Влияние содержания микрокремнезема на повышение прочности реакционно-порошковых бетонов

Еще в период создания реакционно-порошковых бетонов в 1992–94 гг. Richard P. и Cheyrezy M. H. доказали [1], что для создания бетонов с высокой прочностью содержание микрокремнезема (МК) должно составлять в литых бетонах 25–30 % от массы цемента.

Позднее в 2004 году было показано, [2] что из смеси цемента и микрокремнезема в соотношении до 1:1, при добавлении 1000 кг очень мелкого песка менее 0,5 мм путем прессования, выдержки в воде в течение 8 суток, последующей выдержки в воде при температуре t = 90^оС и сушке при температуре t = 270 ^оС были получены бетоны с прочностью 280–370 МПа.

Расходы микрокремнезема, доходящие до 1000 кг/м³, а также жесткие тепловые режимы крайне не экономичны, и они пригодны лишь для науки с целью показать возможности реакционно-порошковых смесей при синтезе самых низкоосновных гидросиликатов. Реальные режимы пропаривания для литых реакционно-порошковых бетонов — 85–95 ^оС [3].

В последние годы высказываются теоретические мнения относительно низкого ингибирующего действия арматуры в малощелочной среде бетонов, в котором весь портландит связан в гидросиликаты кальция. В связи с этим предлагается вводить микрокремнезем в количестве 10–15 % от массы цемента. В целом ряде зарубежных работ для получения реакционно-порошковых бетонов с прочностью 190–200 МПа рекомендуется вводить 25–30 % микрокремнезема.

Мы провели свои научные эксперименты по изучению роли и дозировки микрокремнезема в реакционно-порошковых бетонах нового поколения [4].

Контрольный состав изготавливался из порошкового бетона без микрокремнезема (состав ПБ-7) на Подольском цементе М500 ДО, который предварительно смешивался с гиперпластификатором Melflux 5581F в сухом виде в смесителе с последующей активацией в шаровой мельнице в течение 5 минут. Установлено, что такая обработка практически не увеличивает дисперсность (не более 20–40 см²/г), но повышает однородность.

Второй, третий и четвертый составы (ПБ-3, ПБ-4, ПБ-5) изготавливались, соответственно с добавлением 5, 10 и 15 % микрокремнезема от массы цемента. Процедура приготовления сухой цементно-микрокремнеземистой смеси с гиперпластификатором, аналогична приготовлению контрольного состава: компоненты активировались в мельнице, в течение 5 минут.

Результаты исследований представлены в таблицах 1; 2; 3; 4. В контрольном составе ПБ-7 смесь была умеренно-текучей (табл. 1). Порошковый бетон без микрокремнезема на Подольском цементе обладает достаточно высокой прочностью на сжатие (126 МПа), но повышенной хрупкостью с невысоким условным коэффициентом трещиностойкости. Удельный расход цемента на единицу прочности равен 5,42 кг/МПа.

Таблица 1

Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства бетона без микрокремнезема (состав ПБ-7)

Введение 5 % микрокремнезема мало увеличивает прочность как на сжатие (124 МПа), так и на изгиб (11 МПа) (табл. 2) по сравнению с контрольным составом. При одинаковых значениях В/Ц и В/Т — отношений и реотехнологических показателях плотность бетонной смеси практически не увеличилась, но содержание вовлеченного воздуха в бетоне с микрокремнеземом было 3,2 %, в то время как в контрольном составе 2,5 %.

Таблица 2

Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства бетона с 5 % микрокремнезема (состав ПБ-3)

Добавление в бетон 10 % микрокремнезема (состав ПБ-4) (табл. 3) с некоторым понижением В/Ц (на 1,17 %), при неизменном В/Т — отношении, сохраняет консистенцию контрольного состава, плотность бетона и повышает прочность на сжатие (132 МПа) и растяжение при изгибе (14 МПа). Если сравнить прирост прочности по сравнению с первым составом, то она возрастает, соответственно, на 17 и на 10 %.

Реакционно-порошковый бетон с 15 % микрокремнезема (состав ПБ-5) (табл. 4) при неизменном реотехнологическом показателе по сравнению со вторым составом интенсивно набирал прочность во времени и существенно повысил прочность на растяжение при изгибе на 38 %. Прочность на сжатие возросла незначительно (136 МПа). Возможно, прочностные показатели были бы и выше, но в бетонной смеси содержалось больше воздуха (3,9 %) чем в других составах, а плотность бетона была наименьшей (2283 кг/м³). Поэтому повышение прочности произошло из-за более высокой плотности и прочности высококремнеземистой матрицы.

Таблица 3

Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства бетона с 10 % микрокремнезема (состав ПБ-4)

Таблица 4

Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства бетона с 15 % микрокремнезема (состав ПБ-5)

В целом, при увеличении содержания Новокузнецкого МК, в соответствии с проведенными нами экспериментами, наблюдается больший прирост прочности на растяжение при изгибе (до 21,6 МПа) (табл. 4,), чем на сжатие.

Из анализа научных результатов видно, что с повышением содержания микрокремнезема по мере увеличения прочности бетонов, величина условного реологического критерия  возрастает с 1,33 до 1,73, а объем тонкого песка, определяющего структуру топологической матрицы, уменьшается с 416 л до 368 л. При насыпной плотности песка в уплотненном состоянии 1,53 кг/л и пустотности песка 42,3 % (423 л), коэффициент, равный отношению объема песка к объему пустот в нем и, характеризующий компактность структуры при сохранении оптимального объема для размещения реологической матрицы первого рода, равен 0,87.

Литература:

1.                  Richard P., Cheurezy M. Reactive Powder Concrete with High Ductility and 200–800 MPa Compressive Strength.// AGJ SPJ 144–22, — 1994, pр. 507–518.

2.                  Abouzar Sadrekarimi. Development of a Light Weight Reactive Powder Concrete. Journal of Advanced Concrete Technology. Japan Concrete Institute. Vol. 2, No 3, 409–417. October 2004.

3.                  Schmidt M. 50 Jahre Entwicklung bei Zement, Zusatzmittel und Beton. Schriftenreihe Baustoffe. / M. Schmidt Centrum Baaaustoffe und Material- prufund.– 2003. — H.2, — Р. 189–198.

4.                  Калашников В. И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов // Популярное бетоноведение. — 2008. № 3. С. 102.