CC BY
32СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Кузнецова Е. Ф., ст. преп., Соболев Г. М, канд. техн. наук, проф. Костромская государственная сельскохозяйственная академия
Соболев К. Г., канд. техн. наук, проф. Университет Висконсин—Милуоки, США
ПОЛУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЛИТЫХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И БЕТОНОВ НА ОСНОВЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ КАМНЕОБРАБОТКИ
l100910asf@yandex.ru
Одним из направлений повышения эффективности бетона является увеличение его подвижности, что приводит к значительному снижению затрат труда и увеличению качества изделий. Исследование возможности получения эффективных литых бетонных смесей и бетонов на местных материалах с использованием отходов камнеобработки основывается на системном подходе к изучению взаимодействия отдельных компонентов бетонной смеси.
Ключевые слова: эффективные литые бетоны, местные материалы, отходы камнеобработки, расслаивание бетонной смеси, наносилика._
В настоящее время для строительства зданий и сооружений широко применяются современные материалы, отвечающие установленным требованиям качества. В связи с чем, наиболее распространенным материалом стал монолитный бетон.
Поэтому получение эффективных литых бетонных смесей и бетонов на их основе с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами становится одним из наиболее важных направлений совершенствования технологии бетона [1].
Достигнуть данной цели можно через рациональный подбор состава бетонной смеси. Однако, в процессе проектирования следует учитывать, что высокая подвижность в большинстве случаев обеспечивается большим расходом воды, что в
В/ В -В
свою очередь может привести к расслоению бетонной смеси. Применение наносилики относительно в небольших дозировках позволяет устранять водоотделение и модифицировать структуру цементного камня.
Для оценки водоудерживающей способности цементного теста определяют критическое значение водоцементного отношения (В/ЦКР), при котором еще не наблюдается расслоение цементного теста.
Ориентировочно В/ЦКР = 1,65НГ, где НГ -нормальная густота цементного теста. Таким образом, при определении состава литой нерасслаи-ваемой бетонной смеси должно выполняться условие:
• П - Вщ • Щ
/ ЦИСТ
где Ц, В, П и Щ - расход цемента, воды, песка и щебня; ВП, Вщ - водопотребность песка и щебня.
Существует ряд рекомендаций, позволяющих исключить вероятность расслаивания бетонной смеси (использовать цементы с высокой водопо-требностью, снижать значение В/Ц путем введения добавок-пластификаторов, увеличивать долю песка в бетонной смеси) [2, 3]. Применение нано-добавок, таких как наносилика (продукт, содержащий 99 % с размерами частиц 10-100 нм, рис. 1.) является эффективным способом устране-
<
В
Ц /Цкр'
ния расслоения бетонных смесей с высокой удельной поверхностью [4-6].
В большинстве случаев при строительстве жилищно-гражданских объектов нет возможности использовать быстротвердеющие цементы или вводить большую долю пластификатора, так как это приводит к удорожанию конструкций или снижению прочностных характеристик.
Поэтому для увеличения подвижности и предотвращения расслаивания бетонной смеси широко используют местные материалы и техно-
генные отходы. Однако эти материалы не отвечают требованиям к сырью для получения бетонов.
Костромская область обладает значительными запасами глин, известняка, доломита, песчано-гравийных смесей. И в большинстве месторождений модуль крупности песка не превышает 2,02,2, то есть песок мелкий или средний с водопо-требностью (Вп) 8-12 % в отличие от крупного с Вп 6-7,5 %. Щебень, полученный из гравия, также обладает большей водоудерживающей способностью по сравнению с гранитным (5-7 % по сравнению с 1-3 % для гранитного щебня). Не следует также забывать об отсеве дробления гравия, который может быть использован в качестве замены части мелкого песка (ВОТС= 12.. .15 %).
Цементное вяжущее можно модифицировать путем введения в его состав микронаполнителей и наночастиц на основе высокодисперсных минеральных частиц, которые не только увеличивают водопотребность, но и позволяют модифицировать структуру цементного камня, а также улучшить прочностные и деформативные характеристики бетонов. В качестве микронаполнителей могут выступать отходы промышленности, в том числе и камнеобработки.
В настоящее время хорошо проработана методика применения в бетонах таких побочных продуктов промышленности как микрокремнезем, зола-унос, доменный шлак, однако использование отходов камнеобработки в бетонных смесях и использование местных материалов отражается в научных работах крайне редко.
Поэтому в научной работе было рассмотрено введение известнякового микронаполнителя, полученного при обработке известняка Солигаличе-ского месторождения (Костромская область).
Другим направлением в технологии бетона является введение метакаолина в состав бетонной смеси [7, 8]. Основными целями его введения являются повышение подвижности бетонной смеси и предотвращение ее расслоения, а также улучшением структуры бетона за счет реакции с Са(ОН)2 и образования вторичных СБН. Проведенные исследования показали, что бетонные смеси с мета-каолином по своим характеристикам не уступают бетонным смесям с добавкой микрокремнезема [7-9].
Метакаолин получается при обжиге каолини-товой глины при температуре 700 оС. Однако могут быть использованы карьерные остатки каолин содержащих пород и остатки после обогащения,
что скажется на количестве введения добавки в цемент в зависимости от доли активного вещества
[7].
Рассмотрим перспективы использования смешанного вяжущего на основе портландцемента с комплексной органо-минеральной добавкой из известнякового микронаполнителя, метакаоли-на, наносилики и суперпластификатора С-3 с получением бетонных смесей марки по осадке конуса П5.
Материалы, использовавшиеся в научной работе для получения многокомпонентного вяжущего и бетона на основе местных строительных материалов:
- Портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Н. Физико-механические свойства цемента: прочность на сжатие в возрасте 28 суток 51,5 МПа, рнас=1114 кг/м , Рист=3136 кг/м , тонкость помола 428 м /кг, нормальная густота 25,25 %. Химико-минералогический состав клинкера: С3Б - 63,04%,
- 12,59 %, СзА - 9,5%, С4ЛБ - 10,75 %.
- Известняковый микронаполнитель. Основные характеристики: рнас=1000 кг/м , рист=2675 кг/м3, удельная поверхность 546 м2/кг, водопо-требностьВп=36 %
- Песок. Основные характеристики: Рнас=1578 кг/м3, рист=2677 кг/м3, пустотность П=41,0 %, модуль крупности Мк=2, водопотреб-ностьВп=10,7 %.
- Отсев дробления гравия. Основные характеристики: рнас=1418 кг/м , рист=2768 кг/м , пу-стотность П=44,6 %, модуль крупности Мк=2,52, водопотребностьВп=14,75 %.
- Щебень из гравия. Основные характеристики: рнас=1509 кг/м3, рист=2768 кг/м3, пустот-ность П=44,6 %, водопотребностьВп=6,3 %.
- Метакаолин. Для получения активной минеральной добавки был произведен обжиг каолина. Основные характеристики метакаолина: рнас=414 кг/м3, рист=2531 кг/м3, удельная поверхность 1564 м2/кг, водопотребностьВп=65,8 %.
- Нанодобавка. Для обеспечения нерасслаи-ваемости бетонной смеси использовалась добавка наносилики (99% БЮ2, расмер частиц 10-100 нм) производства АК3О Нобель, ввиде 50-% водной суспензии.
- Суперпластификатор. Для обеспечения высокой подвижности бетонной смеси в качестве химической добавки был использован суперпластификатор С-3.
200.ОкУ х50к ЮОпт
Рис. 1. РЭМ-изображение наночастиц8Ю2 (Флорес и др. 2010)
На первом этапе было выполнено исследование влияния отдельных добавок на свойства цементных растворов, в которых часть вяжущего заменялась микронаполнителем, что позволило на линейных моделях определить оптимальные диапазоны введения добавок.
После чего на основании планирования эксперимента были построены математические модели влияния структурных характеристик (концентрация цементного камня, В/Ц истинное) и долей добавок (известняковый микронаполнитель, мета-каолин, суперпластификатор С-3) на подвижность мелкозернистых бетонных смесей и прочность бетонов. Анализ полученных математических зависимостей позволил выбрать состав смешанного вяжущего для дальнейшего исследования.
В результате проведенной работы были приняты следующие соотношения компонентов ком-
плексной органо-минеральной добавки: известня-ковыймикронаполнитель, метакаолин и суперпластификатор С-3 в соотношении 1:1,2:0,16. Нано-силика использовалась в количестве 0,5 % от массы цемента.
На основе теории упаковок [10] была проведена оптимизация гранулометрического состава заполнителей для увеличения подвижности бетонной смеси и улучшения структуры бетона. В исследовании использованы местные заполнители: щебень из гравия и местные пески с модулем крупности равным 2. Для регулирования зернового состава использовался отсев дробления гравия.
Рассмотрим эффект от использования смешанных вяжущих на контрольных составах (табл. 1).
Составы бетонных смесей на портландцементе и смешанном вяжущем
Таблица 1
Состав
т н е
е
С р
о т а
*
и
и т с а
л
=
р е
с
^
С
-
55
н
С
р
«
о с е
С
ж
и в
а р
-
ж
и н е
л б
о р
д
в е с т
о
>5
н т и н
а р
-
н е
б
Контрольный
452
541
1124
248
Состав 1
382
28,6
34,4
4,6
593
105
964
244
Состав 2
382
28,6
34,4
4,6
3,8
589
104
955
244
Были произведены испытания бетонных сме- возрасте 1, 3, 7, 14 и 28 суток (табл. 2). сей на подвижность, а бетонов на прочность в
Таблица 2
Свойства бетонных смесей и бетонов
Состав В/ВВ Осадка Расплыв Прочность на сжатие, МПа, в возрасте, сут
конуса, см конуса, см 1 3 7 14 28
Контрольный 0,55 17 - 10,3 22,7 29,5 34,3 44,3
Состав 1 0,55 >26 62,5 7,9 23,6 30,1 38,5 44,4
Состав 2 0,55 >26 62 9,5 22,9 34,2 40 46,3
Из полученных данных видно, что использование вяжущих с комплексной органо-минеральной добавкой позволяет получать бетоны, равнозначные по прочности, но при этом обладающие большей подвижностью. По результатам исследования свойств и составов бетонных смесей установлено, что осадка конуса возрастает на 35 %, а экономия цемента составит 15,5 % при одинаковом водовяжущем отношении. Применение наносилики относительно в небольших дозировках позволяет устранять водоотделение и модифицировать структуру цементного камня. В дополнение к улучшенной удобоукладываемости бетон с добавкой наносилики (состав 2) и разработанной комплексной органоминеральной добавкой имел улучшенные прочностные свойства.
Введение в бетон минерального наполнителя и активной минеральной добавки позволяет получить многокомпонентные вяжущие вещества с использованием отходов промышленности. На примере рационально подобранного состава бетонной смеси на основе многокомпонентного вяжущего и местных заполнителей (табл. 1) можно судить о том, что введение известнякового микронаполнителя совместно с метакаолином позволяет получать самоуплотняющиеся бетоны с более низким расходом цемента, а, следовательно, и стоимостью.
Практика показала, что при возведении многоэтажных зданий рационально применение литой бетонной смеси. При литьевой технологии и безвибрационной укладке трудоемкость подачи и укладки бетонной смеси снижается на 30. 35 % вследствие ее высокой удобоукладываемости, а возможность получения более качественных лицевых поверхностей конструкций уменьшает затраты труда на последующих отделочных работах на 15.20 %. Применение литой смеси позволяет экономить суммарные энергозатраты на 15. 20 %. По имеющимся данным, сведение к минимуму виброуплотнения смеси позволяет экономить в среднем до 4 кВт/м3 и существенно увеличить строк эксплуатации опалубки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Опыт применения высокопрочных модифицированных бетонов на объектах ЗАО «Мос-промстрой» / Р.К. Житкевич, Л.Л. Лазопуло, А.В. Шейнфельд, А.Г.Ферджулян, О.В. Пригоженко // Бетон и железобетон. 2005. №2. С.2-8.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2007. 528 с.
3. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Прогнозирование свойств бетонных смесей и бетонов с техногенными отходами // Известия ВУЗов. Строительство. 1997. №4. С 68-72
4. ФаликманВ.Р.,Соболев К. «Простор за пределом», или как Нанотехнологии могут изменить мир бетона, Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве: Научный интернет-журнал. Изд-воцентринновационныхтехнологий. Нанострои-тельство. 2010. № 6. С. 17-31.
5. Sobolev K., Ferrada-Gutiérrez M. How Nano-technology Can Change the Concrete World: Part 1. // American Ceramic Society Bulletin. № 10. 2005. pp. 14-17.
6. Performance of Cement Systems with Nano-SiO2 Particles Produced Using Sol-gel Method / I. Flores, K. Sobolev, L.M. Torres, P.L. Valdez, E. Zarazua, E.L. Cuellar // TRB First International Conference in North America on Nanotechnology in Cement and Concrete. (Irvine May 5-7. 2010), California, USA. 2010.
7. Properties of Blended Cements Based on Thermally Activated Kaolin / M. Arikan, K. Sobolev, T. Ertün, A. Yeginobali, P. Türker // Construction and Building Materials. Vol. 23.№ 1. 2009. pp. 62-70.
8. Jian-Tong Ding, Zongjin Li. Effects of Metakaolin and Silica Fume on Properties of Concrete // ACI Materials Journal. 2002. №4. Р. 393.
9. RafatSiddique. Waste Materials and ByProducts in Concrete // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008.
10. Amiijanov A., Sobolev K. Optimization of Computer Simulation Model for Packing of Concrete Aggregates // Particulate Science and Technology. Vol. 26.№ 4. 2008. pp. 380-395.
