CC BY
96УДК 666.972.16
У.Х. МАГДЕЕВ, д-р техн. наук, НИПТИ «Стройиндустрия» (Москва), П.К. ХАРДАЕВ, д-р техн. наук, Восточно-Сибирский государственный технологический университет (Улан-Удэ, Республика Бурятия)
Бетоны на основе эффузивных пород
Проблема повышения эффективности строительных материалов, как известно, предусматривает наряду с ростом их качества снижение ресурсных и энергетических затрат на их производство. Анализ содержания работ по данной проблеме показывает, что энергосберегающие технологии строительных материалов развиваются в различных направлениях за счет совершенствования традиционных технологий, создания новых эффективных материалов, новых малоэнергоемких технологий [1].
Наличие в Забайкалье огромных запасов перлитов, цеолитов, вулканических шлаков открывает перспективное направление в технологии бетона на основе малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих композиций, в производстве которого могут быть реализованы все перечисленные направления энергосберегающих технологий. Эффузивные породы благодаря своему активному химическому и фазовому составу, а также физической структуре применимы для использования в двух видах — в виде компонента вяжущих и пористого заполнителя. Проведение разработок в этом направлении и их реализация позволят создать эффективные теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные и конструкционные материалы и изделия, обладающие пониженной стоимостью из-за полного или частичного отсутствия дорогостоящего портландцемента и снижения параметров тепловлажностной обработки (ТВО) и хорошими механическими и тепло-физическими свойствами.
Исследования по получению конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе эффузивных пород и малоклинкерных вяжущих с целью получения легких бетонов классов по прочности на сжатие В3,5 — В7,5 с плотной и поризованной структурой для ограждающих конструкций проводились в ВосточноСибирском государственном технологическом университете
В качестве крупного заполнителя использовали керамзитовый гравий Ангарского завода ЖБИ и вулканический шлаковый щебень, имеющие практически равные показатели прочности при сдавливании в цилиндре. Расходы материалов на 1 м3 бетонной смеси, а также основные свойства легкобетонных смесей и бетонов представлены в табл. 1.
Анализ полученных данных показывает, что замена в исходном вяжущем до 50% клинкера закристаллизованным перлитом (смешанное вяжущее — СВ50) в комплексе с суперпластификатором С-3 практически не приводит к увеличению водопотребности равнопод-вижных легкобетонных смесей и к снижению прочности полученных бетонов. Комплексное использование вулканических пород в легких бетонах (в качестве компонента вяжущего и заполнителя) в сочетании с суперпластификатором С-3 существенно улучшает эксплуатационные свойства бетонов:
— водопоглощение снижается на 10—20%;
— сорбционная способность уменьшается в 1,1—1,3 раза;
— теплопроводность уменьшается на 15—20%;
— морозостойкость повышается на одну ступень.
С целью снижения теплопроводности бетона осуществляли поризацию бетонной смеси, в частности пенообразователем, состоящим из раствора СДО (10%) и раствора извести (7%) в соотношении 1:1 (по объему). Составы и свойства поризованного шлакобетона представлены в табл. 2. Поризация бетонов пеко-известковым порообразователем позволяет полностью исключить применение пористого песка. Использование малоклинкерных вяжущих, имеющих повышенную удельную поверхность, способствует стабилизации и экранированию воздушных пузырьков. Полученный конструкционно-теплоизоляционный бетон с поризованным цементным камнем со средней плотностью 1100—1200 кг/м3 имеет прочность 8—8,5 МПА, теплопроводность 0,25 Вт/(м • оС) и морозостойкость F25.
Для сокращения содержания открытой пористости, более рационального использования связующего материала и повышения эффективности легких бетонов были проведены исследования по разработке эффективных методов модификации пористых заполнителей. Модификация пористых заполнителей производилась окатыванием их во вращающихся барабанах при разных режимах, характеризуемых соотношением диаметров зерна и барабана, скоростью вращения барабана, соотношением объемов заполнителя и барабана. Модификация осуществлялась в сухой среде, в воде и водном растворе щелочи.
Обработка заполнителя приводит к уменьшению открытой пористости у вспученных перлитов до 60%, а у вулканических шлаков — до 30% при следующих параметрах: соотношение объемов заполнителя и барабана 1/5, В/Т отношение 0,2—0,25, продолжительность модификации 25 мин в 5% водно-щелочном растворе.
Были изучены особенности поведения конструкционных бетонов при динамических воздействиях типа сейсмических и установлено, что применение данных бетонов с использованием малоклинкерных вяжущих в несущих конструкциях зданий, возводимых в условиях высокой сейсмичности, весьма эффективно вследствие значительного уменьшения сейсмической нагрузки как из-за снижения массы зданий на 25—40%, так и из-за повышенной его способности к рассеиванию энергии сейсмических колебаний.
Представляет интерес производство эффективных бетонов: мелкозернистых шлакобетона, ячеистого и силикатного бетона с высокими эксплуатационными свойствами не только на основе малоклинкерных вяжущих, но и на основе бесклинкерных вяжущих, в частности известково-кремнеземистых вяжущих (ИКВ), композиционных алюмосиликатных вяжущих (КАСВ).
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] февраль 2010 19""
3
■s
4 в
Таблица 1
г к
ú;
О
а. о 3 с»
П5 Ä Ä
№ Вид бетона Вид вяжущего Расход материалов на 1 м3 легкобетонной смеси в/ц Удобоукла-дываемость, см Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа
Вяжущее, кг Крупный заполнитель фракции 5-20 мм, дм3 Шлаковый песок, дм3 Вода, дм3 свеже-уложенной бетонной смеси ром бетона после пропаривания Реет бетона в сухом состоянии Рсух после тепловой обработки R1nn Через 28 сут твердения образцов
после ТВО R28nn после норм, тверд. R28"T
1 Шлакобетон пц-до 140 1030 440 380 2,7 10 1720 1650 1340 5,4 6,6 4,9
2 205 1030 420 385 1,9 1780 1680 1430 8 9,8 8,6
3 260 980 380 340 1,3 1770 1680 1430 10 12 10,8
4 325 1000 360 385 1,2 1830 1750 1480 12,3 12,6 11,7
5 СВ-50 140 1010 440 390 2,8 10 10 1700 1330 5,2 5,7 4
6 200 1010 420 390 1,9 1730 1610 1370 6,4 4,5 7
7 260 1000 340 370 1,4 1750 1640 1430 8 8,7 7,9
8 320 980 360 360 1,1 1750 1680 1440 9,1 9,8 9,1
9 Керамзитошлакобетон пц-до 140 1010 410 230 1,7 12 1220 1160 1000 5,6 8,2 7,1
10 205 1040 440 250 1,2 15 1320 1300 1100 11,7 13,1 13
11 260 990 420 250 1 15 1320 1320 1120 13 16,8 16
12 330 1010 400 300 0,9 15 1420 1400 1150 14,6 20,3 19,3
13 СВ-50 140 1050 430 240 1,7 10 1270 1250 1060 7,2 8,4 6,4
14 205 1050 420 245 1,2 15 1320 1280 1100 8 12,4 10
15 260 990 400 234 0,9 20 1300 1300 1120 10,2 15 14
16 325 1010 400 265 0,8 12 1380 1320 1150 11,3 18,2 17,1
>0-
П5 >§
g О-
Kj >—,
Шс
Ig
1? Er t
Таблица 2
№ Вид вяжущего Расход материалов на 1 м3 легкобетонной смеси В/Ц Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, через
Вяжущее, кг Крупный заполнитель фракции 5-20 мм, дм3 Шлаковый песок, дм3 Вода, дм3 Пенообразователь рабочей концентрации, дм3 Свеже-уложенная бетонная смесь Рсм Бетон после ТВО рест Бетон в сухом состоянии Рсух 4 ч после ТВО 28 сут норм. тверд. образцов после ТВО 28 сут норм. тверд.
9 ПЦ-Д0 260 1290 - 235 232 0,9 1390 1300 1170 4,98 7,1 5,9
10 340 1170 - 270 232 0,79 1460 1400 1220 7,57 9,5 8,2
11 280 1145 - 300 254 1,07 1390 1330 1130 5,93 6,8 4,2
12 280 1135 105 250 254 0,89 1415 1360 1190 7,4 8,4 8
13 260 1050 190 270 211 0,92 1455 1435 1220 7,5 9,2 8,2
14 250 1010 275 230 227 0,92 1488 1450 1280 9,1 9,7 8
15 СВ-50 315 1160 160 185 136 0,6 1450 1430 1300 7,6 7,7 7,6
16 310 1135 155 180 134 0,58 1430 1400 1290 7,5 7,6 7,4
17 320 1170 160 190 138 0,6 1470 1470 1250 8 8,5 8,2
Механоактивация данных вяжущих позволила не только сократить традиционно используемую автоклавную обработку, но и перейти на безавтоклавную, что существенно снижает энергетические затраты на производство бетона на их основе.
На основе активированных ИКВ с использованием перлита, золы получен силикатный бетон неавтоклавного твердения М150—М200 с использованием различных заполнителей, водостойкость которого равна 0,77—0,85, марка по морозостойкости F50, усадочные деформации лежат в пределах 0,1—0,15 мм/м. Введение добавки С-3 в состав вяжущих приводит не только к снижению расхода воды для получения силикатного бетона при одинаковой подвижности, но и определяет изменение структуры затвердевшего бетона. При постоянном В/В отношении происходит рост эффективного радиуса пор до гэфф = 2 • 10-2 см вследствие эффекта воз-духововлечения. Равномерно распределенные поры данного радиуса способствуют увеличению морозостойкости бетона с F50 до F100 — 150 .
На основе КАСВ были разработаны составы и исследованы строительно-технические свойства коррозион-
но-стойкого мелкозернистого бетона, ячеистого бетона (газо- и пенобетона), легких бетонов.
Отличительной особенностью разработанного коррозионно-стойкого бетона на основе КАСВ является введение в его состав в качестве щелочного акти-визатора твердения перлита не в виде жидкого стекла, а в виде безводного силиката натрия, что позволяет устранить технологические неудобства использования жидкого стекла вследствие схватывания бетонной смеси на рабочих частях транспортного, смесительного и формовочного оборудования, снизить себестоимость продукции по сравнению с жидкомодульными стеклами. Кроме того, введение в качестве щелочного активизатора твердения перлита, золы, вулканического шлака — безводного силиката натрия позволяет регулировать содержание щелочных оксидов в коррози-онностойком бетоне. При твердении коррозионно-стойкого бетона на основе КАСВ формируются малорастворимые новообразования, химический и фазовый состав которых предопределяет их высокую химическую стойкость в кислотных и солевых средах. Такими основными новообразованиями являются
Таблица 3
Свойство Ед. изм. Бетоны (маркировка)
ШСБ с электромагнитным полем ШСБ, ГМА* БЦБ** ЦШБ***
Предел прочности при сжатии/изгибе МПа 15/4,5 16/5,3 10/3,2 7,5/2,5
Средняя плотность кг/м3 1200 1200 1200 1200
Модуль упругости 104 МПа 1,29 1,31 1,12 1,12
Коэффициент Пуассона - 0,148 0,152 - -
Предельная сжимаемость мм/м 2 1,8 - -
Усадка мм/м 0,45 0,42 0,6 0,52
Водопоглощение мас. % 16,1 15,8 17,2 17,3
Водостойкость (после 2 сут) Кразм 0,85 0,87 0,76 0,77
Морозостойкость Циклы 50 50 25 25
Теплопроводность * - БЦБ - бесцементный бетон; ** - ЦШБ - Вт/(м • 0С) цементный 0,55 шлакобетон; ГМА - гидром 0,55 еханоактиваци 0,6 я. 0,6
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
февраль 2010 21
Таблица 4
Марка газобетона по средней плотности Марка газобетона по прочности Класс газобетона по прочности при сжатии Марка газобетона по морозостойкости Водопоглощение, мас. % Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • 0С)
Р700 М35 В2,5 F35 25 0,125
Р800 М35 В2,5 F35 21 0,139
Р900 М50 В3,5 F50 24 0,169
Р1000 М50 В3,5 F50 25 0,175
Таблица 5
Вид пенобетона Прочность пенобетона, МПа Енач у (0,3 ■ R), МПа Коэфф. Пуассона, у Ползучесть, 1 ■ 10-3 МПа-1 за 1 год
при сжатии (кубиковая) при сжатии (призменная) при растяжении
Пенобетон на бесклинкерном вяжущем 3,5 2,8 0,5 2,2 0,28 26-28
Пенобетон на ПЦ Средняя плотность пенобетс 3 на 600 кг/м3. 2,3 0,38 2,1 0,27 19,5-20
низкотемпературный кристобалит и низкоосновные гидроалюмосиликаты, которые характеризуются высокой прочностью и долговечностью в воде, неорганических кислотах и солях, что позволяет при использовании кислотостойкого заполнителя — кварцитово-го песчаника получить бетон повышенной коррозионной стойкости. На основании проведенных исследований была разработана технологическая схема производства бетонных изделий — тротуарных плит и плит для пола для предприятий пищевой и химической промышленности.
Была разработана методика целенаправленного создания шлакобетонов из КАСВ и заполнителей из вулканического шлака, в том числе некондиционных заполнителей. При оптимизации составов шлакоси-ликатных бетонов (ШСБ) варьировались следующие технологические факторы: расход вяжущего, воды, вид и фракция заполнителя. В результате исследований определены все основные свойства разработанных ШСБ (табл. 3).
Анализ основных физико-технических свойств разработанных шлакосиликатных бетонов показывает их преимущества перед известными бетонами по конструктивности и долговечности, что позволяет их рекомендовать для изготовления штучных стеновых материалов и изделий.
Для региона Сибири и Дальнего Востока представляет интерес развитие производства и применения ячеистых бетонов, что позволит существенно снизить стоимость строительства, трудоемкость, энергозатратность при одновременном повышении долговечности, качества и экологичности домов в суровых климатических условиях. В результате проведенных научно-исследовательских работ [2] были разработаны научные и практические основы производства ячеистого бетона с хорошими строительно-техническими свойствами и качественной структурой. Многофакторные эксперименты по подбору состава ячеистого бетона как автоклавного, так и безавтоклавного твердения позволили обеспечить качественную макроструктуру бетона. При определении оптимальных составов и режимов изготовления исследовали влияние следующих технологических факторов, которые оказывают решающее влияние на качество и строительно-технические свойства бетона: тонкость помола вяжущего, оптимальное соотношение кремнеземистого компонента и
вяжущего в смеси, текучесть растворной смеси и соответствующего ей водотвердого отношения, количество порообразователя.
На основе малоклинкерных (ВНВ, ТМЦ) и бесклинкерных (ИКВ, КАСВ) вяжущих получен газобетон автоклавного и безавтоклавного твердения (см. таблицу) с использованием различных заполнителей — песка, золы ТЭЦ с различной дисперсностью.
Разработана технология производства эффективного по теплофизическим параметрам безавтоклавного пенобетона низких марок по средней плотности для ограждающих конструкций, работающих в суровых климатических условиях, на основе бесклинкерного вяжущего (табл. 5). В разрабатываемом варианте технологии пенобетона использовалось щелочное алюмосили-катное вяжущее, содержащее: эффузивная (перлитовая) порода 65—75 мас. %, щелочной компонент 7—8 мас. % (в пересчете на №20), вода 18—27 мас. %. Состав пенобетона включает бесклинкерное вяжущее, заполнитель в виде грубомолотого шлака фракцией 0—1,5 мм, пенообразователь «Пеностром», суперпластификатор С-3, который редуцирует водосодержание более чем на 20% и практически не замедляет гидратацию вяжущего. Приготовление пеномассы осуществлялось по баротех-нологии.
Результаты проведенных исследований и разработанные нормативные документы позволили апробировать и внедрить в производство технологии эффективных бетонов на основе активированных вяжущих с использованием эффузивных пород.
Ключевые слова: бетон, добавки, эффузивные породы, смешанное вяжущее.
Список литературы
1. Магдеев У.Х., Баженов Ю.М., Цыремпилов А.Д. Энергосберегающие технологии вяжущих и бетонов на основе эффузивных пород. М.: РААСН, 2002. 348 с.
2. Хардаев П.К., Урханова Л.А., Костромин Н.Н. Перспективы использования техногенных отходов для получения ячеистых бетонов // Материалы региональной научно-практической конференции «Наука — строительному комплексу Севера». Якутск: Изд-во ЯГУ, 2006. С. 246-249.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
22 февраль 2010
