17«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» УДК 691.328.1
Колесникова Инна Владимировна Kolesnikova Inna Vladimirovna
Д.т.н., и.о. профессора d.t.s, acting professor Алгужина Даяна Русланвона Alguzhina Dayana Ruslanovna
Магистрант Master's degree student Казахская Головная Архитектурно-Строительная Академия Kazakh Leading Architecture and Construction Academy
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ ПРИРОДЫ И ДИСПЕРСНОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА УСКОРЕНИЕ ТВЕРДЕНИЯ ЛИТЫХ БЕСПРОГРЕВНЫХ ВЫСОКОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЕТОНОВ В АСПЕКТЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
TO THE QUESTION OF THE INFLUENCE OF THE NATURE AND DISPERSION OF MINERAL ADDITIVES ON THE ACCELERATION OF THE HARDENING OF CAST NON-HEATED HIGH-FUNCTIONAL CONCRETE IN THE ASPECT OF ENERGY-EFFICIENT TECHNOLOGIES FOR THE PRODUCTION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
Аннотация. В аспекте решения проблем внедрения ресурсосберегающих технологий в сфере строительства, проблема экологичности составов бетонных смесей стоит на одном из ведущих мест в решении этой задачи. В работе рассматривается введение минеральных наполнителей в бетонные смеси, как один из способов повышения экологичности и экономичности технологий производства строительных материалов, изделий и конструкций.
Abstract. In the aspect of solving the problems of implementing resource-saving technologies in the construction sector, the problem of environmental friendliness of concrete mix compositions is one of the leading places in solving this problem. The paper considers the introduction of mineral fillers in concrete mixtures as one of the ways to improve the environmental friendliness and efficiency of production technologies for building materials, products and structures.
Ключевые слова. высокофункциональный бетон, наполнители, минеральные добавки, ускорение твердения, модификаторы, самоуплотняющмийся бетон.
XIIМеждународная научно-практическая конференция Keywords, high-functional concrete, fillers, mineral additives, hardening acceleration, modifiers, self-compacting concrete.
В аспекте решения проблем внедрения энергоэффективного производства и введения технологий, способствующих созданию энергосберегающих переделов в технологии производства бетона в советские годы было проделано не мало очень важных открытий и внедрений. Однако, к сожалению, с развитием строительной сферы, растет потребность в увеличении объемов и ускорении производства, это и является причиной того, что и по сей день ученые бьются над проблемой экологии и экономии в сфере производства строительных материалов, изделий и конструкций. [1,2]
На сегодняшний день общепризнано, что повсеместное введение МД в качестве самостоятельного компонента бетонных смесей представляет собой один из существенных способов повышения экономической эффективности цементных композиций по стоимости и расходу цемента, а также улучшения их строительных и технологических свойств.
Целью научно-исследовательской работы являлась разработка составов высокофункциональных литых бетонов ускоренного твердения средней прочности для малопрогревных и беспрогревных технологических линий. Повсеместно для достижения поставленной цели проведено исследование влияния и взаимовлияния органических и минеральных модификаторов в наполненных цементных системах; определены способы возможной механоактивации минеральной составляющей бетонной смеси с расчетом на выявление факторов влияющих на ускорение твердения и сокращение сроков схватывания цемента и цементных композитов; а так же разработан комплекс модифицирующих мероприятий, обеспечивающий получение состава высокофункционального бетона с заданными свойствами на основе местной сырьевой базы г. Алматы.
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований»
Экспериментально в лаборатории КазГАСА было получено три основных
состава литых ВФБ ускоренного твердения средней и высокой прочности, соответствующей маркам М300-М500 с минимизацией расхода цемента.
Расчеты производились по методу подбора состава самоуплотняющейся бетонной смеси основываясь на расчетах японского основоположника СУБ -Х.Окамуры. Исходя из полученных расчетов, были получены теоретические составы литых высокофункциональных бетонов средней прочности.
С целью корректировки рассчитанных составов, был проведен ряд экспериментов для определения влияния различных видов и дозировок СП и ГП на расплыв, жизнеспособность и водоредуцирующий эффект.
Как видно из полученных данных по таблице 3.5 ускорители твердения Master X-SEED, Sika Sigunit в усредненной дозировке от рекомендуемого предела производителей позволяют приблизить сроки начала схватывания на 70 - 75%, а также приблизить конец схватывания на 15-20%. При этом общее время жизнеспособности смеси остается практически неизменным, отклонения от состава без добавок составляют не более 10%.
Как видно по испытаниям образцов с добавлением различных видов СП прочность образцов с добавкой при испытании на сжатие в 1 сутки твердения на 30-50% больше, чем прочность образцов без добавки.
На 7 и 28 сутки наблюдается стабильная тенденция роста прочности, разница в показателях образцов-балочек с добавкой и без добавки все так же не ниже 40%.
Таблица 1. Характеристики получаемого СУБ
Характеристика Показатель
Цемент 360-480
Класс по прочности В22,5-В30
Класс бетонной смеси по вязкости VS2/VF1 (25сек)
Класс по подвижности SF2 (63 см)
Марка М300-М500
XIIМеждународная научно-практическая конференция Таблица 2. Влияние количества наполнителя на расплыв
цементно-песчаной смеси - карбонатная мука (1 час дробления, 90%
пробы проходит через сито 0.2)
№ Основной состав Цемент Кол-во наполнителя от мас. цемента, % Расплыв(см) В/Т В/Ц
1 600 0 25 0,18 0,43
2 Песок-800 570 5 25,1 0,18 0,43
3 ГП-2% 540 10 24,3 0,18 0,46
4 УТ-2% 510 15 24,8 0,17 0,465
5 480 20 24,7 0,17 0,5
6 420 30 25 0,15 0,5
83% пробы находится в диапазоне от 151,886 мкм до 102 мкм. Средний арифметический диаметр 83,209 мкм. Специфическая площадь поверхности 2363,798 см2.
Таблица 3. Влияние количества наполнителя на расплыв цементно-песчаной смеси - КМ (12 часов дробления, 90% пробы проходит
через сито 0.1)
№ Основной состав Цемент Кол-во наполнителя от мас. цемента, % Расплыв(см) В/Т В/Ц
1 600 0 25 0,18 0,43
2 Песок-800 570 5 25 0,19 0,46
3 ГП-2% 540 10 24,6 0,19 0,46
4 УТ-2% 510 15 24,7 0,19 0,52
5 480 20 24,3 0,18 0,53
6 420 30 24,5 0,18 0,61
Рис.1 - Гранулометрический состав КМ (12 часов дробления, 90% пробы проходит через сито 0.1) и цеолита (0,5 часа дробления, 90% пробы проходит через сито 0.2) слева-направо.
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» Примечание к рисунку 3.6: 82,2% процента пробы находится в диапазоне
от 7,319 мкм до 0,255 мкм.
Таблица 4. Влияние количества наполнителя на расплыв цементно-песчаной смеси - цеолит (0,5 часа дробления, 90% пробы
проходит через сито 0.2)
№ Основной состав Цемент Кол-во наполнителя от мас. цемента, % Расплыв(см) В/Т В/Ц
1 600 0 25 0,18 0,43
2 Песок-800 570 5 25,23 0,18 0,44
3 ГП-2% 540 10 24,4 0,18 0,47
4 УТ-2% 510 15 24,8 0,18 0,5
5 480 20 25 0,175 0,51
6 420 30 25,55 0,15 0,5
Данные таблицы относятся к 4 89,7% пробы находится в диапазоне 1,367 мкм до 0,049 мкм. Макс. Размер частиц 1,504 мкм.
Таблица 5. Показатели прочности на сжатие образцов с каменной мукой и цеолитом разной дисперсности 9 час/1сут/28сут
№ Цемен Кол- Показатели прочности (МПА)
т во напол -ля, % КМ-1 КМ-2 КМ-3 Цео-1 Цео-2 Цео-3 Без нап.
1 600 0 7/12/3 9
2 570 5 7/11/39,2 7,3/13,2/4 0 7,2/12/3 9 7,1/12/39,1 7,4/12/3 9 7,2/12,1/4 0
3 540 10 7/12/39 7,4/13,1/4 0 7,1/12/3 8 7,1/12,1/39 7,4/11/3 0 5/10,3/31
4 480 20 8,4/12/42 7,9/13/42, 1 7/13/37 7,1/12,2/39 6/10/27 3/10/3/29
5 420 30 10,2/14/4 5 9,5/13,5/4 6 9/13/37, 1 7,3/12,3/39, 4 6/8/20,4 3,1/9,6/27
XIIМеждународная научно-практическая конференция Таблица 6. Показатели прочности цементно-песчаной смеси с введением минеральных наполнителей различной степени дисперсности
№ Цемент МД (%) Показатели прочности (М Па)
ММ-1 ММ-2 Мкр.-1 Мкр.-2 Без нап.
1 600 0 - - - - 7/12/39
2 570 5 5,2/12/34 5/12/30 10/14/43 11/13,8/40 -
3 540 10 5,41/12,2/35 5,2/12/28 11/14,2/44,3 11,2/14/42,8 -
4 480 20 8/14/36,2 7/13.6/29 11,3/15/44,9 12/15,1/41 -
5 420 30 8,5/14/36 7/13,5/23,2 12/15/45 12,2/15,2/44 -
Наблюдается прирост прочности (20-30% прирост) при замене 20% цемента инертным наполнителем - карбонатной мукой из интрузивных и эффузивных горных пород. Причиной такого существенного роста прочности вероятнее всего является эффект микронаполнения и микроупрочнения структуры цементного камня и зоны контакта цементная матрица-мелкий заполнитель инертным наполнителем, который состоит из перемолотых отсевов дробления эффузивных горных пород (табл.6).
При уменьшении дисперсности цеолита постепенно по мере увеличения процента замены части цемента активной МД происходит значительная потеря прочности - около 30-50% на ранних стадиях твердения. Данное явление можно объяснить тем, что частицы микрокремнезема и цеолита имеют собственную пористость, при увеличении дисперсности активного наполнителя может создаться эффект пресыщения цементно-песчаного раствора и наблюдается эффект аддитивности, ведь ожидаемый суммарный эффект от пуццоланичекой активности добавки и эффекта микронаполнения за счет создания более тонкоизмельченного наполнителя и введения его в систему в сумме не приумножили друг друга, а лишь уменьшили свой эффект, тем более выражено, чем больше дисперсность вводимого МД (табл.5).
Отмечено увеличение прочности на 15-17% при введении каменной муки взамен цемента на 20% и 30% на 28 сутки
Видно снижение прочности на 20% на 7 и 28 сутки при введении тонкомолотого цеолита в дозировках, превышающих 15% от массы цемента. - микрокремнезем (1 ч дробления, 90% пробы проходит через сито 0.1)
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» Было отмечено в макроструктуре образцов присутствует пористость,
которая вероятнее всего обусловлена взаимодействием добавки-
пластификатора, либо добавки ускорителя твердения с наполнителем
карбонатной мукой. Так же причиной этого явление может быть побочный
эффект введения химического модификатора, производителем указывается, что
при введении пластификатора возможен малый процент воздухововлечения.
Исходя из данных по срокам схватывания цементов в присутствии
наполнителей разной дисперсности были получены ожидаемые результаты по
уменьшению сроков схватывания цемента. Можно заметить, что введение
высокодисперсных активных наполнителей позволяет достигнуть рекордных
показателей по срокам схватывания по мере увеличения количества добавки,
вводимой взамен части цемента. Такое явление явно связано с пуццоланичесой
активностью минеральных наполнителей, в то время как инертные МД не так
сильно, но все же способствуют сокращению сроков схватывания. Известен
факт, что именно активность пуццоланы в составе МД позволяет ускорить сроки
гидратационных процессов на ранних стадиях структурообразования, что
позволяет расценивать и применять активные минеральные дисперсные
наполнители с целью не только создания оптимальной структуры и достижения
непрерывной гранулометрии, но и в качестве некоего компонента ускоряющего
твердение бетона.
Таблица 10. Составы с заменой части цемента инертным
наполнителем - ММ
Цемент, Песок, г EWR- Master Расплы Наполнитель, В/Ц В/Т
№ г 300, % X-SEED, % в, мм % от массы цемента
1 300 800 2 1.5 30 50 0,55 0,14
2 360 31,5 40 0,51 0,16
3 420 29 30 0,5 0,17
4 480 29 20 0,47 0,17
5 540 30 10 0,45 0,17
6 600 29,5 0 0,4 0,17
XIIМеждународная научно-практическая конференция При увеличении В/Ц в составах с добавлением мраморной муки, несмотря
на достижение целевого расплыва, наблюдается сильное водоотделение.
При увеличении процента замены части цемента инертным наполнителем
наблюдается большое количество выделяемого воздуха
В основе действия МД рядовой (обычной) дисперсности в бетонах лежит
«эффект микронаполнителя»: при их введении в бетон с константой расхода
цемента наблюдается прирост прочности, тем больше, чем он ниже. Активные
МД дополнительно повышают показатели прочности, вступая в реакцию с
Са(ОН)2, который выделяется в процессе гидратации цемента, и образуя
гидросиликаты кальция (пуццолановая активность добавок).
Таблица 11. Показатели прочности составов
№ Состав Прочность, МПа
7 часов 9 часов 12 часов 1 сутки 28 сутки
1 Состав А 8,3 15 17 20 44,8
2 Состав В 8 14,9 17,2 18,8 40,3
3 Состав С 10,1 14 18 20,2 50
Эффект микронаполнения состоит из комплекса различных воздействий МД на бетонную смесь, твердеющий бетон и затвердевший бетон. При введении минеральных наполнителей: увеличивается содержание в смеси тонкодисперсных частиц и их концентрация в цементном тесте, данный фактор уменьшает расслоение бетонной смеси, особенно значительно - при пониженных расходах цемента. Роль тонкодисперсных МД в уменьшении расслоения увеличивается при применении литых и высокоподвижных смесей, СУБ.
• совершенствуется зерновой состав цементно-песчаной смеси, что способствует снижению водопотребность бетонной смеси. Данный эффект сильнее выражен при низких расходах цемента.
В процессе твердения бетона: возрастает степень гидратации цементного вяжущего в ранние сроки. При введении минеральных наполнителей в БС появляется значительная дополнительная поверхность раздела: «добавка -вода». На поверхности частиц МД осаждаются продукты гидратации цемента, а
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» наименьшие из ее частиц служат центрами кристаллизации. Совокупность этих
факторов приводит к повышению степени гидратации в раннем возрасте, часть
эффекта сохраняется и в поздние сроки.
В затвердевшем бетоне: происходит физическое наполнение цементного камня, что является основным эффектом при введении тонкомолотых наполнителей в уже затвердевшем бетоне. Данный эффект заметен, когда минеральный наполнитель вводится в бетонную смесь полностью или частично взамен мелкого заполнителя. В данном случае в цементном камне повышается общее содержание твердых частиц (цемент-наполнитель), а количесвто воды в единице объема снижается, в последствии снижается пористость цементного камня. Этот эффект проявляется во всем диапазоне расходов цемента, применяемых в бетоне [3,4]
Библиографический список:
1. Zhiwei Qian, Guang Ye, Erik Schlangen and Klaas van Breugel Microla., Influences of mineral composition of cement on the mechanical properties of cement paste // Delft University of Technology, the Netherlands. 2017
2. Kubens S, Peng H, Oesterheid S, Wallevik OH. Some effects of silica fume on variations in rheoiogy of mortar due to production date of cement. // Annual Transactions of the Nordic Rheoiogy Society. 2018; Р.16.
3. Wallevik OH, Kubens S, Müller F. Influence of cement-admixture interaction on the stability of production properties of SCC. In: De Schutter G, Boel V, eds. 5tfi International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. Ghent, Belgium: RILEM Publications SARL 2017:211-6.
4. Nunes S, Oliveira PM, Coutinho JS, Figueiras J. Rheological characterization of SCC mortars and pastes with changes induced by cement delivery. // Cement & Concrete Composites. 2011 ;33(1).
