Материал: Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей. Перцев В.Т., Леденев А.А

торов состоит из микрокремнезема (МБ-01) или смеси его с золой уноса МБ30С, МБ-50С и МБ-100С), а органическая включает СП на основе натриевой соли поликонденсата b-нафталинсульфокислоты и формальдегида и регулятор твердения (РТ) – фосфорорганический комплексон. Это порошкообразные материалы насыпной плотностью 750 – 800 кг/м3, состоящие из гранул размером до 100 мкм. Каждая гранула представляет собой агрегат из ультрадисперсных частиц МК и золы, покрытых затвердевшей адсорбционной плѐнкой из молекул СП и комплексона [75, 76]. Действие таких модификаторов на цементные системы состоит в том, что при затворении водой и перемешивании компонентов бетонной смеси происходит дезагрегация гранул, которой также способствует растворение затвердевшей адсорбционной плѐнки (прослойки) из СП, разделяющей частицы МК или золы уноса. В дальнейшем в цементной системе происходят процессы, характерные для систем с содержащими диоксид кремния дисперсными материалами и СП, что позволяет материалам, соединенным в комплексный продукт, становиться более эффективными, чем приготовленные с раздельным введением тех же компонентов [61].

Механизм совместного взаимодействия различных видов минеральных наполнителей и СП рассмотрен во многих исследованиях [25, 49, 61, 68], подчеркивающих целесообразность и эффективность такого технологического приема. Приводятся предположения об эффективности введения СП именно в виде адсорбционных пленок на дисперсном носителе. В этом случае «транспорт» молекул СП к зернам для обеспечения процесса адсорбции происходит с большей полнотой и за более короткий период времени [68].

Несмотря на все положительные свойства МК, проявляющиеся в комплексе с СП в цементных системах, его стоимость примерно равна стоимости самого цемента, а в зависимости от условий поставки может превышать стоимость последнего в несколько раз. Поэтому целесообразно в качестве микронаполнителей использовать многотоннажные отходы промышленности, имеющиеся практически во всех регионах, которые в комплексе с суперпластификаторами позволяют повысить физико-технические свойства бетонов [8, 70]. В ряде исследований [70 – 72] показана возможность расширения группы дисперсных наполнителей техногенного происхождения, предложено использовать молотые автоклавированные отходы от срезки «горбушки» при производстве газобетона и отходы «боя» силикатного кирпича в комплексе с суперпластификатором С-3. Указанные отходы измельчались до удельной поверхности 600 ± 20 м2/кг. Добавка С-3 вводилась двумя способами: традиционным способом – с водой затворения, т.е. в виде растворов, и на дисперсных носителях, для этого производился совместный помол суперпластификатора с наполнителем. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность органоминеральных модификаторов для получения высокопрочных бетонов. Позитивное действие добавок на структурообразование цементного камня обусловлено образованием повышенного количества низкоосновных гидросиликатов кальция, что способствует упрочнению структуры цементного камня.

26

В исследованиях [72] показано, что применение дисперсных наполнителей (Sу д = 650 – 675 м2 /кг), таких как молотый гранулир о- ванный шлак Липецкого металлургического комбината, отходы б е- тона на гранитном и известняковом заполнителях (оптимальная ст е- пень наполнения 12,5 %) в сочетании с суперпластификатором С -3 (1 % от массы цемента), позволяет активно воздействовать на кин е- тику набора прочности мелкозернистого бетона. При этом примен е- ние дисперсных наполнителей на основе побочных продуктов и о т- ходов местной промышленн ости позволяет попутно решить ряд р е- гиональных экологических проблем, связанных с утилизацией отх о- дов и использованием вторичных ресурсов.

Известна комплексная минерально -химическая добавка («КМХ»,ТУ 587000-003-98), состоящая из кремнесодержащего вещ е- ства, пластификаторов и компонентов, обеспечивающих вовлеч ение мелкодисперсных пузырьков воздуха для повышения морозостойк о- сти бетона. Основное действие добавки «КМХ» - снижение проницаемости бетона и раствора за счет уплотнения структуры, которое обеспечивается водоредуцирующим действием добавки, а также з а- полнением пор бетона и раствора. При использовании добавки ра с- ход воды снижается более чем на 20 %, прочность бетона увеличив а- ется на 10 – 40 МПа, подвижность бетонной смеси увеличивае тся с

2 – 4 см до 21 – 25 см.

Висследованиях [73] показана эффективность комплексной д о- бавки, состоящей из суперпластификатора C-3 и кремнесодержащего компонента в виде маршаллита – природного пылевидного кварца с крупностью зѐрен 10…60 мкм. Применение данной комплексной д о- бавки с 1 % С-3 + 12 % маршаллита от массы цемента позволяет п о-

лучать мелкозернистые бетоны большой подвижности и прочностью выше 70 МПа при расходе цемента 550 кг/м 3 . По-видимому, отмеченный эффект применѐнного наполнителя складывается из двух с о- ставляющих: во-первых, из эффекта «микронаполнителя», во - вторых, из эффекта значительной пуццоланистической активности маршаллита.

Вработах [80, 81] показано, что при выборе минеральных ко м- понентов комплексных ОМД необходимо руководствоваться след у- ющими критериями:

- в качестве минеральных носителей могут применяться выс о- кодисперсные порошкообразные и волокнистые материалы;

- размер частиц твердой фазы минерального носителя должен быть значительно меньше размера частиц цемента;

- минеральные носители должны обладать способностью адсор-

бировать на своей поверхности частицы химического компонента (адсорбционные свойства);

27

-минеральные носители не должны снижать химической и п о- верхностной активности химического модификатора;

-минеральные носители не должны препятствоват ь процессам твердения клинкерных минералов;

-минеральные носители должны проявлять химическую и п о- верхностную активность;

-минеральные носители должны создавать еди ное целое с химической добавкой в виде конечного продукта – комплексного модификатора.

Анализ литературных данных показал, что использование ко м- плексных ОМД, состоящих из минеральных компонентов и ПАВ, я в- ляется эффективным средством повышения физико -механических свойств бетонов и успешной реализации концепции высококач е- ственных бетонов с высок ими эксплуатационными свойствами. Можно полагать, что эффективность комплексных ОМД будет бол ь- шей при использовании в качестве ПАВ добавок гиперпластифик а- торов на поликарбоксилатной и полиакрилатной основе. Вместе с тем, требуется углубить знания о механиз ме совместного действия различных видов минеральных компонентов и ПАВ в бетонных см е- сях и бетонах, а также влияния способов приготовления ОМД на р е- зультативность их действия в цементных системах. При разработке составов комплексных ОМД необходимо учитывать :

-свойства и дозировку минерального компонента для формир о- вания плотных структур, с одной стороны, и обеспечение корроз и- онной стойкости железобетонных изделий, с другой;

-вид и количество вводимого ПАВ с учетом его отрицательн о- го действия при повышенных дозировках на прочность цементного камня и бетона;

-экономическую эффективность.

28

2. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБВОДНЕННЫХ ДИСПЕРСНО-ЗЕРНИСТЫХ СИСТЕМ: МИНЕРАЛЬНЫХ ПАСТ, ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА

И БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Повышение эффективности производства бетонных и железобетонных изделий требует создание таких технологий, которые обеспечивали бы получение бетонных смесей и бетонов с заданными свойствами. Это определяет значение реологии в технологиях перемешивания, транспортирования, подачи и формования, так как только с позиций реологии возможна оптимизация технологических характеристик бетонных смесей. От реологических свойств зависят однородность, уплотняемость, расслаиваемость, формуемость и др., что в свою очередь оказывают решающее влияние на качество готовых изделий [23, 82]. Развитие науки о реологии предопределило появление ее основных позиций, реализованных в разделах макрореологии и микрореологии.

2.1. Основные представления классической макрореологии

Реология (от греческого «ρεω» – «течение») – наука о деформации и текучести вещества, которая рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением материалов. Реологические методы получили широкое распространение при проведении физических и физикохимических исследований веществ, а также при решении разнообразных технологических задач в металлургии, производстве пластмасс и полимеров, промышленности строительных материалов, в горном деле, в медицине и других областях науки [83]. Проблемы реологии затрагивают также производство бетонных смесей, именно реологическими методами оценивается способность бетонных смесей к транспортированию, перемешиванию и формированию требуемых геометрических размеров изделий и заданной структуры бетона.

Реология как наука сформировалась в начале двадцатого века благодаря исследованиям Е. Бингама, Ф. Н. Шведова, а в последующие годы В. Оствальда, М. Рейнера, Л. Д. Ландау, А. А. Илюшина, П. А. Ребиндера и других ученых. Эта наука представлена двумя разделами – макро- и микрореологией. В макрореологии основополагающими являются модельные представления о свойствах реальных материалов, позволяющие установить определенные зависимости между напряжениями и деформациями, то есть получить реологические уравнения, устанавливающие связь между силовыми и кинематическими параметрами, характеризующими состояние изучаемых систем. Такое моделирование основано на абстрагировании, заключающемся в сознательном упрощении свойств реальных систем путем отбрасывания их второстепенных свойств и сохранения за ними лишь основных качеств. Совокупность существенных реологических свойств моделируется комбинациями уравнений, вы-

29

ражающих обобщенные законы. Из них три тела, рассматриваемые в механике сплошных сред, а именно: упругое – Гука, пластическое – Сен-Венана и ньютоновская жидкость - могут рассматриваться как идеальные (рис. 2.1). Сложные тела могут быть получены путем соответствующих комбинаций простых [83].

Рис. 2.1. Схемы моделей тел, характеризующих реологические свойства реальных систем [3]: а) модель упругого поведения – Гука; б) модель вязкого течения – Ньютона; в) модель пластичности - Сен-Венана

Преимуществом такого моделирования является относительная простота и наглядность описания поведения сложных систем, возможность использования для их решения достаточно простых и уже, как правило, известных из других разделов механики дифференциальных уравнений.

Рассмотрим подробнее значение тех терминов и понятий реологии, которые используются в данной главе. Реологические свойства относительно простых текучих тел, которыми являются газы и маловязкие жидкости, например, вода, керосин, этиловый спирт и другие, начинают течь при сколь угодно малом напряжении сдвига. Их течение описывается известным законом Ньютона [83]:

эффициент динамической вязкости, Па·с.

Из графика течения таких жидкостей (рис. 2.2, а) видно, что вязкость таких систем, характеризуемая углом наклона α, является постоянной величиной, не зависящей от значений прикладываемого напряжения (вязкость меняется только с изменением температуры и давления).

Позднее Оствальдом было установлено, что течение некоторых жидкостей не подчиняется закону Ньютона, так как их вязкость меняется с ростом градиента скорости сдвига [83]. Аномальное поведение было объяснено наличием «структуры» у жидкости и ее изменением в процессе течения, т. е. проявлением «структурной» или эффективной вязкости. Поэтому такого рода жидкости были названы «псевдопластическими» (рис. 2.2, б). Вязкое течение псевдопластических жидкостей может быть описано уравнением, предложенным Оствальдом:

консистенции. Под консистентностью понимается свойство материала, связан-

30