Оценка влияния минеральных добавок природного и техногенного происхождения на кинетику формирования прочности мелкозернистого бетона

УДК 666.972.165

Ю.Г. Иващенко, Н.А. Козлов, Д.К. Тимохин ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА КИНЕТИКУ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Описана актуальность применения бетонов с ускоренными темпами набора прочности в современном строительстве. Рассмотрены основные применяемые добавки для получения быстротвердеющих и высокопрочных бетонов. Предложено применение минеральной добавки на основе силикатов кальция и показана возможность её применения для производства бетонов с ускоренными темпами набора прочности.

Цемент, бетон, прочность, минеральные добавки, модификатор, микрокремнезем, суперпластификатор, цементно-песчаный раствор

Y.G. Ivashchenko, N.A. Kozlov, D.K. Timokhin ASSESSMENT OF MINERAL SUPPLEMENTS FOR NATURAL AND MAN-MADE ORIGIN ON CURING KINETICS FINE CONCRETE

The article describes the relevance of concrete with accelerated curing in modern construction. The main additives used for quick-and high-strength concrete. Proposed use of mineral supplements on the basis of calcium silicates. Discusses the possibility of its use for the production of concrete with accelerated curing.

Cement, concrete, strength, mineral admixtures, modifier, microsilica, superplasticizer, cement-sand mortar

В последние годы важным показателем современных бетонов считается высокая скорость набора прочности до 70% от марочной на 1 - 3 сутки твердения бетона, при минимальных энергетических затратах на тепловую обработку.

На процесс тепловлажностной обработки (ТВО) 1 м3 сборного железобетона затрачивается 40 - 60 кг условного топлива (110-170 МДж), а 85% общего объема сборного железобетона в России изготавливается с использованием ТВО при коэффициенте полезного действия тепловых установок около 30%. Разработка беспрогревных и малопрогревных технологий позволит значительно снизить энергопотребление при производстве железобетонных изделий.

Выпускаемые быстротвердеющие (БТЦ), высокопрочные (ВПЦ) портландцементы не решили проблемы получения высокопрочных быстротвердеющих бетонов. Для отечественных БТЦ регламентируемая прочность через 3 суток составляет не более 55 -60% от нормативной. Только с использованием эффективных суперпластификаторов (СП), позволяющих понизить водосодержание бетонных смесей до 25 - 30%, стало возможным производство высокопрочных бетонов.

Для производства высокопрочных бетонов с ускоренными темпами набора прочности возможно применение вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) и различных

активных минеральных и органоминеральных добавок. Однако серийный выпуск ВНВ до сих пор не освоен российской цементной промышленностью, которая существенно сократила производство цемента марок М550 и практически полностью исключила выпуск цемента М600. В связи с этим проблема получения высокопрочных быстротвердеющих бетонов с высокими физико-механическими показателями в первые трое суток решается в существующих условиях с использованием цементов марок М400 и М500, высококачественных заполнителей, отечественных СП и дисперсных минеральных модификаторов [1].

В качестве активных минеральных модификаторов применяют добавки различной природы происхождения, природные и искусственные (техногенные). Природные добавки - это диатомит, трепелы и опоки, пеплы, туфы, пемзы, молотые высокопрочные горные породы. К техногенным добавкам относятся отходы или попутные продукты различных производств, такие как: микрокремнезем, бой силикатного и керамического кирпича, отходы от срезки горбушки при производстве газобетона, керамическая пыль, отходы от добычи и обработки каменных материалов, зола-унос, шлаки и т. д.

Активно ведутся исследования применения тонкодисперсных минеральных добавок в цементных бетонах, что связано, в первую очередь, с проблемой их утилизации и складирования. Следует отметить, что наиболее востребованы отходы с высокой удельной поверхностью, не требующие дополнительного помола. К таким отходам относят микрокремнезем, золу-унос, метакаолин, однако наибольшее распространение получил микрокремнезем.

Микрокремнезем обладает высокой удельной поверхностью и низкой насыпной плотностью, его применение обеспечивает увеличение прочностных характеристик бетонов, однако приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси, что влечет применение добавок пластификаторов [1, 2].

Известно [1 - 3], что добавки-пластификаторы, которые позволяют снизить водопотребность бетонной смеси при рабочих концентрациях, отвечающих максимальному функциональному действию (пластифицированию и

водоредуцированию), оказывают достаточно длительное блокирующее действие на кинетику твердения большинства цементов и набора прочности бетонов. Применение высокоактивных дисперсных модификаторов частично нейтрализует замедляющее действие СП, их оптимальное соотношение в бетонной смеси позволит обеспечить быстрый набор высокой прочности бетона. Особенно ярко проблема замедления набора прочности в присутствии минеральных и органических добавок проявляется при использовании цемента с повышенным содержанием алюминатов.

Исходя из общих экспериментально-теоретических положений наполненных цементных систем [1, 2, 4], количество дисперсного наполнителя может колебаться от 5 до 70%. Содержание дисперсных наполнителей в количестве 5 - 20% (микрокремнезем, зола) обычно обеспечивает существенное повышение прочности бетонов; средние и высокие значения содержания наполнителей от 30 до 70% - экономию цемента с сохранением или снижением прочности бетонов.

Авторами [1, 3, 5] рассмотрена возможность применения других минеральных добавок на основе молотых бетонов серии «Бетонит» и кристаллических затравок из тонкомолотого цементного камня, на основе этих работ рассмотрена возможность применения добавок на основе силикатов кальция (СК), которая включает модифицированный тонкомолотый цементный камень. Объектом исследования послужил цементно-песчаный раствор (Ц : П = 1 : 3) при постоянном В/Ц = 0,42 на основе бездобавочного цемента М500Д0 производства ОАО «Вольскцемент».

Пластифицирующая активность оценивалась по величине расплыва цементно-песчаного раствора на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81. Пределы прочности на сжатие и изгиб определялись на образцах-балочках 4*4*16 см. Данные испытаний приведены в таблице. Уровень наполнения систем минеральными добавками был выбран минимальным 5 - 10% исходя из условий выполнения заданных физико-механических

характеристик и минимальных затрат на их помол. Минеральные добавки измельчались в шаровой мельнице до удельной поверхности 4200 см2/г.

Анализ таблицы показал, что известные минеральные добавки, при использовании которых возможно достижение прочностных показателей, сравнимых с ВНВ, также повышают водопотребность бетонной смеси, что влечет применение супер и гиперпластификаторов.

Наиболее высокие прочностные показатели показали образцы с добавкой микрокремнезема, однако прочностные показатели образцов с предлагаемой добавкой на основе силикатов кальция практически не уступают образцам с микрокремнеземом.

Добавка СК не только не повышает водопотребнось смеси, но, наоборот, обладает пластифицирующим эффектом. Анализ таблицы показал, что применение 10 % добавки на основе силикатов кальция нерационально, т.к. увеличение прочностных характеристик по сравнению с добавкой из 5 % СК незначительное. Применение 5 % добавки на основе силикатов кальция позволяет получать на 2 сутки нормального твердения от 50 до 60 % от марочной прочности, на 3 сутки нормального твердения - более 70 % от марочной прочности.

Физико-механические характеристики образцов с модифицирующими добавками

Количество и вид добавки, % от массы цемента Расплыв стандартного конуса, мм Кол- во С-3, % Ризг

1 сут 2 сут 3 сут 28 сут 1 сут 2 сут 3 сут 28 сут

Контрольный 112 - 1,68 2,22 3,62 5,6 8,2 17,1 22,4 45,6

158 0,5 1,22 1,67 2,9 5,9 5,4 12,7 17,6 47,7

Молотый известняк 5% 104 - 1,15 1,35 2,68 5,7 6,5 13,4 21,4 46,9

137 0,5 1,25 2,35 3,77 6,3 7,0 17,3 20,7 47,8

Бой силикатного кирпича 5 % 107 - 1,73 2,66 3,92 6,2 9,2 18,9 32,6 51,4

132 0,5 1,27 2,25 3,89 6,4 8,2 17,6 30,2 52,4

Отход от срезки «горбушки» газобетона 5 % 102 - 1,01 1,47 1,74 5,7 7,0 16,0 19,8 47,1

125 0,5 1,29 2,15 3,67 6,4 7,1 18,7 27,0 48,4

Микрокремнезем 5 % 103 - 2,4 3,4 3,8 6,3 12,8 24,6 35,8 58,2

125 0,5 2,5 3,8 4,2 6,6 13,6 27,2 37,4 60,1

Добавка на основе СК 5 % 122 - 2,25 3,59 4,27 8,3 9,1 26,4 36,2 54,4

138 0,5 1,47 1,99 3,72 6,0 7,1 16,3 24,5 47,5

Добавка на основе СК 10 % 125 - 2,31 3,62 4,39 8,4 9,7 28,3 36,9 55,5

141 0,5 1,55 2,42 3,9 6,7 8,0 18,4 26,9 50,1

Молотый мрамор 5% 105 - 2,1 3,28 3,79 6,2 8,9 20,4 32,8 52,4

135 0,5 2,2 3,42 4,01 6,4 9,2 24,7 34,6 54,7

Микрокремнезем 10 % 110 0,3 2,9 3,7 4,8 7,2 17,7 30,1 41,5 61,4

120 0,5 3,1 4,2 5,1 7,6 18,3 32,2 43,6 63,3

Микрокремнезем 5 % + добавка на основе СК 5 % 107 - 2,7 3,5 4,2 7,1 15,9 31,4 42,1 62,6

128 0,3 2,9 3,9 4,9 7,4 17,1 33,4 43,9 63,6

На 28 сутки превышение прочностных показателей образцов с добавкой модификатором по сравнению с контрольным образцом составило около 20 %.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что применение минеральной добавки на основе силикатов кальция позволяет получать быстротвердеющие бетоны с высокими физико-механическими характеристиками.

На основе полученных данных предложено заменить часть дефицитного и дорогого микрокремнезема добавкой СК. Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что прочностные показатели образцов с комплексной добавкой на основе СК+Микрокремнезем в количестве 10% не уступают прочностным показателям образцам с добавкой 10% Микрокремнезема, а также снижает водопотребность бетонной смеси, что позволяет снизить расход суперпластификатора.

Присутствие суперпластификатора С-3 в составах с минеральными добавками замедляют начальные сроки твердения образцов, однако на 28 сутки прирост прочности во всех образцах составил 10-15%. При применении пластификатора С-3 в комплексе с добавкой на основе силикатов кальция полученный ранее эффект ускоренного набора прочности нивелировался (см. таблицу). Следует отметить, что для получения высокоподвижных и высокопрочных бетонных смесей с минеральной добавкой СК требуется внимательно назначать добавку - суперпластификатор для получения комплексного органоминерального модификатора.

Таким образом, установлена возможность получения бетонов с высокими физикомеханическими показателями в ранние сроки твердения с применением минеральных добавок, которые могут использоваться при монолитном строительстве без применения или с ограниченной тепловой обработкой. Именно скорость набора прочности бетона определяет сроки выполнения распалубочных работ, оборачиваемости оснастки, следовательно, продолжительность процесса строительства зданий, и количество затраченных средств на строительство объекта в целом, также производство сборного железобетона по беспрогревной или малопрогревной технологии с температурой экзотермии 30-40°С с исключением или существенным сокращением энергетических ресурсов, повышением оборачиваемости тепловых агрегатов и производительности технологических линий. Важно отметить, что достигнутая прочность бетона с использованием микронаполнителей на основе природных и техногенных продуктов не уступает прочностным показателям бетонов с добавкой микрокремнезема.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю.М. Модифицированные высокопрочные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. М.: Ассоциация строительных вузов, 2006. 368 с.

2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г.Батраков. М.: Стройиздат, 1998. 768 с.

3. Строкова В.В. Оценка влияния кристаллических затравок на структурообразование цементного камня // В.В. Строкова, Л.Н. Моловьева // Строительные материалы. 2009. №3. С. 97-98.

4. Тараканов О. В. Применение комплексных добавок для повышения прочности бетона / О.В. Тараканов, Т.В. Пронина, Е.О. Тараканова // Популярное бетоноведение. 2008. №4. С. 26-29.

5. Ратинов В.Б. Добавки в бетон / В.Б. Ратинов, Т.И. Розенберг. М.: Стройиздат, 1989.

188 с.

Иващенко Юрий Григорьевич -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций» Саратовского государственного технического университета

Козлов Николай Алексеевич -

аспирант кафедры «Производство строительных изделий и конструкций» Саратовского государственного технического университета

Тимохин Денис Константинович -ассистент кафедры «Производство строительных изделий и конструкций» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 01.11.10, принята к опубликованию 15.11.10