Новая технология бетона. Вибрирование.

         Физико-химическая теория бетона. Вибропомол. Вибросмешивание. Снижение расхода цемента.

          При прочих равных условиях экономии и ускорении твердения цемента с другими способами, даннный вариант мог бы остаться лишь теорией. Но, судя по состоянию российского цементного производства и ценообразованием на него в последние годы....!? Хотите взглянуть на технологию бетона изнутри, снизить расход цемента вполовину, понять принципы приготовления раствора? Вобщем, в любом случае, стоит прочитать хотя бы постскриптум к статье. Внимательного Вам ознакомления. 

Аксиомы.
        # Типовое оборудование не позволяет рационально использовать тонкомолотые цементы. На образование цементного клея в лучшем случае используется лишь половина сырья, 50% цемента  не реагирует с водой, и остаются неиспользованными в бетоне. Проблема, в невозможности обеспечить условия равномерного распределения воды между зёрнами цемента, необходимого для образования в бетоне тонкокапиллярного цементного камня, определяющего долговечность и морозостойкость бетона в конструкциях.
        # Допустимое содержание в песках примесей глины для гидротехнического строительства не более 3%, а для промышленного строительства не более 5%, сильно ограничивает возможности использования местных песков. Плёночная глина, препядствуя сцеплению цементного камня с заполнителем, понижает прочностные показатели бетона. Отдельные включения глины, попав в цементный камень, при переменном увлажнении и высыхании являются концентраторами напряжений и способствуют преждевременному разрушению бетона, снижению его долговечности.
        # При интенсивном виброперемешивании бетонной смеси глинянные плёнки механически счищаются с поверхности зёрен заполнителя. Включения глины разрушаются и равномерно распределяются в цементном тесте, выполняя роль микрозаполнителя. Введение в бетонную смесь микрозаполнителя для экономии цемента, вопреки распространённому мнению (с лёгкой руки производителей этих самых заполнителей), приводит не к повышению прочности бетона, а к снижению, так как по существующей технологии с целью понижения вязкости смеси приходится увеличивать её водосодержание.      

        "Новая технология бетона" разработана доктором технических наук Н. В. Михайловым совместно с академиком П. А. Ребиндером ещё в 60-е годы прошлого столетия. Суть метода заключается в использовании вибрирования на всех этапах производства бетона.    

         Предварительно производится помол или домалывание цемента с песком в вибромельницах или раздельный тонкий помол цемента и песка, что повышает активность, снижает расход цемента и ускоряет твердение бетона. Применяя интенсивное разночастотное вибрирование и малые добавки поверхностно-активных веществ (в дальнейшем ПАВ) и электролитов, можно широко использовать в бетоне тонкомолотые цементы и мелкие пески, что обеспечивает быстрое твердение сформованных деталей и полное использование вяжущих свойств цемента в бетоне. Добавки ПАВ и электролитов понижают вязкость и прочность коагуляционных структур цементного теста, стабилизируя их и сокращая водопотребность системы.
        Сниженное колличество воды усиливает эффективность вибрационных воздействий, которые в свою очередь уменьшают вдвое дозировку ПАВ, сохраняя качество их действия.

        В основу "новой технологии бетона" разработчики положили пограничную область науки - физико-химическую механику, возникшую на связи физической и коллоидной химии, молекулярной физики и механике твёрдых тел. Разделив поцесс структурообразования цементного теста по типу образующих структур на периоды формирования и упрочения, получили два направления  основных исследований.
Период формирования - это момент начального твердения, когда цементное тесто ещё сохраняет свою пластичность с преобладанием коагуляционной структуры над коагуляционно-кристализационной.
Период упрочения - это период увеличения по мере твердения соотношения прочностей кристализационной и коагуляционной структур, с преобледанием первой.

   Теория метода. Физико-химические свойства.

        Основным  минералом, обуславливающим свойства цемента, является трёхкальциевый силикат. Интенсивность его растворения непосредственно связана со скоростью твердения бетона и набором необходимых свойств. При вводе в цементное тесто тонкомолотого песка со свежеобразованной поверхностью зёрен, кремнезём активно реагирует с известью, образуя на этой поверхности гидросиликат калия. Снижение концентрации свободной извести в растворе приводит к ускорению растворения трёхкальциевого силиката и обеспечивает плотность цементного камня при уменьшении содержания в смеси цементного клея. Вибрационное воздействие приводит к возникновению градиента скорости в прослойке между зёрнами цемента и микрозаполнителя, вследствии чего коагуляционная (не путать с кристализационной) структура коллоидного клея разрушается, и вязкость его значительно понижается. Для предельного разрушения структуры смеси и достижения наибольшей пластичности параметры вибрирования должны быть близкими к собственным частотам колебания зёрен.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Важно!!! Разрушение структуры цементного теста, вызываемое вибрацией и пр. даёт положительный эффект только на этапе формирования её. См. " период формирования ". Разрушение структуры в "периоде упрочения" носит необратимый характер!!!
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
         Оценка цемента по срокам схватывания теста "нормальной густоты", а бетонных смесей их "укладываемостью" не является обоснованной и не даёт правильной оценки свойств материалов. Применение приборов и "карманных лабораторий" по определению марки цемента вряд ли могут указать на качество цементного камня в дальнейшем.
         Для правильного представления о свойствах цементно-песчанных смесей, необходимо иметь характеристики кинетики процессов структурообразования цементного теста отдельно при разных В/Ц и его смеси с заполнителем. Удобоукладываемость и подвижность бетона следует характеризовать значением эффективной вязкости при производственном вибрировании. Такое исследование помогло бы составлять смеси оптимальными, без излишнего расхода цемента с наилучшей пластичностью и прочностью.

   Практическое применеие метода. Приготовление раствора.

          # В качестве вяжущего применяется тонкоизмельчённый, узкофракционированный клинкерный цемент без добавок, приготовленный на месте потребления непосредственно перед использованием. Тонкость помола должна быть не менее 5000 см²/гр. Идеальная удельная поверхность 7000-8000 см²/гр. Наиболее совершенным способом использования цемента является предварительное приготовление коллоидного цементного клея, способного к быстрой кристаллизации.
          # Микрозаполнителем используется свежеприготовленный тонкомолотый песок с удельной поверхностью 3000 см²/гр. Помол песка и цемента можно производить совместно до 5000 см²/гр в смеси. В этом случае измельчение песка произойдёт до 3000 см²/гр, а цемента до 7000 см²/гр. Приготовление смесей производится с наименьшим водосодержанием и небольшими дозировками ПАВ и электролитов. Консистенция смеси должна быть максимально жёсткой.
          # Перемешивание должно осуществляться при вибрационных воздействиях с круговыми колебаниями и большими амплитудами. Такие вибровозбуждения не уплотняют, а разрыхляют смеси. Как минимум необходимы вибрирования с частотой 1500 кол/мин и амплитуде 4-5 мм. По возможности следует применять разночастотную вибрацию.
          # Формование изделий выполняется виброштампованием, при котором происходит равномерное распределение  колебаний различных частот и соответствующих им амплитуд. Минимальные требования - 3000 и 6000 кол/мин с амплитудами 0.7 и 0.2 мм соответственно. Колебания должны быть направлены вертикально, а удельное давление пригруза не менее 100 г/см². Оптимальные частоты вибрации 9000-15000 кол/мин при 0.1 мм амплитуды.

          Для получения особо прочных и плотных бетонов необходим подбор параметров вибрирования на нескольих этапах. Сначала нужен подбор цементного теста с микрозаполнителем при высокочастотной вибрации в 6000 колебаний/мин с амплитудой не более 0.2 мм. При добавлении песка, выбрав оптимальное соотношение, к высокочастотному вибрированию добавляется средняя частота в 3000 кол/мин с амплитудой 0.7-0.8 мм. Заключительным этапом, добавляя крупный заполнитель, полученную уже смесь расцениваем как просто вяжущее. Необходимо вывести оптимальное соотношение и добавить низкочастотную вибрацию в 200-600 кол/мин с амплитудой в 5-10 мм.
          Для всех заполнителей, входящих в бетонную смесь, наилучшие результаты по прочности и плотности при минимальном расходе цемента даёт прирывистая гранулометрия. При добавлении поочерёдно наполнителей разной (увеличивающейся) зернистости обеспечивается наиболее компактная упаковка с большим числом контактов.
          Отформованные изделия не требуют гидротермальной обработки или её сроки значительно сокращаются. Изделия, работающие в условиях переменного увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания запрещается обрабатывать гидротермальным способом, так как это влечёт образование микродефектов в структуре бетона вследствие возникающих в нём температурных и усадочных напряжений.
           Для изделий работающих в агрессивных средах, следует применять тепловую низкотемпературную ( 40-60^oС ) обработку и вибрационный прогрев бетонной массы до той же температуры при формовании.

        P.S. Некоторые расчёты экономической целесообразности данной технологии заставляют серьёзно задуматься над реальным воплощением её в производстве как тяжёлых, так и ячеистых бетонов. Выглядят они следующим образом.
           # Узаконеные потери цемента при транспортировке, погрузке и выгрузке составляют 5%. Реальные - 10% - 12%. Зачастую, взять цемент прямо с завода нереально, а то и дороже, чем у поставщиков-перекупщиков. Это означает, что он пройдёт двойную перевалку через силосы-хранилища цемента, а это ещё 5-10% потерь. Оплачивают эти потери потребители цемента в виде прямой "накрутки" стоимости или в виде недостачи или в виде "разбодяживания" цемента минеральным порошком. Итого 15-20 % переплаты гарантировано.
           # Излишне перевозятся активные добавки, вводимые в цемент при его изготовлении. Для портландцементов это от 15% до 30% массы. То есть за доставку, в среднем, каждого пятого цементовоза, можно не платить при домоле сырья на месте. Вдобавок при перевозке и цемент и ПАВы в нём, несколько теряют свои свойства.
           # Выполнение даже минимальных условий вибропомола и виброперемешивания позволяет при том же расходе цемента увеличить прочность бетона на 40-50%, или при сохранении заданной прочности уменьшить до 30% его расход.
           # При использовании "новой технологии бетона" для приготовления раствора можно использовать старые и лежалые цементы.

           Эта статья составлена на основе трудов по физико-химическим свойствам бетонов доктора технических наук Михайлова Н.В. совместно с академиком П.А. Ребиндером, а так же кандидата технических наук, заведующей испытательной лабораторией Е.Е. Калмыковой.