Быстротвердеющие бетоны с использованием промышленных отходов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

II УДК 666.972.16 (088.8)

II БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ БЕТОНЫ С ■ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ 1 ОТХОДОВ

Ш.К. Торпищев, М.К. Бейсембаев, А.К. Жетпиисов, Ф.Ш. Торпищев

§§§| Бетон бертттмен узацтыгыныц жиынтыгьш цантамасыз emydezi

lili бетон коспасы ушш кешендi модифицияльщ крсында цурамын жасаудын fill нвтижелгрг усьшыгады.

Ц§! Представлены результаты исследований по разработке составов

§§¡§§ комплексной модифицирующей добавки для бетонных 11|| смесей,обеспечивающей ускоренный набор прочности бетонов и повышение ЦЩ их долговечности.

Here given the research results for working out composite modifying agents for concrete mixtures, that provides for rapid durability set and longevity of concretes.

При изготовлении бетонных и железобетонных шнструкций одной из вечных проблем является обеспечение ускоренного твердения бетонных смесей и набора прочности бетонов. В последнее время все шире для этого стали использовать эффективные химические добавки-ускорители процессов гидратации цемента. Довольно эффективна для модификации бетонных смесей, например, добавка уксуснокислого кальция, представляющая собой водный раствор состава 1: 4-5. [1]

Однако известно, что быстрый набор прочности негативно отражается на структуре, а следовательно, свойствах бетона (например, водонепроницаемости, морозостойкости). Для нейтрализации указанного действия ускорителей твердения обычно прибегают к пластификации бетонной смеси с помощью добаво-к(например, молочной сыворотки)[2]. Использование уксуснокислого кальция в отличие от других известных ускорителей твердения позволяет увеличить плотность бетонов и несколько улучшить прочностные характеристики, однако несущественно влияет на показатели долговечности бетонов -водонепроницаемость и морозостойкость. Существенным недостатком пластификаторов, в

№3,2004 г.

111

частности молочной сыворотки, является сильное замедление твердения бетонных смесей и резкое снижение темпов набора прочности.

Авторами предпринята попытка совместного использования уксуснокислого кальция и молочной сыворотки, которое в известной степени устраняет недостатки их индивидуального применения, а также введения в качестве дополнительного модифицирующего компонента - шлама-осадка производства сернокислого алюминия (побочный продукт глиноземного производства).

Шлам-осадок производства сернокислого алюминия образуется на предприятиях перерабатывающих бокситы в глинозем и сульфат алюминия и включает в себя, в масс.%: вода - 18-24; А1203 - 0,4 - 0,6; №,0 -9,4; №20 (карбонаты) -7-8; Ма20 (сульфаты) -1,6 - 1,9 ; 80, - 36,5.

Фазовый состав шлама: №2 504-70,3%, Ка,СО,-13,3%, вода -остальное.

По внешнему вид}' он представляет собой сильно увлажненный тонкодисперсный порошок кремового или светло-коричневого цвета с характерным белым налетом после высыхания.

Сыворотка молочных заводов является побочным продуктом производства и характеризуется следующим составом (%): вода 94,2-93,4; сухое вещество 5,8-6,7 (жиры 0,02-0,4; молочный сахар 4,5-4,9; белок 0,8-1,1; минеральные вещества 0,52-0,6) [3].

Молочную сыворотку, входящую в состав комплексной добавки, можно отнести к классу ионогенных ПАВ, диссоциирующих в воде на поверхностно-активный анион и неактивный катион. Механизм действия ионогенных ПАВ заключается, как известно, в адсорбировании их своими полярными группами на гидрофильных поверхностях зерен цемента, создании мономолекулярных пленок, уменьшающих коэффициент внутреннего трения между зернами вяжущего. Шастифицирующий эффект определяется тем, что их молекулы состоят из электростатических зарядов противоположных знаков, которые отталкивают цементные частицы друг от друга, создавая вокруг них водную оболочку и препятствуя тем самым их слипанию. Однако эти же адсорбционно-сольват-ные слои, обеспечивающие гидродинамическую смазку между частицами цемента, относительно затрудняют доступ воды к минералам цемента, существенно замедляя процессы гидратации и твердения, (что наблюдается при автономном применении молочной сыворотки в процессе приготовления бетонных смесей). Замедление гидратации цемента приводит к снижению прочности цементного камня в начальные сроки твердения. .Наряду с этим стабилизирующий эффект добавки молочной сыворотки способствует образованию более мелкодисперсной кристаллической структуры, вследствие чего происходит интенсивное нарастание прочности в более поздние сроки твердения. Существенным

фактором, повышающим прочность бетона в поздние сроки можно считать снижение водопотребности бетонной смеси при введении сыворотки.

Кроме этого, поверхностно-активная составляющая комплексной добавки способствует увеличению морозостойкости бетона в результате:

- повышения содержания воздуха и уменьшения количества, так называемой, свободной воды

- образования тонкопористой и тонкокапиллярной структуры цементного камня и бетона и уменьшения миграции влаги

- адсорбционного модифицирования и образования волокнистой структуры

- увеличения прочности сцепления в контактах между цементным камнем и заполнителем

- увеличения влагоотдачи из бетона

Содержание в составе комплексной добавки компонентов - электролитов позволяет нейтрализовать негативное замедляющее влияние сыворотки на процессы гидратации. Щелочные соединения в составе шлама-осадка производства сульфата алюминия способствуют резкому увеличению скорости гидролитического разложения клинкерных минералов, в первую очередь трехкальцие-вого силиката (от чего процесс набора прочности бетона существенно прогрессирует). Гидролиз активных фаз цементного клинкера значительно ускоряется также в присутствии веществ, реагирующих с гидроксидом кальция, выделяющимся при твердении, с образованием труднорастворимых или нерастворимых продуктов. Таким образом, быстрое выведение Са(ОН)2 из реакции и уменьшение концентрации ионов кальция в растворе, в конечном счете, приводят к существенному уплотнению структуры бетона и повышению его прочности.

Образование двойных солей - гидратов (т.е. более стойких, чем традиционные продукты гидратации цементных минералов, структурных составляющих) также определяет рост морозостойкости получаемого бетона. За счет значительно болыцей полноты реакций гидратообразования в присутствии электролитов дальнейшая (через 28 сут после пропаривания) гидратация минералов цемента замедляется, что понижает внутренние напряжения в гетерогенной структуре «микробетона» и в местах контакта его с заполнителем. Это также способствует повышению морозостойкости бетонов, содержащих предлагаемую комплексную добавку.

Для реализации предложения готовилась тяжелая бетонная смесь на гранитном щебне фракции 5-20 мм и кварцевом песке с модулем крупности М = 2,31 с использованием бездобавочного (без минеральных добавок) портландцемента ПЦ М400 (Д-0) (для чистоты эксперимента). Оптимальный расход комплексной, определенный эмпирически составлял 2,5% от массы цемента.

№ 3, 2004 г.

113

Для сравнения результатов готовились также бетонные смеси без добавок (контрольный состав) и составы аналога и прототипа. Консистенция всех испытываемых смесей характеризовалась ОК= 10 см.

Комплексная добавка готовилась путем введения уксуснокислого кальция и молочной сыворотки в шлам-осадок производства сульфата алюминия с добавлением до 40% расчетного количества воды затворения и подогрева полученной пульпы до температуры не менее 25 °С.

Испытания образцов проводили в соответствии с действующими нормативами по прочности (ГОСТ 10180-78), морозостойкости (ГОСТ 10060-87), водонепроницаемости (ГОСТ 12730.0-78).

Результаты реализации предложенного решения приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п Наименование или состав добавки и свойства бетонной смеси бетона, содержащего добавку Предлагаемые составы Прото тип Ага лог Контрольный

1 2 3 4 5 6

1 -уксуснокислый кальций -молочная сыворотка -шлам-осадок производства сернокислого алюминия 13 45 42 16 38 46 19 31 50 + + -

2 Сроки схватывания, мин -начало -окончание Плотность в сухом состоянии, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа -после пропаривания -через 28 суг 63 116 2370 24,5 28,3 55 102 2345 25,6 29,5 41 93 2337 26,5 32,3 122 232 2110 20,1 23,3 45 125 2148 21,5 25,3 52 106 2130 18.5 21,3

3 Водонепроницаемость, МПа 0,8 0,9 0,8 0,6 0,5 0,4

4 Морозостойкость, циклов 367 320 350 300 230 150

По результатам, приведенным в таблице 1 можно утверждать, что комплексная добавка предложенного состава устраняет недостатки индивидуального применения ее компонентов. Она позволяет уменьшить водопотребность (в среднем на 13,5%) и улучшить удобоукладываемость бетонной смеси, повысить прочность (в среднем на 33% по сравнению с прототипом), плотность (в среднем на 11%), водонепроницаемость (на 26%) и морозостойкость (на 21%). При этом достигается экономия цемента (до 13%) и не требуется изменения технологических параметров приготовления смесей и последующей их тепло-влажностной обработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федин Г.П. Разработка и внедрение оптимальных составов бетонных смесей и режима виброобрабсггки изделий с целью повышения качества и экономии цемента. Горький, ГИСИ, 1975. с.7-14

2. Таубе П.Р. и др. Эффективная добавка для цементных растворов и бетонов. Строительные материалы, №11, 1974, с. 21.

3. Коваленко М.Н. Переработка побочного молочного сырья. М., «Пищевая промышленность», 1965