Высококачественные бетоны с использованием отходов промышленности

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

С.И. Баженова, Л.А.Алимов

МГСУ

В статье приведены теоретические и экспериментальные обоснования возможности получения высококачественных бетонов с комплексом одновременно заданных характеристик, предъявляемых к бетонам за счёт модификации структуры цементного камня.

The article presents the theoretical and experimental substantiation of the possibility of obtaining high-quality concrete with a complex time specifications, imposed to the concrete by modifying the structure of cement stone.

В настоящее время активно осваиваются восточные регионы России, богатые природными ресурсами и отличающиеся суровыми климатическими условиями. Развитие этих регионов связано со строительством дорог, коммуникаций, жилых и промышленных объектов. Основным строительным материалом в этих условиях является бетон и железобетон, отличающийся высокой эксплуатационной надежностью. В настоящее время появилась потребность в высококачественных бетонах, в которых одновременно сочетаются высокая прочность бетонов, морозостойкость, водонепроницаемость и т.п. [1].

Прочность, морозостойкость, проницаемость и трещиностойкость бетонов, в первую очередь, определяются качеством цементного камня, содержанием и структурой пор. Мелкие поры и капилляры , к которым относятся, в частности, поры геля, практически не проницаемы для воды, связанная вода в них не переходит в лед даже при очень низких температурах, поэтому микропоры не оказывают заметного влияния на морозостойкость и проницаемость бетонов. Прочность, проницаемость и морозостойкость бетонов зависят от объема капиллярных пор в бетоне, которые образуются, главным образом, вблизи зерен заполнителя.

Формирование контактной зоны между цементным камнем и заполнителем связано с тем, что в бетонной смеси зерна заполнителя разделяют цементное тесто на микрообъемы. Заполнитель оказывает существенное влияние на распределение воды в бетонной смеси и формы ее связи. Часть воды связывается химически в результате взаимодействия с цементом. Ее количество в бетонной смеси не превышает 2%. Другая часть воды связывается физико-химически в результате адсорбции в зоне действия молекулярных силовых полей. Количество этой воды составляет около 5%. Большая часть воды (93-95%) в бетонной смеси связано механически и находится в межзерновом пространстве.

Под влиянием поверхности заполнителя за счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность. Такие явления нельзя объяснить только отвлечением части воды затворения на образование адсорбционного слоя на поверхности зерен заполнителя, имеющей физико-химическую связь с твердой фазой и составляющей обычно не более 1-2% от массы заполнителя. Количество воды, отвлекаемое под влиянием заполнителя, в 7-12 раз превосходит количество адсорбированной воды. Толщина зоны взаимодействия зависит от свойств заполнителя и цемента и в среднем составляет около 10-15 мкм. Это обусловлено явлениями седиментации и образования «слоя обмазки», в котором взаимодействие охватывает мельчайшие частицы цемента, прилегающие к поверхности заполнителя. Именно в контактной зоне

образуются макропоры, которые и оказывают решающее влияние на прочность, проницаемость и морозостойкость бетонов [2].

По своему составу и свойствам контактная зона отличается от остального цементного камня. Сращивание зерна заполнителя с цементным камнем связано с миграцией гидро-ксида кальция, образующегося при гидролизе трех- и двухкальциевого силиката, к поверхности зерен. В результате на поверхности зерен заполнителя образуются кристаллы Са(ОН)2 и СаСОз. Контактный слой существенно ослабляется за счет пор, образованных вовлеченным воздухом и дефектов, возникающих в результате седиментационных процессов, что проявляется в анизотропии свойств бетонов. Прочность контактного слоя в бетоне плотной структуры в 5-7 раз ниже прочности цементного камня [2].

Таким образом, одним из эффективных способов повышения прочности и стойкости бетонов может стать, например, введение комплексных добавок на поверхность заполнителя, которые взаимодействуя с гидроксидом кальция изменяли бы характер и объем пор и заполняли бы контактную зону новообразованиями.

Характерно, что высококачественные бетоны одновременно отличаются повышенной подвижностью, образуя так называемые самоуплотняющиеся бетоны, имеющие высокую текучесть и способность уплотняться под собственным весом без применения вибрации. Для получения таких бетонов за рубежом были разработаны так называемые гиперпластификаторы на основе поликарбоксилатов. Эти добавки способны проявлять пластифицирующий эффект при низких и сверхнизких водоцемент-ных отношениях. Появился также и отечественный гиперпластификатор, разработанный компанией «Полипласт» на основе полинафталинсульфатного суперпластификатора. Добавка представляет собой комплексный продукт: смесь регулятора реологических свойств, регулятора структурообразования и стабилизатора. «Полипласт СП СУБ» является добавкой широкого спектра действия. Она может использоваться как обычный суперпластификатор для различных бетонов и как добавка для получения самоуплотняющихся бетонов при определенном составе бетона, включающем мелкодисперсный наполнитель.

Исследования структуры и свойств высококачественных самоуплотняющихся бетонов с использованием добавки «Полипласт СП СУБ» и тонкомолотого наполнителя проводились на бетонах классов по прочности В30 - В70. Были приняты следующие исходные материалы: среднеалюминатный портландцемент марки ПЦ500Д0 с нормальной густотой 25%, и тонкостью помола 350 м2/кг; наполнитель в виде молотого известняка, многотоннажного отхода камнедробления, с тонкостью помола 420 м2/кг и плотностью 2.3 г/см3; щебень гранитный фракции 5-10 и 10-20 мм с плотностью 2.6 г/см3; песок кварцевый фракции менее 1.25 из них 70% фракции 0.63 с плотностью 2.63 г/см3.

Для подбора состава бетона необходимо было прежде всего определить оптимальный расход добавки «Полипласт СП СУБ». Рекомендуемое количество добавки устанавливали в зависимости от вида цемента, его нормальной густоты (НГ), содержания трехкальциевого алюмината (С3А), а также от ориентировочного расхода цемента в бетоне, заданного комплекса требований. Исследования показали, что оптимальное количество добавки «Полипласт СП СУБ» можно определить из условия: Д = 0.129 С3 А + 0.172; Д = 0.1 НГ - 1.41

Из рекомендуемых значений в случае их несовпадения выбирается большее.

Установление расхода воды для обеспечения заданной подвижности бетонной смеси с добавкой определяли по формуле В = Вт К, где Вт- табличное значение расхода воды той же подвижности без добавки, К - коэффициент, учитывающий влияние оптимального количества добавки-суперпластификатора на подвижность бетонной

смеси с учетом ориентировочного расхода цемента в бетоне без добавки, который имеет те же технологические и эксплуатационные характеристики.

При расходе цемента: менее 300 кг/м3 значение К = 0.75; менее 400 кг/м3 значение К = 0.7; менее 500 кг/м3 значение К = 0.65; более 500 кг/м3 значение К = 0.6. Экспериментальное уточнение коэффициента К вычисляли по формуле К = В/Вь где В - расход воды в равноподвижной бетонной смеси с добавкой -суперпластификатора, В1 - расход воды в равноподвижной бездобавочной бетонной смеси.

Введение супер- и гиперпластификатора при низких значениях В/Ц способствует образованию тонкозернистого геля, который быстрее и полнее заполняет меньшую первоначальную пористость твердой фазы при наличии тонкодисперсных добавок. Уменьшение размеров кристаллов цементного камня и его пор ведет к повышению прочности и стойкости материала. Гидратация цемента в стесненном и тонкораздробленном пространстве твердой фазы при низких значениях В/Ц и использовании тонкодисперсных наполнителей позволяет получить очень прочную структуру, стойкую к различным внешним воздействиям. Использование наполнителей с размером частиц от 0.1 до 100 нм приводит не только к повышению плотности материала, но и в результате взаимодействия с новообразованиями цементного камня создают плотную и прочную контактную зону на поверхности частиц твердой фазы. Известно, что количество химически непрореагированного цемента в бетоне с низким В/Ц после длительного срока твердения составляет в среднем около 50%. Следовательно, часть непрореагированного цемента можно заменить на тонкомолотый наполнитель. Наполнитель в этом случае должен заполнять пустоту цемента и вступать во взаимодействие с новооборазованиями цемента, создавая более плотную структуру камня. Количество наполнителя будет зависеть от его активности и активности цемента, от требуемой прочности бетона, продолжительности и условий твердения, либо на основе предварительных опытов, устанавливают зависимость прочности бетона от фактора С1, представляющего собой объемную концентрацию цемента в многокомпонентном цементном тесте.

С помощью метода планирования эксперимента была установлена зависимость Я = Г (С1). Бетонные смеси имели осадку конуса 27-28 см, при расплыве конуса 60-62 см, расход добавки «Полипласт СП СУБ» составил 1.2% от массы цемента. В качестве факторов были выбраны расход наполнителя (Х1) и расход цемента (Х2). В результате обработки экспериментальных данных была получена двухфакторная квадратичная зависимость прочности бетона:

Я6 = 52.5478 - 1.3336Х1 + 10.6688Х2 - 1.343Х12 + 3.657Х22 - 0.75Х1Х2 Обработка полученных результатов позволила установить критериальную зависимость прочности бетона от С1, где С1 = Ац /(Ац + Ан + В) , Ац и Ан - абсолютные объемы цемента и наполнителя, В - вода затворения:

Яб = 232 С1 - 38.4 Составы бетонов классов по прочности В30-В70 представлены в табл.1. Из данных табл.1 следует, что к высококачественным бетонам следует отнести бетоны классов по прочности от В45 до В70. Был исследован бетон состава №4, имеющего прочность 58.8 МПа и общую пористость 13.6%, на морозостойкость и водонепроницаемость. Морозостойкость определяли по ГОСТ 10069.3-95 «Дилатометрический метод ускоренного определения морозостойкости». Исследуемые образцы имели морозостойкость Б300. Водонепроницаемость бетона состава №4 определяли по ГОСТ 12730.5-84 «Методы определения водонепроницаемости», которая составила W10.

Таблица 1

Составы и свойства высококачественных самоуплотняющихся бетонов.

№ Класс Ц/В Ц1 С1 Н Ц А щ П Яб По,

бетона кг/м3 кг/м3 кг/м3 зап кг/м3 кг/м3 МПа %

1 В30 1.92 383 0.33 112 271 664 863 873 38.6 13.7

2 В35 2.14 428 0.36 102 326 651 846 856 44.9 13.6

3 В40 2.39 478 0.39 94 384 636 827 836 51.4 13.6

4 В45 2.64 529 0.42 77 452 621 807 817 58.8 13.6

5 В50 2.83 565 0.44 73 492 609 792 801 64.3 13.5

6 В60 3.3 660 0.5 32 628 584 759 768 77.1 13.3

7 В70 3.77 754 0.55 0 754 557 724 732 90 13.3

Примечание. Бетонные смеси готовили с добавкой-суперпластификатора «Полипласт СП СУБ», расход которой составил 1.2% от массы цемента при расходе воды 200205 кг/м3, значение Ц/В и расход цемента (Доопределяли из зависимости прочности бетона от главных факторов для бездобавочного бетона, значение величины С1 определяли из зависимости С1 = (Я +38.4)/232, расход добавки-наполнителя определяли по формуле Н = (Ац - С1 Ац - С1 В) / С1, где Ац - абсолютный объем цемента, В - расход воды. Общую пористость бетонов определяли по величине водопоглощения под вакуумом.

В табл. 2 представлен анализ составов, отвечающих требованиям, предъявляемым к самоуплотняющимся бетонам (СУБ).

Таблица 2

Анализ составов бетонов.

Требования к составам СУБ

№ соста- Сумма абсол. объ- Отношение воды к

вов емов цемента и сумме цемента и Объем щебня Объем

из табл.3 наполнителя не более 170-200 дм3 наполнителя 0.85-1.2 не более 340 песка дм3

1 130 1.67 332 332

2 149 1.34 325 325

3 165 1.21 318 318

4 179 1.12 310 310

5 191 1.05 304 304

6 216 0.92 292 292

7 243 0.82 278 278

Анализ составов (табл.1) показал, что в основном они отвечают требованиям, предъявляемым к самоуплотняющимся бетонам.

Таким образом, для высококачественных бетонов, которые одновременно должны иметь прочность свыше 60 МПа, морозостокость свыше Б400 и вонепроницаемость не менее '12, следовательно, состав №4 не удовлетворяет этим требованиям.

Для повышения водонепроницаемости, морозостойкости и прочности бетона необходимо было снизить объем капиллярных пор в бетоне. Как было указано выше, одним из эффективных способов повышения прочности и стойкости бетонов является обработка поверхности заполнителя комплексной добавкой. В качестве такой добавки

был применен порошкообразный микрокремнезем (МК) соместно с добавкой «По-липлст СП СУБ».

В состав бетона №4 (табл.1) был введен микрокремнезем при приготовлении бетонной смеси следующим образом. Часть воды затворения, содержащей микрокремнеземом и добавку «Полипласт СП СУБ», в бетономешалке предварительно перемешивали с заполнителями, а затем добавляли цемент и остальную воду. Прочность бетонных образцов после 28 суток нормального твердения составила 70 МПа, морозостойкость - F400, а водонепроницаемость - W12.

Повышение прочности и стойкости исследуемого состава объясняется снижением капиллярной пористости контактной зоны и появлением мелкокристаллических новообразований низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

Разрушение бетонов при механическом нагружении и действии агрессивной окружающей среды зависит от возникновения и развития трещин в контактной зоне между цементным камнем и заполнителем [3]. Критерием оценки склонности материалов к растрескиванию служит коэффициент интенсивности напряжений (вязкость разрушения) - Кс, определение и вычисление которого производили по ГОСТ 29167-91 «Методы определения характеристик трещиностокости (вязкости разрушения) при статическом нагружении».

Исследования трещиностойкости контрольного состава №4 (табл.1) и состава №4 с предварительной обработкой заполнителей комплексной добавкой показали, что коэффициент интенсивности напряжений Кс повысился на 16%.

Таким образом, обоснована возможность получения высококачественных бетонов с комплексом требуемых свойств, предъявляемым к бетонам: прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости за счет модификации структуры цементного камня и контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, а также за счет использования высокоэффективных разжижителей и модифицированных многотоннажных отходов промышленности.

Литература.

1.Баженов Ю.М. Технология бетона. Изд-во АСВ, М.2002, -с.500

2. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Прогнозирование свойств бетонных смесей и бетонов с техногенными отходами. «Известия вузов. Строительство»,1997,№4.

3. Повышение долговечности бетона и железобетонных конструкций в суровых климатических условиях, Стройиздат, М, 1984, -с.86.

Ключевые слова: высококачественные бетоны, морозостойкость, водонепроницаемость, прочность, гиперпластификатор, самоуплотняющийся бетон, трещиностойкость, структурная теория бетона, структурообразование, контактная зона между цементным камнем и заполнителем, многотоннажные отходы промышленности.

Key words: high-quality concrete (High Performance Concrete, HPC)., frost resistance, water résistance, durability, giperplastifikator, self-compacting concrete, crack, structural theory of concrete, structure formation, the contact zone between cement stone and aggregates, large-tonnage waste of the industry.

Рецензент: Коровяков Василий Федорович, профессор, д.т.н., зам. директора по науке НИИМосстрой.

E-mail автора: zergi@list.ru