Механизм действия активных минеральных добавок в бетоне включает

Обновлено: 28.04.2024

Троян Вячеслав Васильевич 1 , Киндрась Богдан Петрович 2
1 Киевский национальный университет строительства и архитектуры, доктор технических наук, профессор кафедры технологии строительных конструкций и изделий
2 ЧАО «ДАРНИЦКИЙ ЗЖБК», главный технолог

Аннотация
Исследованы деформативные свойства и трещиностойкость высокопрочных бетонов, на основе комплекса химических и активных минеральных добавок.

Введение

Повышение прочности бетона открывает перспективу снижения сечения конструкции при обеспечении ее эквивалентной несущей способности. Однако, получение высокопрочных бетонов часто сопровождается увеличением усадки и снижением трещиностойкости бетона. Следовательно, снижение проницаемости при получении высокопрочных бетонов не обязательно повышает их долговечность вследствие одновременного ухудшения деформативних свойств [1,2], что нужно учитывать при снижении сечения конструкции. Таким образом, объектом исследований в данной работе является высокопрочный бетон для тонкостенных железобетонных монолитных конструкций. Целью работы является исследование влияния минеральных добавок различной природы на трещиностойкость высокопрочных бетонов.

Материалы и методы исследований

Результаты исследований

Высокопрочный бетон класса С60/75 получали при В/Ц = 0,3, и расходе вяжущего 500 кг/м 3 (базовый состав бетона), в состав которого вводили по 10% золы уноса, микрокремнезема, известняковой муки и метакаолина (составы бетона с минеральными добавками). В качестве химического добавки использовали суперпластификатор I-типа на поликарбоксилатной основе с водоредуцирующим эффектом более 30%.

Кинетика набора прочности исследуемых составов высокопрочных бетонов приведена на рис. 1. Как видно из данного рисунка, высокие показатели прочности на 3 сутки твердения (60 МПа) имеет базовый состав бетона без минеральных добавок. Относительно низкой прочностью на 3 сутки (46,5 МПа) характеризуется состав бетона с золой уноса. В проектном возрасте 28 сут. лучший результат (84,7 МПа), на 6% превышающий прочность базового состава, был получен при добавлении микрокремнезема. При использовании в составе бетона известняковой муки, на 28 сутки наблюдалась наибольшая потеря прочности на 16% по сравнению с контрольным составом бетона. На 90 сутки прочность всех составов бетона отвечала (или превышала) классу С60/75. Введение микрокремнезема позволило получить класс бетона по прочности С70/85 (93,5 МПа).

По результатам исследования прочности на растяжение при раскалывании согласно [4] видно (рис.2.), что введение известняковой муки снижает прочность бетона на растяжение при раскалывании на 15% (4,7 МПа) по сравнению с базовым составом (5,5 МПа ). При использовании золы уноса и метакаолина наблюдается повышение данного показателя на 5% (до 5,8 МПа). За счет введения в состав бетона микрокремнезема прочность на растяжение при раскалывании повышается на 16% (до 6,4 МПа).

Рис. 2. Прочность на растяжение при раскалывании высокопрочных бетонов

По результатам исследования прочности бетона на растяжение при изгибе согласно [5], сохраняются закономерности как и при определении прочности на растяжение при раскалывании (рис. 3). Составы бетона с золой уноса и метакаолином показали прочность на растяжение при изгибе на уровне базового состава. Состав бетона с микрокремнеземом обеспечивает прирост на 3% прочности на растяжение при изгибе по сравнению с базовым составом (до 12,6 МПа). Использование известняковой муки привело к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 7% по сравнению с базовым составом.

Одним из параметров, определяющих долгосрочную трещиностойкость высокопрочных бетонов является показатель их усадки. На рис. 4. приведено сравнение влияния минеральных добавок на усадку образцов – призм (500х100х100 мм) высокопрочных бетонов в течение 120 суток в воздушно – сухих условиях (при температуре 20 ± 2 ° С и влажности 60 ± 5%). Приведенные данные свидетельствуют, что введение в состав бетонов золы уноса и микрокремнезема приводит к увеличению усадки в первые трое суток (0,08 и 0,09 мм/м соответственно) по сравнению с базовым составом (0,035 мм/м). Однако, на 120 сутки за счет введения 10% золы уноса, микрокремнезема и известняковой муки усадка уменьшается на 4-10%. Введение в состав бетона 10% метакаолина позволяет снизить его усадку на 22% (рис.4.).

Рис.4. Усадочные деформации высокопрочных бетонов в воздушно-сухих условиях

Оценку трещиностойкости высокопрочных бетонов осуществляли по показателям критических коэффициентов интенсивности напряжений (K_i, МПа·м 1/2 ), которые определяли по диаграммами деформирования образцов-призм с инициированной трещиной (рис.5-6). Испытания образцов осуществляли в возрасте 56 суток.

Рис.5. Диаграмма деформирования образцов с инициированной трещиной

Рис.6. Схема испытания образца-призмы с инициированной трещиной

(А = 0,035 м-длина начального надреза шириной 0,003 м; b = 0,1м; L = 0,4;

L0 = 0,38 – размеры образца, м; F – нагрузка на образец, кН)

По данным испытаний в соответствии с [6] были рассчитаны статические критические коэффициенты интенсивности напряжений К_i, МПа•м 1/2 исследуемых составов бетонов. Отдельно определяли начальные модули упругости образцов-призм высокопрочных бетонов при изгибе E_tb (табл.1.). Как видно из табл.1, при практически одинаковых показателях критических коэффициентов интенсивности напряжений K_i (колебания в пределах 5%), исследуемые высокопрочные бетоны характеризуются значительными колебаниями начальных модулей упругости (до 20%). Известно, что в бетонах, которые характеризуются низким значениями начальных модулей упругости потенциально возможно возникновение более низких напряжений вследствие температурных и усадочных деформаций, при равных значений К_i, что позволяет признать их более трещиностойкими. Таким образом, по приведенным в табл.1 показателям, наиболее трещиностойкими можно признать высокопрочные бетоны базового состава и состава с 10% метакаолина, характеризующиеся относительно низкими модулями упругости при значениях К_i на уровне или выше чем у других составов высокопрочных бетонов. Относительно низкой трещиностойкостью характеризуется состав бетона с 10% микрокремнезема, который при К_i на уровне других составов бетонов с минеральными добавками, характеризовался высоким начальным модулем упругости.

1 Северо-Кавказский филиал ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

В связи с ростом дефицита цемента, уменьшением ресурсов высококачественного сырья, увеличивающимся объемом производственных отходов и обострением экологической проблемы повышается актуальность применения различных дисперсных минеральных добавок при изготовлении цементов и бетонов. Для рационального использования минеральных добавок большое значение имеет достоверная оценка их эффективности. Рассмотренный в статье подход к определению эффективности различных минеральных добавок позволяет учесть специфику поведения последних в бетонах. Он рекомендуется для предварительной оценки минеральных добавок в исследовательской практике и на производстве. Такой подход к оценке минеральных добавок и предложенную на его основе классификацию целесообразно использовать при разработке нормативно-технических документов, регламентирующих испытания добавок, а также изготовление и применение бетонов с их использованием.

1. ГОСТ 1. 310.1-76. Цементы. Методы испытаний. Общие положения. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 6 с.

3. Борисенко Л.Ф., Делицын Л.М., Власов А.С. Перспективы использования золы угольных тепловых электростанции / ЗАО «Геоинформмарк». – М., 2001. – 68 с.

4. Гольдштейн Л.Я. Ермакова Г.Ф. Методы определения активности минеральных добавок к цементам // Цемент. – 1998. – № 12.

5. Капленко О.А. Современная универсальная добавка ЖККА // Т 38 Технические науки – от теории к практике: сборник статей по материалам ХХIХ междунароной научн.-практ. конф. – Новосибирск: Изд-во: «СибАК», 2013. – № 12 (25). – С. 119–126.

6. Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В., Шпицгауз А.П., Парада С.Г. Компоненты зол и шлаков ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 176 с.

7. Комарова Н.Д. Есипова А.А, Комарова К.С. Влияние пластификаторов на процесс структурообразования бетона // Инновационная наука. – 2015. – № 4 часть 2. – С. 27–30.

8. Целыковский Ю.К. Опыт промышленного использования золошлаковых отходов ТЭС // Новое в российской энергетике. – М.: Энергоиздат, 2000. – № 2. – С. 22–31.

9. Kurbatov V.L., Komarova N.D. Analytical Modification of Seismic Effect on the Building. Modern Applied Science. – 2015. – Vol 9, № 3. – DOI 10.5539/mas.v9n3p10.

Цель исследования. Для рационального использования минеральных добавок большое значение имеет достоверная оценка их эффективности.

Материалы и методы исследования

Среди действующих методов физико-механических испытаний метод, отвечающий ГОСТ 310.1-76 [1], не учитывает специфику поведения МД в сочетании с портландцементом. Предусматривает способы определения некоторых характеристик (например, водостойкости), неприемлемые для отдельных видов добавок, не позволяет оценить добавки-наполнители, хотя они также могут быть эффективны [2]. В подходе к испытаниям по методу Л.Я. Гольдштейна и др. [3] значительно завышено отношение минеральные добавки: портландцемент, искусственно затрудлена дисперсность МД. Стандартные методы [1 и 4] не учитывают особенностей бетонов.

Предварительно проведенные опыты показали, что оценка эффективности использования МД на экономии цемента, достигаемой для получения бетонной смеси и бетона с заданными характеристиками, не является однозначной, в том числе зависит от вида и химико-минералогического состава и других характеристик используемого цемента. Иллюстрацией могут служить данные, полученные при испытаниях бетонов на различных цементах с минеральными добавками вулканического происхождения. Влияние вида цемента на эффективность использования минеральных добавок в пропаренных бетонах показано в табл. 1.

Вид исходного цемента

Количество добавки в исходном цементе, %

Удельная экономия портландцемента Эц при введении минеральных добавок

Примечание. ПЦ – портландцемент, ПЦД – портландцемент с минеральной добавкой, отделенной при помоле цемента.

Так при использовании портландцементов с добавками (ПДЦ), введенными при помоле цемента (ангарский ПЦД, с 16–20 % золы – уноса, и брянский ПЦД с 8–10 % трепела), отмечена меньшая эффективность минеральных добавок, дополнительно вводимых в бетонную смесь, важно при применении бездобавочных портландцементов. В свою очередь, среди последних преимущества имеет Воскресенский [1], что, вероятно, связано с повышенным содержанием в нем щелочей (около 1,5 %), в том числе более 40 % быстрорастворимых (в виде сульфатов), активизирующих частицы вулканического стекла. Плохая же совместимость МД с белгородским ПЦ связана, очевидно, с пониженным содержанием R2O в клинкере (менее 0,45 %).

Эффективность минеральных добавок, вводимых в бетонные смеси, в значительной степени зависит также от отношения Ц/В, расхода цементного теста, зернового состава песка. Поэтому даже при использовании конкретных сырьевых материалов эффективность МД в бетоне необходимо оценивать по результатам подбора не одного состава бетона, а с варьированием как минимум на трех уровнях значений Ц/В к расходу добавки. Не исключает этой необходимости и оперирование с часто используемым показателем цементирующей эффективности МД [5].

Вместе с тем для предварительной оценки и сопоставления различных МД, а также для выбора наиболее эффективных из них является выработанная нами упрощенная оценка, которая базируется на испытаниях эталонного состава бетона при фиксированном содержании МД в цементе. Основные положения такой оценки заключаются в следующем.

1. Исходным материалом служат портландцемент М400 или М500 второй группы с активностью при пропаривании по ГОСТ 22236-85, речной кварцевый песок и гранитный щебень фракций 5–10 и 10–20 мм в соотношении 2:3 по массе. Так как с изменением крупности песка и содержания в нем тонкодисперсных фракций изменяется эффективность МД, эти показатели следует сохранять постоянными: Мц = 1,8 ± 0,1; содержание фракции менее 0,14 мм – 8 ± 2 %.

2. Содержание МД в смешанном цементе – максимальное по ГОСТ 22266-76, т.е. 30 % по массе для добавок осадочного происхождения и близкой к ним по свойствам добавки силикатной пыли (отхода производства ферросилиция) и 40 % по массе для всех остальных добавок. При этом достаточно ярко проявляется эффект МД и в большинстве случаев обеспечивается минимально допускаемый расход портландцемента в бетоне исходя из условий сохранности арматуры.

3. В качестве эталонного выбран состав с соотношением цемент (ПЦ + МД):песок: щебень, равным 1:2:3,5 по массе, из которого приготовляют смеси умеренной подвижности (ОК = 4 ± 1 см). При переходе к более жирным составам (например, 1:1,5:3) эффективность МД проявляется в меньшей степени. Это соответствует общей закономерности, по которой в первую очередь по мере возрастания Ц/В, увеличения расхода цементного теста в бетоне, повышения содержания тонкодисперсных фракций в заполнителях (менее 0,14 мм), снижения пустотности песка наблюдается уменьшение эффективности действия МД.

4. Заданную удобоукладываемость обеспечивают регулированием расхода воды, причем этот способ позволяет лучше различать добавки по качеству (в частности, по различной водопотребности).

5. Из бетонных смесей на основе портландцемента, а также на основе портландцемента и исследуемой добавки изготовляют по 9 кубов с ребром 10 см. Из них 6 кубов пропаривают по режиму 2 + 3 + 6 + 2 ч при 80 °С, причем 3 куба испытывают на сжатие через 1 сутки после изготовления, а еще 3 – в возрасте 28 суток последующего нормального твердения. Три куба постоянно хранят в нормальных условиях и испытывают через 28 суток.

6. В качестве показателей эффективности МД принимают удельную экономию портландцемента Эц на единицу прочности бетона эталонного состава, достигаемую при возведении единицы массы добавки:

где n – доли добавки в смешанном вяжущем (в долях единицы); Ц и Ц? – расходы портландцемента в бетонах соответственно без добавки и с минеральной добавкой; R и R? – значения прочности бетона при сжатом соответственно без добавки и с минеральной добавкой.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе такого подхода сделана оценка ряда МД, различающихся по природе и по другим характеристикам, причем использованы добавки как естественной дисперсности золошлаковые отходы, силикатная пыль), так и специально размолотые до дисперсности: характерной для измельчения материалов для измельчения материалов в шаровых мельницах. На основе полученных данных предложена классификация минеральных добавок.

Использование показателя Эц позволяет разграничить минеральные добавки по свойствам и эффективности применения в бетоне стандартного состава (табл. 2).

Бетон является основным строительным материалом. Продажа бетона в наше время столь популярна, что следует очень тщательно подходить к выбору той или иной марки данного вещества. Бетон, как и практически все материалы, имеет в своем составе некоторое количество примесей и добавок, целью которых является получение максимально пригодных свойств бетона. Одним из таких видов добавок являются минеральные добавки.

Минеральные добавки выводят непосредственно из природного и техногенного сырья, они представляют собой порошкообразные вещества и обладают таким важным свойством как нерастворимость в воде, и являются тонкодисперсным элементом твердой фазы бетона.

Минеральные добавки подразделяются на несколько видов в зависимости от состава, преобладающего механизма действия и химической активности.

Выделяют следующие группы минеральных тонкомолотых добавок:

Неактивные добавки для бетона. Это наполнители, которые играют роль микронаполняющих веществ;

Активные добавки для бетона. Эти добавки имеют самостоятельную или же скрытую активность;

Пластифицирующие добавки. Это высокодисперсные минеральные вещества, при помощи которых в процессе смешивания их с водой образуется коллоидный клей и появляется способность связывать большое количество воды.

Неактивные минеральные добавки-наполнители по своей сути могут быть веществами естественного происхождения, а также отходами промышленного производства. Данные неактивные добавки-наполнители для бетона состоят из кристаллического кремнезема, глинозема и других подобных веществ, в которых не присутствует скрытая гидравлическая активность.

В чем же состоит механизм действия таких добавок к бетону? Работа данных веществ основывается на увеличении удельной поверхности составляющих компонентов бетонного раствора, и как следствие, объема прочно удерживаемой адсорбционной воды. Что, в итоге, приводит к получению заданной удобоукладываемости бетона.

К неактивным добавкам для бетона естественного происхождения можно отнести такие вещества как: глинистые грунты, маршалит, лёссы, известняки (песчаные, глинистые, кремнистые, доломитизированные), пески, песчаники, известняки-ракушечники.

К неактивным добавкам для бетона, происходящим из промышленных отходов, относят колошниковую пыль, а также молотую горелую породу.

Все вышеперечисленные добавки должны обязательно соответствовать необходимым техническим требованиям.

Для получения активных минеральных добавок в бетон используют горные породы как вулканического, так и осадочного происхождения, а также промышленные отходы.

Механизмом действия активных добавок считается процесс гидратационного твердения как заменителя части цемента.

В основе механизма действия пластифицирующих добавок в бетоны лежит пластифицирующий эффект.

Минеральные пластифицирующие добавки естественного происхождения: умеренно пластичные и бентонитовые глины, известковое тесто, тонкомолотые кремнеземистые горные породы.

Минеральные пластификаторы, происходящие от промышленных отходов: минеральные остатки дистиллерной жидкости ДЖ, шламы химводоочистки ТЭЦ.

Производителей бетонаинтересует, в первую очередь, вопрос: как влияют различные виды активныхминеральных добавок на свойства портландцемента?

Основным компонентомвещественного состава портландцемента является портландцементный клинкер.

В соответствии с требованиями приложенияА ГОСТ 30515-97 «Цементы. Общие технические условия» активной минеральнойдобавкой к цементу считают такую минеральную добавку, которая в тонкоизмельченномсостоянии обладает гидравлическими или пуццоланическими свойствами.

Портландцементный клинкер —продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смесинадлежащего состава и содержащий, главным образом, высокоосновные силикаты и(или) высоко- или низкоосновные алюминаты кальция.

Сырьем для производствапортландцемента служит известняк или мергель и глина.

Химическое взаимодействиецемента с водой сопровождается образованием кристаллогидратов различной формы,которые труднорастворимы в пресной и минерализованной воде и устойчивы квоздействию атмосферных факторов. В результате гидратации клинкерных минералов образуетсяцементный камень с уникальными свойствами, который позволяет из разрушенныхгорных пород (песок, щебень, галька) оптимизированного зернового состава [1–4]получить высококачественный искусственный камень заданной формы и размеров, то естьбетонное изделие.

Взаимодействие зеренпортландцемента с водой начинается немедленно после затворения. Некотороеколичество кристаллогидратов, образующихся в начальный период гидратации,позволяет получать пластичное и удобоукладываемое цементное тесто, чтообеспечивает возможность формования бетонных изделий.

В результате продолжающейсяреакции гидратации постепенно формируется плотный и прочный цементный камень.Основным и наиболее полезным компонентом камня являются волокнистые чешуйчатыеили мелкозернистые гидросиликаты камня с общей формулой CxSyHz.

В цементной науке принятыследующие обозначения: С — СаО, S — SiO2, H — H2O, A — Al2O3.

Чем меньше основностьгидросиликатов, тем более полно использована их потенциальная химическаяэнергия, заложенная в клинкере, тем долговечнее и прочнее сформировавшийсяцементный камень. При гидратации силикатов кальция образуется также Са(ОН)2— наиболее растворимый и химически активный, а следовательно, уязвимыйкомпонент цементного камня.

Гидратация кальциевых алюминатови алюмоферритов в присутствии гипса ведет к образованию эттрингита, который припоследующем твердении переходит в моносульфатную форму С4АSН12. Образующиесягидроалюминаты и гидросульфоалюминаты кальция способствуют быстромуформированию структуры прочного искусственного камня в начальный периодтвердения цемента. Гидроалюминаты претерпевают и другие фазовые превращения собразованием кубических гидрогранатов, ослабляющих структуру камня.

После химического связывания,испарения и осмотического отсоса воды в цементном, а следовательно, и вбетонном камне, образуется развитая система пор. Основные эксплуатационныесвойства созданного искусственного камня, такие как долговечность,морозостойкость, коррозионная стойкость, прочность, определяют структура камняи его поровое пространство: размеры и форма пор, их количество и форма связимежду собой. В крупных порах вода замерзает при температуре до –20 °С, в мелкихпорах — до –50 °С или не замерзает вообще в климатических условиях эксплуатацииРоссии. Это явление обусловлено различными значениями давления внутри порискусственного камня. Чем меньше пор, тем плотнее и прочнее создаваемый камень.В свою очередь, размер и количество пор зависят от минералогического составаклинкера, водоцементного отношения и поверхностного натяжения на границераздела фаз.

В портландцементе обычносодержится до 1 % щелочных оксидов.

Их миграция к поверхностибетонов и дальнейшая карбонизация являются одной из основных причин образованиявысолов на поверхности затвердевшего бетона. Однако определяющим факторомобразования высолов является плотность структуры бетонного камня.

Именно формирование плотнойупаковки за счет оптимизации соотношения крупного и мелкого заполнителяопределяет свойства структуры формируемого искусственного камня при учете: насыпнойи средней плотности заполнителей, коэффициента раздвижки зерен крупногозаполнителя раствором, пустотности крупного заполнителя, поверхностных свойствконкретных видов сырьевых компонентов бетонной смеси.

Проще говоря: высыпаем в емкостьмаксимально возможное количество относительно крупных (с бильярдный шар) камней,сверху насыпаем щебень, утрясаем — щебень заполнил пустоты между камнями. Насыпаемкварцевый песок, утрясаем — песок заполнил пустоты между щебнем. Насыпаемцемент, утрясаем — цемент заполнил пустоты между зернами песка. Насыпаемпигмент, утрясаем — пигмент заполнил пустоты между зернами цемента. То есть компонентынасыпаются начиная от крупной фракции и кончая мелкой. При этом все компонентыдолжны быть сухими. При наличии воды более 0,3 % не произойдет максимальнополное проникновение более мелких компонентов сырьевой смеси в пустотноепространство между более крупных, так как кроме процесса гидратации цемента,который начнется сразу после контакта цемента и воды, силы поверхностногоскольжения материалов будут нивелированы силами трения. Именно поэтому набетонных заводах получают бетонную смесь невысокого качества.

Правильный процесс приготовлениябетонной смеси основан на оптимальном соотношении компонентов бетонной смесипри точном соблюдении физической закономерности упаковки зерен и частиц приусловии заполнения межзернового объема и раздвижки всех зерен большего размеразернами или частицами меньшего размера, а также раздвижки всех зерен и частицводными прослойками.

На бетонных заводах порой вгрязную бетономешалку засыпают влажный песок, затем щебень, цемент и заливают воду,то есть всё делается неправильно. А правильно сделать нельзя, потому чтолопасти для принудительного перемешивания бетонной смеси не достают дна мешалкии сухого песка и щебня не покупают — экономически невыгодно. Выгодно делать неправильнуюбетонную смесь. Фактически в любой заводской технологической схемеприготовления бетонной смеси не хватает скоростного смесителя для перемешиваниясухих компонентов смеси передсмачиванием ее водой.

Пластичные бетоны следуетперемешивать в обратном порядке: вода, цемент, песок, щебень. При этомбетономешалка должна быть герметичной. При изготовлении декоративной бетоннойсмеси в воду можно вводить растворимую форму щелоче- и светостойких красящихвеществ, то есть производить окрашивание бетонной смеси «цветными чернилами». Такаяпрактика существует при изготовлении цветной тротуарной плитки.

Нерастворимую форму красящеговещества, пигмент, целесообразнее вводить в виде колеровочной пасты в готовуюбетонную смесь при дополнительном перемешивании.

При изготовлении бетонной смесинаиболее важным и значимым с экономической точки зрения является факторнедоиспользования химической энергии портландцемента, что выражается в егоперерасходе на единицу прочности бетона.

Общим благотворным свойствомхимических реакций является более полное их протекание. Например, если одно изобразующихся новых веществ выводится из сферы реакции вследствие его связыванияв труднорастворимое соединение, как Ca(ОН)2, образующийся в результате реакции гидратацииС3S,связывается активным кремнеземом или алюмосиликатным стеклом минеральнойдобавки. Активные минеральные добавки обладают общим свойством — способностью ккислотно-основному взаимодействию с гидроксидом кальция с образованиемпрактически нерастворимых гидратов, это способствует увеличению количествагидросиликатов и понижению их основности, что крайне важно для образованияплотного и долговечного камня, придания ему способности к длительному роступрочности.

Благодаря рассмотреннымпроцессам портландцемент, содержащий в своем составе, кроме портландцементного клинкераи гипса, активную минеральную добавку, постепенно сравнивается по прочности сбездобавочным портландцементом, а затем даже обгоняет его по этому показателю.При этом устраняется высолообразование и щелочная коррозия бетона, а такжеувеличивается его сульфатостойкость.

1. ГОСТ 27006-86. Бетон. Правила подборасостава.

2. Пат. 2005699 РФ, С 1, 5 С 04В 28/00. Способ проектирования состава смеси песчаного бетона.

3. Пат. 2005700 РФ, С 1, 5 С 04В 28/00. Способ проектирования состава смеси легкого бетона.

4. Пат. 2014305 РФ, С 1, 5 С 04 В 28/00.Способ определения расхода мелкого и крупного заполнителя в бетонной смеси.

Минеральные добавки (гипс, диопсид, волластонит, золы, шлаки и т.д.) в состав цемента вводят для регулирования свойств цементного теста и характеристик цементного камня [1]. Для регулирования сроков схватывания цементного теста широко используется добавка 3-5 % двуводного гипса (СаSO₄⋅2Н₂О). Диопсид и волластонит способствуют увеличению прочности цементного камня.

Исследованный в качестве добавки волластонит Синюхинского месторождения (рудник «Веселый», республика Алтай, Россия) имел химический состав, мас. %: SiO₂ - 53,4; CaO - 34,7; MgO - 0,3; Al₂O₃ - 3,1; Fe₂O₃ - 2,4. Среднеобъемный размер зерен волластонита, определенный методом лазерной гранулометрии, равен 33,9 мкм. Удельная поверхность порошка составляет 287 м 2 /кг. Волластонит - однокальциевый силикат (CaO⋅SiO₂), его плотность равна 2,915 г/см 3 . Волластонит вводился в количестве 2, 5, 7, 9 и 11 % от массы цемента. Цемент смешивали с добавками волластонита в шаровой мельнице в течение 2 часов.

Полученные результаты (табл. 1) показывают, что прочность цементного камня возрастает при введении волластонита до 7-9 % мас. Однако при дальнейшем увеличении его содержания прочность снижается. Оптимальная концентрация добавки волластонита составляет 7-9 %.

Диопсидовая добавка представляла собой измельченную породу - отход от переработки флогопитовых руд Алданского месторождения. Химический состав ее, % мас: SiO₂ - 50,3;
Al₂O₃ - 3,4; Fe₂O₃ - 5,8; CaO - 24,6; MgO - 15,6; R₂О - 0,3. Диопсид - силикат кальция и магния - (СаО⋅MgO⋅2SiO₂).

Таблица 1

Влияние добавки волластонита на прочность цементного камня

Условия и продолжительность твердения

Прочность образцов цементного камня, МПа,
количество волластонита, % от массы вяжущего

Нормальные условия, 3 суток

Нормальные условия, 7 суток

Нормальные условия, 14 суток

Нормальные условия, 28 суток

ТВО* - тепловлажностная обработка по режиму: 3 часа - подъем температуры до 90 °С, 8 часов - изотермиче-ская выдержка при данной температуре и 3 часа - снижение температуры до 20 °С

Среднеобъемный размер частиц диопсида, определенный методом лазерной гранулометрии, составил 49,6 мкм, удельная поверхность - 213 м 2 /кг. Плотность диопсида равна 3,3 г/см3. Добавка диопсида вводилась в количестве 2, 5, 7, 9 и 11 % от массы цемента. Полученные результаты (табл. 2) показывают, что с увеличением количества добавки диопсида до 7 % мас. прочность цементного камня возрастает. При дальнейшем увеличении количества добавки прочность образцов снижается.

Таблица 2

Влияние добавки диопсида на прочность цементного камня

Условия и продолжительность
твердения

Прочность образцов цементного камня, МПа, количество диопсида, % от массы вяжущего

Нормальные условия, 3 суток

Нормальные условия, 7 суток

Нормальные условия, 14 суток

Нормальные условия, 28 суток

Таким образом, наблюдается четкий максимум значений прочности цементного камня в зависимости от количества введенных минеральных добавок. Оптимальное количество волластонта и диопсида составляет 7-9 % мас.

При анализе влияния концентрации добавок на свойства цементных материалов предположим, что частицы как цемента, так и добавок имеют сферическую форму и одинаковые размеры, и частицы добавки распределены по объему равномерно. В этом случае приемлемы закономерности формирования плотной структуры при укладке шаров. В структурах с плотнейшей их упаковкой возможны два способа: кубическая плотнейшая упаковка (КПУ) и гексагональная плотнейшая упаковка (ГПУ). При этом каждый шар касается 12 других шаров 3. В структурах с плотнейшей упаковкой шаров они занимают 74,05 % общего объема. 25,95 % приходится на пустоты между шарами. В случае цементного теста нормальной густоты водоцементное отношение близко к этой величине. Таким образом, можно полагать, что цементное тесто нормальной густоты представляет собой систему из частиц с плотнейшей их упаковкой, при этом пространство между частицами заполнено водой.

Представим, что центральный шар - частица добавки, а 12 окружающих шаров - частицы цемента [2]. В этом случае, будет достигаться максимально возможный контакт частиц добавки с частицами цемента. При этом объемная доля добавки, в этом случае, составит 1/12 от объемной доли цемента, то есть 8,3 %. Если плотность добавки отличается от плотности минералов цемента, то массовая доля добавки, в %, может быть определена по соотношению плотностей

где m - процент вводимой добавки от массы цемента; ρ_д - плотность добавки, г/см 3 ; ρ_ц - плотность цемента, г/см 3 .

Безусловно, эти расчетные результаты являются приближенными, так как реальная форма частиц цемента и добавки не является сферической, кроме того и цемент и добавки имеют разброс по величине размеров частиц. Распределение частиц добавок среди частиц цемента также может быть неравномерным. Вместе с тем качественная и количественная оценка оптимального количества добавок очень близка к реально получаемой.

Рассмотрим влияние количества гипса на свойства цементного теста и прочность цементного камня. Гипсовый камень (CaSO₄⋅2H₂O), используемый в серийном производстве портландцемента марки ПЦ 400 Д-20, вводился в количестве 1; 3; 4; 5; 7 и 9 % при помоле клинкера. Полученные результаты показывают четко выраженное оптимальное количество добавки гипса (5 % мас.) как по срокам схватывания цементного теста, так и по прочности цементного камня.

Близкое к полученному количеству добавки гипса используется при производстве портландцемента.

Рассчитанное по формуле, приведенной выше, с учетом плотности гипса, оптимальное количество добавки составляет 5,87 % мас. Эта величина близка к полученным экспериментальным данным. Различие может быть обусловлено тем, что средний размер частиц гипса меньше чем частиц цемента.

Рассматривая частицы цемента и добавки как сферические можно ориентировочно определить количество частиц цемента вокруг одной частицы добавки при плотнейшей упаковке частиц в соответствии с первым правилом Полинга [2, 3].

Так, если диаметр частицы добавки в 2 раза меньше диаметра частиц цемента, то в соответствии с этим правилом наиболее вероятным координационным числом при плотнейшей упаковке частиц является 6, то есть каждая частица добавки будет окружена 6 частицами цемента. В этом случае объем частиц добавки составит 1/8 от объема частиц цемента, а оптимальная доля добавки будет равна 2 % от объема частиц цемента.

Вместе с тем количественное влияние дисперсности добавок будет достаточно четким: с увеличением их дисперсности оптимальное количество уменьшается.

В работе исследована минеральная добавка, имеющая значительно большую удельную поверхность, чем цемент, волластонит, диопсид. В качестве такой добавки использован измельченный диабаз - отход промышленного производства при обработке природных камней (поселок Горный, Новосибирской области). Минеральный состав диабаза, % мас.: плагиоклаз альбитизированный - 57-68; авгит - 20-25; актинолит - 4-14; хлорит (гидрохлорид) - 6-8. Его химический состав, % мас.: SiO2 - 76,0; СаО - 4,0; MgO - 2,2; Al₂O₃ - 12,3; FeО + Fe₂O₃ - 3,7; прочие оксиды - 1,8. Плотность диабаза 3,0 г/см3. Среднеобъемный размер частиц порошка, определенный методом лазерной гранулометрии, составлял 8,7 мкм, удельная поверхность 540 кг/м2. Диабаз водили в количестве 2; 5; 7; 9 и 11 % мас.

Максимальное значение прочности цементного камня достигается при количестве введенного диабаза 2-5 % (табл. 3). Это значительно меньше, чем при введении более крупнодисперсных добавок (волластонита, диабаза).

Таблица 3

Влияние добавки диабаза на прочность цементного камня

Условия и продолжительность
твердения

Прочность образцов цементного камня, МПа,
количество диопсида, % от массы вяжущего

Читайте также: