ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯНА ПРОЧНОСТЬ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ГРАНУЛИРОВАННОГО ДОМЕННОГО ШЛАКА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32:621.74 DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-760-6-20-23

Н.В. КУЗНЕЦОВА1, канд. техн. наук (nata-kus@mail.ru),

A.И. ДУБРОВИН1, инженер (dubrowin.aleksey-tambov@yandex.ru);

B.А. ЕЗЕРСКИЙ2, д-р техн. наук (wiz75micz@rambler.ru)

1 Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)

2 Белостокский технический университет (Республика Польша, 15-351, г. Белосток, ул. Виджска-Стрит, 45 А)

Исследование влияния водоцементного отношения на прочность мелкозернистых бетонов с заполнителем из гранулированного доменного шлака

Представлен оригинальный подход к проектированию многокомпонентных цементных смесей с мелкодисперсными заполнителями, обладающими высокой водопотребностью. Для различных составов смесей исследованы прочность при сжатии образцов мелкозернистых бетонов в зависимости от смесевых факторов. В качестве влияющих факторов рассматривались доли компонентов в смеси: гранулированного доменного шлака, песка, воды при постоянном расходе цемента и модифицирующих добавок. На основе данных лабораторного эксперимента построены математические модели и с их помощью установлены зависимости прочности при сжатии мелкозернистого бетона от соотношения шлак/вода, а также оптимальные соотношения в системе заполнитель-вода. Выявлены конкретные значения водотвердого отношения для цементных смесей, при которых прочность образцов увеличивается до 35%, а также оптимальные соотношения компонентов, позволяющие получать мелкозернистый бетон с повышенной прочностью до 30 МПа.

Ключевые слова: ресурсосбережение, мелкозернистый бетон, водопотребность смеси, водотвердое отношение, гранулированный доменный шлак.

Для цитирования: Кузнецова Н.В., Дубровин А.И., Езерский В.А. Исследование влияния водоцементного отношения на прочность мелкозернистых бетонов с заполнителем из гранулированного доменного шлака // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 20-23.

N.V. KUZNETSOVA1, Candidate of Sciences (Engineering) (nata-kus@mail.ru), A.I. DUBROVIN1, Graduate student (dubrowin.aleksey-tambov@yandex.ru): V.A. EZERSKIY2, Doctor of Sciences (Engineering) (wiz75micz@rambler.ru)

1 Tambov state technical university (106, Sovetskaya Street, Tambov, 392000, Russian Federation)

2 Bialystok University of Technology (45A, Wiejska Street, 15-351, Bialystok, Poland)

Research in the Effect of Water-Cement Ratio on Strength of Fine Concretes with a Filler of Granulated Blast Furnace Slag

An original approach to the design of multi-component cement mixtures with fine aggregates with high water demand is presented. For different compositions of mixtures, the compressive strength of fine concrete samples was studied depending on the mixing factors. The shares of components in the mixture of granulated blast furnace slag, sand, water at a constant consumption of cement and modifying additives were considered as influencing factors: On the basis of the laboratory experiment data, mathematical models are constructed and with their help the dependences of the compressive strength of fine concrete on the slag/water ratio, as well as the optimal ratios in the filler-water system are established. The specific values of water-solid ratio for cement mixtures, at which the strength of the samples increases by up to 35%, as well as the optimal ratio of components making it possible to obtain fine concrete with high strength of up to 30 MPa are revealed.

Keywords: resource saving, fine concrete, water-need of mixture, water-solid ratio, granulated blast furnace slag.

For citation: Kuznetsova N.V., Dubrovin A.I., Ezerskiy V.A. Research in the effect of water-cement ratio on strength of fine concretes with a filler of granulated blast furnace slag. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 20-23. (In Russian).

Основным направлением в развитии строительного производства является оптимизация показателя «качество—стоимость», что особенно актуально для бетонов в связи с высоким энергопотреблением при производстве цемента. Решение задач повышения экономичности и технологичности производства бетонов возможно путем снижения энергоемкости процессов, снижения себестоимости компонентов, повышения качества, энергоэффективности и экологичности продукции [1, 2]. Современная технология предполагает целенаправленное управление процессом формирования структуры бетонов, от которой зависят свойства получаемых материалов. Определяющим показателем качества бетонов является эффективность технологии бетонных материалов и самих материалов по критериям ресурсоемкости в расчете на единицу измерения конструкционного и функционального качества [3].

Известно, что оптимизация составов смесей направлена на решение двух основных вопросов: повышение плотности материала и достижение однородности распределения компонентов. Это возможно только с ис-

пользованием многокомпонентных составов, обеспечивающих высокую реологию смесей, а также повышенные физико-механические свойства цементных бетонов. Задачам ресурсосбережения отвечает введение в состав цементных смесей минеральных добавок в виде производственных отходов различной дисперсности и гидравлической активности. Повышение плотности бетона реализуется посредством оптимизации упаковки твердых частиц смеси, включая частицы заполнителя, мелкодисперсных компонентов, цемента, и снижением тем самым объема порового пространства [4, 5]. Кроме того, условием формирования плотной структуры бетона является снижение водоцементного отношения смесей. На практике это снижение реализуется двумя способами: интенсивным уплотнением смесей с пригрузом с использованием различных виброустановок, прессов и др. [6—8] и введением в смесь химических добавок пластифицирующего действия с высоким водоредуци-рующим эффектом [4, 9].

Условию снижения себестоимости продукции способствует применение в производстве бетонов местных

20

июнь 2018

Ы ®

компонентов смесей и снижение расхода цемента [10]. Неиспользуемые отходы металлургических производств региона представляют в основном шлаки различной дисперсности и гидравлической активности. Проведенные авторами экспериментальные исследования физико-механических свойств цементных композиционных материалов показали эффективность использования в качестве заполнителя измельченного гранулированного металлургического шлака. По результатам эксперимента были построены математические модели зависимостей прочности при сжатии, изгибе, плотности образцов от соотношений компонентов смесей. Прочность при сжатии образцов с содержанием шлака до 12% от массы сухой смеси (при соотношениях цемент/заполнитель, равных 1/6—1/2,5) оказалась выше соответствующих показателей образцов без добавок на 25—30%. Положительное влияние на повышение плотности и прочности образцов оказывало введение в смесь помимо шлака наполнителя высокой дисперсности — микрокремнезема в количестве до 10% от массы сухой смеси. С учетом задачи максимальной утилизации шлака выполнялась оптимизация составов смесей по критерию прочности при сжатии, в результате были предложены соотношения компонентов, позволяющие уменьшить расход цемента и получить образцы с высокой прочностью.

Одним из условий, принятых при планировании эксперимента, являлось фиксированное количество воды, принимаемое на каждую смесь компонентов в соответствии с планом. При этом известно, что водопо-требность смесей, содержащих высокодисперсные компоненты с развитой поверхностью, повышается в связи с необходимостью смачивания поверхности этих частиц [11]. В таких многокомпонентных смесях требуемое количество воды складывается из воды, необходимой для прохождения реакции клинкерных минералов, и воды для обеспечения смачивания высокодисперсных минеральных частиц. В связи с этим количество воды, вводимой в смесь, может существенно различаться для смесей с различным соотношением компонентов. Следовательно, количество воды является, по сути, фактором, определяющим прочностные показатели цементных композиционных материалов.

Введение в смеси пластифицирующих добавок позволит не только снизить водоцементное отношение, но и повысить однородность распределения компонентов. Диспергирующее действие суперпластификаторов в водно дисперсных минеральных средах основано на создании плотных адсорбционных слоев на поверхности дисперсных частиц, что приводит к высокому эффекту пластифицирования и водоредуцирования [4]. Высокую реологию смесей обеспечивают многокомпонентные системы, включающие частицы микрокремнезема, экранирующие цементные частицы [12].

Учитывая результаты описанного выше эксперимента, была поставлена задача выявить влияние соотношения компонентов в системе вода—заполнитель на физико-механические характеристики цементных композиционных материалов с заполнителем из гранулированного доменного шлака.

Экспериментально исследовался основной механический показатель образцов цементных композитов: прочность на центральное сжатие Ясж, МПа (отклик 71) в зависимости от трех смесевых факторов, отражающих массовые доли компонентов в смеси: шлака (фактор г1), воды (фактор £2) и песка (фактор z3). Постоянными факторами являлись вид и содержание в смеси цемента и добавок — микрокремнезема и суперпластификатора.

Эксперимент проводился на основании симплекс-решетчатого плана типа состав—свойство (табл. 1). В результате обработки экспериментальных данных предполагалось получить математическую модель зависимости

целевой функции от переменных факторов в виде неполного полинома третьей степени. В каждой точке такого плана должно выполняться условие: z1+Z2+Zз =1 [13].

Предполагалось, что каждый из факторов z1, ^х, Z3 следует рассматривать на следующих уровнях: 0; 0,333; 0,5; 1. Однако выполнить исследование в полном диапазоне изменения факторов невозможно, так как технологически невозможно создать образцы на основе цементных смесей при рекомендуемых соотношениях удельных весов выбранных компонентов (от 0 до 1). Для создания практически применяемых составов смесей были выбраны новые пределы изменения факторов. Поэтому при реализации эксперимента использовано локальное симплексное планирование в условиях ограничения предела изменения всех выбранных факторов [13].

На основе анализа проведенных экспериментов с использованием гранулированного доменного шлака была выделена подобласть, характеризующаяся следующими координатами вершин неправильного симплекса: вершина А1 (х1=0,29; х2=0,155; х3 =0,555); вершина А2 (х1=0,15; х2=0,179; х3=0,671); вершина А3 (х1=0; х2=0,13; х3=0,87). В выбранной подобласти фактические значения долей компонентов смеси х{ изменялись в пределах: шлак (х1) — от 0 до 0,29; вода затворения (х2) — от 0,13 до 0,179; песок (х2) — от 0,555 до 0,87. Количество цемента в смеси принималось из соотношения, принятого при практическом проектировании: отношение цемента к заполнителю, включая шлак, равно 1:3.

С целью обеспечения возможности использования стандартного симплексного плана описанная выше подобласть была трансформирована до полного симплекс-центрического плана через введение в вершинах А^ псевдофакторов z1, Z2, Z3, связанных в каждой точке плана с факторами х1, х2, х3 определенной зависимостью. Уровни изменения кодированных псевдофакторов z1, Z2, Z3, и соответствующих им исходных натуральных факторов х1, х2, х3 представлены в табл. 1.

После получения результатов испытаний выполнялось построение модели зависимости исследуемого параметра от псевдофакторов z1, Z2, Z3. Для получения математической модели с исходными натуральными факторами х1, х2, х3 названные псевдофакторы можно декодировать, рассчитав соответствующие зависимости, ал затем подставить полученные выражения в модель % = ¥ ^1, Z2, Z3). В данном эксперименте с учетом плана (табл. 1) рассчитанные по этой методике формулы связи между псевдофакторами z1, Z2, Z3 и натуральными факторами х1, х2, х3 имели вид [14]:

Z1 = 6,5488 - 19,0249х2 - 4,6845х3;

z2 = -5,9943 + 30,1147х2 + 2,3901х3;

Z3 = 0,4455 + 11,0899х2 - 2,2945х3.

Используя построенную по результатам измерений модель, предполагалось выполнить поиск оптимальных значений водоцементного отношения с учетом состава

Таблица 1

План эксперимента

№ опыта ¿1 ¿2 ¿3 *1 *2 Yi

1 1 0 0 0,29 0,155 0,555

2 0 1 0 0,15 0,179 0,671

3 0 0 1 0 0,13 0,87

4 0,5 0,5 0 0,22 0,167 0,613

5 0,5 0 0,5 0,145 0,143 0,712

6 0 0,5 0,5 0,075 0,155 0,77

7 0,3333 0,3333 0,3333 0,147 0,155 0,698

;ТР1ЛГГЕЛЬг1ЫЕ научно-технический и производственный журнал ДОГ^МАЛ-Г июнь 2018

Таблица 2

Состав изменяемых компонентов смеси

Содержание компонентов в смеси, доля/кг

№ опыта ¿1 ¿2 ¿3 Х1 х2 х3

шлак вода песок

1 1 0 0 0,290/0,36 0,155/0,193 0,555/0,689

2 0 1 0 0,150/0,186 0,179/0,222 0,671/0,833

3 0 0 1 0/0 0,130/0,161 0,87/1,081

4 0,5 0,5 0 0,220/0,273 0,167/0,207 0,613/0,761

5 0,5 0 0,5 0,145/0,18 0,143/0,178 0,712/0,884

6 0 0,5 0,5 0,075/0,093 0,155/0,193 0,770/0,956

7 0,3333 0,3333 0,3333 0,147/0,183 0,155/0,193 0,698/0,867

ементных смесей, обеспечивающих наивысшую прочность исследуемых образцов.

Цементная смесь для изготовления образцов включала следующие компоненты: портландцемент (постоянной массы для всех опытов плана), мелкий заполнитель в виде кварцевого песка и измельченного гранулированного доменного шлака, добавки — микрокремнезем и суперпластификатор (постоянной массы для всех опытов плана).

Расход портландцемента М500 в смеси принимался постоянным и составлял 0,36 кг на один опыт. В качестве заполнителя использовался кварцевый песок с модулем крупности 2. В качестве техногенного микронаполнителя использовался измельченный доменный шлак ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Исходный гранулометрический состав шлака характеризовался крупностью от 0,1 до 2,5 мм с модулем крупности 1,9. Выполнялось дополнительное измельчение шлака в вибровращательной шаровой мельнице в течение 30 мин. Технологический режим и время измельчения шлака подбирались экспериментально для получения средней крупности частиц около 10-4 м. Количество песка и шлака принималось в соответствии с планом эксперимента (табл. 2). В качестве высокоактивной добавки использовался микрокремнезем МК-80 с удельной поверхностью до 2000 м2/кг, получаемый при переработке природных опок. Микрокремнезем вводился в смесь в количестве 10% от массы цемента, т. е. 0,036 кг на каждый опыт.

В качестве пластифицирующей добавки использовался суперпластификатор Кратасол ПФМ ПАО «Пигмент» (г. Тамбов). Согласно рекомендациям производителя и результатам проведенных экспериментов, а также учитывая наличие в составе смесей высокодисперсных компонентов, принята дозировка добавки — 2% от массы цемента, т. е. 0,007 кг на каждый опыт.

Количество воды затворения принималось по плану эксперимента (табл. 2). При этом водоцементное отношение в опытах изменялось от 0,49 до 0,62, водотвердое (с учетом шлака) — от 0,27 до 0,48.

На основе результатов экспериментального определения прочности при центральном сжатии образцов согласно ГОСТ 10180—2012 рассчитана зависимость

Yl = /(11,12, *з) [14]:

Y = 23,81^ + 16,36г2 + 20,65г3 + 47,50^ -- 17,8ад - 4,86^3 - 148,32^3.

Как следует из графического представления полученной модели прочности на сжатие (см. рисунок), при выбранных соотношениях компонентов в системе получена область, ограниченная изолинией 24 МПа, где прочность образцов, содержащих шлак, выше, чем у образцов без шлакового заполнителя (точка 3 -Д.ж = 20 МПа).

На рисунке видно, что наивысшая прочность при центральном сжатии Y1 бетонных образцов получена в точке 4 и равна 31,96 МПа при соотношении компонентов шлак:вода:песок = 0,5:0,5:0 или в натурных значениях - 0,273:0,207:0,761 кг.

Наименьшая прочность при центральном сжатии Y1 образцов наблюдается в точке 2 (х1=0,115; х2=0,179; х3=0,671; Y1 =16,36 МПа), для которой было характерно наивысшее водотвердое отношение. Из этого следует вывод, что указанное соотношение негативно влияет на прочность образцов при сжатии.

Из диаграммы рисунка также видно, что при движении из точки Z1 в Z2, когда шлак частично замещается на воду, а также из точки Z3 в Z2, когда песок частично замещается на воду, с увеличением доли воды устойчиво понижается прочность образцов при сжатии. В то же время при движении из точки Z3 в Z1, когда шлак частично замещает песок, наблюдается существенное изменение прочности.

Значительное влияние на прочность оказывает соотношение шлак/вода: в области минимальных принятых значений при отсутствии или небольшом количестве шлака наблюдается некоторое повышение прочности образцов (точка 3). При увеличении значений соотношения шлак/вода до 1,3 прочность образцов повышается; при дальнейшем увеличении до 1,86 - падает.

Оптимальные соотношения компонентов для достижения максимальных значений прочности находятся в области между точками 1 и 4. Следовательно, в этой области находятся оптимальные составы компонентов смесей мелкозернистого бетона.

Прочность при центральном сжатии Лсж, МПа, бетонных образцов в зависимости от содержания компонентов: шлак (г1); вода (г2); песок (г3)

22

июнь 2018

Следует отметить, что при максимальном соотношении цемент/песок, равном 0,522, прочность ниже, чем при меньших долях вяжущего в смеси, например в точке 4 при соотношении цемент/песок, равном 0,47. Выводы

1. Анализ полученных результатов определения водо-потребности цементных смесей с дисперсными компонентами в виде гранулированного доменного шлака позволил выявить оптимальное водотвердое соотношение, равное 0,12—0,15 при количестве шлака в смеси или соотношении цемент/шлак, равном 1—1,32. Увеличение водотвердого соотношения в данной области улучшает прочностные характеристики образцов на 35%.

2. Получена область с соотношениями компонентов, при которых прочность на центральное сжатие образцов мелкозернистого бетона, содержащих шлак, составляет более 24 МПа, что выше, чем у образцов без шлакового заполнителя.

3. Установлены оптимальные соотношения составляющих в смеси (от х1=0,248; х2=0,162; х3=0,613 до х1=0,206; х2=0,169; х3=0,613), позволяющие максимально утилизировать шлак при пониженном водосодержа-нии и получить образцы мелкозернистого бетона с прочностью при сжатии не ниже 30 МПа.

Список литературы

1. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Ч. 1. Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий и ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 12—18.

2. Майорова Т.В., Пономарева О.С. Методика оценки экономической оценки эффективности экологического менеджмента предприятий металлургической отрасли // Вестник МГУ. 2015. № 4. С. 112-116.

3. Баженов Ю.М., Чернышов Е.М., Коротких Д.Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 6-14.

4. Баженов Ю.М., Демьянова B.C., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны М.: АСВ, 2006. 368 с.

5. Дворкин Л.И., Житковский В.В., Степасюк Ю.А., Ковальчук Т.В. Проектирование составов фибробе-тона с использованием экспериментально-статистических моделей // Технологии бетонов. 2016. № 11-12. С. 29-35.

6. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. М.: Стройиздат, 1990. 399 с.

7. Краснов А.М., Федосов С.В., Акулова М.В. Влияние высокого наполнения мелкозернистого бетона на структурную прочность // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 48-50.

8. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона. Киев: Бущвельник, 1991. 158 с.

9. Пшеничный Г.Н. Проблемы, существующие в бето-новедении // Технологии бетонов. 2014. № 12. С. 42-45.

10. Bhaskar Desai V., Chaitanya lakshmi C. An Experimental investigation on strength properties of cement concrete modified with ground granulated blast furnace slag // International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology. 2015. No. 1, pp. 427-434.

11. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 3. От высокопрочных и особо-высокопрочных бетонов будущего к суперпластифи-цированным бетонам общего назначения // Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22-26.

12. Калашников В.И., Мороз М.Н., Тараканов О.В., Калашников Д.В., Суздальцев О.В. Новые представ-

ления о механизме действия суперпластификаторов, совместно размолотых с цементом или минеральными породами // Строительные материалы. 2014. № 9. С. 70-75.

13. Бродский В.З. и др. Таблицы планов эксперимента: Справочное издание. М.: Металлургия, 1982. 752 с.

14. Зедгинидзе И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. 390 с.

References

1. Karpenko N.I., Yarmakovskiy V.N. The main directions of energy saving at construction and operation of buildings. Part 1. Energy saving on a stage of manufacture of structural materials, wall products and the protecting designs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 7, pp. 12-18. (In Russian).

2. Mayorova T.V., Ponomareva O.S. Technique of assessment of economic assessment of effectiveness of ecological management of the enterprises of metallurgical branch. Vestnik MGU. 2015. No. 4, pp. 112-116. (In Russian).

3. Bazhenov J.M., Chernyshov E.M., Korotkikh D.N. Designing of modern concrete structures: determining principles and technological platforms. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 3, pp. 6-14. (In Russian).

4. Bazhenov Yu.M., Demyanova B.C., Kalashnikov V.I. Modificirovannye vysokokachestvennye betony [The modified high-quality concrete]. Moscow: ASV. 2006. 368 p.

5. Dvorkin L.I., Zhitkovskiy V.V., Stepasyuk Yu.A., Koval'chuk T.V. Projection of compositions of fibrous concrete with use of experimental and statistical models. Tekhnologii betonov. 2016. No. 11-12, pp. 29-35. (In Russian).

6. Batrakov V.G. Modificirovannye betony [The modified concrete]. Moscow: Stroiizdat. 1990. 399 p.

7. Krasnov A.M., Fedosov S.V., Akulova M.V. Influence of high filling of fine graded concrete on structural strength. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 1, pp. 48-50. (In Russian).

8. Gusev B.V., Zazimko V.G. Vibracionnaya texnologiya betona [Vibration technology of concrete]. Kiev: Budivelnik. 1991. 158 p.

9. Pshenichniy G.N. The problems existing in science about concrete. Tekhnologii betonov. 2014. No. 12, pp. 42-45. (In Russian).

10. Bhaskar Desai V., Chaitanya lakshmi C. An Experimental investigation on strength properties of cement concrete modified with ground granulated blast furnace slag. International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology. 2015. No. 1, pp. 427-434.

11. Kalashnikov V.I. Through rational rheology in the future of concrete. Part 3. From high-strength and high-strength concrete of the future to superplasticized concrete of general purpose. Tekhnologii betonov. 2008. No. 1, pp. 22-26. (In Russian).

12. Kalashnikov V.I., Moroz M.N., Tarakanov O.V., Kalashnikov D.V., Suzdaltsev O.V. New ideas about action mechanism of superplasticizers grinded jointly with cement or mineral rocks. Stroitel'nye Materialy. 2014. No. 9, pp. 70-75. (In Russian).

13. Brodskiy V.Z. and others. Tablicy planov eksperimenta. Spravochnoe izdanie [Tables of plans of an experiment. Reference media]. Moscow: Metallurgiya. 1982. 752 p.

14. Zedginidze I.G. Planirovanie eksperimenta dlya issledo-vaniya mnogokomponentnykh sistem [Planning an experiment to study multicomponent systems]. Moscow: Nauka. 1976. 390 p.

Ы ®

июнь 2018

23