Пути расширения сырьевой базы и снижения материалоемкости производства реактивных порошковых бетонов

Введение

Реактивный порошковый бетон (РПБ) был разработан во Франции под торговой маркой DUCTAL в начале 1990-х годов в лаборатории «Буиг» (Bouygues) во Франции [1]. Первая в мире конструкция из РПБ, мост Шербрук в Канаде, была возведена в июле 1997 г. РПБ представляет собой композиционный материал сверхвысокой прочности, высокой плотности и долговечности. РПБ относится к специальным бетонам, микроструктура которых оптимизирована за счет точно подобранной гранулометрии всех частиц в смеси для достижения максимальной плотности. РПБ в целом можно рассматривать как модель для дальнейшего развития традиционных бетонов с переходом на более высокий уровень дисперсности. Для достижения высоких физико-механических характеристик в составе РПБ применяется микрокремнезем, обладающий пуццоланическими свойствами, а также портландцемент с оптимизированным химическим составом.

Производство вяжущего низкой водопотребности осуществляется при заданных условиях в мельницах, которые традиционно используются в цементной промышленности, то есть в трубчатых мельницах со специальными шаровидными мелющими телами [3][4]. Использование механохимической активации обеспечивает значительное увеличение темпов твердения и прочности портландцемента, который, в свою очередь, будет использоваться в качестве основы для композиционных вяжущих с активностью 80–100 МПа в зависимости от исходного качества цемента; это соответствует повышению прочности примерно на 41–53 % через 28 дней, примерно на 30–70 % через 2–7 дней и более двух раз за 1 день. Наряду с вышесказанным обеспечивается существенное снижение (на 17–25 %) водопотребности цементного раствора, несмотря на повышение дисперсности вяжущего по сравнению с исходными цементами [5]. Удельный расход заполнителей (УРЗ), согласно Пауэрсу [6] выраженный как весовое соотношение заполнитель + наполнители к цементу, применительно к бетонам на ВНВ по этому показателю значительно превосходит обычные портландцементы (до 13 для цемента против 27 для ВНВ), что позволяет рассматривать ВНВ как вяжущее нового поколения [7].

Тонкодисперсные минеральные добавки, применяемые в качестве компонента композиционных вяжущих, условно можно разделить на инертные и активные [10][11].

Для производства композиционных вяжущих широко используются доменный гранулированный шлак [12–15]. Это обусловлено его высокой гидравлической активностью, позволяющей создавать вяжущие с минимальным содержанием цементного клинкера, а также положительным влиянием на большинство характеристик коррозионной стойкости бетонов.

Еще одной тонкодисперсной минеральной добавкой, в последнее время широко применяемой при изготовлении композиционных вяжущих для высокофункциональных бетонов, является метакаолин, представляющий собой дегидроксилированную форму глинистого минерала каолинита Al₂O₃∙ 2SiO₂∙ 2H₂O [16][17].

Цель исследования

Целью исследования является разработка составов и технологии изготовления реактивных порошковых бетонов с сниженной материалоемкостью за счет расширения сырьевой базы при помощи замещения части клинкерного компонента высокоэффективными активными минеральными добавками (метакаолин, доменный гранулированный шлак).

Материалы и методы исследования

Используемые материалы

Методы исследования

Контроль качества РПБ смесей и бетона производился в соответствии с действующими стандартами, в том числе:

• контроль качества бетонных смесей – по ГОСТ 10181 и ГОСТ 310.4 (определение удобоукладываемости мелкозернистых смесей);
• плотность бетона – по ГОСТ 12730.1;
• контроль прочности бетона – по ГОСТ 10180.

Результаты исследования

Проведены исследования по оценке влияния на технологические свойства бетонных смесей для получения реактивных порошковых бетонов (РПБ) таких факторов, как виды, дозировка и способы введения различных минеральных добавок.

В работе оценивали возможность использования метакаолина в качестве минеральной добавки. Результаты определения влияния добавки метакаолина в составе вяжущего на технологические свойства бетонных смесей одинаковой подвижности и прочность реактивных порошковых бетонов приведены в табл. 1. и на рис. 1–5.

Характер влияния добавки метакаолина на прочность РПБ зависит от возраста бетона. В возрасте 1 сут нормального твердения прочность бетона возрастает с увеличением содержания метакаолина в вяжущем, что может быть связано с наличием в нем не только силикатной, но и алюминатной и щелочной фаз. В возрасте 2 сут показатели прочности выравниваются, а в более поздние сроки все больше возрастает прочность бетона с микрокремнеземом, очевидно, вследствие повышения роли пуццолановой реакции в процессе твердения (рис. 4). После автоклавной обработки, способствующей наиболее интенсивному и полному протеканию пуццолановой реакции, прочность РПБ как в раннем возрасте, так и в возрасте 28 сут возрастает с увеличением содержания МК в вяжущем (рис. 5).

Частичная (50 %) замена микрокремнезема метакаолином приводит к относительно небольшому снижению прочности – со 135,8 до 125,6 МПа (т. е. на 8 %) в возрасте 2 сут и со 144,7 до 134,3 МПа (т. е. на 7 %) в возрасте 28 сут.

Так называемый «индекс цементирующей эффективности» метакаолина, в зависимости от его расхода, составляет 1,52–2,27, тогда как для микрокремнезема он составляет 2,15–2,93. В связи с этим при полной замене микрокремнезема метакаолином снижение прочности носит резкий характер и составляет во все сроки около 30 %.

Полученные данные показывают, что при постоянных параметрах изготовления вяжущих и постоянном значении водо/вяжущего отношения, равном 0,2, замена цемента в вяжущем соответствующим количеством молотого шлака сопровождается снижением водопотребности бетонных смесей: расплыв конуса возрастает с 147 до 186–209 мм (рис. 6). Замена до половины цементной составляющей в составе вяжущего шлаком не приводит к существенному снижению прочности: в возрасте 1 сут нормального хранения снижение прочности бетона на вяжущем с максимальной заменой цементной составляющей шлаком составляет 36 %, а в возрасте 28 сут – только около 8 %. Соответствующие значения для бетонов, подвергнутых автоклавной обработке, составили 21и 17 % (2 и 28 сут соответственно) (рис. 7–8).

Выводы

Анализ экспериментальных данных показывает, что наиболее эффективным способом применения метакаолина при получении РПБ является его использование в качестве компонента вяжущего при частичной замене им микрокремнезема. В этом случае обеспечивается повышение технологических свойств бетонных смесей без существенного снижения прочностных свойств и темпов твердения бетона.