CC BY
0О.Н. Буренина, канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник, e-mail: bon.ipng@mail.ru М.Е. Саввинова, канд. техн. наук, науч. сотрудник, e-mail: maria-svv@yandex.ru А.В. Андреева, мл. науч. сотрудник, e-mail: aita1973@mail.ru Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск
УДК 691.32, 33
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА ИЗ МЕСТНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
В данной статье рассматриваются физико-механические свойства модифицированного комплексом минеральных добавок с пластификаторами мелкозернистого бетона для регионов с холодным климатом. Были исследованы прочность при сжатии, водопоглощение и морозостойкость образцов модифицированного мелкозернистого бетона, в результате чего были получены образцы с высоким комплексом свойств, которые могут эксплуатироваться в регионах Крайнего Севера. Выявлено, что свойства бетона зависят от количества вводимых минеральных добавок, а также от природы пластификатора. При этом прочность при сжатии образцов повышается до 24,5%, водопоглощение - в 1,5раза, морозостойкость - до 73,5% по отношению к исходным образцам. Также были исследованы свойства глинистого сырья и отсева дробления горных пород при производстве щебня (каменной муки).
Ключевые слова: мелкозернистый бетон, прочность при сжатии, водопоглощение, морозостойкость, модифицированный бетон, природное сырье, пластификатор.
O.N. Burenina, Cand. Sc. Engineering, Leading Researcher M.E. Savvinova, Cand. Sc. Engineering, Researcher A.V. Andreeva, Junior Researcher
RESEARCH OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE MODIFIED FINE-GRAINED CONCRETE FROM LOCAL RAW MATERIALS OF THE SAKHA
(YAKUTIA) REPUBLIC
Physical and mechanical properties of the ^ fine-grained concrete modified by a complex of mineral additives with softeners_ for regions with a ^ frigid climate are considered in this article. Durability at compression, water absorption and ^ frost resistance of the modified ^ fine-grained concrete have been investigated. According to these results, samples with a high complex of properties which can be used in Far North regions have been received. It is revealed that properties of concrete depend on amount of the entered mineral additives and on plasticizer's nature. At the same time durability at samples' compression increases up to 24,5%, water absorption by 1,5 times, ^ frost resistance up to 73,5% in relation to initial samples. Also properties of clay raw materials and elimination of crushed rocks in the production of crushed stone (stone flour) have been investigated.
Key words: fine-grained concrete; durability at compression; water absorption; frost resistance; the modified concrete; natural raw materials; plasticizer.
Введение
В современном строительстве наиболее востребованным материалом для изготовления конструкций, зданий и сооружений является мелкозернистый бетон. Его доля и роль в мировой строительной индустрии стремительно возрастают и сопровождают развитие новых методов и подходов при разработке композиционных материалов различного назначения.
В условиях сложившихся экономических отношений рынок бетонных материалов нуждается в конкурентоспособной продукции относительно низкой стоимости. Такая продукция
может быть получена с использованием местного природного сырья, сырья из отходов природного происхождения, в частности отсевов дробления прочных горных пород при производстве щебня (каменная мука), отходов растениеводства, лесозаготовок и лесопереработки.
Практической реализацией будет разработка модифицированных мелкозернистых бетонов, способных эксплуатироваться в экстремальных условиях Крайнего Севера, что даст возможность расширить диапазон применения бетонных конструкций и повысить ресурс и надежность их эксплуатации в подобных условиях.
Объекты и методы исследования
Природный цеолит месторождения Хонгуруу Республики Саха (Якутия) является алюмосиликатом с каркасной структурой, имеющей особую «пористую» структуру, возникновение которой объясняется замещением Si4+ на Л13+. Практическое применение цеолитов определяется их ионообменными и адсорбционными свойствами, термической и химической стойкостью, механической прочностью, строением кристаллической решетки, катионным составом [1].
Глинистое сырье обладает удовлетворительной формовочной способностью, средней пластичностью, а также характеризуется малой чувствительностью к сушке, малой воздушной и общей усадками. Данные гранулометрического анализа и химического состава глины приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Результаты гранулометрического анализа глинистого сырья
Месторождение Более 500 мкм 500-50 мкм 50-5 мкм 5-1 мкм Менее 1 мкм
Ой-Бесское - 31,4 - 51,9 16,7
Результаты гранулометрического анализа глинистого сырья (см. табл. 1) показали, что в глинистом грунте имеется большое количество пылеватых частиц от 1 до 5 мкм, что обеспечивает заполнение промежутков между более крупными частицами и повышает связующую способность глинистого материала, наличие тонкодисперсных частиц (менее 1 мкм) достаточно для изготовления из них материалов и изделий строительного назначения [2].
Таблица 2
Результаты химического анализа глинистого сырья
Химический состав 8102 ТЮ2 ЛЪ0з Fe20з МпО Mg0 СаО №20 К2О Р2О3 803 Н2О Fe0
% 55,6 0,73 14,4 3,79 0,008 3,5 4,324 2,27 2,8 - 0,11 1,93 1,86
Результаты химического анализа глинистого сырья показывают, что глина Ой-Бесского месторождения относится к каолинит-гидрослюдистым грунтам глин. Наличие в составе глинистых грунтов каолинитовой группы со стабильной кристаллической решеткой и гидрофиль-ностью создает формовочную способность, пластичность.
Отсев дробления производства щебня (каменной муки) представляет собой однородную смесь из остатков после дробления крупнообломочных грунтов. Согласно ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» были определены содержание органических примесей, насыпной плотности и влажности отсева дробления (табл. 3).
Таблица 3
Физико-технические характеристики отсева дробления
Наименование характеристики Значение
Насыпная плотность, г/см3 1,61
Исходная влажность, % 1,6
Содержание органических примесей, % 14,29
В качестве добавки использовали суперпластификатор (далее - ПФМ-НЛК), который соответствует требованиям ГОСТ 24211 для пластифицирующих, водоредуцирующих (суперпластификатор и супреводоредуцирующая добавка) и повышающих морозостойкость добавок, а также для добавок, увеличивающих воздухосодержание. Добавка «ПФМ-НЛК» выпускается в форме порошка коричневого цвета или водного раствора темно-коричневого цвета, показатели качества которых соответствуют требованиям ТУ 5745-022-58042865-2007. Она представляет собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением воздухововлекающего и гидрофобизирующего компонента.
Добавка «Полипласт СП-1» представляет собой смесь натриевых солей полиметилен-нафталинсульфокислот различной молекулярной массы, которая соответствует требованиям ГОСТ 24211 для пластифицирующих и водоредуцирующих добавок. Добавка «Полипласт СП-1» выпускается в форме водорастворимого порошка коричневого цвета или водного раствора темно-коричневого цвета, показатели качества которых должны соответствовать требованиям ТУ 5870-005-58042865-05. Применение добавки «Полипласт СП-1» позволяет увеличить подвижность бетонной смеси от П1 до П5 без снижения прочности бетона, снизить количество воды затворения от 21% и более, увеличить конечные прочностные характеристики бетона на 20% и более, снизить расход цемента до 22 % по сравнению с бездобавочным составом, получить бетоны с повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью.
Для исследования были изготовлены кубы размером 70х70х70 мм модифицированного мелкозернистого бетона со следующим составом: содержание глинистого сырья, природного цеолита и отсева дробления щебня составляли в каждом образце 5, 10, 20, 30 мас. % от веса цемента, содержание пластификаторов ПФМ-НЛК и С-1 в каждом образце - 0,4 мас.% от веса цемента. Время твердения составляло 28 сут в нормальных условиях, усилие прессования -40 МПа, время нагрузки - 3 мин, в/ц - 0,38. Было исследовано влияние технологических параметров на прочность при сжатии разрабатываемых бетонных материалов, и определены их оптимальные значения для получения изделий с высоким комплексом свойств.
Обсуждение результатов
Анализ полученных экспериментальных данных по прочности при сжатии показал (рис. 1), что введение пластифицирующих добавок приводит к повышению прочности образцов на от 18,2 до 24,5 % по отношению к контрольным образцам.
У ^ ^ ^
^ ^ / / ^
^ ^ > Рисунок 1 - Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона
По результатам прочности при сжатии были выбраны оптимальные составы образцов модифицированного мелкозернистого бетона с составом гл10%+ПФМ-НЛК, цеол10%+СП-1 и каменная мука 30 %+СП-1, которые в дальнейшем будут подвержены испытаниям по водо-поглощению и морозостойкости.
Повышение прочности вызвано направленной кристаллизацией цементного камня за счет динамического дисперсного армирования, управления подвижностью и водоредуцирова-нием бетонной смеси за счет модификации мелкозернистого бетона пластификаторами [3].
Исследования водопоглощения и морозостойкости проводились по существующим стандартам: ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения» и ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании».
По результатам анализа исследования водопоглощения видно (рис. 2), что прочность при сжатии образцов после водопоглощения у выбранных образцов увеличивается в среднем в 1,5 раза по отношению с исходными образцами.
« о
я сд
45 40
20
и ^ 2
ЧВ ^ 35
I 30
125 « ё
^ о
НИ 15 -
о а § § 10
а е
с: 5 — 0 -
Исходный Глина10+ПФМ-НЛК Цеолит10+СП-1 Каменная
мука5+СП-1
Состав образцов, %
Рисунок 2 - Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона
после водопоглощения
Это объясняется тем, что в бетоне происходит продолжение гидратационного процесса, фиксируется положительный эффект уплотнения структуры вследствие кольматации крупных пор солевыми кристаллами и труднорастворимыми продуктами твердения, что приводит к общей тенденции роста прочности бетонов [4].
Дальнейшее исследование по определению морозостойкости проводилось по ускоренному методу при многократном замораживании и оттаивании при температуре -60°С, что важно для регионов Крайнего Севера (рис. 3).
По результатам исследования прочности при сжатии образцов при многократном замораживании и оттаивания видно, что материалы из модифицированного мелкозернистого бетона по прочности увеличиваются на 49,5-73,5% по сравнению с исходными образцами. Данный эффект связан с тем, что минеральная добавка, вводимая в бетонную смесь, приводит к снижению водопотребности, что позволяет сократить пористость затвердевшего бетона и тем самым способствует увеличению прочности после многократного замораживания и оттаивания [5].
« s
о и
а Я
2 «
л а
1=
40 35 30
а ^
s s 25
§ Ü ^
is 3 В 20
^ § 15
¡5 ^
§ § 10
« й
Л ¡а 5
с 8
е 0
Исходный Глина10+ПФМ-НЛК Цеолит10+СП-1 Каменная
мука5+СП-1
Состав образцов, %
Рисунок 3 - Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона после многократного замораживания и оттаивания
Таким образом, на основании проделанной работы были получены образцы модифицированного мелкозернистого бетона с высоким комплексом свойств, которые могут эксплуатироваться в регионах Крайнего Севера.
Библиография
1. Тотурбиев Б.Д. Природные цеолиты - эффективные минералы для изготовления строительных материалов // Тр. Института геологии Дагестанского науч. центра РАН. - 2012. - № 58. - С. 47-51.
2. Андреева А.В., Буренина О.Н. Строительные материалы из модифицированного глинистого сырья для регионов холодного климата // Вестник Белгородского гос. технол. ун-та им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 1. - С. 29-33.
3. Кузьмина В.П. Механизмы воздействия нанодобавок на цементные продукты // Нанотехноло-гии в строительстве: науч. интернет-журнал. - 2011. - № 6. - С. 89-95.
4. Белоус Н.Х., Кошевар В.Д., Родцевич С.П. и др. Влияние комплексной гидрофобно-пластифи-цирующей добавки на свойства портландцементных мелкозернистых бетонов // Весщ Нацыянальнай акадэмп навук Беларуси Серыя хiмiчных навук. - 2013. - № 2. - С. 111-116.
5. ЯкуповМ.И., Морозов Н.М., Боровских И.В. и др. Модифицированный мелкозернистый бетон для возведения монолитных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов // Известия Казанского гос. архитектурно-строит. ун-та. - 2013. - № 4 (26). - С. 257-261.
Bibliography
1. Toturbiev B.D. Natural zeolites - effective minerals for production of construction materials // Works of Institute of Geology of the Dagestan Scientific Center of RAS. - 2012. - N 58. - P. 47-51.
2. Andreyeva A. V., Burenina O.N. Construction materials from the modified clay raw materials for regions of a frigid climate // Bulletin of the Belgorod State Technological University of V.G. Shukhov. - 2011. - N 1. - P. 29-33.
3. Kuzmina V.P. Mechanisms of influence of nanoadditives not cement products // Nanotechnologies in construction: scientific online magazine. - 2011. - N 6. - P. 89-95.
4. Belous N.H., Koshevar V. D., Rodtsevich S.P. et al. Influence of complex hydrophobic-plasticizing additive on the properties of Portland cement fine-grained concrete // Vestsi Natsyyanal'naj akadehmii navuk Belarusi. Seryya khimichnykh navuk. - 2013. - N 2. - P. 111-116.
5. Yakupov M.I., Morozov N.M., Borovskikh I.V. et al. The modified fine-grained concrete for construction of monolithic coverings of runways of airfields // News of the Kazan State Architectural and Construction University. - 2013. - N 4 (26). - P. 257-261.
