Исследование деформационно-прочностных свойств бетона на основе минерально-щелочного вяжущего

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ БЕТОНА НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНО-ЩЕЛОЧНОГО

ВЯЖУЩЕГО

STUDY DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF CONCRETE BASED ON MINERAL-ALKALINE BINDER

H.A. Ерошкина, M.O. Коровкин

N.A. Eroshkina, M.O. Korovkin

ГОУВПО ПГУАС

Приводятся результаты исследования влияния состава минерально-щелочного бетона на его свойства: прочность при изгибе и сжатии, призменную прочность, усадку, деформативность и модуль упругости.

The results of studies of the influence of mineral-alkaline concrete composition on its properties: bending strength, compressive strength, prismatic compressive strength, shrinkage, deformation and modulus of elasticity are presented in the article.

История развития строительства показывает, что благодаря созданию технологии новых строительных материалов появляются новые типы зданий, сооружений и конструкций, в которых оптимально используются свойства этих материалов. Характеристики вновь созданных и традиционных конструкционных материалов различаются; поэтому при проектировании строительных конструкций для рационального использования новых и модернизированных материалов необходимо учитывать эти различия.

Минерально-щелочные и геополимерные материалы - наиболее перспективная альтернатива основному материалу в современном строительстве - портландцемент-ному бетону [4]. В области совершенствования этих инновационных материалов работают ученые различных стран: Франции, Германии, США, Австралии, Японии, Китая и др. К числу основных преимуществ минерально-щелочных и геополимерных материалов относят низкую энергоемкость технологии, использование в качестве сырья промышленных отходов и др [7, 5]. Однако, несмотря на очевидные преимущества геополимерных и минерально-щелочных вяжущих и значительное количество научных работ по этой тематике, подобные материалы пока не получили широкого распространения в качестве конструкционных материалов в строительстве, так как остаются еще недостаточно изученными [5].

Нами были проведены исследования свойств бетона, полученного с использованием минерально-щелочного (геополимерного) вяжущего, приготовленного с применением измельченных промышленных отходов: отсева дробления гранитного щебня и гранулированного доменного шлака.

Минерально-щелочное вяжущее изготавливалось из измельченного гранита с добавкой 24 % доменного шлака. Для твердения вяжущего в процессе приготовления бетонной смеси в нее вводился раствор щелочного активатора на основе соединений натрия. В качестве сырьевых материалов для получения бетона использовались отсев

2/2П11 ВЕСТНИК _2/201_]_МГСУ

дробления гранита Павловского месторождения и гранулированный шлак Новолипецкого металлургического комбината, измельченные до удельной поверхности 350 м2/кг по ПСХ-2, а в качестве заполнителя - щебень гранитный Хребетского месторождения фракций 5-15 и песок Сурского месторождения с Мк = 1,52. Активатор твердения вводился в смесь с водой затворения. Концентрация активатора в воде затворения во всех составах была постоянной - 30 %.

Составы бетона для исследований назначались в соответствии с двухфакторным центральным композиционным планом эксперимента. В качестве варьируемых факторов были исследованы: содержание активатора (по отношению к вяжущему, %) (А) и соотношение заполнителя и вяжущего (3/В). Первый и второй факторы на основных уровнях принимали значения 15 и 4,5, соответственно, а интервалы варьирования -соответственно 1 и 0,5. Исследованные составы бетона и значения факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

_Составы исследованных бетонов_

№ состава Состав бетона, кг/м3 Значения факторов

Вяжущее Активатор твердения Заполнитель Вода

Гранит Шлак Щебень Песок 3/В А, %

1 364 115 67 1215 700 225 4 14

2 362 114 71 1209 697 238 15

3 360 114 76 1202 693 251 16

4 334 105 61 1253 722 206 4,5 14

5 332 105 66 1246 718 219 15

6 330 104 69 1240 715 230 16

7 308 97 57 1284 740 190 5 14

8 306 97 60 1279 737 202 15

9 305 96 64 1273 733 213 16

В ходе эксперимента исследовались удобоукладываемость бетонной смеси и деформационно-прочностные характеристики бетона: прочность при сжатии (Я^), прочность при растяжении на изгиб (Яш), призменная прочность (Япр), усадка, зависимость деформации от напряжения и модуль упругости.

Исследование удобоукладываемости бетонной смеси проводилось по её расплыву на встряхивающем столике [2].

Для определения прочностных характеристик бетона изготавливались образцы размерами 40x40x160 мм, которые твердели: 1) в нормальных условиях в течение 28 суток и 2) при тепловлажностной обработке по режиму: подъем температуры - 4 часа, изотермическая выдержка при температуре 80 °С - 8 часов, охлаждение - 6 часов.

Исследование деформационных характеристик - модуля деформативности, приз-менной прочности - проводилось на образцах размерами 70x70x280 мм в соответствии с методикой [3]. Модуль упругости рассчитывался при нагрузке, равной 0,3Рр. Измерение усадочных деформаций осуществлялось на образцах, твердевших при тепловой обработке. Полученные результаты испытаний бетона на прочность и деформа-тивность приведены в табл. 2 и на рис. 1 и 2.

Исследованные смеси имели расплыв на встряхивающем столике от 105 до 150 мм (см. табл. 2), что характеризует их как жесткие и умеренно пластичные смеси. Данные, приведенные в табл. 1 и 2, свидетельствуют о том, что удобоукладываемость

исследованных смесей при повышении расхода воды незначительно улучшается по сравнению с удобоукладываемостью составов на основе портландцемента [1]. Возможно, это связано с загущающим действием на вяжущее щелочного активатора, расход которого в эксперименте повышался пропорционально расходу воды.

Таблица 2

Свойства бетонов, изготовленных по составам, приведенным в табл. 1

№ состава Расплыв конуса, мм Свойства при различных условиях твердения

После ТВО Нормальные условия

Призменная прочность, МПа Модуль упругости, ГПа Усадка, мм/м Прочность при сжатии, МПа Прочность на изгиб, МПа

1 120 25,1 17,9 0,31 48,2 5,3

2 126 16,8 8,5 0,47 41,4 4,3

3 150 10,1 6,8 0,56 34,2 3,9

4 106 28,6 20,9 0,25 49,4 6,1

5 115 20,5 9,4 0,31 43,8 4,6

6 125 12,6 8,0 0,43 38,4 4,1

7 103 30,6 24,2 0,22 50,4 6,5

8 110 27,8 11,7 0,27 45 5,1

9 119 17,3 10,1 0,37 40,2 4,5

На рис. 1 приведены зависимости прочности бетона после тепловой обработки от содержания заполнителя и активатора твердения. Повышение прочности бетона при сжатии и изгибе, как видно на рис. 1, происходит при увеличении расхода заполнителя и снижении дозировки активатора и воды. Прочность при сжатии бетона находится в пределах от 42 до 60 МПа. При твердении бетона в нормальных условиях наблюдается такой же характер зависимости прочности от исследуемых факторов (см. табл. 2), что и при тепловой обработке, но значения прочности ниже на 10-15 %.

а)

р

^СЖ 1

МПа 60

Активизатор, %

Заполнитель / Вяжущее

б)

Кизг' МПа 7

Активизатор, % Заполнитель / Вяжущее

Рис. 1. Прочность при сжатии (а) и изгибе (б) после ТВО

56

6

5

5

5

2/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

10000

При:

5 10 15 20 25 30 35

СТ, МПа

3/В=4 —Л— 3/В=4,5 —О— 3/В=5

В)

15000

10000

5000

* А 1

- > 1 1-1—

При:

10 15 20 25 30 СТ, МПа

3/В=4 А 3/В=4,5 3/В=5

б)

Е, МПа 20000

15000

10000

0

0

5

10 15 20 25 30

СТ, МПа

При: —о— 3/В=4 —А— 3/В=4,5 —О— 3/В=5

Рис. 2. Изменение модуля деформатив-ности в зависимости от напряжения при дозировке активатора 14 % (а), 15 % (б), 16 % (в). Затемненными точками показаны значения о и Е при которых рассчитывался модуль упругости

0

0

5

Ранее проведенные эксперименты [6] позволили установить, что на усадку минерально-щелочного вяжущего наибольшее влияние оказывают водовяжущее отношение, повышение которого вызывает рост усадочных деформаций, а также расход активатора, который снижает усадку. Как видно из данных, приведенных в табл. 1 и 2, повышение дозировки активатора пропорционально расходу воды не компенсирует роста усадки. Значения усадочных деформаций исследованных бетонов находились в интервале от 0,22 до 0,56 мм/м, что приблизительно равно усадке портландцементных бетонов.

По данным, представленным в табл. 2, видно, что призменная прочность возрастает с повышением в бетоне доли заполнителя и с уменьшением содержания активатора с 10 до 30,6 МПа.

Приведенные на рис. 2 графики зависимостей модуля деформативности от напряжения свидетельствуют о том, что деформативность бетона возрастает с уменьшением

количества щелочного активатора и с повышением доли заполнителя. В исследованных составах бетона модуль упругости, составляющий от 7 до 22x103 МПа, в 2.. .4 раза меньше, чем у равнопрочных обычных тяжелых бетонов на основе портландцемента и в 1,4.3,5 раза меньше, чем у мелкозернистых бетонов [1].

Выводы

Выявлены закономерности изменения прочности при сжатии и изгибе, призмен-ной прочности, а также деформаций усадки при увеличении соотношения заполнитель/вяжущее и совместном снижении дозировки активатора и воды.

Проведенные исследования показали, что минерально-щелочное вяжущее может использоваться для изготовления конструкционного бетона. Полученные бетоны характеризуются прочностью при сжатии 34.60 МПа и при изгибе 3,9.6,5 МПа. Особенностью исследованных материалов являются более низкие значения модуля упругости в сравнении с портландцементными бетонами при сопоставимых прочностных характеристиках, что необходимо учитывать при проектировании конструкций из минерально-щелочного бетона. Низкие значения модуля упругости не позволяют рекомендовать эти бетоны для производства конструкций работающих на изгиб или вне-центренное сжатие.

Литература

1. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2007. 528 с.

2. ГОСТ 310.4 -81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.

3. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости.

4. Davidovits J. Soft Mineralurgy and Geopolymers. In proceeding of Geopolymer 88 International Conference, the Université de Technologie. Compiègne, France. 1988. P. 49-56.

5. Davidovits J. 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications // Market Trends and Potential Breakthroughs. Geopolymer 2002 Conference. Melbourne, Australia, 2002, P. 40-48.

6. Ерошкина, H.A. Влияние режимов тепловой обработки на некоторые свойства вяжущих на основе изверженных горных пород / Н.А. Ерошкина, В.И. Калашников, М.О. Коровкин, В.Я. Кудашов // Наука и инновации в строительстве. Т. 1. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии: Материалы международного конгресса. Воронеж, 2008. С. 153-157.

7. Калашников, В. И. Перспективы развития геополимерных вяжущих // Современные состояние и перспективы развития строительного материаловедения: Материалы 8-х Академических чтений. Самара, 2004. C. 193-197.

The literature

1.Bazhenov, Y.M. Concrete technology. Moscow: ASV, 2007. 528 p.

2.GOST 310.4 - 81. Cements. Methods of bending and compression strength determination.

3.GOST 24452 - 80. Concretes. Methods of prismatic compressive strengths, modulus of elasticity and Poisson's ratio determination.

4.Davidovits, J. Soft Mineralurgy and Geopolymers // In proceeding of Geopolymer 88 International Conference / Université de Technologie. Compiègne, France, 1988. P. 49-56.

2/2П11 ВЕСТНИК _2/201J_МГСУ

5.Davidovits, J. 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications // Market Trends and Potential Breakthroughs. Geopolymer 2002 Conference. Melbourne, Australia, 2002. P. 40-48.

6.Eroshkina, N.A. Effect of heat treatment on some properties of the binders on the basis of igneous rocks / N. A. Eroshkina, V. I. Kalashnikov, M. O. Korovkin, V. J Kudashov // Science and innovation in construction. Vol. 1. Modern problems of building materials and technology: Proceedings of the International Congress. Voronezh, 2008. P. 153-157.

7.Kalashnikov, V. I. Possibilities of geopolymer binders // Current state and prospect of development of building materials technology: materials of VIII Academic readings. Samara, 2004. P. 193-197.

Ключевые слова: минерально-щелочное (геополимерное) вяжущее, бетон, прочность при сжатии, призменная прочность, прочность при изгибе, усадка, модуль упругости, магматические горные породы, отходы добычи, доменный шлак.

Key words: mineral-alkaline (geopolymer) binder, concrete, compressive strength and bending, prismatic compressive strength, shrinkage, modulus of elasticity, magmatic rocks, mining waste, blast furnace slag.

Ерошкина Надежда Александровна e-mail: n eroshkina@mai.ru

Коровкин Марк Олимпиевич e-mail: m korovkin@mail.ru

Рецензент к.т.н., доцент, директор ООО «Строительные материалы» г. Пенза