CC BY
263
композиционное вяжущее для мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов
А.К. ДЯТЛОВ, А.И. ХАРЧЕНКО, М.И. БАЖЕНОВ, аспиранты; И.Я. ХАРЧЕНКО, доктор техн. наук, профессор, Московский государственный строительный университет
В статье освещаются результаты исследований различных свойств композиционного вяжущего и влияния минералогического состава портландцемента на эффективность различных гиперпластификаторов. Также приводится теоретическое и экспериментальное обоснование формирования микроструктуры бетонной смеси.
Известно, что технологически эффективную бетонную смесь можно получить только в том случае, если отдельные компоненты — и особенно тонкомолотые минеральные добавки — оптимально согласуются между собой по гранулометрическому составу. Введение тонкодисперсных и качественно диспергированных микронаполнителей в состав вяжущих позволяет существенно повышать прочностные характеристики и долговечность бетонов. Одним из эффективных минеральных наполнителей, существенно улучшающих качество бетонной смеси и бетона, является микросиликатная пыль, а также тонкодисперсная карбонатная мука. Введение этих наполнителей в состав бетона позволяет не только обеспечить заполнение межзерновых пустот цементной матрицы, но и существенно улучшить контактную зону между цементным камнем и заполнителем [1].
Помимо указанных микронаполнителей в современной технологии бетонов широко применяются сажа, высокодисперсные доменные шлаки, метакаолин, а также другие минеральные наполнители. Многолетний опыт применения различных тонкодисперсных минеральных наполнителей показывает, что их оптимальное использование способствует повышению прочностных характеристик и плотности структуры цементного камня и долговечности бетона в целом. Оптимальное использование микронаполнителей наряду с применением высокоэффективных гиперпластификаторов является главной предпосылкой для получения высококачественных самоуплотняющихся бетонов, широко применяемых в последнее время в отечественной и зарубежной строительной практике.
Однако до настоящего времени не было проведено системных исследований влияния микронаполнителей на плотность упаковки структуры цементного камня как трехком-понентной системы, состоящей из воды, цемента и пустот, заполняемых минеральными наполнителями, а также не было проведено комплексных исследований влияния минерального состава портландцементного клинкера на эффективность применения гиперпластификаторов для получения самоуплотняющихся бетонов.
Для получения самоуплотняющихся бетонов, как правило, используются многокомпонентные композиционные вяжущие, микроструктура которых состоит из зерен портландцементного клинкера, минеральных наполнителей с различной дисперсностью и гидравлической активностью, воды, межзерновых пустот и воздушных пор.
Рис. 1. Модель бетонной смеси [2]
В свою очередь, вода может быть представлена в 3-х видах:
• химически связанная вода, которая находится в соединениях гидратных фаз;
• физико-химически связанная или адсорбционная вода, которая находится на поверхности зерен вяжущего в виде водяной пленки и участвует в процессе гидратации;
• свободная вода, находящаяся в межзерновом пространстве.
Технологическая и конструктивная эффективность бетона может быть повышена за счет формирования максимально компактной структуры вяжущего. Введение оптимально подобранного микронаполнителя в межзерновое пространство цементных зерен обеспечивает вытеснение свободной воды, снижение В/Вж при сохранении высокой удобоукладыва-емости бетонной смеси, что повышает прочность и долговечность бетона. При применении гидравлически активных микронаполнителей происходит не только физическое заполнение межзернового пространства базового вяжущего, но и повышение прочности цементного камня в результате дополнительного образования продуктов гидратации.
- Водяная пленка
рис. 2. Заполнение межзернового пространства базового цемента микронаполнителями
Предлагаемый подход к формированию микроструктуры вяжущего и бетона позволяет получать высокоподвижные мелкозернистые (бесщебеночные) бетонные смеси как на качественном мелком заполнителе, так и на песке, грансостав которого выходит за границы, установленные ГОСТ 6139, т.е. некондиционном песке.
В последние годы в строительной практике при изготовлении бетонов нового поколения все большее применение находят высокоэффективные поликарбоксилатные суперпластификаторы, получившие коммерческое название «гиперпластификаторы», поскольку реальные возможности снижения водоцементного отношения (до 40%) и разжижения бетонной смеси у них значительно выше, чем у традиционных полиметиленнафталинсульфонатов и полиметиленмеламинсульфонатов.
Молекулы поликарбоксилатных гиперпластификаторов имеют главную цепочку с отрицательными зарядами,
ПАВ
Частный цемента
которая адсорбируется к цементной частице, и незаряженные побочные цепочки. Эти цепочки подвижны и, крутясь, заполняют пространство. Цементные частицы с такими молекулами на поверхности всегда находятся на определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает повышенную подвижность смеси [3] (рис. 3).
На основании многочисленных экспериментальных исследований было установлено влияние минерального состава клинкера на реологические свойства цементных суспензий с гиперпластификаторами различного вида [5]. При этом было установлено определяющее влияние С3А на эффективность применения гиперпластификатора. В этой связи нами были проведены исследования свойств цементного теста при различном содержании С3А в составе цемента. По содержанию С3А исследовались цементы трех видов:
• низкоалюминатный, с содержанием С3А<3%,
• среднеалюминатный, с содержанием 3%<С3А<5%,
• высокоалюминатный, с содержанием С3А>5%
В основу исследований легло определение подвижности цементного теста с различным содержанием алюминатов.
ДКСЛф! иринликии ЧЙСПШН
В начальный период: После начала гидратации цементных частиц
рис. 3. схематичное изображение процесса диспергирования поликарбоксилатными эфирами [3]
рис. 4. Влияние содержания с3А в составе клинкера на эффективность гиперпластификатора
На рис. 4 отчетливо видно, что с увеличением трехкаль-циевого алюмината в составе цемента эффективность гиперпластификаторов снижается. Однако в случае высоких дозировок гиперпластификатора влияние С3А на консистенцию цементного теста становится незначительным. В результате проведенных исследований установлено, что наибольшей эффективностью обладает гиперпластификатор Sika Visko Crete — 225, который использовался в дальнейших испытаниях.
Для обеспечения плотной структуры и необходимых свойств бетонной смеси были использованы микронаполнители с различной дисперсностью и минеральным составом.
В качестве гидравлически активного микронаполнителя использовались различные марки особо тонкодисперсного вяжущего (ОТДВ), имеющего торговую марку «Микродур». ОТДВ «Микродур» — это минеральное гидравлическое вяжущее с особо тонким, постоянным и плавно изменяющимся
Члстнчтю г цлратнршшш № iCjUia исмсшя
гранулометрическим, а также определенным и стабильным химико-минералогическим составом. ОТДВ «Микродур» в общем состоит из обычного цементного сырья, как, например, портландцементный клинкер, доменный шлак, регуляторы твердения и минеральные добавки. Таким образом, ОТДВ «Микродур» является минеральным продуктом, имеющим достаточно высокую гидравлическую активность.
По гранулометрическому составу ОТДВ «Микродур» подразделяется на 3 основные марки, ограничивающие максимальный размер зерен, не превышающих весовой процент d95: X - d95<6 мм и - d95<9,5 мм F - d95<6 мм
Некоторые параметры, характеризующие различные марки ОТДВ «Микродур» по гранулометрическому и минеральному составу, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Мнкронйпопн ktcdb, %
рис. 5. Влияние расхода микронаполнителя на водопотребность композиционного вяжущего
Весовой процент d95 Удельная поверхность, см2 /гр Марки ОТДВ «Микродур»
d95<6 мм 22000 R-X R-X/E plus
d95<9,5 мм 16000 R-U R-U/E plus
d95<16 мм 12000 R-F R-F/E plus
Основополагающим свойством ОТДВ «Микродур» является особо тонкодисперсный, стабильный и плавный гранулометрический состав, контролируемый по весовому проценту d95 и d50.
Качественные характеристики различных марок ОТДВ «Микродур» представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатель Паспортные характеристики ОТДВ «Микродур» по различным маркам (DIN EN 196)
R-X\R-X/E plus R-U/ R-U/E plus R-F/ R-F/E plus
Плотность «2,9 г/см3 «2,9 г/см3 «2,9 г/см3
Удельная поверхность «22000см2/г «16000 см2/г «12000 см2/г
Водовяжущее отношение «0,50 «0,50 «0,50
Сроки схватывания: начало конец - 140 мин. - «210 мин. «160 мин. «230 мин. «175 мин. «240 мин.
Прочность на сжатие: 1 сут. 2 сут. 7 сут 28 сут. 25 МПа/20 МПа 45 МПа/40 МПа 60 МПа/55 МПа 70 МПа/60 МПа 10 МПа/10 МПа 35 МПа/30 МПа 60 МПа/45 МПа 70 МПа/55 МПа 5 МПа/5 МПа 15 МПа/15 МПа 45 МПа/40 МПа 65 МПа/50 МПа
Гранулометрический состав <2 мм <4 мм <6 мм <8 мм <9,5 мм <16 мм d50 «45% «80% «97% <2,5 мм «25% «55% «90% «95% <3,5 мм «15% «45% «75% «80% «95% <5,0 мм
рис. 6. Влияние дисперсности микронаполнителя на кинетику затвердевания композиционных вяжущих
В исследованиях в качестве микронаполнителя применялся «Микродур» на основе доменных шлаков наряду с портландцементным клинкером, который обладает повышенной стойкостью к сульфатной коррозии и применяется для закрепляющей инъекции конструкций фундаментов, гидротехнических и подземных сооружений.
Тип «R/E plus» — это «Микродур» на шлаковой основе, который обладает повышенным сроком стабильности размеров частиц при затворении водой и повышенным сроком схватывания.
При введении микронаполнителей в состав цемента за счет замещения свободной воды в межзерновом пространстве наблюдается снижение водопотребности (рис. 5).
На рис. 5 наблюдается снижение во-допотребности в зависимости от марки микронаполнителя и его содержания в составе вяжущего. В зависимости от крупности частиц микронаполнителя его количество в составе вяжущего варьируется от 6 до 16%, где 6% с самым крупным R-F (d95<16 мм), 16% — с самым мелким R-Х (d95<6 мм).
Однако добавление в состав микронаполнителя до 30% соответствующего по
НАС ВСЕ ПОКУПАЮТ!
БЕЛЫЙ Proficem ЦЕМЕНТ
(863) 267-95-21 www.roshimprom.ru
крупности наполнителя (известковой муки) еще немного снижает пиковую водопотребность вяжущего, что отражают составы R-X/E plus, R-U/E plus, R-F/E plus.
Прочности соответствующих образцов в 28-суточном возрасте варьируются в пределах от 88 до 101 МПа при марке исходного цемента М500.
На рис. 6 наблюдается интенсивный рост прочности на начальной стадии твердения. Композиционные вяжущие с микронаполнителем имеют прочность в 28-суточном возрасте до 25% выше, чем прочность базового портландцемента. При этом наибольшую прочность имеет композиционное вяжущее с микронаполнителем R-Х (d95<6 цм), обладающим максимальной гидравлической активностью по сравнению с другими видами микронаполнителей.
Выводы:
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что применение гидравлически активного микронаполнителя со специально подобранным гранулометрическим и минеральным составом позволяет снижать водопотребность композиционного вяжущего при одновременном улучшении его прочностных и реологических характеристик.
Предложенный способ получения композиционных вяжущих
с улучшенными строительно-технологическими свойствами
может найти эффективное применение в технологии самоуплотняющихся и высокопрочных бетонов.
Библиографический список
1. Астафьев Я.В. Технология получения и основные свойства бетонов из самоуплотняющихся смесей на основе напрягающего цемента: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Брест, 2006. - 23 с.
2. Баженов ЮМ., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны /Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 368 с.
3. Баженов ЮМ. Технология бетона / Учебник. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. - 528 с.
4. Захаров С.А. Оптимизация составов бетонов высокоэффективными поликарбоксилатными пластификаторами // Строительные материалы, 2008, № 3, с. 42-44.
5. Несветаев Г.В. О методологии оценки эффективности добавок для самоуплотняющихся бетонов //Дни современного бетона: Материалы XМежд. научн.-практ. конф. 28-30мая. Запорожье, 2008, с. 111-118.
6. Несветаев Г.В. Технология самоуплотняющихся бетонов// Строительные материалы, 2008, № 3, с. 24-28.
7. Несветаев Г.В. Эффективность применения суперпластификаторов в бетонах// Строительные материалы, № 10, 2006, с. 23-25.
8. Mori T., Higuchi T., Dr. Morioka M., and Dr. Hori A. Effects of Amorphous Calcium Aluminate/Anhydrite Addition on the Hydration Reaction of Ordinary Portland Cement//Internationale Baustofftagung Ibausil, 2003. 1,42.
9. http://www.softelastic.ru/helps/stroymost7
