CC BY
125
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 666.97
С.В. Алексашин, Б.И. Булгаков
ФГБОУВПО «МГСУ»
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКСНОЙ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ
Рассмотрен вопрос разработки новой комплексной органоминеральной добавки, изучено ее влияние на свойства мелкозернистых бетонов. Приведены факты из проведенных ранее исследований по сравнению влияния отечественных суперпластификаторов на сохраняемость подвижности мелкозернистых бетонных смесей и динамику набора прочности пластифицированными песчаными бетонами. Приведены результаты экспериментального подбора оптимального состава мелкозернистого гидротехнического бетона с заданными свойствами.
Ключевые слова: гидротехнический бетон, органоминеральная добавка, морозостойкость, водонепроницаемость, гидрофобизация, метакаолин, уплотнение структуры, долговечность.
Российская Федерация располагает огромными территориями и большим количеством озер, водохранилищ и рек, впадающих в моря, как в северных районах, так и в южных. В городах, расположенных в этих районах, имеется большое количество гидротехнических сооружений, которые эксплуатируются с высокой интенсивностью. Наблюдения показывают, что многие гидротехнические сооружения в ходе эксплуатации выходят из строя раньше положенного срока, что влечет за собой дополнительные затраты на их ремонт, а также на строительство новых сооружений.
Для решения задачи повышения эксплуатационных характеристик гидротехнических сооружений, возведенных с использованием эффективных мелкозернистых бетонов (МЗБ), необходима оптимизация составов таких бетонов и технологии их приготовления, а также использование комплексных органоми-неральных модифицирующих добавок [1].
Цель работы — получение мелкозернистого бетона, предназначенного для строительства речных гидротехнических сооружений и обладающего необходимой прочностью, водонепроницаемостью и морозостойкостью за счет уплотнения его структуры путем использования комплексной органомине-ральной добавки, состоящей из суперпластификатора «Химком Ф-1», метакао-лина и гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости «СОФЭКСИЛ». Все составные компоненты разработанной органоминеральной добавки — отечественного производства.
Для снижения водопотребности мелкозернистой цементно-песчаной бетонной смеси при сохранении требуемой ее подвижности (РК = 150...160 мм) целесообразно использовать суперпластификатор [2—6]. В качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластификатор «Химком Ф-1» в виде 30%-го водного раствора. Суперпластификатор «Химком Ф-1» представля-
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
ет собой сульфированный продукт альдольной конденсации формальдегида. Концентрация суперпластификатора варьировала в пределах от 0,6 до 1,5 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Выбор «Химком Ф-1» в качестве суперпластификатора обусловлен тем, что на основании обзора результатов экспериментальных исследований его влияния на технологические свойства бетонных смесей и эксплуатационные показатели бетонов на их основе, опубликованных в научно-технической литературе, был сделан вывод, что применение этой пластифицирующей добавки позволит получить прочный и долговечный мелкозернистый бетон, обладающий высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью, из высокоподвижной бетонной смеси, характеризующейся высокой однородностью, нерасслаи-ваемостью и необходимой сохраняемостью подвижности, а также практически не требующей виброуплотнения (рис. 1).
Пластифицирующую добавку «Химком Ф-1» следует вводить в бетонную смесь вместе с водой затворения при обеспечении достаточного времени перемешивания после введения добавки. Причем оптимальную дозировку суперпластификатора «Хим-ком Ф-1» для конкретного бетона следует определить опытным путем.
По сравнению с современными суперпластификаторами отечественного производства «Полипласт СП-1», «ЦемАктив СУ-1» и «Лина-микс СП 180-2» «Химком Ф-1» придает бетону большую динамику набора прочности как при твердении в нормальных условиях, так и в случае проведения ТВО (рис. 2—4), а также обеспечивает большую сохраняемость подвижности бетонной смеси. При этом требуется более низкая его дозировка.
В25
Рис. (П4)
1. Сохраняемость бетонной смеси с применением цемента ПЦ 400 Д5
(LAFARGE CEMENT) в количестве 370 кг/м3
Ра
ем
Рис. 2. Сравнительная динамика набо-прочности бетона В25 (П4) с применени-цемента ПЦ 400 Д5 (LAFARGE CEMENT),
370 кг/м3
Суперпластификатор «Химком Ф-1» по сравнению с пластификаторами на основе лигносульфонатов или нафталина, например С-3, не обладает резким, неприятным запахом, не подвержен расслоению и выпадению в осадок и, кроме того, может храниться при отрицательных температурах до -12 °С. «Химком Ф-1» не вызывает коррозию стальной арматуры в бетоне и не снижает пассивирующего действия бетона по отношению к ней. Он пожаровзрыво-безопасен и по ГОСТ 12.1.002 относится к 3 классу опасности (умеренно опас-
ное вещество с ПДК в воздухе рабочей зоны 2 мг/м3 и в атмосфере населенных пунктов 0,5 мг/м3). Затвердевший бетон с добавкой пластификатора вредных веществ в воздушную среду не выделяет.
В результате проведенной экспериментальной работы было установлено,
■ Ц&мДктиеСУ-1 (0,7%)
Химком Ф-1|0,4%)
/, сут
Рис. 3. Сравнительная динамика набора прочности бетона. Цемент Воскресенский ПЦ400Д20Б, 320 кг/м3, В/Ц = 0,55, ОК = 22 см
■ ЛинамиксСП 180-2 I0.7K)
Химком Ф-1 (0,3*)
3 1 28 сут
Рис. 4. Сравнительная динамика набора прочности бетона. Класс бетона В40 (П4). Цемент Новороссийский ПЦ500Д0Н, 390 кг/м3
что наибольшая прочность мелкозернистого бетона на сжатие (55,4 МПа) и на растяжение при изгибе (8,8 МПа) в возрасте 28 сут нормального твердения, а также его высокая водонепроницаемость (W20) достигаются при использовании суперпластификатора «Химком Ф-1» в количестве 1,2 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество (табл. 1).
Табл. 1. Физико-механические показатели бетона, пластифицированного «Химком Ф-1»
Состав, показатели № состава
I II III IV
Цемент, кг 550 550 550 550
Песок,кг 1500 1500 1500 1500
Химком Ф-1 (30% раствор), кг 11 (0,6%) 16 (0,9%) 22 (1,2%) 28 (1,5%)
Вода, кг 180 156 150 144
Подвижность по расплыву конуса, мм 160 115 150 159
Я 28, МПа 5,13 7,5 8,8 8,3
Я 28, МПа 26,4 46,2 55,4 53,2
Водонепроницаемость: сопротивление бетона 355,0 157,9
прониканию воздуха, с/см3 Марка W20 W20
Примечание. В скобках указана концентрация «Химком Ф-1» в % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Для сокращения расхода цемента, а также уплотнения структуры бетона в качестве тонкодисперсной минеральной добавки в бетонную смесь вводят метакаолин. Его количество не должно превышать 15 % от массы цемента, так как он содержит активный диоксид кремния и оксид алюминия примерно в
одинаковой пропорции и по этой причине сильнее, чем микрокремнезем, связывает свободный гидроксид кальция. Это приводит к снижению щелочности среды в бетоне и может вызвать коррозию стальной арматуры [7—9]. Кроме того, введение метакаолина, как и любого другого тонкомолотого наполнителя, в большем количестве повышает водопотребность бетонной смеси из-за его мелкодисперсности и большой величины удельной поверхности [10], достигающей 15 м2/г и выше.
В результате экспериментов было установлено, что при введении в пластифицированную мелкозернистую бетонную смесь высокоактивного метака-олина с S = 15 м2/г в количестве до 15 % от массы цемента с одновременным сокращением доли песка наблюдался небольшой рост прочности бетона в возрасте 28 сут нормального твердения при испытании на растяжение при изгибе с 8,8 до 9,8 МПа с одновременным незначительным повышением его прочности на сжатие с 55,4 до 56,7 МПа. По полученным экспериментальным данным водонепроницаемость мелкозернистого бетона в результате введения в его состав метакаолина изменилась несущественно и осталась на уровне, соответствующем марке по водонепроницаемости W20 (табл. 2).
Табл. 2. Определение оптимального содержания метакаолина по прочности и водонепроницаемости пластифицированного мелкозернистого бетона
Состав, показатели № состава
I (контрольный) II III IV
Цемент, кг 550 550 550 550
Песок, кг 1500 1472 1445 1417,5
Химком Ф-1 (30 раствор), кг 22 (1,2 %) 22 (1,2 %) 22 (1,2 %) 22 (1,2 %)
Вода, кг 150 150 150 150
Метакаолин, кг — 27,5 55 82,5
Водонепроницаемость: сопротивление бетона прониканию воздуха, с/см3 Марка 355,0 W20 325,5 W20 318,4 W20 324,8 W20
Я МПа 8,8 8,6 9,0 9,8
Я 28, МПа 55,4 55,2 56,2 56,7
С целью повышения водонепроницаемости и морозостойкости гидротехнического мелкозернистого бетона в бетонную смесь вводились гидрофоби-зирующие кремнийорганические жидкости [10]: «Софэксил-40», представляющая собой 50%-й водный концентрат метилсиликоната калия, и «Софэксил 60-80» в виде 60%-й водной силан-силоксановой эмульсии.
Экспериментально установлено, что введение в пластифицированную мелкозернистую бетонную смесь «Софэксил-40» в количестве 0,2 % от массы цемента эффективнее повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона, чем добавка 1,5 % «Софэксил 60-80» (табл. 3). Указанные дозировки ги-дрофобизаторов для бетонов рекомендованы их производителем в результате проведенных экспериментальных исследований. При использовании 0,2%-го «Софэксил-40» фактическая морозостойкость бетона увеличилась с 492 до 653 циклов испытаний, что соответствует повышению его марки по морозостой-
кости с F400 до F600. Кроме того, применение «Софэксил-40» по сравнению с «Софэксил 60-80» способствует повышению прочности мелкозернистого бетона на сжатие (соответственно, 57,5 и 51,4 МПа в то время, как у негидрофоби-зированного бетона — 55,4 МПа (табл. 3).
Табл. 3. Определение прочности, морозостойкости и водонепроницаемости пластифицированного мелкозернистого бетона, гидрофобизированного кремнийоргани-ческими жидкостями
Состав, показатели № состава
I (Контрольный) II III IV
Цемент, кг 550 550 550 550
Песок, кг 1500 1417,5 1500 1500
Химком Ф-1 (30% раствор), кг 22 (1,2%) 22 (1,2%) 22 (1,2%) 22 (1,2%)
Вода, кг 150 150 150 150
Метакаолин, кг — 82,5 (15%) — —
Софэксил 40, кг — — 1,1 (0,2%) —
Софэксил 60-80, кг — — — 8,25 (1,5%)
Я ж28, МПа 55,4 56,2 57,5 51,4
Фактическая морозостойкость, циклы испытаний 492 446 653 379
Марка по морозостойкости F400 F400 F600 F300
Водонепроницаемость: сопротивление бетона прониканию воздуха, с/см3 Марка 355,0 W20 324,8 W20 338,5 W20 296,7 W20
Примечание. В скобках указана концентрация добавок, % от массы цемента.
Вывод. В результате исследований было установлено, введение в состав бетонной смеси разработанной комплексной органоминеральной добавки, состоящей из суперпластификатора «Химком Ф-1» (в количестве 1,2 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество), обладающего сильным пластифицирующим и водоредуцирующим действием, метакаолина (15 % от массы цемента) в качестве тонкодисперсного минерального уплотняющего компонента и гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости «Софэксил-40» (0,2 % от массы цемента) позволяет получить мелкозернистый бетон для строительства речных гидротехнических сооружений, обладающий высокой прочностью (Ясж28 = 57,5 МПа), водонепроницаемостью ^20) и морозостойкостью ^600). При этом, оптимальное соотношение сырьевых компонентов, кг, в 1 м3
мелкозернистой бетонной смеси составляет:
цемент — 550;
песок — 1417,5;
вода — 150;
«Химком Ф-1» (в пересчете на сухое вещество) — 6,6;
Метакаолин — 82,5;
«Софэксил-40» — 1,1.
Библиографический список
1. Алексашин С.В., Булгаков Б.И. Получение мелкозернистых бетонов с высокими эксплуатационными показателями // Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры. М. : КЮГ, 2012. С. 12—13.
2. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Чудакова О.А. Модифицирование мелкозернистого бетона микро- и наноразмерными частицами шунгита и диоксида титана // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. № 2. С. 67—70.
3. Falikman V.R. New high performance polycarboxilate superplasticizers based on derivative copolymers of maleinic acid // 6th International Congress "GLOBAL CONSTRUCTION" Advances in Admixture Technology. Dundee, 2005, pp. 41—46.
4. Лукутцова Н.П. Наномодифицирующие добавки в бетон // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 101—104.
5. Баженов Ю.М., Лукутцова Н.П., Матвеева Е.Г. Исследование наномодифици-рованного мелкозернистого бетона // Вестник МГСУ 2010. № 4. Т. 2. С. 415—418.
6. Shah S.P., Ahmad S.H. High performance concrete: Properties and applications // McGraw-Hill, Inc. 1994. 403 p.
7. Рамачандран В.С. Добавки в бетон : справочное пособие. М. : Стройиздат, 1988. 291 с.
8. Commission 42-CEA. Properties set concrete at early ages state of-the-art-report // Materiaux et Constractions. 1981, vol. 14, № 84. p. 15.
9. Fennis S.A.A.M., Walraven J.C. Design of ecological concrete by particle packing optimization // Delft Technical University. 2010. pp. 115—144.
10. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М. : Технопро-ект, 1998. 560 с.
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Алексашин Сергей Владимирович — аспирант кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, alexx1988@list.ru;
Булгаков Борис Игоревич — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495) 287-49-14 вн. 31-01, fakultetst@mail.ru.
Для цитирования: Алексашин С.В., Булгаков Б.И. Мелкозернистый бетон для гидротехнического строительства, модифицированный комплексной органоминераль-ной добавкой // Вестник МГСУ. 2013. № 8. С. 97—103.
S.V. Aleksashin, B.I. Bulgakov
FINE CONCRETE FOR HYDRAULIC ENGINEERING MODIFIED BY A MULTI-COMPONENT ADDITIVE
This article covers the design of an advanced multi-component additive and the study of its influence produced on the properties of fine-grained concrete. The authors also provide data on the earlier studies of the effect produced by domestic superplasticizers on the plasticity of fine-grained concrete mixtures and the curing behaviour of plasticized fine concretes. Russian-made superplasticizer Khimkom F1 was used to retain the plasticity of the fine concrete under consideration. Khimkom F1 produces a better effect on concrete curing than Polyplast SP-1, Cemactive SU-1, and Linomix SP
180-2. Superplasticizer Khimkom F1, as opposed to plasticizers based on lingo-sulfonate or naphthalene, for example S-3, has no bad odour; it is non-corrosive if applied to steel reinforcement inside concrete. The research has proved that the optimal amount of Khimkom F1 is 1.2% of the total amount of the binder.
Metakaolin fume was used to improve the microstructure of the concrete, including its strength, water- and frost-resistance. Improvement of the above properties was proved in the course of the experiment. Its optimal content equals to 15% of the total amount of the binder. The study of the two domestically made water repellents (Sofexil 40 and Sofexil 60-80) was conducted to identify and to compare their water and frost resistance. Experimental findings have proven that Sofexil 40 produces higher influence on the properties of the fine concrete, used for hydraulic engineering purposes, than Sofexil 60-80. The optimal content of the water repellent is 0.2% of the binder content. Sofexil 40 must be dissolved in the water in advance. Finally, the authors provide their experimental findings in terms of the optimal composition of the fine hydraulic concrete having pre-set properties.
Key words: hydraulic engineering concrete, multi-component additive, frost resistance, water resistance, water repellency, high-reactivity metakaolin fume, structural improvement, durability.
References
1. Aleksashin S.V., Bulgakov B.I. Poluchenie melkozernistykh betonov s vysokimi ekspluatatsionnymi pokazatelyami [Production of Fine-grained High Performance Concrete]. Sbornik nauchnykh trudov Instituta stroitel'stva i arkhitektury [Collection of Research Papers of the Institute of Construction and Architecture]. Moscow, KYuG Publ., 2012, pp. 12—13.
2. Lukuttsova N.P., Pykin A.A., Chudakova O.A. Modifitsirovanie melkozernistogo betona mikro- i nanorazmernymi chastitsami shungita i dioksida titana [Modification of Fine-grained Concrete by Micro Particles of Schungite and Titanium Dioxide]. VestnikBGTUim. V.G. Shukhova [News Bulletin of Belgorod Shukhov State Technical University]. 2010, no. 2, pp. 67—70.
3. Falikman V.R. New High Performance Polycarboxilate Superplasticizers Based on Derivative Copolymers of Maleinic Acid. 6th International Congress "GLOBAL CONSTRUCTION" Advances in Admixture Technology. Dundee, 2005, pp. 41—46.
4. Lukuttsova N.P. Nanomodifitsiruyushchie dobavki v beton [Nano-modifying Additives for Concrete]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 9, pp. 101—104.
5. Bazhenov Yu.M., Lukuttsova N.P., Matveeva E.G. Issledovanie nanomodifitsirovannogo melkozernistogo betona [Research into Nano-modified Fine Concrete]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, vol. 2, no. 4, pp. 415—418.
6. Shah S.P., Ahmad S.H. High Performance Concrete: Properties and Applications. McGraw-Hill, Inc., 1994, 403 p.
7. Ramachandran V.S. Dobavki v beton: spravochnoe posobie [Additives for Concrete: Reference Book]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 291 p.
8. Commission 42-CEA. Properties Set Concrete at Early Ages. State-of-the-art-report. Materiaux et Constructions. 1981, vol. 14, no. 4, p. 15.
9. Fennis S.A.A.M., Walraven J.C. Design of Ecological Concrete by Particle Packing Optimization. Delft, Delft University of Technology, 2010, pp. 115—144.
10. Batrakov V.G. Modifitsirovannye betony. Teoriya i praktika [Modified Concretes. Theory and Practice.] Moscow, Tehnoproekt Publ., 1998, 560 p.
About the authors: Aleksashin Sergey Vladimirovich — postgraduate student, Department of Technology of Binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; alexx1988@mail.ru;
Bulgakov Boris Igorevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor, Department of Technology of Binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; fakultetst@mail.ru; +7(495)287-49-14, ext. 31-01.
For citation:AleksashinS.V.,BulgakovB.I.Melkozernistyybetondlyagidrotekhnicheskogo stroitel'stva, modifitsirovannyy kompleksnoy organomineral'noy dobavkoy [Fine Concrete for Hydraulic Engineering Modified by a Multi-component Additive]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering] 2013, no. 8, pp. 97—103.
