Исследования механизма воздействия комплексных полифункциональных модификаторов на структуру и свойства тяжелого бетона

Studies of the mechanism of action of complex polyfunctional modifiers on the structure and properties of heavy concrete Stroiteleva E.

Строителева Елена Александровна / Stroiteleva Elena - кандидат технических наук, доцент, кафедра производства строительных конструкций и строительной механики, Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Аннотация: работа посвящена снижению водоцементного отношения и увеличению прочности, водонепроницаемости и морозостойкости цементных бетонов с наполнителем из золы-уноса.

Abstract: this article focuses on the reduction of water-cement ratio and increase the strength, water resistance and frost resistance of cement concrete with a filler offly ash.

Ключевые слова: зола-уноса; прочность при сжатии; водонепроницаемости; морозостойкость.

Keywords: fly ash; compressive strength; water resistance; frost resistance.

УДК 666.972.16

В последние годы подходы к назначению и разработке составов цементных бетонов стали изменятся. Главным приоритетом является обеспечение заданных технических характеристик цементных бетонов для различных отраслей промышленности. На сегодняшний день получают широкое развитие многокомпонентные составы бетонов, в составы которых входят кроме вяжущего и заполнителей также химические и минеральные добавки. В данной работе рассмотрена эффективность использования отходов тепловой энергетики при производстве строительных материалов.

Дальневосточные золы являются схожими по своему химическому составу [1], поэтому в качестве наполнителей в исследованиях применялась зола-унос Хабаровской ТЭЦ-3. Химический состав золы приведен в табл. 1. Основные характеристики наполнителя приведены в табл. 2.

Таблица 1. Химический состав, %

SiO2 Fe2O3 CaO TiO2 MgO K2O Na2O SO3 P2O5

55,71 19,56 5,50 2,95 0,78 1,25 1,45 0,09 0,32

Таблица 2. Характеристики наполнителя

Удельная поверхность, м2/г Истинная плотность, г/см3 Насыпная плотность, кг/м3 Активность по поглощению СаО, мг/г П.П.П. %

0,246 3,3 850 69,6 12,8

Широко известными способами повышения пластичности смесей является применения добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ). Для получения бетонных смесей с требуемой подвижностью без применения пластифицирующих добавок необходимо увеличивать количество воды затворения, что приводит к существенной потери прочности, а также увеличению капиллярной пористости за счет испарения избыточной воды, что приводит к снижению морозостойкости бетона.

Проводившиеся ранее исследования показали, что использования Хабаровских зол приводит к резкому повышению водопотребности бетонной смеси, поскольку имеют неправильную форму частиц (рис.1) и пластифицирующим действием не обладают [2].

Рис. 1. Зола-уноса ТЭЦ-3 г. Хабаровска, увеличение 1700 крат. 1-суспензия; 2-насыпная зола-уноса

На рис. 2 приведен гранулометрический состав золы-уноса, определенный с помощью лазерного дифракционного микроанализатора частиц «Анализетте 22» версии Комфорт.

100 Q3M

ш

г

500 1Q00

Рис. 2. Гранулометрический состав золы-уноса

Для выявления происходящих процессов модифицирования структуры производились исследования цементного камня, наполненного золой-уноса с добавками поверхностно-активных веществ с использованием дифференциально-

9

8

7

6

5

4

3

2

0

0

0

термического анализа. В качестве добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) применялись суперпластификатор С-3 и гиперпластификатор Vinavil Flux 1. Испытания проводились как при нормально -влажностных условиях (НВУ) твердения, так и при тепловлажностной обработки (ТВО). Результаты ДТА представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1.

1.

2.

Рис. 3. ДТА - термограммы цементного камня на 28 сутки 1 - состав с золой (В/ЦФсоп^) в возрасте 28 суток при НВУ, 2 - состав с золой (В/Цфconst) в

возрасте 28 суток при ТВО

1 С-3 НВУ

2 Vinavil Flux 1 НВУ

3 С-3 ТВО

4 Vinavil Flux 1 ТВО

Рис. 4. ДТА - термограммы наполненного цементного камня на 28 сутки с добавками

Таблица 3. Составы и результаты ДТА образцов наполненного цементного камня

с добавками ПАВ

№ п/ п Количе ство золы, % от массы вяжущего Добавка, % Услов ия тверде ния В/Ц В/(Ц +З) Хим. связ. Н2О, % Содержание, % Са(ОН)2 своб.

С-3 Vinavi l Flux 1

1 30 0,9 - ТВО 0,39 0,25 13,57 0

2 30 - 0,05 НВУ 0,39 0,25 12,50 0

3 30 0,9 - НВУ 0,39 0,25 15,00 0,32

4 30 - 0,05 ТВО 0,39 0,25 14,27 0

Составы приготовлялись из условия обеспечения получения теста нормальной густоты. У составов без содержания добавок ПАВ (рис.3) содержание свободного Са(ОН)2 близко к нулю [2]. Из этого можно сделать вывод, что использование наполнителя из золы-уноса позволяет связать практически всю свободную известь, образующуюся на разных этапах, поскольку зола вступает в реакцию с продуктами гидратации.

Общая отличительная особенность у всех образцов с рассмотренными добавками заключается в том, что при ТВО в диапазоне температур от 700 до 850оС явно выражен эндотермический эффект. При НВУ интенсивность эндотермического эффекта при тех же температурах значительно ниже. Это объясняется тем, что при пропаривании большее количество продуктов гидратации вступает в реакцию с золой.

Процесс формирования структуры цементного камня является самопроизвольным, обладающим определенными физико-химическими свойствами. Эти свойства обусловлены технологическими параметрами, такими как минералогический состав, тонкость помола, количество воды затворения, уплотнение, условия твердения и т.п. Наиболее распространенными технологическими приемами, влияющими на формирование структуры цементного камня, является введение различных добавок и гидротермальная обработка [3].

В данной статье приведены результаты исследования влияния замены части песка золой-уноса и условий твердения на прочностные показатели тяжелого бетона в зависимости от вводимых добавок С-3 и Vinavil Flux 1.

Первоначально изучалось влияние количества вводимых в состав тяжелого бетона наполнителя из золы-уноса и добавок ПАВ оценивалось по пределу прочности при сжатии образцов кубиков при постоянных значениях жесткости бетонной смеси, твердевших при тепловлажностной обработки.

При использовании суперпластификатора С-3 наполнитель из золы-уноса вводился в количестве 30% для замены мелкого заполнителя (песка), поскольку максимальная прочность достигается при замене песка 30% золой [2]. С-3 применялась в диапазоне от 0,7 до 1,1% от массы цемента. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 4. Расход добавок и результаты испытаний прочности тяжелого бетона

№ Зола-уноса, % С-3, % R сж., МПа В/Ц

Сразу после ТВО 7 суток 28 суток

1 30 0,7 17,83 21,33 25,03 1,045

2 30 0,9 19,5 21,5 25,5 1,022

3 30 1,1 16,1 22,66 23,33 0,97

Максимальное значение прочности при сжатии в возрасте 28 суток наблюдается при введение С-3 в количестве 0,9% от массы цемента и достигает величины 25,5 МПа.

Составы бетона с применением гиперпластификатора Vinavil Flux 1 приготовлялись с заменой песка золой-уноса от 15 до 45% с шагом 15%. Vinavil Flux

1 вводился в состав бетона в количестве от 0,03 до 0,07% от общей массы сухой бетонной смеси. Результаты исследований приведены в табл. 5.

Использование в тяжелом бетоне Vinavil Flux 1 в количестве 0,05% при замене 15% песка золой-уноса позволяет получить прочность при сжатии до 22,76 МПа, что в

2 раза больше прочности такого же состава, не наполненного бетона без применения добавок.

№ Зола-уноса, % Vinavil Flux 1, % R сж., МПа В/Ц

Сразу после ТВО 7 суток 28 суток

1 15 0,03 13 19 22,23 0,95

2 15 0,05 15,66 16,66 22,76 0,9

3 15 0,07 4,33 8 11,13 0,86

4 30 0,03 11,6 28,16 28,5 1

5 30 0,05 5 9 12 0,9

6 30 0,07 3,66 6 9 0,88

7 45 0,03 18,16 18,83 20,33 1,09

8 45 0,05 18,9 19,33 27,5 1,02

9 45 0,07 18,33 25,66 32,16 0,95

Как видно из табл. 5 при замене 30% песка золой максимальная прочность 28,5 МПа достигает при расходе Vinavil Flux 1 в количестве 0,03%.

Использование Vinavil Flux 1 в количестве 0,07% при замене 45% песка золой позволяет получить максимальную прочность 32,16 МПа. Прочность в этом случае увеличивается относительно состава с заменой 15% песка золой и добавкой Vinavil Flux 1 0,05% на 30% и 13% по сравнению с составом при замене 30% песка золой и Vinavil Flux 1 в количестве 0,03%.

Литература

1. Ступаченко П. П. Строительные материалы из отходов промышленности Дальнего Востока [Текст] / П.П. Ступаченко. - Владивосток, 1988. -173 с.

2. Строителева Е. А. Модификация структуры цементных бетонов наполнителем из золы-уноса ТЭС Дальнего Востока [Текст] / Е.А. Строителева; диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Хабаровск - 2006. - 162 с.

3. Шпыновой Л. Г. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня [Текст] / под редакцией Л.Г. Шпыновой. Львов: Вища школа. Изд-во при ЛЬВОВ. ун-те, 1981. -160 с.

4. Строителева Е. А. Применение кислых зол в цементных бетонах // International scientific review. Germany. Munich, 2015. № 2(3) - С. 18-22.