CC BY
32УДК 691.51:666.9(075.8)
Г.И. БЕРДОВ, д-р. техн. наук, Л.В. ИЛЬИНА, канд. техн. наук ([email protected]), А.В. МЕЛЬНИКОВ, инженер ([email protected]), Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет
Повышение морозостойкости и механической прочности бетона введением минеральных добавок и электролитов
Высокая морозостойкость и механическая прочность бетона являются его важными эксплуатационными свойствами. В особенности это актуально для районов Сибири, Севера, Дальнего Востока, характеризующиеся суровыми климатическими условиями и длительным холодным периодом.
Бетон представляет собой достаточно сложную систему, включающую крупный и мелкий заполнители и связывающий их цементный камень. Наиболее слабым местом системы является последний, так как крупный и мелкий заполнитель — прочные природные материалы.
Для регулирования технологических и эксплуатационных свойств бетона очень широко используют добавки, различные по составу и функциональному назначению [1, 2]. Для повышения морозостойкости бетона обычно используют воздухововлекающие добавки [2, 3]. Увеличение количества вовлеченного воздуха приводит к значительному повышению морозостойкости бетона. Это объясняют тем, что за счет вовлечения воздуха образуется достаточный объем свободного пространства пор, что способствует уменьшению давления при превращении воды в лед. Кроме того, в исходных порах значительная часть воды не замерзает и может перемещаться в соседние воздушные пузыри, в результате чего давление внутри бетона при замерзании части воды не увеличивается. Следует отметить, что при увеличении количества воздушных пор прочность цементного камня снижается. Повышение морозостойкости цементного камня происходит и при введении минеральных добавок. Так, в [4] предложено для этой цели вяжущее, содержащее 85—95% портландцемента и молотый стеклобой, количество которого составляет 2,5—7,5% при удельной поверхности 100—200 кг/м2 и 1,25—3,75% при удельной поверхности от 300 до 450 кг/м2.
В данной работе исследовано влияние минеральных добавок (волластонита и диопсида) и электролитов на механическую прочность и морозостойкость тяжелого бетона. Волластонит и диопсид являются природными силикатами кальция, сложенными кремнекислородны-ми тетраэдрами, как и основные клинкерные минералы
— алит и белит. Эти добавки имеют игольчатое строение кристаллов, обладают высокой твердостью. Их введение способствует микроармированию цементного камня.
В работе использован измельченный волластонит [5]. Удельная поверхность порошка составляла 290 м2/кг, среднеобъемный размер зерен, определенный методом лазерной гранулометрии, был равен 34 мкм. Использованный в работе диопсид представлял собой измельченную породу — отход от переработки флюго-питовых руд Алданского месторождения. Химический состав, мас. %: SiO2 - 50,3; А1203 - 3,4; Fe2Oз - 5,8; СаО
— 24,6; MgO — 15,6; R2O — 0,3. Удельная поверхность составляла 210 м2/кг, среднеобъемный размер зерен равен 50 мкм.
Добавки волластонита и диопсида вводили в количестве 9% массы цемента. Такое их содержание, как по-
казали предыдущие эксперименты [5], близко к оптимальному значению.
В качестве добавленного электролита использована соль, имеющая многозарядный катион и анион -Fe2(SO4)з. Соль вводили в воду затворения. Ее количество составляло 1% массы цемента, что соответствует ее оптимальной величине. Введение электролитов с многозарядными катионами и анионами способствует повышению прочности образующегося цементного камня [6].
Исходный (контрольный) состав бетонной смеси содержал, кг/м3: цемент — 323, песок — 551, щебень — 1288, вода — 215. В работе использован портландцемент ООО «Искитимцемент» (Новосибирская обл.) марки ПЦ400Д20, хранившийся в течение 4 мес во влажных условиях. Минералогический состав по данным завода изготовителя, % мас.: СзS — 50—55; С^ — 18—22; С3А — 7—11; C4AF — 12—15. Химический состав исследованного цемента, % мас: SiO2 — 20,7; А1203 — 6,9; Fe2Oз — 4,6; СаО — 65,4; MgO — 1,3; SOз — 0,4; ППП — 0,5.
Мелким заполнителем являлся кварцевый песок (п. Марусино, Новосибирской обл.), модуль крупности Мкр = 1,8. В качестве крупного заполнителя использовали диабазовый щебень месторождения п. Горный Тогучинского района Новосибирской области фракции 5—10 и 10—20 мм.
Образцы бетона с размером ребра 100 мм после 28 сут твердения при нормальных условиях подвергнуты испытаниям на морозостойкость по стандартной методике (второму ускоренному методу ГОСТ 10060.2—95). Испытания проводили в аккредитованной лаборатории.
Значения прочности при сжатии образцов бетона после различного количества циклов при испытании на морозостойкость и изменение массы образцов относительно исходных значений указаны в таблице.
При добавлении 9 мас. % волластонита прочность образцов при сжатии возрастает на 38%. Введение 9 мас. % диопсида обеспечивает увеличение начальной прочности бетона на 47%, добавка 1 мас. % Fe2(SO4)з — на 40%. Совместное введение 9 мас.% диопсида и 1 мас. % Fe2(SO4)з обеспечивает дальнейшее увеличение начальной прочности образцов бетона на 58% относительно контрольного состава. При этом проектный класс бетона по прочности изменяется от В12,5 контрольного состава до В20 составов с добавкой волластонита, диопси-да и Fe2(SO4)3 и до В22,5 при совместном введении ди-опсида и электролита.
У исходных (контрольных) образцов бетона заметное снижение прочности (1,3%) отмечено уже после 20 циклов испытаний по ускоренному методу. После 30 циклов прочность при сжатии снижается на 2,5%. Марка по морозостойкости составляет F150. При этом масса образцов увеличивается после 20 циклов на 1,3%, после 30 циклов — на 1,7%. При введении 9 мас. % волластонита снижение прочности составляет после 45 циклов испытаний 0,9%. К этому моменту происходит заметное снижение массы образцов — на 0,8 %. Марка бетона по мо-
64
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
iA ®
Состав бетонной смеси Предел прочности при сжатии, МПа, в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания Изменение массы после испытаний в зависимости от числа циклов Марка по морозостойкости
0 20 30 45 75 20 30 45 75
Контрольный 15,7 15,5 15,3 * * + 1,3 + 1,7 * * F150
9 мас. % волластонита 21,6 - 21,5 21,4 * - 0 -0,8 * F200
9 мас. % диопсида 23,1 - - 23,3 23,3 - - 0 0 F300
1 мас. % Fe2(SO4)3 21,9 - 21,8 21,5 * - 0 -0,4 * F200
9 мас. % диопсида и 1 мас. % Fe2(SO4)з 24,8 - - 24,9 25,1 - - -0,4 -0,8 F300
Примечание. (-) - испытания не проводили; (*) - испытания прекращены.
розостойкости увеличивается до F200. Аналогичное изменение свойств бетона происходит также при введении 1 мас. % Fe2(SO4)з. В этом случае марка по морозостойкости также повышается до F200.
Механизмы действия дисперсных минеральных добавок и добавок электролитов являются различными. Дисперсные минеральные добавки обеспечивают микроармирование цементного камня, препятствуют распространению в нем трещин. Энергетическое действие поверхности частиц добавки может оказывать влияние на процесс гидратации цемента.
Повышение морозостойкости может быть во многом обусловлено изменением структуры цементного камня при введении добавок.
Весьма примечательные результаты получены при введении в состав бетонной массы измельченного диоп-сида как отдельно, так и совместно с Fe2(SO4)з. После 75 циклов испытаний наблюдается не снижение, а рост прочности образцов, составляющий 0,9—1,2%.
В случае введения диопсида потери массы образцов после 75 циклов испытаний не зафиксированы. При дополнительном введении Fe2(SO4)з они составили после 75 циклов испытаний 0,8%. В обоих случаях марка бетона по морозостойкости возрастает до F300.
Рассмотрим возможные причины возрастания прочности бетона при длительных испытаниях на морозостойкость.
Морозостойкость строительных материалов во многом определяется их поровой структурой. При этом важную роль играет состояние воды на поверхности пор.
Вода, адсорбированная на поверхности твердого тела, значительно отличается по своим свойствам от объемной воды. Например, температурный минимум объема воды, адсорбированной на поверхности твердых тел при толщине слоя 0,6 мкм, сдвигается в область отрицательной температуры и расположен в интервале -10 - -20оС [7, 8].
Изменение структуры воды обусловливает кинетические препятствия для ее кристаллизации.
Пленочная вода, толщина слоя которой составляет около 0,2 мкм, при охлаждении не будет превращаться в лед. Таким образом, при диаметре пор и капилляров 0,5 мкм и менее вода в них замерзать не будет. При большем диаметре пор и капилляров часть воды, исключая пленочную, замерзает, создавая давление в порах. Это давление будет возрастать по мере увеличения размеров пор и капилляров. Критическим может быть диаметр пор, при котором увеличение объема вследствие замерзания воды равно общему объему пленочной воды. Это соответствует, как показывают расчеты, диаметру пор 2-5 мкм в зависимости от вида материала, т. е. толщины слоя пленочной воды. При большем размере пор при замерзании воды в системе будут возникать напряжения. Однако если напряжения не достигают предела прочности материала, они будут способствовать его
уплотнению и упрочнению при проведении циклов замораживания-оттаивания.
Эти особенности могут являться причиной рассматриваемого явления - увеличения прочности образцов после циклического замораживания и оттаивания. Такой эффект установлен и в некоторых других случаях [9].
Таким образом, введение дисперсных минеральных добавок, особенно 9 мас. % диопсида, являющегося отходом производства, обеспечивает существенное повышение морозостойкости бетона - от марки F150 до F300. При этом также увеличивается прочность при сжатии на 50%, причем после 75 циклов испытаний ее значение несколько увеличивается. Введение совместно с 9 мас. % диопсида 1 мас. % Fe2(SO4)3 способствует дальнейшему повышению исходной прочности при сжатии до 58%, марка по морозостойкости составляет F300.
Ключевые слова: бетон, прочность, морозостойкость, дисперсные минеральные добавки, электролиты.
Список литературы
1. Добавки в бетон: Справочное пособие / Пер. с англ. / Под ред. В.С. Рамачандрана. М.: Стройиздат, 1988. 575 с.
2. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Стройиздат, 1986. 688 с.
3. Косухин М.М. Направленное регулирование межфазных явлений в процессах гидратации и твердения вяжущих низкой водопотребности полифункциональными модификаторами синергетического действия при проектировании строительных композитов высокой морозостойкости // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2005. № 9. С. 123-126.
4. Ерофеев В.Т., Черкасов В.Д. и др. Вяжущее. Патент РФ № 2165906, заявл. 27.01.98. Опубл. 27.04.01.
5. Бердов Г.И., Ильина Л.В., Машкин Н.А. Влияние вол-ластонита на прочность цементного камня из длительно хранившегося портландцемента // Строительные материалы. 2011. № 1. С. 48-49.
6. Бердов Г.И. и др. Влияние добавок электролитов на прочность образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента // Строительные материалы. 2010. № 8. С. 48-50.
7. Дерягин Б.В., Зорин З.М., Соболев В.Д., Чураев Н.В. Свойство тонких слоев воды вблизи твердых поверхностей: В кн. «Связанная вода в дисперсных системах». Вып. 5. М.: Издательство МГУ, 1980. С. 4-13.
8. Мецик М.С. Свойства пленочной воды между пластинками слюды: В кн. «Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах». М.: Наука, 1972. С. 189-194.
9. Бердов Г.И., Зырянова В.Н. и др. Нанопроцессы в технологии строительных материалов // Строительные материалы. 2008. № 7. С. 78-80.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
65
