Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6100| Назва: | Дослідження ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель |
| Автори: | Єксарьов, Володимир Анатолійович Виртос, Вікторія В'ячеславівна |
| Ключові слова: | отримання бетону;каркаси багатоповерхівок;висока міцність;надійність;ефективність будівництва |
| Дата публікації: | гру-2024 |
| Короткий огляд (реферат): | Виртос В.В. «Дослідження ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель». - Рукопис. Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - Будівництво та цивільна інженерія. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2024. Кваліфікаційна робота присвячена дослідженню ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель. Виконано аналіз дослідження отримання бетону високої міцності з застосуванням сучасних домішок. Обґрунтовано використання високоефективних мінеральних модифікаторів з специфічним гранулометричним складом компонентів в твердому стані, що забезпечують високу ефективність на ранній стадії твердіння, а також в цілому високу щільність бетону. Обґрунтовано використання такого бетону для каркасів багатоповерхівок. Застосування бетону високої міцності надасть можливість підвищити ефективність бетонування та збільшити корисні об’єми та площі житлових приміщень багатоповерхових будівель за рахунок можливого зменшення площі поперечного перерізу несівних конструкцій каркасів зі достатньою надійністю. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6100 |
| Розташовується у зібраннях: | 192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Magisterska robota Vyrtos.pdf Restricted Access | 2.28 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
з Анотація Виртос В.В. «Дослідження ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель». - Рукопис. Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - Будівництво та цивільна інженерія. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2024. Кваліфікаційна робота присвячена дослідженню ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель. Виконано аналіз дослідження отримання бетону високої міцності з застосуванням сучасних домішок. Обґрунтовано використання високоефективних мінеральних модифікаторів з специфічним гранулометричним складом компонентів в твердому стані, що забезпечують високу ефективність на ранній стадії твердіння, а також в цілому високу щільність бетону. Обґрунтовано використання такого бетону для каркасів багатоповерхівок. Застосування бетону високої міцності надасть можливість підвищити ефективність бетонування та збільшити корисні об’єми та площі житлових приміщень багатоповерхових будівель за рахунок можливого зменшення площі поперечного перерізу несівних конструкцій каркасів зі достатньою надійністю. Ключові слова: отримання бетону, каркаси багатоповерхівок, висока міцність, надійність, ефективність, 6 ВСТУП Актуальність теми. Високоміцними називаються бетони з міцністю при стиску 50... 100 МПа і більше. Високоміцний бетон використовують при зведенні висотних будівель, складних та високонавантажених конструкцій, таких як мости, дамби, тунелі, підземні сховища, морські платформи тощо. Бетон є одним з найбільш розповсюдженим матеріалом для використання в каркасах багатоповерхових будівель і є найважливішим в технологіях будівельного виробництва та відрізняється високим рівнем будівельно- технічних властивостей, зокрема, міцністю, морозостійкістю, водонепроникністю, надійністю, довговічністю, а також простотою технології, невисоким рівнем виробничих витрат при виготовленні. Основними недоліками застосовуваних в даний час бетонів підвищеної міцності є висока абсолютна і питома на одиницю міцності витрата в'яжучої речовини. Отримання бетону спеціального призначення з високими експлуатаційними властивостями можливо шляхом застосування різних добавок органічного і мінерального походження. Однак поряд з позитивним впливом, органічні добавки мають ряд суттєвих недоліків, головним з яких є порушення початкових процесів гідратації цементної системи в бетоні. Молекули органічного пластифікатора адсорбуються на частинках в'яжучої речовини, що гідратуються, і гальмують гідратацію цементної матриці з усіма наслідками, що звідси випливають. Рішення зазначеної проблеми представляється можливим шляхом використання різнодисперсних високоефективних мінеральних і хімічних модифікаторів пролонгованої дії з синергетичним ефектом, що забезпечує багаторівневу модифікацію дисперсно-гранулометричного складу і отримання максимально щільної упаковки частинок і зерен різних розмірів з високим рівнем концентрації твердої фази в одиниці об'єму, а також високі міцність і довговічність бетону. В зазначеній системі повинно бути рівномірно забезпечено у всіх обсягах цементної матриці перебіг гідратаційного твердіння або пуцоланової реакції між мінеральними модифікаторами і лужними складовими. Тому тема є актуальною. Метою кваліфікаційної роботи магістра є дослідження та аналіз ефективності отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель. Задачі дослідження: - огляд сучасної літератури щодо отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель; 7 - аналіз методів і методик дослідження бетонів високої міцності комплексними добавками на основі раціонального співвідношення тонкодисперсних мінеральних і хімічних компонентів; - дослідження оптимальних параметрів основних складових бетону високої міцності; - теоретичне і практичне обґрунтування доцільності багаторівневої модифікації структури бетонів комплексними домішками; обґрунтування доцільності застосування різнодисперсних фракцій портландцементу для забезпечення рівномірного протікання гідратаційних процесів і пуцоланової реакції у всіх мікрооб'ємах багатокомпонентної цементної матриці на різних структурних рівнях; - дослідження раціональної рецептури комплексної хіміко-мінеральної добавки; - дослідження властивостей бетонів високої міцності раціонального складу; - аналіз математичних моделей властивостей бетону високої міцності в залежності від вмісту мінеральних модифікаторів, водоцементного співвідношення і інших чинників; - визначення техніко-економічної результативності при використанні в каркасах багатоповерхових будівель підвищеної несучої спроможності. Об'єкт дослідження - бетон високої міцності заданої структури, виготовлений на основі портландцементу, мінеральних домішок з прискорювачем твердіння і пластифікаторами. Предмет дослідження - будівельно-технічні властивості та закономірності структуроутворення бетону високої міцності, що впливають на підвищення несучої спроможності каркасів багатоповерхових будівель. Практична новизна. Виявлено оптимальні параметри основних складових бетону високої міцності застосовано для каркасів багатоповерхових будівель; Проаналізовано багатокомпонентний модифікатор для регулювання високої водопотреби модифікованого бетону, що складається з суперпластифікаторів на основі полікарбоксилатних ефірів різних типів, а також прискорювача твердіння, який забезпечує міцність в ранньому віці з розширювальними властивостями для бетону. Проаналізовані принципи синтезу рецептури бетону забезпечили зниження витрати мікрокремнезема, як високодисперсного модифікатора стабілізуючого структуру бетону і забезпечили фіксацію частинок гідратних фаз в положенні ближньої коагуляції до 2 % маси багатокомпонентного в'яжучого, при підвищеній міцності бетону до 120 МПа для каркасів багатоповерхових будівель. Практичне значення. Проаналізовані наукові положення та практичні рекомендації створення раціонального складу цементного бетону високої міцності для використання в каркасах багатоповерхових будівель шляхом багаторівневого збалансованого однорідного розподілу відповідно з електрокінетичним потенціалом і напруженим станом, пов'язаними також з геометричними розмірами і однорідним розподілом часток твердої фази на різних структурних рівнях, що дозволяє отримати максимально щільну і міцну його структуру. Редукування водовмісту синтезованої таким чином високодисперсної цементної системи забезпечується багатокомпонентним хімічним модифікатором синергетичної дії, що складається з суперпластифікаторів на основі полікарбоксилатних ефірів різних типів, а також прискорювача твердіння. Проаналізовано отримані математичні моделі властивостей, таких як міцність, морозостійкість і оптимізовано склад високоміцного бетону на основі високодисперсного цементу в залежності від вмісту трьох видів мінеральних модифікаторів: тонко дисперсного шлаку, мікрокремнезему, метакаоліну. Проаналізовано технічні умови отримання бетонів з оптимізованим дисперсно-гранулометричним складом на різних структурних рівнях і комплексним хімічним модифікатором, що складається з суперпластифікаторів на основі полікарбоксилатних ефірів різних типів, а також прискорювача твердіння. Методи дослідження. Методологічною основою дослідження були праці вітчизняних та зарубіжних науковців, технологів, проектувальників та будівельників. Застосовано порівняльний аналіз дослідження бетону високої міцності з взаємозалежністю складу, технології, структури та властивостей; узагальнення та перевірка отриманих результатів. Структура і обсяг роботи. Складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. 9 РОЗДІЛ 1о ОГЛЯД СУЧАСНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ЩОДО ОТРИМАННЯ БЕТОНУ ВИСОКОЇ МІЦНОСТІ ДЛЯ КАРКАСІВ БАГАТОПОВЕРХОВИХ БУДІВЕЛЬ 1.1 Обґрунтування актуальності використання сучасних високоміцних бетонів. Високоміцними називаються бетони з міцністю при стиску 50...100 МПа і більше. Найбільш розповсюдженими в будівництві є високоміцні бетони класів В40...В60. Для виготовлення високоміцних бетонів необхідно забезпечити створення максимально щільної і міцної структури бетону. Забезпечення високих показників міцності здійснюється шляхом застосування: цементів високих марок; заповнювачів підвищеної міцності і чистоти, максимально щільного гранулометричного складу; низького водоцементного відношення (В/Ц=0,25...0,4); суперпластифікаторів і комплексних добавок, що забезпечують щільну структуру бетону і високоактивних компонентів; ретельного і інтенсивного перемішування і ущільнення бетонної суміші; створенням сприятливих умов твердіння. Ефективним способом одержання бетонів високої міцності є введення суперпластифікаторів, що дозволяє при незмінній рухливості бетонної суміші збільшити міцність на 50...60%. Величина приросту міцності залежить від вихідного водоцементного відношення і рухливості суміші. Можливе зниження витрати цементу при підвищенні вмісту суперпластифікаторів складає 15...25 %. Одержання високої міцності вимагає підвищених витрат цементу, однак збільшення його кількості більше 550...600 кг/м3 економічно недоцільно, так як внаслідок значного підвищення водопотреби мало відображається на міцності. Для одержання підвищеної густини і міцності витрати цементу у високоміцних бетонах обмежують: для виробів малих і середніх розмірів - не більше 550 кг/м з ; для масивних і монолітних конструкці• й - не бі* льше 450 кг/м з . В усі•х випадках зниження витрати цементу у високоміцних бетонах сприяє одержанню більш щільної, довговічної і менш дефектної структури. До ефективних сучасних напрямків отримання високоміцних бетонів поряд з використанням суперпластифікаторів відносяться застосування в'яжучого низької водопотреби (ВИВ), високодисперсних кремнеземистих наповнювачів (мікрокремнезем, метакаолін і ін.). Сприяє підвищенню міцності бетону насичення його крупним заповнювачем шляхом підбору оптимального зернового складу і зменшення кількості піску. Для забезпечення адгезії цементного тіста до заповнювачів важливо не допускати в них пилоподібних і інших шкідливих включень. 10 Використання високоміцних бетонів дозволяє істотно зменшити об'єм бетону і скоротити витрату арматурної сталі в залізобетонних конструкціях. З підвищенням класу бетону за міцністю на стиск від С25 до С45 у стиснутих елементах маса конструкції знижується на 2 0 ...ЗО % і відповідно знижується їх вартість. При виготовленні несучих конструкцій з бетону класу С60 замість бетону С30 витрату його зменшується на 26...29 %. При цьому зростає несуча здатність конструкцій. У багатоповерхових будівлях за рахунок використання високоміцних бетонів стає можливим зменшення перерізу колон без зміни перерізу арматури. При підвищенні класу бетону від С25 до С45 витрата сталі зменшується в середньому на 240 кг на 1 м . Пошук альтернативи пропарюванню є актуальною вимогою часу і може стати істотним чинником виконання рекомендацій міжнародних організацій щодо обмеження викидів екологічно шкідливих газів, зокрема щодо поступового з роками скорочення викидів вуглекислого газу в атмосферу. Іновацїї в технологіях важких цементних бетонів спрямовані на ресурсозбереження, з метою зниження собівартості готової продукції, в нашому випадку - собівартості виробів і конструкцій заводського виготовлення. Головними ресурсами їх виробництва є: • сировинні компоненти бетону, в першу чергу, портландцемент; • енергія (електрична - на виготовлення бетонної суміші, її транспортування і формування з неї виробів і конструкцій; теплова - на їх термообробку для прискорення твердіння бетону, збільшення оборотності форм оснащення); е трудовитрати; • час технологічного циклу. Найбільш ефективним способом, практично універсальним для досягнення мети ресурсозбереження, є фізико-хімічна модифікація шляхом введення на етапі приготування бетонної суміші різних видів добавок, що їх називають «хімічними» в малих дозах (від часток відсотка до 3 - 4%). Наприклад, пластифікатори є поверхневоактивними речовинами, збільшують легкоукладальність бетонної суміші (зниження електроенергії на приготування, транспортування і укладання її в форми) або зниження водоспоживання (водоредукувальний ефект), що призводить до зниження В/Ц і, як наслідок, до зростання міцності і довговічності бетону заданого складу або збереження його проектних показників при меншій витраті портландцементу - найбільш дорогого компонента бетону. Розподіл добавок з вигляду і функціональності регламентується ДСТУ «Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Загальні технічні умови» і головними з них явлюються прискорювальні і пластифікувальні. Однак, технічно доцільно застосовувати комплексні 11 (багатокомпонентні) добавки поліфункціональної дії, створення яких безумовно дозволить отримати декілька ресурсозберігаючих ефектів при одноразовому дозуванні в бетонну суміш. При цьому найбільш важливим завданням в економічному та екологічному плані є енергозбереження на етапі твердіння бетону після формування виробів. Його пріоритетність обґрунтована тим, що практично на всіх підприємствах будіндустрії для прискорення твердіння бетону застосовується термообробка в різних конструктивних варіантах. 1.1.1 Організація та основні способи теплової обробки важких цементних бетонів в заводських умовах. В індустріальному будівництві найбільш поширений спосіб прискорення твердіння бетону - це теплова обробка бетону, здійснювана паром, продуктами згоряння газів, електрикою, висококиплячими рідинами або комбінованими способами. Але теплова обробка проводиться в основному паром, переважаючим над електрообігрівом. У районах, багатих природним газом, ефективний обігрів димовими газами, що дозволяє отримати при атмосферному тиску температуру від 100 до 150°С. Вибір способу і установок для теплової обробки визначається наступними факторами: а) способом виробництва збірного залізобетону; б) характеристикою виробів, що виготовляються; в) видом і структурою бетону; г) видом в'яжучого і т.п. Паропрогрів, застосовуваний на заводах збірних залізобетонних виробів, далекий від досконалості, енергомісткий, погано піддається регулюванню. Прогресивніші в цьому відношенні методи електротермообробки, які з меншими витратами енергії дозволяють інтенсифікувати твердіння бетону при виробництві збірних і зведенні монолітних конструкцій [1 ]. На сьогоднішній день найбільш поширеним методом прискорення твердіння бетону є різні види теплової обробки. До них відноситься тепловологісна обробка в Камерах різного типу (ямних, щілинних, тунельних, вертикальних), автоклавна обробка при підвищених температурі і тиску, паропрогрів, електропрогрів, термообробка в термоформах, термопіддонах. Також застосовують такі методи прискорення твердіння бетону як попередній паро - і електророзігрів бетонної суміші і її компонентів, особливо в зимовий період, застосування жорстких і наджорстких бетонних сумішей з низьким В/Ц і ефективне їх ущільнення, використання ультразвуку, електричних і магнітних полів, ультрафіолетового опромінення або дії пучком прискорених електронів [34]. 1.1.2 Способи термообробки монолітного бетону. 12 Трохи меншою витратою паливно-енергетичних ресурсів на термообробку характеризується монолітний бетон і залізобетон в порівнянні з заводським виробництвом, але значним подовженням процесу, особливо в зимовий час. Приблизно 30-40% обсягу робіт з укладання монолітного бетону проводиться в зимових умовах. Для запобігання замерзання бетону і створення, до придбання ним критичної міцності, необхідних умов тверднення застосовують спеціальні способи обігріву бетону в конструкціях: електропрогрів, - електрообігрів, - індукційний прогрів, - паропрогрів, - витримування в тепляках, або попередній електропрогрів бетонної суміші, метод «термоса» [2 ]. Метод електропрогріву базується на використанні тепла, що виділяється в свіжоукладеному бетоні при проходженні по ньому змінного електричного струму. Область застосування електродного прогрівання обмежена труднощами забезпечення рівномірного температурного поля в густоармованих конструкціях. Електрообігрів здійснюється за допомогою електричних відбивних печей електронагрівачів різних типів, інфрачервоних випромінювачів і термоактивної опалубки. Спосіб інфрачервоного обігріву застосовують для термообробки бетону в тонкостінних конструкціях з великим модулем поверхні. Спосіб не вимагає додаткової витрати на електроди, але значна витрата (до 2 0 0 кВттод/м3) енергії обмежує його використання. Індукційний прогрів - це метод термообробки бетону в електромагнітному полі. При цьому енергія магнітного поля перетворюється в теплову в арматурі або сталевий опалубці і передається бетону. Зразкова витрата електроенергії при цьому способі 120-150 кВттод/м бетону [3]. Значна трудомісткість і застосування тільки для густоармованих конструкцій обмежує широке використання даного способу. Паропрогрів забезпечує сприятливі умови для тверднення бетону, але на увазі складності мереж і пристроїв, високої вартості, великих тепловтрат, нерівномірності прогріву, і ін. цей спосіб в монолітному будівництві застосовується дуже рідко [4]. Паропрогрів бетону ведуть шляхом пуску пари в тепляки і парові сорочки, а також за допомогою спеціальної капілярної опалубки. Витримування під інвентарними тепляками застосовують для конструкцій зі значними розмірами. Для підтримки необхідної температури повітря в тепляку використовують різні нагрівані. 13 Метод «термоса» заснований на укладанні бетонної суміші з температурою +25°С і більше в утеплену опалубку. Метод ефективний при бетонуванні масивних і середньої масивності конструкцій. Сутність попереднього електропрогріву бетонної суміші полягає у форсованому її електророзігріванні безпосередньо перед укладанням в опалубку, ущільненні в гарячому стані і витримці за методом «термоса» або з додатковим обігрівом. При такому способі прогріву бетонна суміш швидко втрачає рухливість. Для усунення цього вводять пластифікатори. Крім цього даний спосіб вимагає відповідного обладнання з напругою 380 В., високої організації поста електропрогріву, підведення до нього струму промислової частоти. 1.1.3. Вартісна оцінка теплової обробки цементних бетонів. Перевищення фактичної витрати теплової енергії на виробництво збірних залізобетонних конструкцій значне (в 5-8 разів) над технічно обґрунтованою і теоретично необхідною потребою тепла свідчить про невиправданих витратах технологічного процесу виробництва на даний етап [64]. Якщо прямі витрати на виробництво бетону та залізобетону складають 6 - 40%, то непрямі - до 40-94% в залежності від виду матеріалу. При виготовленні виробів з бетону та залізобетону на полігонах або в будівельних умовах при низьких негативних температурах частка прямих витрат може зрости в 2-3 рази з відповідним зменшенням частки непрямих [64]. о • • Особливо значні витрати пара (до 600-800 кг/м ) при тепловій обробці виробів в термоформах з одностороннім прогрівом. При цьому безпосередньо на нагрівання бетону використовується тільки 2 - 1 1 % теплової енергії, втрати в навколишнє середовище складають 65-80% енергобалансу [64]. Узагальнивши дані по витраті пара на підприємствах з виробництва бетону та залізобетону, можна вивести середній показник по питомій витраті пари на тепловологісній обробці. Витрата пари залежить від рівня механізації і автоматизації процесу, виду обробки їх і ін. чинників. За літературними даними ' о [64] витрати на обробку бетону надзвичайно високі - до 2,86 ГДж/м (близько 0,7 Гкал). В середньому витрата пара на заводах будіндустрії становить від 0,35 Гкал до 1,0 Гкал на 1 м залізобетонних виробів. Середньогалузева витрата за даними міністерств і норм витрати становить 0,46 Гкал, але фактичні витрати в 1 , 5 - 2 рази вище. Такий розкид тягне за собою і розкид за цінами на бетонну і залізобетонну продукцію, значна перевитрата паливно-енергетичних ресурсів. Провівши економічну оцінку, було обчислено, що частка пари в собівартості 14 становить 10-15%. Паропрогрів на заводах проводиться в камерах різного типу, значення витрати пари в яких наведені в табл. 1 . 1 ; Таблиця 1.1 - Укрупнені показники витрати пари Види теплової установки Витрата пари, кг/м бетону Ямні камери 170,0 Щілинні камери безперервної дії 2 2 0 , 0 Термоформи 135,0 Вертикальні камери 1 2 0 , 0 Касетні установки 2 0 0 , 0 Аналіз результатів витрат підприємств будіндустрії свідчить про широкий розкид на теплову обробку, який пояснюється особливістю технології виробництва виробів, способами отримання теплової енергії (закупівельне або вироблене на підприємствах тепло) і рівнем механізації і автоматизації процесів. Застосування пропарювальної технології виробництва бетону призводить не тільки до подорожчання продукції і зниженню якості, а й до погіршення екології і санітарно-гігієнічних умов праці. При використанні тепловологістної обробки необхідно враховувати, що близько 30% із загальної суми цієї частки становлять додаткові витрати на обслуговування паропроводів, камер. З огляду на існуючий в даний час стан промисловості збірного залізобетону, високу вартість теплоносія (пара) актуальним завданням залишається розробка ефективних прискорювачів твердіння бетону, а також нових нетеплових методів активації цементів [6 ]. При виробництві залізобетонних виробів необхідно враховувати і енергоємність нових розроблюваних в'яжучих, ціна яких складається в основному з енерговитрат на їх виробництво. При отриманні змішаного в'яжучого для високоміцних бетонів на основі дисперсних носіїв рівень наповнення не повинен перевищувати 1 0 - 2 0 %, щоб витрата електроенергії на одну тонну змішаного в'яжучого була знижена в 5-10 разів у порівнянні з ВНВ, і в порівнянні з змішаним цементно- шлаковим в’яжучим при ступені його наповнення 40-50% в 2-4 рази [64]. Як показує практика, модифіковані цементи (далі - МЦ) по ряду СТС перевершують бездобавочні портландцементи. До переваг таких цементів відноситься підвищена сульфатостійкість, знижене тепловиділення, запобігання лужної корозії реакційно здатних наповнювачів, знижена проникність для хлоридів, менше висолоутворень [8 , 9, 10]. Однак МЦ мають ряд недоліків, до яких можна віднести більш низьку міцність (на 1-1,5 марки), уповільнений темп твердіння на ранній стадії, менші 15 морозостійкість і атмосферостійкість, а для пуцоланових цементів - низьку ефективність при пропарюванні. В окремих випадках знижуються захисні властивості по відношенню до арматури [26, 27, 28, 29]. В кінці 80-х років XX століття запропонований варіант класифікації мінеральних добавок техногенного походження, який складається за такими критеріями, як пуцоланова активність і в'яжучі властивості. Дана класифікація дозволяє класифікувати матеріали за ступенем їх впливу на цементні системи, завдяки чому видається більш об'єктивною, ніж прийнята класифікація мінеральних добавок за їх походженням. Особливе місце в даній класифікації займає мікрокремнезем (далі МК) через переважання в його складі діоксиду кремнію аморфної модифікації, а його висока дисперсність зумовлює підвищену пуцоланову активність [30, 36]. Однією з особливостей двадцятого століття в області бетоноведення і, особливо, технології бетону є дослідження, що змінили початкові уявлення про матеріал, який був і залишається найбільш масовим і важливим в будівництві. Найбільш важливими досягненнями в області бетоноведення є ті, які розширили поняття про мікрорівні процесів, що дозволяють поліпшити основні фізико-механічні властивості матеріалу, такі як міцність, деформативність, довговічність. Сформульовано наукове обґрунтування процесів гідратації мінералів цементного клінкеру і формування структури цементного каменю [З, 4]. Виходячи з цих положень розроблена наукова методологія захисту бетону та залізобетону від корозії і підвищення його довговічності. Основний внесок в розвиток технології бетону внесли отримані в результаті численних досліджень і підтверджені практикою наукові і практичні основи модифікації бетонів хімічними добавками. Розроблено і впроваджено значну кількість хімічних і комплексних модифікаторів різного функціонального застосування, в тому числі: суперпластифікатори (С-3, Дофен, МФ-АР); сповільнювач схоплювання (НТФ); пластифікувально- повітровтягувальні (ГКЖ-10, ГКЖ-11, НЧК, КЧНР); мікрогазоутворюючі (раніше ГКЖ-94) або КЕ30-04, ПГЕН, ЕІЕН); гідрофобізуючі (ФЕС-50, ФЕС- 6 6 ). Найбільш значущим результатом їх застосування представляється взаємозв'язок молекулярної будови органічних сполук і властивостей адсорбційних шарів, а також їх вплив на реотехнологічні властивості цементних систем. Завдяки застосуванню вищезазначених положень, а також принципів дисперсно-гранулометричного модифікування були синтезовані органомінеральні модифікатори серій МБ-01 і МБ-С [63]. З моменту винаходу суперпластифікаторів (СП) і високодисперсних кремнеземоутримувальних матеріалів техногенного походження, до яких 16 можна віднести мікрокремнезем (МК) розвиток технології бетону зазнав якісний технологічний стрибок. Оптимальний комплекс зазначених добавок - модифікаторів, а, при необхідності, в поєднанні з невеликими кількостями інших органічних і мінеральних матеріалів дозволяє регулювати реологічні властивості бетонних сумішей та оптимізувати структуру цементного каменю на мікрорівні так, щоб надати бетону високі будівельно-технічні властивості. Все вищевказане зумовило появу терміну: High Performance Concrete, під яким маються на увазі бетони високої (60-80 МПа) і надвисокої (вище 80 МПа) міцності, низької проникності, підвищеної корозійної стійкості та довговічності. Одним з перших сформулював це поняття канадський вчений П.К. Айчин в 1986р. (High Performance Concrete - НРС). Айчин П.К. і його послідовники бачили розвиток функціональних багатокомпонентних бетонів в досягненні максимальних показників технологічності, щільності, міцності і довговічності, що визначають підвищені експлуатаційні характеристики [25, 26]. Важливо відзначити, що високоміцний бетон складний штучний композиційний матеріал з високими технологічними властивостями. Крім того, він нешкідливий для навколишнього середовища, має високі економічні показники через практично необмеженої сировинної бази, а також дозволяє використати техногенні відходи. Виробництво таких бетонів має порівняно малу енергоємність і екологічну безпеку [43, 46]. В даний час сучасні високоміцні бетони прийнято умовно класифікувати за призначенням: високоміцні (High Performance Concrete) і ультрависокоміцні бетони (Ultra High Performance Concrete) [56, 57]; самоущільнювальні бетони (Self-Compacting Concrete - SCC); висококорозійностійкі бетони. В особливу групу можна віднести порошково-активовані бетони, в яких забезпечується оптимізація дисперсно-гранулометричного складу на різних структурних рівнях. (Reactive Powder Concrete - RPC). Величезну роль в переході на високоміцні бетони зіграло створення спеціальних цементів. Зміни стосувались, в першу чергу, активності цементу, яка повинна була бути не нижче 50 МПа. Цей факт, без сумнівів, дав можливість отримання бетонів високої міцності, в той же самий час, мають інші принципово нові якісні експлуатаційні характеристики. У вітчизняній практиці основоположниками створення високоміцних бетонів з'явилися М.Н. Ахвердов [20], Михайлов В.В., Михайлов К.Б. [49], Баженов Ю.М. Однак склади бетонів того періоду містили, як правило, чотири компонента. Такі бетони мали ряд макродефектів структури, пов'язаних з недоущільненням. Основоположним принципом, що дозволяє досягти високої 17 міцності, служило інтенсивне віброущільнення (частіше з вантажем) жорстких сумішей з низьким водоцементним відношенням. Встановлено, що на початку 70-х років XX століття високоміцні важкі бетони марок М 600-700 отримували за рахунок використання високоактивних цементів в бетонних сумішах з низькими В / Ц, інтенсивного ущільнення з вантажем, повторного вібрування, вибропресування і центрифугування. Високоміцні бетони з міцністю, яка дорівнює 100 МПа в промисловому масштабі були синтезовані вже в 1982-1984 рр. Це сталося завдяки активному застосуванню суперпластифікаторів (СП) на нафталінсульфонатній і меламінсульфонатній основі. Поява гіперпластіфікторов (ДП) на полігліколієвій, полікарбоксилатній і поліакрілатній основі [12,18] дозволили збільшити показники міцності до 150 - 200 МПа і більше, починаючи з 1995- 2 0 0 0 рр. На даний момент механізм дії СП і ДП, більшою мірою вивчений. Цей механізм характеризується адсорбцією молекул СП і ДП на гідратних новоутвореннях цементних частинок зі зміною іонно-електростатичного потенціалу (для СП), а також сферичним ефектом (для ДП). Однак в бетонах водоредукуюча дія СП і ДП поширюється тільки на дисперсну фазу. Такою дисперсною фазою є тільки цементно-водна дисперсія. При низькій витраті цементу в бетонній суміші знижується вміст водно-дисперсної фази, що забезпечує водоредукувальну дію СП і ДП. Отож, високого водоредукувального ефекту в бетонної суміші можна досягти тільки в бетонах з високою витратою цементу. Бетонні суміші з різними витратами цементу сьогодні можна умовно розділити за рівнем водоредукування наступним чином [52]: витрата цементу о 400-600 кг/м - водоредукувальний ефект 20-35%; витрата цементу 250-300 кг/м3 - 10-15%; витрата цементу 150-200 кг/м3 - 5-7%. Для підвищення ефективності дії СП і ДП необхідно ввести в бетонні суміші певну кількість дисперсної фази, у вигляді мінеральних модифікаторів з питомою поверхнею 8 ПИТ= 4500 см /г [5, 8 , 20, 25]. Реалізація будівельно-технологічних властивостей високоміцних бетонів нового покоління значно розширила можливості для зведення унікальних будівель і споруд по всьому світу [9, 10]. На цьому фоні значно виділяються споруди сучасності «Бурдж-Халіфа» в Дубаї. Висота хмарочосу досягає 828 метрів, а сам хмарочос щонедавно був найвищим з споруд в світі. В Україні застосування високоміцних і сверхвисокоміцних бетонів прийняло широкий масштаб значно пізніше, ніж в Західноєвропейських країнах, США, Канаді та Японії. Одним з найбільш помітних об'єктів, зведених із застосуванням бетонів класів В 80-90, модифікованих МК досі є будови 18 комплексу «Федерація» ММДЦ «Сіті». На будівельних ділянках комплексу використовувався бетон з міцністю 87-106 МПа з витратою цементу 460-550 о кг/м бетону [56,57]. Цілком очевидно, що перехід на будівництво з бетону нового покоління - найактуальніше народногосподарське завдання, яке значно підвищить економіку будівництва, а також прикрасить архітектуру будівель і споруд. На жаль, на сьогоднішній день проблема широкого застосування високоміцних і особливовисокоміцних бетонів нового покоління полягає в недостатньо швидкому освоєнні методів розрахунку несучих конструкцій з особливовисокоміцного бетону. У зв'язку з цим, вкрай актуальним бачиться широке застосування таких бетонів при виготовленні всіляких декоративних архітектурно-оздоблювальних виробів, на прикладі яких можна показати їх унікальні можливості. 1.2. Заходи для отримання бетонів з найкращими показниками фізико- технічних характеристик Основними методами оптимізації цементних бетонів є введення тонкомолотих мінеральних модифікаторів, ультрадисперсних мінеральних модифікаторів, а також хімічних добавок. Поруч вітчизняних і зарубіжних дослідників встановлено, що активний кремнезем дрібних фракцій легких наповнювачів також має здатність до зв'язування гідроксиду кальцію, дозволяючи економити частину цементу поза. При цьому тонкодисперсні кремнеземомістячі частки спільно з ефектом самовакуумування крупного заповнювача забезпечують ідеальне зволоження цементного каменю, сприятливі умови тверднення і високий темп зростання міцності цементного каменю, а також його міцне зчеплення заповнювачем. Очевидно, що збільшення дисперсності дрібних фракцій заповнювачів, що мають пуцоланічну активність, відповідно до принципу Ле-Шательє сприятиме більшому ступені гідратації мінералів клінкеру і відповідно більш інтенсивному росту міцності бетону в часі, що є резервом економії цементу, а максимальний технічний ефект буде забезпечений при оптимальному змісті гіпсу [6 , 1 2 ]. Дослідження П.П.Буднікова і ін. по використанню тонкодисперсного (перліту Мухор-Талінського і Закультинського родовищ також свідчать про можливість скорочення витрати цементу від ЗО до 50% в бетонах, схильних до теплової обробки і автоклавній обробці, а в бетонах, які тверднуть в НУ до 15% без зниження міцності. При цьому наголошується можливість скорочення тривалості теплової обробки бетону з тонкодисперсним перлитом на 2 години за рахунок більш високої кінетики зростання його міцності. 19 Проводилися дослідження з вивчення можливості використання шунгітових порід в якості активного ММ в умовах автоклавної обробки з шлакосилікатного бетону. Встановлено можливість заміни до 15% в'язкої речовини за рахунок використання тонкодисперсного шунгита. Ще одним аспектом розширення областей і збільшення обсягів застосування активних ММ є те, що деякі властивості бетону (підвищення сульфатостійкості, попередження лужної корозії реакційноздатних наповнювачів і т.інш.) досягаються за рахунок їх використання з найменшими витратами. Розширенню виробництва МІ ТС сприяє також той факт, що будівельна індустрія вимагає величезних витрат сировини при максимальній економії трудових, паливно-енергетичних і матеріальних ресурсів [ 1 ], а цим вимогам в значній мірі відповідають ММ, так як в більшості випадків виробляються з побічних продуктів або відходів промисловості, що зменшує земельні угіддя, зайняті під відвал і покращує екологію навколишнього середовища [4, 12]. Наприклад, загальна площа золовідвалів великих ТЕС перевищує ЗО тис. Та, а у ТЕС з річним виходом золошлаків 4-5 млн. т, золовідвали займають площі в сотні гектарів [45]. Таким чином, аналіз стану проблеми з використанням ММ показав, що їх введення в цемент або в бетон замість частини цементу або дрібного заповнювача в ряді випадків дозволяє отримувати певні техніко-економічні ефекти [54-58], але, як правило, їх застосування призводить до значної втрати міцності МЦС в ранньому віці [14, 31, 33, 44]. Тому питання оптимальних параметрів і технології застосування ММ у виробництві МЦС є проблемними і вимагають свого розвитку. Основними проблемами МЦС, як показують дослідження є підвищення їх ранньої міцності і довговічності, які вправлені трьома основними факторами - енергією руйнування, модулем пружності і розмірами тріщин. Вплив МК, як ультрадисперсного мінерального модифікатора, на синтез структури цементної системи можна оцінити, як вплив на індукційний період процесу гідратації можна розділити на «фізичний» і «хімічний». Перший фактор, пов'язаний, в основному, з ультрадисперсним розміром МК і, в меншій мірі, з хіміко-мінералогічним складом, надає істотний вплив на поведінку цементної системи на стадії коагуляційного структуроутворення, тобто коли система знаходиться в пластичному стані. Особливості системи з МК пов'язані із заповненням ультрадисперсними частинками простору між грубодисперсними частинками цементу і утворенням коагуляційних контактів між частинками твердої фази. 20 Межчасткові взаємодії різнодисперсних частинок (МК і ПЦ) так само, як і зменшення обсягу вільної води в системі (за рахунок збільшення обсягу адсорбційно-пов'язаної) значимо змінюють реотехнологічні властивості: підвищують в'язкість, пластичну міцність, а також зв'язність (нерозшаровуваність) і тиксотропність сумішей. Крім того, «фізичний фактор» може сприятливо впливати на формування структури на пізній стадії твердіння, з огляду на те, що ультрадисперсний матеріал, заповнивши пори в структурі каменю, що твердіє, сприяє підвищенню його стабілізації, однорідності і щільності. Роль «хімічного фактора» пов'язана, перш за все з хімікомінералогічним складом МК і виражається в зміні балансу між гідратними фазами в складі цементного каменю в бік збільшення обсягу міцніших і стійких низькоосновних ГСК з співвідношенням С/8<1,5 замість первинних кристалогідратів типу портландіта і високоосновних ГСК [4]. Присутність в цементній системі СП, зокрема, типу НФ має суттєвий вплив на процеси формування структури. Воно пов'язане як з відомими особливостями «адсорбційного механізму» дії ПАР на цементні системи, так і зі специфічними, які притаманні системам з МК. Комплексний вплив МК і СП на цементну систему виражається в тому, що на ранній стадії структуроутворення, в пластичному стані, система знаходить підвищену в'язкість і зв'язність і характеризується яскраво вираженою тиксотропністю, а на пізній стадії цементний камінь характеризується особливим якісним складом і особливою геометрією структури. Перше проявляється в підвищеному вмісті дрібнозернистих кристалогідратів типу СБН (1), міцність яких в ідеалі може досягати 1000 МПа [9], а реакційна здатність значно нижче, ніж у первинних гідратів. Друге - в підвищеному вмісті гелевих пір і, відповідно, в скороченому обсязі капілярних [4]. Розробка СП на початку 70-х років призвела до логічного завершення багаторічну тенденцію щодо впровадження в технологію бетону хімічних модифікаторів, які покращують ті або інші властивості бетонних сумішей та бетонів. Впливаючи на процеси формування структури, особливо на початковій, коагуляційній стадії, СП змінюють реологічні властивості цементної системи, сприяють скороченню її водопотреби, що в подальшому позначається на параметрах кристалізаційної структури. Зменшити вміст надлишкової, або псевдошкідливої, води, званої об'ємної (вільної), можна за рахунок водоредукуючогоо ефекту при введенні водоредукувально-пластифікуючих добавок. Добавки такого типу підвищують 21 плинність системи, а при зниженні витрати води, і зберігаючи при цьому легкоукладуваність цементної системи (цементного тіста, розчину, бетонної суміші) постійною, використовуються в якості водоредукуючих (сильноводоредукувальних, во дореду кувальних). Це сприяє підвищенню міцності і поліпшенню інших експлуатаційних властивостей цементного каменю, розчину, бетону. Пластифікатори бетонних і розчинних сумішей на основі цементу почали широко застосовувати. П. А. Ребіндер запропонував класифікувати всі ПАР, які адсорбуються з водного середовища поверхнями частинок мінералів клінкеру і продуктами їх гідратації, на дві групи: Органічні ПАР гідрофільного типу, що підвищують або що не зменшують ступінь змочування цементних частинок водою. До гідрофілізуючих відносяться всі ПАР, які не утворюють водонерозчинних продуктів: технічні лігносульфонати (ЛСТ), пластифікатор адипіновий лужний (ПАІЦ-1), упарена післядріжджова барда (УПБ) і ін. Органічні ПАР гідрофобного типу, що знижують змочування цементів водою. Молекули поверхнево-активних гідрофобних добавок, адсорбуючись на поверхні розділу рідина - повітря, знижують поверхневий натяг води і стабілізують дрібні бульбашки повітря в цементному тісті. До добавок цієї групи відносяться: смола нейтралізована повітровтягуюча (СНВ); натрієва сіль абиетинової кислоти; омилений деревний пек (препарат ЦНІІПС-1); смола деревна омилена (СДО); синтетична поверхнево-активна добавка (СПД) та ін. гідрофобно-пластифікувальні добавки є також кремнійорганічні рідини: метил силіконат натрію (ГКЖ-11), етилсиліконат натрію (ГКЖ-10), етілгідросилоксанова рідина 136-41 (колиш. ГКЖ-94) і ін. Більш прийнятною, особливо для практичного використання, є класифікація пластифікувально-водоредукувальних добавок за основним ефектом дії - збільшення рухливості (осадки конуса) бетонної або розчинової суміші, а також редукування вмісту води (у %) в її складі, тобто за технологічними властивостями сумішей [63]. На відміну від звичайних поверхнево-активних речовин, які адсорбуються на межі вода-повітря і значно знижують поверхневий натяг води, суперпластифікатори типу НСФ (продукти конденсації нафталінсульфокислот з формальдегідом) і МСФ (сульфоновані меламіноформальдегідні смоли) адсорбуються на кордоні вода-тверда фаза, тому практично не впливають на поверхневий натяг рідкої фази. Дія суперпластифікаторів обумовлюється дезагрегувальним ефектом, тобто збільшенням числа незв'язних між собою частинок в системі. В результаті такого механізму дії в присутності СП не 22 відбувається повтровтягування при приготуванні розчинів і бетонних сумішей, що характерно для звичайних, раніше застосовуваних ПАР. Розглядаючи застосування високоефективних полікарбоксилатних суперпластифікаторів (IV група) в цементних системах (пасти, розчини, бетонні суміші), необхідно відзначити наступне. Будова молекул водорозчинних карбоцепних суперпластифікаторів передбачає таку хімічну модифікацію, наприклад карбоксилмістячих полімерів, яка дозволяє ввести в ці макромолекули довгі бічні олігоалкіленоксидні ланцюги через утворення відповідних складноефірних або амідних груп. Така будова забезпечує практично необмежені можливості управління колоїдною хімічною поведінкою суперпластифікувальних полікарбоксилатних добавок і їх впливом на процеси гідратації мінералів клінкеру і структуроутворення в цементних пастах (розчинах, бетонах) шляхом змінення довжини основних і бічних ланцюгів, електричних зарядів, щільності бічних ланцюгів, вільних функціональних груп, молекулярної маси. Відповідно до форми макромолекул подібні карбоцепні полімери отримали назву «гребнеподібних». Основою карбоцепних полімерів є в основному акрилати і метилметакрилати. Таким чином, модифіковані за допомогою МК і СП цементні системи відповідають теоретичним уявленням про бетони високої і надвисокої міцності, низької проникності, підвищеної корозійної стійкості та довговічності [63]. 1.3. Аналіз дослідження оптимізації складу бетону на основі портландцементу та використання сучасних домішок. 1. Безперервне збільшення кількості суперпластифікаторів (СП) призвело до необхідності класифікації їх за хімічним складом, відповідно до якої вони розділені на чотири групи: Сульфоновані меламіноформальдегідні смоли (МСФ) і комплексні добавки на їх основі, наприклад Мелмент ЛЮ, Мелмент Б - ФРН, Конпласт М І, Силопласт Супер - Великобританія, Фріодур - Швеція, 10-03, НІЛ-10, МФ-АР, Перамін Ф, Перамін ФП, Перамін ФС, КМ-30 -інші. 2. Продукти конденсації нафталінсульфокислоти з формальдегідом (НСФ) і комплексні добавки на їх основі, наприклад Майті - Японія, ЇШ ЕОВВШ Ш 2000 - Німеччина, Ломар Д - США, Кормікс - Великобританія, Флюімакс - Італія, С-3, Дофен ДФ -інші. 3. Очищені або модифіковані лігносульфонати (ЛСТМ) і комплексні добавки на їх основі, наприклад ФН Ліквідат ВС, Р02ХОІЛТН 90 - Німеччина, Хрис флюїд - Франція, Позоліш ЗООН - Японія, ХДСК-1, ХДСК-3, ЛСТМ-2, НІЛ-20, НІЛ- 21, ЛСТ, Лігнопан Б-3, Лігнопан Б-1 - ін. 23 4 . Інші суперпластифікатори, наприклад полігідроксильні вищі карбонові кислоти Пластімент БВ-40 - Англія, Зика-Віскоріт-20ШЕ - Швейцарія, Зика- Віскор-3 - Швейцарія, Зика-Віскоріт-5 - Швейцарія, Зика-Віскоріт-5 600 1 - 5- 800 - Швейцарія, Аддімент ФМ 32 - Німеччина, Оіепіит® 51, Оіепіит ® 115 - Німеччина, а також водорозчинні олігомери акрилатного ряду, алкілауріл- сульфонати, сульфовані поліоксікетони, олігомери ефірів сульфонової кислоти і ін. Ефективність застосування суперпластифікаторів у бетонних сумішах залежить від структури, наявності та виду функціонально активних груп, їх розташування в молекулах, довжини і форми ланцюгів, молекулярної маси. ПАР, які надають пластифікувально-розріджувальну дію на цементні системи, по довжині ланцюга підрозділяють на довго- і коротколанцюгові, а за способом отримання - на природні і синтетичні. Істотним при цьому виявляється не тільки довжина ланцюгів, але і наявність розташованих в певній послідовності гідрофільних і гідрофобних груп. Особливо сильний розріджуючий ефект мають органічні ПАР з великою молекулярною масою і довгими розгалуженими ланцюгами, що містять велику кількість гідрофільних груп, розподілених по всій молекулі. Таблиця 1.2 - Характеристика пластифікуючих добавок Редукування Рік Група Тип водовмісту,% Найменування відкриття Сульфомеламінформальдегід НІЛ-10, 10-03, 1960 І 15-30 Мелмент, MSF Конпласт, Зікамент-ФФ С-3, 40-03, До- 1932 II Сульфонафталінформальдегід 15-25 фен, Майті, NSF Кормікс, Хрисфлюід ЛСТМ, 1939 III 5-15 ХДСК-1, Модифіковані лігносульфонати Пластімент LS БВ40 і 1990 Поліакрилат 20-30 Полікарбоксилат (Японія) Мелфлюкс 1993 Полікарбоксилат РА 20-30 1641Ф, Зика Віскокріт- 20ШЕ IV 1997 Ефір полікарбоксилановий 25-40 РАЕ 1997 Сополімер акриловий САЕ 25-40 Флюкс 1 24 Пластифікувальні добавки підвищеної ефективності утворені за загальним принципом чергування ділянок гидрофільної і гідрофобної природи. Будова молекул найбільш поширених СП показує, що для них характерна специфічна особливість гідрофільно-ліпофільного балансу (співвідношення гідрофільних і гідрофобних груп), що відіграє основну роль в колоїдно- хімічних явищах при гідратації цементів Гідрофільноліпофільний баланс (ГЛБ) характеризується числами від 1 до 40, обумовленими видом дисперсії речовини у воді. При значенні ГЛБ, рівному від 1 до 4, речовина не диспергується і має явно виражені гідрофобні властивості; якщо добре диспергується і проявляє гідрофільні властивості, ГЛБ = 9 - 12, а при ГЛБ>13 утворюється прозорий розчин.Виходячи з будови олігомерних ланцюгів суперпластифікаторів, у яких до гідрофобного вуглеводного кільця примикає активна гідрофільна група, слідує, що посилення пластифікувальної дії можливо за двома напрямками: 1 ) зменшення розмірів гидрофобної частини молекули добавки; 2 ) збільшення кількості гідрофільних функціональних груп на одиницю структурного елементу макромолекули. Наприклад, відмітною особливістю суперпластифікатора СП 40-03, отриманого при конденсації нафтових сульфокислот з формальдегідом, є присутність двох аніоноактивних сульфогруп у структурній ланці олігомера. Особливості будови молекул суперпластифікаторів обумовлюють основні принципи їх отримання. Одним із шляхів отримання такого ряду пластифікаторів є синтез відповідних олігомерів (полімерів) з мономерних продуктів в поєднанні з сульфуванням вихідних кінцевих продуктів. В якості аніонактивної, функціональної групи в структурі молекул СП присутня сульфогрупа, яка, по-перше, надає олігомерним молекулам водорозчинність, так як сульфокислоти органічних сполук розчиняються у воді краще, ніж органічні сполуки будь-яких інших типів; по-друге, має високе значення групового числа гідрофільно-ліпофільного балансу (по Девісу), тобто має яскраво вираженими гідрофільними властивостями; по-третє, в розбавлених водних розчинах сульфогрупи сильно дисоційовані і підвищують іонну силу рідкої фази. Другий шлях отримання СП - хімічна і фізико-хімічна модифікація вихідних дешевих полімерних продуктів, з яких найбільше значення мають технічні лігносульфонати, що є продуктами комплексної переробки сульфатних лугів - відходів виробництва сульфітної целюлози. Є дуже багато робіт, в яких розглядаються механізми дії різного роду пластифікаторів і суперпластифікаторів. У цих роботах наводяться наступні механізми дії пластифікуючих добавок: теорія, що пояснює розріджувальну дію пластифікатора утворенням при його введенні найдрібніших повітряних 25 бульбашок, що виконують роль своєрідного гідродинамічного «мастила», в т.ч. з внеском, який вноситься в пластифікувальний ефект, за рахунок збільшення обсягу цементного тіста; теорія, що пояснює дію пластифікаторів зниженням поверхневого натягу води, що призводить до поліпшення змочувальної здатності твердої фази; теорія топохімічної, відповідно до якої пластифікатор утворює на поверхні твердої фази колоїдні кальцієві сполуки, які відіграють роль мастила; теорія адсорбційного і сферичного відштовхування в дифузійній зоні при наявності в добавці щеплених бічних ланцюгів. Теорія сферичного відштовхування у відносно чистому вигляді (з певними припущеннями) може бути застосовна тільки для СП IV групи (табл. 3.13), зокрема, у вигляді полікарбоксилатів. Ступінь впливу добавок на пластифікуючий ефект і протікання реакцій гідратації мінералів клінкеру визначається особливостями будови органо- мінеральної адсорбційної плівки, зумовленими різним просторовим розташуванням макромолекул в адсорбційному шарі і в дифузійній зоні. Без добавки фази цементу С2Б і С3Б в воді мають негативний дзета-потенціал, а С3А і С4АБ - позитивний. При введенні добавок потенціал поверхні цементних фаз змінюється і посилюється, обумовлюючи прояву значних сил відштовхування між частинками твердої фази. Наприклад, використання ПАР збільшує відстань, на якій починають виявлятися сили відштовхування, з 1 0 нм для чистої води до 1 0 0 нм і більше, а в точці контакту сили відштовхування складають (0,16-0,44) 10’9Н. Встановлено, наприклад, що полікарбоксилати адсорбуються в основному на С3А і С4АБ, а адсорбція ЛСТ, СНФ і СМФ менш вибіркова по відношенню до цементних фаз. Алюмінатні складові є найбільш активними фазами цементу і роблять значущий вплив на властивості цементної пасти в перші хвилини після змішування з водою. Тому припускають, що якщо деякий полімер адсорбується переважно на мінералах С3А і С4АБ і продуктах їх гідратації, то його ефективність вище, ніж інших класів полімерів. Про це свідчить також те, що полікарбоксилати забезпечують еквівалентне значення водоредукуючого ефекту при більш низькому вмісті, ніж СНФ і СМФ. Таким чином, полікарбоксилати в меншій мірі адсорбуються на поверхні С2Б і С3Б і їх гідратних фаз, знижуючи вплив добавки на гідратацію цих мінералів і, відповідно, темп зростання міцності бетону. Крім того, довгі бічні ланцюги (мал. 1.1) створюють додатковий сферичний ефект, що полягає в створенні просторового бар'єру для коагуляції частинок цементу за рахунок наявності сополімерів різної довжини і молекулярної маси в структурі добавки. Внесок сферичного ефекту оцінюється набагато вище вкладу електростатичних сил відштовхування між частинками, які лінійно 26 пов'язані з в'язкістю цементного тіста. Дослідженнями встановлено, що навіть для СНФ з меншою молекулярною масою спостерігається дія сил сферичного відштовхування в загальну енергію відштовхування, а для більш високомолекулярних лігносульфонатів і меламінформальдегідних суперпластифікаторів частка цих сил складає вже близько 50% сумарної енергії. Однак, незважаючи на це, посилення пластифікувальної дії при переході від СНФ до добавок меламінового типу не спостерігається. Встановлено також, що для алюмінатних мономінеральних фаз справедливим є твердження про вклад в пластифікувальний ефект кожної фракції добавки, і цей вплив пропорційний їх змісту, тоді як на силікатних мономінеральних фазах в першу чергу адсорбуються і надають пластифікувальну дію в основному найбільш високомолекулярні складові. При цьому, на відміну від силікатних мономінералів, для алюмінатної фази в вигляді С3 А спостерігається падіння пластифікувальної здатності при збільшенні молекулярної маси суперпластифікатора. Це може бути пов'язано з ускладненням поверхневої міграції пластифікувальної добавки з довгими ланцюгами до знов утворювальним гідратним фазам. У разі портландцементу склад адсорбованого на гідросілікатних фазах суперпластифікатора залежить не тільки від наявності високомолекулярних складових і змісту С3А, але і від змісту і швидкості розчинення гіпсового компонента, змісту вільних лугів і т.інш. Таким чином, ефект дії добавки і збереження її в часі багато в чому визначаються складом і властивостями цементу. Можливість досягнення і збереження високих технологічних ефектів обмежується явищем сумісності добавок з цементами, що, в деяких випадках, може повністю виключити ефект дії добавки. Причина цієї несумісності може бути в тому, що за перші кілька хвилин процесу гідратації алюмінати цементу формують щільний шар на частинках цементу, який може мати товщину близько мікрона. Залежно від швидкості утворення еттрінгіта і кінетики адсорбції суперпластифікатора можна отримати два різних результату: товщина адсорбційного шару суперпластифікатора вище шару новоутворювальних гідратних фаз (в цьому випадку добавка високоефективна); - товщина адсорбційного шару суперпластифікатора нижче шару новоутворень гідратних фаз (в цьому випадку пластифікатор припиняє свою дію). З цим же пов'язане зниження ефекту дії добавок протягом часу. Добавка екранується (заростає) в процесі гідратації мінералів цементу гідратними фазами. Тривалість дії суперпластифікаторів закінчується через 2-3 год з моменту їх введення в бетонну суміш. Найкращою для СП 1-111 груп (табл. 3.13) є адсорбційна теорія, яка полягає в тому, що полярні молекули пластифікуючих добавок утворюють на поверхні 27 частинок цементу адсорбційний шар, що витісняє молекули води і приводить до зміни їх електрокінетичного потенціалу (дзета-потенціалу). Посилення електростатичної взаємодії між частинками твердої фази дезінтегрує цементні флокули і агрегати, знижує максимальне напруження зсуву, ефективну в'язкість цементно-водної суспензії і т.інш., значимо зменшуючи внутрішнє тертя в цементній системі, полегшуючи рухливість її частинок. Інтегральним проявом всіх цих факторів є збільшення сумарних сил відштовхування в цементній системі і її плинності, тобто спостерігаються пластифікація і збільшення рухливості суміші. Очевидно, вплив ПАР на колоїдно-хімічні процеси в системі є більш складним, оскільки одночасно змінюються також змочування поверхні частинок твердої фази, величина капілярних сил, швидкість розчинення мінералів клінкеру, ступінь пересичення рідкої фази. Ці фактори роблять різний вплив на процес пластифікації, проте деякі з них (наприклад, повітровтягування) можуть внести в нього значний внесок, надаючи при цьому неоднозначний вплив на характеристики (міцність, проникність, довговічність та ін.) кінцевого матеріалу. При різноманітті підходів опису механізму дії СП, які представляють собою високомолекулярні аніонактивні ПАР, головними етапами цього складного процесу є: адсорбція молекул олігомерів на поверхні твердої фази; зміна електрокінетичного потенціалу поверхні; проникність утворюючої адсорбційної оболонки і подвійного електричного шару диполями води і продуктами розчинення твердої фази; зміна товщини граничного шару водної пінки, що знаходиться біля поверхні частинок твердого тіла і пов'язаної з нею адсорбційними силами. Ці параметри, відповідно, обумовлюються будовою, що адсорбує молекули олігомеру: її формою і довжиною, кількістю і порядком розташування активних груп, а також гідрофільно-ліпофільним балансом. Зміна дзета-потенціалу поверхні в результаті адсорбції молекул НСФ на поверхні частинок цементу складає від +10 до - (20-35) мВ, а за іншими даними, від - (15-20) до - (40-45) мВ, в будь-якому випадку поверхні надається негативний заряд, внаслідок чого при зближенні однойменно заряджених частинок розвиваються сили електростатичного відштовхування (одна з умов пластифікації). Добавки СП є в цих умовах стабілізаторами дисперсних систем. Міцність і енергія зв'язку коагуляційних контактів у відповідній структурі, яка виникає на першій стадії взаємодії цементу з водою, значимо зменшуються (різко знижуються) при покритті поверхні частинок моношаром ПАР. Адсорбуючись, ПАР розсовують частки, принаймні на відстань двох молекулярних шарів, одночасно екрануючи найбільш енергетично активні ділянки макромозаічної поверхні частинок. Можлива товщина адсорбційного шару добавки становить 5-15нм. Введення СП на ранніх стадіях взаємодії 28 цементу з водою дезагрегує, пептизує цементні агрегати і ускладнює подальшу коагуляцію дрібних і середніх за розміром частинок, в т.ч. утворюючих гідратних фаз, до великих агрегативних блоків. При цьому вивільняється вода, механічно утримується в міжчасткових пустотах структури. Збільшення кількості неагрегованих частинок з великою питомою поверхнею при інших рівних умовах має привести до прискорення гідратації цементу, більш швидкому утворенню однорідних і упорядкованих зародків гідратних фаз внаслідок молекулярного відбору їх в менш обмежених умовах і, відповідно, до прискорення структурування цементних систем за схемою: зародки в вигляді кластерів - наночастинки - агрегати з неврегульованою структурою - агрегати з більш впорядкованою структурою - флокули - єдиний монолітний конгломерат. Дослідження електропровідності водних розчинів суперпластифікаторів СНФ і СМФ показує, що при їх дозуваннях, практично використовуваних в технології розчинів і бетонів, ступінь електролітичної дисоціації СП становить 30-70%. З огляду на олігомерний характер молекул добавок, їх слід віднести до поліелектролітів. Взаємодія сульфогруп СП з іонами кальцію відбувається на поверхні частинок цементу з утворенням хімічної сполуки -Зі-СаО-ЗОз-Ю, тобто спостерігається хемосорбція, що характеризується незворотнім протіканням процесу. Кожна молекула СП містить значну кількість сульфогруп, тому вона міцно сорбується на поверхні цементних часток. Поряд з хемосорбцією присутня складова і фізичної адсорбції СП. Кінетика адсорбції суперпластифікаторів типу СНФ (Н-1 і С-3) показує, що процес адсорбції має двохстадійний характер (дослідження виконані П. А. Осокіним). Це добре узгоджується з наявністю індукційного періоду при гідратації портландцементу (перші горизонтальні ділянки кривих 1 і 2 .) І пояснюється тим, що переважна адсорбція олігомерних молекул відбувається на високорозвиненій поверхні продуктів гідратних фаз і в меншій мірі - на гідроксильованій поверхні початкових частинок. Проникність утворюємої адсорбційної оболонки визначається структурою СП. Сульфогрупа, володіючи високою гідрофільністю, постійно знаходиться в оточенні молекул води, в так званій гідратній шубі, і при адсорбції молекул СП, переважно на активних центрах твердої фази частинок цементу і гідратних фаз, вода має можливість постійної взаємодії з нею. З іншого боку, наявність в молекулах СП гідрофобних груп, по площі перевищують площу гідрофільних, призводить до додаткового бар'єра молекулам води при їх переміщенні до поверхні цементних часток і, отже, до уповільнення гідратації і процесів формування структури цементного каменю. Очевидно, що адсорбційна оболонка з молекул СП працює як ситовий фільтр, 29 що пропускає молекули води і продукти розчинення твердої фази через ділянки гідрофільної природи і блокуючий ці процеси на гідрофобних ділянках. В ефективність дії СП значний внесок вносить характер зміни товщини гідратної оболонки близько цементної частинки. При адсорбції молекул СП адсорбційна плівка з олігомерних молекул витісняє молекули води з поверхні цементної частинки при безпосередньому контакті олігомера з поверхнею і послаблює сили взаємодії води граничного шару з поверхнею твердої фази. Товщина води граничного шару, яка зветься також адсорбційною, за структурою близькою (з певними припущеннями) до структури кристалічної фази, змінюється в межах від 1 до 10 нм і становить від 4 до 40 молекулярних шарів. Ці величини сумірні з довжиною молекул СП, яка дорівнює кільком нанометрам. В результаті зменшується кількість води, безпосередньо пов'язаної з поверхнею цементних частинок адсорбційними силами, і в сукупності з водою, що виділяється з агрегатів або флокул при їх дезінтеграції, створюється той обсяг дисперсійного середовища, в якому рівномірно розподілена дисперсна фаза має високу рухливість, а в'язкість цементноводної системи значимо знижується. Таким чином, здатність молекул СП до дезагрегованих частинок твердої фази і витіснення води з їх поверхні вносить істотний внесок в ефективність впливу пластифікаторів на реологічні властивості розчинів і бетонних сумішей. Розглядаючи застосування високоефективних полікарбоксилатних супер- пластифікаторів (IV група) в цементних системах (пасти, розчини, бетонні суміші), необхідно відзначити наступне. Будова молекул водорозчинних карбоцепних суперпластифікаторів передбачає таку хімічну модифікацію, наприклад, карбоксилмістячих полімерів, яка дозволяє ввести в ці макромолекули довгі бічні олігоалкіленоксидні ланцюги через утворення відповідних складноефірних або амідних груп. Така будова забезпечує практично необмежені можливості управління колоїдно-хімічною поведінкою суперпластифікувальних полікарбоксилатних добавок і їх впливом на процеси гідратації мінералів клінкеру і структуроутворення в цементних пастах (розчинах, бетонах) шляхом зміни довжини основної і бічних ланцюгів, електричних зарядів, щільності бічних ланцюгів, вільних функціональних груп, молекулярної маси. Відповідно до форми макромолекул подібні карбоцепні полімери отримали назву «гребнеподібних». Основою карбоцепних полімерів є в основному акрилати і метилметакрилати. Механізм дії полікарбоксилатних суперпластифікаторів в основному полягає в сферичній взаємодії бічних ланцюгів адсорбованих макромолекул (мал. 1 .1 ) в залежності від їх довжини в дифузному шарі або за його межами, а також певним впливом дзета-потенціалу на їх пластифікуючу здатність шляхом дезагрегації частинок цементу, зо аналогічно випадкам застосування добавок НСФ і МСФ. Сферичний ефект значимо збільшує сумарні сили відштовхування в цементній системі (пасті, розчинній і бетонній сумішах) і, відповідно, пластифікуючий ефект добавки. В'язкість цементної системи знижується в більшій ступені, а щеплені бічні ланцюги, створюючи енергетичний бар'єр в дифузному шарі, перешкоджують агрегації частинок, сприяючи при цьому зберігання її властивостей в часі. І Мал. 1.1. Будова молекул полікарбоксилатних суперпластифікаторів. Адсорбуються полікарбоксилати переважно на гідросульфоалюмінатах, що зменшує їх оптимальний вміст (0,15-0,6% розчину промислової концентрації). Оптимальне дозування НСФ і МСФ становить 0,3-1,2% в перерахунку на суху речовину або в 2-3 рази більше, ніж суперпластифікаторів полікарбоксилатного типу. Пізніші сучасні суперпластифікатори у вигляді полікарбоксилатів містять, як правило, щеплені молекули кількох типів, дія кожного з яких припиняється в суворо певний час, надаючи найбільш ефективну дію на різні стадії гідратації і структуроутворення цементних паст при максимальному пластифікуючому ефекті. Необхідно відзначити наступний дуже важливий аспект, пов'язаний з використанням полікарбоксилатів. Ці продукти мають досить високу поверхневу енергію на межі розділу «рідина- газ» і з цієї причини мають значний повітровтягувальний ефект. Тому всі промислові форми суперпластифікаторів полікарбоксилатного типу містять спеціальні компоненти - піногасники, що пригнічують зазначений ефект. Ця обставина враховується, якщо, наприклад, потрібно застосування повітровтягувальних добавок для підвищення морозостійкості бетону. В цьому випадку ефективними добавками в складі комплексних з полікарбоксилатами 31 можуть бути лігносульфонати, СНО, СДО і інші, тобто добавки, що забезпечують утворення замкнутих пір в структурі цементного каменю. При цьому оптимальне дозування їх повинно бути мінімальним, тобто достатнім тільки для створення замкнутої пористості, і, наприклад, для лігносульфонатів не перевищувати 0 , 1 % маси цементу замість їх звичайного змісту 0,15-0,25%. Ще однією особливістю проектування складу бетону з полікарбоксилатами є необхідність збільшення частки піску в суміші заповнювачів і особливі вимоги до гранулометричного складу наповнювачів в цілому. Повітря в бетон втягується розчинною складовою і в основному зернами піску розмірами 0 ,2 - 1 мм. Якщо вміст в піску зерен дрібніших, ніж 0,2 мм, збільшується, то обсяг залученого повітря зменшується. При цьому вапнякові піски завдяки пористості і поверхневим властивостям втягують меншу кількість повітря, ніж кварцові. У зв'язку з цим, при необхідності отримання щільної структури бетону з мінімальним вмістом повітря, слід застосовувати багатофракційний пісок, обмежуючи відносну частку дрібної фракції піску з верхньою межею 0 , 2 мм, а наступна фракція піску повинна бути з мінімальною межею зерен більше 1 мм. Цемент діє аналогічно - збільшення його змісту знижує обсяг залученого повітря. Однак необхідно враховувати, що при високому витраті цементу вміст лугів в його складі може бути більше критичного значення 3 кг/м3 бетону, визначаючи жорсткі вимоги до якості наповнювачів в аспекті змісту реакційноздатного діоксиду кремнію. У цьому випадку між лугами цементу і діоксидом кремнію наповнювачів можлива лужна реакція, яка може привести до утворення необмежено набухаючого гелю і в результаті, навіть через 10-15 років, руйнування виробів і конструкцій з бетону та залізобетону. Інгібування лужного розширення бетону забезпечується тонкодисперсними кремніймістячими добавками (мікрокремнезем, зола ТЕС, доменний гранульований шлак та ін.), тобто гнітючими тривале значне неоднорідне розширення бетону в лужному середовищі і його руйнування. Багаторівнева дисперсно-гранулометрична оптимізація складу, як спосіб підвищення будівельно-технічних властивостей цементних бетонів: Основний метод отримання високоефективних порошковоактивованих бетонів з мінімальним вмістом в'яжучої речовини і високими будівельно- технічними властивостями, які називаються Reactive Powder Concrete (RPC) - це забезпечення щільної однорідної структури шляхом оптимізації дисперсно- гранулометричного складу на різних структурних рівнях. 32 Для отримання високоміцних порошково-активованих бетонів необхідно створити дискретно - безперервний дисперсно-гранулометричний склад частинок і зерен твердої фази. Кожна наступна більш тонкодисперсна фракція повинна в оптимальній кількості з максимальним заповненням міжчасткових або міжзернових порожнин розташовуватися між частинками або зернами менти дисперсної [6 ]. При створенні такого рівня щільних упаковок основним фактором є вибір пружних, пуцоланічних, гідратаційних і інших властивостей частинок і зерен для різних структурних рівнів, що забезпечує їх збалансований однорідний розподіл відповідно з електрокінетичним потенціалом і напруженим станом, пов'язаним з розміром і розподілом часток, а також із змінними термодинамічними потенціалами в процесі твердіння RPC. Таким чином, об'ємна частка і дисперсний розмір часток кожної наступної фракції матеріалу повинна відповідати розміру міжчасткових пустот і їх обсягу в попередній. Обсяг пустот, що залишилися в синтезованій таким чином системі буде мінімальним. При недостатньому вмісті частинок будь-якого рівня для заповнення відповідних пустот в попередньому буде формуватися неоднорідна більш невпорядкована з більш високою ентропією структура цементного каменю з відносно «низькою» міцністю, а при підвищеному - буде спостерігатися агрегація частинок і, наприклад, для мінеральних добавок утворення псевдопор. Необхідно відзначити, що вибір матеріалів для рівномірного розподілу часток на різних структурних рівнях по дисперсності з метою формування більш упорядкованої мікроструктури повинен забезпечувати або процес гідратації їх, а також протікання пуцоланової реакції між частинками сусідніх рівнів [7]. Крім того, для забезпечення високої міцності таких систем дисперсні частинки всіх рівнів повинні мати високі модулі пружності і найдоцільніше близькими за значенням, що забезпечить більш однорідний напружений стан, в т.ч. при підведенні до системи енергії або речовини. Рівень допустимої енергії до матеріалу в цьому випадку збільшується. Оцінюючи вплив модуля пружності на синтез міцності композитних матеріалів з дисперсними частками відзначають, що він найбільш широко вивчений і обговорений [17]. У загальному випадку дисперсна фаза або зменшує, або збільшує модуль пружності матричної фази в залежності від того, чи буде модуль дисперсних частинок, відповідно, менше або більше модуля пружності матриці. Найбільший модуль пружності, максимальна міцність і зменшення тріщин і псевдопор до мінімуму забезпечуються шляхом виготовлення композиту з дисперсними частками малого розміру і зміцненням зв'язку в контактній зоні між матрицею і дисперсними частками. Очевидно, що модуль пружності цементного каменю з ММ визначається модулем пружності 33 гідратних фаз, а також модулями пружності реліктів частинок клінкерного компонента і ММ. Модуль пружності реліктів частинок клінкеру оцінюється значеннями в декілька разів перевищуючими аналогічні значення для гідратних фаз. Внаслідок цього найбільш ефективним ММ цементних систем є тонкодисперсний доменний гранульований шлак, частинки якого, як і портландцементу, характеризуються високими міцністю і модулем пружності і здатністю до самостійного гідравлічного тверднення. Гідратація мінералів шлаку значимо підвищує щільність і міцність цементного каменю, особливо в контактній зоні з портландцементними гідратними фазами, а його релікти, як і релікти частинок клінкеру, внесуть значний внесок в інтегральний модуль пружності і міцність синтезуємої багатокомпонентної системи. Збільшення міцних показників крім підвищення щільності вихідної упаковки частинок забезпечується також обмеженням ступеня гідратації мінералів клінкеру зі збереженням максимального обсягу негідратованої частини - реліктів частинок з міцністю 31,0 МПа (середня міцність гідратних фаз - 13,5МПа) [8 ]. Обсяг багатокомпонентної в'язкої складової визначається за методом абсолютних обсягів, а дисперсні структурні рівні можуть бути синтезовані в такий спосіб. Наприклад, перший рівень у вигляді портландцементу з дисперсністю 270-35 Ом 2 /кг і• менше з метою забезпечення тривалого збереження міцних з високим модулем пружності реліктів частинок клінкеру в цементному камені. Для заповнення першого рівня міжчасткових пустот портландцементу промислового помелу застосовується тонкодисперсний доменний гранульований шлак у кількості 20-25% маси цементу з оптимальною питомою поверхнею 450-500м /кг [21], для другого рівня - високодисперсний портландцемент - 10-12% - 900-1100м /кг [4], а для 2 , третього - мікрокремнезем -9-12% - 1800-2100 м /кг. При такому виборі компонентів RPC забезпечується висока концентрація твердої фази в одиниці об'єму багатокомпонентної в'язкої речовини, однорідне протікання пуцоланової реакції в мікрооб'ємах матриці, а також високий рівень розміру реліктів щодо грубодисперсної фракції клінкерного компонента. Однак слід зазначити, що висока водопотреба синтезованого таким способом RPC вимагає обов'язкового застосування суперпластифікувальних- суперводоредукувальних добавок, наприклад, найбільш ефективних полікарбоксилатного типу. Таким чином, розглянуті теоретичні і експериментальні положення по багаторівневій дисперсній модифікації складу RPC є одним з основних методів отримання високоефективних бетонів з раціональним вмістом в'яжучого речовини і високими будівельно-технічними властивостями. 34 Висновки до розділу 1. Вивчено стан питання з теми кваліфікаційної роботи магістра. Проаналізовані наукові положення синтезу раціонального дисперсного складу порошково- активованого з високими будівельно-технічними властивостями бетону за рахунок багаторівневої оптимізації упаковки твердих частинок, що забезпечує високу концентрацію твердої фази в одиниці об'єму. Упорядкований таким чином на 4-х рівнях самоорганізованих за рахунок оптимальних геометричних і кількісних параметрів і енергетичного стану дисперсний склад забезпечує зниження міжчасткової пустотності багатокомпонентної системи на 12,25 - 13,75% і підвищення міцності бетону більш ніж в 2 рази. Редукування водовмісту бетонної суміші досягається застосуванням суперпластифікаторів третього покоління в комплексі з високовалентним прискорювачем твердіння, застосовуваним відповідно до закону Шульце-Гарді і забезпечує синергетичний ефект від їх використання, а також має розширювальний механізм дії. Оптимальний вміст прискорювача твердіння становить 0,07% маси цементу, а додаткове водоредукування - 20-30%. 35 РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ БЕТОНІВ ВИСОКОЇ МІЦНОСТІ ТА ДОВГОВІЧНОСТІ 2Л. Методика досліджень Для аналізу та дослідження використовувалося устаткування світового рівня. Мікроструктурний (MCA) і хімічний (ХА) аналізи проводилися одночасно методом растрової електронної мікроскопії та електронно-зондового рентгенівського мікроаналізу на мікроскопі-мікроаналізаторі FEI Quanta 200 (Швейцарія) з системою мікроаналізу Apollo 40 фірми Phillips (Бельгія). Зондування проводиться при напрузі до ЗО кВ. Метод базується на взаємодії пучка електронів з атомами твердих зразків, представлених у вигляді сколів або порошків. Для виключення спотворень на їх поверхню проводилося графітове напилення. За рахунок рентгенівського випромінювання визначається процентний вміст елементів і їх оксидів від бору до урану на ділянці відколу розміром 3x3 мкм [58]. Метод дозволяє отримати чітке зображення структури поверхні відколу при збільшенні до 50-80 тисяч разів. Рентгенофазовий аналіз (РФА) кристалічних речовин базується на вивченні дифракції, яка виникає при дії рентгенівського випромінювання з довжиною хвилі близько 0,1 нм на твердий зразок або його порошок. Аналіз виконувався на рентгенівському дифрактометрі ARL XTra (Thermo Fisher Scientific Inc., США). Після графічного отримання рентгенограм, проводиться її розшифрування. Спільний розгляд рентгенограми, мікроструктурного і хімічного аналізів дозволяє з високою достовірністю встановити речовий і мінеральний склад дослідженого зразка. Визначення основних показників вихідних матеріалів виконувалися за методиками ДСТУ. Визначення деформацій усадки проводилося на зразках-призмах з розмірами 40x40x160 мм по ДСТУ Бетони. Методи визначення деформацій усадки та повзучості. Ступінь гідратації портландцементу (а) визначали за загальноприйнятою і доступною методикою НДІцемента за формулою: <х= ( 1 — І/І0) -1 0 0 % де І0 - інтенсивність піку аліта в негідратованому цементі, І - інтенсивність піку аліта в гідратованому портландцементу. Оцінка ступеня гідратації цементу здійснюється по піку аліта - 3Ca0-Si0 2 з міжплощинною відстанню d = 1,76-10‘10 м. 36 Випробування на морозостійкість проводилися при змінному заморожуванні і відтаванні насичених водою зразків в кліматичній камері за першим методом згідно вимог ДСТУ. 2.2. Аналіз сучасного обладнання для використання в дослідженнях Були використані: растровий електронний мікроскоп-мікроаналізатор Quanta 200 (Швейцарія), оснащений системою мікроаналізу Apollo 40 фірми Phillips (Бельгія), мал. 2.1 рентгенівський діфрактометр ARL ХТга фірми Thermo Fisher Scientific Inc. (США), мал. 2.2; випробувальна установка фірми Controls (Італія), мал. 2.3; випробувальна установка DELTA5-300 фірми Form+Test (Німеччина), мал. 2.4; кліматична камера WEISS (Німеччина), мал. 2.5; апарат Блейна для визначення дисперсності порошків фірми Controls (Італія), мал. 2 .6 . 2.3. Основні фізико-технічні характеристики застосовних матеріалів. Суперпластифікатори Masterglenium АСЕ 430 і Melflux 2651 Суперпластифікатори Masterglenium АСЕ 430 і Melflux 2651- продукт на основі полікарбоксилатного ефіру. Випускається компанією ВАТ «БАСФ- Будівельні системи» у вигляді рідини коричневого кольору (Masterglenium АСЕ 430), порошку жовтуватого кольору (Melflux 2651), розчиняється в воді, pH = 7,0 - 7,5. Портландцемент Використаний портландцемент Цем 1 42,5Н. Виконано хімічний, рентгенофазовий аналізи порошку портландцементу. Результати наведені на мал.. 2.7, в табл.2.1. Мінеральний склад портландцементу ПЦ 500-Д0 наведено в таблиці 2.1. 37 Мал. 2.1 - Растровий електронний Мал. 2.2 - Рентгенівський мікроскоп-мікроаналізатор Quanta дефрактометр ARL ХТга фірми 200, оснащений системою Thermo Fisher Scientific Inc. мікроаналізу Apollo 40. Мал. 2.3 - Випробувальна Мал. 2.4 - Випробувальна установка установка фірми Controls. DELTA 5-300 фірми Form + Test. Визначення морозостійкості здійснювалося в кліматичній камері тепла / холоду / вологості (WEISS, Німеччина). Камера представлена на малюнку 2.2.5. Мал. 2.5 Кліматична камера WEISS Мал. 2.6 - Апарат Блейна для визначення тонкості помелу порошків фірми Controls [58] 38 Мал. 2.7 - Зареєстрована дифрактограма портландцементу. Таблиця 2.1 - Мінералогічний і хімічний склад портландцементу Хімічний склад Мінералогічний склад Оксид Зміст,% по масі Фаза Вміст,% за масою СаО 55.39 C,S 53.2 S i0 2 20,74 (3-c2s 15,1 Те2Оз 6,26 C3A 4,3 А12 0з 4,72 c 4a f 8 , 8 MgO 4,27 Напівводний гіпс 2,9 so3 2,59 Гашене вапно (Са(ОН)2) 3,5 MnO 0,536 Кварц (S i02) 0,9 K20 0,527 Периклаз (MgO) 1,3 Т і0 2 0,366 Аморфна фаза 1 0 , 0 Na20 0,307 Р2 О5 0,268 SrO 0.108 Сг2 0з 0,0352 ZnO 0.0289 BaO 0.0208 CuO 0.0149 Z r0 2 0,0133 Cl 0.0049 m ill* 3.80 * Втрати маси при прожарюванні при Т = 1000°С протягом 1 години. Була також визначена питома поверхня цементу на апараті Блейна, фірма Controls (Італія). Вона склала 325 м2/ кг. Нормальна густота цементного тіста - 39 27,2%, терміни схоплювання: початок схоплювання - 1,5 години, кінець - 3,5 год, активність - на 2 добу 49,2 МПа, на 28 добу - 53,6 МПа. [48]. Метакаолін Метакаолін використовується в цементних системах, методи його отримання відомі. Метакаолін утворюється при випалюванні протягом півтори години каолінової глини А120з-28Ю 2-2Н20 при температурі близько 650°С. Виходить метакаолін А120 3-28і02 - аморфний алюмосилікат. Середня щільність - 2500кг/м3. Хімічний і мінералогічний склад метакаоліну наводиться в таблиці 2 .2 . [48]. Таблиця 2.2. - Мінералогічний і хімічний склад метакаоліну Хімічний склад Мінералогічний склад Вміст,% за масою Зміст,% за Оксид Фаза масою 53,15 Кварц 8і02 6,3 АІ2 0 з 43,18 Мусковит (РС4/2(^478 і3О іо) (О Н )2) 3,7 Ре2 0 з 0,814 Аморфна фаза 90,0 ТІ02 0,493 К20 0,385 Mg0 0,283 СаО 0,0806 Ыа2 0 0,0616 Сг0 2 0,0223 Р 0,0127 8 0,0118 8 гО 0.0026 ZnO 0 . 0 0 2 1 МпО 0.0013 ППП* 1,50 Втрати маси при прожарюванні при Т = 1000° С протягом 1 години. Рентгенофазовий аналіз метакаоліну наведено на малюнку 2.10. У дослідженнях була доведена висока пуцоланічна активність метакаоліну в цементному порошково-активованому бетоні. гч О і/3 40 Мал. 2.8 - Зареєстрована дифрактограма метакаоліну Мікрокремнезем Мікрокремнезем є ефективною мінеральною добавкою для бетонів високої міцності. Характеризується високою хімічною активністю у водному середовищі. Мікрокремнезем є побічним продуктом чорної металургії при виробництві феросиліцію. При відновленні вуглецем кварцу високої чистоти в електропечах при виплавці кремнієвих сплавів частина моноокису кремнію БіО переходить в газоподібний стан, а потім доокисляється з подальшою конденсацією. При охолодженні утворюються ультрадисперсні частинки сферичної форми з високим вмістом аморфного кремнезему (таблиця 2.4). Частинки мікрокремнезема мають розміри від 0 , 0 1 до 2 мкм. Мікроструктурний аналіз мікрокремнезема представлений на малюнку 2.11, рентгенофазовий - на малюнку 2.9, хімічний - в таблиці 2.3. При виробництві 1 тони феросиліцію утворюється близько 0,3 тони мікрокремнезема [48]. т а » МІ. І - с Ы Н о м Мал. 2.9 - Зареєстрована дифрактограма мікрокремнезему 41 Таблиця 2.3 - Хімічний склад мікрокремнезема Оксид Вміст оксидів,% Оксид Вміст оксидів,% Б іО , 94,5 БО, 0,14 А Ь О ї 0,67 Н а,О 0,92 Р е?Оі 1,73 КгО 0,78 М йО 0,01 п .п .п інш е У складі мікрокремнезема відзначається високий вміст 8 і0 2- більше 94% і 1,7% оксидів калію і натрію. Тонкодисперсний доменний шлак. Використовувався тонкодисперсний доменний шлак металургійного комбінату - ВАТ «НЛМК». Хімічний склад тонкодисперсного доменного шлаку представлений в таблиці 2.8. Модуль основності змінюється від 1,07 до 1,08, а його справжня щільність - 2,9-2,93 г/см3. [39]. Таблиця 2.4 - Хімічний і мінералогічний склад доменного гранульованого шлаку ВАТ «НЛМК» Хімічний склад Мінералогічний склад Оксид Зміст,% за масою Фаза Зміст,% за масою СаО 38,13 Кальцит (СаСОЦ 17,0 8Ю? 33,33 Арагоніт (СаСОЦ 13,0 МдО 9,78 Аморфна фаза 70,0 А ЬО , 7,15 Ре20 2 0,996 Т І02 0,966 Б 0,661 К20 0,473 Иа20 0,333 МпО 0,152 БгО 0,0932 ВаО 0,0688 г ю 2 0,0372 СиО 0,0199 Р 0,0042 ХпО 0,0039 1ЧіО 0,0018 ППП* 7,80 * Втрати маси при прожарюванні при Т = 1000°С протягом 1 години. 42 Мал. 2.10 - Зареєстрована дифрактограма тонкодисперсного шлаку. На апараті Блейна визначена питома поверхня тонкодисперсного доменного шлаку BAT «НЛМК», яка склала 475 м /кг[39]. Високодисперсний і(емент Rheocem 900 Використовувався високодисперсний цемент Rheocem 900 виробництва компанії ТОВ «БАСФ-Будівельні системи. Хімічний і мінералогічний склад тонкодисперсного високодисперсного цементу Rheocem 900 представлений в таблиці 2.5. Таблиця 2.5 - Хімічний і мінералогічний склад високодисперсного цементу Rheocem 900 Хімічний склад Мінералогічний склад Оксид Вміст,% за масою Фаза Вміст,% за масою СаО 63,57 C3S 63,1 SiO? 19,73 (3-C2S 12,4 АЬО, 4,93 6,5 s o 3 3,03 c 4a f 12,7 Fe20 3 2,90 Гіпс 3,1 MgO 1,38 Ангідрит 2,2 К 20 0,898 Na30 0,718 ТіСЬ 0,249 Р 20 , 0,196 SrO 0,0867 MnO 0,0717 ZnO 0,0707 CuO 0,0205 CI 0,0205 BaO 0,0175 Cr20 3 0,0114 ППП* 2,10 * Втрати маси при прожарюванні при Т = 1000 ° С протягом 1 години цементу Ш іеосет 900 u0> > 43 Мал. 2.11 Зареєстрована дифрактограма високодисперсного цементу Rheocem 900 Нормальна густота цементного тіста - 29,3%, терміни схоплювання: початок схоплювання - 1 година, кінець - 1,5 год, активність - на 2 добу 59,2 МПа, на 28 добу - 65,4 МПа. Прискорювач твердіння «АС»: Прискорювач твердіння «АС» являє собою неорганічну сіль високовалентного металу, що забезпечує низький його вміст відповідно до закону Щульце-Гарді і теорією Дєрягіна - Фервея - Овербека. Висновки до розділу 2 Проаналізовано методику дослідження, устаткування, що потрібне для отримання наукових даних, таке як растровий електронний мікроскоп- мікроаналізатор Quanta 200 (Швейцарія), оснащений системою мікроаналізу Apollo 40 фірми Phillips (Бельгія), рентгенівський діфрактометр ARL ХТга фірми Thermo Fisher Scientific Inc. (США), випробувальна установка фірми Controls (Італія), випробувальна установка DELTA5-300 фірми Form+Test (Німеччина), кліматична камера WEISS (Німеччина), апарат Блейна для визначення дисперсності порошків фірми Controls (Італія), Проаналізовані матеріали та їх основні характеристики. 44 РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ДОСЛІДЖЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ОСНОВНИХ СКЛАДОВИХ БЕТОНУ ВИСОКОЇ МІЦНОСТІ ДЛЯ КАРКАСІВ БАГАТОПОВЕРХОВИХ БУДІВЕЛЬ ЗЛ. Дослідження процесів модифікації цементних бетонів. Властивості матеріалу в першу чергу залежать від його структури. А структура матеріалу визначається його складом. Проведений аналіз науково- технічних джерел дозволив виявити показники якості, вимоги, яким повинен задовольняти створюваний матеріал. Ці властивості враховувалися при проектуванні структури розробляємих матеріалів. Таким чином, основними вимогами до вирішення завдання є аналіз та розробка оптимальної структури високоміцних бетонів. При синтезі високоміцних порошково-активованих бетонів необхідно створити дискретно - безперервний дисперсно-гранулометричний склад частинок і зерен твердої фази. При цьому кожна наступна більше тонкодисперсна фракція повинна в оптимальній кількості з максимальним заповненням міжчасткових або міжзернових порожнин розташовуватися між частинками або зернами менш дисперсної. При створенні такого рівня щільних упаковок найважливішим фактором є вибір пружних, пуцоланічних, гідратаційних і інших властивостей частинок і зерен для різних структурних рівнів, що забезпечують їх збалансований однорідний розподіл відповідно до електрокінетичного потенціалу і напруженому станом, пов'язаним в т.ч. з розміром частинок, а також із змінними термодинамічними потенціалами в процесі твердіння RPC. Наприклад, оптимальна відстань між частинками заповнює фракції першого рівня по напруженого стану становить 2D (D - розмір частки), а їх об'ємна частка - 0,2 [12]. Встановлено, що при зазначених параметрах дисперсні частинки знаходяться на значній відстані один від одного, поля енергії їх деформації не накладаються і не вносять відповідний внесок в напружений стан матеріалу. Відомо також, що 95% енергії деформації, пов'язаної з часткою і навколишньою її матрицею, знаходиться в межах сферичного обсягу радіусом D від центру частинки [12]. Таким чином, частки можуть розглядатися як ізольовані один від одного тільки в тому випадку, якщо відстань між ними більше 2D або об'ємна частка менше 0,2, що кореспондується з результатами досліджень багатокомпонентних цементних систем (МЦС) з мінеральними модифікаторами (ММ) [12, 13]. Крім того, в реальних композитних системах є ймовірність того, що дві або більшу кількість дисперсних частинок можуть об'єднатися, і будуть являти собою окремий агрегат. Імовірність зіткнення двох і трьох частинок при утриманні ММ в МЦС в кількості 50% по З.Б.Ентіну і Б.Е.Юдовічу відповідно становить 0,5 і 0,02 [13]. У таких мікрооб'ємах цементних систем пуцоланова реакція практично не 45 протікає, і вони являють собою псевдопори розміром 5-7 мкм (випадок трьох частинок) і 0,5-1,5 мкм (випадок двох частинок). Означені дефекти структури вносять значний вклад в зниження морозостійкості, деформативності і міцності цементного каменю і розподіляються так само, як пари і трійки дисперсних частинок, а параметрами розподілів є їх зміст і розмір. Таким чином, можливість утворення агрегатів дисперсних частинок в композитних системах є негативним фактором з огляду на те, що поля енергії деформації частинок в агрегаті перекриваються і, тому, їх необхідно розглядати як великі частки, що збільшують можливість утворення тріщин [12]. Очевидно, що в композитах з агрегатами і великою об'ємною часткою дисперсної фази тріщини утворюються більш швидко. Зокрема, мабуть, з цим явищем пов'язані низькі експлуатаційні властивості (морозостійкість, атмосферостійкість і ін.) пуцоланових портландцементів. Таким чином, об'ємна частка і дисперсний розмір часток кожної подальшої фракції матеріалу повинна відповідати розміру міжчасткових пустот та його обсягу в попередній. Обсяг залишившихся пустот в синтезованій таким чином системі буде мінімальним. При недостатньому вмісті частинок будь-якого рівня для заповнення відповідних пустот в попередньому буде формуватися неоднорідна більш невпорядкована з більш високою ентропією структура цементного каменю з відносно «низькою» міцністю, а при підвищеному - буде спостерігатися агрегація частинок і, наприклад, для мінеральних добавок утворення псевдопор. Необхідно відзначити, що вибір матеріалів для рівномірного розподілу часток на різних структурних рівнях по дисперсності з метою формування більш упорядкованої мікроструктури повинен забезпечувати або процес гідратації їх, а також протікання пуцоланової реакції між частинками сусідніх рівнів. Крім того, для забезпечення високої міцності таких систем дисперсні частинки всіх рівнів повинні мати високі модулі пружності і найдоцільніше близькими за значенням, що забезпечить більш однорідний напружений стан, в т.ч. при підведенні до системи енергії або речовини. Рівень допустимої енергії до матеріалу в цьому випадку збільшується. Оцінюючи вплив модуля пружності на синтез міцності композитних матеріалів з дисперсними частками відзначають, що він найбільш широко вивчений і обговорений [1]. У загальному випадку дисперсна фаза або зменшує, або збільшує модуль пружності матричної фази в залежності від того, чи буде модуль дисперсних частинок, відповідно, менше або більше модуля пружності матриці. У роботах Д.Пауля, З.Хашіна, С.Штрікмана і ін. з використанням теорем про енергію деформації отримані рівняння для визначення модуля композиту в залежності від модулів пружності матриці, дисперсної фази і 46 об'ємного вмісту останньої. Однак тріщини, які можуть розвиватися в процесі охолодження композиту нижче температури його виготовлення, пори, що утворюються в процесі виготовлення, а також псевдопори, що утворюються під напругою внаслідок слабкого зв'язку по поверхнях розділу фаз, призводять до значно нижчих модулів пружності щодо, розрахованих теоретично. Показано також, що найбільший модуль пружності, максимальна міцність і зменшення тріщин і псевдопор до мінімуму забезпечуються шляхом виготовлення композиту з дисперсними частками малого розміру і зміцненням зв'язку в контактній зоні між матрицею і дисперсними частками. Очевидно, що модуль пружності цементного каменю з ММ визначається модулем пружності гідратних фаз, а також модулями пружності реліктів частинок клінкерного компонента і ММ. Модуль пружності реліктів частинок клінкеру оцінюється значеннями в кілька разів перевищуючим аналогічні значення для гідратних фаз. Внаслідок цього найбільш ефективним ММ цементних систем є тонкодисперсний доменний гранульований шлак, частинки якого, як і портландцементу, характеризуються високими міцністю і модулем пружності і здатністю до самостійного гідравлічного тверднення. Гідратація мінералів шлаку значимо підвищує щільність і міцність цементного каменю, особливо в контактній зоні з портландцементними гідратними фазами, а його релікти, як і релікти частинок клінкеру, внесуть значний внесок в інтегральний модуль пружності і міцність синтезуємої багатокомпонентної системи. Збільшення міцних показників крім підвищення щільності вихідної упаковки частинок забезпечується також обмеженням ступеня гідратації мінералів клінкеру зі збереженням максимального обсягу негідратованої частини - реліктів частинок з міцністю 310 МПа (середня міцність гідратних фаз - 135МПа). Таким чином, синтез багатокомпонентної цементної системи з багаторівневою дисперсно-гранулометричною модифікацією структури найдоцільніше здійснювати з використанням наступних принципових положень. Дрібний заповнювач для бетону приймається з визначення RPC у вигляді декількох фракцій від грубої - 1,25 мм до дрібної - 0,12 мм, що забезпечують значуще зниження його межзернової пустотності. Визначається межзернова порожниність отриманого таким чином дрібного заповнювача. Обсяг багатокомпонентної в'язкої складової визначається за методом абсолютних обсягів, а дисперсні структурні рівні можуть бути синтезовані в такий спосіб. Наприклад, перший рівень у вигляді портландцементу з дисперсністю 270 -350м /кг і менше з метою забезпечення тривалого збереження міцних з високим модулем пружності реліктів частинок клінкеру в цементному камені. Для заповнення першого рівня міжчасткових пустот 47 портландцементу промислового помелу застосовується тонкодисперсний доменний гранульований шлак у кількості 20-25% маси цементу з оптимальною питомою поверхнею 450-500м /кг [2], для другого рівня - високодисперсний портландцемент - 10-12% - 900-1100м /кг, в т. ч. допускається гідромеханохімічно активований [14], а для третього - мікрокремнезем -9-12% - 1800-2100 м /кг. Дослідження тонко дисперсного шлаку з зазначеними параметрами показало високу однорідність його розподілу в матриці багатокомпонентного цементного каменю (растрова мікроскопія з мікроаналізом). При такому виборі компонентів RPC забезпечується висока концентрація твердої фази в одиниці об'єму багатокомпонентної в'яжучої речовини, однорідне протікання пуцоланової реакції в мікрооб'ємах матриці, а також високий рівень розміру реліктів щодо грубодисперсної фракції клінкерного компонента. Необхідно відзначити, що тонкодисперсна фракція цементу характеризується вмістом частинок розміром менше 5,8 мкм в кількості до 12%, а частинок -5-30мкм в кількості до 59% (визначено лазерним аналізатором), що приблизно в 2 рази перевищує їх вміст у портландцементі промислового помелу. Очевидно, що висока водопотреба синтезованого таким способом RPC вимагає обов'язкового застосування суперпластифікувальних- суперводоредукувальних добавок, наприклад, найбільш ефективних полікарбоксилатного типу. Слід також зазначити, що вибір в якості мінеральних модифікаторів тонкодисперсного доменного гранульованого шлаку і мікрокремнезема цільових перевірок згідний не тільки завдяки їх високої міцності, але і їх потенційній можливості пригнічувати лужну корозію реакційноздатних заповнювачів, тому що RPC у всіх випадках характеризуються високою витратою цементу. Відомо [15], що при високому витраті цементу вміст лугів в його складі може бути більше критичного значення Зкг/м3 бетону, визначаючи жорсткі вимоги до якості наповнювачів в аспекті змісту реакційноздатного діоксиду кремнію. У цьому випадку між лугами цементу і діоксидом кремнію наповнювачів можлива лужна реакція, яка може привести до утворення необмежено набухаючого гелю і в результаті, навіть через 10-15 років руйнування виробів і конструкцій з бетону та залізобетону. Інгібування лужного розширення бетону забезпечується тонкодисперсними кремніймістячими добавками (мікрокремнезем, зола ТЕС, доменний гранульований шлак та ін.), тобто гнітюче тривале значне неоднорідне розширення бетону в лужному середовищі і його руйнування. З цієї причини, тобто при використанні реакційноздатного заповнювача, застосування в RPC частинок з низькою міцністю вапнякового і доломітового борошна для поліпшення їх реологічних і технологічних властивостей є недоцільним. 48 На стадії прискорення (2-10ч після замішування цементу водою) розчинення вихідних фаз і виділення продуктів гідратації з пересиченого розчину є переважаючим механізмом, тобто спостерігається перекристалізаційний «скрізь розчиновий» маршрут по Ле-Шательє. На цій стадії дрібні частинки клінкеру, в т.ч. в основному другого рівня заповнення міжчасткових пустот повністю розчиняються і перерозподіляються у вигляді продуктів гідратації в результаті молекулярного відбору навколо сусідніх більших частинок відповідних фаз [15,16]. Шар гідросилікатного гелю потовщується в зовнішньому напрямку, поглинаючи собою стрижневидні кристали етрінгіта і формуючи конгломератний тип мікроструктури. Включення гідросульфоалюмінатів кальцію в мікроструктуру кальцієво-силікатної гідратної фази знижує її міцність. Утворений гідроксид кальцію взаємодіє з діоксидом кремнію мікрокремнезема з утворенням найбільш міцних низькоосновних гідросилікатів кальцію, прискорюючи при цьому розчинення вихідних кальцієво-силікатних фаз. Найчастіше ці гідросилікати спостерігаються у вигляді волокон, стрижнів, завитків (тип І). Волокнисті частинки мають трубчасту структуру, утворену в результаті згортання гідросилікатів у вигляді листоподібної фольги. Трубчасті структури за рахунок капілярних сил легко поглинають і віддають воду, визначаючи підвищені їх деформації усадки і набрякання, нижчу морозостійкість. Однак за рахунок високої щільності та низької проникності ці властивості знижуються в меншій мірі щодо традиційних бетонів з такими ж видами мінеральних модифікаторів. Міцність трубчастих структур, як правило, більш висока. Це пов'язано з утворенням в результаті пуцоланової реакції продукту, названого В.Міхаелісом "гідравлітом", що характеризується меншим в 1,5-2 рази вмістом хімічно зв'язаної води, відносно нормальних гідросилікатів - продуктів гідратації цементного клінкеру. До моменту, коли товщина шару продуктів сягає близько 0.5-1 мкм, оболонки сусідніх частинок гідратних кальцієво-силікатних фаз клінкеру, шлаку і продуктів пуцоланової реакції починають зростатися, утворюючи внаслідок однотипної будови і молекулярного відбору міцні агрегати і флокули [16], що відповідає закінченню схоплювання (8-12 год.) і зазвичай максимуму на диференціальній кривій тепловиділення. Після цього зростання поверхні реакції припиняється і настає стадія уповільнення. Практично повна гідратація тонкодисперсних і певною мірою більш крупнодисперсних частинок клінкерного компонента, висока швидкість пуцоланової реакції між Са(ОН)2 і діоксидом кремнію мікрокремнезема, часткова гідратація мінеральних фаз шлаку зі збільшенням обсягу всіх утворюючих гідратних фаз в середньому в 2,2 рази відносно вихідних продуктів забезпечує отримання щільного цементного каменю в основному з 49 гелевими порами при збереженні міцних реліктів великих часток клінкеру з високим модулем пружності. Необхідно відзначити, що процес гідратації (незалежно від маршруту - перекристалізаційний (А. Ле-Шательє), -топохімічний (A.A. Байков)) фаз клінкеру призводить до хімічної деградації його частинок, по суті є процесом корозії початкових частинок з високою вільною енергією Гібса, придбаної клінкером в процесі його виробництва при максимальній температурі випалу 1450°С. Тому для забезпечення високої міцності і необхідне отримання щільного з високою концентрацією твердої фази і однорідного за структурою цементного каменю, в тому числі по реліктам частинок клінкеру і шлаку, і по частинкам міцної мінеральної добавки при її наявності. Таким чином, для значущого зниження пористості та підвищення концентрації твердої фази і міцності такого цементного каменю потрібні щільна вихідна упаковка частинок матриці, в т. ч. багатокомпонентна з впорядкованим дисперсним складом, що забезпечує при необхідності високий рівень протікання пуцоланової реакції, а також низьке водо-цементне відношення і не вимагається повна гідратація частинок клінкеру. Релікти частинок клінкеру і шлаку при його наявності забезпечують механізм самолікування дефектів структури, що утворюються в процесі експлуатації виробів і конструкцій, інтегруючи частину свого високої міцності в міцність і пружні властивості цементного каменю. При цьому контактна зона гідратних фаз і реліктів частинок клінкеру і шлаку є високо дефектною, в т.ч. зважаючи різних типів і розмірів їх кристалічних решіток, яка в пізні терміни твердіння формується топохімічно. Найважливіша особливість топохімічного процесу полягає в тому, утворення продуктів гідратації самостимулюється механічними напруженнями, що виникають при їх утворенні і зростанні в приповерхневій області релікта частки клінкеру. При топохімічному процесі частина хімічної енергії перетворення кальцієво-силікатних фаз клінкеру і шлаку в продукти гідратації "акумулюється" реліктами їх часток у вигляді механічної енергії деформування, стимулюючи утворення нових продуктів гідратації. Поява кожної мікрочастинки продуктів гідратації в приповерхневій області релікта частки клінкеру або шлаку пов'язане з деформацією кристалічної матриці навколо утворювальної частки. Міжатомні відстані в обсязі продуктів гідратації і релікта частки клінкеру завжди різняться, а навіть малі відмінності в міжатомних відстанях призводять до великих напруженнь навколо утворювальної мікрочастинки [16]. Ці напруги, в якійсь мірі знижуються в гідратній фазі шляхом їх релаксації за рахунок аморфної структури і еластичності утворюваних продуктів гідратації в вигляді гідросилікатів 50 кальцію. Крім того, наявність рідкої фази призводить до утворення псевдокоагуляційних контактів між частинками, послаблює силу їх взаємного тяжіння, надає їм рухливість один щодо одного і також вносить певний внесок в релаксацію напружень в твердіючому цементному камені. Таким чином, зазначені процеси в реліктів частинок клінкеру і шлаку створюють напруження, дефектні зони і відповідно умови для їх подальшої гідратації, а в гідратній кальцієво-силікатній фазі обумовлюють релаксацію напружень, що є однією з умов утворення міцного цементного каменю, що зв'язує його складові в єдиний конгломерат. Очевидно, що в міру розвитку реакції гідратації в глибині частки клінкеру відбувається інтегральне зниження міцності твердої фази цементного каменю. Це пов'язано з міцністю частинок клінкеру і продуктів гідратації. Міцність портландцементного клінкеру оцінюється середнім значенням 31 МПа, а середня міцність продуктів гідратації -13,5 МПа, при збільшенні їх обсягу щодо часток клінкеру в середньому в 2,2 рази. Однак у часі відбувається зростання міцності цементного каменю за логарифмічним законом і зв'язується в основному зі зменшенням пористості і більш низьким ступенем невпорядкованості його структури. Пори, будучи концентраторами напружень, знижують міцність крихких тіл в 3 і більше разів, а обсяг гідратних фаз збільшується щодо обсягу частинок клінкеру в середньому в 2,2 рази, зменшуючи при цьому виникнення напруги і підвищуючи міцність цементного каменю. Метакаолін з дисперсністю 1500 м /кг, перевищує дисперсність портландцементу в 4,8 - 4,9 рази. При використанні в кількості 15-20% маси багатокомпонентного цементу додатково зменшується обсяг міжчасткових пустот на 3 - 4 абс. %. Обсяг міжчасткових пустот портландцементу в ущільненому стані становить 55-60%, багатокомпонентного цементу - 52 55%. Це більше обсягу порожнеч простої кубічної упаковки (48%). Для такої упаковки розмір подальшої частки, що заповнює міжчастинкову порожнечу становить 0,41 діаметра попередньої частки або повинен перевищувати його в 2,44 рази. Тому в кожній межчастковій порожнечі розподіляється одна або дві частинки метакаоліну із середнім розміром 3 - 5 мкм. Про позитивний вплив метакаоліну на цементні системи, в тому числі і на зв'язування гідроксиду кальцію, є досить багато наукових робіт [60-62]. Четвертий рівень оптимізації дисперсного складу порошково-активованого бетону досягається шляхом застосування мікрокремнезема з дисперсністю до 20100 м2/кг і більше. Його оптимальний вміст в цементних системах без використання суперпластифікатора становить 1 - 6%. Подальше збільшення його змісту мікрокремнезема призводить до істотного збільшення їх 51 водопотреби, що викликано високою дисперсністю і розподілом його частинок в цементній матриці. Частинки мікрокремнезема при утриманні 1 - 6% за рахунок адсорбційних і електростатичних сил розташовуються навколо частинок портландцементу і тонкодисперсного шлаку у вигляді моношару. Розподіл мікрокремнезема спостерігається також в міжчасткових пустотах метакаоліну, створюючи щільну ультрамікроструктуру або наноструктуру матриці, стабілізуючи бетонну суміш. Збільшення числа шарів мікрокремнезема з пустотністю 70% значно збільшує водопотребу. Очевидно, що синтез багатокомпонентної системи з контрольованим розподілом часток різної дисперсності зумовлює високу реакційну здатність матриці, в тому числі по протіканню пуцоланової реакції. Негативним фактором для синтезованої таким чином багатокомпонентної є підвищена водопотреба, що зумовлює необхідність застосування в її складі ефективних пластифікуючих добавок [62]. Крім пластифікувальних добавок в порошково-активованих бетонах можливе застосування комплексних добавок, що включають пластифікатор, а також прискорювач схоплювання і твердіння. Такий підхід повинен бути обґрунтований фізико-хімічною механікою і поверхневими явищами, що протікають в дисперсній системі. Встановлено, що застосування прискорювачів твердіння сприяє адсорбції мінералами багатокомпонентної цементної системи і новоутвореннями, які адсорбують на поверхні розділу протилежно заряджених іонів з розчину. Адсорбовані часткою противоіони (штерновський шар) зрівнюють поверхневий заряд, при цьому збільшується розчинність і пептизується поверхня. При цьому прискорюється процес гідратації мінералів клінкеру і твердіння цементної системи. Швидкість гідратації С38 в цьому випадку може бути порівнянна зі швидкістю гідратації СзА. У міжчастковому просторі будуть одночасно утворюватися гідросилікатна фаза і кольматувальні її внаслідок голчастої будови гідросульфоалюмінати кальцію. Це значно підвищує міцность цементної системи, тобто спостерігається її ущільнення, прискорення твердіння, а також зменшення дефектності структури гідросілікатних фаз кальцію, що утворюються на ранній стадії гідратації і твердіння. При цьому, наприклад, хімічний склад прискорювача твердіння «АС» забезпечує утворення та однорідний розподіл в структурі цементного каменю компонентів розширювального типу, ущільнюючих її та перешкоджають протіканню дифузійних процесів в матриці. Товщина дифузного шару визначає швидкість, з якою знижується потенціал в міру віддалення від поверхні, і зменшується зі збільшенням концентрації електроліту і валентності іонів. Вона ж, очевидно, несе відповідальність за 52 терміни схоплювання цементної системи, так як мінерали клінкеру і гідратів фази мають різні заряди. Так, С38 і С28, мікрокремнезем і гідросилікати заряджені негативно за рахунок кремнійкисневих іонів. У свою чергу, С3А, С4АТ, Са(ОН)2, гідроалюмінати, етрінгіт, гідроферіти, напівводяний і двоводний гіпс мають позитивний заряд. Таким чином, при використанні прискорювачів твердіння в цементних системах штерновський шар відповідає за швидкість гідратації мінералів клінкеру і твердіння цементної системи, а дифузний шар за терміни її схоплювання. Очевидно, що оптимальний вміст прискорювача твердіння, що забезпечує високу початкову та пізню міцність цементної системи, має бути незначним, нижче критичної концентрації коагуляції з теорії Дєрягіна - Фервея - Овербека і визначається відповідно до формули 3.1.1 [17] : А еЧдтІ к1Р(‘гь (3.1.1) де:А - числовий коефіцієнт; Б - число Фарадея; к = 8тгїЖ - константа; О - коефіцієнт дифузії частинок; Я - відстань між центрами двох взаємодіючих частинок; г - валентність іона. Найбільша ефективність прискорювача твердіння спостерігається при їх спільному застосуванні в комплексі з суперпластифікувальними добавками на основі полікарбоксилатних ефірів. 3.2 Визначення витрати домішок для бетону Для компенсації високої водопотреби порошково-активованих бетонів був застосований комплексний хімічний модифікатор, що складається з суперпластифікувальних добавок Мазіе^іепішп АСЕ 430 і МеШих 2651 на основі полікарбоксилатних ефірів, а також прискорювача твердіння АС. Необхідність такого комплексу також викликана тим, що одним з найважливіших принципів синтезу порошково-активованих бетонів є обмеження ступеня гідратації портландцецементного клінкеру з метою збереження найбільшого обсягу негідратованих частинок - реліктів з теоретичною міцністю 310 МПа (теоретична міцність гідратних фаз - 135МПа). Застосування двох пластифікуючих добавок Мазіе^іепішп АСЕ 430 і МеШих 2651 дозволило з н и з и т и дозування з 4% до 2,7% за масою в'яжучого, при цьому водоцементне відношення знизилося з 0,29 до 0,25 (мал. 3.1, мал. 3.2). Додаткове введення прискорювача твердіння АС в дозуванні 0,05 - 0,07% за масою в'яжучого крім прискорення набору ранньої міцності дає додатковий синергетичний ефект в підвищенні водоредукувальної здатності. 53 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 /ц Мал. 3.1 - Графік зміни водоцементного відношення порошковоактивованого бетону при різних дозуваннях суперпластифікувальної добавки Masterglenium АСЕ 430 « 10 $ 8 й Ж у. $ З . 2 ш Мал. 3.2 - Графік зміни водоцементного відношення порошковоактивованого бетону при різних дозуваннях комплексного хімічного модифікатора 3.3 Визначення основних технологічних фізико-механічних характеристик основних компонентів для бетону Визначення середнього діаметра частинок портландцементу: На підставі результатів проведених досліджень розмірів частинок в’яжучого, (мал. 3.3), можна визначити середній діаметр портландцементу, використовуваного в дослідженнях[43]. Мал. 3.3 - Диференціальна і інтегральна криві розподілу розмірів частинок портландцементу 54 Середнім діаметром частинок портландцементу приймається діаметр, одержуваний при перетині інтегральної кривої розподілу значення питомого обсягу, рівного 50%. Таким чином, отримуємо значення середнього діаметра портландцементу БСР = 35мкм. Визначення середнього діаметра частинок тонкодисперсного шлаку. На підставі результатів проведених досліджень розмірів частинок тонкодисперсного модифікатора, (мал. 3.4), можна визначити середній діаметр тонкодисперсного цементу шлаку, використовуваного в дослідженнях [37]. ■Ой Сізм сМЗД 5 4 З о 01 0 5 1 5 10 50 100 500 1010«0МІ Мал. 3.4 - Диференціальна і інтегральна криві розподілу розмірів частинок тонкодисперсного шлаку. Середнім діаметром частинок тонкодисперсного шлаку приймається діаметр, одержуваний при перетині інтегральної кривої розподілу значення питомого обсягу, який дорівнює 50%. Таким чином, отримуємо значення середнього діаметра тонкодисперсного шлаку бср= 20мкм. Визначення середнього діаметра частинок тонкодисперсного цементу ЛІгеосет 900 На підставі результатів проведених досліджень розмірів частинок в'яжучого, проведених в лабораторії (мал. 3.5), можна визначити середній діаметр тонкодисперсного цементу Ш іеосет 900, використовуваного в дослідженнях [43]. ОЗїкІ <ЯЗ(х] 5 4 З 2 0 1 0 5 1 5 10 50 100 10м00 Мал. 3.5 - Диференціальна і інтегральна криві розподілу розмірів частинок тонкодисперсного цементу Rheocem 900. 55 Середнім діаметром частинок тонкодисперсного цементу Ш іеосет 900 приймається діаметр, одержуваний при перетині інтегральної кривої розподілу значення питомого обсягу, який дорівнює 50%. Таким чином, отримуємо значення середнього діаметра тонкодисперсного цементу Ш іеосет 900 сІср=3,5мкм Визначення середнього діаметра частинок метакаоліну На підставі результатів проведених досліджень розмірів частинок в'яжучого, (мал. 3.6), можна визначити середній діаметр метакаоліну, використовуваного в дослідженнях[43]. ш у зм дам зо 80 _ 70 60 50 _ 40 ЗО 20 10 0 Мал. 3.6 - Диференціальна і інтегральна криві розподілу розмірів частинок метакаоліну Середнім діаметром частинок метакаоліну приймається діаметр, одержуваний при перетині інтегральної кривої розподілу значення питомого обсягу, що дорівнює 50%. Таким чином, отримуємо значення середнього діаметра метакаоліну сІСр= 2,2мкм. 3.4. Аналіз складів високоміцних бетонів з спеціальними процесами активації та домішками Певні оптимальні показники компонентів були використані при розробці складів модифікованих і порошково-активованих бетонів. Експериментальні дослідження проводились із застосуванням портландцементу Цем І 42,5 Н. Для заповнення першого структурного рівня дисперсно- гранулометричного складу багатокомпо-нентного в'яжучого застосовувався тонкодисперсний доменний гранульований шлак. Другий структурний рівень заповнювався із застосуванням тонкодисперсного цементу Ш іеосет 900. При заповненні третього структурного рівня використовувався метакаолін. Заповнення четвертого структурного рівня здійснюється з використанням мікрокремнезема. Для зниження водопотреби застосовувався комплексний хімічний модифікатор. Як заповнювач застосовувався поліфракційний пісок. Порошково-активований бетон готували на планетарному лабораторному змішувачі для приготування 56 цементного тіста з чашею об'ємом 5 літрів. Швидкість обертання лопаті навколо своєї осі складала 280 об./хв., при планетарному обертанні навколо осі чаші - 125 об./хв. Технологія приготування порошково-активованого бетону була наступною: приготування в бетонозмішувачі багатокомпонентного в'яжучого; введення в в'яжучий поліфракційний заповнювач; приготування бетонної суміші протягом 3 хвилин; укладка зразків-кубів з розмірами 10x10x10 см в форми; твердіння в нормальних умовах [43]. Таблиця 3.1 - Проаналізовані розроблені склади бетону Витрати компонентів, кг Багаторівнева оптимізована цементна система Добавки т м ц МТК М К 1 500 - - - 1310 173 13 3,3 0,33 2.1 340 130 - - 1 1310 173 13 3,3 0,33 2.2 324 173 - - - 1310 173 13 3,3 0,33 2.3 300 200 - - - 1310 173 13 3,3 0,33 3.1 373 173 45 " 1310 173 13 3,3 0,33 3.2 332 173 72 “ 1310 173 13 3,3 0,33 3.3 325 173 93 - " 1310 173 13 3,3 4.1 332 173 45 24 1310 173 13 3,3 0,33 4.2 325 173 45 45 “ 1310 173 13 3,3 0,33 4.3 493 173 45 50 13Ю 173 13 3,3 0,33 3.1 325 173 45 24 24 1310 173 13 3,3 0,33 3.2 312 173 775 2Р 40 1310 173 13 3,3 0,33 ь.з 450 173 45 24 72 13Ю 173 13 3,3 0,33 Характеристики міцності показників порошково-активованого бетону визначалися при нормальних умовах у віці 3, 7 і 28 діб. Також визначалася морозостійкість. Склад 1 був контрольним (табл. 3.1). Бетони складів 2.1 - 4.3 є модифікованими з поетапним заповненням 1 - 4-го структурного рівнів багатокомпонентного в'яжучого. Склади 5.1 - 5.3 - це склади порошково-активованих бетонів з варійованим вмістом компонента 4-го структурного рівня. Номер складу Цемент Шлак Пісок поліфракційний Вода М азіе^іепіит АС 430 МеШих 2651 Прискорювач АС тСП о 57 Висновки до розділу З Ефективним мінеральним модифікатором для заповнення першого рівня міжчасткових пустот портландцементу промислового помелу є тонкодисперсний доменний гранульований шлак у кількості 20-25% маси цементу з оптимальною питомою поверхнею 450-500м /кг, для другого - високодисперсний портландцемент - 10-12% - 900-1100м2/кг, в т. ч. гідромеханічно активований, а для третього - мікрокремнезем -9-12% - 2 # 1800...2100 м /кг. Тонкодисперсна фракція портландцементу забезпечує повне залучення різнодисперсних частинок мінеральних модифікаторів в пуцоланову реакцію у всіх мікрооб'ємах багатокомпонентної системи. Рівномірний перебіг пуцоланової реакції компонентів на різних структурних рівнях забезпечується застосуванням тонкодисперсного портландцементу з в о дисперсністю 821 м /кг. Редукування водовмісту бетонної суміші досягається застосуванням суперпластифікаторів третього покоління в комплексі з високовалентним прискорювачем твердіння, застосовуваним відповідно до закону Шульце-Гарді і забезпечує синергетичний ефект від їх використання, а також володіє розширювальним механізмом дії. Оптимальний вміст прискорювача твердіння становить 0,07% маси цементу, а додаткове водоредуціювання - 20-30%. 58 РОЗДІЛ 4. ЕФЕКТИВНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ БЕТОНУ ВИСОКОЇ МІЦНОСТІ ТА ЙОГО СТРУКТУРИ. 4.1. Властивості бетонів високої міцності та їх аналіз Основним завданням досліджень є визначення властивостей 10 складів модифікованих і порошково-активованих бетонів, а також визначення ступеня впливу якості структури на властивості цементного матеріалу. Були досліджені модифіковані та порошково-активовані бетони (10 складів). Всі склади мали ідентичні показники по легкоукладальності П=10см. Визначалися фізико-механічні властивості модифікованих і порошково- активованих бетонів. Результати досліджень зведені в табл. 4.1. Порошково-активовані бетони задовольняють вимогам ДСТУ «Бетони високоміцні важкі і дрібнозернисті для монолітних конструкцій. Правила контролю і оцінки якості». Таблиця 4.1 - Фізико-механічні властивості модифікованих і порошково- активованих бетонів Витрати компонентів, кг № Багаторівнева-оптимізована Міцність п/п цементна система Добавки на стиск, МПа 1 800 - - - 1510 176 16 5,6 0,56 32 54 75 650 2.1 640 160 - - - 1510 176 16 5,6 0,56 29 49 70 640 2.2 624 176 - - - 1510 176 16 5,6 0,56 31 52 87 735 2.3 600 200 - - - 1510 176 16 5,6 0,56 27 46 68 635 3.1 576 176 48 - - 1510 176 16 5,6 0,56 38 62 102 820 3.2 552 176 72 - - 1510 176 16 5,6 0,56 34 56 92 742 3.3 528 176 96 - - 1510 176 16 5,6 0,56 ЗО 55 90 738 4.1 552 176 48 24 1510 176 16 5,6 0,56 45 74 117 880 4.2 528 176 48 48 - 1510 176 16 5,6 0,56 41 64 104 774 4.3 496 176 48 80 - 1510 176 16 5,6 0,56 39 61 99 760 5.1 528 176 48 24 24 1510 176 16 5,6 0,56 52 86 136 988 5.2 512 176 48 24 40 1510 176 16 5,6 0,56 48 75 125 946 5.3 480 176 48 24 72 1510 176 16 5,6 0,56 44 73 118 920 Цемент Шлак тм ц м т к МК Пісок поліфракційний Вода М а з іе ^ іе п іи т АСЕ 430 МеШих 2651 Прискорювач АС 3 доба 7 доба 28 доба Морозостійкість, циклів 59 4.2. Аналіз оптимізації структури і властивостей бетону високої міцності При синтезі високоміцних порошково-активованих бетонів необхідно створити дискретно - безперервний дисперсно-гранулометричний склад частинок і зерен твердої фази. При цьому кожна наступна більше тонкодисперсна фракція повинна в оптимальній кількості з максимальним заповненням міжчасткових або міжзернових порожнин розташовуватися між частинками або зернами менш дисперсної. При створенні такого рівня щільних упаковок найважливішим фактором є вибір пружних, пуцоланічних, гідратаційних і інших властивостей частинок і зерен для різних структурних рівнів, що забезпечують їх збалансований однорідний розподіл відповідно до електрокінетичного потенціалу і напруженим станом, пов'язаним в т.ч. з розміром частинок, а також із змінними термодинамічними потенціалами в процесі твердіння порошково-активованих бетонів [31,43]. Таким чином, об'ємна частка і дисперсний розмір часток кожної наступної фракції матеріалу повинна відповідати розміру міжчасткових пустот і їх обсягу в попередній. Обсяг залишившихся пустот в синтезованій таким чином системі буде мінімальним. При недостатньому вмісті частинок будь-якого рівня для заповнення відповідних пустот в попередньому буде формуватися неоднорідна більш невпорядкована з більш високою ентропією структура цементного каменю з відносно «низькою» міцністю, а при підвищеному - буде спостерігатися агрегація частинок і, наприклад, для мінеральних добавок утворення псевдопор. Необхідно відзначити, що вибір матеріалів для рівномірного розподілу часток на різних структурних рівнях по дисперсності з метою формування більш упорядкованої мікроструктури повинен забезпечувати або процес гідратації їх, а також протікання пуцоланової реакції між частинками сусідніх рівнів. Крім того, для забезпечення високої міцності таких систем дисперсні частинки всіх рівнів повинні мати високі модулі пружності і найдоцільніше близькими за значенням, що забезпечить більш однорідний напружений стан, в т.ч. при підведенні до системи енергії або речовини. Рівень допустимої енергії до матеріалу в цьому випадку збільшується [31,43]. З урахуванням викладених вище положень з урахуванням оптимальних параметрів (п.3.3 - п.3.6) можливо визначити оптимальний зміст компонентів при послідовному, а також оптимальний дисперсно-гранулометричний склад при одночасному заповненні всіх структурних рівнів багатокомпонентного в'яжучого, (мал. 4.1 - 4.5). 60 53,25 ПорІІСТІСТЬ системи Мал. 4.1 - Графік зміни пористості багатокомпонентної системи при заповненні 1-го структурного рівня дисперсно-гранулометричного складу 40 ВП ВИ, ВЦ ВЦ ВЦ ВЦ ВЦ ВП ВЦ ВЦ ВЦ К'пеосет К'псосгт ВИеоссш КИеосет КНеосега КЫмсст КВеосет КІіеосст ВІїсосет КЬсосст й іеоест 9 0 0 .5 % 0 0 0 65.. У(!() ?'!■;, 9 0 0 .4 % 9 00 9% 900 ІЇІВ, 4 00 И В , 9 00 і 2 % 900 і 3°-3 9 0 0 14% 9 0 0 15% пористість системи Мал. 4.2 - Графік зміни пористості багатокомпонентної системи при заповненні 2-го структурного рівня дисперсно-гранулометричного складу 50 40 — - ........................... ... .............. — — ----- .................... ... ... 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 11% 12% метакаолін,% і —#"» Пористість системи Мал. 4.3 - Графік зміни пористості багатокомпонентної системи при заповненні 3-го структурного рівня дисперсно-гранулометричного складу 61 43,1 41,45 42 .Ч ) .. 4 2 >47 42 ,12 1 1 Г , 41,07 ’ 41: „43 41 Д . 40 ,26 з 9 -89 39,5 / * * “ “ “ 1% 21% 3 % 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 1.1% 12% 13% мікрокремнезем >*«•»* Пористість системи Мал. 4.4 - Графік зміни пористості багатокомпонентної системи при заповненні 4-го структурного рівня дисперсно-гранулометричного складу 53 25 ’Ч, 47X4 48 43 39.5 ЇІортлашнемевт Тонкомолота й шпак ВІД й ш о еет 900 6% Метокаоя і н ?>% М і крокрем лезам 3% 22% пористість системи Мал. 4.5 - Графік зміни пористості багатокомпонентної системи при заповненні всіх структурних рівнів дисперсно-гранулометричного складу Оптимізація міцних показників (мал. 4.6. - 4.8), а також морозостійкості (мал. 4.9) крім підвищення щільності вихідної упаковки частинок досягається в тому числі і обмеженням ступеня гідратації (п.3.2) мінералів клінкеру зі збереженням максимального обсягу негідратованої частини - реліктів частинок з міцністю 310 МПа (середня міцність гідратних фаз - 135МПа). 58 8 45 44 45 41 / 38 ЗУ/ .. ........ 34 .>5 .■>2 31 / .... 2 9 ..... :=іГ" ОМ <п СМ <-л Г:1 тог гч СЛ гп V ГСГ >4 Ж ж Ж Й Ж Й ж сПе «3 3 то РТОС пто Ртої .ттоо’ %2 3 § р § 3 а 2 О о и о и о и о3 о о Міцність 3 доби Мал. 4.6 - Характеристики міцності показників модифікованих і порошково- активованих бетонів у віці 3 діб. 62 Мал. 4.7 - Характеристики міцності показників модифікованих і порошково- активованих бетонів у віці 7 діб. Міцність у віці 28 діб Мал. 4.8 - Характеристики міцності показників модифікованих і порошково- активованих бетонів у віці 28 діб. Мал. 4.9 - Показники морозостійкості модифікованих і порошково-активованих бетонів. 63 4.3. Структура бетону високої міцності оптимального складу. Для оцінки структури порошково-активованих бетонів оптимальних складів були проведені мікроструктурні, а також рентгенофазові дослідження відколів зразків. Вік зразків був 3, 7, 28 діб. Результати наведені на мал.. 4.1 - 4.2. Був проведений рентгенофазовий аналіз, який дозволив визначити мінералогічні склади зразків порошково-активованого бетону. Результати у вигляді рентгенограм показані на малюнках 4.7 - 4.12. Аналіз цементного бетону контрольного складу 1 представлений на малюнках 4.7 і 4.8, бетону високої міцності з тонкодисперсним шлаком (склад 2.2.) - на малюнках 4.9 і 4.10, порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом Rheocem 900 (склад 3.1.) - на малюнках 4.11 і 4.12, а також тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом Rheocem 900, метакаоліном, мікрокремнеземом (склад 5.1.) у віці 28 діб після нормального твердіння відповідно [53,57]. Мал. 4.10 - Рентгенограма цементного бетону контрольного складу 1 у віці 28 діб нормальних умов. Після ідентифікації рентгенограм пінобетону контрольного складу 1 у віці 28 діб після ТВО і нормального твердіння були виявлені наступні мінерали клінкеру і новоутворення[53]: Аліт СзБ (54Са0-168і02-А120 3-М £0) з міжплощинною відстанню б = (3,03; 2,78 ... 2,75; 2,61; 2,18; 1,76; 1,49) -Ю'10 м; Трьохкальцієвий алюмінат С3А (Са3А120 6) з б = (4,23; 4,08; 3,33; 2,05; 1,91; 1,55) -Ю’10 м; беліт рь- С28 (ларніт) з б = (2,748; 2,609; 2,189; 2,047; 1,98; 1,696; 1,574) -Ю'10 м; чотирьохкальцієвий алюмоферіт С4Б (Браунмілеріт) з б = (7,32; 2,67; 2,04; 1,92; 1,81; 1,39) •Ю'10м ; кварц: (З-БбСЬ з б = (4,24; 3,352; 1,82; 1,54) -10'10 м; природний гіпс - СаБ04-2Н20 з б = (7,56; 4,26; 1,99; 1,66) -Ю'10 м; кальцит СаСОз з б = (3,828; 3,067; 2,511; 2,301; 1,88) -Ю"10 м. 64 Ступінь гідратації контрольного складу 1 становить 50-55%. Рентгенограми бетону високої міцності з тонкодисперсним шлаком (склад 2.2.) у віці 28 діб нормального твердіння (мал. 4.11.) демонструють піки, схожі з піками цементного контрольного складу 1. При цьому, структура зі тонкомолотим шлаком має вищу закристалізованість і меншу інтенсивність піків портландіта. Ступінь гідратації зразків складу 2.2. становить 47 ... 50%. Мал. 4.11 - Рентгенограма бетону високої міцності з тонкодисперсним шлаком (склад 2.2) у віці 28 діб після нормального твердіння. За підсумками ідентифікації рентгенограм (мал. 4.12) порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом М іеосет 900 (склад 3.1.) Мал. 4.12 Рентгенограма порошковоактивованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом Ш іеосет 900 (склад 3.1) у віці 28 діб після нормального твердіння. У віці 28 діб твердіння були виявлені наступні піки [53].: портландіт Са(ОН)2 з сІ=(4,93; 3,11; 2,63; 1,78; 1,315))-Ю'10м; 65 С8Н (1) - С8Н (Б) - частково закристалізований гідросилікат кальцію з сі = (12,5; 3,07; 2,8; 1,83)-Ю‘10м. Він може утворюватися при температурі аж до 100°С; СБН (II) з сІ= (9,8; 3,07; 2,8; 2,0; 1,83; 1,56)-Ю‘10м; гідросилікат кальцію - ЗСаО28Ю 2-ЗН20 з <7 = (6,46; 5,74; 3,19; 2,84; 2,74; 1,704; 1,604)-Ю‘10м; гідроалюмінат кальцію ЗСа0-А120з-6Н20 з сІ= (5,14; 4,48, 4,45; 2,3; 2,23; 2,04; 1,68; 1,60) • Ю‘10м ; еттрінгіт 3СаО• А120 3• 3 С а804 • З2Н20 з сі = (9,73; 5,65; 4,704; 3,88; 2,56; 2,21) • Ю"10м. - гідроалюмоферіт кальцію ЗС а0 Б е20з-6Н20 з сі = (5,18; 4,50; 3,402; 2,07; 1,715) • Ю'10 м. Після вивчення рентгенограм (мал. 4.12) порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом И іеосет 900, метакаоліном, мікрокремнеземом (склад 5.1.) шлаком, високодисперсним цементом Rheocem 900, метакаоліном, мікрокремнеземом (склад 5.1) у віці 28 діб після нормального твердіння [53]. У віці 28 діб після нормального твердіння були виявлені наступні піки: мусковит К2О А 120 3 -6Si02-2H20 з міжплощинними відстанями d = (10,026 ... 10,03; 2,568; 1 ,4 9 8 ) -1 0 '10m ; каолін А120 3 -2Si02-2H20 . Його міжплощинні відстані <2= (7,14 ... 7,175; 3,57 ... 3 ,5 8 1 ; 1 ,4 8 7 ) -1 0 '10m [5 3 ,5 7 ]. кварц S i02 з d= (4,24 ... 4,257; 3,34; 1,813) Ю'10 м; портландіт Са(ОН)2 з d - (4,912 ... 4,919; 4,93; 3,11; 2,63; 1,93) -10'10м, кальцит СаСОз з d= (3,867; 2,287; 2,05; 1,91 ... 1,92; 1,869) Л0'10м, CSH-1 - слабо закристалізований гідросилікат кальцію: d = (1 2 ,5 ; 3 ,0 7 ; 2 ,8 ; 1,83) -10"10m ; 66 СБН-ІІ - більш закристалізований гідросилікат кальцію: с і - (9,8; 3,07; 2,8; 2,0; 1,83) -10"10м; гідросилікат кальцію - ЗСа0-28Ю2-ЗН20 , що має <і=(6,46;5,74;3,19;2,84;2,74) •Ю"10м; гідроалюмінати кальцію - ЗСа0-А120з-6Н20 з сі = (5,14; 4,48 ... 4,45; 2,3; 2,23; 2,04; 1,68; 1,60) • 10"'°м. Його утворюється досить багато і інтенсивності піків досить високі; еттрінгіт - ЗСа0-А120 3-ЗСа804-32Н20 з сі= (9,73; 5,65; 4,704; 3,88; 2,56;)-10'10м. гідроалюмоферіт кальцію - ЗСаОРе20 3-6Н20 : <7=(5,18;4,50;3,402;2,07)Т0"10м. Інтенсивність піків еттрінгіта, низькоосновних гідросилікатів кальцію досить висока. Це пов'язано з тим, що до складу 5.1. порошково-активованого входять тонкодисперсний шлак, метакаолін, мікрокремнезем і гіпс. Структура порошково-активованого бетону складу 5.1. має більш високу закристалізованість, ніж склад 2.2, і значно меншою интенсивністю піків портландіта. Ступінь гідратації зразків складу 5.1. складає 40 ... 45%. Висока міцність і низька усадка забезпечуються за рахунок розширювальної дії еттрінгіта, а також формування низькоосновних гідросилікатів кальцію (тоберморітоподібних) [53]. Був визначений кількісний фазовий склад порошковоактивованого бетону. Результати представлені в таблиці 4.2. Таблиця 4.2 - Кількісний фазовий аналіз модифікованих порошково- активованих бетонів. № Закристалі Ступінь № складу Са(ОН)2 Етрінгіт зованість, гідратації, % % Твердіння в нормальних умовах 28 діб 1 1 15,8 10,5 45 58 2 2.2. 13,6 9,3 53 52 3 3.1. 11,1 13,2 59 47 4 5.1. 9,8 18,2 65 40 Досліджена також мікроструктура зразків модифікованого і порошково- активованого бетонів контрольного складу 1 і складів 2.2, 3.1, 5.1. Знімки представлені на малюнках 4.13 ... 4.17. На 1 етапі досліджено структуру бетону контрольного складу 1 після ТВО і нормального твердіння у віці 28 діб. (Мал. 4.13,4.14). 67 Мал. 4.14 - Структура цементного бетону контрольного складу 1 після твердіння в нормальних умовах у віці 28 діб На 2-му етапі досліджена структура бетону високої міцності з тонкодисперсним шлаком у віці 28 діб складу 2.2 після твердіння в нормальних умовах (мал. 4.15). Мал. 4.15 - Структура бетону високої міцності з тонкодисперсним шлаком складу 2.2. після твердіння в нормальних умовах у віці 28 діб. На 3 етапі досліджено структуру порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком і високодисперсним цементом Rheocem 900 (склад 3.1.) у віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах (мал. 4.16). Мал. 4.16 - Структура порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком і високодисперсним цементом Ш іеосет 900 (склад 3.1.) у віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах. 68 На 4 етапі досліджено структуру порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом Ш іеосет 900, метакао- ліном і мікрокремнеземом (склад 5.1.) у віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах (мал. 4.17). Мал. 4.17 - Структура порошково-активованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом Шіеосеш 900, метакаоліном і мікрокремнеземом (склад 5.1.) у віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах [6]. Аналіз мікроструктури відколів зразків цементного бетону контрольного складу 1, модифікованого тонкодисперсним шлаком складу 2.2, порошковоактивованого бетону з тонкодисперсним шлаком і високодисперсним цементом М іеосет 900 складу 3.1, порошковоактивованого бетону з тонкодисперсним шлаком, високодисперсним цементом И іеосет 900, метакаоліном і мікрокремнеземом складу 5.1, представлених на малюнках 4.14 ... 4.17 дозволяє підвести такі підсумки. Створення дискретно - неперервного дисперсногранулометричного складу частинок і зерен твердої фази при якому кожна наступна більш тонкодисперсна фракція повинна в оптимальній кількості з максимальним заповненням міжчасткових або міжзернових порожнин дозволило максимально ущільняти структуру і зробити її більш однорідною [6]. 4.4. Побудова та аналіз математичної моделі властивостей високоміцного бетону. Створено математичну модель порошково-активованого бетону за допомогою методу математичного планування і обробки результатів експерименту. Матриці математичного планування представлені в таблицях 4.3 -4.6 У ній отримані функції мети порошково-активованого бетону при температурі (20 ± 2°С). 69 Таблиця 4.3 - Матриця математичного планування. Оптимізація вмісту компонентів при заповненні 1 -го структурного рівня Фактори Ф ун кц ії мети У і - м еж а м іцності на стиск № X, Х2 - Ясж, МПа У2 - морозостійкість - Б, циклів 1 20 20 68 620 2 20 22 69 650 3 20 24 59 630 4 22 20 78 680 5 22 22 87 735 6 22 22 87 735 7 22 22 87 735 8 22 24 81 640 9 24 20 80 700 10 24 22 83 620 11 24 24 71 710 Х[ - дозування тонкодисперсного доменного шлаку - (20, 22, 24)% від маси портландцементу на 1 м3; Х2 - водо-цементне відношення (В/Ц) - (20, 22, 24),% від маси портландцементу на 1 м3. Після обробки результатів отримані рівняння регресії: - для межі міцності при стисненні: У і = Веж = 87 - 2,618 X] - 1,743Х2 + 0,025 Х22 (похибка при апроксимації = 2%); - для морозостійкості: У2= Б, = 735 + 11,184 X! - 4,934Х2 + 0,1 Х22 (похибка при апроксимації = 4%). Таблиця 4.4 - Матриця математичного планування. Оптимізація вмісту компонентів при заповненні 2-го структурного рівня Фактори Функції мети У] - границя міцності на № Хі Х2 У2 - морозостійкість - Б, циклів стиснення - Ясж, МПа 1 4 20 88 788 2 4 22 96 780 70 3 4 24 98 758 4 6 20 99 745 5 6 22 102 820 6 6 22 102 820 7 6 22 102 820 8 6 24 90 780 9 770 8 20 91 8 22 92 760 10 24 95 740 11 8 Xi - дозування високодисперсного цементу Rheocem 900 - (4, 6, 8)% від маси портландцементу на 1 м3; Х2 - водо-цементне відношення (В/Ц) - (20, 22, 24),% від маси портландцементу на 1 м3. Після обробки результатів отримані рівняння регресії: для межі міцності при стисненні: Уі = Rc*= 102 - 0,947 X! + 0,822Х2 - 0,075 Х22 (похибка при апроксимації = 3%); для морозостійкості: У2 = F! = 820 - 5,723 X! - 7,599Х2 + 0,62 Х22 (похибка при апроксимації = 2%). Таблиця 4.5 - Матриця математичного планування. Оптимізація вмісту компонентів при заповненні 3-го структурного рівня Фактори Функції мети У! - границя міцності при № Хі Х2 У2 - морозостійкість - F, циклів стисненні - Ясж, МПа 1 1 20 97 788 2 1 22 108 795 3 1 24 102 774 4 3 20 110 800 5 3 22 117 880 6 3 22 117 880 7 3 22 117 880 8 3 24 107 790 9 5 20 103 785 10 5 22 99 780 11 5 24 96 770 ------- L—------------------------- ^ Хі - дозування метакаоліну - (1 ,3 ,5 )% від маси портландцементу на 1 м ; 71 X2 - водо-цементне відношення (В/Ц) - (20, 22, 24),% від маси портландцементу на 1 м3. Після обробки результатів отримані рівняння регресії: для межі міцності при стисненні: Уі = Ясж =117 + 3,151 Хі - 1,276X2- 0,01 Х22 (похибка при апроксимації = 2%); для морозостійкості: У2 = F] = 880 - 12,697 Хі + 11,45Х2+ 1,1 Х22(похибка при апроксимації = 2%). Таблиця 4.6 - Матриця математичного планування. Оптимізація вмісту компонентів при заповненні 4-го структурного рівня Фактори Ф ункції мети У, - межа міцності при № X, Х2 стисненні - Лсж, МПа У 2 - морозостійкість - F, циклів 1 1 20 132 965 2 1 22 129 949 3 1 24 126 931 4 3 20 130 981 5 3 22 136 988 6 3 22 136 988 7 3 22 136 988 8 3 24 123 972 9 5 20 127 970 10 5 22 124 928 11 5 24 121 936 Хі - дозування мікрокремнезема - (1 ,3 , 5)% від маси портландцементу на 1 м3; Х2 - водо-цементне відношення (В/Ц) - (20, 22, 24),% від маси портландцементу на 1 м . Після обробки результатів отримані рівняння регресії: для межі міцності при стисненні: Уі = ЬЦж = 136 + 1,175 Хі - 1,025Х2 + 0,087 Х22 (похибка при апроксимації = 2%); для морозостійкості: У2 = = 988 - 15,97 X] - 9,283Х2 - 0,213 Х22 (похибка при апроксимації = 1%)[63]. 72 4.5. Результативність та техніко-економічна ефективність бетону високої міцності Застосовані на прикладі конкретного виконання на підприємстві ТОВ «ПНК-Груп», а саме модифікованого порошково-активованого бетону оптимального складу з класом міцності С І 00 застосовано при виготовленні колон для зведення виробничих корпусів. Обсяг застосування склав 100 м . При лабораторних дослідженнях бетону високої міцності з раціональним дисперсним складом неавтоклавного твердіння у віці 28 діб отримані результати: середня щільність - 2450 кг/м З ; межа мі• цності« при стисканніо у вів ці• 28 діб - 138 МПа, клас по міцності - С90; марка по морозостійкості F 1800 [55,56]. Техніко-економічна ефективність модифікованого порошковоактивованого бетону. Як вказувалося раніше, в 2024 році обсяг виробництва високоміцних бетонів становив 0,5млн.м З . За попередні• ми даними виробництво високомі•цних бетонів в 2025 році досягне 1,5 млн. м3. На основі аналізу техніко-економічних показників роботи заводів з виробництва високоміцного бетону був зроблений розрахунок ефективності виробництва порошково-активованого бетону оптимального складу. Результати наведені в таблиці 4.7. Капітальні вкладення (таблиця 4.7) були розраховані при розміщенні обладнання в існуючому цеху. Величина капіталовкладень прийнята рівною вартості обладнання з коефіцієнтом 1,5. 73 Таблиця 4.7 - Техніко-економічні показники цеху Показники Цех виробництва порошковоактивованого високоміцного бетону Річна потужність заводу, тис. м3 50 Вартість обладнання, грн 1100667 В тому числі: Ділянка прийому та обробки вихідних компонентів 76667 складу, грн. Ділянка дозування сировинних компонентів, грн. 836000 Ділянка перемішування бетонної суміші, грн. 102000 Бортоснащення і піддони, грн. 86000 Середня міцність бетону, МПа 136 Витрата цементу, кг на 1 м' виробів 480 Витрата тонкомолотого цементу, кг на 1 м3 виробів ... ̂ ̂ ̂ 48 Витрата мінеральних наповнювачів, кг на 1 м виробів 272 Витрата електроенергії, кВт / м3 ЗО Кількість працюючих, чол. 12 14766 Собівартість виробів, в тому числі: амортизаційні відрахування і витрати на експлуатацію, грн. 3066 Витрати на мінеральні наповнювачі та тонкомелений цемент, грн. 72000 Витрати на хімічні модифікатори і добавки, грн. 24000 Капіталовкладення, грн. 1286000 За результатами дослідження була запропонована технологія отримання модифікованого порошково-активованого бетону з оптимальним складом. Технологічна схема виробництва приведена на малюнку 4.18. До складу компонентів входять: портландцемент ЦЕМ 1 42,5 Н або ПЦ 500-Д0, тонкодисперсні доменні гранульовані шлаки, тонкомолоті цемент Ш іеосет 900, метакаолін, мікрокремнезем, метакаолін, суперпластифікатори М а й е ^ е п ш т АСЕ 430 і МеШих 2651, прискорювач твердіння АС. Клас бетону за міцністю - С 100. 74 Мал. 4.18 - Технологічна схема виробництва бетону високої міцності оптимального складу Технологічна лінія містить [63]: - стрічкові транспортери до витратних бункерів; - бункер портландцементу; - бункер тонкодисперсного доменного шлаку; - бункер високодисперсного цементу Ш іеосет 900; - бункер метакаоліну; -бункер мікрокремнезема; - ємність для комплексного хімічного модифікатора; - дозатори за масою; - ємність для води; - бетонозмішувач; - кюбель адресної подачі бетонної суміші; - портальний бетоноукладальний бетонної суміші; - стенди для формування виробів; - бункер для фракційного піску. Технологія приготування бетону високої міцності була наступною: -дозування за масою компонентів багатокомпонентного в'яжучого; -приготування багатокомпонентного в'яжучого; -введення в багатокомпонентне в'яжуче поліфракційного піску; -приготування бетонної суміші протягом 3 хвилин; -доставка бетонної суміші до формувального посту за допомогою адресної подачі; -укладання бетонної суміші в стенд формування виробів; -укриття наформованих виробів термоматами; -твердіння в стенді формування протягом 12год; -розпалубка виробів; -переміщення виробів на склад готової продукції 75 Була розрахована ефективність заводу з виробництва модифікованого порошково-активованого бетону з оптимальним складом потужністю 50 тис.м в рік. За капіталовкладенням, розрахункова ефективність становить понад 40 млн. грн. Висновки до розділу 4. Проаналізовані принципи багаторівневої оптимізації дисперсного складу модифікованого порошково-активованого бетону забезпечують раціональну витрату мікрокремнезема, як значимо стабілізуючого структуру високодисперсного компонента на ранній стадії її формування, на низькому рівні (3% маси багатокомпонентного в'яжучого). Отримано математичні моделі властивостей і оптимізований склад високоміцного бетону високої міцності в залежності від вмісту тонкодисперсного доменного шлаку, тонкодисперсного портландцементу, метакаоліну, мікрокремнезему. Міцність модифікованого порошково- активованого бетону при оптимальних витратах компонентів на різних структурних рівнях і комплексного хімічного модифікатора в віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах становить понад 130 МПа, перевищуючи міцність контрольного складу більш ніж в 2 рази, а морозостійкість - на 30%. Зниження витрати цементу щодо контрольного складу та умови отримання рівноміцних бетонів становить 272 кг/м . Структура модифікованого порошково-активованого бетону, що підтверджує його високу міцність, характеризується більш високою закристалізованістю, значимо меншим вмістом портландіта і великим низькоосновних високоміцних гідросилікатів кальцію, а також високою концентрацією твердої фази в одиниці об'єму, в тому числі змістом великих часток реліктів клінкеру і шлаку. Ступінь гідратації становить 40-58%. Проаналізовано технологію отримання залізобетонних виробів з модифікованого порошково-активованого бетону з високими будівельно- технічними властивостями. Проаналізовано застосування модифікованого порошково-активованого бетону з високими будівельно-технічними властивостями при виготовленні залізобетонних колон. Обсяг модифікованого порошково-активованого бетону склав 100 м. 76 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ Виконано огляд сучасної літератури щодо отримання бетону високої міцності для каркасів багатоповерхових будівель. Досліджені основні положення синтезу раціонального дисперсного складу бетону високої міцності з високими будівельно-технічними властивостями за рахунок багаторівневої оптимізації упаковки твердих частинок, що забезпечує високу концентрацію твердої фази в одиниці об'єму. Упорядкований таким чином на 4-х рівнях самоорганізованих за рахунок оптимальних геометричних і кількісних параметрів і енергетичного стану дисперсний склад забезпечує зниження міжчасткової пустотності багатокомпонентної системи на 12% і підвищення міцності бетону більш ніж в два рази. Ефективним мінеральним модифікатором для заповнення першого рівня міжчасткових пустот портландцементу промислового помелу є тонкодисперсний доменний гранульований шлак у кількості 20-25% маси цементу з оптимальною питомою поверхнею 450-500м /кг, для другого - високодисперсний портландцемент - 10-12% - 900-1100м2/ /кг, в т. ч. гідромеханохімічно активований, а для третього - мікрокремнезем -9-12% - 1 8 0 0 . . .2 1 0 0 м 2/ к г . Тонкодисперсна фракція портландцементу забезпечує повне залучення різнодисперсних частинок мінеральних модифікаторів в пуцоланову реакцію у всіх мікрооб'ємах багатокомпонентної системи. Редукування водовмісту бетонної суміші досягається застосуванням суперпластифікаторів третього покоління в комплексі з високовалентним прискорювачем твердіння і забезпечує синергетичний ефект від їх використання, а також має розширювальний механізм дії. Оптимальний вміст прискорювача твердіння становить 0,07% маси цементу, а додаткове водоредуціювання - 20-30%. Рівномірний перебіг пуцоланової реакції компонентів на різних структурних рівнях забезпечується застосуванням тонкодисперсного портландцементу з дисперсні• стю 821 м 2 /кг. Проаналізовані принципи багаторівневої оптимізації дисперсного складу бетону високої міцності забезпечують раціональну витрату мікрокремнезему, як значимо стабілізуючого структуру високодисперсного компонента на ранній стадії її формування, на низькому рівні (3% маси багатокомпонентного в'яжучого). Отримано математичні моделі властивостей і оптимізований склад бетону високої міцності в залежності від вмісту тонкодисперсного доменного шлаку, тонкодисперсного портландцементу, метакаоліну, мікрокремнезему. Міцність модифікованого порошково-активованого бетону при оптимальних витратах компонентів на різних структурних рівнях і комплексного хімічного 77 модифікатора в віці 28 діб після твердіння в нормальних умовах становить понад 130 МПа, перевищуючи міцність контрольного складу більш ніж в 2 рази, а морозостійкість - на 30%. Зниження витрати цементу щодо контрольного складу та умови отримання рівномірних бетонів становить 272 кг/м3. Структура модифікованого порошково-активованого бетону, що підтверджує його високу міцність, характеризується більш високою закристалізованістю, значимо меншим вмістом портландіта і великим низькоосновних високоміцних гідросилікатів кальцію, а також високою концентрацією твердої фази в одиниці об'єму, в тому числі вмістом великих часток реліктів клінкеру і шлаку. Ступінь гідратації становить 40-58%. Проаналізовано технологію отримання залізобетонних виробів з модифікованого порошково-активованого бетону з високими будівельно- технічними властивостями. Підраховано вартість застосування бетону високої міцності з високими будівельно-технічними властивостями при виготовленні залізобетонних колон.