CC BY
56УДК 691.32
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, О.В. СУЗДАЛЬЦЕВ, инженер,
М.Н. МОРОЗ, канд. техн. наук ([email protected]), В.В. ПАУСК, инженер
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28)
Морозостойкость окрашенных архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов*
Представлены результаты оценки морозостойкости самоуплотняющегося сверхвысокопрочного цветного порошково-активированного карбонатного мелкозернистого бетона прочностью 140-150 МПа, изготовленного без микрокремнезема. Показательно, что в высокопрочном карбонатном бетоне дисперсный наполнитель, тонкозернистый наполнитель и песок-заполнитель получены из отсева камнедробления известняка и при испытании на морозостойкость он выдержал 1000 циклов попеременного замораживания-оттаивания практически без потери массы и с уменьшением прочности на 2%.
Ключевые слова: сверхвысокопрочные бетоны, самоуплотняющийся бетон, архитектурно-декоративный бетон, отделочные материалы, долговечность.
V.I. KALASHNIKOV, Doctor of Sciences (Engineering), O.V. SUZDALTSEV, Engineer,
M.N. MOROZ, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), V.V. PAUSK, Engineer
Penza State University of Architecture and Civil Engineering (28, G. Titova Street, Penza, 440028, Russian Federation)
Frost Resistance of Coloured Architectural-Decorative Powder-Activated Sand Concretes*
Results of the assessment of frost resistance of self-compacting, colour, ultra-high-strength, powder-activated, carbonate fine concrete of 140-150 MPa strength produced without microsilica are presented. It is significant that the lime disperse filler, fine lime sand, and lime sand-filler, which are contained in the high-strength carbonate concrete, are produced from the waste of limestone crushing and in the course of testing for frost resistance the concrete withstands one thousand cycles of alternating freezing-thawing practically without weight loss and with the decrease in strength by 2%.
Keywords: ultra-high-strength concretes, self-compacting concretes, architectural-decorative concrete, finishing materials, durability.
Самоуплотняющийся архитектурно-декоративный бетон является новейшим отделочным материалом. Он вытесняет отделочную керамику в связи с возможностью изготовления большеразмерных декоративных изделий не только плоской, но и разнообразной, изогнутой формы с плавным сопряжением поверхностей. Такой бетон наилучшим образом интегрируется в органичную архитектуру, великолепно вписывается в любой дизайн, включая экстравагантный футуристический, если бетон армируется металлической [1] или неметаллической фиброй. Необходимые реологические свойства бетонной смеси изменяются широким ассортиментом продукции строительной химии.
Из декоративных бетонов, в том числе высокопрочных конструкционных, создаются новые архитектурные контексты в зданиях и сооружениях и в их ансамблях с высокохудожественным оформлением и неповторимым своеобразием. Выпуклости и углубления, распускающиеся цветы на гладкой бесшовной поверхности с игрой света и тени на отделочных элементах сложных форм, отделанных с учетом символики разных стран, национальных мотивов с соответствующим идейным смыслом с филигранными прозрачными рисунками, придающими ощущение легкости огромным зданиям, определяют строительство из декоративного бетона как искусство [2].
Для большинства регионов России необходимы высокоморозостойкие архитектурно-отделочные бетоны. Именно это свойство в архитектурно-декоративных бетонах, как правило, определяет срок их эксплуатации без потери прочностных и эстетических качеств. Под влиянием воздействий окружающей среды архитектурно-декоративные бетоны подвергаются увлажнению и высушиванию, замораживанию-оттаиванию в зависимо-
сти от условий эксплуатации. По теории разрушения пористых материалов от мороза [3], вода в порах бетона при отрицательной температуре кристаллизуется с увеличением объема. Лед создает высокие растягивающие напряжения на стенках пор, что приводит к разрушению материала. Помимо кристаллизационного давления льда, существует теория гидравлического давления воды на стенки пор от увеличения объема льда вследствие выдавливания влаги льдом от поверхности с более низкой температурой внутрь материала с более высокой. Таким образом, величина создаваемых напряжений и, как следствие, морозостойкость бетона зависят от пористой структуры материала. Принято считать, что с увеличением относительного объема резервных пор в объеме бетона, т. е. с увеличением его условно-замкнутой пористости, морозостойкость повышается. Поэтому для достижения высокой морозостойкости в бетонные смеси необходимо вводить воздухововлекающие добавки с целью получения резервных сферических пор. Так, для повышения морозостойкости дорожных бетонов стандарты ряда стран регламентируют содержание вовлеченного воздуха не менее 5% от объема бетона.
Как правило, для бетонов старого поколения марка по морозостойкости не превышает F300—400, что является вполне достаточным для высокой долговечности бетонов. Для архитектурно-декоративных окрашенных бетонов период эксплуатации до исчезновения декоративной выразительности поверхностей значительно сокращается.
В работе ставилась задача существенного повышения морозостойкости без использования воздуховов-лекающих добавок цветных песчаных бетонов нового поколения на основе отходов камнедробления горных
* Работа выполнена при поддержке Стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013—2015 годы (СП-4621.2013.1).
* The work is executed under support of the RF President's Grants for young scientists and post-graduates carrying out prospective scientific research and developments in priority directions of modernization of the Russian economy for 2013-2015 (SP-4621.2013.1).
16
март 2015
iA ®
пород. Обзор отечественных и зарубежных источников литературы не позволил выявить результаты исследований прочности и морозостойкости самоуплотняющихся архитектурно-декоративных порошково-акти-вированных песчаных сверхвысокопрочных бетонов, в том числе окрашенных. Исходя из теоретических представлений, разработанных на кафедре «ТСМиД» ПГУА С, саморастекаемость, самонивелируемость и самоуплот-няемость бетонных смесей определяются содержанием в бетонной смеси высококонцентрированной агрегатив-но-устойчивой водно-дисперсной суспензии. Суспензионными бетонами, состоящими из водно-дисперсной суспензии с дискретными включениями тонкого песка, являются достаточно известные порошковые и реакционно-порошковые бетоны. Все другие песчаные и щебеночные бетоны должны содержать высокое объемное количество водно-дисперсной суспензионной составляющей. В самоуплотняющихся песчаных бетонах содержание водно-дисперсной суспензии доходит до 40—60%. Объем водно-дисперсной суспензии Увд состоит из абсолютного объема дисперсии цемента, каменной муки, высокодисперсного пигмента и воды. Объем водно-дисперсно-тонкозернистой суспензии Квдт слагается из объема водно-дисперсной суспензии и абсолютного объема тонкозернистой породы (Пт). Объем воды на эти суспензии условно равен объему воды затворения бетонной смеси. Объемные концентрации этих суспензий Свд и Свдт в бетонной смеси равны отношению объемов этих суспензий к объему бетонной смеси. Кроме этих определяющих реологию бетонных смесей характеристик вычислялись условные реологические матрицы первого рода — превышение объема водно-дисперсной суспензии над абсолютным объемом тонкозернистой породы Ипт и условная реологическая матрица второго рода Ищ^ — превышение объема водно-дисперсно-тонкозернистой суспензии над объемом песка-заполнителя (дробленого горного песка):
ИпДт
И£ =
= (^вд/Пт) = (гц+ VnM+ Vn+ VB)/ VT; (^вдт/Пз) = (¥ц+ ¥ш+ Vn+ Vb+ Кт)/Кз.
Для проведения эксперимента была изготовлена серия образцов-кубов с размером ребра 100 мм. Состав карбонатного бетона представлен белым цементом (Ц), известняковым дисперсным наполнителем (Пм), тон-
2480 2475 2470 2465 2460 2455 2450 2445
0
1000
200 400 600 800 Циклы замораживания-оттаивания
Рис. 1. Изменение массы образца в зависимости от увеличения количества циклов замораживания-оттаивания
ким известняковым песком фракции 0,16—0,63 мм (Пт), известняковым песком-заполнителем фракции 0,63— 2,5 мм (Пз) и пигментом (П). Все компоненты получены из отходов камнедробления плотного известняка фракции 0—5 мм. Дробимость известняка составляла Д1000. Для окрашивания бетона использовался железноокис-ный пигмент. Бетонная смесь была самоуплотняющейся с осадкой конуса 28 см; объемное содержание водно-дисперсной суспензии (Свд) составляло 56%; содержание водно-дисперсно-тонкозернистой (Свдт) — 82% (при условном распределении всей воды затворения на каждую суспензию); содержание дробленого известнякового песка-заполнителя всего 18%. Объемная концентрация твердой фазы в объеме бетонной смеси С™ равна 80,2%. Все значения объемных содержаний компонентов и условных реологических матриц бетонов принимали в соответствии с ранее разработанными рецептурами и новыми представлениями о порошково-активи-рованных бетонах с повышенным содержанием суспензионных составляющих [4].
Состав, свойства бетонной смеси и прочностные показатели бетонов представлены в таблице. Из представленных значений следует, что основной всеобъемлющий технический, экономический и экологический критерий — удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии (Ц]£) является низким для цементо-емких песчаных высокопрочных бетонов. Обратный
Наименование компонентов На 1 м3, кг Объем на 1 м3, л В/Ц, В/Т р, кг/м3 Пм ц Пт Ц Пз Ц Прочность МПа Ясж/Яизг через, сут
1 1 7 28
ПАПБ-23
Цемент белый Египетский СЕМ 52,5 730 235,4 0,267 рвл 1 сут 2454 0,41 0,96 0,64 Rсж=88 Ru3=12 Rсж=124 Ru3=14,6 Rсж=144 Ru3= 19,7
Пигмент красный (П), 5% от Ц 36 6,9 ^ = 2,01
ГП МеШих 558^ 1% от Ц 7 5,4
Известняк молотый (Пм) вуд=3700 см2/г 300 111,1 0,087 ртеор 2470 Куп Увл = 553,8 л вд ' СвД = 56,1% Увдт = 813 л Свдт = 82,3% = 80,2% = 2,12 И^ = 4,65 4rc = 5 кг/МПа; R™ = 0,2 МПа/кг Ц^и = 36,5 кг/МПа Дсж^и = 7,3
Песок тонкий известняк (Пт), фр. 0,16-0,63 мм 700 259,2
Песок крупный известняк (Пз), фр. 0,63-2,5 мм 470 174 0,993
Осадка конуса 28 см
ЕМсух ЕКсух Вода 2243 195 792 195
Мб.с 2438 -
Уб.с - 987
Ы ®
март 2015
17
ему показатель К™ достаточно высокий. Удельный расход цемента на единицу прочности при изгибе Ц]^ в два раза меньше, чем у щебеночного бетона класса В40.
Определение морозостойкости проводили согласно ГОСТ 10060—2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» по третьей ускоренной методике при насыщении образцов 5% водным раствором хлорида натрия. Испытания осуществляли в независимой лаборатории производственного предприятия ООО «Пензенское управление строительства» в морозильной камере отечественного производства типа КТХ-14 при температуре -50оС по режиму: 8 ч замораживания, 16 ч оттаивания.
На рис. 1 представлена кинетика изменения массы образца через 200 циклов замораживания-оттаивания, до 1000 циклов включительно.
Анализируя диаграмму, можно говорить о том, что в отличие от потери массы бетонов старого и переходного поколений при испытании на морозостойкость у бетонов нового поколения наблюдается прирост массы после 1000 циклов, равный 0,81% от массы образцов, насыщенных солевым раствором перед началом испытания. Такой прирост массы свидетельствует об отсутствии деструктивных процессов, выраженных отшелушиванием бетона в поверхности и в угловых сопряжениях образцов бетона. Это подтверждается визуальной оценкой образцов-кубов до испытания и после 1000 циклов замораживания-оттаивания (рис. 2), что связано с чрезвычайно низким водопоглощениием (0,8% через 3 сут).
Деструктивные процессы, связанные с разрушением образца от мороза, не проявляются, а оттаивание в течение последующих 16 ч после циклов замораживания создает резерв прочности за счет протекающей гидратации цемента. Судя по кинетике изменения массы образцов, можно предположить, что прирост массы после 1000 циклов испытания обусловлен длительным массопоглоще-нием и стабилизируется. Возможно, после 1100—1200 циклов замораживания-оттаивания начнут преобладать деструктивные процессы с потерей массы и прочностных показателей до регламентируемых ГОСТом значений.
Таким образом, результаты эксперимента показывают, что после 1000 циклов замораживания-оттаивания вопреки ожиданиям наблюдается прирост массы образцов без видимых деструктивных изменений. А это гарантирует малую потерю прочности или сохранение ее. В этой связи было необходимым доказать отсутствие существенных деструктивных процессов и изменения прочности. Нормативный предел прочности при сжатии исследуемого бетона после 28 сут твердения в нормально-влажностных условиях составлял 144 МПа, а к моменту окончания испытания на морозостойкость контрольные образцы, хранившиеся в солевом растворе, имели прочность 165 МПа. После 1000 циклов замораживания-оттаивания прочность образцов бетона уменьшилась до 162 МПа, т. е. потеря прочности составила всего 2%, что находится в пределах ошибки опыта. Это подтверждает высказанную гипотезу (по результатам прироста массы образцов) о том, что конструктивные процессы структурообразования в высокоплотных, сверхвысокопрочных бетонах, бесспорно, продолжаются и в жестких условиях эксплуатации. Деструкция не проявляется по результатам изменения масс не только под воздействием расширения поглощенной воды при переходе ее в лед, но и в результате расшатывания структуры материала при знакопеременном температурном расширении-сжатии компонентов бетона с различными коэффициентами температурного расширения (третья гипотеза разрушения материала от мороза). Закономерно и то, что в таком бетоне имеется достаточное количество резервных пор без использования возду-хововлекающих добавок, обязательно рекомендуемых к применению стандартами всех стран для дорожных бе-
Рис. 2. Внешний вид образцов окрашенного порошково-активиро-ванного песчаного бетона после испытания на морозостойкость: а - образец, насыщенный в солевом растворе (перед началом испытания); б - образец после 1000 циклов замораживания-оттаивания
тонов старого поколения. В бетонах это количество пор может быть небольшим, но вполне достаточным для размещения выдавливаемой в них воды в количестве 10% от всей поглощенной воды. А водопоглощение разработанных бетонов чрезвычайно малое — 0,8—1,5% от массы, т. е. в 4—6 раз меньше, чем в бетонах старого поколения. Температурных напряжений и расшатывания структуры практически быть не должно, так как использована одна и та же горная порода для получения муки, тонкого песка и песка-заполнителя. Почти все компоненты различного размерного уровня имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, за исключением цементного камня. А это дает основания утверждать, что морозостойкие бетоны являются также термостойкими, изготовленными преимущественно из одинаковых по природе компонентов. Высокая термостойкость бетонов в диапазоне температуры до 800оС доказана авторами на примере самоуплотняющегося порошково-активированного жаростойкого бетона, все компоненты которого изготовлены из шлака [5].
Кроме изучения морозостойкости архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов была изучена возможность сохранения декоративного вида поверхности путем поверхностной гидро-фобизации. Результаты исследования представлялись особенно интересными исходя из того, что ранее (в работе [6]) было показано, что ни поверхностная, ни объемная гидрофобизация существенно не влияет на морозостойкость. Но эти исследования производились на минерально-шлаковых, достаточно пористых прессованных бетонах с маркой по морозостойкости не более F400—500. Поэтому было исследовано влияние поверхностной гидрофобизации на морозостойкость высокопрочных порошково-активированных песчаных бетонов. Для этого при испытании образцов на морозостойкость часть из них была пропитана в два слоя гидрофо-бизирующим раствором «Пента-824» с уайт-спиритом в соотношении 1:1. Результаты эксперимента на протяжении испытания на морозостойкость, до 1000 циклов замораживания-оттаивания включительно, не позволили выявить разницы в показателях гидрофобизирован-ных и контрольных составов, у которых наблюдался адекватный прирост прочности и массы образцов. Несмотря на снижение водопоглощения, особенно в первые сутки экспонирования бетона в воде, поверхностная гидрофобизация не оказывает заметного влияния на повышение морозостойкости сверхвысокопрочных порошково-активированных песчаных бетонов. Но важным преимуществом поверхностно-пропиточной гидрофобизации является лучшее сохранение внешнего вида поверхности бетона. Учитывая, что гидрофобизи-рованные архитектурно-декоративные бетоны, поверхность которых не будет подвергнута воздействию солевого раствора №С1, постоянному действию отрицатель-
18
март 2015
Рис. 3. Испытание образца-куба с ребром 100 мм окрашенного порошково-активированного песчаного бетона после 1000 циклов замораживания-оттаивания при предельной нагрузке 162 т: а - начало испытания образца; б - момент пылеобразования при «взрывном» разрушении; в - образец после разрушения
ной температуры, равной -50оС, а лишь периодическому действию одностороннего косого дождя, можно с уверенностью гарантировать на долгие годы эффективность защитного покрытия гидрофобизированного слоя.
Для разработанных архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов характерны не только рекордные показатели прочности и морозостойкости, но и необычная картина разрушения образцов (рис. 3).
Отмечается, что при нагрузке 162 т на кубический образец с ребром 100 мм происходит его «взрывное» разрушение с образованием большого количества пыли и разлетающихся осколков бетона.
Это свидетельствует о высокой хрупкости бетона. Для архитектурно-декоративных бетонов сверхвысокая прочность определяет и высокую функциональность бетона: низкие усадочные деформации, высокую коррозионную стойкость и водонепроницаемость, низкую ползучесть. Усадка исследуемого бетона чрезвычайно низкая — 0,3 мм/м, водонепроницаемость более W20. Что касается высокой хрупкости бетона, которую часто оценивают по отношению прочности на сжатие Ясж к прочности на осевое растяжение или к прочности на растяжение при изгибе Ли, то Всж/Яи = 7,3. У бетона с Д.ж = 50 МПа это отношение равно 7.
Список литературы
1. Даниель Пфеффер Серафим. Использование бетона, армированного стекловолокном в конструкциях с высокими архитектурными требованиями. CPI. Международное бетонное производство. 2012. № 2. С. 130-134.
2. Цветы из бетона. Новое здание музея Форарльберга в Брегенце. CPI. Международное бетонное производство. 2013. № 5. С. 24-26.
3. Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. Л.: Стройиздат, 1983. 131 с.
4. Калашников В.И., Суздальцев О.В., Дрянин Р.Н., Сехпосян Г.П. Роль дисперсных и тонкозернистых наполнителей в бетонах нового поколения // Известия вузов. Строительство. 2014. № 7. С. 11-21.
5. Kalashnikov V., Komienko P., Gorshkova L., Gakshte-ter G., Sarsenbayeva A. Development of compositions of self-compacting fine-grained refractoty concrete. Journal of Advanced Concrete Technology. 2014. Vol. 12, pp. 299-309.
6. Мороз М.Н., Калашников В.И., Петухов А.В. Морозостойкость гидрофобизированных бетонов. Молодой ученый. 2014. № 19. С. 222-225.
7. Хозин В.Г., Хохряков О.В., Сибгатуллин И.Р., Гиззатуллин А.Р., Харченко И.Я. Карбонатные цементы низкой водопотребности — зеленая альтернатива цементной индустрии России // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 76-83.
Хрупкий характер разрушения легко устраняется стальной, минеральной и углеродной фиброй. Важно то, что при исключении из состава АДБ пигмента такой бетон может быть конструкционным (для изготовления железобетонных конструкций) без использования дефицитного и дорогостоящего микрокремнезема, т. е. без использования нанотехнологической платформы.
Аналогичные высокопрочные самоуплотняющиеся неокрашенные бетоны получены авторами при использовании в качестве всех дисперсных и зернистых компонентов из гранита, мрамора, базальта, диабаза и т. п.
В настоящее время появились карбонатные цементы низкой водопотребности, полученные совместным до-молом цемента с известняком, с использованием которых получены высокопрочные бетоны [7]. Как следует из полученных результатов, при расширении возможности использования прочных известняков на всю номенклатуру дисперсно-зернистых компонентов мелкозернистого бетона могут быть достигнуты очень высокие технические показатели.
Технология порошковой активации является наиболее перспективной и будет развиваться, как бы долго ни выпускались в России бетоны старого поколения с СП. Главное то, что все компоненты, кроме цемента, получены из огромных отходов камнедробления.
References
1. Daniel Pfeffer Seraphim. The use of glass fiber reinforced concrete in structures with high architectural requirements. SPI. Mezhdunarodnoe betonnoeproizvodstvo. 2012. No. 2, рр. 130-134. (In Russian).
2. Flowers made of concrete. The new museum building in Vorarlberg Bregenz. SPI. Mezhdunarodnoe betonnoe proizvodstvo. 2013. No. 5, рр. 24-26. (In Russian).
3. Kuntcevich O.V. Betony vysokoj morozostojkosti dlja sooruzhenij Krajnego Severa [Concrete structures for high frost resistance of the Far North]. Leningrad: Stroiizdat. 1983. 131 p.
4. Kalashnikov V.I., Suzdaltsev O.V., Dryanin R.A., Sehposyan G.P. The role of dispersed and fine-grained fillers in concrete new generation. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 2014. No. 7, рр. 11-21. (In Russian).
5. Kalashnikov V., Kornienko P., Gorshkova L., Gakshte-ter G., Sarsenbayeva A. Development of compositions of self-compacting fine-grained refractoty concrete. Journal of Advanced Concrete Technology. 2014. Vol. 12, pp. 299-309.
6. Moroz M.N., Kalashnikov V.I., Petukhov A.V. Frost resistance hydrophobized concrete. Molodoj uchenyj. 2014. No. 19, pp. 222-225.
7. Khozin V.G., Khokhryakov O.V., Sibgatullin I.R., Gizzatullin A.R., Kharchenko I.J. Carbonate Cements of Low Water-Need is a Green Alternative for Cement Industry of Russia. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 76-83. (In Russian).
Cj научно-технический и производственный журнал
® март 2015 19~
