ -50 ВНВ -70 ВНВ -30 ВНВ -50 ВНВ -70

Нормальная густота, % 27,5 25,8 25 26,6 26,2 25,8 20

Сроки схватывания, мин: Начало Конец 170 245 150 220 130 210 135 270 130 255 120 245 120 205

Прочность при сжатии, МПа 3 сут 28 сут 35 57 50 73 58 82 17 28 29 48 37 57 60 90

НК позволяет регулировать свойства ВНВ, усиливая эффект регулирования структурообразования не только на

микро-, но и на наноуровне. Модифицирование ВНВ с использованием НК, так же как и в случае с ПЦ, приводит к улучшению физико-механических характеристик. Введение Тарко-сил-05 в состав ВНВ-70 и ВНВ-100 повышает прочность на 22-26%, а Таркосил-20 - на 18-22% по сравнению с контрольными составами.

Высокая удельная поверхность НК позволяет его частицам заполнять микропоры цементного камня и создавать за счет этого плотную и прочную микроструктуру. НК активно влияет на гидратацию ПЦ: его присутствие изменяет концентрацию ионов Са2+ и ОН" в жидкой фазе цементной пасты уже в первые минуты гидратации. Образование продуктов гидратации в ранний период происходит при участии поверхности нанодисперсных частиц, и поверхность цементных зерен оказывается в меньшей степени блокирована новообразованиями, что интенсифицирует процесс гидролиза цементных фаз. Известно, что введение микроколичества вещества, как имеющего сродство с синтезируемыми фазами, так и не обладающего таковым, влияет на скорость кристаллизации, морфологию минеральных индивидов и агрегатов. НК, находящийся в дисперсном состоянии в активно гидратируемой среде, конденсируется на ребрах, вершинах и сколах кристаллов исходных клинкерных минералов и образует дополнительные центры кристаллизации, вокруг которых группируются новообразованные кристаллы в виде друз.

Для объяснения механизма действия НК на процессы структурообразования ПЦ были проведены исследования продуктов гидратации и микроструктуры цементного камня. Результатами РФА (рис. 2) подтверждается, что для цементного камня контрольного состава в возрасте 3 и 28 сут характерна величина суммарной интенсивности отражения портландита СН, превышающей значение цементного камня, модифицированного НК на 30 и 15% соответственно. При этом суммарная интенсивность дифракционных максимумов алита C3S в цементном камне с содержанием наномодификатора через 3 и 28 сут твердения снижается на 8 и 5%; белита C2S на 8 и 29%, соответственно, что свидетельствует об ускоренном процессе гидратации данных цементных фаз.

Рисунок 2 - Рентгенограммы цементного камня через 3 (в, г) и 28 сут (а, б) твердения: б, г - контрольный состав; а, в - с добавкой Таркосил-05

ЭМА показал изменение структуры при введении НК (рис. 3). В исходном цементном камне после 28 сут твердения наблюдается меньшее количество коагулированного геля, игольчатых кристаллов и гексагональных пластинок гидросиликатов кальция, а также гидросульфоалюминатов кальция -ГСАК на поверхности непрогидратированных цементных зерен. В ВНВ-70 без добавки Таркосил-05 все частицы вяжущего окружены кристаллогидратами коллоидного размера и игольчатыми кристаллами. Введение в состав ВНВ Таркосил-05 позволяет создать более плотную структуру, полностью проросшую столбчатыми новообразованиями. Размер отдельных кристаллов достигает 0,5-1 мкм.

в г

Рисунок 3 - Микроструктура после 28 суток твердения: а - ПЦ, б - ПЦ с добавкой Таркосил-05, в — ВНВ-70, г - ВНВ-70 с добавкой Таркосил-05

Автор предположил, что, используя НК с различной природой поверхности, можно целенаправленно регулировать свойства вяжущих веществ и бетонов. На начальном этапе было определено изменение характеристик воды, активированной нанодисперсными добавками.

Повышение удельной электропроводности и снижение водородного показателя активированной воды с НК свидетельствуют о взаимодействии молекул воды с наночастицами, что приводит к образованию в водной среде новой структуры, при этом пространственная водородная сетка и ее устойчивость не разрушаются (рис. 4). Водородный показатель активированной воды изменяется в пределах 5,3-5,6. Для Тарко-сил-05, имеющего на поверхности малую концентрацию гид-роксильных ионов, характерно образование более кислой среды в воде. Удельная электропроводность воды с нанодисперсными добавками при увеличении концентрации добавок растет и при концентрации 0,1% имеет показатели 289 и 270 мкСм/см для Таркосил-05 и Таркосил-20 соответственно.

0,01 0,05 0,1 Концентрация наномодификатора, % об.

5,65

[5,45

-Таркосил-20 -Таркосил-05

5,25

0 0,01 0,05 Концентрация наномодификэтора, % об

0,1

а б

Рисунок 4 - Зависимость удельной электропроводности (а) и рН (б) от концентрации нанодисперсных добавок Таркосил-05 и Таркосил-20

Различный характер поверхности НК, возможно, является причиной различного распределения их частиц в объеме воды. Диспергация в воде затворения частиц Такросил-05 происходит более эффективно по сравнению с Таркосил-20, хотя средний размер частиц Таркосил-20 меньше, чем у Таркосил-05. Характер поверхности НК обусловливает образование вокруг частиц гидратной пленки. Толщина гидратной

пленки Таркосил-05 меньше, чем у Таркосил-20, что положительным образом сказывается на их распределении в объеме воды затворения. Это обусловливает получение высоких физико-механических характеристик ПЦ и ВНВ с добавлением Таркосил-05 по сравнению с Таркосил-20.

Поскольку наночастицы обладают большой поверхностной энергией, они проявляют повышенную склонность к агломерации. Размер агломератов может достигать несколько микрометров.

В четвертой главе рассматривалась и решалась проблема равномерного распределения наночастиц в объеме воды затворения. В работе установлен эффективный способ введения НК, заключающийся в повышении равномерности распределения и дезагрегации наночастиц в объеме воды затворения. Рассматривались два способа введения НК в воду затворения: ультразвуковая обработка воды с нанодисперсной добавкой и постепенное нагревание воды до температуры 4080 °С. Для диспергирования агломератов НК способом ультразвуковой обработки был использован ультразвуковой диспер-гатор УЗДН-А, оптимальное время ультразвуковой обработки воды затворения с НК составляет 10 мин.

Сравнение способов распределения частиц оценивали на лазерном анализаторе частиц Мижгёиег 201 (рис. 5).

р.«

распределения: 1 - ультразвуковая обработка, 2 - нагревание до 60 °С

Анализ результатов показывает, что, как в случае ультразвуковой обработки, так и в случае нагревания воды характер распределения частиц НК одинаковый, но диспергация наночастиц посредством нагревания является более эффек-

тивной по сравнению с ультразвуковой обработкой. При нагревании воды затворения с нанодобавхой распределение более эффективно, так как в дисперсной системе устанавливается седиментадионно-диффузионное равновесие, которое с повышением температуры способствует не только диспергированию агрегатов, но и выравниванию концентрации частиц по всему объему воды. Кроме того, нагревание воды является перспективным, поскольку позволяет снизить расходы при разработке и организации технологического процесса введения нанодисперсных модификаторов в бетонную смесь.

Это подтверждается изменением физико-механических характеристик цементного камня (рис. 6), где при нагревании воды с Тароксил-05 получены более высокие показатели.

Контрольный Нагревание до 60 °С Ультразвуковая обработка

Рисунок 6 - Сравнение способов распределения нанодисперсной добавки Таркосил-05

На следующем этапе с помощью математического планирования эксперимента были определены оптимальные вещественные составы ВНВ и температура распределения Таркосил-05. Для выявления оптимального количества перлита, Таркосил-05 и температуры, а также установления аналитической зависимости между факторами и физико-механическими характеристиками материала применялось ортогональное центральное композиционное планирование. Для планирования были выбраны следующие факторы: количество перлита (хі), количество Таркосил-05 (х2), температура нагрева воды (х3), варьируемые в пределах: хі=30-70%, х2=0,01-0,1%, х3=40-

80°С. В качестве выходного параметра, на которые влияют факторы эксперимента, был выбран предел прочности при сжатии (У) в возрасте 28 сут. Установление уравнения регрессии и построение графических зависимостей проводили с использованием пакета прикладных программ Мар1е 9 (рис. 7).

С учетом оценки значимости коэффициентов уравнение регрессии принимает вид:

У = 77.98 - 6.99*! + 5.48д:2 - 0.5х3 + 1.38^ + 2Ах\ - 23.39х32 - гЯхххг - 0.88х1х3 - 0.63х2х3.

Рисунок 7 - Зависимость прочности при сжатии портландцемента в возрасте 28 сут от варьируемых факторов: а - при содержании перлита 50%, б - при содержании добавки 0,055%, в - при температуре 60 °С

Анализ результатов многофакторного планирования показал, что определяющее влияние на изменение физико-механических показателей оказывает вещественный состав вяжущего: содержание перлита и НК. Оптимальное содержание перлита лежит в пределах 30-50%, при котором достигаются максимальные значения по прочности на сжатие. При варьировании количества нанодисперсной добавки от 0,01 до 0,1% прочность на сжатие возрастает на 20-25%. Анализ влияния третьего фактора позволяет сделать вывод, что оптимальная температура, при которой происходит наиболее рав-

номерное распределение наночастиц, лежит в пределах 5565 °С.

Проведенные исследования показывают, что совместное использование перлитовых пород и НК в составе композиционного вяжущего приводит к синергетическому действию на физико-механические свойства. Изменение количества и морфологии продуктов гидратации, ускорение процессов гидратации и управление структурообразованием на микро- и на-ноуровне позволяют получить материалы с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Пятая глава посвящена разработке составов тяжелых бетонов с использованием нанодисперсных добавок. В таблице 4 приведены составы и физико-механические свойства бетонов. При подборе составов бетонов были использованы ПЦ, ВНВ-70 и ВНВ-100 и добавки Таркосил-05 и Таркосил-20. Результаты физико-механических испытаний бетонных образцов свидетельствуют, что у контрольных составов с применением ВНВ-70 и ВНВ-100 показатели бетонов повысились на 10 и 30% соответственно. Введение добавок Такросил-05 и Такросил-20 приводит к дополнительному увеличению прочности в сравнении с контрольными составами в раннем возрасте в среднем на 35-45 и на 50-60% в возрасте 28 сут. Прочностные характеристики бетонов с добавкой Таркосил-05 выше, чем у бетонов с добавкой Таркосил-20 в среднем на 1015%. Бетоны с применением НК характеризуются высокими гидрофизическими и эксплуатационными показателями, что является подтверждением создания плотной структуры материала при его введении и упрочняющего эффекта действия НК. Применение ВНВ в составе бетона улучшает технологические свойства бетонной смеси, позволяет снизить содержание ПЦ в составе смеси и совместно с НК приводит к высоким физико-механическим показателям.

Таблица 4 - Состав и физико-механические, эксплуатационные и технологические показатели бетонов

Тип Расход материалов на 1 м1 бетона, кг В/Ц Показатели технологично- ' Прочность 6

вяжу- сти бетонной смеси при сжатии, Я

щего 1Л о Таркосил-20 ё о. •в- 3 Марка по удобоукла- дываемости <" 2 « о , МПа 5 8 о « 3 е 3

я о о и о. И Н и а я песок Гранит. севы ФР=2,: мм В о 18 8 Расслаш мость по доотделе нию, % 3 сут 28 сут С 2 о « о Я а о

ПЦ - 550 687 687 - 0,38 П1 0,3 28 44 5,5 200

0,55 - 56 79 1,3 400

- 0,55 47 68 1.6 350

- - 550 687 687 - 0,44 пз 0,7 23 37 6,1 150

0,55 - 47 66 1,4 300

- 0,55 39 57 1,8 250

- - 490 560 - 1155 0,41 П1 0,3 15 44 5,5 150

0,49 - 22 53 4 300

- 0,49 21 51 4,3 250

ВНВ- - - 550 687 687 - 0,31 П1 0,25 37 49 4,5 250

70 0,55 - 50 72 1,5 400

- 0,55 54 81 и 400

- - 550 687 687 - 0,35 га 0,6 32 42 5,0 150

0,55 - 43 62 1,7 250

- ' 0,55 46 70 1,4 250

внв- - - 550 687 687 - 0,3 П1 0,2 44 59 3,8 300

100 0,55 - 56 82 1,25 450

- 0,55 60 90 1,21 450

- • - 550 687 687 - 0,33 пз 0,5 36 49 4Л 250

0,55 - 46 68 1,4 400

- 0,55 50 75 1,3 400

Кинетика набора прочности (рис. 8) показывает, при введении нанодисперсных добавок наиболее интенсивно темп прироста прочности проявляется в начальные сроки твердения, когда прирост прочности у составов с добавками составляет 67-100%, а в проектном возрасте (28 сут) составил 5479%. В дальнейшем происходит плавное нарастание прочности как у контрольного, так и у составов модифицированных добавками.

—♦—контрольный И Такросил-05 <—Таркосил-20 о 100

™ га 50 ►

х с £ 5

О О

5 0

с 3 28 56 90 120

Время твердения, сут

Рисунок 8 - Кинетика набора прочности бетонов на основе ПЦ с нанодисперсными добавками

В шестой главе предложена технология производства бетона на основе ПЦ и ВНВ с применением НК и проведена оценка технико-экономической эффективности производства бетона. Технология производства включает в себя следующие операции: приготовление ВНВ, приготовление раствора НК с водой затворения, дозирование компонентов бетонной смеси, смешение компонентов в смесителе принудительного действия, выдача готовой бетонной смеси.

Для внедрения результатов диссертационной работы разработан стандарт организации СТО «Приготовление бетонной смеси с использованием нанодисперсных добавок». Полупромышленная апробация разработанных составов производилась в ООО «Буржелезобетон», г. Улан-Удэ.

Расчет себестоимости бетона проводился при помощи составления калькуляции всех затрат на производство. Определены основные показатели эффективности инвестиционного проекта: интегральный экономический эффект №>У от реализации проекта за пятилетний период составляет

8,236 млн. руб., индекс рентабельности Р1=2,84 (более 1), внутренняя норма рентабельности 1М1=22%.

Экономическая эффективность производства и применения модифицированного бетона связана с использованием доступного сырья и рационально подобранными его составами, позволяющими снизить количество цемента в смеси, а также получением материалов с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны принципы повышения эффективности производства бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием нанодисперсных добавок, заключающиеся в оптимизации микроструктуры цементирующего вещества и формировании рационального состава новообразований, применение ВНВ на основе перлитовых пород, в которых содержится аморфный кремнезем, совместно с НК позволяет управлять структурообразованием бетона на микро- и наноуровне. Высокая удельная поверхность НК позволяет его частицам заполнять микропоры цементного камня и создавать за счет этого плотную и прочную микроструктуру. Присутствие НК активно влияет на интенсивность гидратации вяжущих веществ и ведет к получению измененного состава новообразований.

2. Данные рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов цементного камня доказывают упрочняющий эффект от введения НК, заключающийся в уменьшении микропор цементного камня, ускорении процессов гидратации, создании дополнительных центров кристаллизации, вокруг которых кристаллизуются гидратные новообразования.

3. Введение НК изменяет удельную электропроводность и водородный показатель воды, что свидетельствует об ориен-тационном взаимодействии молекул воды с наночастицами, переводящим систему в активированное состояние.

4. Диспергация в воде затворения частиц Такросил-05 происходит более эффективно по сравнению с Таркосил-20. Характер поверхности НК обуславливает образование вокруг

частиц гидратиой пленки. Толщина гидратной пленки Тарко-сил-05 меньше, чем у Таркосил-20, что положительным образом сказывается на их распределении в объеме воды затворе-ния. Это обусловливает получение высоких физико-механических характеристик ПЦ и ВНВ с добавлением Тарко-сил-05 по сравнению с Таркосил-20.

5. При нагревании воды с НК равномерное распределение происходит более эффективно по сравнению с ультразвуковой обработкой, что подтверждается результатами определения физико-механических характеристик ПЦ.

6. Методом многофакторного эксперимента установлены оптимальные составы композиционных вяжущих с НК и температура нагревания для лучшего распределения наномо-дификатора в объеме воды затворения.

7. Получены составы модифицированных бетонов с нанодисперсными добавками Таркосил-05 и Таркосил-20, характеризующиеся повышенной прочностью по сравнению с контрольным составом и улучшенными гидрофизическими и эксплуатационными характеристиками.

8. Разработана технология производства бетона с применением НК и проведена оценка технико-экономической эффективности производства.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Урханова, JI.A. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором / JI.A. Урханова, A.B. Номоев, С.А. Лхасаранов, В.Ц. Лыгденов // Нанотехноло-гии в строительстве: научный Интернет-журнал. - №4. - 2010. -С. 42-52

2. Лхасаранов, С. А. Наномодифицированные строительные материалы с использованием сырьевых материалов Забайкалья / С.А. Лхасаранов, Л.А. Урханова // Вестник ВСГТУ. -№1.-2011.-С. 61-66

3. Урханова, JI.A. Композиционные вяжущие с использованием алюмосиликатного сырья Забайкалья и бетоны на их основе / Л.А. Урханова, С.А. Лхасаранов, Н.Ю. Андреева // Композиционные строительные материалы. Теория и практи-

ка: сб. ст. междунар. науч.-техн. конф. — Пенза: Изд-во АННОО «ПДЗ», 2011. - С. 129-131

4. Урханова, JI.A. Бетон повышенной прочности на композиционном вяжущем / JI.A. Урханова, С.П. Бардаханов, С.А. Лхасаранов // Строительные материалы. - №3. - 2011. -С. 23-25

5. Лхасаранов, С. А. Бетоны повышенной прочности на композиционных вяжущих / С.А. Лхасаранов, Л.А. Урханова, С.Л. Буянтуев, A.C. Кондратенко, А.Б. Данзанов, Л.И. Пшеничникова // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: мат. междунар. науч.-практ. конф. — Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. — С. 225-228

6. Урханова, JI.A. Эффективные бетоны с использованием нанодисперных добавок / Л.А. Урханова, С.А. Лхасаранов, H.A. Черных // Наноматериалы и технологии - IV: сб. трудов междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2012. -С.155-158.

7. Урханова, JI.A. Применение новых композиционных вяжущих с пониженной энергоемкостью и себестоимостью / Л.А. Урханова, С.А. Лхасаранов, С.Л. Буянтуев // Строительство: новые технологии и новое оборудование. - №9. — 2012. — С.27-30.

8. Пат. 2471752 Российская Федерация, МПК С 04 В 28/04. Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодис-персной добавкой [Текст] / Л.А. Урханова, С.П. Бардаханов, С.А. Лхасаранов; заявитель и патентообладатель ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления (RU). - № 2011125428/03; заявл. 20.06.2011; опубл. 10.01.2013, Бюл. №1.-8 е.: ил.

9. Пат. 2489381 Российская Федерация, МПК С 04 В 28/02. Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодис-персной добавкой (варианты) [Текст] / Л.А. Урханова, С.А. Лхасаранов, Э.Г. Дамдинов; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский государственный технологический университет (RU). - № 2011125430/03; заявл. 20.06.2011; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22. - 12 е.: ил.

Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60 х 84'/16. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ № 314.

Издательство ВСГУТУ 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и

управления

На правах рукописи

04201365050

с

ЛХАСАРАНОВ СОЛБОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОКРЕМНЕЗЕМА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Урханова Л. А.

Улан-Удэ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................................................. 8

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ВЫСОКОПРОЧНЫМ БЕТОНАМ........................................................................................................... 10

1.1 Современное состояние и перспективы производства высокопрочного бетона................................................................................................................... 10

1.2 Сырьевые материалы для производства высокопрочных бетонов.......... 16

1.3 Теоретические и технологические основы получения высокопрочных бетонов................................................................................................................ 21

1.4 Выводы по главе 1........................................................................................ 29

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................. 30

2.1 Характеристика исходных материалов для получения

высокопрочного бетона..................................................................................... 30

2.1.1 Способ получения нанокремнезема........................................................ 33

2.2 Характеристика методов исследований..................................................... 35

2.2.1 Условия приготовления и испытания вяжущих веществ и бетонов.... 38

2.2.2 Математическая обработка результатов исследований......................... 40

3 ВЛИЯНИЕ НК НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЦ И ВНВ...................................................................................................................... 47

3.1 Влияние НК на изменение свойств ПЦ...................................................... 47

3.2 Влияние НК на изменение свойств ВНВ................................................... 49

3.3 Механизм действия НК на процессы гидратации и твердения ПЦ........ 53

3.4 Регулирование свойств вяжущих веществ с применением НК различной природы поверхности...................................................................... 58

3.5 Выводы по главе 3........................................................................................ 60

4 СПОСОБЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НК В ОБЪЕМЕ ВОДЫ ЗАТВОРЕНИЯ.................................................................................................... 61

4.1 Оптимизация составов ВНВ с использованием методов математического планирования эксперимента..............................................................................................66

4.2 Выводы по главе 4................................................................................................................................................................................70

5 УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ БЕТОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НК................71

5.1 Бетоны на основе ПЦ с НК....................................................................................................................................................71

5.2 Мелкозернистые бетоны на основе ВНВ с НК....................................................................................79

5.3 Выводы по главе 5................................................................................................................................................................................88

6 ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

НК..................................................................................................................................................................................................................................................89

6.1 Технология производства бетона................................................................................................................................89

6.2 Технико-экономическое обоснование производства бетона с использованием НК........................................................................................................................................................................................94

6.3 Внедрение результатов исследований................................................................................................................119

6.4 Выводы по главе 6................................................................................................................................................................................120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................................................................................139

Актуальность работы. Одним из основных направлений технического прогресса в области строительства является создание бетонов высокого качества и долговечности. Широкие возможности в технологии высокопрочных бетонов открывают добавки-наномодификаторы, которые приводят к значительному изменению структуры композита.

Перспективным направлением при проектировании составов и производстве высокопрочных бетонов представляется переход от обычного портландцемента (ПЦ), расход которого очень высок, на композиционные вяжущие. Использование эффузивных пород (перлиты, вулканические шлаки, цеолиты и др.), изначально обладающих избыточным запасом внутренней энергии и высокой химической активностью, позволяет получить вяжущие с улучшенными физико-механическими характеристиками.

Диссертационная работа выполнена в рамках гранта «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований по научному направлению «Индустрия наносистем» (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск), гранта молодых ученых ВСГУТУ и поддержана стипендией Правительства РФ.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка технологии получения высокопрочных бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием нанокремнезема (НК).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование влияния нанодисперсных добавок на структуру и свойства ПЦ и вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) с использованием перлитовых пород.

2. Оптимизация составов и технологических параметров получения модифицированного бетона с использованием наномодификаторов.

3. Разработка технологии производства бетона с использованием НК, апробация работы.

4. Технико-экономическое обоснование технологии производства бетона.

Научная новизна работы. Предложены принципы повышения эффективности производства бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием нанодисперсных добавок, заключающиеся в оптимизации микроструктуры цементирующего вещества и формировании рационального состава новообразований, что обеспечивает его высокие физико-механические характеристики. Использование ВНВ вместо обычного ПЦ, а также введение НК оказывают направленное воздействие на формирование структуры бетона за счет дополнительного образования низкоосновных гидросиликатов кальция.

Установлен характер влияния НК на процессы структурообразования ПЦ и ВНВ, заключающийся в ускорении процессов их гидратации, изменении фазового состава и микроструктуры. Данные рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов цементного камня доказывают упрочняющий эффект от введения НК, заключающийся в уменьшении микропор цементного камня, ускорении процессов гидратации и изменении фазового состава новообразований.

Определены зависимости свойств ПЦ и ВНВ от вида НК, отличающегося разным характером поверхности наночастиц в зависимости от условий его получения.

Установлен эффективный способ введения НК, заключающийся в повышении равномерности распределения и дезагрегации наночастиц в объеме воды затворения. При нагревании воды с НК его равномерное распределение происходит более эффективно, по сравнению с ультразвуковой обработкой.

Практическая значимость работы. Разработана методика совмещения НК с водой затворения, заключающаяся в ее нагревании, что позволяет равномерно распределить НК.

Разработаны составы ВНВ на основе стекловидного перлита с оптимальным содержанием цементной составляющей 50-70% с обеспечением прочности при сжатии превышающей прочность исходного ПЦ в 1,35-1,6 раза. Прочностные характеристики ВНВ на основе закристаллизованного перлита с заменой ПЦ до 50% сопоставимы с прочностными показателями исходного ПЦ.

Разработаны составы модифицированных бетонов на основе ПЦ, ВНВ и НК, позволяющие достигать: прочности при сжатии - 70-90 МПа, водопоглощения -1-1,5 мае. %, морозостойкости - F300-F400.

Разработан стандарт организации СТО «Приготовление бетонной смеси с использованием нанодисперсных добавок».

На защиту выносятся:

- особенности структурообразования в системе «цемент - НК», «ВНВ -НК»;

- математические модели зависимости физико-механических характеристик ВНВ от состава и технологических параметров получения;

- составы модифицированных бетонов с НК на основе ПЦ и ВНВ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

были доложены и обсуждены на следующих конференциях: всероссийских -«Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009), XV Академические чтения РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010), «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, август 2010), научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2011, 2012, 2013); международных - «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011), «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 2011), «Строительный комплекс России: наука,

образование, практика» (Улан-Удэ, 2012), «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).

Внедрение результатов исследований. Полученные составы модифицированного бетона апробированы при выпуске опытно-

о

промышленной партии бетонной смеси объемом 15 м в ООО «Буржелезобетон», г. Улан-Удэ. В производственных условиях получены бетоны прочностью при сжатии - 69 МПа, коэффициентом размягчения -0,95, водопоглощением - 1,6%.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях, в том числе 3 статьи в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На составы высокопрочного бетона на основе ПЦ и ВНВ с нанодисперсным модификатором получены патенты RU 2471752 CI, RU 2489381 С2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 130 наименований, содержит 140 страниц текста, 30 рисунков, 24 таблицы и 2 приложения.

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность строительных материалов играет важную роль в создании материально-технической базы, обеспечении дальнейшего роста материального и культурного уровня жизни народа, успешной и своевременной реализации программы строительных работ. Объем выпуска строительных материалов и изделий в значительной мере определяет экономический потенциал страны, а от темпов роста их выпуска зависят масштабы капитального строительства, его экономичность и технический уровень.

Современное строительство немыслимо без бетона. 2 млрд. м3 в год -таков сегодня мировой объем его применения. Это один из самых массовых строительных материалов, во многом определяющий уровень развития цивилизации. Вместе с тем, бетон - самый сложный искусственный композиционный материал, который может обладать совершенно уникальными свойствами. Он применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой, имеет неограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость. К этому стоит добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность технологии, возможность широкого использования местного сырья и утилизации техногенных отходов при его изготовлении, малую энергоемкость, экологическую безопасность и эксплуатационную надежность. Именно поэтому бетон останется основным конструкционным материалом и в обозримом будущем [1].

Благодаря своим превосходным свойствам — отличному соотношению прочности к объемной плотности, высокой плотности и долговечности — высокопрочный бетон все чаще используется для решения различных практических задач строительства. В последние годы высокопрочный бетон был включен в нормативные строительные документы Германии и Европы с

присвоением класса прочности до С100, что заложило прочную основу для применения подобных бетонов.

С точки зрения современной технологии, производство высокопрочного бетона сегодня не представляет принципиальных трудностей. Тем не менее, непременное достижение проектных характеристик свежего и затвердевшего бетона, а также выбор технологически и экономически оптимального состава бетона требуют серьезной научной и практической подготовки. Еще в большей степени это относится к производству и применению сверхпрочного бетона — сверхкоррозионностойкого плотного материала, прочность на сжатие которого превышает 150 МПа.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ВЫСОКОПРОЧНЫМ

БЕТОНАМ

1.1 Современное состояние и перспективы производства высокопрочного бетона

За последние 10 лет из высококачественных бетонов изготовлено свыше 250 тыс. куб. м. конструкций. Получение высокопрочных и высококачественных бетонов с комплексом механических и эксплуатационных свойств успешно решается модифицированием его структуры добавками различного функционального назначения. В ближайшем будущем произойдет постепенное замещение обычных традиционных бетонов многокомпонентными бетонами различного функционального назначения. В последних используются химические и минеральные модификаторы структуры, в том числе комплексные, включающие порой несколько десятков индивидуальных химических добавок и активных минеральных компонентов различной дисперсности (от 2000 до 25000 см /г), различные органические и неорганические расширяющие добавки, волокнистые наполнители и другие специальные компоненты, придающие бетону улучшенные функциональные свойства. Многокомпонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять структурообразованием на всех этапах технологии и получать универсальные бетоны с различными свойствами. В последнее время наряду с новым строительством, ведется реставрация и реконструкция старых объектов.

Концепция бетонов высокого исполнения или высококачественных бетонов (High Performance Concrete, НРС) впервые была сформулирована в 1986 году. В высококачественных бетонах суммируются свойства бетонов с отдельными высокими свойствами. По оценкам японских исследователей прогнозируемый срок службы таких бетонов - около 500 лет. Несмотря на некоторые отличия в подходах различных школ, можно полагать, что основными критериями высококачественных бетонов являются:

высокая прочность, включая высокую раннюю прочность (Я28=50...120 МПа и выше);

- высокая морозостойкость (Б400 и выше);

- низкая проницаемость по отношению к воде и химическим ионам (\\П2 и выше)

- высокое сопротивление истираемости (не более 0,4 г/см )

- низкое водопоглощение (менее 2,5% по массе);

- низкая адсорбционная способность;

- низкий коэффициент диффузии;

- высокая химическая стойкость;

- высокий модуль упругости;

- бактерицидность и фунгицидность;

- регулируемые показатели деформативности (в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14...28 суток естественного твердения).

Технология высококачественных бетонов основывается на управлении структурообразованием бетона на всех этапах его производства. Для этого используются высококачественный портландцемент или композиционные вяжущие, комплексы химических модификаторов структуры и свойств бетонов, активные дисперсные минеральные компоненты и наполнители, расширяющие добавки. При производстве бетона используется интенсивная технология, обеспечивающая точность дозирования, тщательное перемешивание и гомогенизация смеси, ее качественное уплотнение и твердение. При необходимости используется механохимическая активация смеси.

Выдающимся примером реализации концепции НРС является построенная в 1995 году в Норвегии платформа для добычи нефти на месторождении Тролл в Северном море. Ее полная высота - 472 м, что в полтора раза превышает высоту Эйфелевой башни, в том числе высота железобетонной части - 370 м. Платформа установлена на участке моря глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с

максимальной высотой волны 31,5 м. Расчетный срок эксплуатации платформы - 70 лет.

Аналогичные платформы на океаническом шельфе Северного Ледовитого океана в 200...400 км от берегов Аляски рассчитаны на эксплуатацию в зоне сплошного многолетнего ледового покрова, подвижки которого развив