CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2023_2_80
А.А. Иванов, аспирант, e-mail: vadim290607@gmail.com Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф.
С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук, доц.
П.К. Хардаев, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.34
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО БЕТОНА
В статье приведены результаты исследования возможности применения стекловидного и закристаллизованного перлита для получения композиционных вяжущих гидротехнического бетона. Рассмотрена кинетика твердения цементных растворов с применением стекловидного и закристаллизованного перлита с различной степенью дисперсности и суперпластификаторов Sika Viscocrete и C-3.
Доказано, что составы с применением стекловидного перлита и суперпластификаторов позволяют получить цементный раствор с требуемыми показателями по прочности на сжатие и с пониженными значениями тепловыделения при гидратации цемента по сравнению с традиционными составами, что существенно скажется на трещиностойкости бетона для массивных гидротехнических сооружений.
Установлено, что наиболее рациональными являются составы с содержанием 20 % стекловидного перлита с удельной поверхностью 600 м2/кг и суперпластифаторами Sika Viscocrete и C-3, обеспечивающие прирост прочности через 28 сут на 49 и 41 % соответственно, по сравнению с контрольным составом.
Ключевые слова: добавки, гидротехнический бетон, перлит, тепловыделение, гидратация, трещиностойкость.
A.A. Ivanov, P.G. student L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.A. Lkhasaranov, Сand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
P.K. Khardaev, Dr. Sc. Engineering, Prof
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF FINE DISPERSE ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE BINDERS FOR HYDRAULIC CONCRETE
The article presents the results of the study on the possibility of using vitreous and crystallized perlite to produce composite binders of hydraulic concrete. It considers kinetics of cement mortars hardening using vitreous and crystallized perlite with varying degrees of dispersion and superplasticizers Sika Viscocrete and C-3.
It proves that compositions with vitreous perlite and superplasticizers allow obtaining a cement mortar with the required compressive strength and reduced values of heat release during cement hydration compared to traditional compositions. That significantly affects the crack resistance of concrete for massive hydraulic structures.
The research founds out that the most rational compositions are those containing 20% vitreous perlite with a specific surface area of 600 m2 / kg, and superplasticizers Sika Viscocrete and C-3, which provide an increase in strength after 28 days by 49 and 41 %, respectively, compared with the control composition.
Key words: additives, hydraulic concrete, perlite, heat dissipation, hydration, crack resistance.
Введение
Температурное трещинообразование является одной из основных проблем при строительстве гидротехнических сооружений. Для решения таких проблем предъявляются особые требования к вяжущим веществам, которые должны обеспечить умеренное тепловыделение при гидратации [ 1, 2]. При гидратации цемента происходит выделение тепла, что в сочетании с другими факторами может привести к появлению значительных температурных градиентов и возникновению трещин. В результате гидратации цемента выделяется тепло, которое вначале вызывает сжимающие напряжения в гидротехнических сооружениях. Затем в результате снижения температуры происходит усадка бетона и появление растягивающих напряжений. В тот момент, когда растягивающие напряжения превышают предел прочности бетона на растяжение, происходит образование трещин [3, 4]. Проблема борьбы с температурным трещино-образованием возникла одновременно с началом строительства гидротехнических сооружений. С накоплением опыта строительства были разработаны меры по предотвращению трещи-нообразования и исключению опасных трещин. Однако в настоящее время проблема температурного трещинообразования в гидротехнических сооружениях не решена полностью. За последние годы образование трещин наблюдается в большинстве гидротехнических сооружений [5, 6]. Одним из способов борьбы с трещинообразованием в гидротехническом бетоне является уменьшение расхода цемента и замена его тонкодисперсными добавками.
Актуальной задачей в исследовании современных вяжущих веществ является возможность снижения доли клинкерной составляющей за счет использования минеральных добавок с различной дисперсностью и химическим составом [7-9]. Использование тонкодисперсных добавок в качестве компонентов бетонных смесей является одним из значимых факторов для повышения экономической составляющей цементных композиций по расходу цемента, стоимости и улучшению их строительно-технологических свойств [10]. Помимо уменьшения расхода цемента активные тонкодисперсные добавки способствуют связыванию свободной извести, что обеспечивает повышение стойкости цементного камня к агрессивному воздействию пресных и сульфатных вод. Использование тонкодисперсных добавок приводит к снижению общей пористости цементного камня в бетоне при увеличении объемной концентрации и дисперсности наполнителя, а также к повышению прочности бетонов за счет снижения дифференциальной пустотности исходной водовяжущей системы в сторону меньших по размеру пустот при размещении гранул наполнителя между частицами цемента. Этот процесс обусловливает формирование цементного камня с меньшими размерами капиллярных пор [11].
Целью работы является применение модифицированных вяжущих на основе тонкодисперсных добавок и ПАВ для решения вопросов трещиностойкости гидротехнического бетона.
Материалы и методы исследования
В качестве вяжущего в исследовании был использован портландцемент (далее ПЦ) ЦЕМ I 32,5 Н ООО «Тимлюйцемент». В качестве тонкодисперсных добавок в зависимости от состава применялись кристаллический и закристаллизованный перлит Мухор-Талинского месторождения (Республика Бурятия) с различной удельной поверхностью - 300 и 600 м2/кг. Перлит - одна из разновидностей магматических горных пород, которая принадлежит к группе вулканических стекол. Стекловидный перлит имеет содержание стеклофазы в диапазоне от 60 до 80 %, в то время как у закристаллизованного перлита это значение составляет от 30 до 50 %. Суммарные запасы перлитов Мухор-Талинского вулкана составляют несколько десятков миллионов кубических метров. Химические составы стекловидного и закристаллизованного перлита приведены в таблице.
Таблица
Химический состав стекловидного и закристализованного перлита, масс. %
Материал 8Ю2 Al2Oз Fe2Oз FeO CaO MgO ^2 SOз Na2O R2O п.п.п
Перлит стекловидный 68,40 13,75 0,50 0,06 0,50 0,30 0,15 0,10 3,91 3,37 _ 5,97
Перлит закристаллизованный 73,13 11,7 1,08 1,71 0,55 0,30 6,4 7,65
Учитывая химический состав стекловидного и закристаллизованного перлита, в данной работе провели исследования по использованию различных видов перлита для получения композиционных вяжущих. Аморфная фаза кремнезема, присутствующая в большом количестве в стекловидном перлите, играет роль связующего компонента для Са^Ц^, образующего гидросиликаты второй генерации. Кристаллическая фаза кремнезема, находящаяся в закристаллизованном перлите, служит центром кристаллизации для новообразований [12].
После выбора вида тонкодисперсной добавки важным условием является выбор ее степени дисперсности, которая играет ключевую роль в формировании физико-механических свойств гидратного камня.
В настоящее время механизм влияния дисперсных добавок на физико-механические свойства композиционных вяжущих не до конца изучен. При увеличении степени дисперсности добавок обычно улучшаются физико-механические свойства композиционного вяжущего. Это происходит благодаря образованию структурного каркаса из частиц добавки, которые взаимодействуют друг с другом через макромолекулы, адсорбированные на их поверхности. Кроме того, с увеличением степени дисперсности добавки реальная удельная поверхность наполнителя увеличивается, что влияет на свойства матрицы. Однако такое увеличение может привести к немонотонному и резкому изменению свойств материала, известному факту снижения прочности при сжатии при увеличении удельной поверхности. Это объясняется увеличением агрегации за счет поверхностных сил и слипанием частиц.
При разработке составов композиционных вяжущих важным является выбор ПАВ, обладающих водоредуцирующим эффектом. В зависимости от составов применялись суперпластификаторы на основе сульфированных нафталиноформальдегидных соединений (С-3) и на основе модифицированных поликарбоксилатов (Sika Viscocrete).
Для определения физико-механических свойств модифицированных цементных композитов были изготовлены образцы размером 20x20x20 мм. Образцы хранились в формах при t=18-20 W = 90-95 %, затем без форм в гидравлической ванне затвора в течение 28 сут.
Физико-механические свойства образцов определены по ГОСТ 310.4-81.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты исследования по влиянию вида и количества тонкодисперсных добавок с различной удельной поверхностью и ПАВ на прочностные характеристики цементного камня представлены на рисунках 1-4.
а С
s
s £
о
л н о о Я F о
£
80 70 60 50 40 30 20 10 0
чо
3 сут
7 сут
28 сут Срок твердения, сут
I Портландцемент (ПЦ) ПЦ + 20 % от. перл. + Sika Visc ПЦ + 10 % от. перл. + С-3 ПЦ + 30 % от. перл. + С-3
ПЦ + 10 % ст. перл. + Sika Vise. ПЦ + 30 % ст. перл. + Sika Vise ПЦ + 20 % ст. перл. + C-3
Рисунок 1 - Влияние дисперсного стекловидного перлита, удельная поверхность 300 м2/кг, на прочностные характеристики цементного камня
С
и и
а *
с
и р
п
Л
т с о н
F
о роП
80 70 60 50 40 30 20 10 0
ПЦ ПЦ + ПЦ + ПЦ +
3
4
о
ЧО
ЧО
51
3 сут
20 % закр. пер. + Sika Vise 10 % закр. пер. + C-3 30 % закр. пер .+ C-3
7 сут 28 сут
Срок твердения
ПЦ + 10 % закр. пер. + Sika Vise ПЦ + 30 % закр. пер .+ Sika Vise ПЦ + 20 % закр. пер. + C-3
Рисунок 2 - Влияние дисперсного закристаллизованного перлита, удельная поверхность 300 м2/кг, на прочностные характеристики цементного камня
а С
100 90 80 70
к к
I 60
о -
а С л н о о Я
о
a
50 40 30 20 10 0
2
in
3
40,
3 сут
260. 4
£ 4
.7
in
6
7 сут
28 сут
Срок твердения
ПЦ
ПЦ + 20 % ст. перл. + Sika Vise ПЦ + 10 % ст. перл. + C-3 ПЦ + 30 % ст. перл. + C-3
ПЦ + 10 % ст. перл. + Sika Vise ПЦ + 30 % ст. перл. + Sika Vise ПЦ + 20 % ст. перл. + C-3
Рисунок 3 - Влияние дисперсного стекловидного перлита, удельная поверхность 600 м2/кг, на прочностные характеристики цементного камня
С
и и
а *
с
и р
п
Л
т с о н
о роП
80 70 60 50 40 30 20 10 0
(N *
(N
m
.5 5 4
(N
3 6. 5
5
3 сут
7 сут
28 сут Срок твердения, сут
ПЦ ПЦ + 10 % закр. перл. + Sika Vise
ПЦ + 20 % закр. перл. + Sika Vise ПЦ + 30 % закр. перл. + Sika Vise
ПЦ + 10 % закр. перл. + C-3 ПЦ + 20 % закр. перл. + C-3
ПЦ + 30 % закр. перл. + C-3
Рисунок 4 - Влияние дисперсного закристаллизованного перлита, удельная поверхность 600 м2/кг, на прочностные характеристики цементного камня
По результатам эксперимента видно, что у составов с использованием стекловидного перлита с удельной поверхностью 600 м2/кг в количестве 20 % и различными суперпластификаторами - Sika Viscocrete и С-3 - самые высокие прочностные показатели на сжатие по сравнению с контрольными образцами - 89,6 и 84,3 МПа, что больше прочности на сжатие контрольных образцов соответственно на 49 и 41 %. Также высокие показатели были получены у составов с использованием закристаллизованного перлита с удельной поверхностью 600 м2/кг в количестве 20 % и суперпластификаторами - Sika Viscocrete и С-3. Показатели прочности на сжатие цементного камня составили 74,6 и 75 МПа, что на 24 и 25 % больше прочности на сжатие контрольных образцов.
Перлит оказывает влияние на структуру и химический состав цементного камня, что приводит к увеличению предела прочности при сжатии. Важную роль в этом процессе играет химический фактор, проявляющийся в изменении баланса между гидратными фазами в составе цементного камня. Это приводит к увеличению объема более прочных и устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция (ГСК) и образованию плотных структур конгломератов [13]. Наличие аморфной фазы кремнезема в стекловидном перлите в значительном объеме приводит к повышению прочности при сжатии. Это происходит за счет замещения механически неустойчивой фазы гидроокиси кальция более прочной гидросиликатной фазой.
При использовании перлита с более высокой удельной поверхностью повышается прочность цементного камня благодаря тому, что ультрадисперсные частицы перлита заполняют пространство между сравнительно крупными частицами цемента, что приводит к получению однородной, пластичной смеси с плотной упаковкой частиц и множественными коагу-ляционными контактами. Взаимодействие перлита с гидроксидом кальция способствует образованию наиболее прочных и устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция в составе цементного камня.
Для повышения трещиностойкости гидротехнического бетона одновременно с прочностью на сжатие интерес представляет исследование процессов тепловыделения при гидратации композиционных вяжущих с суперпластификаторами Sika Viscocrete и С-3 по сравнению с портландцементом (рис. 5).
о
о
К 8 Я
а £
а
ч ч 8 и
8
Л
¡а
а
ш
а
Я
Н
17,00
о
8
12
16
20
24
28
ПЦ
ПЦ + ст. перл. + Sika Visc
Время гидратации, ч ПЦ + стек. перл.
ПЦ + ст. перл. + С-3
Рисунок 5 - Исследование процессов тепловыделения при гидратации композиционных вяжущих по сравнению с портландцементом
Средняя температура при гидратации в первые сутки составляет: для состава ПЦ -25,8 °С, ПЦ + стекловидный перлит - 24,3 °С, ПЦ + стекловидный перлит + Sika Viseoerete -20,2 °С, ПЦ + стекловидный перлит + С-3 - 20,5 °С. Средняя температура при гидратации во вторые сутки составляет: ПЦ - 24,7 °С, ПЦ + стекловидный перлит - 23,4 °С, ПЦ + стекловидный перлит + Sika Viseoerete - 19,6 °С, ПЦ + стекловидный перлит + С-3 - 19,1 °С. Температура при гидратации составов со стекловидным перлитом и суперпластификаторами снизилась по отношению к контрольному составу ПЦ: в первые сутки - на 22 и 21 %, во вторые сутки - на 21 и 23 % соответственно.
Снижение температуры при гидратации составов с перлитом и суперпластификаторами происходит благодаря формированию адсорбционной пленки на зернах цемента и гидратных новообразованиях, что замедляет начальную гидратацию, увеличивает индукционный период гидратации и приводит к снижению температуры при гидратации вяжущих [14, 15]. Также следует отметить, что снижение температуры при использовании перлита в качестве добавки в вяжущие вещества связано с замещением части цемента минеральными компонентами.
Заключение
Результаты экспериментов показали, что составы вяжущих с применением стекловидного перлита и суперпластификаторов позволяют получить композит с требуемыми показателями по прочности на сжатие, при этом с пониженными значениями тепловыделения при гидратации цемента по сравнению с традиционными составами, что, на наш взгляд, скажется на термической трещиностойкости бетона для массивных гидротехнических сооружений.
Было установлено, что использование стекловидного перлита с удельной поверхностью 600 м2/кг в количестве 20 % и различными суперпластификаторами - Sika Viscocrete и С-3 -показали прочность на сжатие на 49 и 41 % выше, чем прочностные характеристики контрольных образцов, при этом с пониженным тепловыделением при гидратации цемента по сравнению с традиционными составами на 22 и 21 % - в первые сутки; на 21 и 23 % - во вторые сутки.
Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность применения композиционного вяжущего на основе перлита и суперпластификаторов для решения вопросов тепловыделения при гидратации вяжущего в гидротехническом бетоне.
Библиография
1. Сафаров К.Б., Степанова В.Ф. Регулирование реакционной способности заполнителей и повышение сульфатостойкости бетонов путем совместного применения низкокальциевой золы-уноса и высокоактивного метакаолина // Строительные материалы. - 2016. - № 5. - С. 70-73.
2. Григорьев В.Г., Козлова В.К., Андрюшина Е.Е. и др. Композиционные портландцемента для гидротехнического строительства // Ползуновский вестник. - 2012. - № 1. - С. 62-64.
3. Li Q., Liang G., Hu Y. et al. Numerieal analysis on temperature rise of a eonerete areh dam after sealing based on measured data // Mathematieal Problems in Engineering. - 2014. - N 6. - P. 1-10. -DOI 10.1155/2014/602818.
4. Анискин Н.А., Чонг Чык Нгуен. Проблема температурного трещинообразования в бетонных гравитационных плотинах // Вестник МГСУ. - 2020. -№ 3. - С. 380-398.
5. Момот В.А. Анализ вопросов применения монолитного бетона в гидротехническом строительстве // Наука и прогресс транспорта // Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. - 2006. - № 11. - С. 217-219.
6. Сайгашова Е.Е. Особенности бетонов для строительства гидротехнических сооружений // Вестник ХГУ им. Н.Ф. Катанова. - 2017. - № 20. - С. 41-43.
7. Ильина Л.В., Бердов Г.И., Гичко Н.О. Повышение прочности тяжелого бетона при использовании дисперсных минеральных добавок // Вестник ВСГУТУ. - 2023. - № 1(88). - С. 66-70.
8. Воронов В.В., Глаголев Е.С. Особенности гидратации и твердения полиминеральных композиционных вяжущих для пенобетонов // Вестник СибАДИ. - 2020. - № 1(71). - С. 122-135.
9. Федюк Р.С., Мочалов А.В., Лесовик В.С. и др. Композиционные вяжущие и самоуплотняющиеся фибробетоны для защитных сооружений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2018. - № 7. - С. 77-85.
10. Муртазаев С.А.Ю., Саламанова М.Ш., Бисултанов Р.Г. и др. Высококачественные модифицированные бетоны с использованием вяжущего на основе реакционноактивного минерального компонента // Строительные материалы. - 2016. - № 8. - С. 74-79.
11. Нгуен Хоанг. Регулирование температурного режима бетонных массивно-контрфорсных плотин: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2014. - 165 с.
12. НгуенДангЖанг. Температурный режим бетонных гравитационных плотин: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2006. - 177 с.
13. Жерновой Ф.Е., Мирошников Е.В. Комплексная оценка факторов повышения прочности цементного камня добавками ультрадисперсного перлита // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2009. -№ 2. - С. 55-60.
14. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. - 2009. - № 6. - С. 84-87.
15. Лесовик B.C., Жерновой Ф.Е. Методология проектирования состава искусственных конгломератов // Бетон и железобетон. - 2008. - № 5. - С. 4-7.
Bibliography
1. Safarov K.B., Stepanova V.F. Regulation of the reactivity of aggregates and increasing the sulfate resistance of concrete through the combined use of low-calcium fly ash and highly active metakaolin // Stroi-tel'nye materialy (Construction Materials Russia). - 2016. - N 5. - P. 70-73.
2. Grigoryev V.G., Kozlova V.K., Andryushina E.E. et al. Composite Portland cements for hydraulic engineering construction // Polzunovskiy VESTNIK.- 2012. - N 1. - P. 62-64.
3. Li Q., Liang G., Hu Y. et al. Numerical analysis on temperature rise of a concrete arch dam after sealing based on measured data // Mathematical Problems in Engineering.- 2014. - N 6. - P. 1-10. -DOI 10.1155/2014/602818.
4. Aniskin N.A., Chong Chyk Nguyen. The problem of temperature cracking in concrete gravity dams // VESTNIK MGSU (Monthly Journal on Construction and Architecture).- 2020. - N 3. - P. 380-398.
5. Momot V.A. Analysis of the issues of the use of monolithic concrete in hydraulic engineering construction // Science and progress of transport. Bulletin of the Dnepropetrovsk National University of Railway Transport. - 2006. - N 11. - P. 217-219.
6. Saygashova E.E. Features of concrete for the construction of hydraulic structures // Vestnik of Kha-kassian State University named after N. F. Katanov (KhSU). - 2017. - N 20. - P. 41-43.
7. Ilyina L.V., Berdov G.I., Gichko N. O. Increasing the strength of heavy concrete with use of dispersed mineral additives // Bulletin of the ESSTUM. - 2023. - N 1(88). - P. 66-70.
8. Voronov V.V., GlagolevE.S. Features of hydration and hardening of polymineral composite binders for foam concrete // The Russian Automobile and Highway Industry Journal. - 2020. - N 1(71). - P. 122-135.
9. FedyukR.S., MochalovA.V., Lesovik V.S. Composite binders and self-compacting fibrous concrete for protective structures // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov.
- 2018. - N 7. - P. 77-85.
10. Murtazaev S.A.Yu., Salamanova M.Sh., Bisultanov R.G. et al. High-quality modified concretes using a binder based on a reactive mineral component // Stroitel 'nye materialy (Construction Materials Russia).
- 2016. - N 8. - P. 74-79.
11. Nguyen Hoang. Regulation of the temperature regime of concrete massive buttress dams: diss. ... Cand. Sc. Engeneering. - M., 2014. - 165 p.
12. Nguyen Dang Zhang. Temperature regime of concrete gravity dams: diss. ... Cand. Sc. Engeneering. - M., 2006. - 177 p.
13. Zhernovoy F.E., Miroshnikov E.V. Comprehensive assessment of factors for increasing the strength of cement stone with additives of ultrafine perlite // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. - 2009. - N 2. - P. 55-60.
14. Lesovik V.S., Zhernovoy F.E., Glagolev E.S. The use of natural perlite as part of mixed cements // Stroitel'nye materialy (Construction Materials Russia). - 2009. - N 6. - P. 84-87.
15. Lesovik V.S., Zhernovoy F.E. Methodology of designing the composition of artificial conglomerates // Beton i zhelezobeton. - 2008. - N 5. - P. 4-7.
