Реологические свойства сверхвысококачественного бетона и способы их регулирования: обзор

РЕФЕРАТ. Сверхвысококачественный бетон (ultra-high performance concrete, UHPC) — ​это относительно недавно разработанный композитный материал, имеющий особо высокую прочность, повышенную ударную вязкость и исключительную долговечность. Однако низкое водоцементное отношение, высокая доля мелкозернистых частиц и, как следствие, высокая вязкость бетонной смеси затрудняют ее перекачивание и укладку, осложняют получение однородной смеси, а также негативно сказы­ваются на равномерности распределения фибры, что снижает ее благотворное влияние на механические свойства готового бетона. В этой связи UHPC имеет ограниченное применение. В статье рассмотрены характеризующие реологию UHPC параметры и описывающие ее модели. Обсуждены методы регулирования реологических свойств UHPC в зависимости от водоцементного отношения, а также от характеристик минеральных и химических добавок, заполнителя и фибры. Описаны следующие подходы: регулирование толщины водной оболочки вокруг частиц, толщины оболочки из цементного теста на частицах заполнителя, снижение вязкости поровой жидкости, применение модификаторов вязкости и подбор характеристик фибры.

Ключевые слова: сверхвысококачественный бетон, реологические свойства, подбор состава, распределение фибры, механические свойства.

Keywords: ultra-high performance concrete, rheological properties, mix design, fiber dispersion, mechanical properties.

Введение

Сверхвысококачественный бетон (ultra-high performance concrete, UHPC) — ​это цементный композитный материал нового поколения, созданный на основе теории плотной упаковки частиц. Он имеет чрезвычайно высокую прочность на сжатие, высокую ударную вязкость, исключительную долговечность и другие уникальные свойства [1—3]. Данный вид бетона может широко применяться в конструкциях балок мостов с большими пролетами, тонкостенных и архитектурных элементов, морских платформ.

Для успешной заливки и полной реализации своего потенциала UHPC должен иметь превосходные реологические характеристики [4, 5]. Однако водовяжущее отношение (В/В) у UHPC крайне низкое (обычно около 0,2) — ​это приводит к высокой вязкости затворенной бетонной смеси [6] и значительному сопротивлению перекачиванию, что создает трудности при подаче смеси насосами в ходе заливки и негативно сказывается на равномерности и изотропности распределения волокон фибры, а также на механических свойствах бетона. Выбор оптимальных значений предела текучести и пластической вязкости способствует однородному распределению фибры и повышает прочность UHPC при изгибе [7]. Реологические свойства также влияют на вовлечение и стабильность воздуха в бетонной смеси [8]. Высокая вязкость UHPC способствует повышенному воздухововлечению во время приготовления смеси, из-за чего снижается прочность получаемого бетона. Корректировка реологических параметров [9] и применение особых методов приготовления бетонной смеси [10, 11] позволяют управлять содержанием воздуха в смеси, благодаря чему можно повысить механические свойства UHPC.

UHPC также широко используется для 3D‑печати крупных изделий и конструкций [12], для чего требуются высокие показатели подвижности материала в ходе печати и сцепления между его уложенными слоями. Хорошие реологические свойства смеси способствуют равномерному распределению частиц вяжущего материала, позволяющему дополнительно повысить механические характеристики бетона [13].

Резюмируя, отметим, что реологические свойства UHPC имеют важное прикладное значение, так как их регулирование позволяет управлять поро­образованием [9, 14] и уменьшать расслоение смеси [15], а также влиять на распределение и ориен­тацию фиб­ры [14, 16, 17]. Кроме того, реологические характеристики следует учитывать при разработке рецептуры бетонной смеси [18, 19], в том числе при 3D‑печати [12, 20].

В работе [21] перечислены факторы, влия­ющие на вязкость UHPC, в том числе дозировка добавок в составе смеси, соотношение песка и цемента, доля стальной фибры и др., а также предложен ряд мер, направленных на снижение вязкости. Авторы работы [22] проанализировали влияние вещественного состава цемента на реологические свойства смеси с низким В/В и обнаружили, что добавление золы-уноса и тонкомолотого гранулированного доменного шлака увеличило толщину водной оболочки вокруг зерен цемента, что привело к улучшению реологических характеристик смеси, в то время как ввод мик­рокремнезема оказал противоположное воздействие. В работе [23] изучено изменение подвижности UHPC при вводе бентонита и обнаружено, что при увеличении дозировки последнего с 0 до 15,0 % статический и динамический пределы текучести и пластическая вязкость возросли в 17,0; 5,8 и 1,2 раза соответственно. Это в основном объясняется изменением площади петли гистерезиса на графике зависимости напряжение—​деформация и тиксотропного индекса, которые значительно увеличились при добавлении бентонита, в результате чего повысилась тиксотропность смеси.

В настоящей статье обсуждены наиболее часто используемые в технологии UHPC реологические модели и их характеристики; описано влияние В/В, свойств химических и минеральных добавок, фибры и заполнителя на реологические характеристики UHPC. Разъяснен механизм влияния различных факторов на реологические свойства бетонной смеси и описаны пять методик регулирования реологических характеристик UHPC:

1. увеличение толщины водной оболочки,
2. снижение вязкости поровой жидкости,
3. увеличение толщины оболочки цемент­ной матрицы вокруг частиц,
4. применение специальных регуляторов вязкости,
5. подбор характеристик фибры.

Приведенная в статье информация представляет собой некоторую теоретическую базу, позволяющую подбирать состав и регулировать реологические свойства бетонной смеси UHPC.

1. Характеристика реологических свойств UHPC

UHPC — ​композитный материал, состоящий из цемента, минеральных добавок, заполнителей, фибры и химических модификаторов. Свежеприготовленную смесь UHPC можно рассматривать как двухфазную сис­тему, в которой заполнители и фибра распределены в вяжущей матрице, из-за чего смесь проявляет характерное дилатантное поведение [22]. Реологические характеристики готовой смеси UHPC нелинейны [24, 25]. В работе [26] изучено влияние содержания микрокремнезема (МК) в диапазоне 0—25 % на реологические свойства UHPC и обнаружено, что большинство смесей UHPC с добавлением МК демонстрируют явное дилатантное поведение. Загустевание бетона при приложении сдвиговых напряжений указывает на то, что структурная вязкость смеси последовательно возрастает с увеличением скорости сдвига, что затрудняет подачу такого бетона бетононасосами [27].

Авторы работы [28] провели сравнительное исследование реологических моделей, применяемых для описания систем на основе цемента. Были рассмотрены модель Бингама, модифицированная модель Бингама и модель Гершеля—Балкли, широко используемые при изучении поведения и свойств таких сис­тем, примеры которых — цементное тесто, песчано-цементный раствор, UHPC с добавлением стальной фибры и UHPC на крупнозернистом заполнителе [29—31] (табл. 1, 2). Авторы работы [8] доказали, что для описания реологических свойств свежеприготовленной смеси UHPC лучше всего подходит модель Гершеля—Балкли. В работе [32] установлено, что использовать эту модель наиболее целесообразно при оценке реологических свойств UHPC с добавкой метакаолина. В то же время авторы [33] изучили реологические свойства и стабильность смеси UHPC с крупнозернистым заполнителем и обнаружили, что свежеприготовленная смесь проявляет свойства разжижения при сдвиге. Они предложили модифицировать модель Бингама, чтобы получать более точные результаты аппроксимации реологических параметров системы для таких смесей.

2. Регулирование реологических свойств UHPC

Реология UHPC зависит от его вещественного состава, при этом основную роль играют водоцементное отношение (В/Ц), наличие минеральных добавок и химических модификаторов, свойства фибры и заполнителя и другие факторы. Механизмы их влияния могут быть физическими, химическими или смешанными. К физическим факторам относятся морфология зерен, плотность упаковки частиц, толщина водной оболочки вокруг частиц, материал и размеры фибры, а также «подшипниковый эффект». К химическим факторам можно отнести электростатический и стерический диспергирующий эффекты от добавления пластифицирующего агента и влияние различных химических модификаторов на вязкость поровой жидкости. Эти эффекты — ​неотъемлемые факторы, присущие UHPC и определяющие его реологические характеристики. Основные средства влияния на них — ​управление толщиной водной оболочки вокруг частиц, регулирование избыточной толщины обмазки частиц цементным тестом, снижение концентрации поровой жидкости, применение модификаторов вязкости, изменение характеристик фибры и др. Далее подробно описана регуляторная роль каждого из этих факторов.

2.1. Толщина водной оболочки

В смеси UHPC часть воды затворения заполняет свободное пространство между твердыми частицами, а другая часть адсорбируется на их поверхности, образуя водную оболочку. Толщину последней можно рассчитать как среднюю толщину слоя воды (рис. 1) на всех поверхностях зерен. Ее удвоенная толщина примерно соответствует среднему расстоянию между зернами [22]. Насколько известно из имеющихся исследований, реологические свойства смеси UHPC тесно связаны с толщиной водной оболочки на поверхности частиц. Ее утолщение может эффективно снизить сопротивление трения между зернами, что значительно улучшит реологические свойства свежеприготовленной смеси UHPC.

Рис. 1. Водная оболочка вокруг частиц материала на основе цемента (адаптировано из работы [44])

При условии, что все частицы внутри мат­рицы бетонной смеси распределены равномерно, толщину оболочки можно рассчитать по формулам [45, 46]:

где WFT (water film thickness) — ​средняя толщина оболочки воды на поверхности зерен; u — ​коэффициент пустотности, соответствую­щий плотности укладки частиц в смоченном состоянии (отношение объема внутреннего пустого пространства к объему матрицы);  — ​объемная доля избыточной воды; A_s — ​средняя удельная поверхность всех твердых частиц вяжущей матрицы; A_α, A_β, A_γ … и R_α, R_β, R_γ … — ​удельная площадь поверхности твердых частиц материала α, β, γ (и т. д.) и их объемные доли соответственно.

Из формул (1)—​(4) следует, что толщина водной оболочки напрямую зависит от плотности упаковки частиц, суммарной площади их поверхности и количества воды затворения [22]. Из-за большой доли микрочастиц в составах UHPC удельная поверхность и поверхностная энергия частиц такого бетона оказываются велики. UHPC представляют собой термодинамически нестабильные сис­темы, частицы в бетонной смеси легко притягиваются друг к другу и формируют флокулы и агломераты, что приводит к отличиям фактической удельной поверхности матрицы от теоретического значения и к варьированию толщины поверхностной водной оболочки частиц. По этой причине на практике толщину водной оболочки можно рассчитать для случая системы, в которой все частицы полностью диспергированы.

2.1.1. Регулирование В/В. Это важный фактор, влияющий на эксплуатационные качества и реологические свойства смеси UHPC. Подвижность свежеприготовленной смеси возрастает с повышением В/В. По данным работы [47], при его увеличении с 0,21 до 0,27 пластическая вязкость смеси UHPC снизилась на 62 %, а напряжение текучести уменьшилось с 182,78 до 1,68 Па. При В/В = 0,27 смесь была наиболее подвижной. Авторы работы [16] исследовали совместный эффект от изменения В/В, ввода пластифицирующих добавок и дозировки стальной фиб­ры на реологические свойства свежеприготовленной смеси UHPC. При уменьшении В/В смеси с 0,24 до 0,20 пластическая вязкость UHPC значительно возросла. Однако при дальнейшем снижении В/В с 0,20 до 0,18 увеличение пластической вязкости было уже не столь выраженным. Авторы работы [46] путем проведения экспериментального исследования по ортогональному плану оценили влияние В/В на эксплуатационные и реологические качества UHPC. Они установили, что с увеличением В/В коэффициент вязкости уменьшается, а текучесть свежеприготовленной смеси повышается, и отметили, что вычис­ленная толщина водной оболочки UHPC при этом также увеличивается.

В связи с тем, что В/В при изготовлении UHPC низкие, водная оболочка вокруг частиц в бетонной смеси достаточно тонка, и среднее расстояние между зернами также оказывается невелико, в результате чего частицы достаточно сильно взаимодействуют и проявляют склонность к образованию флокул. Флокулы могут собирать на себя значительное количество воды затворения, увеличивая предел текучести и общую вязкость смеси [25] и уменьшая ее подвижность. При росте В/В водная оболочка на частицах утолщается, а значит, уменьшаются силы взаимодействия между частицами [48] и потенциальная энергия взаимного притяжения и отталкивания между зернами [49], снижается образование флокул и уменьшается сила сопротивления течению бетонной смеси, что в конечном счете приводит к увеличению ее подвижности.

При фиксированном составе сухой смеси чем меньше В/В, тем плотнее получается микроструктура бетона и тем выше его проч­ность. Однако при слишком низком В/В ограничена подвижность смеси. С увеличением В/В подвижность возрастает, но если превысить определенную дозировку воды затворения, то начинаются расслоение смеси и водоотделение. Таким образом, при проектировании состава UHPC следует провести комплексный анализ соотношения требуемой подвижности, реологических свойств и прочности бетона для правильного выбора В/В.

2.1.2. Гиперпластификаторы. Гиперпластифицирующие добавки адсорбируются на поверхности частиц цемента и ослабляют взаимодействие между ними за счет электростатического и стерического отталкивания. Пластификаторы снижают флокуляцию частиц, при этом высвобождается «захваченная» во флокулах вода [50, 51]. В результате водная оболочка на частицах утолщается и улучшаются реологические свойства свежеприготовленной смеси UHPC. Диспергирующий эффект и степень водопонижения и уплотнения смеси зависят от вида и дозировки гиперпластификатора.

В работе [47] исследовано влияние различных пластифицирующих добавок на реологию UHPC и установлено, что при увеличении дозировки пластификатора с 2,5 до 4,5 % пластическая вязкость смеси уменьшается на 20 %, а предел текучести — ​на 88 %. Авторы работы [52], исследовавшие влияние ввода в смесь различных дозировок гиперпластификаторов (1,0; 1,2; 1,4 %) и МК (15, 20, 25 %) при различных значениях В/В (0,18; 0,20; 0,22) на реологические, физические свойства и мик­роструктуру матрицы UHPC, обнаружили, что предел текучести и пластическая вязкость равномерно снижаются с увеличением дозировки пластифицирующей добавки и повышением В/В.

Авторы работы [9] показали, что можно успешно контролировать воздухововлечение в UHPC, регулируя реологические свойства смеси, применяя пеногасящие агенты и оптимизируя процесс смешивания компонентов. При этом существует предел ввода пластифицирующих добавок: если превышено некоторое критическое содержание пластификатора в смеси, он теряет возможность дальнейшей сорбции и накапливается в поровой жидкости, что провоцирует водоотделение [25].

Способность пластификаторов адсорбироваться зависит от природы поверхности частиц различных материалов, что обусловливает различия в реологическом поведении смесей UHPC при добавлении разных плас­тификаторов. Исследования показали, что UHPC с поликарбоксилатными гиперпластификаторами (PCE) демонстрируют более высокую плотность упаковки частиц в бетонной смеси, чем UHPC с добавлением пластификаторов на основе полинафталинсульфонатов (PNS). К тому же при прочих равных условиях бетон с PCE дольше сохраняет первоначальную подвижность и обладает меньшей вязкостью, чем при применении PNS [53, 54]. Сохраняемость первоначальной подвижности снижается в ряду от поликарбоксилатных к аминосульфонатным пластификаторам, а при введении пластификаторов на нафталинсульфонатной основе имеет место ее средняя сохраняемость. В настоящее время PCE становится наиболее предпочтительным выбором при подборе составов UHPC.

Авторы работы [55] исследовали характер сорбции гиперпластификаторов на основе метакриловых (MPEG) и аллиловых (APEG) эфиров поликарбоксилатов в составах с добавлением МК и без него. Результаты показали, что MPEG вызывает более выраженный эффект диспергирования частиц цемента, в то время как APEG лучше адсорбируется на поверхности МК. Таким образом, при использовании в составе UHPC наполнителей различной природы следует вводить гиперпластификаторы с различной молекулярной структурой, чтобы оптимизировать адсорб­цию на поверхности различных материалов [56]. Кроме того, с термодинамической точки зрения основной движущей силой адсорбции PCE можно считать возрастание энтропии системы, и более эффективными диспергаторами должны быть PCE с более выраженным энтропийным эффектом [57]. Адсорбция PCE с короткими боковыми цепями в основном обусловлена электростатическими взаимодействиями, а PCE с длинными боковыми цепями адсорбируются за счет значительного увеличения энтропии в результате высвобождения анионов, присоединенных к карбоксильным группам полимерной основной цепи, а также высвобождения молекул воды и ионов, адсорбированных на поверхности CaCO3.

Кроме того, эффект диспергирования мелких частиц при добавлении гиперпластификатора зависит от его молекулярной массы [58], структуры и дозировки [59], а также В/В, степени адсорбции, типа цемента [60] и вида применяемых минеральных добавок.

2.1.3. Плотность упаковки частиц. Основными вяжущими материалами, используемыми в UHPC, являются цемент, зола-унос, МК, метакаолин и др. В табл. 3 приведены типичные значения размеров частиц и удельной поверхности этих материалов.

Зола-унос эффективно снижает предел текучести и пластическую вязкость смеси UHPC, таким образом улучшая ее подвижность и удобоукладываемость [61—63]. Авторы работы [64] указали, что добавление ультрадисперсного шлака и золы-уноса поз­воляет увеличить плотность упаковки час­тиц и повысить подвижность раствора при низких значениях В/В. В работе [61] изучено влияние типа минеральной добавки в UHPC при В/В = 0,2. При фиксированных В/В и дозировке пластификатора ввод 10, 30 и 50 % золы-уноса привел к повышению подвижности бетонной смеси на 8,2; 12,7 и 18,2 % соответственно. При введении 10 и 20 % МК предел текучести и пластическая вязкость смеси значительно увеличились, а подвижность смеси снизилась на 17,3 и 100 % соответ­ственно.

Формула (4) указывает на то, что толщина WFT тесно связана с плотностью укладки частиц. Добавление золы-уноса в смесь помогает заполнить поровое пространство между частицами цемента, повышая плотность упаковки частиц в бетоне. Как следствие, оболочки адсорбированной воды утолщаются и улучшаются реологические свойства смеси. Авторы работы [22] указали на то, что в смесях с низким В/В влияние минеральных добавок на реологические свойства смеси в основном обусловлено изменением толщины водной оболочки вокруг частиц. Результаты экспериментов показали, что при добавлении 15, 30 и 45 % золы-уноса толщина оболочки увеличилась на 11,0; 19,2 и 22,2 % соответственно. В другом эксперименте было показано, что при добавлении 4, 8 и 12 % МК толщина оболочки уменьшилась на 69,8; 81,1 и 86,2 % соответственно. Ввод 15, 30 и 45 % молотого гранулированного шлака привел к увеличению толщины оболочки на 0,6; 3,6 и 4,1 % соответственно.

Еще более выражен эффект от введения в состав UHPC тонкомолотой золы-уноса [65], которая еще в большей степени заполняет поровое пространство между частицами цемента. В работе [66] изучено влияние замены исходной золы-уноса тонкомолотой золой на реологические свойства UHPC. Обнаружено, что при замещении до 50 % исходной золы подвижность смеси UHPC увеличивается пропорционально увеличению степени замещения, при этом предел текучести и пластическая вязкость значительно уменьшаются. Когда же степень замещения превышает 50 %, подвижность смеси UHPC начинает снижаться, тоже пропорционально степени замены.

2.1.4. Удельная поверхность мате­риа­ла. Добавление МК значительно повышает предел текучести и пластическую вязкость смеси UHPC и уменьшает ее подвижность. В работе [22] показано, что при добавлении 4, 8 и 12 % МК предел текучести увеличивается с 5,3 до 23,3; 51,1 и 54,1 Па, а кажущаяся вязкость смеси — ​с 2,9 до 3,3; 7,4 и 9,2 Па · с соответственно. Авторы работы [67], основываясь на рецептуре состава с высокой подвижностью, изучили влияние вида минеральной добавки на реологические свойства и тиксотропию UHPC с низким В/В (0,167). Установлено, что при добавлении в смесь МК, тонкомолотого гранулированного шлака и микро­сфер золы предел текучести смеси составил 0,17, 0,59 и 4,0 значения для кон­трольного состава, плас­тическая вязкость смеси — ​0,21, 1,08, 1,56 значения для кон­трольного образца, а площадь петли гистерезиса реологической кривой — ​0,11, 0,63 и 1,56 площади кривой для контрольной группы. Эти результаты доказывают, что добавление МК в целом повышает предел текучести, пластическую вязкость и тиксотропию, в то время как тонкомолотый доменный шлак и микро­сферы золы-уноса снижают тиксотропию раствора. Некоторые исследователи отмечают наличие порогового значения дозировки МК, при котором изменяется характер ее влияния на реологические свойства UHPC. Авторы работы [26] изучали влияние добавки МК на физические и вяжущие свойства матрицы UHPC и бетона UHPC с 2 % стальной фибры и обнаружили, что оптимальное содержание МК составляет 10—15 %. При такой дозировке вязкость смеси снижается примерно на 45 Па · с. Отметим, что при содержании МК меньше критического порогового значения он благотворно влияет на подвижность UHPC (т. е. имеет место так называемый «подшипниковый эффект», или «эффект наполнителя» [38]). МК также способствует уменьшению пористости и созданию многофазной системы с плотной микроструктурой [68]. При содержании МК выше критического уровня суммарная площадь поверхности частиц настолько велика [67], что негативное влияние увеличения удельной поверхности больше положительного «эффекта наполнителя» [13]. В связи с этим водопотребность значительно возрастает, и объем свободной воды в смеси становится относительно низким. При этом пластификатор преимущественно сорби­руется на поверхности МК, что уменьшает его диспергирующее действие по отношению к частицам цемента [56].

Небольшие дозировки МК позволяют снизить пластическую вязкость и повысить подвижность смеси, но ограниченно влияют на микроструктуру и механические свой­ства UHPC. Большие дозировки в достаточной мере способствуют протеканию пуццолановых реакций и формированию плотной мик­роструктуры камня, но в то же время повышают вязкость и себестоимость бетона [26], поэтому необходимо обеспечить оптимальную концентрацию МК в смеси.

В ряде исследований показано, что на подвижность смеси UHPC влияет содержание углерода в МК — при его низком значении возрастает эффективность адсорбции гиперпластификаторов [71]. Примесный углерод в составе МК — ​высокопористый материал, который может адсорбировать пластификатор в своей структуре, тем самым уменьшая подвижность смеси [72]. Авторы работы [38] обнаружили, что при наибольшем содержании углерода в МК обеспечивается минимальная подвижность UHPC. 

В итоге можно отметить, что регулирование реологических свойств смеси UHPC при помощи минеральных заполнителей прояв­ляется в основном в их влиянии на следующее:

1. плотность укладки частиц,
2. удельную поверхность твердой фазы смеси,
3. сорбцию пластификаторов.

По сути, результирующий эффект от влияния плотности укладки и удельной поверхности на реологию смеси отражается в значении толщины водной пленки на поверхности частиц (WFT, см. формулу (4)).

2.2. Толщина слоя обмазки на заполнителе

Содержание заполнителя, размер частиц и гранулометрический состав смеси — ​важные факторы, влияющие на реологические свойства UHPC. Авторы работы [73] обнаружили, что максимальный размер зерен заполнителя существенно влияет на реологию бетона и толщину обмазки заполнителя материалом матричной части, а вследствие этого — ​на перекачиваемость бетона. В работе [35] изучено влияние объемной доли заполнителя на реологию, усадку и механические свойства UHPC. Установлено, что при изготовлении самоуплотняющегося UHPC этот показатель не должен превышать 45 %. Чтобы получить UHPC с хорошей подвижностью и реологическими свойствами, необходимо соблюдать рациональное соотношение количества песка к крупному заполнителю [74]. Кроме того, реологические свой­ства можно регулировать путем оптимизации грануломет­рического состава заполнителя. Существуют несколько его вариантов: с непрерывным, с дискретным (прерывистым) распределением частиц по размерам, а также монофракционный (рис. 2) [75]. Непрерывное распределение частиц обеспечивает максимальную плотность упаковки. В случае прерывистого распределения в заполнителе отсутствуют некоторые узкие фракции частиц, что делает укладку более пористой. Частицы монофракционных заполнителей имеют одинаковый размер, при этом плотность упаковки наименьшая, а прочность получаемого бетона снижается [76]. Бетон с заполнителем непрерывного состава имеет наименьшую вязкость и наилучшие прочностные свойства.

Рис. 2. Варианты распределения частиц заполнителя по размерам: непрерывное (а), дискретное (б), монофракционный гранулометрический состав (в)

Влияние заполнителя на реологические свойства UHPC в конечном счете опреде­ляется толщиной оболочки цементного теста (материала матричной части) на поверхности зерен заполнителя в бетоне. В модели, описанной в работе [77], принято, по аналогии с теорией WFT, что часть материала матрицы расходуется для заполнения межзернового пространства, а избыток теста формирует оболочку вокруг поверхности зерен заполнителя. Исследования показали, что чем толще данная оболочка, тем более текучим получается UHPC. Толщина оболочки цементного теста / матричной оболочки (paste film thickness, PFT) обратно пропорциональна удельной поверхности частиц заполнителя [46]:

где ν — ​коэффициент пустотности, соответ­ствующий плотности укладки смоченных частиц (отношение объема пустого пространства к объему заполнителя);  — ​объем­ный коэффициент избыточности мат­ричной части; A_n — ​удельная поверхность мелкого заполнителя; A₁, A₂, A₃ … — ​удельная поверхность заполнителей 1, 2, 3… соответственно;R₁, R₂, R₃  — ​объемная доля заполнителей 1, 2, 3… соответственно.

Для изготовления UHPC предпочтительно использовать высококачественный кварцевый песок тонкого измельчения с диаметром час­тиц менее 0,6 мм. Однако такой заполнитель характеризуется более высокой удельной поверхностью, что способствует утончению мат­ричной оболочки (снижению PFT), негативно влияющему на реологические свойства смеси. В связи с этим был предложен способ уменьшить общую удельную поверхность заполнителя путем добавления в смесь определенного количества крупнозернистого заполнителя [21]. При этом отметим, что размер частиц крупного заполнителя и его доля в бетоне не должны быть слишком велики. В противном случае трение между частицами заполнителя может нивелировать эффект «смазки» частиц цементным тестом, что приведет к флокуляции заполнителя и фибры, смесь будет комковаться и потеряет однородность.

2.3. Вязкость поровой жидкости

Весь материал пластификатора в бетонной смеси разделяется на две части: первая из них адсорбируется к поверхности зерен цемента и иных компонентов, вторая остается свободной в поровой жидкости, что приводит к увеличению вязкости последней. Таким образом, при повышении адсорбционной способности пластификатора вязкость смеси может уменьшиться, что позволяет контролировать реологию UHPC.

Пластификаторы характеризуются избирательной сорбцией на поверхности различных материалов [78]. Авторы работы [79] описали селективную адсорбцию поликарбоксилатных пластификаторов на поверхности известняка и глины. В работе [55] указано на то, что полиэфирные пластификаторы в первую очередь адсорбируются на поверхности МК. В работе [80] проанализировано сравнительное влияние пластификаторов на основе поликарбоксилатов и фосфонатов на реологические свойства смеси цемента и МК при низком В/В. Результаты показали, что низкая вязкость поровой жидкости при использовании пластификаторов на основе поликарбоксилатов — основная причина улучшенной удобо­укладываемости смеси по сравнению со смесями, содержащими фосфонаты. Кроме того, авторы этой работы обнаружили, что поликарбоксилатные пластификаторы в большей мере адсорбируются на поверхности час­тиц цемента, в то время как фосфонатные пластификаторы более эффективны в качестве диспергатора МК. В работе [81] изучено влияние микрокальцита, молотого гранулированного доменного шлака и природной пуццоланы на реологию UHPC, а также исследовано их взаимодействие с поликарбоксилатными гиперпластификаторами. Установлено, что гиперпластификатор в большей степени сорбируется на микрокальците и доменном шлаке, чем на пуццолане.

В ряде работ показано, что минеральные заполнители влияют как на адсорбционные свойства пластификаторов, так и на реологические характеристики UHPC. Например, добавление определенного количества метакаолина существенно увеличивает предел текучести и вязкость бетонной смеси UHPC [4]. Авторы работы [32] изучили влияние метакао­лина на реологические свойства свежеприготовленного теста и бетонной смеси (при постоянной подвижности) и распределение фибры в смеси в состоянии покоя. Обнаружено, что с увеличением дозировки метакаолиновой глины с 5 до 10 % кажущаяся вязкость UHPC постепенно увеличивается. Кроме того, добавление метакаолина может улучшить диспергирование фибры. По данным исследования [82], с ростом дозировки метакаолина от 0 до 10 % предел текучести смеси возрос в 2,75 раза, пластическая вязкость — ​в 2 раза. Это объясняется электростатическим взаимодействием метакаолина с цементом, что способствует агломерации частиц и повышает тиксотропность смеси [32]. Однако с увеличением дозировки гиперпластификатора из-за его адсорбции на метакаолине возрастают расстояние между частицами последнего и толщина слоя тес­та на поверхности заполнителя.

Пластификатор, таким образом, улучшает распределение частиц и снижает тиксотропность смеси. Помимо гиперпластификаторов, для управления реологическими свойствами бетонной смеси UHPC можно применять и иные виды химических добавок, например модификаторы вязкости.

2.4. Модификаторы вязкости

Эти добавки позволяют управлять реологическими свойствами смеси путем изменения ее пластической вязкости и предела текучести; они снижают вязкость и повышают растекаемость смеси. Обычно добавки такого типа относятся к классам простых или сложных эфиров. Модификаторы вязкости имеют сложную структуру боковых цепочек и характеризуются повышенной адсорбцией. Эти их качества позволяют эффективно увеличивать толщину адсорбционного слоя на поверхности зерен цемента, значительно снижая пластическую вязкость смеси [21]. С увеличением дозировки добавки плотность цементного теста повышается за счет высвобождения значительного количества воды, что, в свою очередь, увеличивает WFT и повышает текучесть смеси. Автор работы [21] применял в рецептуре UHPC смесь, состоящую из добавки для снижения вязкости и пеногасителя, в результате чего было достигнуто значительное снижение вязкости — ​до 42,9 %. В работе [83] описан подбор рецептуры UHPC, позволяющей удовлетворить все требования к свойствам железобетонного покрытия стального моста железной дороги. Для улучшения реологических свойств в смесь добавляли понизители вязкости. Полученная смесь характеризовалась пределом текучести около 100 Па, пластическая вязкость составила около 70 Па · с, что повысило перекачиваемость смеси и эффективность подачи насосом. Установлено, что добавка модификатора вязкости не оказала негативного влияния на механические свойства UHPC.

К настоящему времени на основе молекулярной структуры поликарбоксилатных гиперпластификаторов также разработаны новые комплексные добавки [34, 84]. Они могут гораздо эффективнее высвобождать избыточную воду, что позволяет достичь двойного эффекта — ​снижения вязкости и уменьшения водопотребности смеси.

2.5. Характеристики фибры

Основываясь на модели двухфазного композитного материала, свежеприготовленную смесь UHPC можно рассматривать как водную суспензию твердых частиц, включая фиб­ру. Дозировка фибры, ее тип, соотношение длины к диаметру и другие параметры напрямую влияют на реологические свойства свежеприготовленной смеси UHPC.

2.5.1. Дозировка фибры. Согласно имеющимся исследованиям, чем выше дозировка фибры, тем выше предел текучести и пластическая вязкость UHPC: авторы работы [85] подсчитали, что с увеличением дозировки фибры с 0 до 1 и 3 % предел текучести смеси UHPC вырос на 48,5 и 133,0 % соответственно, при этом пластическая вязкость — ​на 39,4 и 82,3 % соответственно. В исследовании [86] показано, что осадка конуса смеси UHPC линейно снижается с увеличением объема введения стальной фибры. Авторы работы [26] обнаружили, что предел текучести смеси UHPC без фибры находится в диа­пазоне 34—41 Па, а вязкость — ​в пределах 30—33 Па · с. При добавлении 2 % стальной фибры предел текучести увеличился до 70—80 Па, а вязкость — ​до 48—85 Па · с.

Реологические свойства смеси тесно связаны с концентрацией твердых частиц и толщиной водной оболочки на них. С одной стороны, по сравнению с зернами заполнителя, волокна фибры длиннее, а их удельная поверхность больше [86]. С другой стороны, с увеличением количества фибры ее волокна формируют в смеси подобие каркаса и увеличивают трение между ее частицами. Совокупность данных эффектов приводит к увеличению сопротивления течению свежеприготовленной смеси UHPC, что повышает напряжение текучести и плас­тическую вязкость [87], снижая растекаемость смеси.

Хорошая диспергируемость фибры обязательна для ее применения в составах UHPC; реологические свойства смеси при этом являются определяющим фактором, который влияет на распределение и ориентацию волокон фибры [88]. Существует тесная взаимосвязь между реологическими свойствами матрицы UHPC, распределением и ориентацией волокон фибры и механическими свойствами получаемого UHPC. В работе [89] указано, что правильно подобранная плас­тическая вязкость смеси улучшает ориентацию фибры. Правильно ориентированные и равномерно распределенные волокна фиб­ры легче образуют перемычки на трещинах, повышая способность UHPC к растяжению и изгибу. В исследовании [16] показано, что распределение волокон по глубине укладки UPHC зависит главным образом от реологических свойств свежеприготовленной смеси, особенно от ее предела текучести. При объемной доле фибры в UHPC, равном 1, 2 и 3 %, оптимальное напряжение текучести составляет 900—1000, 700—900 и 400—800 Па соответственно. Авторы работы [85] уменьшили предел текучести и пластическую вязкость UHPC, введя 6 и 12 % добавки для снижения вязкости, при этом увеличился положительный эффект от введения фибры, в смеси снизилось образование ее агломератов, а распределение волокон стало более равномерным.

2.5.2. Вид фибры. Фибры, обычно используемые в рецептурах UHPC, делятся на жесткие и гибкие в зависимости от их модуля упругости, при этом они оказывают различное влияние на реологические свойства UHPC [25]. Наиболее распространенный вид жесткой фибры содержит волокна прямой или извитой (волнообразной) формы и анкерную фибру [91]. Анкерная и извитая фиб­ра значительно повышают сцепление между ее волокнами и матрицей UHPC. В то же время трение между зернами заполнителя и во­локнами этих двух разновидностей фибры сильнее, чем при использовании прямых волокон [86].

Исследования показали, что существует некий порог дозировки жесткой фибры в смеси UHPC. Реологические характеристики смеси будут уменьшаться при дозировке фибры меньше этого порога, а при его превышении  возрастают. Если фибру вводят в количестве, не превышающем критического, ее жесткие волокна при воздействии на бетонную смесь ориентируются по потоку и помогают разрушать при движении смеси агломераты в ее матрице, высвобождая воду и повышая подвижность. Однако если критическая дозировка фибры превышена, то ее волокна со­единяются друг с другом и образуют сетчатую структуру, снижающую подвижность смеси.

Введеные в UHPC волокна гибкой фибры (полипропиленовой или полиэтиленовой) [92] в ходе деформации и вращения в потоке смеси переплетаются и образуют флокулы. Создавшиеся комки блокируют движение материала [93], увеличивая вязкость смеси [85]. Время замешивания смеси при добавлении гибких фибр также влияет на ее свойства — ​чем дольше замешивание, тем равномернее волокна распределяются внутри смеси [49].

2.5.3. Смешанные фибры. В ряде исследований показано, что предел текучести и пластическая вязкость свежеприготовленной смеси UHPC возрастают по мере увеличения длины волокон фибры и соотношения их длины к диаметру [25]. Комбинация фибры с длинными и короткими волокнами может уменьшить вязкость UHPC. Авторы работы [94] обнаружили, что комбинация различных видов стальной фибры повышает подвижность и механические свойства реакционно-порошкового бетона (Reactive Powder Concrete, RPC). В работе [95] частично заменили стальную фибру с длинными (13 и 19 мм) волокнами на фибру с короткими волокнами 6 мм. При степени замещения менее 75 % вязкость смеси UHPC снижалась с увеличением количества короткой фибры. Согласно исследованию [96], параметры течения смеси UHPC существенно влияют на ориентацию волокон стальной фибры. Движение смеси приводит к воздействию гидродинамической силы на волокна фибры, в результате они ориентируются перпендикулярно потоку в зависимости от скорости течения (рис. 3).

Рис. 3. Влияние пристеночного эффекта на ориентацию фибры при течении смеси UHPC [96]

При добавлении длинных волокон короткие волокна будут играть роль ограничителей, затрудняя их переориентацию перпендикулярно направлению потока, что положительно сказывается на подвижности смеси. Такую же роль играют длинные волокна при добавлении коротких. В ряде работ исследованы бетоны, где смешаны макро- и микроволокно. Авторы работы [97] смешивали поливинилспиртовое (polyvinyl alcohol, PVA) волокно, стальную фибру и волокнистый кальцит. С уменьшением доли стальной фибры и увеличением дозировки PVA‑фибры и кальцита предел текучести такой бетонной смеси возрастал. В основном это объясняется гидрофильностью PVA‑волокон и высокой удельной поверхностью волокнистого кальцита. Подобные сложные рецептуры смеси позволяют эффективно предотвращать появление и развитие в UHPC трещин различных размеров и добиться исключительной прочности бетона на изгиб.

Заключение

1. Большинство свежеприготовленных смесей UHPC демонстрируют типичное дилатантное поведение, свойственное неньютоновской жидкости. При этом смесь UHPC с добавлением крупнозернистого заполнителя псевдопластична. Модель Бингама, часто применимая для обычного бетона, не может точно описать реологические свойства такой смеси. Более целесообразно использовать модель Гершеля—Балкли или модифицированную модель Бингама.

2. Основные факторы, влияющие на рео­логические свойства UHPC, — ​В/В, применение добавок, минералогический состав, а также свойства фибры и заполнителя. Механизмы их воздействия можно разделить на физические и химические. К первой группе относятся морфология частиц и плотность упаковки, толщина водной оболочки, материал и параметры фибры и «подшипниковый эффект». Механизмы химического воздей­ствия представляют собой электростатический эффект и стерическое действие гиперпластификаторов, а также влияние модификаторов реологии различной молекулярной структуры на вязкость жидкой фазы.

3. На уровне регулирования реологических свойств матрицы UHPC толщина водной оболочки (WFT) отражает комплексный эффект гранулометрической характеристики час­тиц и их удельной поверхности. Увеличение или уменьшение WFT зависит от того, вклад какой из этих двух характеристик оказывается более значительным. При этом WFT — некая идеализированная характеристика, наи­более соответствующая реальности только при полной диспергации частиц. Это связано с тем, что микрочастицы в UHPC легко флокулируют, что приводит к отличию фактической удельной площади поверхности зерен в смеси от теоретического значения. Таким образом, улучшение диспергации частиц — ключевой вопрос эффективного снижения вязкости UHPC и приближения WFT к теоретическому значению.

4. Толщина матричной оболочки на зернах заполнителя (PFT) обратно пропорциональна удельной поверхности заполнителя. Уменьшение последней и оптимизация грануломет­рического состава заполнителя способствует возрастанию PFT и, как след­ствие, увеличению подвижности смеси UHPC. Усиление адсорбционных свойств пластификатора может понизить вязкость жидкой фазы. Целесообразно рассматривать применение в составе UHPC эффективных гиперпластификаторов с различной молекулярной структурой.

5. Реологические свойства, однородность распределения фибры и механические свойства UHPC тесно взаимосвязаны между собой. Безусловно, в данной области еще много открытых вопросов, которые заслуживают отдельных исследований. Среди них, например, следующие. Как следует смешивать фибры с различными параметрами (материал, вид, геометрия), как сочетать длинные и короткие волокна, макро- и микроволокна с тем, чтобы регулировать вязкость смеси UHPC и повысить ее однородность? Как более равномерно распределить волокна фибры и более эффективно использовать их для того, чтобы улучшить механическую прочность и пластичность UHPC?

ЛИТЕРАТУРА

1. Wang D.H., Shi C.J., Wu Z.M., et al. A review on ultra high performance concrete. Part II. Hydration, microstructure and properties // J. Constr. Build. Mater. 2015. Vol. 96. P. 368—377.​

2. Tafraoui A., Escadeillas G., Vidal T. Durability of the ultra high performances concrete containing metakaolin // J. Constr. Build. Mater. 2016. Vol. 112. P. 980—987.​

3. Meng W.N., Valipour M., Khayat K.H. Optimization and performance of cost-effective ultra-high performance concrete // J. Mater. Struct. 2017. Vol. 50, N 1. P. 29.​

4. Ян Ушэн, Хуан Чжэнюй. Исследование реологических свойств свежей смеси порошково-активированного бетона // Ж. Китайского керамического общества. 2004. Т. 23, № 2. С. 28—31 (на китайском языке).

5. Yoo D.Y., Yoon Y.S. A review on structural behavior, design, and application of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete // Int. J. Concr. Struct. Mater. 2016. Vol. 10, N 2. P. 125—142.​

6. Liu J.Z., Wang K.J., Zhang Q.Q., et al. Influence of superplasticizer dosage on the viscosity of cement paste with low water-binder ratio // J. Constr. Build. Mater. 2017. Vol. 149. P. 359—366.​

7. Teng L., Meng W.N., Khayat K.H. Rheology control of ultra-high-performance concrete made with different fiber contents // Cem. Concr. Res. 2020. Vol. 138. P. 106222.​

8. Yu R., Zhou F.J., Yin T.Y., et al. Uncovering the approach to develop ultra-high performance concrete UHPC with dense meso-structure based on rheological point of view: experiments and modeling // Constr. Build. Mater. 2021. Vol. 271. P. 121500.​

9. Huang H.H., Gao X.J., Jia D. Effects of rheological performance, antifoaming admixture, and mixing procedure on air bubbles and strength of UHPC // J. Mater. Civ. Eng. 2019. Vol. 31, N 4.​

10. Dils J., Boel V., de Schutter G. Influence of cement type and mixing pressure on air content, rheology and mechanical properties of UHPC // Constr. Build. Mater. 2013. Vol. 41. P. 455—463.​

11. Dils J., Boel V., Schutter G. Vacuum mixing technology to improve the mechanical properties of ultra-high performance concrete // Mater. Struct. 2015. Vol. 48, N 11. P. 3485—3501.​

12. Бай Ган, Ван Ли, Ван Фан и др. Подготовка и экспериментальное исследование физических свойств 3D‑печати из UHPC // Материаловедческие обзоры. 2021. Т. 35, № 12. С. 12063—12069 (на китайском языке).

13. Ozolins E., Zavickis J., Lukasenoks A., et al. Compressive strength and rheology dependency on micro silica dosage in ultra-high-performance concrete // 20th Intern. Sci. Conf. on Engin. for Rural Development. Jelgava, 2021. P. 483—492.​

14. Wang R., Gao X.J., Zhang J.Y., et al. Spatial distribution of steel fibers and air bubbles in UHPC cylinder determined by X‑ray CT method // Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 160. P. 39—47.​

15. Cai Y.X., Liu Q.F., Yu L.W., et al. An experimental and numerical investigation of coarse aggregate settlement in fresh concrete under vibration // Cem. Concr. Compos. 2021. Vol. 122. P. 104153.​

16. Wang R., Gao X.J., Huang H.H., et al. Influence of rheological properties of cement mortar on steel fiber distribution in UHPC // Constr. Build. Mater. 2017. Vol. 144. P. 65—73.​

17. Abbas S., Soliman A.M., Nehdi M.L. Exploring mechanical and durability properties of ultra-high performance concrete incorporating various steel fiber lengths and dosages // Constr. Build. Mater. 2015. Vol. 75. P. 429—441.​

18. Ragalwar K.A., Nguyen H., Ranade R., et al. Influence of distribution modulus of particle size distribution on rheological and mechanical properties of ultra-high-strength SHCC matrix // 4th Intern. RILEM Conf. on Strain-Hardening Cement-Based Composites SHCCC. Dresden, 2018. P. 221—229.​

19. Arora A., Aguayo M., Hansen H., et al. Microstructural packing- and rheology-based binder selection and characterization for Ultra-high Performance Concrete UHPC // Cem. Concr. Res. 2018. Vol. 103. P. 179—190.​

20. Baumert C., Garrecht H. Minimization of the influence of shear-induced particle migration in determining the rheological characteristics of self-compacting mortars and concretes // Materials. 2020. Vol. 13, N 7. P. 1542.​

21. Шэнь Жуй. Технические приемы снижения вязкости смеси UHPC: дисс. Чунцинский ун-т, Чунцин, 2018 (на китайском языке).

22. Чжан Цяньцянь, Лю Цзяньчжун, Чжан Лихуэй и др. Исследование механизмов воздействия минеральных заполнителей на реологические свойства бетонные растворы с низким водовяжущим отношением // Материаловедческие обзоры. 2020. Т. 34, № 22. С. 22054—22057 (на китайском языке).

23. Ли Кэкэ, Ли Лун, Хэ Юлинь и др. Исследование реологических характеристик и их регулирования для ультравысокопрочных бетонов // Ж. Китайского керамического общества. 2022. Т. 41, № 5. С. 1570—1577 (на китайском языке).

24. Ferrara L., Cremonesi M., Tregger N., et al. On the identification of rheological properties of cement suspensions: Rheometry, Computational Fluid Dynamics modeling and field test measurements // Cem. Concr. Res. 2012. Vol. 42, N8. P. 1134—1146.​

25. Сы Вэнь, Цао Минли, Пин Цзяци. Обзор прогресса в исследованиях текучести и реологии композитных материалов на основе фибробетона // Материаловедческие обзоры. 2019. Т. 33, № 5. С. 819—825 (на китайском языке).

26. Wu Z.M., Khayat K., Shi C. Changes in rheology and mechanical properties of ultra-high performance concrete with silica fume content // Cem. Concr. Res. 2019. Vol. 123. P. 105786.​

27. Feys D., Khayat K.H., Perez-Schell A., et al. Prediction of pumping pressure by means of new tribometer for highly-workable concrete // Cem. Concr. Compos. 2015. Vol. 57. P. 102—115.​

28. Лю Юй, Ши Цайцзюнь, Цзяо Дэну и др. Обзор прогресса в исследованиях реологических свойств, моделей и тестов свежесмешанных цементных материалов // Ж. Китайского керамического общества. 2017. Т. 45, № 5. С. 708—716 (на китайском языке).

29. Nehdi M., Rahman M.A. Estimating rheological properties of cement pastes using various rheological models for different test geometry, gap and surface friction // Cem. Concr. Res. 2004. Vol. 34, N 11. P. 1993—2007.

30. Yahia A., Khayat K.H. Analytical models for estimating yield stress of high-performance pseudoplastic grout // Cem. Concr. Res. 2001. Vol. 31, N 5. P. 731—738.

31. Yahia A., Khayat K.H. Applicability of rheological models to high-performance grouts containing supplementary cementitious materials and viscosity enhancing admixture // Mat. Struct. 2003. Vol. 36, N 6. P. 402—412.

32. Чжэн Сяобо, Хань Фанюй, Лю Цзяньчжун и др. Влияние метакаолина на реологические свойства и распределение волокна ультравысокопрочных полимерных бетонов. Ж. Китайского керамического общества. 2021. Т. 49, № 11. С. 2375—2383 (на китайском языке).

33. Чжэн Сяобо, Хань Фанюй, Лю Цзяньчжун и др. Реологические свойства и устойчивость ультравысокопрочных полимерных бетонов с крупными заполнителями // Ж. Китайского керамического общества. 2022. Т. 50, № 11. С. 2844—2854 (на китайском языке).

34. Бай Цзинцзин, Ван Минь, Ши Цайцзюнь и др. Эффект добавления поликарбоксилатных гипер-пластификаторов со свойством снижения вязкости в состав смеси цементно-кремнеземных растворов с низким водовяжущим отношением // Материаловедческие обзоры. 2020. Т. 34, № 6. С. 6172—6179 (на китайском языке).

35. Yalcinkaya C., Felekoglu B., Yazici H. Influence of aggregate volume on the shrinkage, rheological and mechanical properties of ultra-high performance concrete // J. Fac. Eng. Archit. Gaz. 2020. Vol. 35, N 4. P. 1701—1718.

36. Zhu J., Liu J.P., Khayat K.H., et al. Mechanisms affecting viscosity of cement paste made with microfines of manufactured sand // Cem. Concr. Res. 2022. Vol. 156. P. 106757.

37. Xiong X., Wu M.M., Shen W.G., et al. Performance and microstructure of ultra-high-performance concrete UHPC with silica fume replaced by inert mineral powders // Constr. Build. Mater. 2022. Vol. 327. P. 126996.

38. Lin Y.Z., Yan J.C., Wang Z.F., et al. Effect of silica fumes on fluidity of UHPC: experiments, influence mechanism and evaluation methods // Constr. Build. Mater. 2019. Vol. 210. P. 451—460.

39. Sun H., Que Z.C., Wei H.N., et al. Tunning matrix rheology and mechanical performance of ultra-high performance concrete using cellulose nanofibers // Nanotechnol. Rev. 2022. Vol. 11, N 1. P. 1570—1582.

40. Abdelrazik A.T., Khayat K.H. Effect of fiber characteristics on fresh properties of fiber-reinforced concrete with adapted rheology // Constr. Build. Mater. 2020. Vol. 230. P. 116852.

41. Meng W.N., Khayat K.H. Effect of graphite nanoplatelets and carbon nanofibers on rheology, hydration, shrinkage, mechanical properties, and microstructure of UHPC // Cem. Concr. Res. 2018. Vol. 105. P. 64—71.

42. Liu J.H., Khayat K.H., Shi C.J. Effect of superabsorbent polymer characteristics on rheology of ultra-high performance concrete // Cem. Concr. Compos. 2020. Vol. 112. P. 103636.

43. Ragalwar K., Heard W.F., Williams B.A., et al. Significance of the particle size distribution modulus for strain-hardening-ultra-high performance concrete SH-UHPC matrix design // Constr. Build. Mater. 2020. Vol. 234. P. 117423.

44. Ван Сиюэ. Исследование реологического поведения ультравысокопрочных полимерных бетонов и его механизмов: дисс. Юго-Восточный ун-т, Нанкин, 2020 (на китайском языке).

45. Zhou M., Wu Z.M., Ouyang X., et al. Mixture design methods for ultra-high-performance concrete — ​a review // Cem. Concr. Compos. 2021. Vol. 124. P. 104242.

46. Хуан Цзин, Цзи Вэньюй, Янь Пэйюй. Исследование отношения реологических свойств и эксплуатационных качеств раствора UHPC с толщиной цементной оболочки // Ж. Китайского керамического общества. 2022. Т. 41, № 3. С. 766—776 (на китайском языке).

47. Гу Ди. Контроль образования пузырей воздуха ультравысокопрочных полимерных бетонов и его влияние на проч­ность: дисс. Харбинский политехнический университет, Харбин, 2017 (на китайском языке).

48. Чжао Бихуа, Лю Юншэн, Хэ Сунхуа и др. Влияние парамет­ров базальтового волокна на текучесть цементного раствора. Вестн.Уханьского политехн. ун-та. 2009. Т. 31, № 7. С. 5—8 (на китайском языке).

49. Цао Минли, Сюй Лин, Ли Чживэнь. Усиление реологических свойств и текучести цементного раствора при добавлении поливиниловых волокон и стальной фибры // Вестн. строит. материалов и материаловедения. 2017. Т. 20, № 1. С. 112—117 (на китайском языке).

50. Yamada K. Basics of analytical methods used for the investigation of interaction mechanism between cements and superplasticizers // Cem. Concr. Res. 2011. Vol. 41, N 7. P. 793—798.

51. Gelardi G., Flatt R.J. Working mechanisms of water reducers and superplasticizers // Science and Technology of Concrete Admixtures. Aitcin P.-C., Flatt R.J. (eds.). Woodhead Publishing, 2016. P. 257—278.

52. Sadrmomtazi A., Tajasosi S., Tahmouresi B. Effect of materials proportion on rheology and mechanical strength and microstructure of ultra-high performance concrete UHPC // Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 187. P. 1103—1112.

53. Лю Тэншэн, Чжао Цзяхао. Сравнительное исследование реологических свойств нафталиновых и поликарбоксилатных гипер-пластификаторов // Строительные материалы Цзянси. 2020. № 6. С. 19—20 (на китайском языке).

54. Лю Шаша. Исследование метода тестирования реологических свойств цементного раствора и влияния добавок на реологические свойства: дисс. Южно-Китайский технол. ун-т, Гуанчжоу, 2016 (на китайском языке).

55. Schröfl C., Gruber M., Plank J. Preferential adsorption of polycarboxylate superplasticizers on cement and silica fume in ultra-high performance concrete UHPC // Cem. Concr. Res. 2012. Vol. 42, N 11. P. 1401—1408.

56. Plank J., Schröfl C., Gruber M., et al. Effectiveness of polycarboxylate superplasticizers in ultra-high strength concrete: the importance of PCE compatibility with silica fume // J. Adv. Concr. Technol. 2009. Vol. 7, N 1. P. 5—12.

57. Plank J., Sachsenhauser B., de Reese J. Experimental determination of the thermodynamic parameters affecting the adsorption behaviour and dispersion effectiveness of PCE superplasticizers // Cem. Concr. Res. 2010. Vol. 40, N 5. P. 699—709.

58. Andersen P.J., Roy D.M., Gaidis J.M. The effect of superplasticizer molecular weight on its adsorption on, and dispersion of, cement // Cem. Concr. Res. 1988. Vol. 18, N 6. P. 980—986.

59. Uchikawa H., Hanehara S., Shirasaka T., et al. Effect of admixture on hydration of cement, adsorptive behavior of admixture and fluidity and setting of fresh cement paste // Cem. Concr. Res. 1992. Vol. 22, N 6. P. 1115—1129.

60. Felekoglu B., Tosun K., Baradan B. Compatibility of a polycarboxylate-based superplasticiser with different set-controlling admixtures // Constr. Build. Mater. 2011. Vol. 25, N 4. P. 1466—1473.

61. Цзян Чжэ, Лю Цзяньчжун, Лю Цзяпин. Влияние минеральных заполнителей на текучесть и реологические свойства чис­того цемента с низким водовяжущим отношением // Бетон. 2011. № 5. С. 67—69 (на китайском языке).

62. Zhao M., Zhang X., Zhang Y.J. Effect of free water on the flowability of cement paste with chemical or mineral admixtures // Constr. Build. Mater. 2016. Vol. 111. P. 571—579.

63. Pyo S., Kim H.K. Fresh and hardened properties of ultra-high performance concrete incorporating coal bottom ash and slag powder // Constr. Build. Mater. 2017. Vol. 131. P. 459—466.

64. Long G., Wang X.Y., Xiao R., et al. The influences of ultra-fine powders on the compatibility of cement and superplasticiser with very low waterbinder ratio // Adv. Cem. Res. 2003. Vol. 15, N 1. P. 17—21.

65. Wang Q., Wang D.Q., Chen H.H. The role of fly ash microsphere in the microstructure and macroscopic properties of high-strength concrete // Cem. Concr. Compos. 2017. Vol. 83. P. 125—137.

66. Цао Жуньчжо, Чжоу Минжу, Чжоу Цюнь и др. Влияние сверхтонкой золы на текучесть, механические свойства и микроструктуру ультравысокопрочных полимерных бетонов // Материаловедческие обзоры. 2019. Т. 33, № 16. С. 2684—2689 (на китайском языке).

67. Лю Юй, Ли Мэнюань, Янь Пэйюй. Влияние минеральных заполнителей на реологические и тиксотропные свойства вяжущих материалов // Ж. Китайского керамического общества. 2019. Т. 47, № 5. С. 594—601 (на китайском языке).

68. Vikan H., Justnes H. Rheology of cementitious paste with silica fume or limestone // Cem. Concr. Res. 2007. Vol. 37, N11. P. 1512—1517.

69. Лю Чжэнь, Ван Уфэн, Юй Жуй и др. Исследования материа­лов UHPC высокой плотности, основанные на оптимизации вязкости цементного геля и теории плотной упаковки зерен // Бетон. 2020. № 1. С. 11—14 (на китайском языке).

70. Bahrami N., Zohrabi M., Ali Mahmoudy S., et al. Optimum recycled concrete aggregate and micro-silica content in self-compacting concrete: Rheological, mechanical and microstructural properties // J. Build. Eng. 2020. Vol. 31. P. 101361.

71. Yan H.E., Zhang X., Zhang Y., et al. Effect of remnant carbon on rheological properties of cement paste with FDN superplasticizer added // J. Build. Mater. 2014. Vol. 17, N 3. P. 507—510.

72. Chandara C., Sakai E., Azizli K.A.M., et al. The effect of unburned carbon in palm oil fuel ash on fluidity of cement pastes containing superplasticizer // Constr. Build. Mater. 2010. Vol. 24, N 9. P. 1590—1593.

73. Choi M.S., Kim Y.J., Kwon S.H. Prediction on pipe flow of pumped concrete based on shear-induced particle migration // Cem. Concr. Res. 2013. Vol. 52. P. 216—224.

74. Го Сянюн, Фан Куньхэ, Го Цзяньпин. Исследование факторов воздействия на прочность и текучесть ультравысокопрочных полимерных бетонов // Вестн. Цинхайского ун-та (естественно-научный). 2003. Т. 21, № 3. С. 23—27 (на китайском языке).

75. Khayat K.H., Meng W.N., Vallurupalli K., et al. Rheological properties of ultra-high-performance concrete — ​an overview // Cem. Concr. Res. 2019. Vol. 124. P. 105828.

76. Weng Y.W., Li M.Y., Tan M.J., et al. Design 3D printing cementitious materials via Fuller Thompson theory and Marson—Percy model // Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 163. P. 600—610.

77. Цзяо Дэну, Ань Сяопэн, Ши Цайцзюнь и др. Влияние толщины оболочки заполнителя на реологические свойства бетона // Ж. Китайского керамического общества. 2017. Т. 45, № 9. С. 1360—1366 (на китайском языке).

78. Yoshioka K., Tazawa E.I., Kawai K.J., et al. Adsorption characteristics of superplasticizers on cement component minerals // Cem. Concr. Res. 2002. Vol. 32, N10. P. 1507—1513.

79. Mikanovic N., Sharman J., Jolicoeur C., et al. Compatibility of viscosity-enhancing agents and superplasticizers in cementitious and model systems: rheology, bleeding, and segregation // 9th Intern. Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete. Seville, 2009. P. 67—85.

80. Чжан Цяньцянь, Шу Синь, Ян Юн и др. Влияние адсорбции пластификатора на вязкость цементного-силикатной смеси // Ж. Китайского керамического общества. 2020. Т. 48, № 11. С. 1716—1721 (на китайском языке).

81. Adjoudj M., Ezziane K., Kadri E.H., et al. Evaluation of rheological parameters of mortar containing various amounts of mineral addition with polycarboxylate superplasticizer // Constr. Build. Mater. 2014. Vol. 70. P. 549—559.

82. Vance K., Kumar A., Sant G., et al. The rheological properties of ternary binders containing Portland cement, limestone, and metakaolin or fly ash // Cem. Concr. Res. 2013. Vol. 52. P. 196—207.

83. Сюй Бинь, Тун Хуань, Чэнь Луи. Применение и исследование свойств UHPC при постройке стального железнодорожного моста через озеро Дунтинху // Мосты мира. 2022. Т. 50, № 3. С. 87—93 (на китайском языке).

84. Чэнь Цзин, Ян Чанхуэй, Гао Юйсинь и др. Синтез поликарбоксилатных гиперпластификаторов поперечной сшивки для снижения вязкости и их роль в смесях низкого водовяжущего отношения // Материаловедческие обзоры. 2022. Т. 36, № 9. С. 215—222 (на китайском языке).

85. Чжан Цяньцянь, Лю Цзяньчжун, Чжоу Хуасинь и др. Свойства ультравысокопрочных полимерных бетонов и их влияние на дисперсию фибры // Материаловедческие обзоры. 2017. Т. 31, № 23. С. 73—77 (на китайском языке).

86. Yu R., Spiesz P., Brouwers H.J.H. Mix design and properties assessment of Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete UHPFRC // Cem. Concr. Res. 2014. Vol. 56. P. 29—39.

87. Martinie L., Rossi P., Roussel N. Rheology of fiber reinforced cementitious materials: classification and prediction // Cem. Concr. Res. 2010. Vol. 40, N 2. P. 226—234.

88. Ван Жуй. Разработка смеси UHPC, основанная на распределении волокон, и исследование ее способности к проницаемости: дисс. Харбинский политехнический университет, Харбин, 2018 (на китайском языке).

89. Meng W.N., Khayat K.H. Improving flexural performance of ultra-high-performance concrete by rheology control of suspending mortar // Compos. B Eng. 2017. Vol. 117. P. 26—34.

90. Li Z.G., Zhang H., Wang R. Influence of steel fiber distribution on splitting damage and transport properties of ultra-high performance concrete // Cem. Concr. Compos. 2022. Vol. 126. P. 104373.

91. Wu Z.M., Shi C.J., He W., et al. Effects of steel fiber content and shape on mechanical properties of ultra high performance concrete // Constr. Build. Mater. 2016. Vol. 103. P. 8—14.

92. Sultangaliyeva F., Carr H., La Borderie C., et al. Influence of flexible fibers on the yield stress of fresh cement pastes and mortars // Cem. Concr. Res. 2020. Vol. 138. P. 106221.

93. Yamanoi M., Maia J.M. Analysis of rheological properties of fibre suspensions in a Newtonian fluid by direct fibre simulation. Part 1: rigid fibre suspensions // J. Non Newton Fluid Mech. 2010. Vol. 165, N 19—20. P. 1055—1063.

94. Yu R., Spiesz P., Brouwers H.J.H. Static properties and impact resistance of a green Ultra-High Performance Hybrid Fibre Reinforced Concrete UHPHFRC: experiments and modeling // Constr. Build. Mater. 2014. Vol. 68. P. 158—171.

95. Boulekbache B., Hamrat M., Chemrouk M., et al. Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the mechanical properties of the material // Constr. Build. Mater. 2010. Vol. 24, N. 9. P. 1664—1671.

96. Гао Юйсинь, Шэнь Жуй, Чэн Баоцзюнь и др. Влияние состава стальной фибры на свойства ультравысокопрочных полимерных бетонов // Бетон и цементные изделия. 2019. № 1. С. 55—60 (на китайском языке).

97. Cao M.L., Xu L., Zhang C. Rheological and mechanical properties of hybrid fiber reinforced cement mortar // Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 171. P. 736—742.

Автор: Лю Ифань, У Цзэмэй, Чжан Сюаньхань, Ши Цайцзюнь

Рубрика: Бетон

Ключевые слова: сверхвысококачественный бетон, реологические свойства, подбор состава, распределение фибры, механические свойства