CC BY
43УДК. 665. 9. 022. 33
ИССЛЕДОВАНИЕ НАБОРА ПРОЧНОСТИ ВО ВРЕМЕНИ В АГРЕССИВНОЙ СРЕДЕ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУЛЬФАТОСТОЙКОГО ЦЕМЕНТА, КРЫМСКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ И ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ЭФИРОВ
ПОЛИКАРБОКСИЛАТОВ
Свищ И.С.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), 295493, г. Симферополь, ул. Киевская, 181, e-mail: igorswishch@gmail. com
Аннотация. Представлены экспериментальные данные изменения прочности на сжатие тяжелого бетона с использованием сульфатостойкого цемента, крымских заполнителей и добавки на основе эфиров поликарбоксилатов при выдерживании их в агрессивной среде - жидкости из водоочистных сооружений. Разработаны составы тяжелых бетонов с применением гиперпластифицирующих (поликарбоксилатных) добавок, которые способны повышать свои физико-механические характеристики во времени при эксплуатации в условиях агрессивных сред. Установлены параметры прочностных характеристик оптимизированных составов в разные сроки набора прочности, а также установлена средняя плотность и водонепроницаемость оптимизированных составов бетонов.
Ключевые слова: поликарбоксилат, сульфатостойкий цемент, заполнители, бетон, прочность, добавки, состав.
ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
В Российской Федерации проектом долгосрочной стратегии является развитие производства строительных материалов и конструкций на период до 2020 г. Предполагается к 2020 году увеличить производство портландцемента с 51 до 194 млн.т.
Вместе с тем, производство портландцемента связано с высоким потреблением природных минеральных сырьевых и энергетических ресурсов и сопровождается высокими объемами выбросов в окружающую среду, только диоксида углерода мировая цементная промышленность выбрасывает в окружающую среду более 7% от общего объема его выбросов всеми отраслями.
Является актуальным дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных основ разработок при производстве цементных бетонов с использованием суперпластифицирующих добавок последнего поколения на основе
поликарбоксилатов для очистных и рекреационных сооружений.
Долговечность цементных бетонов ключевой вопрос использования их в очистных и рекреационных сооружениях. Из [12,13] следует, что наибольшее значение на стойкость цементного камня, в бетонных и железобетонных сооружениях, при воздействии на него сульфатов имеют гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) и гидросульфокарбоксилат кальция (таумасит). Эттрингит и таумасит всегда находятся в кристаллической смеси.
Сульфатной коррозии может быть подвержен бетон, который эксплуатируется в различных условиях.
Сульфаты, вызывающие проявление процессов сульфатной коррозии, встречаются в большинстве природных вод. В пресных водоемах содержание сульфат-ионов достигает 60 мг/л, в минерализованных грунтовых водах оно составляет 200—400 мг/л, а в морской воде — 2500—2700 мг/л.
Сульфаты имеют сложный механизм воздействия на активный в химическом отношении компонент бетона — цементный камень.
Коррозионное воздействие может усиливаться или ослабевать в зависимости от концентрации агрессивных компонентов, при переменном уровне воздействия растворов солей на бетон конструкции, периодическом высушивании, частичном погружении.
Это обусловлено тем, что на химические процессы взаимодействия агрессивной среды и цементного камня в бетоне накладывается влияние физических процессов массопереноса растворимых компонентов и кристаллизации продуктов коррозии или растворимых компонентов, которые могут ускорять или тормозить химические процессы [12, 13]
В последнее время ряд ученых занимается созданием математических моделей коррозии бетонов. В частности, Б.В. Гусев и А.С. Файвусович предложили математическую модель процессов сульфатной коррозии в условиях направленного влагопереноса, которая дает возможность планирования и усовершенствования методики проведения экспериментальных исследований, для разработки инженерных методик прогнозирования долговечности сооружений, эксплуатируемых в
сульфатсодержащих средах [13]/
К.И. Чижик и Н.В. Белоокая предложили модель биологической коррозии бетона в системах канализации [15].
В процессе исследования было установлено, что активная химическая коррозия происходит за счет процессов жизнедеятельности
микроорганизмов и грибов, таких как аммонифицирующих и нитрифицирующих. Установлено, что биологическое воздействие микроорганизмов существенно понижает РН среды, что так же влияет на процесс коррозии бетона [15].
Надо отметить, что практически все эти факторы химического и биологического характера присутствуют в пробе агрессивной среды, представленной в таблице 1.
Так же, одним из факторов влияние на коррозионную стойкость бетонов является применение химических добавок.
Так, например, в строительной индустрии производства бетона широко применяются пластифицирующие и гиперпластифицирующие добавки, добавки-ускорители твердения бетона, воздухововлекающие добавки, разжижающие примеси и другие виды добавок, которые существенным образом влияют на те или иные качества бетона и бетонных смесей.
Особенно полезны пластифицирующие добавки и разжижающие примеси, так как они позволяют производителям выполнять два требования: хорошая обрабатываемость бетона во время его формования и снижение соотношения (в/ц) между водой и вяжущими материалами, которое способствует повышению прочности, в том числе и коррозионной устойчивости затвердевшего бетона.
Термин «разжижающая примесь»
используется достаточно много лет. Стандарт ASTM С 494 классифицирует разжижающие примеси на несколько категорий:
• Тип А, Разжижающая
• Тип D, Разжижающая и замедляющая
• Тип Е, Разжижающая и ускоряющая
• Тип F, Разжижающая, высокоэффективная
• Тип G, Разжижающая, высокоэффективная и замедляющая
ASTM С 1017 сосредоточен на обработке бетонной смеси с использованием химической примеси с единственной целью - производство подвижного бетона без редуцирования воды для приготовления раствора.
В большинстве случаев примеси классификации С 494 Тип F или G также можно использовать способом, указанным в ASTM С 1017. Эти высокоэффективные разжижающие примеси не просто редуцируют (уменьшают в количестве) воду затвердения, но также и рассеивают частицы цемента. Подобное рассеивающее действие впоследствии позволяет уменьшить количество воды или повысить степень подвижности, или получить оба эффекта.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Целью работы является исследование набора прочности на сжатие тяжелого бетона с использованием сульфатостойкого цемента, крымских заполнителей и добавки на основе эфиров поликарбоксилатов при выдерживании их в агрессивной среде.
Для достижения поставленной цели была решена задача оптимизации состава бетона на местных заполнителях, сульфатостойком цементе, а также с использованием добавок на основе эфиров поликарбоксилатов и определения прочности на сжатие в кратковременные и долговременные сроки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведение исследований проводилось на специально подобранных составах бетонных смесей подвижностью П3 на наиболее распространенных в Крыму сырьевых компонентах с поликарбосилатной пластифицирующей добавкой и без нее.
Характеристики компонентов бетонной смеси:
- вяжущее - сульфатостойкий портландцемент (ССПЦ), марка - М400 ДО, плотность - 3,1 т/м3;
- щебень - диоритовый Лозовского месторождения, фракция 5-20 мм; плотность -2,65 г/см3; насыпная плотность - рн = 1550 кг/м3; влажность W = 3,3%;
- песок - кварцевый морской Донузлавского месторождения, темно синего цвета, Мк = 1,8; насыпная плотность рн = 1420 кг/м3; влажность W = 7,4% и кварцевый речной, Донской (г. Ростов-на-Дону), Мк = 1,6, насыпная плотность - рн = 1450 кг/м3; влажность W = 10,8%;
- добавка в бетон - поликарбоксилатная Хидетал-ГП-9;
- вода - пресная техническая.
Проектирование составов бетонов
производилось по методу абсолютных объемов [1]. Порлучены следующие составы бетонных смесей.
Состав № 1: Цемент = 334 кг/м3; щебень = 1197 кг/м3; песок (донузлавский, темно-синего цвета) = 658 кг/м3; вода = 223 л/м3.
Состав № 2: Цемент = 334 кг/м3; щебень = 1197 кг/м3; песок (донской, желтый) = 658 кг/м3; вода = 221 л/м3.
Состав № 3: Цемент = 335 кг/м3; щебень = 1195 кг/м3; песок (донузлавский, темно-синего цвета) = 658 кг/м3; вода = 180 л/м3; добавка поликарбоксилатная, Д = 3,5 л/м3.
Состав № 4: Цемент = 335 кг/м3; щебень = 1195 кг/м3; песок (донской, желтый) = 658 кг/м3; вода = 180 л/м3; добавка поликарбоксилатная, Д = 3,1 л/м3.
В результате подборов составов бетонных смесей установлено, что добавка Хидетал-ГП-9 позволяет уменьшить расход воды на 15 % и, тем
самым снизить В/Ц с 0,65 до 0,55 при сохранении подвижности бетонной смеси марки П3.
Составы № 1 и № 2 изготовлены без добавок, составы № 3 и № 4 изготовлены на основе добавок эфиров карбоксилатов. Было изготовлено 8 партий кубов размеров 0,1*0,1x0,1 м, в количестве 18 шт. каждая. Часть из них была установлена на естественные (стандартные) условия набора прочности, вторая часть была установлена в агрессивную среду.
В качестве агрессивной среды служила жидкость, отобранная из водоочистных
сооружений пгт. Гвардейское, Симферопольского района, Республика Крым. Основные характеристики и химический состав жидкости, определенный по результатам испытаний 118 проб представлен в табл. 1.
Прочность на сжатие ^сж.) бетонных образцов-кубов определялась разрушающим способом на гидравлическом прессе П-125 в возрасте 28, 90, 180, 365, 548 и 745 сут твердения в нормальных условиях и после выдерживания в агрессивной среде.
Таблица 1. Характеристика агрессивной среды Table 1. Characteristics of the aggressive environment
Определяемые ингредиенты Единицы измерения Номер пробы
Температура ° С 19
Водородный показатель Ед. рН 8,3
Окраска, цветность желто-серое
Запах бал Фик 2
Прозрачность см -
Взвешенные вещества мг/дм3 98,4
ХПК мг/дм3 120
Сухой остаток мг/дм3 640
Хлориды мг/дм3 194,9
Сульфаты мг/дм3 98
Амоний солевой мг/дм3 82,4
Нитриты мг/дм3 0,07
Нитраты мг/дм3 3,12
Фосфаты мг/дм3 14,2
Нефтепродукты мг/дм3 0,62
АПАВ мг/дм3 1,46
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Результаты определения прочности на сжатие опытных образцов кубов, выдержанных, как в агрессивной среде, так и при естественных
стандартных условиях в течение 28, 90, 180, 365,
548 и 745 сут, представлены в виде графиков изменения среднеарифметических значений пределов прочности при сжатии бетонов на рис. 1 и 2. Вид бетона испытанных опытных образцов в зависимости от вида выдерживания в возрасте 548 суток показан на рис. 3.
_ — 4
/ / / • — • — ' 3
/ 1
/ * /х1 /✓ - - -
/
_ -
Время твердения, сут
Рис. 1. Изменение прочности на сжатие исследуемых составов бетона в зависимости от времени твердения и выдерживании их в естественных условиях: 1 - состав № 1; 2 - состав № 2; 3 - состав № 3; 4 - состав № 4
Fig. 1. The change in compressive strength of the studied concrete compositions depending on the time of hardening and holding them in natural conditions: 1 - composition № 1; 2 - composition № 2; 3 - composition №3; 4 - composition № 4
/ 4
/
/
/
/
/
/
/ __
_ • — • - • - - 2
é у **
__ _ —
7 28 90 ISO 365 548 745
Время твердения, сут
Рис. 2. Изменение прочности на сжатие исследуемых составов бетона в зависимости от времени твердения и выдерживания их в агрессивной среде: 1 - состав № 1; 2 - состав № 2; 3 - состав № 3; 4 - состав № 4
Fig. 2. Change in compressive strength of the studied concrete compositions depending on the time of hardening and holding them in an aggressive environment: 1 - composition № 1; 2 - composition № 2; 3 - composition №3; 4 - composition № 4
a b
Рис. 3. Вид бетона опытных образцов после испытания на прочность на сжатие в возрасте 548 сут, выдерживание
которых проходило: а - в нормальных условиях; b - в агрессивной среде Fig. 3. Type of concrete prototypes after the compression strength test at the age of 548 days, which held: a - under normal
conditions; b - in an aggressive environment
Как видно из экспериментальных данных, представленных на рис. 1, наибольшую прочность на сжатие показывают образцы бетона состава № 4. Так на 548 сутки предел прочности при сжатии его 280 кг/см2, что на 13 % больше, чем у бетонных образцов, изготовленных из состава № 3 (Исж. = 248 кг/см2), и на 27 % выше, чем у образцов, изготовленных из бетонных смесей составов №№ 1 и 2 (Исж. = 220 и 218 кг/см2 соответственно).
При выдерживании бетонных образцов на сульфатостойком цементе в агрессивной среде (см. рис. 2), динамика набора прочности на сжатие для составов №№ 1, 2 и 3, в целом, такая же, как и при выдерживании их в естественных условиях. Однако, состав № 4 отличается стремительным ростом прочностных показателей после 28 суток, показывая прочность на сжатие к 548 суткам 425 кг/см2, что на 52 % превышает показатели этих образцов, хранящихся в нормальных воздушно-влажных условиях. Характеризуя кривую набора прочности в агрессивной среде бетонных образцов
состава № 4 можно выделить четыре этапа изменения прочности на сжатие:
-1-й - до 28 суток, отличающийся замедленным ростом Ясж.;
- 2-й - от 28 до 180 суток - стремительный рост ЯСж.;
- 3-й - от 180 до 365 суток - приостановление роста Исж.;
- 4-й - после 365 суток - продолжительный стремительный набор Исж., продолжающийся до 745 суток выдерживания в агрессивной среде -крайней временной точки проведения исследований.
Необходимо отметить, что к 28 суткам твердения опытные образцы состава № 4, выдерживаемые в коррозионной среде, отличаются несколько замедленным ростом Исж., чем в естественных условиях. В период с 28 до 180 суток твердения рост прочности на сжатие составляет 86 %, достигая 326 кг/см2. В сравнении с образцами этого же состава, твердение которых проходило в естественных условиях (см. рис. 1, кривая 4),
какой-либо рост прочности на сжатие не происходит, а в период с 180 до 365 суток в отличие от образцов, выдерживаемых в коррозионной среде, наблюдается незначительный прирост прочности, составляющий около 7 %.
Из приведенных графиков на рис. 2 видно, что в коррозионной среде рост прочности на сжатие у бетонных образцов без добавок и с поликарбоксилатной добавкой Хидетал-ГП-9 в количестве 3,5 л/м3 бетонной смеси приостанавливается, а у опытных образцов с поликарбоксилатной добавкой Хидетал-ГП-9 в количестве 3,1 л/м3 бетонной смеси набор прочностных показателей продолжается, предположительно, за счет дополнительного образования кристаллических новообразований и заполнения ими пор в структуре бетона.
Макроструктура бетонных образцов, выдерживаемых в агрессивной среде, как видно из рис. 3, отличается более светлым цветом растворной составляющей, наблюдаются вкрапления белых кристаллов, также заметно меньшее количество микротрещин в теле бетона, что подтверждает предположение об образовании различных кристаллических новообразований.
В дальнейших исследованиях ставится задача определения кристаллических новообразований и их влияния на структуру сульфатостойкого цементного камня и бетона на его основе.
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что использование добавки Хидетал-ГП-9 предполагает снижение расхода воды на 15%, при этом В/Ц снижается с 0,65 до 0,55 и сохраняется подвижность марки П3.
2. В результате исследования было установлено, что составы бетонов с использованием карбоксилатов показали наилучшие результаты набора прочности, особенно в агрессивной среде. Так состав № 4 показал прочность бетона на сжатие после хранения его в агрессивной среде 745 суток Rсж= 475 кг/см2 (47,7МПа).
3. Показатели средней плотности исследованных бетонов соответствует тяжелым бетонам по общей классификации. В среднем плотность бетонного камня находится в пределах 2350 - 2460 кг/м3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ю.М. Баженов. Технология бетона. - М.: Издательство АСВ, 2003. - 500 с.
2. А.Е. Шейкин, Ю.В. Чеховский и др. Структура и свойства цементных бетонов. - М.: Стройиздат, 1978. - 344с.
3. ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия».
4. ГОСТ 7473-2010 Бетонные смеси. Технические условия.
5. ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
6. ГОСТ 10181.2-12. Смеси бетонные. Методы определения плотности.
7. ГОСТ 310.4-81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.
8. EN 206-1:2000 Concrete - Part 1: Specification, performance, production and Conformity.
9. Химические и минеральные добавки в бетон /Под ред. А. Ушерова-Маршака. - Харьков: Колорит, 2005. - 280с.
10. Инструкция по применению добавки комплексной для бетонов «Хидетал-ГП-9» (гиперпластификатора). ООО «СТК-Стандарт», г. Новозыбков, 2006.
ГОСТ 24211-91. Добавки для бетонов. Технические требования.
В.А. Рязанова. Особенности сульфатной коррозии бетона в условиях направленного влагопереноса. - Интернет-ресурс. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-sulfatnoy-korrozii-betona-v-usloviyah-napravlennogo-vlagoperenosa.
Гусев Б.В., Файвусович А.С. Основы математической теории процессов коррозии бетона. - М., 2006. - 39 с.
Б.В. Гусев, А.С. Файвусович, В.А. Рязанова Развитие фронта коррозии бетона в агрессивных средах // Бетон и железобетон. - 2005. - №5. - С. 23-28.
Чижик К.И., Белоокая Н.В. Модель микробиологической коррозии бетона в системах канализации // Известия вузов. Инвестиция. Строительство. Недвижимость. 2017. Т.7, № 2, с-75-83.
REFERENCES
1. Bazhenov Yu.M. Technology of concrete. -M.: Publishing house ASV, 2003. - 500 р.
2. A.E. Sheikin, Yu.V. Chekhovsky and others. The structure and properties of cement concretes. - M. : Stroiizdat, 1978. - 344 р.
3. GOST 24211-2008 Additives for concrete and mortar. General specifications.
4. GOST 7473-2010 Concrete mixtures. Technical conditions.
5. GOST 10180-2012 Concrete. Methods for determining the strength of control samples.
6. GOST 10181.2-12. Concrete mixtures. Methods for determining the density.
7. GOST 310.4.-81. Cements. Methods for determining the ultimate strength in bending and compression.
8. EN 206-1:2000 Concrete - Part 1: Specification, performance, production and Conformity.
9. Chemical and mineral additives in concrete / Ed. A. Usherov-Marshak. - Xarkov: Coloring, 2005. -280 p.
10. Instructions for the use of an additive complex for concrete "Hidetal-GP-9" (hyperplasticizer). OOO "STK-Standart", Novozybkov, 2006.
11. GOST 24211-91. Additives for concrete. Technical requirements.
12. Ryazanov V.A. Features of sulphate corrosion of concrete under conditions of directed moisture transfer: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-sulfatnoy-korrozii-betona-v-usloviyah-napravlennogo-vlagoperenosa.
13. Gusev B.V., Faivusovich A.S. Fundamentals of the mathematical theory of concrete corrosion processes. - M.: 2006. - 39 p.
14. Gusev B.V., Faivusovich A.S., Ryazanova V.A. The development of the front of corrosion of concrete in corrosive environments // Concrete and reinforced concrete. - 2005. - №5. - p. 23-28.
15. K.I. Chizhik, N.V. Belookaya. Model Microbiological Corrosion of Concrete in Sewage Systems // News of universities. Investment. Building. The property. 2017. V. 7, № 2, C. 75-83.
INVESTIGATION OF STRENGTH OF STRENGTH DURING AGGRESSIVE ENVIRONMENT OF HEAVY CONCRETE WITH USE OF SULPHAT-RESISTANT CEMENT, CRIMEAN FILLERS AND ADDITIVES BASED ON ETHERS OF
POLYCARBOXYLATES
Svishch I.S.
Summary. The experimental data of changes in the compressive strength of heavy concrete using sulfate-resistant cement, Crimean aggregates and additives based on ethers of polycarboxylates when they are kept in an aggressive environment-liquid from water treatment facilities of the village. The developed compositions of heavy concrete with the use of hyperplasticity (polycarboxylate) additives, which are able to improve their physical and mechanical properties in time during operation in aggressive environments. The parameters of the strength characteristics of the optimized compositions in different terms of strength, as well as the average density and water resistance of the optimized compositions of concrete. Key words: polycarboxylate, sulfate-resistant cement, aggregates, concrete, strength, additives, composition.
