Морозостойкость тяжелых бетонов на цементе фирмы «Лафарж»

Строительные материалы и изделия

УДК 691.328.004.8

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ НА ЦЕМЕНТЕ ФИРМЫ «ЛАФАРЖ»

Б.Я. Трофимов, ИЛ. Зинов, С.П. Горбунов

Представлены результаты экспериментальных исследований морозостойкости тяжелых бетонов с добавками микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Показано, что направленное модифицирование гидратных фаз цементного камня позволяет повысить сопротивляемость бетона попеременному замораживанию и оттаиванию.

Использование бетона в строительстве дорог и аэродромов требует разработки композиций с высокой скоростью твердения и высокой прочностью на ранних стадиях твердения.

По данным специалистов США, которые исследовали преимущества цементного бетона перед асфальтовым, цементное дорожное покрытие имеет большую долговечность, низкие затраты при строительстве и эксплуатации и высокую технологичность при укладке. Средний срок эксплуатации цементобетонного покрытия до замены или ремонта составил 31,5 года, асфальтового покрытия 17,4 года. Особенно жесткие условия эксплуатации дорожного полотна отмечаются в зимнее время вследствие использования солей антиобледенителей, что обуславливает необходимость разработки бетонов с высокими показателями морозостойкости.

Характер разрушения бетонных сооружений в основном зависит от условий их эксплуатации. Конструкции, полностью погруженные в минерализованную воду, разрушаются под влиянием химической или физико-химической коррозии, в то время как их надводная часть дополнительно подвергается действию циклического замораживания и оттаивания. Наиболее уязвим бетон, находящийся в минерализованной воде, который испытывает попеременное увлажнение и высушивание, подвергается циклическому замораживанию-оттаиванию,

химическому воздействию водной среды, влияющей на стойкость цементного камня и сохранность стальной арматуры в бетоне.

Одной из составляющих, существенно влияющих на стойкость бетона к воздействию внешних факторов, является основное звено бетонной композиции - цементный камень.

Уральский регион, как, впрочем, и другие районы с резко континентальным климатом, характеризуются неудовлетворительным состоянием дорожных покрытий, вызванным не только пониженным качеством строительно-монтажных работ и плохим уходом за твердеющим бетоном, но, и зачастую некондиционными сырьевыми материалами.

На кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ рассматривались вопросы изменения прочностных и структурных характеристик бетона в процессе циклического замораживания и оттаивания.

Для изготовления бетона в качестве вяжущего применялся цемент - ПЦ 400 Д 20 фирмы «ЛАФАРЖ» г. Коркино (табл. 1).

Заполнители: кварцевый песок Федоровского карьера и гранодиоритовый щебень Новосмолин-ского карьера Челябинской области.

Применение только данных материалов для получения бетонов высокой долговечности не по-

Таблица 1

Характеристика вяжущего

Ысж, Мпа Кизг, МПа Нормальная густота, % Сроки схватывания Удельная поверхность, м2/кг

Начало Конец

39,4 4,5 25,5 1 ч 55 мин 4 ч 20 мин 340

Химический состав клинкера

БЮг АІ2О3 Ре 203 СаО МйО БОз Ппп

21,04 5,81 4,71 65,81 1,94 0,34 0,14

Расчетный минералогический состав клинкера: С3Б = 65 %, С2Б = 13 %, С3А = 7 %, С^ = 14 %.

Трофимов Б.Я., Зинов И.А., Горбунов С.П.___________

Морозостойкость тяжелых бетонов _______на цементе фирмы «ЛАФАРЖ»

зволяет достичь высоких характеристик, поэтому в бетонную смесь дополнительно вводились суперпластификатор С-3 Первоуральского завода и аморфный микрокремнезем Челябинского электрометаллургического комбината. Совместное использование указанных добавок позволило перейти в область водовяжущих отношений 0,2...0,3 без потери подвижности бетонной смеси и перерасхода цемента. Количество вводимого микрокремнезема изменялось в интервале 0.. .20 %.

Результаты исследований морозостойкости бетона при замораживании в водных растворах хлорида натрия показывают, что в процессе циклического замораживания и оттаивания в порах бетона начинается накопление солей, которое приводит к частичному уменьшению диаметра пор, а также к изменениям химического состава новообразований, вследствие обменных реакций. Вместе с тем использование водных растворов электролитов приводит к увеличению вязкости поровой жидкости с увеличением концентрации электролитов и в процессе снижения температуры. Поэтому, для оценки влияния микрокремнезема на поведение бетонов с низкими водо-вяжущими отношениями использовался метод, при котором осуществлялось попеременное замораживание образцов бетона до -50°С и оттаивание при +18 °С в воде.

Результаты испытаний приведены в табл.2, в состав вяжущего включался цемент и добавка микрокремнезема, водо-вяжущее отношение (В/В) рассчитывалось по исходному количеству воды.

Увеличение водо-вяжущего отношения приводит к более быстрой потере прочности в результате замораживания и оттаивания при любом количестве микрокремнезёма. При постоянном В/В введение добавки микрокремнезема замедляет процесс снижения прочности.

Процессы гидратации цемента, сопровождающиеся накапливанием в цементном камне свободного Са(ОН)2, создают условия, когда максимальное количество последнего наблюдается в бетоне с водо-вяжущим отношением 0,3 и без добавки микрокремнезёма.

В результате циклического морозного воздействия происходят два физических явления, одно из которых приводит к дополнительному выделению гидроксида кальция в результате протекающих реакций гидратации вяжущего, другое заключается в его вымывании окружающим раствором или связывании активными минеральными добавками. Понижение концентрации гидроксида кальция ниже предельной (1,2... 1,4 г/л) вызывает разложение высокоосновных гидросиликатов кальция. При удалении гидроксида кальция и снижении его концентрации в поровой жидкости происходит перекристаллизация других гидратных соединений. С введением микрокремнезема снижается количество Са(ОН)2 в цементном камне, формируется С-!3-Н(1), для которого характерно понижение предельной концентрации Са(ОН)2. Увеличение количества гидросиликатов типа С-Б-ЩГ) с ростом водо-вяжущего отношения и количества микрокремнезема подтверждается термоанализом по росту энергии кристаллизации Р-волластонита.

Абсолютное значение гелевой пористости увеличивается как при увеличении водо-вяжущего отношения, так и при введении активной минеральной добавки. При циклическом замораживании и оттаивании изменение емкости монослоя носит скачкообразный характер, что говорит о протекании в цементной матрице конструктивных и деструктивных процессов. Однако доля гелевых пор в процессе морозного воздействия остается практически на одном уровне.

Сочетание изменений всех характеристик отражается на трещиностойкости композита, выражаемой отношением прочности при сжатии к прочности на растяжение при изгибе. При водовяжущем отношении 0,3 происходит постоянный рост отношения Яь/Кы. вследствие более интенсивного падения прочности при растяжении.

Замена части цемента микрокремнеземом приводит к повышению трещиностойкости при В/В=0,25 по сравнению с трещиностойкостью бетона без микрокремнезема. Это связано с тем, что введение активной минеральной добавки и повы-

Таблица2

Изменение прочности бетона после различного числа циклов замораживания при -50 °С в воде и оттаивание при +18 °С в воде

Число ЦЗО Прочность бетона, МПа, при различном В/В и добавке МК

МК=0 % МК=10 % МК=20 %

В/В=0,25 В/В=0,3 В/В=0,2 В/В=0,25 В/В=0,3 В/В=0,25 В/В=0,3

0 68 57 84 68 62 77 62

10 66 52 80 67 63 74 63

20 67 48 85 69 64 73 64

30 40 39 80 67 48 72 47

40 67 32 84 68 66 77 56

50 52 27 85 63 53 66 48

60 60 26 90 66 60 82 39

Серия «Строительство и архитектура», выпуск 3

41

Строительные материалы и изделия

шение содержания СБН в цементном камне приводит к росту возможности системы противостоять охрупчиванию в процессе циклического замораживания. При постоянном количестве микрокремнезема (10 %) уменьшение водо-вяжущего отношения до 0,2 увеличивает трещиностойкость бетона и делает её стабильной на протяжении всего испытания.

Результаты определения остаточных относительных деформаций растяжения бетона после каждого цикла замораживания и оттаивания показывают, что введение микрокремнезема значительно снижает деструкцию бетона в результате морозного воздействия. Еще большее снижение остаточных деформаций наблюдается при уменьшении водо-вяжущего отношения с 0,3 до 0,25. Деформации образцов при В/Ц=0,25 и МК=20 % практически равны нулю на протяжении всего эксперимента (60 циклов). Для этой серии образцов, как и для серии с В/Ц=0,2 и МК=10 %, иногда наблюдались деформации сжатия, которые вызваны, по-видимому, дальнейшей гидратацией вяжущего и контракцией системы, что нашло свое выражение в изменении прочности при сжатии.

Эксперимент показал, что в интервале водоцементного отношения 0,25...0,3 замена части цемента на микрокремнезем приводит к значи-

тельному (до 55 %) росту прочности на растяжение при изгибе и незначительному (до 21 %) росту прочности при сжатии при прочих равных условиях. Рост прочности вызывается повышением однородности и прочности гидратных фаз, уменьшением макропористости при одновременном росте объема гелевых пор, снижением содержания свободного гидроксида кальция, улучшением сцепления цементного камня с заполнителем.

Введение активной минеральной добавки приводит к образованию большего количества низкоосновных гидросиликатов кальция, способных «залечивать» структуру цементного камня при различных агрессивных воздействиях. Тем самым создаются благоприятные предпосылки для получения бетонов высокой морозостойкости.

Уменьшение водоцементного отношения до 0,2 при дозировке микрокремнезема 10 % привело к стабильности коэффициента морозостойкости на протяжении 60 циклов замораживания и оттаивания.

Выводы:

1. На цементе ПЦ 400 Д 20 фирмы «ЛАФАРЖ» можно получать бетоны высоких значений прочности (до 90 МПа) и морозостойкости (до Р 1000).

2. Введение активной минеральной добавки микрокремнезема повышает стабильность и однородность продуктов гидратации вяжущего.