Исследование параметров, влияющих на эффективность тепловой обработки самоуплотняющегося бетона с минеральными добавками

Исследование параметров, влияющих на эффективность тепловой обработки самоуплотняющегося бетона с минеральными добавками

Л.И. Касторных, Ю.С. Фоминых Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: Исследованы параметры теплового воздействия на физико-механические характеристики самоуплотняющихся бетонов с добавкой золы-уноса Новочеркасской ГРЭС. Установлено, что более высокий уровень качества СУБ с добавкой золы-уноса достигается при низкотемпературных режимах тепловой обработки. Эффективность использования золы-уноса в самоуплотняющихся бетонных смесях проявляется в снижении водопотребности смеси и повышении прочности бетона после тепловой обработки при условии рациональной дозировки гиперпластификатора и минеральной добавки. Оптимальный режим тепловой обработки СУБ следует устанавливать по коэффициенту эффективности тепловой обработки.

Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, гиперпластификатор, минеральная добавка, прочность бетона, режим тепловой обработки, коэффициент эффективности тепловой обработки.

Эффективность производства сборных железобетонных изделий и конструкций в значительной степени зависит от продолжительности общего технологического цикла. Самым длительным процессом при производстве изделий является набор требуемой прочности бетона. Поэтому на практике применяются химический, физико-механический или теплофизический методы ускорения твердения бетона.

Задача ускорения твердения - создание таких условий твердения вяжущего, в результате которых бетон будет приобретать требуемые свойства в экономически целесообразный промежуток времени.

Наиболее эффективным способом интенсификации твердения бетона является повышение температуры. Включение тепловой обработки (ТО) в технологический процесс дает возможность значительно увеличить оборачиваемость форм, снизить металлоемкость производства, сократить длительность общего цикла производства.

На эффективность процесса ускоренного твердения бетона влияет ряд факторов. Первая группа - «внутренние» факторы - определяются

качеством и количеством применяемых материалов (вид и минералогический состав вяжущего, состав и характеристики бетона, размер и профиль формуемого изделия). Качество и количество материалов для производства конкретных изделий устанавливается, исходя из условий обеспечения проектных показателей назначения бетона.

Вторая группа - «внешние» факторы - параметры тепловлажностного воздействия на твердеющий бетон, которые можно и необходимо изменять, устанавливая рациональный режим ускоренного твердения.

Основным фактором, определяющим характер греющей среды, способ тепловлажностной обработки и его эффективность, является максимальная температура обогрева в период изотермического выдерживания изделий в тепловом агрегате.

Для бетонов тяжелых, мелкозернистых и легких, изготовляемых по традиционным технологиям, расчетные режимы ТО установлены нормативным документом: СП 130.13330.2011 Производство сборных железобетонных конструкций и изделий (Актуализированная редакция СНиП 3.09.01-85). Для самоуплотняющихся бетонов (СУБ) нормативные режимы ТО не разработаны, поэтому исследования о влиянии основных технологических факторов на свойства бетона при температурном воздействии особенно актуальны.

Производство СУБ стало возможным благодаря появлению эффективных суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов и полиакрилатов (гиперпластификаторов). Химические добавки нового поколения почти в два раза эффективнее традиционных суперпластификаторов, но при этом весьма чувствительны к химико-минералогическому составу цемента, наличию минеральных наполнителей, присутствию глинистых примесей в заполнителе. Поэтому в реальных производственных условиях необходимо проводить исследования по

определению вида и дозировки гиперпластификатора для конкретного цемента [1 - 4].

Использование тонкодисперсных минеральных добавок в составе самоуплотняющихся смесей способно решить ряд проблем, связанных с их нерасслаиваемостью и стабильностью. Дополняя тонкодисперсную часть, минеральные добавки оказывают водоудерживающий эффект и повышают связность бетонной смеси. Установлено, что введение в состав бетона минеральных наполнителей, являющихся отходами сжигания угля (золы, шлаки), технически эффективно, экономически выгодно и экологически оправдано [5]. Применение вторичного минерального сырья целесообразно не только для существенного сокращения расхода цемента в бетонах, повышения их долговечности, но и для улучшения экологической ситуации в промышленных районах страны [6 - 9].

Цель настоящих исследований - оценить влияние максимальной температуры и длительности тепловой обработки на свойства самоуплотняющихся бетонов с добавкой золы-уноса Новочеркасской ГРЭС.

Зола-уноса Новочеркасской ГРЭС, являясь кислым минеральным сырьем, может проявлять гидравлическую активность в цементных системах только после дополнительного домола до оптимальной удельной поверхности ~ 5000 см /г и при повышении температуры [10]. Наряду с высокой дисперсностью, эффективность применения золы в самоуплотняющихся бетонных смесях определяется её рациональной дозировкой [11].

В исследованиях для приготовления бетонных смесей использованы следующие материалы:

- портландцемент бездобавочный марки ПЦ500-Д0 цементного завода «Пролетарий» по ГОСТ 10178: активность 51,1 МПа; нормальная густота

2

цементного теста 24,75%, удельная поверхность 3520 г/см ; коэффициент эффективности при тепловой обработке 0,79;

- портландцемент с минеральными добавками сульфатостойкий класса ЦЕМ11-42,5Н-СС ОАО «Верхнебаканский цементный завод» по ГОСТ 22266: активность 50 МПа; нормальная густота цементного теста 27,5 %; удельная поверхность 4015 см /г; коэффициент эффективности при тепловой обработке 0,77; содержание добавки (опока) - 10,2 %;

- песок кварцевый природный по ГОСТ 8736: модуль крупности 1,01, насыпная плотность 1330 кг/м , пустотность 49,6 %; содержание пылевидных и глинистых частиц ПГЧ - 1,9 %;

- щебень дробленый из известняка фракции 5 - 10 мм по ГОСТ 8267: прочность 100 МПа; насыпная плотность 1420 кг/м , пустотность 48,1 %, содержание пылевидных и глинистых частиц ПГЧ - 0,15 %;

- минеральная добавка - зола-уноса Новочеркасской ГРЭС -тонкодисперсный материал, образуемый в результате сжигания угля: влажность естественная 0,35 %; истинная плотность 2,57 г/см3; насыпная

32

плотность 808 кг/м ; удельная поверхность после домола 5414 см /г; потери при прокаливании 7,35 % по массе (таблица 1).

Таблица №1

Характеристика золы-уноса Новочеркасской ГРЭС

Химический состав, % Месторождение топлива

ад ЛЮз Ев203 + ЕвО СаО СаОсв Mg0 803 К2О Ш20 п.п.п

50,4 18,5 9,8 4,7 - 1,2 1,1 3,6 3,4 7,35 Восточный Донбасс

Для регулирования характеристик бетонных смесей и бетонов использованы следующие суперпластификаторы:

- Реопласт ПКЭ 2101 (далее ПКЭ 2101) - гиперпластификатор на основе эфира поликарбоновых кислот;

- Реопласт ПКЭ 2105 (далее ПКЭ 2105) - гиперпластифицирующая добавка на основе полимеров поликарбоксилатных простых эфиров;

- МС Мигар1аБ1 БК 63 (далее БК 63) - гиперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилатов, обладающий сильным разжижающим действием.

Для оценки влияния суперпластификаторов на растекаемость бетонных смесей и свойства бетонов приготовлены контрольные составы с номинальным расходом вяжущего 450 кг/м при условии получения равноподвижных смесей (таблицы 2, 3).

В составах на портландцементе с кремнеземсодержащей минеральной добавкой зола-уноса не использовалась (составы 1 - 4). В бетонные смеси, приготовленные на бездобавочном портландцементе, зола-уноса вводилась в количестве 10 % массы вяжущего (составы 6, 8, 10).

Таблица №2

Показатели конструктивности смесей на цементе класса ЦЕМ11-42,5Н-СС

Состав 3 Расход материалов на 1 м , кг Осадка конуса, см Средняя плотность смеси, кг/м3 Ц В п

Цемент Вода Песок Щебень ПКЭ 2101 ПКЭ 2105 П + Щ

1 444 249 691 987 4,44 - 22,0 2375 1,78 0,41

2 454 210 705 1008 6,8 - 21,0 2385 2,16 0,41

3 457 213 710 1015 - 4,6 21,0 2400 2,14 0,41

4 466 206 720 1028 - 7,0 22,0 2425 2,26 0,41

Таблица №3

Показатели конструктивности смесей на цементе марки ПЦ500-Д0

Состав 3 Расход материалов на 1 м , кг Осадка конуса, см Диаметр расплыва, см Вяж В П + Щ

Цемент Зола Вода Песок Щебень ПКЭ 2101 ПКЭ 2105 БК- 63

5 429 - 248 669 1030 3,27 - - 22,0 - 1,72 0,39

6 395 49 255 661 1017 3,0 - - 25,0 - 1,74 0,39

7 434 - 244 676 1043 - 3,3 - 22,0 - 1,77 0,39

8 397 49 241 664 1021 - 3,0 - 23,5 - 1,85 0,39

9 380 - 222 660 1094 - - 3,8 - 56,0 1,71 0,38

10 342 38 210 640 1190 - - 3,8 - 57,0 1,90 0,35

В ходе исследований установлено, что добавки марки Реопласт: ПКЭ 2101 и ПКЭ 2105 не обеспечивают требуемой растекаемости для СУБ даже при увеличении дозировки до 1,5 % массы цемента. Это свидетельствует о том, что для получения самоуплотняющихся смесей отмеченные суперпластификаторы не обладают достаточной реологической активностью и совместимостью с исследованными цементами.

Суперпластификатор Muraplast БК-63 при дозировке 1 % проявляет высокую реологическую активность как с бездобавочным цементом, так и золоцементным вяжущим, обеспечивая высокую однородность смеси и позволяя получить самоуплотняющиеся смеси марки 8Б-1 (составы 9, 10).

При назначении режима ТО для СУБ учитывалось наличие пластифицирующих добавок на основе эфиров поликарбоксилатов, которые на начальных стадиях структурообразования тормозят процессы схватывания цемента и твердение бетона [12 - 14]. Поэтому для создания благоприятных условий формирования бездефектной структуры бетона перед подачей теплоносителя предусматривалось предварительное выдерживание, а скорость подъема температуры ограничивалась 12,5 °С/ч. Максимальная температура обогрева бетона принималась в интервале от 50 до 70 °С.

В качестве критерия для определения влияния параметров тепловлажностной обработки на прочность бетона рассчитан коэффициент эффективности тепловой обработки КТО:

Кто =

где Я^ - прочность бетона через 28 суток после пропаривания, МПа; - прочность бетона через 28 суток нормального твердения, МПа. Результаты испытания контрольных образцов-кубов на прочность при сжатии приведены в таблице 4. Изменение коэффициента эффективности ТО бетона составов 1 - 10 представлено на рис. 1.

Таблица №4

Физико-механические характеристики бетонов

Состав Добавка Средняя плотность бетона, кг/м3 Режим ТО, час °С Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.

нормального твердения после ТО

1 28 1 28

1 ПКЭ 2101 2325 (5)+4+6+4 70 12,8 45,6 30,25 45,6

2 2380 20,9 65,3 43,3 60,0

3 ПКЭ 2105 2390 17,1 57,0 40,5 57,5

4 2410 22,0 66,8 43,0 65,4

5 ПКЭ 2101 2335 (5)+3+7+4 50 10,1 37,1 18,4 40,2

6 2295 8,5 30,1 13,8 30,9

7 ПКЭ 2105 2385 9,8 37,0 18,5 38,5

8 2330 8,2 28,4 15,7 30,2

9 Мигар1ав1 БК-63 2350 (5)+3+7+4 50 10,2 31,6 19,8 31,9

10 2390 12,1 38,5 25,2 38,8

Примечание - Режим ТО включает: предварительное выдерживание без подачи теплоносителя, продолжительность подъема температуры до максимальной, длительность изотермического обогрева и остывания бетона в лабораторной пропарочной камере.

Рис. 1. - Коэффициент эффективности ТО бетона составов 1 - 10

Анализ полученных результатов свидетельствует о негативном влиянии высоких температур на структурно-механические характеристики бетона, содержащего гиперпластифицирующую добавку в большом количестве (составы 2, 4). Положительная величина КТО указывает на

рациональную дозировку гиперпластификатора и наличие химического взаимодействия активной минеральной добавки с продуктами гидратации цемента, способствующего увеличению потенциала вяжущего и прочности пропаренного бетона (составы 6, 8, 10).

В большей степени гидравлическая активность золы-уноса Новочеркасской ГРЭС при повышенной температуре проявилась в бетоне, содержащим гиперпластификатор Реопласт ПКЭ 2105 (состав 8). В СУБ, включающим добавку Мш^р^! БК-63 (состав 10), активность золы-уноса проявилась в снижении водопотребности смеси и повышении прочности бетона.

Заключение. Выполненные исследования показали, что вследствие развития при тепловом воздействии деструктивных явлений (формирования крупнопористой структуры твердеющего бетона) более высокий уровень качества СУБ с добавкой золы-уноса Новочеркасской ГРЭС достигается при низкотемпературных режимах ТО. Длительность теплового воздействия, зависящая от требуемой распалубочной прочности бетона, должна назначаться исходя из конкретных производственных условий.

В условиях действующего производства экономически целесообразный режим ТО при максимально допустимой температуре изотермического обогрева следует устанавливать по коэффициенту эффективности тепловой обработки и критерию минимальной себестоимости выпускаемой продукции.

Литература

1. Несветаев Г.В. Технология самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 24-28.

2. Касторных Л.И., Деточенко И.А., Аринина Е.С. Влияние водоудерживающих добавок на некоторые свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть 2. Реологические характеристики бетонных смесей и

прочность самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 22 - 27.

3. Рауткин А.В., Касторных Л.И. Выбор химических модификаторов для обеспечения растекаемости самоуплотняющихся бетонных смесей // Молодой исследователь Дона. 2017. №4(7). С. 118-126. URL: mid-journal.ru/upload/iblock/5a8/20-rautkin-118_126.pdf.

4. Харченко И.Я., Баженов Д.А. Эффективный самоуплотняющийся мелкозернистый бетон с компенсированной усадкой // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 48-52.

5. Баженов Ю.М., Воронин В.В., Алимов Л.А., Бахрах А.М., Ларсен О.А., Соловьев В.Н., Нгуен Дык Винь Куанг Высококачественные самоуплотняющиеся бетоны с использованием отходов сжигания угля // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 12 (111). С. 1385-1391.

6. Коровкин М.О., Гринцов Д.М., Ерошкина Н.А. Рациональное применение инертных минеральных добавок в технологии бетона // Инженерный вестник Дона, 2017, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4361/.

7. Касторных Л.И., Тароян А.Г., Усепян Л.М. Влияние отсева камнедробления и минерального наполнителя на характеристики мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов // Инженерный вестник Дона, 2017, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4340.

8. Krauss H.-W., Budelmann H. Effects of fine-grained inert mineral additives on fresh and hardening concrete // International RILEM Conference on Material Science - MATSCI. Aachen, 2010. Vol. III. рр. 357-367.

9. Deschner F., Winnefeld F., Lothenbach B., Seufert S., Schwesig P., Dittrich S., Neubauer J. Hydration of Portland cement with high replacement by siliceous fly ash // Cement and Concrete Research. 2012. Vol. 42, № 10. pp. 13891400.

10. Овчинников Р.В., Авакян А.Г. Влияние различных методов активации на свойства кислых зол ТЭС как активной добавки в бетоны // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013. № 6. С. 100-103.

11. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. К.: Будивэльнык. 1991. 136 с.

12. Смирнова О. М. Зависимость прочности бетона с добавками на поликарбоксилатной основе от свойств портландцемента после низкотемпературной тепловлажностной обработки // Известия вузов. Строительство. 2012. №9. С. 20-27.

13. Петрова Т. М., Смирнова О. М. Пути получения бетона для сборных железобетонных конструкций с использованием низкотемпературной тепловлажностной обработки // Цемент и его применение. 2014. № 1-2. С. 188-190.

14. Коровкин М.О., Гринцов Д.М., Ерошкина Н.А. Исследование самоуплотняющегося бетона для производства железобетонных изделий на универсальном стенде с переставной опалубкой // Инженерный вестник Дона, 2018, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2018/5071/.

References

1. Nesvetaev G.V. Stroitel'nye Materialy. 2008. № 3. pp. 24-28.

2. Kastornykh L.I., Detochenko I.A., Arinina E.S. Stroitel'nye Materialy. 2017. № 11. pp. 22-27.

3. Rautkin A.V., Kastornyh L.I. Molodoj issledovatel' Dona. 2017. №4 (7). pp. 118-126. URL: mid-journal.ru/upload/iblock/5a8/20-rautkin-118_126.pdf.

4. Kharchenko I. Ya., Bazhenov DA. Stroitel'nye Materialy. 2018. № 5. рр. 48-52.

5. Bazhenov Y.M., Voronin V.V., Alimov L.A., Bakhrakh A.M., Larsen O.A., Soloviev V.N., Nguyen Duc Vinh Quang. Vestnik МGSU. 2017. Vol. 12. Issue 12 (111). pp. 1385-1391.

6. Korovkin M.O., Hryntsov D.M., Eroshkina N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4361/.

7. Kastornyh L.I., Taroyan A.G., Usepyan L.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4340/.

8. Krauss H.-W., Budelmann H. International RILEM Conference on Material Science - MATSCI. Aachen, 2010. Vol. III. рp. 357-367.

9. Deschner F., Winnefeld F., Lothenbach B., Seufert S., Schwesig P., Dittrich S., Neubauer J. Cement and Concrete Research. 2012. Vol. 42, № 10. pp. 13891400.

10. Ovchinnikov R.V., Avakian A.G. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tekhnicheskie nauki. 2013. № 6. pp. 100-103.

11. Dvorkin L.I., Solomatov V.I., Vyrovoy V.N., Chudnovsky S.M. Cementnye betony s mineral'nymi napolnitelyami [Cement concretes with mineral fillers]. Kiev: Budivehl'nyk. 1991. 136 p.

12. Smirnova O.M. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2012. №9. рр. 20-27.

13. Petrova Т.М., Smirnova O.M. Cement i ego primenenie. 2014. № 1-2. pp. 188-190.

14. Korovkin M.O., Hryntsov D.M., Eroshkina N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2018/5071/.