Интенсивное строительство уникальных зданий и сооружений и необходимость решения жилищной проблемы в Республике Беларусь обусловили острый дефицит основных строительных материалов и прежде всего цемента. Он, как известно, является высокоэнергоемким материалом: на производство 1 т затрачивается около 300 кг условного топлива. Поэтому сегодня, как никогда ранее, необходимо задействовать все потенциальные возможности сокращения удельных расходов цемента.
Одним из направлений его экономии при производстве сборных железобетонных изделий и возведении монолитных конструкций жилых и общественных зданий является модификация бетона химическими добавкамипластификаторами нового поколения. В 2007 г. специалистами БелНИИС (с участием авторов статьи) разработана и Министерством архитектуры и строительства утверждена программа “Развитие производства и применения добавок в бетоны и растворы с целью снижения расхода цемента, тепловой и электрической энергии”, в которой предусмотрен комплекс необходимых организационнотехнических мер, обеспечивающих снижение удельного расхода цемента на 10–20 % и тепловой энергии на 20–30 %. Особое место в программе отведено развитию производства и применения эффективных пластификаторов.
Исследования последних лет [1–6] показали, что наибольший эффект дают пластификаторы, химическую основу которых составляют акриловые полимеры. Эти модификаторы, названные гиперпластификаторами, обеспечивают достижение водоредуцирующего эффекта до 40 % и позволяют получать высокопрочные бетоны и высокоподвижные нерасслаивающиеся бетонные смеси для применения в технологии самоуплотняющихся бетонов [7,8]. В Республике Беларусь наибольшее распространение среди подобных модификаторов получили импортные добавкигиперпластификаторы Стахемент2000 и Sika ViscoCrete 5–600. Некоторые их характеристики представлены в [8].
С целью создания и организации промышленного производства отечественных гиперпластификаторов отдел технологии бетона и растворов РУП “Институт БелНИИС” начиная с 2003 г. проводит комплексные исследования свойств различных компонентов, в том числе пластифицирующих, пеногасящих, ускоряющих процесс формирования структуры цементного камня, замедляющих схватывание цементного теста, снижающих температуру замерзания воды. По результатам исследований в 2005 г. создана первая композиция гиперпластификатора ГП1 [9]. Опытнопромышленная партия гиперпластификатора ГП1 выпущена по разработанному технологическому регламенту на Барановичском комбинате “Бархим”. Промышленный выпуск налажен ООО “Агротехноминерал”.
Гиперпластификаторы создаются в основном для получения самоуплотняющихся бетонов, изготавливаемых из литых бетонных смесей, характеризующихся не осадкой, а растекаемостью конуса в пределах 500–850 мм. Однако они с успехом могут применяться и для изготовления бетонов из малоподвижных бетонных смесей. При этом обеспечиваются высокая прочность бетона (до 130 МПа и более), высокое сопротивление морозной деструкции, высокие газо и водонепроницаемость и другие качественные показатели, обусловленные структурными характеристиками бетона. Кроме того, при оценке технологических свойств самоуплотняющихся бетонов необходимо учитывать реологические характеристики бетонных смесей, без знания которых невозможно решать задачи, связанные с заполнением опалубочных полостей с различным насыщением арматуры и безвибрационным уплотнением бетонных смесей.
Первые результаты исследований структуры и реологических свойств бетонной смеси в обобщенном виде представлены в [10,11], где впервые предложены новые элементы, с помощью которых разработаны аналитические зависимости важнейших механических и реологических свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона. Полученные зависимости относятся к умеренно подвижным бетонным смесям. Однако общие подходы и отдельные предпосылки могут быть использованы при разработке структурных и математических моделей высокоподвижных смесей.
К важнейшим структурнотехнологическим характеристикам относятся: содержание вяжущего в бетоне; минералогический состав клинкера и содержание гипса в цементе, его удельная поверхность; отношение масс мелкого и крупного заполнителей, их межзерновая пустотность в уплотненном состоянии; плотность и удельная поверхность заполнителей; вид и содержание химических модификаторов и минеральных добавок; относительное снижение коэффициента нормальной густоты теста из вяжущего за счет введения химических добавок; объемные концентрации теста, идущего на раздвижку зерен заполнителя и находящегося в межзерновом пространстве; эффективное водовяжущее отношение; относительное содержание объема воздуха в бетонной смеси; объемная концентрация геля и капиллярных пор в цементном камне; относительное количество связанной воды в геле. Исходя из возможных форм связи жидкости в дисперсных системах и последних представлений об их агрегативной устойчивости в цементном тесте в зависимости от его водосодержания, можно выделить три качественно отличных типа систем.
В системе первого типа вся вода находится в физической форме связи, т.е. полностью адсорбирована поверхностью зерен. В этом случае цементная система близка к сыпучим средам с незначительной когезионной прочностью, обусловливаемой в основном силами ВандерВаальса.
Система второго типа кроме пленочной содержит значительное количество капиллярной воды, располагаемой обычно на стыках частиц цемента в виде водокольцевых менисков. Геометрические параметры водокольцевых менисков и соответственно энергия связи между частицами цемента определяются его дисперсностью, водосодержанием цементного теста и поверхностным натяжением содержащейся в нем жидкости.
Границы существования системы второго типа определяются экстремальными значениями сил внутреннего сцепления (когезионной прочностью). Количественные характеристики границ существования системы цементного теста второго типа пока остаются предметом дискуссии [11–17].
Третий тип системы цементного теста характеризуется наличием гравитационной или свободной воды и вследствие этого значительной термодинамической неустойчивостью. В этой системе после приготовления происходит интенсивное водоотделение и седиментационное оседание зерен цемента. Применение таких систем в строительной практике не рекомендуется. Выполненные исследования пределов связности цементного теста, модифицированного гиперпластификаторами, показали, что критериальные характеристики требуют уточнения. При этом характеристика первой границы связности цементного теста Хт.тiп.м.может быть принята равной 0,9, что примерно соответствует значению 0,876, предложенному И.Н. Ахвердовым [12]. Характеристика второй границы Хт.тах.м.может определяться по следующей зависимости:
Хт.тах.м. = 1,25 + 4,75 (Кн.г.м.– 0,15), (1)
... = 1,25 + 4,75 (– 0,15), (1)где Кн.г.м. – коэффициент нормальной густоты модифицированного цементного теста.
Значение Кн.г.м. существенно зависит от вида цемента, содержания тонкодисперсных наполнителей, вида и содержания гиперпластификаторов. Так, для гиперпластификатора ГП1 при содержании 0,4 % от массы цемента по сухому веществу Кн.г.м.находится в пределах 0,17–0,18 и Хт.тах.м. – в пределах 1,1–1,2. При этом водовяжущее отношение цементного теста в бетонной смеси не должно превышать значений 0,187–0,216. Минимальные значения водовяжущего отношения модифицированного цементного теста при содержании гиперпластификатора 0,4 % соответственно составят 0,153–0,162.
Узкие границы связности модифицированного цементного теста должны учитываться при назначении композиций бетонных смесей. При незначительных допустимых колебаниях водовяжущего отношения требуемые прочность бетона и удобоукладываемость бетонных смесей должны обеспечиваться изменением содержания модификаторов и тонкодисперсных наполнителей.
Водовяжущее отношение цементного теста в бетонной смеси, характеризующее его связность, следует определять по формуле
, (2)
где В – общее содержание воды в единице объема бетонной смеси при сухих заполнителях;
Gвяж – содержание вяжущего в единице объема бетонной смеси, включая тонкодисперсные наполнители, дополнительно вводимые и содержащиеся в смеси заполнителей;
Впогл, Впл.з, Вк.з – вода, соответственно поглощенная заполнителем, пленочная, адсорбированная его поверхностью и капиллярная, иммобилизованная заполнителем.
Содержание воды всех видов форм связности может определяться по зависимостям, представленным в [10,18,19].
В процессе формирования структуры твердеющего бетона пленочная и капиллярная вода заполнителей участвует в гидратационных процессах и оказывает влияние на образование контактного слоя и капиллярной пористости цементного камня. В этой связи при определении физикомеханических свойств цементного камня и бетона пленочная и капиллярная вода заполнителя должна включаться в состав цементного теста и водовяжущее отношение при этом должно соответствовать эффективному водовяжущему отношению, определяемому в соответствии с СТБ 1544 [20] по формуле
. (3)
Прочность и другие физикомеханические свойства бетона, модифицированного гиперпластификаторами, не могут определяться по известным зависимостям, полученным различными авторами для немодифицированных бетонов. Это прежде всего относится к оценке кинетики формирования структуры и прочности бетона в различных температурновлажностных условиях, а также к учету влияния содержания и вида химических модификаторов и тонкодисперсных наполнителей. Такое положение предопределяет необходимость продолжения исследований, в особенности применительно к новым видам бетона. При этом наиболее предпочтительным является структурный подход к описанию основных закономерностей деформирования бетона под воздействием внешних нагрузок и собственных напряжений, возникающих в процессе формирования структуры цементного камня и влагообмена с окружающей средой.
Первые результаты исследований собственных деформаций бетона представлены в [21, 22]. Полученные математические модели усадки цементного камня и бетона с позиций физикохимической механики дисперсных систем относятся в основном к немодифицированным бетонам. Дальнейшие исследования отдела технологии бетона и растворов РУП “Институт БелНИИС” проводятся с целью получения корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние вида и содержания гиперпластификаторов.
Прочность бетона существенно зависит от свойств цементного камня, его объемной концентрации в бетоне, межзерновой пустотности заполнителя, его дисперсности, прочностных и деформативных характеристик, температурновлажностных условий формирования структуры бетона. На основании результатов последних теоретических и экспериментальных исследований в [23] предложено оценивать прочность модифицированного бетона, твердеющего в различных температурных условиях, по следующей зависимости:
fс.tt =fц.к.t. =f· fm.ц.к · fm· fn · fд.н · ft , (4)
t.t. · f· f· f· f· f, (4)где fс.ttt – кубиковая прочность бетона на сжатие, твердеющего в течение t суток при температуре t;
fц.к.t. – зависимость прочности цементного камня на сжатие, твердеющего в нормальновлажностных условиях в течение t суток;
fm.ц.к, fm,fn, fд.н, ft – функциональные коэффициенты, отражающие влияние на прочность бетона соответственно: объемной концентрации цементного камня, модифицирующих химдобавок, соотношения масс крупного и мелкого заполнителей, содержания и вида тонкодисперсных минеральных наполнителей, температуры выдерживания бетона.
Исследования влияния гиперпластификатора ГП1 на кинетику набора прочности бетона при температуре выдерживания 5–7, 18–20, и 30–35°С показали [8], что бетоны, модифицированные ГП1, отличаются повышенным темпом набора. Прочность бетона при содержании цемента 450 кг/м3 и водовяжущем отношении 0,3 достигала в течение 2 суток нормальновлажностного твердения 30 МПа, или около 50 % от 28суточной прочности, и в течение 4 суток – 49 МПа, или 78 %. При выдерживании изделий в теплоизолированных камерах требуемая распалубочная прочность может достигаться в течение одних суток без тепловой обработки.
Выполненные исследования и полученные первые результаты позволяют определить рациональную область применения бетонов, модифицированных гиперпластификаторами. Это прежде всего высококачественные бетоны, характеризующиеся высокой прочностью, повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью, высоким качеством лицевых поверхностей, не требующих шпатлевания. Из них могут изготавливаться как сборные, так и монолитные конструкции. При этом обеспечивается интенсивное, высокопроизводительное и малоэнергоемкое возведение сборномонолитных и монолитных каркасов новых систем зданий, как правило, с применением высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей.
Кроме общетехнических эффектов применение гиперпластификаторов создает возможности снижения удельных расходов цемента при производстве железобетонных изделий и конструкций из бетонов самых различных классов по прочности на сжатие.
Для выявления этих возможностей в отделе технологии бетона и растворов института БелНИИС с участием авторов ведутся целенаправленные исследования как в лабораторных, так и в производственных условиях. Несмотря на то что они еще не завершены, представляется возможным сделать некоторые обобщения:
– экономическая эффективность применения модификаторов нового поколения увеличивается с увеличением класса бетона по прочности на сжатие и показателей удобоукладываемости бетонной смеси;
– в бетонах классов до С 16/20 и марок по удобоукладываемости до П2 целесообразно применять пластификаторы I–IV групп по СТБ 1112–98, а также их комплексы с ускорителями твердения бетона;
– в бетонах более высоких классов и с маркой по удобоукладываемости бетонных смесей выше П2 наиболее экономичными являются гиперпластификаторы. Ориентировочные показатели снижения стоимости бетона и расхода энергоресурсов приведены в следующей таблице.
Как следует из данных, приведенных в таблице, применение гиперпластификатора ГП1 взамен суперпластификатора С3 позволяет снизить удельный расход цемента ПЦ500–Д0 на 45–60 кг/м3 и тем самым сократить удельное потребление энергоресурсов на 13–18 кг у.т./м3. При этом на каждом кубическом метре бетона экономится от 4 до 17 тыс. белорусских рублей. При переходе на применение литых и самоуплотняющихся бетонных смесей экономический эффект увеличивается в 1,5–2 раза.
Значительное снижение удельного расхода цемента в строительных растворах, бетонах низкой и средней прочности может быть достигнуто при применении тонкодисперсных наполнителей. Наши исследования показали, что использование доломитовых тонкодисперсных наполнителей совместно с разработанными химическими добавками СМ1 и ГП1 позволяет до 30 % цемента заменить тонкодисперсным доломитом производства ОАО “Доломит” и соответственно снизить стоимость бетона. Для реализации этих возможностей предприятия сборного железобетона и строительные организации должны осуществить небольшой комплекс организационнотехнических мероприятий, связанных с хранением, подачей и дозировкой тонкодисперсных наполнителей и химических добавок. Эти затраты окупаются в течение нескольких месяцев. И главное, они обеспечат значительное сокращение удельных расходов дефицитного цемента и реализацию продукции ОАО “Доломит”, которая в настоящее время не имеет сбыта.
Кроме того, использование гиперпластификаторов позволяет расширить область применения шлакопортландцемента и тем самым значительно уменьшить косвенные затраты энергоресурсов, которые в несколько раз превосходят дополнительные прямые затраты, обусловленные пониженной активностью шлакопортландцемента. При этом могут быть получены и бетоны высокой морозостойкости.
Заключение
1. Представлены результаты анализа свойств модификаторов бетона и растворов и эффективности их применения для снижения удельных расходов цемента.
2. Показано, что физикомеханические свойства модифицированных бетонов и технологические свойства бетонных смесей должны определяться структурными характеристиками цементного камня и бетона. Указаны перечень основных структурных характеристик и методики их определения.
3. Указаны рациональная область применения гиперпластификаторов и возможные техникоэкономические эффекты, в том числе за счет снижения удельных расходов цемента при производстве строительных железобетонных изделий и возведении монолитных конструкций современных зданий и сооружений.
4. Полученные результаты исследований являются лишь первым этапом на пути развития высококачественных, долговечных ресурсо и энергосберегающих железобетонных конструкций, производимых из бетонов, модифицированных химическими пластификаторами нового поколения.
5. Дальнейшие более существенные научнотехнические и практические результаты будут достигнуты при выполнении заданий программы “Развитие производства и применения добавок в бетоны и растворы с целью снижения расхода цемента, тепловой и электрической энергии”.
Литература
1. Василик П., Голубев И. Особенности применения поликарбоксилатных гиперпластификаторов Melflux® // Междунар. конф. “Baltimix”, 2003.
2. Blask, O. Zur Rheologie von polymermodifizierten Bindemittelleimen und Mortelsystemen: Dissertazion zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften. Eingereicht beim Fachbereich 8/ Neuwied/Rhein, 2002.
3. Yamada K., Takahashi Т., Hanehara S., Matsuhisa M. Effects of the chemical structure on the properties of polycarboxylatetype superplasticizer. Cement and Concrete Research, 2000. № 30.
4. Yamada K., Sakai E., Ohta A. Molecular Structure and Dispersion Adsorption Mechanisms of CombType Superplasticizers in Japan. Journal of Advanced Concrete Technology, 2003. № 1. С. 16–25.
5. Yoshioka K., Sakai E., Daimon M., Kitahara A. Role of steric hinderance in the performance of superplasticizers for concrete // American Ceramic Society. 1997.
6. Блещик Н.П., Калиновская Н.Н. Технология и свойства бетона, модифицированного гиперпластификатором // Современные бетоны. Сб. тр. IX Междунар. науч.практ. конф. Запорожье, 2007. С. 128–136.
7. Рыскин М.Н., Рак А.Н. К вопросу о композициях, структуре и реологических свойствах самоуплотняющихся бетонов // Строительство и архитектура. Вестник БГТУ, 2004. № 1. С. 244–250.
8. Блещик Н.П., Калиновская Н.Н. Модификаторы бетона нового поколения // Строительная наука и техника. 2006. № 1. С. 30–40.
9.ТУ BY 100230600.447–006. Пластификатор для бетонов и растворов ГП–1.
10. Блещик Н.П. Структурномеханические свойства и реология бетонной смеси и прессвакуумбетона. Мн.: Наука и техника, 1977. 232 с.
11. Блещик Н.П. Основы реологии и технологии прессвакуумбетона: Дисс. … дра техн. наук. Мн., 1986.
12. Ахвердов И.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. М., 1967.
13. Баженов Ю.М. Технология бетона. М., 1978. С. 50–55.
14. Симонов М.З. О газовой фазе в бетонной смеси и бетоне // Совещание по теории технологии бетонов Армянской ССР. Ереван, 1956.
15. Шмигальский В.Н. О взаимодействии между бетонной смесью и вибрирующим органом формующих машин // Тр. Новосибирского инта инженеров ж.д. трансп. Вып. 10. Новосибирск, 1970.
16. Урьев Н.Б., Михайлов Н.В. Коллоидный цементный клей и его применение в строительстве. М., 1967.
17. Симонов М.З. Элементы теории подвижности и уплотняемости бетонной смеси // Изв. АН Армянской ССР. Сер. физ.мат., естеств. и техн. наук. 1953. № 3.
18. Блещик Н.П., Рак А.Н., Калиновская Н.Н. Рациональная область и особенности технологии применения гиперпластификаторов для бетона // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: Сб. ст. XIV Междунар. науч.практ. семинара. В 2 т.: Т.1. Мн.: БНТУ, 2006. С. 24–37.
19. Исследовать влияние гиперпластификаторов на структурные характеристики самоуплотняющихся бетонов. Отчет о НИР / Науч. рук. Н.П. Блещик. РУП “Институт БелНИИС”. Мн., 2005. 54 с.
20. СТБ 1544–2005. Бетоны конструкционные тяжелые. Технические условия. Мн., 2005. 25 с.
21. Блещик Н.П., Рак А.Н., Рыскин М.Н. К построению расчетной модели усадки цементного камня с позиции физикохимической механики дисперсных систем // Строительство и архитектура. Вестник БГТУ, 2004. C. 81–93.
22. Блещик Н.П., Рак А.Н., Рыскин М.Н. Расчетные модели усадки бетонных и железобетонных конструкций // Строительство и архитектура. Вестник БГТУ, 2004. C. 93–104.
23. Блещик Н.П., Рак А.Н. Кинетика формирования структуры и прочности самоуплотняющегося бетона // Строительная наука и техника, 2006. № 6(9). C. 30–41.